持續(xù)性纖維素酶產物釋放過程的分子動力學模擬.pdf

1、生物質作為可再生能源物質，其高效利用的關鍵在于闡明纖維素酶催化水解纖維素的降解機理。來自瑞氏木霉（Trichodermareesei或Hypocreajecorina）的纖維二糖水解酶CBHI持續(xù)性催化結晶纖維素，是研究纖維素酶催化機理的典型代表。CBHI持續(xù)性催化循環(huán)包括催化水解、產物釋放和線穿運動三個過程，產物抑制的發(fā)生能夠導致持續(xù)性催化循環(huán)的中斷和酶解效率的急劇降低，纖維二糖產物釋放成為連接酶催化水解和纖維素鏈線穿運動的關鍵步驟。

2、為在原子水平上研究CBHI的產物釋放過程和產物抑制現象，本課題首先構建了CBHI催化水解后產物纖維二糖結合在催化孔道產物位點的全原子模型，然后在國家超級計算濟南中心的千萬億次和百萬億次集群上，利用副本交換分子動力學模擬(REMD)方法，對CBHI產物釋放體系應用128個溫度副本，每個副本進行了長達250ns的模擬計算，最后在山東省高性能計算中心的集群上進行了數據分析。
　　本研究在原子水平上闡明了CBHI產物釋放過程中纖維二糖的運

3、動路徑，纖維二糖主要沿著三條路徑W376(→)H228、Q175(→)H228和R251(→)H228從產物結合位點移動到催化孔道外。在纖維二糖向酶催化孔道外移動的過程中，催化孔道出口端柔性的LoopⅢ和LoopⅣ會張開，顯示出蛋白質結構動態(tài)變化對產物釋放的重要作用。催化孔道出口端的5個氨基酸175GLN、228HIS、251ARG、259ASP和376TRP，可能是影響產物纖維二糖釋放與結合的關鍵殘基。根據MM/GBSA方法計算得到產

4、物纖維二糖結合CBHI活性位點的結合自由能是-62.134kJ/mol(300K)，表明在能量上產物抑制的發(fā)生是有利的。根據產物結合自由能和Arrhenius方程估算出產物釋放速率是16s-1，這與AFM實驗觀察CBHI持續(xù)性運動的結果一致，暗示了產物釋放可能是CBHI持續(xù)性催化的限速步驟。
　　本課題對CBHI產物釋放過程的動態(tài)變化、熱力學與動力學性質的研究，以及對關鍵結構和關鍵氨基酸的預測，促進了對CBHI持續(xù)性催化和纖維素酶