分子動力學模擬研究直鏈淀粉與α-亞油酸的包合行為

馮 濤 王 旭 莊海寧 Feng Chen Bruce R Hamaker Osvaldo Campanella 王 凱

(上海應用技術學院香料香精技術與工程學院1，上海 201418)(上海市農業科學院食用菌研究所 國家食用菌工程技術研究中心2，上海 201403)(美國普度大學食品系惠斯特勒碳水化合物研究中心3，美國印第安納州 47906-2009)(云南中煙工業有限責任公司技術中心4，昆明 650231)

分子動力學模擬研究直鏈淀粉與α-亞油酸的包合行為

馮 濤1王 旭1莊海寧2Feng Chen3Bruce R Hamaker3Osvaldo Campanella3王 凱4

(上海應用技術學院香料香精技術與工程學院1，上海 201418)(上海市農業科學院食用菌研究所 國家食用菌工程技術研究中心2，上海 201403)(美國普度大學食品系惠斯特勒碳水化合物研究中心3，美國印第安納州 47906-2009)(云南中煙工業有限責任公司技術中心4，昆明 650231)

α-亞油酸和直鏈淀粉可以形成熱力學穩定復合物。為了研究α-亞油酸影響直鏈淀粉構象的機理、復合物的構象趨勢及復合作用過程中氫鍵的變化情況，在373 K條件下進行了長時間(500 ns)的全原子分子動力學模擬。模擬發現在有/無α-亞油酸存在的情況下，在500 ns內都可以觀察到大量有序到無序的構象轉變，這表明直鏈淀粉和α-亞油酸之間結合作用微弱。原子均方根偏差(RMSD)、α-亞油酸與直鏈淀粉軸心間距、氫鍵增加都證明直鏈淀粉-α-亞油酸復合物的形成是熱力學自發行為。

分子動力學模擬 直鏈淀粉 α-亞油酸

直鏈淀粉和脂類可以形成復合物。復合配體物的存在可以導致直鏈淀粉形成結構緊密的螺旋結構。該螺旋具有一個疏水性的空腔。一般認為脂類分子的非極性端進入螺旋空腔，羧基端則在螺旋外部[1]。螺旋結構的形成可能與配體物在螺旋空腔內具有更低的自由能有關。該驅動力應該是與直鏈淀粉盡量減少其與水的接觸面積有關[2]。分子內鍵合力，例如范德華力和氫鍵主要存在于螺旋上的螺圈之間，以穩定單一螺旋鏈[3-4]。分子間作用力則穩定直鏈淀粉與其配體之間的相互作用[5]。

直鏈淀粉-脂肪酸復合物的結晶態是V-直鏈淀粉6倍(即6個葡萄糖殘基)單鏈左手螺旋[6]。Zabar等[7]從分子、納米和微米尺度研究了直鏈淀粉-長鏈脂肪酸復合物，但未達到原子水平。雖然大量的試驗數據證明了直鏈淀粉與α-亞油酸可以形成很穩定的復合物，但仍然有一些問題需要在原子水平上進行進一步研究，這就需要借助分子動力學模擬來實現。分子動力學模擬屬于分子模擬的一種，隨著計算機技術的快速發展，其已逐漸成為預測體系穩定性、驗證理論假設及改進模型的重要工具。目前分子動力學模擬在直鏈淀粉研究方面的應用已有不少成果[1, 8-9]。

本研究擬在有/無α-亞油酸的條件下，利用分子動力學對α-亞油酸與直鏈淀粉的復合過程進行動態模擬，以從原子水平解釋以下問題：游離脂肪酸穩定直鏈淀粉構象的原因；直鏈淀粉-α-亞油酸復合物的熱穩定構象狀態；在復合物形成過程中氫鍵的變化。

1 材料與方法

1.1 直鏈淀粉和α-亞油酸模型的選取

V-直鏈淀粉的分子模型由Paderborn大學提供。該直鏈淀粉模型為55個葡萄糖殘基組成的6倍左手螺旋。所得的螺旋其內徑為54 nm，外徑為135 nm，長738 nm。根據糖苷鍵鏈接不同，GLC、GLM和GLK分別用于代表直鏈淀粉的起始、中間和末端葡萄糖殘基。α-亞油酸的PDB文件從http://xray.bmc.uu.se/hicup/EIC/下載。具有20個原子的PDB文件選自MSDchem數據庫。α-亞油酸的起始結構由PRODRG服務器生成(http://davapc1.bioch.dundee.ac.uk/prodrg/)。EIC表示α-亞油酸。

1.2 分子力場

葡萄糖分子力場根據Damm等[10]和Kony等[11]改寫。所有的模擬均根據為直鏈淀粉設計的葡萄糖分子力場來進行運算。原子上的電荷如表1所示。

表1 葡萄糖拓撲結構中原子的電荷情況

注：OG，CG1～CG5，HG1～HG5分別代表葡萄糖環狀結構上的氧，碳和氫原子；OH1～OH4，代表葡萄糖環狀結構上的羥基氧原子；HO2～HO4，代表葡萄糖環狀結構上的羥基氫原子；CA6，代表葡萄糖環狀結構上的6位碳原子；OA6，代表葡萄糖環狀結構上的6位氧原子；HA1，HA2，代表與葡萄糖環狀結構上的6位碳原子相連的兩個氫原子；HA6，代表與葡萄糖環狀結構上的6位氧原子相連的氫原子。與附圖1中原子標簽相對應。

1.3 分子模擬法則

使用Gromacs 4.6.1(ScalaLife Competence Center, the European Research Council)中的分子動力學軟件包中的跳蛙移動算法，以2 fs作為步長。模擬步數為2 500 000 000步，因此總的模擬時間為500 ns。LINCS算法用于對所有的鍵長(特別是重原子-H鍵)進行條件約束，參數分別為lincs_iter=1，和lincs_order=4。溫度通過修改的Berendsen恒熱耦合在不同的基團之間以松弛時間為0.1 ps來維持在373 K。壓力通過Parrinello-Rahman耦合壓力浴在各向同性坐標下以松弛時間為2 ps來保持在1 bar。非鍵合作用采用臨近網格切割圖法處理。短程臨近切割距離為0.9 nm，根據配對表每個步長都要進行1次評估。短程靜電力切割半徑為0.9 nm，長程范德華力切割半徑為1.4 nm，亦根據每個步長的更新配對表分別自動進行評估[1]。

1.4 直鏈淀粉和直鏈淀粉復合物模擬與分析

試驗進行了2種模擬，2組分子模擬都是從圓柱形的3D結構開始進行(葡萄糖形成的柱形3D結構的每個螺圈由6個葡萄糖組成)。第1種是將55個殘基的直鏈淀粉鏈置于1個設計有12 631個水分子的矩形盒子里(10 nm×5 nm×5 nm)。水通過簡單的TIP4P模型進行模擬[1]。2個模擬的起始構象如圖1所示。在分子模擬開始前，鏈間能量采用最陡下降法最小化。然后模擬運行500 ns，旨在獲得直鏈淀粉在水中的穩定構象。

第2種是由55個殘基的直鏈淀粉與α-亞油酸形成的復合物系統。直鏈淀粉事先與α-亞油酸預先復合在一起。根據試驗條件下的pH值，α-亞油酸的羧基端上的氫質子將完全解離，這使α-亞油酸帶1個負電荷，加入1個Na離子以平衡這一負電荷。水通過簡單的TIP4P模型進行模擬。直鏈淀粉起始采用V-直鏈淀粉構象，α-亞油酸的極性末端置于螺旋空腔內部。系統置于一個設計有12 631個水分子的矩形盒子里(10 nm×5 nm×5 nm)。模擬運行500 ns。

所有的模擬運算和分析均采用Gromacs 4.6.1來進行。

1.5 構象簇分析

為了從模擬的軌跡中找到結構中具有代表性的構象簇，本研究采用Daura等[12]描述的方法來進行。采用0.2 nm切割了直鏈淀粉相鄰原子位置的RMSD值作為聚類中心點。該過程一直重復直到沒有相關的軌跡被提取出來。所有計算由Gromacs 4.6.1來完成。

圖1 由α-亞油酸誘導的直鏈淀粉的構象的可能模型

2 結果與討論

2.1 直鏈淀粉復合物與單一直鏈淀粉之間的動態結構變化

圖2(a,b)顯示了每個體系(直鏈淀粉復合物和直鏈淀粉)在500 ns內的演變過程。2組模擬都展示了對于全結構的大量重新組合。在圖2a中，在100 ns以內α-亞油酸首先從直鏈淀粉中分離出來，然后在200 ns時，α-亞油酸被重新包合進直鏈淀粉片段的中間區域，然后α-亞油酸始終被包合在直鏈淀粉片段內，但在200～500 ns的時間內，其位置在左右之間搖擺。直鏈淀粉則始終保持了一種伸展的左手螺旋的構象。但是，直鏈淀粉產生了一個完全折疊的構象，而且在500 ns的時間內始終扭曲纏繞，并且可以看出直鏈淀粉螺旋從片段的中點位置對折，且折疊構象不斷變化。這說明直鏈淀粉上的原子移動得比直鏈淀粉復合物中的原子要劇烈得多。

淀粉骨架GLK_GLM_GLC&CA6與GLK之間的位移距離如圖2c所示。在500 ns內，復合物與單獨直鏈淀粉的平均模擬位移距離分別為1.0 nm和3.0 nm。這些位移距離軌跡表明在α-亞油酸的存在下，直鏈淀粉骨架上的原子移動得要緩慢些。α-亞油酸復合后的淀粉可以在200～500 ns內，維持一個相對穩定的構象，而單獨直鏈淀粉在500 ns內為一個扭曲的相對不穩定的構象。因此，可以得出初步結論：單獨的直鏈淀粉在水溶液中的構象是不穩定的，但在α-亞油酸的存在下，則可以極大地提高其穩定性。模擬的運動軌跡和試驗現象(直鏈淀粉與α-亞油酸可以形成穩定絡合物)的一致性說明分子動力學模擬為直鏈淀粉的構象轉變提供了其受α-亞油酸影響的精確效應圖。

圖2 有/無α-亞油酸條件下，直鏈淀粉的構象變化及其對應的淀粉骨架位移

2.2 直鏈淀粉復合物與單獨直鏈淀粉的單一結構域的動態位移變化

直鏈淀粉骨架相對于GLC、GLK、GLM結構域位移的均方根偏差經計算如圖3所示。可以看出，直鏈淀粉-α-亞油酸復合物的所有均方根偏差都完全小于單獨直鏈淀粉，這意味著在直鏈淀粉-α-亞油酸復合物中的原子的動態位移變化要少于單獨直鏈淀粉。2個體系中，骨架與GLM之間的RMSD最為光滑平坦，表明GLM結構域在3個結構域中是較為穩定的。反之，GLC和GLK均表現出了較大幅度的位移變化。其中，GLC的動態位移變化RMSD值在2個體系中均為最大，在復合物系統中為7.0 nm，在單獨直鏈淀粉系統中為6.0 nm。但是，這一變化僅發生在前100 ns內，直鏈淀粉復合物的原子位移遠比單獨直鏈淀粉的劇烈。然后，當2個體系均達到平衡狀態時，復合物系統的RMSD值均低于單獨直鏈淀粉的。在2個體系中，GLK結構域的RMSD曲線遵循在圖2c中所觀察到的GLK-骨架之間的原子位移距離的變化趨勢，在有α-亞油酸的條件下，其構象重排遠比沒有α-亞油酸的條件下溫和。這些均表明α-亞油酸對直鏈淀粉的構象具有穩定作用。這些結果與圖2中位移距離和動態軌跡的分析一致。

圖3 直鏈淀粉骨架相對于GLC、GLK、GLM結構域位移的均方根偏差

圖4 單獨直鏈淀粉和復合直鏈淀粉的氫鍵數量

2.3 復合直鏈淀粉和單獨直鏈淀粉的氫鍵數量

通常將受體-供體的距離低于0.35 nm和角度低于30°作為判斷氫鍵形成的幾何標準[13]。復合直鏈淀粉和單獨直鏈淀粉與水分子之間形成的氫鍵數量的平均值分別為50和40(如圖4)。這一結果說明復合直鏈淀粉在氫鍵的參與下聚合成緊湊的結構。氫鍵在聚合和維持復合直鏈淀粉的穩定結構中起很大作用。

2.4 復合直鏈淀粉和單獨直鏈淀粉的主成分分析(PCA)

通過PCA分析來了解所觀察到結構的主要累積波動圖。圖5表明了模擬的結構圖形投影到平面上，該平面是由2個主要成分的共變量矩陣向量值所構建。在單獨直鏈淀粉和復合直鏈淀粉模型中，所有沿軌跡方向的模擬系統均具有重疊的和分開的基本空間。在單獨直鏈淀粉中，較寬的點集來自于GLM，在MD模擬的過程中，具有較為伸展和分散的區域大小。復合直鏈淀粉則具有一個較局限的、封閉的區域，表明構象變化幅度很小。在2個系統中，模擬的結構足以比較，覆蓋了較寬泛的空間區域。單獨直鏈淀粉通過具有較大的基本空間再次表明其最高的變化幅度。另外，為了進一步揭示在模擬期間，相應的殘基之間的主要運動軌跡的幅度，單獨直鏈淀粉作為PCA的參考模擬對象，并用其主成分投影所有的分子模擬軌跡。從單獨直鏈淀粉的模擬體系中所得到的更為明顯的現象支持了本研究的假設即α-亞油酸具有的穩定效應。

圖5 2個模擬體系的主成份分析圖

2.5 復合直鏈淀粉和單獨直鏈淀粉最常見的構象簇

復合直鏈淀粉和單獨直鏈淀粉的主要構象簇完全不同。圖6顯示了本模擬中復合直鏈淀粉和單獨直鏈淀粉的典型構象簇圖像。復合直鏈淀粉中較多的螺旋骨架基團導致了疏水性溶劑接觸表面積的增加。這些構象簇也具有不同的水合半徑值。最為伸展的構象(復合直鏈淀粉)比稍微不伸展的構象(單獨直鏈淀粉)的水合半徑要大50%。同樣的結果，在三丙氨酸的鹵鹽溶液中的構象變化也被報道過[14]。

圖6 2種模擬體系中最為常見的構象簇

3 結論

本研究在有/無α-亞油酸存在的條件下，模擬了直鏈淀粉的構象變化。模擬過程中α-亞油酸可以使直鏈淀粉處于一個比較穩定的構象，而單獨直鏈淀粉的構象則是不斷變化的。此外，在有/無α-亞油酸存在時，淀粉骨架相對于末端葡萄糖殘基的位移變化、淀粉骨架單一結構域位移變化以及PCA結果都表明α-亞油酸可以穩定直鏈淀粉的構象。而氫鍵在聚合及維持直鏈淀粉-α-亞油復合物的結構中發揮很大作用。最后，本研究的結果也表明實時動力學在熱力學穩定構型復合物的形成過程中的重要作用，同時對在原子水平上理解復合物行為具有重要意義。

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The Complexation Behavior of Amylose and α-Linoleic Acid by Molecular Dynamics Simulations

Feng Tao1Wang Xu1Zhuang Haining2Feng Chen3Bruce R Hamaker3Osvaldo Campanella3Wang Kai4

(School of Perfume and Aroma Technology, Shanghai Institute of Technology1, Shanghai 201418)(Institute of Edible Fungi, Shanghai Academy of Agricultural Sciences,National Engineering Research Center of Edible Fungi2, Shanghai 201403)(Whistler Center for Carbohydrate Research, Department of Food Science, Purdue University3, IN 47906-2009, USA)(R&D Center, China Tobacco Yunnan Industrial Co., Ltd4, Kunming 650231)

The amylose could form a thermodynamically stable complex with α-linoleic acid. In order to study the mechanism that α-linoleic acid affecting the configuration of amylose; the favorable configuration of amylase and α-linoleic acid complex; and the changes of hydrogen bonds during the complexation process, a long time (500 ns) all-atom molecular dynamics (MD) simulation has been performed at the temperature of 373 K. In both the presence and absence of α-linoleic acid, a large-scale order-to-disorder conformational transition happened within 500 ns was observed, suggesting the weak coupling between amylose and α-linoleic acid. The results of the atom root mean square deviation (RMSD), the axial distance between α-linoleic acid and amylose, and the increment of hydrogen bonds, all supported a common conclusion that amylose-α-linoleic acid complex was formed by thermodynamically spontaneous behavior.

molecular dynamics simulation, amylose, α-linoleic acid

TS231

A

1003-0174(2016)04-0035-06

國家自然科學基金 (31000794)

2014-08-11

馮濤，男，1978年出生，教授，食品風味化學