第21卷第6期分 子 科 学 学 报Vol.21No.6 2005年12月J OU RNAL OF MOL ECUL AR SCIENCE December2005
[文章编号]10009035(2005)06006005
Furcatin水解酶的三维结构模建
和与f urcatin的对接研究
韩葳葳,李泽生3,潘秀梅,郑清川,孙家钟
(吉林大学理论化学研究所吉林长春130023)
[摘 要] 利用同源模建和动力学模拟方法,模建了f urcatin水解酶(F H)的三维结构.
并在这基础上,分析了活性位点的组成和结构.研究了f urcatin与F H的对接.结果表明,
Ser84,Arg146,Thr189,Thr234和Gly372在复合物的形成过程中起重要的作用.其中,
Ser84,Arg146和Thr189是在F H的活性口袋的二糖部分的亚单位21中重要的氨基酸,
Thr234和Gly372是亚单位22中重要的氨基酸.
[关键词] 同源模建;f urcatin水解酶;分子动力学
[中图分类号] O623 [学科代码] 150?20 [文献标识码] A
0 引言
植物的β2葡糖苷酶在保护自身免受病毒侵害中担任着重要角色[1,2].一旦植物细胞受到害虫或者病原体的进攻,β2葡糖苷酶以及相应的β2配糖物立即进入反击状态,有毒的糖苷配基化合物被释放从而保护自己[1].β2葡糖苷酶在植物界分布广泛,迄今为止已经发现了80多种酶系亚型[3].Furcatin水解酶(F H)是β2葡糖苷酶系中特殊的一种二糖苷酶,它催化水解f uractin,生成p2烯丙基苯基和二糖acu2 mino se.Furcatin水解酶和β2樱草苷酶[2]组成一个新的酶系亚型(EC3.2.1.149).近年来,有关β2葡糖苷酶的相关研究很多,其中糖苷配基化合物对酶催化作用的影响以及反应所涉及到的几个重要的氨基酸都已经进行了深入的讨论[426].但是直到现在,有关f urcatin水解酶的三维结构仍未见有文献报道,这在一定程度上影响了对这种酶的研究.
本文利用同源模建(HOMOLO GY)和分子动力学模拟得到可靠的f urcatin水解酶的三维结构,分析其活性位点的组成和结构,在此基础上进行了f urcatin水解酶和小分子(f urcatin)的对接研究,确定了复合物形成时起重要作用的残基,对进一步揭示f urcatin水解酶的催化机理,尤其是甘油栓化合物对酶催化作用的影响具有重要的意义.
1 理论方法
目前由蛋白质的一级序列预测空间结构的诸多方法中,同源蛋白结构模建技术的可靠性已被广泛收稿日期: 20051024
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(20333050,20303007)
联系人简介: 李泽生(1954),男,教授,博士,博士生导师,主要从事核理论化学基础理论及应用研究.
E2m ail: zeshengli@https://www.doczj.com/doc/3b8982546.html,
接受,是当前最具有实用性的结构预测技术.本文的模建和模拟均使用Insight II 软件包,其中分子力学和分子动力学模拟采用了CV FF 力场(consistent 2valence forcefield )[7].
F H 序列含有538个氨基酸残基,凭借BL AST 程序搜索PDB 数据库得知[8]:与F H 具有最高序列相似性的蛋白质为氰(葡糖苷酶(PDB code :1CB
G )[9],同源性为56%.从BL AST 得到的结果中发现,
没有合适的模板可以模建F H N 2末端45残基,考虑到这些残基距离活性中心较远,并且对F H 来说,这N 2末端45残基属于在叶绿体转录起信号作用的肽[1],因此,采用与其他类似研究相同的方法[10],在模建中将这45残基切除.而且,与F H 具有良好同源性的蛋白质只有1CB G ,所以采用MOD EL ER 程序构建F H 的三维模型更为可靠.
初步得到的F H 的三维模型经过修饰残基上的侧链,加氢,检查键长,键角以及二面角后,用Dis 2cover3程序进行了300步的能量最小化和500p s 的动力学模拟.在加上1nm 水进行分子力学优化和分子动力学模拟,最终得到一个最低能量的构型为最后的三维结构.
利用上面得到的构型,使用Binding 2Site 模块进行搜索,根据搜索到的活性口袋的性质,形状,及其周围氨基酸的性质,预测出F H 的可能的活性位点.同时,用Builder 程序设计了小分子f uractin ,并用Affinity 程序进行了分子对接研究,得到了复合物的结构.
2 结果与讨论
2.1 FH 的三维结构模建
用MOD EL ER 程序模建F H 的三维结构,并且对得到的初始结构进行了分子力学和分子动力学优化.图1给出了分子动力学模拟过程中的势能随时间的变化关系.图1显示,最初的50p s ,体系能量下降很快,50p s 之后,体系得能量基本保持不变.用Profile 23D 和Pro Stat 程序对其进行检查,各个残基的Profile 23D 的得分如图2所示,其他结果列于表1.从图2可以看到,所有残基的Profile 23D 的得分都大
于0,这说明所有的残基都位于合理位置.从表1可以看到,F H 的三维结构评分为230.28,远高于预期合理得分101.35,略高于理想得分225.23.与模板蛋白1CB G 的三维结构进行对比,(碳原子之间的标准偏差(RMS deviation )为0.28.因此,本文模建的F H 的三维结构在现有理论水平下是可靠的.最终得
到的三维结构见图3.和所有糖基水解酶系1中的酶相似,F H 的三维结构具有(β/α)8桶状的区域.分别位于FN EP 和ITEN G 模块的Glu 残基在C 2末端的4和7折叠上,这是非常典型的糖基水解酶的结构,
通常把它们归入4/7超级酶系家族[1,11,12,13]
.
图1
势能随时间变化图图2 FH 模型的Prof ile 23D 的得分图
1
6第6期 韩葳葳等:Furcatin 水解酶的三维结构模建和与f urcatin 的对接研究
图3 FH 的三维结构模型图4 活性位点主要残基与furcatin 的氢键
表1 FH 和1CBG 的键长,键角以及整体结构评分结果
目标蛋白
F H 1CB
G Profile 23D
230.28231.76不合理键长数16不合理键角数922检测残基数
493
490
表2 Furactin 和FH 活性位点残基的相互作用能
kJ /mol
残基范德华相互作用能
库仑相互作用能
总相互作用能总计
279.0029.31288.31G lu44725.9421.06
27.00Trp49425.750.17
25.58Ser8420.6024.9325.53G ly37220.3024.5124.81His19223.7021.0024.70G lu23823.2421.3524.59Thr18922.4821.9124.39Tyr37622.9220.7423.66Val30223.2120.1123.32Ile30121.8421.35
23.19Arg14624.60 1.51
23.09G lu8822.1520.7922.94G ly30021.2821.62
22.90Asn23723.570.9222.65Asn37422.490.2622.23Phe37023.34 1.8021.56Phe14721.890.3721.52Phe18721.510.08
21.43Tyr44421.00
20.2721.27Thr234
0.11
21.20
21.09
26分子科学学报 第21卷
2.2 活性位点的确定
F H 包含了N EP 和ITEN
G 这两个所有糖基水解酶系1中的酶所共有的模块[1,2,11,12].故而把F H
归入糖基水解酶系1.活性位点像是一个从蛋白质的外部强行挤入桶状中心的狭缝形状的结构.从实验中得知,对二糖的糖基配体中的葡萄糖的C (6)的羟基部分来说,戊糖环的存在对于酶对底物的催化作用以及底物对接有重要的作用[1].因此可以把F H 的活性口袋分成3个亚单位:亚单位22和亚单位21分别指的是甘油栓部分中的apiosyl 和葡萄糖基,亚单位+1指的是糖苷配基部分[1].这样定义成3个亚单位有助于帮助解释二糖的甘油栓部分对于酶对底物的催化作用的影响.活性口袋的上半部分是糖苷配基部分的对接部位,而甘油栓部分则位于活性口袋的底部,整个活性中心1/2左右的位置.甘油栓(葡萄糖)部分涉及底物对接的几个氨基酸在整个糖基水解酶系1中是高度保守的[1,14].
对F H 来说,这些氨基酸是Gln88,His192,Asn237,Glu238,Glu501和Trp502.以Binding 2Site 程序在F H 中搜索活性位点,发现得到的最大的一个位点包含以上所涉及的氨基酸,所以把它确定为活性位点.活性位点包括Ser84,Glu88,Arg146,Phe147,Phe187,Thr189,His192,Thr234,Asn237,Glu238,Gly3002Ile3012Val302,Phe370,Gly372,Asn374,Tyr376,Tyr444,Glu447,Trp494,Glu501和Trp502.
2.3 与f urcatin 的对接研究
F H 可以催化水解f urcatin ,pN P β2樱草苷,但是,F H 不能催化水解22苯乙基2扁桃氰β2龙胆二糖
苷.这些结果说明,二糖的甘油栓部分影响F H 对底物的催化作用[1].F H 也可以催化水解p 2烯丙基苯酚β2D 2葡糖呋喃糖苷,它和f urcatin 有同样的糖苷配基部分,这说明糖苷配基部分同样影响F H 对底物的选择.
为了研究f urcatin 与F H 的相互作用,以Builder 程序构建了f urcatin 小分子并进行了优化.运用Affinity 程序对F H 与f urcatin 的复合物进行了分子对接研究.在得到的最优构象中,选取能量最低的
构象作为进一步研究的对象.氢键对分子的结构和功能,尤其是酶的催化作用具有重要作用.图4表明的是活性位点部分残基与f urcatin 的作用,F H 活性位点部分残基用球棍模型表示,f urcatin 用线性表示.f urcatin 与F H 形成了6个氢键.亚单位22中,是与Gly372和Thr234形成的.亚单位21中,是与Thr189,Ser84和Arg146形成的,其中Arg146与F H 之间形成了2个氢键.
Furcatin 与F H 的相互作用主要体现为非键相互作用,分子间的非键相互作用,对于确定两个分子
的相对位置以及关键残基非常重要.Furcatin 与活性位点氨基酸之间的相互作用能列在表2中.从表2可以得出,所有的残基与f urcatin 的相互作用能都是负值.Glu447,Trp494,Ser84,Gly372,His192,Glu238,Thr189,Tyr376,Val302,Ile301,Arg146,Glu88,Gly300,Asn237,Asn374,Phe370,Phe147,Phe187,Tyr444和Thr234对F H 是非常重要的氨基酸.其中,Glu447,His192,Glu88和Asn237是已
被报道过的在F H 底物对接非常重要的氨基酸[1],这和实验符合得很好.Glu447与F H 的相互作用能为27.00kJ ?mol 21,其中范德华相互作用能为25.94kJ ?mol 21,库仑相互作用能为21.06kJ ?mol 21,可见它与F H 的相互作用主要为范德华力.Trp494,His192,Glu238,Thr189,Tyr376,Val302,Ile301,Arg146,Glu88,Asn237,Asn374,Phe370,Phe147和Tyr444,这些氨基酸的情况和Glu447是一样
的.而Ser84,Gly300和Thr234,它们与F H 的相互作用主要是库仑力.
综上所述,从氢键和相互作用能两个方面来看,Ser84,Arg146,Thr189,Thr234和Gly372在复合物的形成过程中起了重要的作用.Ser84,Arg146和Thr189是亚单位21中重要的氨基酸,Thr234和Gly372是亚单位22中重要的氨基酸.
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H omology modeling and docking studies of f urcatin hydrolase
HAN Wei2wei,L I Ze2sheng3,PAN Xiu2mei,ZH EN G Qing2quan,SUN Jia2zhong
(Institute of Theoretical Chemistry,Jinlin University,Changchun130023,China)
Abstract:The t hree dimensional st ruct ure of f urcating hydrolase(F H)was modeled by using homolo2 gy and molecular dynamics met hods.On t he basis of t he modeling,t he component s and st ruct ure of active site in F H were analyzed.The docking of f urcatin wit h F H has been investigated,and t he re2 sult s show t hat t he residues Ser84,Arg146,Thr189,Thr234,and Gly372are important in binding of t he complex.Ser84,Arg146,and Thr189are important residues for subsite21for t he disaccharide binding pocket in t he active site of F H.Thr234and Gly372are important residues for subsite22.
K eyw ords:homology;f urcating hydrolase;molecular
dynamics
李泽生,男,生于1954年9月,理学博士,教授,从事物理化学专业,现任吉林大学理论化学研究所所长,理论化学计算国家重点实验室主任.
主要学术及社会兼职:吉林省专家协会会员,吉林省化学会理事,中国化学会理事,《分子科学学报》编委,《科学通报》特邀编辑
荣誉称号:1991年被国家教委和国务院学位委员会授予“做出突出贡献的中国博士学位获得者”称号,1991年被评为吉林省第六批“有突出贡献的中青年专业技术人才”,1993年被吉林省科委、省科协、省青联、省团委授予“首届吉林省青年科技新星”称号,1999年被教育部聘为“长江学者奖励计划”.
目前承担国家自然科学基金重点项目和面上项目多项,发表科研论文共212篇,其中国际刊物139篇.
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