葡萄糖氧化酶与6-脱氧-D-葡萄糖作用机制的模拟分析

赵小水，李成伟

（1.河南省项城市第一高级中学，河南 项城 466200；2.厦门大学 信息科学与技术学院，福建 厦门 361005）

0 引言

葡萄糖氧化酶（简称GOx）属于脱氢酶[1]类，具有专一性，高效性等特点，在有氧环境中，能够专一性催化β-D-葡萄糖，使其生成葡萄糖酸以及过氧化氢。GOx主要分布在在微生物体内[2]，作用繁多，在食品、医疗、生物燃料等方面均有着良好的发展前景。

GOx主要是由青霉[3]和黑曲霉产生，许多学者已具体研究了其结构。GOx由两个亚基构成，两个亚基的结构性质完全相同，每个亚基的序列长度约为580，每个亚基中都有一种辅因子，名为黄素腺嘌呤二核苷酸，简称为FAD。在青霉中组成葡萄糖氧化酶的每个亚基中都有587个氨基酸残基，1个FAD,3个甘露糖以及6个N-乙酰葡萄糖糖胺。而在黑曲霉中提取的葡萄糖氧化酶除了个别残基[4]之外，肽链结构与青霉中的GOx大致相同。

GOx是一种氧化还原酶，它能够与过氧化氢酶形成一个氧化还原系统，在有氧环境中，消耗氧气得到葡萄糖酸。酶的催化效率和反应速率一般而言受到酸碱性、温度、氧气、动力学参数等各种因素影响。对于GOx催化过程来说，不同的底物分子与GOx反应酶活力是不同的，其中，当β-D-葡萄糖作为底物分子时，GOx对其具有高度专一性，相对活力强，而底物分子6-脱氧-D-葡萄糖（简称 6-deoxy-D-glucose）的相对活力就弱的多，催化效率较低。

目前，尽管国内外学者针对GOx的研究已取得许多进展[5-7]。但尚无法通过实验的方法得到GOx与底物分子反应的中间产物，只能通过分子模拟的方法进行分析。本文基于生物分子动力学模拟软件，对GOx与底物分子6-脱氧-D-葡萄糖的复合体系进行了模拟分析，建立了完整的复合物体系模型，计算了体系能量指标等相关数据，探讨了GOx与底物分子6-脱氧-D-葡萄糖的作用机制，可为后续有关GOx的实验提供一定的理论依据。

2 模拟过程

基于Amber软件进行分子动力学模拟，具体过程包括：①晶体结构的获取；②晶体结构文件的预处理；③小分子模板和缺失参数的生成；④tleap计算坐标文件以及拓扑文件的生成；⑤体系能量最小化处理；⑥体系升温过程；⑦体系平衡过程；⑧模拟体系平衡的判断；⑨体系分子动力学模拟：分析能量、氢键、残基质心距离分析、原子距离分析等数据指标。

3 结果与讨论

3.1 相互作用能分析

图1为GOx与其底物6-deoxy-D-glucose之间的静电作用势能和范德华作用势能随时间的变化。从图中可看出静电作用势能与范德华作用势能存在差距。在0-50 ns的时间范围内，静电作用势能波动明显，在50-80ns的时间范围内，静电作用势能发生大幅度减小，而在80ns-200ns的时间范围内波动较小。范德华作用势能在0-200ns的时间范围内基本稳定。该结果表明静电作用和范德华作用共同促进GOx与底物6-deoxy-D-glucose的结合与稳定。

图1 GOx与6-deoxy-D-glucose间相互作用的能量随时间的变化

3.2 RMSD分析

图2 GOx的 RMSD值随时间的变化图

图3 GOx的回转半径随时间的变化

图4 GOx活性口袋的回转半径随时间的变化

图2为GOx及含有底物分子6-deoxy-D-glucose的GOx的RMSD值。可看出GOx的RMSD值在0-80ns的时间范围内波动明显，在80-130 ns的时间范围内，GOx的RMSD值较为平稳，130-200ns之间，GOx的RMSD值先增大至3 Å，随后保持稳定状态。而添加底物后GOx的RMSD值在0-200 ns的时间范围内小幅度波动，逐步达到平衡。

3.3 回转半径分析

图3为添加底物6-deoxy-D-glucose前，GOx回转半径随时间的变化有较明显的波动。GOx在0-65 ns时间范围内，回转半径波动幅度较小，在23.9 Å上下。70-200 ns的时间范围内波动较大，回转半径先增大后减小。该结果说明GOx前期体积先发生膨胀，最终基本维持稳定。图4表示为GOx添加底物前酶活性口袋的回转半径随时间的变化情况。可看出GOx活性口袋的回转半径在前期有明显波动，40 ns之后时间范围内保持稳定，维持在11.3 Å左右。这表明添加底物前酶活性口袋部位体积先发生膨胀随后紧缩并维持稳定。

4 结论

基于分子动力学软件Amber对含有底物6-deoxy-D-glucose的GOx进行了模拟分析。结果显示，静电作用和范德华作用共同促进了GOx与6-deoxy-D-glucose的结合与稳定；通过分析RMSD和回转半径，发现含有底物分子的GOx活性口袋的RMSD值较低，6-deoxy-D-glucose底物在GOx活性口袋中柔性大，该底物的添加造成GOx活性口袋不够稳定。

[1] 康辉,李红飞,郝晓霞.葡萄糖氧化酶简介及其应用[J].农业工程技术·农产品加工业,2008,(1):16-19.

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