苯酚衍生物作用模式的分類及其生物降解過程中氧分子通道的結(jié)構(gòu)與功能.pdf

1、苯酚衍生物是在自然界分布廣泛的一類環(huán)境污染物，通過不同的作用模式對生物體產(chǎn)生毒害作用。屬于某種作用模式的苯酚衍生物雖然含有不同的取代基，但在結(jié)構(gòu)或物理化學(xué)性質(zhì)上具有一定的相似性。定性的分類方法和定量的結(jié)構(gòu)一活性相關(guān)性分析都試圖尋找這些相似性，然后構(gòu)建分類器或函數(shù)關(guān)系對未知作用模式的苯酚衍生物作出預(yù)測。上述兩種方法都要求用于描述結(jié)構(gòu)特征的分子描述符能夠反映深層次的作用機(jī)理，數(shù)目盡可能的少，并且易于解釋。近幾年發(fā)展的基于統(tǒng)計學(xué)習(xí)理論的支持向

2、量機(jī)分類算法受到廣泛關(guān)注并已成功用于解決各種分類問題，但能否對少數(shù)已知作用模式(即樣本數(shù)目少)的苯酚衍生物進(jìn)行分類值得研究，如何驗證和解釋分類的結(jié)果也是值得探索的一個問題。
　　 苯酚衍生物的生物降解是降低其對環(huán)境污染和生物體毒性的一個有效途徑。細(xì)菌對芳烴的好氧降解途徑中，雙加氧酶催化兩個關(guān)鍵反應(yīng)：芳環(huán)雙羥基化和開環(huán)。所有的芳香族化合物都是先降解為鄰苯二酚，然后鄰苯二酚通過鄰位或間位雙加氧酶的作用裂解為粘康酸半醛或粘康酸，從而使

3、苯環(huán)開環(huán)斷裂。大量的實驗和理論研究都將注意力集中在活性位點(diǎn)附近O2分子如何活化，鄰苯二酚如何開環(huán)裂解，以及如何捕獲反應(yīng)的中間產(chǎn)物等方面，卻很少關(guān)注O2是如何到達(dá)反應(yīng)中心這一問題。研究表明酶催化的反應(yīng)速率不僅取決于活性位點(diǎn)的反應(yīng)速率還取決于氣體進(jìn)入活性中心的速率，因此尋找酶結(jié)構(gòu)中的氣體分子通道逐漸成為研究酶催化活性的一個熱點(diǎn)問題，有希望成為調(diào)控酶反應(yīng)速率進(jìn)而發(fā)現(xiàn)新的反應(yīng)中間體的一種實驗方法。通常酶的活性中心都深埋于蛋白質(zhì)內(nèi)部，通過分子動力

4、學(xué)模擬尋找酶結(jié)構(gòu)中的氣體分子通道不僅能夠在原子水平上觀察氣體進(jìn)入蛋白質(zhì)的動態(tài)過程，而且能夠發(fā)現(xiàn)控制氣體進(jìn)入活性位點(diǎn)的關(guān)鍵氨基酸殘基，為相關(guān)的突變實驗提供理論指導(dǎo)。
　　 本文結(jié)合支持向量分類機(jī)和分子動力學(xué)對第一個問題從宏觀和微觀兩個尺度進(jìn)行的研究；運(yùn)用不同的分子動力學(xué)模擬方法尋找外二元醇雙加氧酶2，3-HPCD中的O2通道，揭示了O2通道與酶催化反應(yīng)速率之間的關(guān)系，論文工作包含以下三個部分：
　　 1.利用支持向量機(jī)對含

5、155個極性麻醉劑和19個非偶聯(lián)劑的數(shù)據(jù)集用7個分子描述符進(jìn)行分類測試，結(jié)果表明用于描述疏水和氫鍵作用的分子描述符對上述兩類苯酚衍生物的分類正確率達(dá)99％以上。以典型的極性麻醉劑水楊酸(SAL)和非偶聯(lián)劑五氯酚(PCP)為例，利用分子動力學(xué)模擬研究了它們在磷脂雙層POPC中的平衡特性，結(jié)果顯示由于疏水作用，平衡時SAL和PCP分子不能分布在空間相對寬松的POPC內(nèi)部，而是分布在磷脂雙層頭部，靠近水相的區(qū)域。SAL能夠和油?；兼溕系聂驶?/p>

6、氧形成穩(wěn)定的氫鍵，不僅如此，模擬還發(fā)現(xiàn)SAL能夠形成分子內(nèi)氫鍵；PCP則主要和水形成穩(wěn)定的氫鍵。分子動力學(xué)模擬一方面揭示了分子描述符隱含的作用機(jī)理，另一方面也糾正了以前定量結(jié)構(gòu)一活性研究中認(rèn)為SAL是和帶負(fù)電荷的磷酸根結(jié)合的觀點(diǎn)。
　　 2.外二元醇雙加氧酶2，3-HPCD催化降解4.硝基鄰苯二酚(或4.羧基鄰苯二酚)，但其四個同源亞基卻具有不同的催化活性。這部分工作利用局部加強(qiáng)取樣(LES)分子動力學(xué)模擬尋找每個亞基中的O2通

7、道，發(fā)現(xiàn)每個亞基中只含有一條供O2在蛋白質(zhì)內(nèi)部擴(kuò)散的通道。雖然構(gòu)成O2通道周圍的氨基酸基本相同，但O2和這些氨基酸的碰撞頻率卻不一樣，揭示每個通道具有不同的02親和性。通過計算O2和這些殘基的相互作用能進(jìn)一步說明亞基A最適合O2的擴(kuò)散，與實驗中在亞基A中發(fā)現(xiàn)催化反應(yīng)的最終產(chǎn)物而在其它亞基中捕獲到反應(yīng)中間體的結(jié)論一致，表明O2通道和亞基的催化速率有一定的相關(guān)性。分析殘基的運(yùn)動特征還揭示了空隙的呼吸運(yùn)動是調(diào)控O2進(jìn)出蛋白質(zhì)的主要因素。

8、>　　 3.不同于LES模擬，本部分的分子動力學(xué)模擬不包含O2，稱為隱式配體取樣(ILS)。先對包含2，3-HPCD的體系進(jìn)行10納秒常規(guī)分子動力學(xué)模擬，然后對每一幀軌跡文件計算與O2的相互作用能，得到反映整個體系與O2相互作用的自由能曲面。連接勢能曲面上從水相至活性位點(diǎn)能量最低的區(qū)域即為可能的O2通道。通過比較每個O2通道的幾何和能量特征，發(fā)現(xiàn)亞基A中的O2通道能量最低，與LES結(jié)論一致。延長模擬至20納秒，繼續(xù)觀察空隙的呼吸運(yùn)動并

9、與LES結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)O2對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)影響很小，O2在每個亞基中的運(yùn)動按照特定的通道進(jìn)行，空隙呼吸運(yùn)動的頻率差異可能是導(dǎo)致O2在不同亞基中擴(kuò)散快慢的主要原因。
　　 本論文的研究工作為研究苯酚衍生物與生物大分子，如生物膜和蛋白質(zhì)的相互作用提供了啟發(fā)。運(yùn)用分子動力學(xué)模擬解釋分類、定量構(gòu)效關(guān)系的結(jié)果為揭示苯酚衍生物的作用模式提供了新的思路。運(yùn)用LES和ILS兩種計算方法首次發(fā)現(xiàn)O2通道對亞基催化性能的影響，為相關(guān)實驗的研究提供了