利用AutoDock模擬富勒烯與漆酶結(jié)合模型的研究*

汪偉軒，白一彤，陳凌云，楊勝韜

(西南民族大學(xué)化學(xué)與環(huán)境保護(hù)工程學(xué)院，四川　成都　610041)

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利用AutoDock模擬富勒烯與漆酶結(jié)合模型的研究*

汪偉軒，白一彤，陳凌云，楊勝韜

(西南民族大學(xué)化學(xué)與環(huán)境保護(hù)工程學(xué)院，四川成都610041)

富勒烯是典型的sp2碳納米材料，研究其生物效應(yīng)有重要的科學(xué)意義。本文以白腐菌分泌酶系中重要的漆酶為模型，采用AutoDock計(jì)算模擬了富勒烯C60與漆酶的結(jié)合模型，并計(jì)算了結(jié)合能。計(jì)算模擬的結(jié)果顯示，C60在漆酶上有9個(gè)可能的結(jié)合位點(diǎn)，其中最優(yōu)位點(diǎn)的結(jié)合能為-10.4 kcal/mol。這一結(jié)果表明富勒烯能與酶結(jié)合，引起酶結(jié)構(gòu)和活性的變化。本文還對(duì)富勒烯與酶結(jié)合的潛在環(huán)境生物效應(yīng)進(jìn)行了探討。

AutoDock；富勒烯；漆酶；構(gòu)象；納米生物效應(yīng)

近年來(lái)，sp2碳納米材料受到科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注，因?yàn)閟p2碳納米材料具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能[1]。sp2碳納米材料可以在能源、電子、材料、器件、生物、環(huán)境等諸多領(lǐng)域應(yīng)用，是最具應(yīng)用潛力的納米材料之一[2]。僅以環(huán)境領(lǐng)域?yàn)槔?，sp2碳納米材料可以用于污染物吸附[3]、芬頓催化氧化[4]、電解氧化[5]等。隨著sp2碳納米材料的大規(guī)模研究、生產(chǎn)與應(yīng)用，其生物安全性也日益受到人們的重視。已有許多研究表明sp2碳納米材料對(duì)環(huán)境、生物體有潛在威脅[6]。在這些安全性研究中，sp2碳納米材料與蛋白質(zhì)的相互作用受到關(guān)注，因?yàn)榈鞍资巧幕A(chǔ)[7]。如果蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能受到sp2碳納米材料影響，將導(dǎo)致毒性和其他危害。

富勒烯是一種重要的sp2碳納米材料。富勒烯特別適合于研究sp2碳納米材料與蛋白質(zhì)的相互作用，原因包括：富勒烯粒徑較小，容易分散；富勒烯C60結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱，適合于分子對(duì)接研究；富勒烯易于修飾，適合研究化學(xué)修飾對(duì)sp2碳納米材料-蛋白結(jié)合的影響。已經(jīng)有一些報(bào)道研究富勒烯與蛋白質(zhì)的相互作用。例如，Yang等[8]報(bào)道羥基化富勒烯抑制溶菌酶的活性，并引起溶菌酶的構(gòu)象變化。Wu等發(fā)現(xiàn)羥基化富勒烯的羥基化程度和碳籠大小對(duì)富勒烯-蛋白質(zhì)相互作用有明顯的影響[9]。

白腐菌是生態(tài)系統(tǒng)中重要的物種，可以降解纖維素，對(duì)碳循環(huán)至關(guān)重要[10]。漆酶是白腐菌分泌的酶系中重要的組成，具有很強(qiáng)的氧化代謝能力。本文以漆酶為模型，通過(guò)AutoDock計(jì)算C60與漆酶的結(jié)合模型和結(jié)合能，為全面理解富勒烯的環(huán)境生物學(xué)效應(yīng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1　實(shí)　驗(yàn)

1.1漆酶分子構(gòu)建

首先，通過(guò)檢索的資料，查到了漆酶的PDB代碼(3KW7)，在RCSB蛋白庫(kù)(Research Center of Sequence Bank)中，搜索代碼，找到PDB文件下載。

為了便于計(jì)算，需要先對(duì)受體分子(即漆酶)進(jìn)行一些必要的處理。首先，使用Pymol軟件除去酶中所含的一些雜原子，保存為.pdb文件。使用AutoDock讀取保存過(guò)的.pdb文件。在系統(tǒng)中，選中所有水分子，并刪除，然后對(duì)其進(jìn)行加氫處理。通過(guò)軟件對(duì)漆酶中的各個(gè)元素的電荷進(jìn)行調(diào)整，使用系統(tǒng)默認(rèn)值。最后，手動(dòng)給漆酶中的銅離子添加電荷，另存為.pdbqt格式文件。計(jì)算出的結(jié)合模型用Pymol進(jìn)行渲染做圖。

1.2富勒烯分子構(gòu)建

使用Chem3D軟件，直接從軟件提供的模板中提出富勒烯的分子模型，保存為.pdb文件。用AutoDock軟件來(lái)打開配體分子，對(duì)該分子進(jìn)行初始化。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需求對(duì)分子所含的化學(xué)鍵進(jìn)行精確的處理，設(shè)置fewest atoms為0，將其保存為含有原子坐標(biāo)、ADT原子類型、電荷以及可扭轉(zhuǎn)鍵等關(guān)鍵信息的.pdbqt格式的文件。

1.3分子對(duì)接

當(dāng)配體分子(富勒烯)和受體分子(漆酶)的前期調(diào)整全部完成之后，調(diào)整具體的計(jì)算范圍以及計(jì)算的精度，其中格點(diǎn)間隔為默認(rèn)值0.375 ?。設(shè)置Grid參數(shù)，xyz均為126，中心設(shè)置為(0, 0, 0)。將調(diào)整完成的Grid參數(shù)保存為.gpf文件，點(diǎn)擊計(jì)算。獲得對(duì)接結(jié)果，包括模型和結(jié)合能等信息。

2　結(jié)果與討論

2.1富勒烯-漆酶結(jié)合位點(diǎn)

AutoDock計(jì)算獲得了9個(gè)可能的富勒烯在漆酶上的結(jié)合位點(diǎn)(圖1)。從圖1可知，富勒烯與漆酶的結(jié)合都發(fā)生在漆酶表面，而非漆酶內(nèi)部。富勒烯部分嵌入漆酶表面是結(jié)合的主要方式。9個(gè)結(jié)合位點(diǎn)的位置不同，位于漆酶的不同區(qū)域。其中位點(diǎn)1、2和4比較接近，位點(diǎn)3和5比較接近。

圖1　富勒烯C60-漆酶的結(jié)合位點(diǎn)

2.2富勒烯-漆酶結(jié)合能

AutoDock計(jì)算給出了9個(gè)結(jié)合位點(diǎn)的結(jié)合能。從表1可以看出，位點(diǎn)1的結(jié)合能最低，為-10.4 kcal/mol，因而位點(diǎn)1是熱力學(xué)上最可及的結(jié)合位點(diǎn)。比較不同位點(diǎn)與位點(diǎn)1的距離可知，位點(diǎn)1、2和4比較接近，是同一區(qū)域的不同構(gòu)象。位點(diǎn)7雖然距離接近，但是從圖1可以看出與上述三個(gè)位點(diǎn)不在同一個(gè)區(qū)域。與文獻(xiàn)中富勒烯與其他蛋白的結(jié)合能相比，富勒烯-漆酶的結(jié)合能略高，說(shuō)明富勒烯與漆酶結(jié)合較為穩(wěn)固[8-9]。例如，羥基化富勒烯-RNase A的結(jié)合能為-6.5 kcal/mol，低于本文報(bào)道的值[9]。

表1　不同位點(diǎn)富勒烯-漆酶的結(jié)合能

2.3富勒烯-漆酶結(jié)合模型

經(jīng)過(guò)能量比較可以知道，位點(diǎn)1為最佳結(jié)合位點(diǎn)。將這個(gè)結(jié)合模型用Pymol軟件渲染，獲得富勒烯-漆酶結(jié)合模型。在結(jié)合位點(diǎn)附近未發(fā)現(xiàn)可設(shè)為柔性殘基的帶芳環(huán)氨基酸，因此無(wú)需進(jìn)行第二輪計(jì)算。該模型即為富勒烯C60與漆酶的結(jié)合模型。

圖2　富勒烯C60-漆酶的結(jié)合模型

從上面的分析可以看出，富勒烯可以與漆酶結(jié)合。由于富勒烯是疏水分子，富勒烯結(jié)合漆酶后，可能會(huì)導(dǎo)致漆酶構(gòu)象和活性的變化，從而產(chǎn)生環(huán)境生物效應(yīng)。從已有的納米材料-酶相互作用研究結(jié)果來(lái)看，絕大多數(shù)情況下納米材料與酶結(jié)合都導(dǎo)致酶活性的降低。因此我們推測(cè)，富勒烯與漆酶結(jié)合可能引起漆酶分解污染物活性的下降，進(jìn)而可能影響碳循環(huán)，產(chǎn)生嚴(yán)重的生態(tài)后果。在未來(lái)的研究中，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法來(lái)檢驗(yàn)富勒烯對(duì)漆酶活性的影響，并開展相應(yīng)的生態(tài)學(xué)研究。

3　結(jié)　論

本文以漆酶為例，研究了當(dāng)富勒烯與漆酶結(jié)合的對(duì)接位點(diǎn)以及結(jié)合能。通過(guò)AutoDock計(jì)算軟件成功構(gòu)建兩者對(duì)接的模型，得到了9種構(gòu)象，最優(yōu)位點(diǎn)的結(jié)合能為-10.4 kcal/mol。通過(guò)Pymol軟件渲染，發(fā)現(xiàn)位點(diǎn)附近并無(wú)可設(shè)置柔性的基團(tuán)。本文的結(jié)果對(duì)研究富勒烯的環(huán)境生物效應(yīng)將有積極的作用。

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Binding Model of Fullerene-laccase from AutoDock Simulation*

WANGWei-xuan,BAIYi-tong,CHENLing-yun,YANGSheng-tao

(College of Chemistry and Environment Protection Engineering, Southwest University for Nationalities, Sichuan Chengdu 610041, China)

Fullerene is typical sp2carbon nanomaterials. It is very importment to study the bioeffect of fullerene. In this study, laccase, an important component of the enzymes secreted by white rot fungi, was taken as the model protein to simulate the binding model of fullerene-protein by AutoDock software and calculate the binding energy. There were 9 potential binding sites for C60on laccase. The binding energy for the best site was -10.4 kcal/mol. The computation results suggested that fullerene binding might lead to the conformational changes and activity loss of enzyme. The potential nano-bioeffect of fullerene was also discussed.

AutoDock; fullerene; laccase; confirmation; nano-bioeffect

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金(No.201307101)。

汪偉軒(1990-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榧{米材料的環(huán)境效應(yīng)。

楊勝韜(1985-)，男，博士，副教授，從事納米材料的環(huán)境生物安全性研究。

O641.3

A

1001-9677(2016)07-0050-03