持續(xù)性纖維素酶產(chǎn)物釋放過(guò)程的分子動(dòng)力學(xué)模擬.pdf

1、生物質(zhì)作為可再生能源物質(zhì)，其高效利用的關(guān)鍵在于闡明纖維素酶催化水解纖維素的降解機(jī)理。來(lái)自瑞氏木霉（Trichodermareesei或Hypocreajecorina）的纖維二糖水解酶CBHI持續(xù)性催化結(jié)晶纖維素，是研究纖維素酶催化機(jī)理的典型代表。CBHI持續(xù)性催化循環(huán)包括催化水解、產(chǎn)物釋放和線穿運(yùn)動(dòng)三個(gè)過(guò)程，產(chǎn)物抑制的發(fā)生能夠?qū)е鲁掷m(xù)性催化循環(huán)的中斷和酶解效率的急劇降低，纖維二糖產(chǎn)物釋放成為連接酶催化水解和纖維素鏈線穿運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵步驟。

2、為在原子水平上研究CBHI的產(chǎn)物釋放過(guò)程和產(chǎn)物抑制現(xiàn)象，本課題首先構(gòu)建了CBHI催化水解后產(chǎn)物纖維二糖結(jié)合在催化孔道產(chǎn)物位點(diǎn)的全原子模型，然后在國(guó)家超級(jí)計(jì)算濟(jì)南中心的千萬(wàn)億次和百萬(wàn)億次集群上，利用副本交換分子動(dòng)力學(xué)模擬(REMD)方法，對(duì)CBHI產(chǎn)物釋放體系應(yīng)用128個(gè)溫度副本，每個(gè)副本進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)250ns的模擬計(jì)算，最后在山東省高性能計(jì)算中心的集群上進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析。
　　本研究在原子水平上闡明了CBHI產(chǎn)物釋放過(guò)程中纖維二糖的運(yùn)

3、動(dòng)路徑，纖維二糖主要沿著三條路徑W376(→)H228、Q175(→)H228和R251(→)H228從產(chǎn)物結(jié)合位點(diǎn)移動(dòng)到催化孔道外。在纖維二糖向酶催化孔道外移動(dòng)的過(guò)程中，催化孔道出口端柔性的LoopⅢ和LoopⅣ會(huì)張開(kāi)，顯示出蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化對(duì)產(chǎn)物釋放的重要作用。催化孔道出口端的5個(gè)氨基酸175GLN、228HIS、251ARG、259ASP和376TRP，可能是影響產(chǎn)物纖維二糖釋放與結(jié)合的關(guān)鍵殘基。根據(jù)MM/GBSA方法計(jì)算得到產(chǎn)

4、物纖維二糖結(jié)合CBHI活性位點(diǎn)的結(jié)合自由能是-62.134kJ/mol(300K)，表明在能量上產(chǎn)物抑制的發(fā)生是有利的。根據(jù)產(chǎn)物結(jié)合自由能和Arrhenius方程估算出產(chǎn)物釋放速率是16s-1，這與AFM實(shí)驗(yàn)觀察CBHI持續(xù)性運(yùn)動(dòng)的結(jié)果一致，暗示了產(chǎn)物釋放可能是CBHI持續(xù)性催化的限速步驟。
　　本課題對(duì)CBHI產(chǎn)物釋放過(guò)程的動(dòng)態(tài)變化、熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的研究，以及對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵氨基酸的預(yù)測(cè)，促進(jìn)了對(duì)CBHI持續(xù)性催化和纖維素酶