葡萄糖氧化酶與6-脫氧-D-葡萄糖作用機制的模擬分析

趙小水，李成偉

（1.河南省項城市第一高級中學，河南 項城 466200；2.廈門大學 信息科學與技術學院，福建 廈門 361005）

0 引言

葡萄糖氧化酶（簡稱GOx）屬于脫氫酶[1]類，具有專一性，高效性等特點，在有氧環境中，能夠專一性催化β-D-葡萄糖，使其生成葡萄糖酸以及過氧化氫。GOx主要分布在在微生物體內[2]，作用繁多，在食品、醫療、生物燃料等方面均有著良好的發展前景。

GOx主要是由青霉[3]和黑曲霉產生，許多學者已具體研究了其結構。GOx由兩個亞基構成，兩個亞基的結構性質完全相同，每個亞基的序列長度約為580，每個亞基中都有一種輔因子，名為黃素腺嘌呤二核苷酸，簡稱為FAD。在青霉中組成葡萄糖氧化酶的每個亞基中都有587個氨基酸殘基，1個FAD,3個甘露糖以及6個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個別殘基[4]之外，肽鏈結構與青霉中的GOx大致相同。

GOx是一種氧化還原酶，它能夠與過氧化氫酶形成一個氧化還原系統，在有氧環境中，消耗氧氣得到葡萄糖酸。酶的催化效率和反應速率一般而言受到酸堿性、溫度、氧氣、動力學參數等各種因素影響。對于GOx催化過程來說，不同的底物分子與GOx反應酶活力是不同的，其中，當β-D-葡萄糖作為底物分子時，GOx對其具有高度專一性，相對活力強，而底物分子6-脫氧-D-葡萄糖（簡稱 6-deoxy-D-glucose）的相對活力就弱的多，催化效率較低。

目前，盡管國內外學者針對GOx的研究已取得許多進展[5-7]。但尚無法通過實驗的方法得到GOx與底物分子反應的中間產物，只能通過分子模擬的方法進行分析。本文基于生物分子動力學模擬軟件，對GOx與底物分子6-脫氧-D-葡萄糖的復合體系進行了模擬分析，建立了完整的復合物體系模型，計算了體系能量指標等相關數據，探討了GOx與底物分子6-脫氧-D-葡萄糖的作用機制，可為后續有關GOx的實驗提供一定的理論依據。

2 模擬過程

基于Amber軟件進行分子動力學模擬，具體過程包括：①晶體結構的獲取；②晶體結構文件的預處理；③小分子模板和缺失參數的生成；④tleap計算坐標文件以及拓撲文件的生成；⑤體系能量最小化處理；⑥體系升溫過程；⑦體系平衡過程；⑧模擬體系平衡的判斷；⑨體系分子動力學模擬：分析能量、氫鍵、殘基質心距離分析、原子距離分析等數據指標。

3 結果與討論

3.1 相互作用能分析

圖1為GOx與其底物6-deoxy-D-glucose之間的靜電作用勢能和范德華作用勢能隨時間的變化。從圖中可看出靜電作用勢能與范德華作用勢能存在差距。在0-50 ns的時間范圍內，靜電作用勢能波動明顯，在50-80ns的時間范圍內，靜電作用勢能發生大幅度減小，而在80ns-200ns的時間范圍內波動較小。范德華作用勢能在0-200ns的時間范圍內基本穩定。該結果表明靜電作用和范德華作用共同促進GOx與底物6-deoxy-D-glucose的結合與穩定。

圖1 GOx與6-deoxy-D-glucose間相互作用的能量隨時間的變化

3.2 RMSD分析

圖2 GOx的 RMSD值隨時間的變化圖

圖3 GOx的回轉半徑隨時間的變化

圖4 GOx活性口袋的回轉半徑隨時間的變化

圖2為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的時間范圍內波動明顯，在80-130 ns的時間范圍內，GOx的RMSD值較為平穩，130-200ns之間，GOx的RMSD值先增大至3 ?，隨后保持穩定狀態。而添加底物后GOx的RMSD值在0-200 ns的時間范圍內小幅度波動，逐步達到平衡。

3.3 回轉半徑分析

圖3為添加底物6-deoxy-D-glucose前，GOx回轉半徑隨時間的變化有較明顯的波動。GOx在0-65 ns時間范圍內，回轉半徑波動幅度較小，在23.9 ?上下。70-200 ns的時間范圍內波動較大，回轉半徑先增大后減小。該結果說明GOx前期體積先發生膨脹，最終基本維持穩定。圖4表示為GOx添加底物前酶活性口袋的回轉半徑隨時間的變化情況。可看出GOx活性口袋的回轉半徑在前期有明顯波動，40 ns之后時間范圍內保持穩定，維持在11.3 ?左右。這表明添加底物前酶活性口袋部位體積先發生膨脹隨后緊縮并維持穩定。

4 結論

基于分子動力學軟件Amber對含有底物6-deoxy-D-glucose的GOx進行了模擬分析。結果顯示，靜電作用和范德華作用共同促進了GOx與6-deoxy-D-glucose的結合與穩定；通過分析RMSD和回轉半徑，發現含有底物分子的GOx活性口袋的RMSD值較低，6-deoxy-D-glucose底物在GOx活性口袋中柔性大，該底物的添加造成GOx活性口袋不夠穩定。

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