嗜冷丝氨酸蛋白酶表面静电与构象柔性的关系研究

论文摘要

嗜冷酶能够在低温下保持较高的催化活性,进而保证嗜冷生物的正常代谢率。有关嗜冷酶的冷适应机理的诸多研究表明,酶结构上的高构象柔性是保证其低温下高效催化能力的结构基础,而酶自身的哪些理化性质或因素影响了其结构的构象柔性?这一问题尚不清楚。本文以来源于枯草杆菌丝氨酸蛋白酶家族的嗜冷酶VPR及常温酶PRK为研究对象,使用分子模拟和静电计算手段研究了蛋白质表面静电性质对其柔性变化的影响。本研究对两个蛋白酶结构分别进行了10次100 ns的分子动力学模拟,在获得串联平衡轨迹的基础上,计算了两个蛋白酶的几何性质,包括总溶剂可及表面积（solvent accessible surface area;SASA）、相对溶剂可及表面积（relative SASA;R-SASA）、Ca原子均方根波动（root mean square fluctuation;RMSF）、蛋白质-溶剂（protein-water）间氢键数量（包括动态氢键和静态氢键数量）;此外,通过聚类算法获取串联平衡轨迹的代表性结构,并使用有限差分法近似地求解泊松-波尔兹曼方程,得到了两个蛋白酶的静电表面电势。采用相关性分析手段,分别计算了两个蛋白酶所有结构参数间的皮尔森相关性系数,并通过回归方程解释各结构参数对CαRMSF值的影响程度。通过比较两个蛋白酶结构等同位置残基的Cα原子RMSF值,我们发现,嗜冷酶VPR在外周环区、底物结合区域以及C-末端区域比常温酶PRK均具有更高的构象柔性,这可能是导致低温条件下嗜冷酶保持高催化活性的原因。几何性质的比较分析表明,VPR比PRK有着更大的溶剂可及表面积,更多的蛋白质-溶剂间（分子间）动态氢键数量（number of dynamic hydrogen bonds;NDHB）,以及略高的分子间静态氢键数量（number of static hydrogen bonds;NSHB）。通过比较两个丝氨酸蛋白酶的静电表面电势,发现尽管二者的前表面上混杂分布着不同性质的（如电正性、电负性和电中性）静电势补丁,二者的后表面上则表现出明显不同的静电势分布:VPR的后表面被大面积的负电势所覆盖,而PRK的后表面则被大量的正电势所覆盖。我们推测,不同带电性质的静电势在蛋白质表面的分布差异可能会调节、影响蛋白质的局部构象柔性或刚性。为了验证这一猜测,我们将不同静电表面电势所覆盖的残基分为负电势残基、正电势残基和电中性势残基,并对每类残基的Ca RMSF值和蛋白质-溶剂氢键数量进行了统计分析。结果表明,蛋白质表面电负势残基比电正势残基和电中性势残基有更高的构象柔性和静态氢键数量,说明电负势残基与溶剂分子间的稳定氢键对该负电势表面柔性的增加有一定贡献。对两个蛋白酶各自的结构参数间进行相关性分析的结果表明:R-SASA与其他8个参数间均有很高的相关性;与RMSF相关性最好的三个结构参数是R-SASA,负电表面面积（negatively charged surface area;NeSA）和主链-溶剂动态氢键数量（NDHB of main chain;MC-NDHB）。回归分析的结果表明:无论是PRK还是VPR,其R-SASA,NeSA以及MC-NDHB对RMSF变化的解释度（R2）最高,这与相关性分析结果一致,说明高暴露残基主链上带部分负电荷的极性原子与溶剂水之间大量氢键作用有助于增加蛋白表面的构象柔性。总之,蛋白质的表面带电性质与其构象柔性紧密相关,负电表面对蛋白质构象柔性的增加有极大的促进作用,而正电和电中性表面对构象柔性的增加程度非常有限甚至能能够促进构象刚性的增加。与正电或电中性表面相比,负电表面与水分子间具有更为有利或稳定的氢键相互作用,这很可能是导致负电表面柔性增加关键因素。与常温丝氨酸蛋白酶PRK相比,嗜冷酶VPR中更多的负电残基和极性不带电残基所导致的更多负电表面的暴露是其构象柔性增加的主要原因。本文的研究结果促进了人们对蛋白质构象柔性起源以及对嗜冷酶冷适应机制的深入理解。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一节 引言
•   1.1 极端环境微生物与极端温度酶概述
•   1.2 相关基础理论和方法
•     1.2.1 分子力学与分子动力学模拟
•     1.2.2 周期性边界条件
•     1.2.3 力场/势函数
•     1.2.4 氢键及几何属性
• 第二节 材料和方法
•   2.1 材料
•   2.2 方法
•     2.2.1 多副本分子动力学模拟
•     2.2.2 结构、几何性质分析
•     2.2.3 氨基酸分类及溶剂可及表面积（SASA）和相对溶剂可及表面积（R-SASA）
•     2.2.4 静电表面电势
•     2.2.5 相关分析与回归分析
•     2.2.6 一元线性回归方程的检验
• 第三节 结果与讨论
•   3.1 两种丝氨酸蛋白酶的结构和序列比较
•   3.2 嗜冷酶VPR和常温酶PRK的氨基酸组分和理化性质
•   3.3 分子动力学模拟轨迹的稳定性评估及串联平衡轨迹的获得
•   3.4 构象柔性
•   3.5 蛋白质-溶剂相互作用相关参数
•   3.6 静电表面电势与构象柔性的关系
•   3.7 不同带电性质残基的RMSF以及动态和静态氢键数量统计
•   3.8 相关性与回归分析
•     3.8.1 不同结构参数之间的相关性分析
• αRMSF与其它结构参数的的回归分析'>    3.8.2 C_αRMSF与其它结构参数的的回归分析
• 第四节 结论
• 附录
•   附录1 文中主要专业名词及缩略语
•   附录2 生产分子模拟所用mdp文件参数
•   附录3
• 参考文献
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张小艳

导师: 柳树群

关键词: 嗜冷丝氨酸蛋白酶,分子动力学模拟,静电表面电势,构象柔性,溶剂可及表面积

来源: 云南大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学

单位: 云南大学

分类号: Q93

总页数: 73

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