利用AutoDock模拟富勒烯与漆酶结合模型的研究*

汪伟轩，白一彤，陈凌云，杨胜韬

(西南民族大学化学与环境保护工程学院，四川　成都　610041)



利用AutoDock模拟富勒烯与漆酶结合模型的研究*

汪伟轩，白一彤，陈凌云，杨胜韬

(西南民族大学化学与环境保护工程学院，四川成都610041)

富勒烯是典型的sp2碳纳米材料，研究其生物效应有重要的科学意义。本文以白腐菌分泌酶系中重要的漆酶为模型，采用AutoDock计算模拟了富勒烯C60与漆酶的结合模型，并计算了结合能。计算模拟的结果显示，C60在漆酶上有9个可能的结合位点，其中最优位点的结合能为-10.4 kcal/mol。这一结果表明富勒烯能与酶结合，引起酶结构和活性的变化。本文还对富勒烯与酶结合的潜在环境生物效应进行了探讨。

AutoDock；富勒烯；漆酶；构象；纳米生物效应

近年来，sp2碳纳米材料受到科学界和产业界的广泛关注，因为sp2碳纳米材料具有独特的结构和优异的性能[1]。sp2碳纳米材料可以在能源、电子、材料、器件、生物、环境等诸多领域应用，是最具应用潜力的纳米材料之一[2]。仅以环境领域为例，sp2碳纳米材料可以用于污染物吸附[3]、芬顿催化氧化[4]、电解氧化[5]等。随着sp2碳纳米材料的大规模研究、生产与应用，其生物安全性也日益受到人们的重视。已有许多研究表明sp2碳纳米材料对环境、生物体有潜在威胁[6]。在这些安全性研究中，sp2碳纳米材料与蛋白质的相互作用受到关注，因为蛋白是生命的基础[7]。如果蛋白质的结构和功能受到sp2碳纳米材料影响，将导致毒性和其他危害。

富勒烯是一种重要的sp2碳纳米材料。富勒烯特别适合于研究sp2碳纳米材料与蛋白质的相互作用，原因包括：富勒烯粒径较小，容易分散；富勒烯C60结构完全对称，适合于分子对接研究；富勒烯易于修饰，适合研究化学修饰对sp2碳纳米材料-蛋白结合的影响。已经有一些报道研究富勒烯与蛋白质的相互作用。例如，Yang等[8]报道羟基化富勒烯抑制溶菌酶的活性，并引起溶菌酶的构象变化。Wu等发现羟基化富勒烯的羟基化程度和碳笼大小对富勒烯-蛋白质相互作用有明显的影响[9]。

白腐菌是生态系统中重要的物种，可以降解纤维素，对碳循环至关重要[10]。漆酶是白腐菌分泌的酶系中重要的组成，具有很强的氧化代谢能力。本文以漆酶为模型，通过AutoDock计算C60与漆酶的结合模型和结合能，为全面理解富勒烯的环境生物学效应提供基础数据。

1　实　验

1.1漆酶分子构建

首先，通过检索的资料，查到了漆酶的PDB代码(3KW7)，在RCSB蛋白库(Research Center of Sequence Bank)中，搜索代码，找到PDB文件下载。

为了便于计算，需要先对受体分子(即漆酶)进行一些必要的处理。首先，使用Pymol软件除去酶中所含的一些杂原子，保存为.pdb文件。使用AutoDock读取保存过的.pdb文件。在系统中，选中所有水分子，并删除，然后对其进行加氢处理。通过软件对漆酶中的各个元素的电荷进行调整，使用系统默认值。最后，手动给漆酶中的铜离子添加电荷，另存为.pdbqt格式文件。计算出的结合模型用Pymol进行渲染做图。

1.2富勒烯分子构建

使用Chem3D软件，直接从软件提供的模板中提出富勒烯的分子模型，保存为.pdb文件。用AutoDock软件来打开配体分子，对该分子进行初始化。根据实验的需求对分子所含的化学键进行精确的处理，设置fewest atoms为0，将其保存为含有原子坐标、ADT原子类型、电荷以及可扭转键等关键信息的.pdbqt格式的文件。

1.3分子对接

当配体分子(富勒烯)和受体分子(漆酶)的前期调整全部完成之后，调整具体的计算范围以及计算的精度，其中格点间隔为默认值0.375 Å。设置Grid参数，xyz均为126，中心设置为(0, 0, 0)。将调整完成的Grid参数保存为.gpf文件，点击计算。获得对接结果，包括模型和结合能等信息。

2　结果与讨论

2.1富勒烯-漆酶结合位点

AutoDock计算获得了9个可能的富勒烯在漆酶上的结合位点(图1)。从图1可知，富勒烯与漆酶的结合都发生在漆酶表面，而非漆酶内部。富勒烯部分嵌入漆酶表面是结合的主要方式。9个结合位点的位置不同，位于漆酶的不同区域。其中位点1、2和4比较接近，位点3和5比较接近。

图1　富勒烯C60-漆酶的结合位点

2.2富勒烯-漆酶结合能

AutoDock计算给出了9个结合位点的结合能。从表1可以看出，位点1的结合能最低，为-10.4 kcal/mol，因而位点1是热力学上最可及的结合位点。比较不同位点与位点1的距离可知，位点1、2和4比较接近，是同一区域的不同构象。位点7虽然距离接近，但是从图1可以看出与上述三个位点不在同一个区域。与文献中富勒烯与其他蛋白的结合能相比，富勒烯-漆酶的结合能略高，说明富勒烯与漆酶结合较为稳固[8-9]。例如，羟基化富勒烯-RNase A的结合能为-6.5 kcal/mol，低于本文报道的值[9]。

表1　不同位点富勒烯-漆酶的结合能

2.3富勒烯-漆酶结合模型

经过能量比较可以知道，位点1为最佳结合位点。将这个结合模型用Pymol软件渲染，获得富勒烯-漆酶结合模型。在结合位点附近未发现可设为柔性残基的带芳环氨基酸，因此无需进行第二轮计算。该模型即为富勒烯C60与漆酶的结合模型。

图2　富勒烯C60-漆酶的结合模型

从上面的分析可以看出，富勒烯可以与漆酶结合。由于富勒烯是疏水分子，富勒烯结合漆酶后，可能会导致漆酶构象和活性的变化，从而产生环境生物效应。从已有的纳米材料-酶相互作用研究结果来看，绝大多数情况下纳米材料与酶结合都导致酶活性的降低。因此我们推测，富勒烯与漆酶结合可能引起漆酶分解污染物活性的下降，进而可能影响碳循环，产生严重的生态后果。在未来的研究中，需要通过实验方法来检验富勒烯对漆酶活性的影响，并开展相应的生态学研究。

3　结　论

本文以漆酶为例，研究了当富勒烯与漆酶结合的对接位点以及结合能。通过AutoDock计算软件成功构建两者对接的模型，得到了9种构象，最优位点的结合能为-10.4 kcal/mol。通过Pymol软件渲染，发现位点附近并无可设置柔性的基团。本文的结果对研究富勒烯的环境生物效应将有积极的作用。

[1]Geim AK. Graphene: status and prospects [J]. Science, 2009, 324: 1530-1534.

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[3]杨胜韬, 赵连勤. 石墨烯吸附材料的制备与应用研究进展 [J]. 西南民族大学学报(自然科学版), 2014(2): 203-218.

[4]王瑞珏, 刘潇阳, 张孝亮, 等.四氧化三铁-石墨烯复合芬顿催化剂用于染料脱色的研究[J]. 西南民族大学学报(自然科学版), 2015, 41(5): 588-592.

[5]Gilbertson LM, Goodwin DG Jr, Taylor AD, et al. Toward tailored functional design of multi-walled carbon nanotubes (MWNTs): Electrochemical and antimicrobial activity enhancement via oxidation and selective reduction [J]. Environ Sci Technol, 2014, 48: 5938-5945.

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[9]Wu X, Yang S, Wang H, et al. Influences of the size and hydroxyl number of fullerenes/fullerenols on their interactions with proteins [J]. J Nanosci Nanotechnol, 2010, 10: 6298-6304.

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Binding Model of Fullerene-laccase from AutoDock Simulation*

WANGWei-xuan,BAIYi-tong,CHENLing-yun,YANGSheng-tao

(College of Chemistry and Environment Protection Engineering, Southwest University for Nationalities, Sichuan Chengdu 610041, China)

Fullerene is typical sp2carbon nanomaterials. It is very importment to study the bioeffect of fullerene. In this study, laccase, an important component of the enzymes secreted by white rot fungi, was taken as the model protein to simulate the binding model of fullerene-protein by AutoDock software and calculate the binding energy. There were 9 potential binding sites for C60on laccase. The binding energy for the best site was -10.4 kcal/mol. The computation results suggested that fullerene binding might lead to the conformational changes and activity loss of enzyme. The potential nano-bioeffect of fullerene was also discussed.

AutoDock; fullerene; laccase; confirmation; nano-bioeffect

国家自然科学基金青年基金(No.201307101)。

汪伟轩(1990-)，男，硕士研究生，研究方向为纳米材料的环境效应。

杨胜韬(1985-)，男，博士，副教授，从事纳米材料的环境生物安全性研究。

O641.3

A

1001-9677(2016)07-0050-03