环糊精葡葡萄糖基转移酶热稳定性的研究

环糊精葡萄糖基转移酶(CGTase;EC 2.4.1.19)是一种重要的环糊精生产工业用酶,该转移酶能进行环化、偶合、歧化、水解4种反应.环糊精广泛的用于食品、医药、化妆品、农业和化学工业等生产领域,为了提高环糊精的产量,需要CGTase具有更高的热稳定性.合理的设计耐热蛋白已经成为研究热点.在本文中,首次使用分子动力学模拟研究CGTase热稳定性,以补充实验上不易获得的原子能级和时间相关的信息.使用同源建模方法构建环糊精葡糖基转移酶及其突变体的三维结构,研究氨基酸的突变对CGTase酶耐热性的影响,用CHARMM能量计算CGTase及其突变体的能量与酶蛋白热稳定性之间的关系.证明:氨基酸残基经过突变,突变型比野生型含带电残基更多.相应的,在蛋白天然结构中突变型CGTase中,盐桥数量增加了10%.这些电荷之间、非极性残基之间的非共价键作用力的增强,提高了突变体的刚性,降低了突变体蛋白质分子的总能量,最后增加突变体蛋白质的耐热性.     

氢键与蛋白质耐热性关系的研究

挑选了NCBI COG数据库中具有全基因组的单细胞微生物,选择其中已知三维结构的蛋白质作为研究对象,通过HB- Plus3．0计算出氢键数目并用Perl编程将氢键分类,研究了不同类型的氢键对蛋白质耐热性的影响。结果表明:随着耐热性增高,古细菌类蛋白质中氢键总含量、主链-主链氢键含量,以及非电荷-非电荷氢键含量有显著降低;细菌类蛋白质带电荷-带电荷氢键含量显著增加,而非电荷-非电荷氢键含量显著降低。它们唯一的共同点都是避免在耐热蛋白质中形成非电荷-非电荷氢键。     

嗜冷嗜盐菌Halorubrum lacusprofundi中蛋白质稳定性机制的探讨

研究嗜冷嗜盐菌H.lacusprofundi中蛋白质在不同结构区域的特点,对了解其稳定的结构基础及设计新型嗜冷嗜盐蛋白具有重要意义。通过对991对同源嗜冷嗜盐菌和嗜温嗜盐菌的序列及高级结构信息进行统计学对比分析,结果表明:嗜冷嗜盐菌和嗜温嗜盐菌氨基酸组成中亮氨酸、天冬酰胺、含硫氨基酸、带电氨基酸差异显著;苏氨酸差异很显著;丙氨酸、甘氨酸、谷氨酰胺、小分子氨基酸差异极显著。其中苯丙氨酸、甘氨酸、天冬酰胺、中性氨基酸在嗜冷嗜盐菌蛋白的含量较高,亮氨酸、苏氨酸、谷氨酰胺、含硫氨基酸、小分子氨基酸在嗜温嗜盐菌中的含量较高。嗜冷嗜盐蛋白含有更多的中性氨基酸、小分子氨基酸和非极性氨基酸,从而降低蛋白质中氢键等非共价键的相互作用,提高蛋白质结构的柔韧性和可变性。     

以分子动力学模拟探究苹果酸脱氢酶的嗜极机制

为了研究嗜热酶、嗜冷酶在极端温度下维持稳定性和活性的机制,本文通过分子动力学模拟的方法,从原子尺度上分析了嗜热苹果酸脱氢酶及其同源嗜冷酶的分子动力学特性。数据显示嗜热酶所形成的盐桥和氢键明显多于嗜冷酶。通过比较均方根偏差、回旋半径、氨基酸残基的柔性等值,发现嗜热酶的结构较非嗜热酶更具刚性。盐桥、氢键数目的不同和整体结构的刚柔性,很可能会是嗜热、嗜冷酶在极端温度下能维持结构稳定的主要原因。     

系统发育与古细菌Val-tRNA合成酶耐热性的关系

嗜热古细菌和常温古细菌的氨基酰-tRNA合成酶在生物合成蛋白质中都起着至关重要的作用,它们的功能相似而耐热性相差很大。为了阐明氨基酰-tRNA合成酶的耐热机制,本文从进化角度研究了具有全基因组的8种超高温古细菌、3种高温古细菌和2种常温古细菌的Val-tRNA合成酶耐热性的差异。从构建的进化树可知,不同的微生物依据其耐热性而严格的分开;进化关系较近的4种微生物,都是产甲烷的古细菌;序列比对结果表明,耐热Val-tRNA合成酶中的带电荷氨基酸随着进化,突变为疏水性氨基酸,表明常温Val-tRNA合成酶中缺乏像耐热Val-tRNA合成酶中形成盐桥的氨基酸。这表明盐桥是氨基酰-tRNA合成酶耐热的主要因素。     

Thermotoga martima嗜热木聚糖酶化学修饰结果与其结构特性关系研究

应用化学修饰的实验方法,结合蛋白质结构信息的计算来研究酶蛋白中氨基酸残基化学修饰与结构信息之间的关系。以Thermotoga maritima嗜热木聚糖酶为对象,采用PDB数据库中的1VBR为模板计算其序列中色氨酸、谷氨酸、天冬氨酸的溶剂可及性、氢键、盐桥数等结构特性,并与该酶化学修饰的实验结果相对比。结果表明酶活性中心3个色氨酸中,可及性大的Trp802与Trp602两个残基对酶的活性影响较大;序列中谷氨酸与天冬氨酸的氢键、盐桥数较多,修饰其对酶的热稳定性有很大影响。此结果有助于深入了解蛋白质中与化学修饰有关的结构特性,并为基于蛋白质结构的酶蛋白改性奠定了基础。     

水溶性卟啉与β-环糊精相互作用的分子动力学模拟

卟啉和环糊精通过包结作用形成的超分子体系以其独特的物理和化学性质在多个领域得到了广泛的应用。为了考察环糊精与卟啉的包结作用,本文采用分子动力学模拟方法研究了不同结构的水溶性卟啉和β-环糊精所形成的稳定包结化合物,并考察了包结物形成的机理。计算结果表明,在水溶液中,卟啉所带电荷的种类和位置以及环糊精的结构均会影响卟啉与环糊精的包结作用。吡啶基阳离子型卟啉难以与环糊精形成稳定包结化合物。而阴离子型卟啉、非离子型卟啉和正电荷远离卟啉环的铵基阳离子型卟啉均能与环糊精形成1:1的稳定包结物,且范德华相互作用是其稳定包结的主要驱动力。相对于β-环糊精和羟丙基-β-环糊精,2, 3, 6-三甲基-β-环糊精与卟啉分子之间的范德华相互作用更强,形成的包结物更稳定。     

二氢叶酸还原酶在盐溶液中的分子动力学模拟

为了研究嗜盐酶如何在高盐环境下维持稳定性与活性,本文以沃尔卡尼极嗜盐菌及大肠杆菌的二氢叶酸还原酶(DHFR)为模型,将二者分别置于5种不同盐浓度的水溶液中进行分子动力学模拟。经9ns动力学模拟,得到了二者在不同浓度盐溶液中的运动轨迹,通过对运动轨迹的分析,获取了二者在不同盐浓度下的动力学特性。结果发现嗜盐古生菌的二氢叶酸还原酶自身所形成盐桥及与溶剂所形成的氢键均比大肠杆菌的二氢叶酸还原酶多,而溶剂可及性表面则要小,二者差异均达极显著水平。同时还分析了这两种分子及其氨基酸残基的柔性等。     

环糊精常温液态水化过程的受控分子动力学(SMD)模拟研究

受控分子动力学（Steered Molecular Dynamics,SMD）是一种新型的分子动力学方法。本文用SMD模拟方法研究了α-,β-和γ-环糊精在常温下从真空穿过气液界面进入水溶液的动态水化过程。模拟发现,在垂直于水溶液气液界面方向的微小外力作用下,三种环糊精在水溶液气液界面上沿着垂直于分界面方向都呈现出窄口端取向。结合环糊精的结构特点,对动态水化过程中各种氢键作用变化的分析表明：这种一致的取向是天然环糊精的结构特性的集中体现。     

从常温到超临界条件下水的分子动力学模拟

采用MD模拟方法研究了从常温到超临界条件下不同状态水的微观结构、氢键结构及氢键松弛的动态性质。模拟结果表明,随着温度的升高,成键分子中O…O间的平均距离基本保持不变,O…H间距离增加,水分子的氢键作用逐渐减弱,形成氢键的两水分子O…O一H取向角的分布呈线型分布的概率降低;同一温度下密度的变化对O-O、O-H径向分布函数和氢键的键角分布的影响不大。由于温度升高使氢原子热运动增强,水的四面体结构缺陷增加,氢键的平均寿命显著缩短,温度是影响氢键平均寿命的主要因素。