水化層影響酸酐酶內(nèi)CO2擴(kuò)散行為的分子動(dòng)力學(xué)模擬

陳功，盧滇楠，吳建中，劉錚

?

水化層影響酸酐酶內(nèi)CO2擴(kuò)散行為的分子動(dòng)力學(xué)模擬

陳功1，盧滇楠1，吳建中2，劉錚1

（1工業(yè)生物催化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（籌），清華大學(xué)化工系，北京100084；2Department of Chemical & Environmental Engineering, University of California, Riverside, CA 92521,USA）

氣相中酶分子表面的水化層對其催化行為具有顯著的影響。本文采用全原子分子動(dòng)力學(xué)模擬方法考察了氣相體系碳酸酐酶表面的水化層對酶結(jié)構(gòu)以及CO2在酶分子中擴(kuò)散行為的影響。首先展現(xiàn)了水分子在酶分子及其活性中心周圍的分布，研究了水化層厚度對于酶結(jié)構(gòu)以及CO2擴(kuò)散速率的影響；發(fā)現(xiàn)最有利于CO2擴(kuò)散進(jìn)入酶分子的水化層厚度為0.7 nm。確認(rèn)了碳酸酐酶內(nèi)CO2的吸附位點(diǎn)，通過對其開合狀態(tài)統(tǒng)計(jì)，顯示出碳酸酐酶中CO2擴(kuò)散通道中的瓶頸位置。上述結(jié)果對設(shè)計(jì)和優(yōu)化碳酸酐酶催化氣相體系中CO2的吸附和轉(zhuǎn)化提供了依據(jù)和啟示。

碳酸酐酶；CO2；擴(kuò)散；水化層；吸附位點(diǎn)

引 言

CO2的捕集和轉(zhuǎn)化技術(shù)創(chuàng)新對于其減排和利用具有重要的意義。目前所發(fā)展的CO2的捕集方法主要包括吸收、吸附、膜分離等[1]?；瘜W(xué)吸收是其中應(yīng)用最為廣泛的方法，單乙醇胺或其衍生物等是應(yīng)用最廣泛的吸收劑，其吸收容量大、速度快，但解吸熱高，并存在氨泄漏和污染等風(fēng)險(xiǎn)[2]。自然界中碳酸酐酶催化CO2轉(zhuǎn)化為HCO-3的轉(zhuǎn)化數(shù)高達(dá)104～106s-1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)化學(xué)吸收法（轉(zhuǎn)化數(shù)約為103～104s-1）[3-4]，如果能夠充分發(fā)揮酶對底物的高度選擇性以及酶促反應(yīng)溫和可控特性的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)氣相中CO2的直接捕集，則免除CO2溶解到液相的步驟并避免了溶解平衡對于吸收過程的限制，這對于處理低濃度CO2尤為有益。

目前碳酸酐酶尚未在CO2的捕集和轉(zhuǎn)化中得到工業(yè)應(yīng)用，這其中存在兩個(gè)瓶頸問題：一是如何提高碳酸酐酶的穩(wěn)定性以使其滿足不同實(shí)際工況；二是如何合理地使用碳酸酐酶以強(qiáng)化底物分子的擴(kuò)散?，F(xiàn)代生物工程技術(shù)為通過分子改造（如定點(diǎn)突變和定向進(jìn)化[5]）或者化學(xué)修飾（如納米固定化[6-8]）等來提高酶穩(wěn)定性提供了豐富的技術(shù)選擇；而CO2的吸附過程強(qiáng)化則可從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)兩個(gè)方面入手優(yōu)化體系組成和操作過程，提升吸附容量和速度。

碳酸酐酶是一類金屬酶[9]，其中鋅離子處于四面體配位的環(huán)境中，是發(fā)生CO2轉(zhuǎn)化反應(yīng)的活性中心。酶分子表面會(huì)存在必需水分子（essential water）來維持酶分子的立體構(gòu)象[9]。因此CO2從氣相擴(kuò)散進(jìn)入碳酸酐酶需依次穿過氣-液相界面、碳酸酐酶-水相界面、進(jìn)入碳酸酐酶內(nèi)部孔道、擴(kuò)散到活性中心部位發(fā)生反應(yīng)。因?yàn)楫a(chǎn)物水溶性優(yōu)于反應(yīng)物，所以有利于反應(yīng)沿著氣相壓力降低的方向進(jìn)行。近年來碳酸酐酶催化CO2水合反應(yīng)的機(jī)理研究取得了豐富成果[10-15]，相比較而言，對于CO2擴(kuò)散進(jìn)入碳酸酐酶的微觀機(jī)制研究有待深入。本文采用分子模擬的方法來揭示碳酸酐酶表面水化層對于酶分子結(jié)構(gòu)及CO2擴(kuò)散過程的影響特性，這對于強(qiáng)化碳酸酐酶催化CO2轉(zhuǎn)化具有重要意義。

本文首先研究了水分子在碳酸酐酶及其活性位點(diǎn)區(qū)域的立體分布，揭示了水化層厚度對于酶分子結(jié)構(gòu)剛/柔特性及對于CO2擴(kuò)散入碳酸酐酶的影響，發(fā)現(xiàn)水化層厚度存在最優(yōu)值。通過確認(rèn)CO2擴(kuò)散所涉及酶分子吸附位點(diǎn)，給出了CO2在碳酸酐酶分子內(nèi)的擴(kuò)散通道，通過分析各吸附位點(diǎn)開閉狀態(tài)找出了CO2擴(kuò)散通道中的瓶頸位置。上述分子模擬再現(xiàn)了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果[16-18]，為碳酸酐酶分子改造、修飾及其應(yīng)用于CO2的吸收和轉(zhuǎn)化提供了有益的依據(jù)和啟迪。

1 模型與模擬方法

1.1 模型建立

模擬所選用的力場為CHARMM27[19-20]，水分子模型選用TIP3P模型[21]，CO2分子模型來自John Straub[22]，鋅的金屬配位結(jié)構(gòu)用非鍵相互作用表示[23]。碳酸酐酶結(jié)構(gòu)取自pdb數(shù)據(jù)庫（ID：2CBA[24]），模擬體系初始盒子大小為15 nm×15 nm×15 nm，碳酸酐酶置于盒子質(zhì)心，在碳酸酐酶表面分別放置0.1、0.3、0.5、0.7、0.9、1.1、1.3和1.5 nm厚度的水分子層，盒子內(nèi)再放入5000個(gè)CO2分子。

1.2 模擬方法

分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件為NAMD[25]。采用NPT系綜和Langevin控溫[26]控壓[27]方法。本文是對氣相催化領(lǐng)域的前期探索，旨在研究高壓下CO2的酶法快速吸收與轉(zhuǎn)化，故設(shè)置模擬壓力為5 MPa，溫度為293 K；此壓力溫度下CO2仍為氣態(tài)。模擬過程中，采用周期性的邊界條件。模擬過程先經(jīng)過100步的能量最小化，然后限制蛋白骨架模擬1 ns，接著模擬50 ns。除了計(jì)算CO2聚集位點(diǎn)，其他性質(zhì)均由后25 ns的模擬數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得到。模擬步長為2.0 fs。采用particle mesh Eward（PME）方法[28]計(jì)算電荷相互作用，其截?cái)嗑嚯x為1.2 nm。非鍵范德華力采用12-6 Lennard-Jones勢函數(shù)計(jì)算，其截?cái)喟霃綖?.2 nm。

2 結(jié)果與討論

2.1 碳酸酐酶分子內(nèi)部水分子的分布

采用上述模型首先考察了水分子和CO2分子在碳酸酐酶分子內(nèi)部和周圍的分布，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，加入到體系中99%以上的水分子均緊緊貼附在碳酸酐酶形成水化層，距酶質(zhì)心的最遠(yuǎn)距離可達(dá)到1.5 nm。經(jīng)計(jì)算，其與碳酸酐酶表面氨基側(cè)鏈形成的氫鍵平均壽命大于0.03 ns，而純水相中氫鍵平均壽命為0.023 ns，這種氫鍵作用是水化作用的主要來源；經(jīng)計(jì)算其自擴(kuò)散系數(shù)均小于2.44 nm2·ns-1，低于純水中水分子自擴(kuò)散系數(shù)2.923nm2·ns-1，表明由于水分子層與碳酸酐酶親水相互作用較強(qiáng)，導(dǎo)致水分子向氣相主體相擴(kuò)散受限，這與Berendsen等[29]所觀察到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。由圖1還可以觀察到，當(dāng)水分子層厚度為0.5 nm時(shí)，水化層已能夠完全覆蓋碳酸酐酶。對CO2而言，隨著水化層厚度增加，能夠進(jìn)入到距離碳酸酐酶質(zhì)心1.5 nm以內(nèi)的CO2分子數(shù)目逐漸減少，當(dāng)水化層厚度超過0.9 nm時(shí)，CO2在水化層表面呈現(xiàn)無規(guī)分布。

圖2給出了水化層厚度對碳酸酐酶RMSD的影響。隨著水化層厚度的增加，碳酸酐酶RMSD先逐漸降低，當(dāng)水化層厚度大于0.5 nm 時(shí)，碳酸酐酶RMSD不再隨水化層厚度發(fā)生顯著變化，即碳酸酐酶結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定。這首先可歸結(jié)為水分子與碳酸酐酶表面結(jié)合水所形成的穩(wěn)定的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，此外該水分子層還可以消弱CO2通過疏水作用力對碳酸酐酶結(jié)構(gòu)的影響。

圖3給出了鋅離子結(jié)合的氧原子（來自水分子）周圍水分子上氫原子的徑向分布函數(shù)圖，0.1～1.1表示水化層的厚度（nm）。圖中顯示：位于鋅離子周圍0～1.0 nm的水分子有3～4個(gè)峰，這是由碳酸酐酶內(nèi)部形成質(zhì)子傳遞鏈的水分子所形成的，表明在氣相中該水鏈能夠穩(wěn)定存在，具體如左側(cè)微觀圖所示，這與水相中碳酸酐酶的理論研究結(jié)果一致[10-15]。位于1.0～4.0 nm區(qū)域的水分子有1個(gè)明顯的峰，隨著體系水分子數(shù)增大，這個(gè)峰由尖銳變?yōu)槠骄彛砻魈妓狒副砻嫠瘜雍穸仍龃?。根?jù)峰型能夠?qū)⒃摲鍎澐譃?.0～1.5、1.5～2.0、2.0～3.0 nm三層溶劑化層，而在位于4.0 nm以外所有峰都逐漸衰減為0，進(jìn)一步說明所模擬的氣相體系中的水分子聚集在碳酸酐酶表面。

圖4(a)表明隨著水化層厚度的增加，水化層中形成了氫鍵網(wǎng)絡(luò)，氫鍵數(shù)目與水化層厚度分別取對數(shù)后線性擬合，擬合度達(dá)0.996，其斜率為17.2，說明水分子集中在碳酸酐酶周圍且氫鍵數(shù)目隨水化層面積增大而增大，這與圖3的結(jié)果相互印證。圖4(b)顯示，隨著水化層厚度增加，碳酸酐酶內(nèi)部的氫鍵數(shù)目減少30%，表明其二級結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度逐漸趨近于水相中二級結(jié)構(gòu)。

2.2 水化層厚度對CO2在碳酸酐酶內(nèi)部擴(kuò)散的影響

在293 K、5 MPa下考察了CO2吸附量隨水化層厚度的變化，結(jié)果如圖5所示。

圖5結(jié)果表明隨著水化層厚度的增加，CO2的平衡吸附量隨著水化層厚度的增加由1.7%降低到0.2%。這可能是由于水化層厚度增加，在碳酸酐酶表面形成了緊密的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，界面張力增加，這使得CO2擴(kuò)散到碳酸酐酶內(nèi)部并進(jìn)而發(fā)生吸附的難度增大。

圖6給出了鋅結(jié)合水上氧原子與其周圍CO2的氫和氧的徑向分布函數(shù)圖，0.1～1.1表示水化層的厚度（nm）。圖6(a)、(c)顯示了進(jìn)入到碳酸酐酶孔道內(nèi)的CO2圍繞結(jié)合水的分布情況；圖6(b)、(d)顯示了吸附在碳酸酐酶表面的CO2圍繞結(jié)合水的分布情況。

在碳酸酐孔道內(nèi)[圖6(a)、(c)]，CO2的分布密集程度（峰高）不隨水化層厚度的增大而單調(diào)升高或降低，而存在著最大值。

當(dāng)水化層厚度為0.7 nm時(shí)，CO2分子在碳酸酐酶的孔道內(nèi)的分布最多（峰最高），即當(dāng)水化層厚度為CO2分子直徑的3倍時(shí)，CO2最易擴(kuò)散到碳酸酐酶的孔道。這可能是由于當(dāng)水化層厚度小于0.7 nm時(shí)，碳酸酐酶剛性較大，CO2不易擴(kuò)散到碳酸酐酶的孔道中。而當(dāng)水化層厚度大于0.7 nm時(shí)，碳酸酐酶表面水化層對于CO2的阻礙作用較強(qiáng)，也對CO2的擴(kuò)散造成了影響。圖6(b)、(d)結(jié)果表明，隨著水化層厚度的增加，CO2的峰型逐漸滯后變寬，說明水化層增厚排斥CO2分子，將其推離碳酸酐酶表面。除此之外，比較圖6(a)、(c)可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)水化層厚度為0.7 nm時(shí)，O峰裂分為0.33和0.51 nm兩處峰，表明了CO2兩個(gè)氧原子距離結(jié)合水的氧原子的距離存在差異。

進(jìn)一步從能量角度分析了CO2與碳酸酐酶的非鍵相互作用，如圖7所示。由圖7可知，碳酸酐酶與CO2的范德華相互作用強(qiáng)于靜電相互作用。而隨著水化層厚度的增加，CO2與碳酸酐酶表面直接接觸的概率降低，導(dǎo)致兩者的相互作用逐漸減小。

圖7 CO2與碳酸酐酶非鍵相互作用

2.3 水化層對吸附位點(diǎn)的影響

為分析水化層對于CO2擴(kuò)散過程的影響，考察了水化層厚度對于碳酸酐酶表面吸附位點(diǎn)的影響。通過cluster算法得到了在水化層內(nèi)的碳酸酐酶的63個(gè)吸附位點(diǎn)，再通過K-center算法把得到的63個(gè)吸附位點(diǎn)根據(jù)空間位置的劃分，分為20個(gè)粗?；轿稽c(diǎn)，結(jié)果如圖8所示。

表1給出了組成這前10個(gè)（共20個(gè)）吸附位點(diǎn)的氨基酸（即吸附位點(diǎn)0.15 nm以內(nèi)的氨基酸），吸附位點(diǎn)的序號由距離活性位點(diǎn)結(jié)合水的距離由近到遠(yuǎn)排序給出。

表1 前10個(gè)粗?；轿稽c(diǎn)的氨基酸組成

The adsorption sites are represented by sphere, the colors from red to blue indicates their distances to the active sites are from near to far, cartoon model[30]for carbonic anhydrase

進(jìn)一步地計(jì)算了圖8所顯示的各個(gè)吸附位點(diǎn)的開合關(guān)閉情況。碳酸酐酶內(nèi)部各氨基酸中原子大小以范德華半徑計(jì)算，如果一個(gè)吸附位點(diǎn)能夠保持半徑為0.15 nm的空腔，則該吸附位點(diǎn)在此時(shí)刻為“開合”狀態(tài)，反之為“關(guān)閉”狀態(tài)。

圖9給出了最重要的吸附位點(diǎn)1的開合關(guān)閉情況隨水化層厚度的變化關(guān)系[圖9（a）]及20個(gè)吸附位點(diǎn)的總開合關(guān)閉率隨水化層厚度的變化關(guān)系[圖9（b）]。圖9（a）表明，最重要的第一個(gè)吸附位點(diǎn)的開合率小于15%，表明CO2分子由氣相進(jìn)入到碳酸酐酶孔道內(nèi)部向最重要的吸附位點(diǎn)cavity 1的擴(kuò)散是相對較難，是擴(kuò)散的瓶頸位置。水化層為0.7 nm時(shí)的平均開合率為32.5%，為最高。水化層厚度0.7～1.3 nm時(shí)的平均開合率為28%以上。但根據(jù)圖6來看，0.3～0.9 nm的水化層有利于CO2分子擴(kuò)散到碳酸酐酶內(nèi)部孔道，這說明不能僅靠吸附位點(diǎn)的開合關(guān)閉情況來判斷水化層對CO2擴(kuò)散入碳酸酐酶的影響。

綜上所述，水化層厚度增大一方面有利于避免碳酸酐酶結(jié)構(gòu)受到CO2的破壞，打開吸附位點(diǎn)，但當(dāng)水化層過厚時(shí)，水化層中形成的致密水分子網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致CO2擴(kuò)散阻力增大，故存在最優(yōu)的水化層厚度，在本文模擬的工況下，最適宜的水化層厚度為0.5～0.9 nm。

3 結(jié) 論

本文采用全原子分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了氣相中CO2擴(kuò)散進(jìn)入碳酸酐酶的過程。首先考察了水分子在酶分子周圍內(nèi)和活性中心的分布，發(fā)現(xiàn)氣相體系中水分子緊緊圍繞著碳酸酐酶形成了水化層。進(jìn)一步地考察了水化層厚度對于碳酸酐酶結(jié)構(gòu)及CO2吸附量的影響，發(fā)現(xiàn)最有利于CO2擴(kuò)散進(jìn)入酶分子的水化層厚度為0.7 nm。通過分子模擬確認(rèn)了碳酸酐酶分子內(nèi)CO2的吸附位點(diǎn)，通過對其開合狀態(tài)統(tǒng)計(jì)，顯示出碳酸酐酶中CO2的擴(kuò)散通道及其中的瓶頸位置。上述結(jié)果給出了二氧化碳擴(kuò)散從氣相主體擴(kuò)散進(jìn)入碳酸酐酶過程的分子圖景，為強(qiáng)化碳酸酐酶對CO2的吸附和轉(zhuǎn)化提供了有益的參考和啟示。

符 號 說 明

RMSD——root mean square deviation，方均根偏差 RDF——radial distribution function，徑向分布函數(shù) Elec——electrostatic potential，靜電相互作用勢 VDW——van der Waals potential，范德華相互作用勢

[1] Aaron D, Tsouris C. Separation of CO2from flue gas: a review [J]., 2005, 40(1/3): 321-348.

[2] Monteiro J G-S, Knuutila H, Penders-van Elk N J, Versteeg G, Svendsen H. Kinetics of CO2absorption by aqueous,- diethylethanol-amine solutions: literature review, experimental results and modelling [J]., 2015, 127: 1-12.

[3] Vinoba M, Bhagiyalakshmi M, Grace A N,. Carbonic anhydrase promotes the absorption rate of CO2in post- combustion processes [J]., 2013, 117 (18): 5683-5690.

[4] Zhang Y, Chen H, Chen C C,. Rate-based process modeling study of CO2capture with aqueous monoethanolamine solution [J]., 2009, 48(20): 9233-9246.

[5] Migliardini F, de Luca V, Carginale V, Rossi M, Corbo P, Supuran C T, Capasso C. Biomimetic CO2capture using a highly thermostable bacterial-carbonic anhydrase immobilized on a polyurethane foam [J]., 2014, 29(1): 146-150.

[6] Yan M, Liu Z, Lu D, Liu Z. Fabrication of single carbonic anhydrase nanogel against denaturation and aggregation at high temperature [J]., 2007, 8(2): 560-565.

[7] Savile C K, Lalonde J J. Biotechnology for the acceleration of carbon dioxide capture and sequestration [J]., 2011, 22(6): 818-823.

[8] Zhang S, Zhang Z, Lu Y, Rostam-Abadi M, Jones A. Activity and stability of immobilized carbonic anhydrase for promoting CO2absorption into a carbonate solution for post-combustion CO2capture [J]., 2011, 102(22): 10194-10201.

[9] Krishnamurthy V M, Kaufman G K, Urbach A R,. Carbonic anhydrase as a model for biophysical and physical-organic studies of proteins and protein-ligand binding [J]., 2008, 108(3): 946-1051.

[10] Maupin C M, Castillo N, Taraphder S,. Chemical rescue of enzymes: proton transfer in mutants of human carbonic anhydrase Ⅱ [J]., 2011, 133(16): 6223-6234.

[11] Kaila V R I, Hummer G. Energetics and dynamics of proton transfer reactions along short water wires [J]., 2011, 13(29): 13207-13215.

[12] Hakkim V, Subramanian V. Role of second coordination sphere amino acid residues on the proton transfer mechanism of human carbonic anhydrase Ⅱ (HCA Ⅱ) [J]., 2010, 114(30): 7952-7959.

[13] Roy A, Taraphder S. Transition path sampling study of the conformational fluctuation of His-64 in human carbonic anhydrase Ⅱ [J]., 2009, 113 (37): 12555-12564.

[14] Maupin C M, McKenna R, Silverman D N, Voth G A. Elucidation of the proton transport mechanism in human carbonic anhydrase Ⅱ [J]., 2009, 131(22): 7598-7608.

[15] Roy A, Taraphder S. Identification of proton-transfer pathways in human carbonic anhydrase Ⅱ [J]., 2007, 111(35): 10563-10576.

[16] Pierre A C. Enzymatic carbon dioxide capture [J]., 2012, 2012. doi:10.5402/2012/753687

[17] Yong J K, Stevens G W, Caruso F, Kentish S E. The use of carbonic anhydrase to accelerate carbon dioxide capture processes [J]., 2015, 90(1): 3-10.

[18] Guo Y, Zhao C, Li C, Wu Y. CO2sorption and reaction kinetic performance of K2CO3/AC in low temperature and CO2concentration [J]., 2015, 260: 596-604.

[19] MacKerell A D, Feig M, Brooks C L. Extending the treatment of backbone energetics in protein force fields: limitations of gas-phase quantum mechanics in reproducing protein conformational distributions in molecular dynamics simulations [J]., 2004, 25(11): 1400-1415.

[20] MacKerell A D, Bashford D, Bellott M,. All-atom empirical potential for molecular modeling and dynamics studies of proteins [J]., 1998, 102(18): 3586-3616.

[21] Jorgensen W L, Chandrasekhar J, Madura J D, Impey R W, Klein M L. Comparison of simple potential functions for simulating liquid water [J]., 1983, 79 (2): 926-935.

[22] Straub J E, Karplus M. Molecular dynamics study of the photodissociation of carbon monoxide from myoglobin: ligand dynamics in the first 10 ps [J]., 1991, 158 (2): 221-248.

[23] Stote R H, Karplus M, Zinc binding in proteins and solution: a simple but accurate nonbonded representation [J].:, 1995, 23(1): 12-31.

[24] Hakansson K, Carlsson M, Svensson L A, Liljas A. Structure of native and apo carbonic anhydrase Ⅱ and structure of some of its anion-ligand complexes [J].1992, 227(4): 1192-204.

[25] Phillips J C, Braun R, Wang W,. Scalable molecular dynamics with NAMD [J]., 2005, 26(16): 1781-1802.

[26] Paterlini M G, Ferguson D M. Constant temperature simulations using the Langevin equation with velocity Verlet integration [J]., 1998, 236(1): 243-252.

[27] Feller S E, Zhang Y, Pastor R W, Brooks B R. Constant pressure molecular dynamics simulation: the Langevin piston method [J]., 1995, 103(11): 4613-4621.

[28] Darden T, York D, Pedersen L. Particle mesh Ewald: Anlog () method for Ewald sums in large systems [J]., 1993, 98(12): 10089-10092.

[29] Berendsen H J. Interaction models for water in relation to protein hydration// Postma J P, van Gunsteren W F, Hermans J. Intermolecular Forces [M]. Berlin: Springer Netherlands, 1981: 331-342.

[30] Perrakis A, Morris R, Lamzin V S. Automated protein model building combined with iterative structure refinement [J]., 1999, 6(5): 458-463.

Molecular dynamics simulation for hydration effect on CO2diffusion in carbonic anhydrase

CHEN Gong1, LU Diannan1, WU Jianzhong2, LIU Zheng1

(Key Laboratory for Industrial BiocatalysisPreparingMinistry of EducationDepartment of Chemical EngineeringTsinghua UniversityBeijingChina;Department of Chemical & Environmental EngineeringUniversity of CaliforniaRiversideCAUSA

The hydration layer of the enzyme in the bulk gas phase has great effects on its catalytic performance. Molecular dynamics (MD) simulations at all-atom level was applied to investigate the effects of the hydration layer thickness on the diffusion of carbon dioxide molecules into the active site of a carbonic anhydrase enzyme from a bulk gas phase. Based on the distribution of water molecules surrounding the carbonic anhydrase enzyme, the effects of the hydration layer thickness on the protein structure and CO2transport from the bulk gas phase to the protein active site was studied. The simulation results suggested an optimal hydration layer thickness of 0.7 nm for CO2diffusion. The CO2adsorption sites were identified, which compose of the diffusion channel inside the carbonic anhydrase. The MD simulation revealed the open states of these adsorption sites, which may be useful to identify the bottleneck position of the diffusion channel. The molecular insight is helpful for design and optimization of carbonic anhydrase, enabling more efficient CO2adsorption and conversion.

carbonic anhydrase; carbon dioxide; diffusion; hydration layer; adsorption sites

2015-06-01.

LU Diannan, ludiannan@ tsinghua.edu.cn; LIU Zheng, liuzheng@mail.tsinghua.edu.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20150773

TQ 021.4

A

0438—1157（2015）08—2903—08

盧滇楠，劉錚。

陳功（1991—），男，博士研究生。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（21028006）。

015-06-01收到初稿，2015-06-10收到修改稿。

supported by the National Natural Science Foundation of China (21028006).