分子動(dòng)力學(xué)模擬研究直鏈淀粉與α-亞油酸的包合行為

馮 濤 王 旭 莊海寧 Feng Chen Bruce R Hamaker Osvaldo Campanella 王 凱

(上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院香料香精技術(shù)與工程學(xué)院1，上海 201418)(上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院食用菌研究所 國家食用菌工程技術(shù)研究中心2，上海 201403)(美國普度大學(xué)食品系惠斯特勒碳水化合物研究中心3，美國印第安納州 47906-2009)(云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心4，昆明 650231)

分子動(dòng)力學(xué)模擬研究直鏈淀粉與α-亞油酸的包合行為

馮 濤1王 旭1莊海寧2Feng Chen3Bruce R Hamaker3Osvaldo Campanella3王 凱4

(上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院香料香精技術(shù)與工程學(xué)院1，上海 201418)(上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院食用菌研究所 國家食用菌工程技術(shù)研究中心2，上海 201403)(美國普度大學(xué)食品系惠斯特勒碳水化合物研究中心3，美國印第安納州 47906-2009)(云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心4，昆明 650231)

α-亞油酸和直鏈淀粉可以形成熱力學(xué)穩(wěn)定復(fù)合物。為了研究α-亞油酸影響直鏈淀粉構(gòu)象的機(jī)理、復(fù)合物的構(gòu)象趨勢及復(fù)合作用過程中氫鍵的變化情況，在373 K條件下進(jìn)行了長時(shí)間(500 ns)的全原子分子動(dòng)力學(xué)模擬。模擬發(fā)現(xiàn)在有/無α-亞油酸存在的情況下，在500 ns內(nèi)都可以觀察到大量有序到無序的構(gòu)象轉(zhuǎn)變，這表明直鏈淀粉和α-亞油酸之間結(jié)合作用微弱。原子均方根偏差(RMSD)、α-亞油酸與直鏈淀粉軸心間距、氫鍵增加都證明直鏈淀粉-α-亞油酸復(fù)合物的形成是熱力學(xué)自發(fā)行為。

分子動(dòng)力學(xué)模擬 直鏈淀粉 α-亞油酸

直鏈淀粉和脂類可以形成復(fù)合物。復(fù)合配體物的存在可以導(dǎo)致直鏈淀粉形成結(jié)構(gòu)緊密的螺旋結(jié)構(gòu)。該螺旋具有一個(gè)疏水性的空腔。一般認(rèn)為脂類分子的非極性端進(jìn)入螺旋空腔，羧基端則在螺旋外部[1]。螺旋結(jié)構(gòu)的形成可能與配體物在螺旋空腔內(nèi)具有更低的自由能有關(guān)。該驅(qū)動(dòng)力應(yīng)該是與直鏈淀粉盡量減少其與水的接觸面積有關(guān)[2]。分子內(nèi)鍵合力，例如范德華力和氫鍵主要存在于螺旋上的螺圈之間，以穩(wěn)定單一螺旋鏈[3-4]。分子間作用力則穩(wěn)定直鏈淀粉與其配體之間的相互作用[5]。

直鏈淀粉-脂肪酸復(fù)合物的結(jié)晶態(tài)是V-直鏈淀粉6倍(即6個(gè)葡萄糖殘基)單鏈左手螺旋[6]。Zabar等[7]從分子、納米和微米尺度研究了直鏈淀粉-長鏈脂肪酸復(fù)合物，但未達(dá)到原子水平。雖然大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明了直鏈淀粉與α-亞油酸可以形成很穩(wěn)定的復(fù)合物，但仍然有一些問題需要在原子水平上進(jìn)行進(jìn)一步研究，這就需要借助分子動(dòng)力學(xué)模擬來實(shí)現(xiàn)。分子動(dòng)力學(xué)模擬屬于分子模擬的一種，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，其已逐漸成為預(yù)測體系穩(wěn)定性、驗(yàn)證理論假設(shè)及改進(jìn)模型的重要工具。目前分子動(dòng)力學(xué)模擬在直鏈淀粉研究方面的應(yīng)用已有不少成果[1, 8-9]。

本研究擬在有/無α-亞油酸的條件下，利用分子動(dòng)力學(xué)對(duì)α-亞油酸與直鏈淀粉的復(fù)合過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，以從原子水平解釋以下問題：游離脂肪酸穩(wěn)定直鏈淀粉構(gòu)象的原因；直鏈淀粉-α-亞油酸復(fù)合物的熱穩(wěn)定構(gòu)象狀態(tài)；在復(fù)合物形成過程中氫鍵的變化。

1 材料與方法

1.1 直鏈淀粉和α-亞油酸模型的選取

V-直鏈淀粉的分子模型由Paderborn大學(xué)提供。該直鏈淀粉模型為55個(gè)葡萄糖殘基組成的6倍左手螺旋。所得的螺旋其內(nèi)徑為54 nm，外徑為135 nm，長738 nm。根據(jù)糖苷鍵鏈接不同，GLC、GLM和GLK分別用于代表直鏈淀粉的起始、中間和末端葡萄糖殘基。α-亞油酸的PDB文件從http://xray.bmc.uu.se/hicup/EIC/下載。具有20個(gè)原子的PDB文件選自MSDchem數(shù)據(jù)庫。α-亞油酸的起始結(jié)構(gòu)由PRODRG服務(wù)器生成(http://davapc1.bioch.dundee.ac.uk/prodrg/)。EIC表示α-亞油酸。

1.2 分子力場

葡萄糖分子力場根據(jù)Damm等[10]和Kony等[11]改寫。所有的模擬均根據(jù)為直鏈淀粉設(shè)計(jì)的葡萄糖分子力場來進(jìn)行運(yùn)算。原子上的電荷如表1所示。

表1 葡萄糖拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中原子的電荷情況

注：OG，CG1～CG5，HG1～HG5分別代表葡萄糖環(huán)狀結(jié)構(gòu)上的氧，碳和氫原子；OH1～OH4，代表葡萄糖環(huán)狀結(jié)構(gòu)上的羥基氧原子；HO2～HO4，代表葡萄糖環(huán)狀結(jié)構(gòu)上的羥基氫原子；CA6，代表葡萄糖環(huán)狀結(jié)構(gòu)上的6位碳原子；OA6，代表葡萄糖環(huán)狀結(jié)構(gòu)上的6位氧原子；HA1，HA2，代表與葡萄糖環(huán)狀結(jié)構(gòu)上的6位碳原子相連的兩個(gè)氫原子；HA6，代表與葡萄糖環(huán)狀結(jié)構(gòu)上的6位氧原子相連的氫原子。與附圖1中原子標(biāo)簽相對(duì)應(yīng)。

1.3 分子模擬法則

使用Gromacs 4.6.1(ScalaLife Competence Center, the European Research Council)中的分子動(dòng)力學(xué)軟件包中的跳蛙移動(dòng)算法，以2 fs作為步長。模擬步數(shù)為2 500 000 000步，因此總的模擬時(shí)間為500 ns。LINCS算法用于對(duì)所有的鍵長(特別是重原子-H鍵)進(jìn)行條件約束，參數(shù)分別為lincs_iter=1，和lincs_order=4。溫度通過修改的Berendsen恒熱耦合在不同的基團(tuán)之間以松弛時(shí)間為0.1 ps來維持在373 K。壓力通過Parrinello-Rahman耦合壓力浴在各向同性坐標(biāo)下以松弛時(shí)間為2 ps來保持在1 bar。非鍵合作用采用臨近網(wǎng)格切割圖法處理。短程臨近切割距離為0.9 nm，根據(jù)配對(duì)表每個(gè)步長都要進(jìn)行1次評(píng)估。短程靜電力切割半徑為0.9 nm，長程范德華力切割半徑為1.4 nm，亦根據(jù)每個(gè)步長的更新配對(duì)表分別自動(dòng)進(jìn)行評(píng)估[1]。

1.4 直鏈淀粉和直鏈淀粉復(fù)合物模擬與分析

試驗(yàn)進(jìn)行了2種模擬，2組分子模擬都是從圓柱形的3D結(jié)構(gòu)開始進(jìn)行(葡萄糖形成的柱形3D結(jié)構(gòu)的每個(gè)螺圈由6個(gè)葡萄糖組成)。第1種是將55個(gè)殘基的直鏈淀粉鏈置于1個(gè)設(shè)計(jì)有12 631個(gè)水分子的矩形盒子里(10 nm×5 nm×5 nm)。水通過簡單的TIP4P模型進(jìn)行模擬[1]。2個(gè)模擬的起始構(gòu)象如圖1所示。在分子模擬開始前，鏈間能量采用最陡下降法最小化。然后模擬運(yùn)行500 ns，旨在獲得直鏈淀粉在水中的穩(wěn)定構(gòu)象。

第2種是由55個(gè)殘基的直鏈淀粉與α-亞油酸形成的復(fù)合物系統(tǒng)。直鏈淀粉事先與α-亞油酸預(yù)先復(fù)合在一起。根據(jù)試驗(yàn)條件下的pH值，α-亞油酸的羧基端上的氫質(zhì)子將完全解離，這使α-亞油酸帶1個(gè)負(fù)電荷，加入1個(gè)Na離子以平衡這一負(fù)電荷。水通過簡單的TIP4P模型進(jìn)行模擬。直鏈淀粉起始采用V-直鏈淀粉構(gòu)象，α-亞油酸的極性末端置于螺旋空腔內(nèi)部。系統(tǒng)置于一個(gè)設(shè)計(jì)有12 631個(gè)水分子的矩形盒子里(10 nm×5 nm×5 nm)。模擬運(yùn)行500 ns。

所有的模擬運(yùn)算和分析均采用Gromacs 4.6.1來進(jìn)行。

1.5 構(gòu)象簇分析

為了從模擬的軌跡中找到結(jié)構(gòu)中具有代表性的構(gòu)象簇，本研究采用Daura等[12]描述的方法來進(jìn)行。采用0.2 nm切割了直鏈淀粉相鄰原子位置的RMSD值作為聚類中心點(diǎn)。該過程一直重復(fù)直到?jīng)]有相關(guān)的軌跡被提取出來。所有計(jì)算由Gromacs 4.6.1來完成。

圖1 由α-亞油酸誘導(dǎo)的直鏈淀粉的構(gòu)象的可能模型

2 結(jié)果與討論

2.1 直鏈淀粉復(fù)合物與單一直鏈淀粉之間的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)變化

圖2(a,b)顯示了每個(gè)體系(直鏈淀粉復(fù)合物和直鏈淀粉)在500 ns內(nèi)的演變過程。2組模擬都展示了對(duì)于全結(jié)構(gòu)的大量重新組合。在圖2a中，在100 ns以內(nèi)α-亞油酸首先從直鏈淀粉中分離出來，然后在200 ns時(shí)，α-亞油酸被重新包合進(jìn)直鏈淀粉片段的中間區(qū)域，然后α-亞油酸始終被包合在直鏈淀粉片段內(nèi)，但在200～500 ns的時(shí)間內(nèi)，其位置在左右之間搖擺。直鏈淀粉則始終保持了一種伸展的左手螺旋的構(gòu)象。但是，直鏈淀粉產(chǎn)生了一個(gè)完全折疊的構(gòu)象，而且在500 ns的時(shí)間內(nèi)始終扭曲纏繞，并且可以看出直鏈淀粉螺旋從片段的中點(diǎn)位置對(duì)折，且折疊構(gòu)象不斷變化。這說明直鏈淀粉上的原子移動(dòng)得比直鏈淀粉復(fù)合物中的原子要?jiǎng)×业枚唷?/p>

淀粉骨架GLK_GLM_GLC&CA6與GLK之間的位移距離如圖2c所示。在500 ns內(nèi)，復(fù)合物與單獨(dú)直鏈淀粉的平均模擬位移距離分別為1.0 nm和3.0 nm。這些位移距離軌跡表明在α-亞油酸的存在下，直鏈淀粉骨架上的原子移動(dòng)得要緩慢些。α-亞油酸復(fù)合后的淀粉可以在200～500 ns內(nèi)，維持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的構(gòu)象，而單獨(dú)直鏈淀粉在500 ns內(nèi)為一個(gè)扭曲的相對(duì)不穩(wěn)定的構(gòu)象。因此，可以得出初步結(jié)論：單獨(dú)的直鏈淀粉在水溶液中的構(gòu)象是不穩(wěn)定的，但在α-亞油酸的存在下，則可以極大地提高其穩(wěn)定性。模擬的運(yùn)動(dòng)軌跡和試驗(yàn)現(xiàn)象(直鏈淀粉與α-亞油酸可以形成穩(wěn)定絡(luò)合物)的一致性說明分子動(dòng)力學(xué)模擬為直鏈淀粉的構(gòu)象轉(zhuǎn)變提供了其受α-亞油酸影響的精確效應(yīng)圖。

圖2 有/無α-亞油酸條件下，直鏈淀粉的構(gòu)象變化及其對(duì)應(yīng)的淀粉骨架位移

2.2 直鏈淀粉復(fù)合物與單獨(dú)直鏈淀粉的單一結(jié)構(gòu)域的動(dòng)態(tài)位移變化

直鏈淀粉骨架相對(duì)于GLC、GLK、GLM結(jié)構(gòu)域位移的均方根偏差經(jīng)計(jì)算如圖3所示。可以看出，直鏈淀粉-α-亞油酸復(fù)合物的所有均方根偏差都完全小于單獨(dú)直鏈淀粉，這意味著在直鏈淀粉-α-亞油酸復(fù)合物中的原子的動(dòng)態(tài)位移變化要少于單獨(dú)直鏈淀粉。2個(gè)體系中，骨架與GLM之間的RMSD最為光滑平坦，表明GLM結(jié)構(gòu)域在3個(gè)結(jié)構(gòu)域中是較為穩(wěn)定的。反之，GLC和GLK均表現(xiàn)出了較大幅度的位移變化。其中，GLC的動(dòng)態(tài)位移變化RMSD值在2個(gè)體系中均為最大，在復(fù)合物系統(tǒng)中為7.0 nm，在單獨(dú)直鏈淀粉系統(tǒng)中為6.0 nm。但是，這一變化僅發(fā)生在前100 ns內(nèi)，直鏈淀粉復(fù)合物的原子位移遠(yuǎn)比單獨(dú)直鏈淀粉的劇烈。然后，當(dāng)2個(gè)體系均達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，復(fù)合物系統(tǒng)的RMSD值均低于單獨(dú)直鏈淀粉的。在2個(gè)體系中，GLK結(jié)構(gòu)域的RMSD曲線遵循在圖2c中所觀察到的GLK-骨架之間的原子位移距離的變化趨勢，在有α-亞油酸的條件下，其構(gòu)象重排遠(yuǎn)比沒有α-亞油酸的條件下溫和。這些均表明α-亞油酸對(duì)直鏈淀粉的構(gòu)象具有穩(wěn)定作用。這些結(jié)果與圖2中位移距離和動(dòng)態(tài)軌跡的分析一致。

圖3 直鏈淀粉骨架相對(duì)于GLC、GLK、GLM結(jié)構(gòu)域位移的均方根偏差

圖4 單獨(dú)直鏈淀粉和復(fù)合直鏈淀粉的氫鍵數(shù)量

2.3 復(fù)合直鏈淀粉和單獨(dú)直鏈淀粉的氫鍵數(shù)量

通常將受體-供體的距離低于0.35 nm和角度低于30°作為判斷氫鍵形成的幾何標(biāo)準(zhǔn)[13]。復(fù)合直鏈淀粉和單獨(dú)直鏈淀粉與水分子之間形成的氫鍵數(shù)量的平均值分別為50和40(如圖4)。這一結(jié)果說明復(fù)合直鏈淀粉在氫鍵的參與下聚合成緊湊的結(jié)構(gòu)。氫鍵在聚合和維持復(fù)合直鏈淀粉的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)中起很大作用。

2.4 復(fù)合直鏈淀粉和單獨(dú)直鏈淀粉的主成分分析(PCA)

通過PCA分析來了解所觀察到結(jié)構(gòu)的主要累積波動(dòng)圖。圖5表明了模擬的結(jié)構(gòu)圖形投影到平面上，該平面是由2個(gè)主要成分的共變量矩陣向量值所構(gòu)建。在單獨(dú)直鏈淀粉和復(fù)合直鏈淀粉模型中，所有沿軌跡方向的模擬系統(tǒng)均具有重疊的和分開的基本空間。在單獨(dú)直鏈淀粉中，較寬的點(diǎn)集來自于GLM，在MD模擬的過程中，具有較為伸展和分散的區(qū)域大小。復(fù)合直鏈淀粉則具有一個(gè)較局限的、封閉的區(qū)域，表明構(gòu)象變化幅度很小。在2個(gè)系統(tǒng)中，模擬的結(jié)構(gòu)足以比較，覆蓋了較寬泛的空間區(qū)域。單獨(dú)直鏈淀粉通過具有較大的基本空間再次表明其最高的變化幅度。另外，為了進(jìn)一步揭示在模擬期間，相應(yīng)的殘基之間的主要運(yùn)動(dòng)軌跡的幅度，單獨(dú)直鏈淀粉作為PCA的參考模擬對(duì)象，并用其主成分投影所有的分子模擬軌跡。從單獨(dú)直鏈淀粉的模擬體系中所得到的更為明顯的現(xiàn)象支持了本研究的假設(shè)即α-亞油酸具有的穩(wěn)定效應(yīng)。

圖5 2個(gè)模擬體系的主成份分析圖

2.5 復(fù)合直鏈淀粉和單獨(dú)直鏈淀粉最常見的構(gòu)象簇

復(fù)合直鏈淀粉和單獨(dú)直鏈淀粉的主要構(gòu)象簇完全不同。圖6顯示了本模擬中復(fù)合直鏈淀粉和單獨(dú)直鏈淀粉的典型構(gòu)象簇圖像。復(fù)合直鏈淀粉中較多的螺旋骨架基團(tuán)導(dǎo)致了疏水性溶劑接觸表面積的增加。這些構(gòu)象簇也具有不同的水合半徑值。最為伸展的構(gòu)象(復(fù)合直鏈淀粉)比稍微不伸展的構(gòu)象(單獨(dú)直鏈淀粉)的水合半徑要大50%。同樣的結(jié)果，在三丙氨酸的鹵鹽溶液中的構(gòu)象變化也被報(bào)道過[14]。

圖6 2種模擬體系中最為常見的構(gòu)象簇

3 結(jié)論

本研究在有/無α-亞油酸存在的條件下，模擬了直鏈淀粉的構(gòu)象變化。模擬過程中α-亞油酸可以使直鏈淀粉處于一個(gè)比較穩(wěn)定的構(gòu)象，而單獨(dú)直鏈淀粉的構(gòu)象則是不斷變化的。此外，在有/無α-亞油酸存在時(shí)，淀粉骨架相對(duì)于末端葡萄糖殘基的位移變化、淀粉骨架單一結(jié)構(gòu)域位移變化以及PCA結(jié)果都表明α-亞油酸可以穩(wěn)定直鏈淀粉的構(gòu)象。而氫鍵在聚合及維持直鏈淀粉-α-亞油復(fù)合物的結(jié)構(gòu)中發(fā)揮很大作用。最后，本研究的結(jié)果也表明實(shí)時(shí)動(dòng)力學(xué)在熱力學(xué)穩(wěn)定構(gòu)型復(fù)合物的形成過程中的重要作用，同時(shí)對(duì)在原子水平上理解復(fù)合物行為具有重要意義。

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The Complexation Behavior of Amylose and α-Linoleic Acid by Molecular Dynamics Simulations

Feng Tao1Wang Xu1Zhuang Haining2Feng Chen3Bruce R Hamaker3Osvaldo Campanella3Wang Kai4

(School of Perfume and Aroma Technology, Shanghai Institute of Technology1, Shanghai 201418)(Institute of Edible Fungi, Shanghai Academy of Agricultural Sciences,National Engineering Research Center of Edible Fungi2, Shanghai 201403)(Whistler Center for Carbohydrate Research, Department of Food Science, Purdue University3, IN 47906-2009, USA)(R&D Center, China Tobacco Yunnan Industrial Co., Ltd4, Kunming 650231)

The amylose could form a thermodynamically stable complex with α-linoleic acid. In order to study the mechanism that α-linoleic acid affecting the configuration of amylose; the favorable configuration of amylase and α-linoleic acid complex; and the changes of hydrogen bonds during the complexation process, a long time (500 ns) all-atom molecular dynamics (MD) simulation has been performed at the temperature of 373 K. In both the presence and absence of α-linoleic acid, a large-scale order-to-disorder conformational transition happened within 500 ns was observed, suggesting the weak coupling between amylose and α-linoleic acid. The results of the atom root mean square deviation (RMSD), the axial distance between α-linoleic acid and amylose, and the increment of hydrogen bonds, all supported a common conclusion that amylose-α-linoleic acid complex was formed by thermodynamically spontaneous behavior.

molecular dynamics simulation, amylose, α-linoleic acid

TS231

A

1003-0174(2016)04-0035-06

國家自然科學(xué)基金 (31000794)

2014-08-11

馮濤，男，1978年出生，教授，食品風(fēng)味化學(xué)