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《吉林大学》 2018年
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纤维素酶Cbh9A中关键残基功能及过程模式的分子动力学研究

韩菲  
【摘要】:随着石油资源的枯竭和人类对能源增长的需求,寻找廉价,清洁的可再生能源已成为全球研究人员的共同目标。同时,纤维素作为植物细胞壁高度稳定的聚合物成分,是地球上碳和能量最丰富的可再生资源。因此,纤维素生物质的利用和转化是解决环境污染和能源危机的一个非常重要的课题。纤维素是由数百个到数千个β-(1,4)-D-葡萄糖单元聚合形成的多糖,并且可以通过糖苷水解酶(GH)将其降解成小的纤维糊精或葡萄糖。GH现在分为135个家族,这些家族被编入碳水化合物-活性酶数据库(http://www.cazy.org)。纤维素酶是一种GH,具有很高的多样性。它能高效地将纤维素生物质水解成碳水化合物,碳水化合物将进一步转化为生物基燃料,化学品和材料。9家族的糖苷水解酶(GH9)作为GH的一个家族,含有170多个成员。该家族的酶有两种特征:(α/α)6桶状折叠结构和反转型催化水解机制。在反转型催化水解机制中,谷氨酸作为羧酸性残基向糖苷氧贡献质子,而天冬氨酸则作为碱性残基则激活亲核性水分子攻击异头碳。来自热纤维梭菌的纤维素酶纤维二糖水解酶A(Cbh9A),是糖苷水解酶(GH)家族9中的一种进行性纤维素酶。早期已有实验在其活性裂缝中观察到从非还原末端到还原末端的-2至+2糖4个结合亚位点,而裂解位置在-1和+1亚位点之间。Asp383,Asp386和Glu795保守于-1和+1亚位点周围,其中,Glu795充当酸性残基,而Asp383或Asp386则充当碱性残基。一些活性位点附近的其他残基,如Tyr555何Trp678,也被认为发挥着重要的作用。但其具体功能至今仍不清楚。同时,Cbh9A的过程模式也尚未描述。在这项工作中,我们深入探究了Tyr555和Trp678对Cbh9A的持续水解能力的影响。模拟结果分析表明,Y555S和W678G突变体中活性裂缝变宽,并且底物和WT-Cbh9A之间的结合自由能低于Y555S和W678G突变体的结合自由能。残基自由能分解分析表明,在两个突变体中,底物与Asp383,Gly548,Trp616和Asp789残基之间的相互作用几乎消失。此外,与WT-Cbh9A相比,在SMD模拟期间,Y555S和W678G突变体中的拉力和能垒显着降低,这说明底物与Y555S和W678G突变体具有较弱的相互作用。因此,Tyr555和Trp678可能通过控制底物与酶的结合来影响Cbh9A的持续水解能力。同时,在Cbh9A的过程模式中,Asp383,Asp386,Glu795,Tyr555,Trp678,Trp791,Asp789和Trp616均为水解过程中的关键残基,在Cbh9A的过程模式中发挥着至关重要的作用。而且Cbh9A选择性水解机制,我们认为可能是归因于Glc(-1)的不同取向和Trp678与Glc(-2)之间的相互作用。这项工作为纤维素酶修饰或突变提供了一定的理论信息,对提供新型纤维素酶模拟物的设计方案和工业化应用途径具有理论指导意义。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TQ353.1;Q55

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