高效智能抗氧化硒酶的分子设计与理论研究

【摘要】基于钙离子结合蛋白（recoverin）在结合钙离子（Ca2+）前后构象变化的特点，运用计算机模拟设计谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）催化中心，成功将recoverin别构效应与GPx酶催化功能相关联。通过结构分析Ca2+调控下模拟酶催化位点的“开关”状态，并研究活性“开启”状态下野生型recoverin及其突变体与GPx天然底物谷胱甘肽（GSH）的分子识别机制，为设计构筑高效智能抗氧化硒酶的定点突变实验提供理论指导。主要研究工作包含以下两个部分：1.基于分子对接设计钙离子响应的GPx模拟酶细胞受活性氧(ROS)攻击所产生的氧化损伤程度与细胞质中释放的钙离子浓度之间存在着密切联系。受此启发，以钙离子调控的变构蛋白recoverin作为分子骨架，设计智能响应ROS浓度变化的GPx模拟酶具有较好的应用前景。首先，将recoverin与GSH进行分子对接研究，虚拟筛选recoverin变构区域与GSH结合的低能垒识别模式，并依据底物GSH特异性识别后其巯基基团与催化中心硒原子的空间定向原理，确定催化残基硒代半胱氨酸（Sec）的拟修饰位点。随后，通过模拟分析recoverin结合Ca2+前后修饰位点的构象变化，揭示模拟酶催化基团Sec的“开关”状态与蛋白别构效应的关系。此外，基于对活性“开启”时的recoverin-GSH复合物结构的分析，还可研究识别过程中关键氨基酸残基的组成和部分弱相互作用如氢键和表面静电作用对于底物识别的影响，为设计构筑Ca2+响应的人工智能硒酶的实验奠定理论基础。2.分子动力学结合自由能计算研究模拟酶与底物的识别机制理论研究recoverin与GSH识别过程中酶-底物复合物的动态结构、热力学稳定性以及关键氨基酸残基的识别作用力贡献，对于揭示该智能GPx模拟酶的分子识别机制，进一步改进其催化效率具有非常重要的指导意义。基于上一工作中野生型recoverin与底物GSH的分子对接结果，本工作深入研究了突变位点Q50R、A64G、H68N对于recoverin-GSH识别的影响。即运用分子动力学模拟结合自由能计算详细分析了WT-recoverin、单位点突变型（recoverin-Q50R、recoverin-A64G、recoverin-H68N）、双位点突变型（recoverin-Q50R/A64G、recoverin-A64G/H68N、recoverin-Q50R/H68N）及三位点突变型(recoverin-Q50R/A64G/H68N)共八组蛋白与GSH复合后结构随模拟时间的变化及其相应的热力学参数，包括结合自由能变化（ΔG），焓变（ΔH）和熵变（ΔS）。通过结构与能量数据的对比，结合表面静电势计算的电荷分布情况，理论预测野生型和各突变型recoverin与GSH之间结合强度，判断其复合物的稳定性。进一步利用结合自由能能量分解计算，揭示了其识别过程是焓驱动，并以范德华相互作用力为主导，多种弱相互作用力如氢键、疏水相互作用和静电相互作用协同的结果。随后，再经活性中心各氨基酸残基能量分解计算，研究关键氨基酸残基Arg50和Gly64对识别作用力的贡献，确定了影响蛋白-底物识别的主要因素。最终将基于上述分析结果，获得突变对底物GSH识别的有效性和选择性信息。这些研究结果将有助于实验上合理改进GPx模拟酶的底物结合特异性，提升其催化效率。
【作者】张东梅；
【导师】刘俊秋；罗全；
【作者基本信息】吉林大学，高分子化学与物理，2014，硕士
【关键词】谷胱甘肽过氧化物酶；钙离子结合蛋白；分子对接；分子动力学模拟；自由能计算；

【参考文献】
[1]孟兴.Metal-salen和Keggin型多酸构筑的无机—有机杂化材料的合成、结构及性质研究[D].东北师范大学,物理化学,2012,硕士.
[2]王秀芬,王进朝,张功富.会计学专业国际化与本土化相结合的教育理念与教学改革研究——中国会计学会会计教育专业委员会2012年年会暨第五届会计学院院长(系主任)论坛综述[J].会计研究,2012,11:87-90.
[3]贾海娜.协同供应链的稳定性研究[D].燕山大学,运筹与管理,2014,硕士.
[4]葛召坤.炼丹术非金石药物研究[D].山东大学,专门史,2013,硕士.
[5]杨金茹.碳化硅多孔陶瓷的制备及其性能研究[D].牡丹江师范学院,凝聚态物理,2012,硕士.
[6]董卓超.纺织厂房建筑型式的演进及发展趋向[J].天津大学学报.1990(03)
[7]李佳佳.CdS光催化剂的制备及助催化剂对其光解水产氢性能的影响[D].西北师范大学,2014.
[8]桂小黎.Steve Jobs两汉译本中因果连词的比较研究[D].安徽大学,外国语言学与应用语言学,2014,硕士.
[9]郝雅静.光通信中非机械式光束偏转控制器研究[D].中国科学院研究生院（光电技术研究所）,信号与信息处理,2014,硕士.
[10]冯广杰.TiAl与C_f/Al激光诱导自蔓延连接工艺及机理研究[D].哈尔滨工业大学,材料加工工程,2013,硕士.
[11]余卫国.Pd/纳米碳管催化剂在苯甲酸催化加氢反应中的应用研究[D].浙江工业大学,生物化工,2004,硕士.
[12]张屹.四川省区域创新系统中地方政府职能研究[D].西南交通大学,行政管理,2013,硕士.
[13]党东亮.长途传输网40Gbit/s波分复用系统的设计与实现[D].南京邮电大学,电子与通信工程（专业学位）,2012,硕士.
[14]金光浩,莫则尧.有向图并行计算中的多目标剖分算法[J].计算机学报,2005,12:2045-2051.
[15]陈夕幻.中日网络犯罪的刑事立法比较研究[D].贵州民族大学,法律,2014,硕士.
[16]周斌.磷酸铁锂正极材料的掺杂改性及批量制备[D].浙江大学,材料工程（专业学位）,2013,硕士.
[17]唐淑娥.文字图形化在服装设计中的应用研究[D].湖南师范大学,设计艺术学,2013,硕士.
[18]陈法安.区域道路交通安全标杆管理研究[D].长安大学,交通运输规划与管理,2014,硕士.
[19]王雷.中国家用制冷工业替代与节能进程[J].精细与专用化学品.1999(22)
[20]邹晴,林湘宁,翁汉琍.基于闭环控制的独立电力系统低频减载策略[J].电力系统自动化,2006,22:34-37+88.
[21]孙科雄.无接触技术取得的大隐静脉其周围组织中脂联素的表达[D].华中科技大学,外科学,2013,硕士.
[22]王峰.沈阳油田开发信息平台的设计与实现[D].大连理工大学,软件工程（专业学位）,2012,硕士.
[23]白金婷.橡胶集料混凝土抗渗与抗冻性能试验研究[D].辽宁工程技术大学,结构工程,2012,硕士.
[24]彭业勤.中日洗衣机企业分销渠道管理的比较研究[D].华中师范大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[25]李从东,谢继勇.数据挖掘技术及其在港口淤积预测中的应用研究[J].内蒙古农业大学学报(自然科学版),2004,03:81-84.
[26]黄瑞济,吕飞,丁玉庭,刘璘,尤国庭.冷海水预处理对智利竹筴鱼冷藏品质的影响[J].食品工业科技,2013,18:314-317.
[27]闫殳裔.模块化多电平换流器低压模拟系统的研究[D].北京交通大学,2013.
[28]蒲琳.《简明汉日词典》（修订版）词类标注实证研究[D].四川外国语大学,英语语言文学,2013,硕士.
[29]刘星.基于社区发展的单位制社区更新策略研究[D].华中科技大学,城市规划与设计,2013,硕士.
[30]叶礼邦.OPNET环境下地域通信网性能的仿真研究[D].电子科技大学,电子与通信工程（专业学位）,2012,硕士.
[31]井申荣.微载体制备甲肝灭活疫苗的研究[D].中国协和医科大学,2000.
[32]陈敏.有关考生不同学术背景和所属经济区域对考生听力成绩的影响[D].广东外语外贸大学,外语教学技术与评估,2013,硕士.
[33]杨强.无独立请求权第三人概念重塑[D].太原科技大学,诉讼法学,2013,硕士.
[34]程佳.玉米须提取物降血糖活性研究[D].吉林大学,食品工程,2014,硕士.
[35]贾囡.夫妻共有不动产处分的物权法研究[D].中国社会科学院研究生院,民法（专业学位）,2014,硕士.
[36]张金英.低碳经济政策就业效应的理论解析与实证研究[D].北京交通大学,2013.
[37]王贞祥,刘建昌,王立平.AGC控制算法的改进──两种控制算法优缺点的比较[J].控制与决策,1995,04:337-341.
[38]王勇.血清EGFR检测在非小细胞肺癌中的临床意义及预后判断中的应用价值[D].第四军医大学,外科学,2014,硕士.
[39]秦耘.我国公民参与立法途径研究[D].河北经贸大学,法学理论,2012,硕士.
[40]郭晨阳.分段式多目标城市轨道交通列车运行优化算法研究[D].西南交通大学,电力电子与电力传动,2014,硕士.
[41]赵霄龙,张仁瑜.建筑节材功在当代利在千秋[J].住宅产业.2006(06)
[42]张昊.低年段小学生错别字成因类型及改进策略[D].沈阳师范大学,课程与教学论,2014,硕士.
[43]范新星.我国节能减排环境审计评价指标体系研究[D].贵州财经大学,会计学,2013,硕士.
[44]易珍.心脏发育候选基因CFL及CXXC5的TALEN打靶突变系的建立[D].湖南师范大学,遗传学,2014,硕士.
[45]闫爽.基于NAT穿越的网络可视教学系统安全性研究[D].东北大学,计算机技术,2011,硕士.
[46]章成志.数据挖掘研究现状及最新进展[J].南京工业职业技术学院学报,2003,02:1-5.
[47]欧阳敏.江西省水产饲料生产现状与发展趋势分析[J].饲料工业.2006(03)
[48]游福成,苏占东,谢永红,杨炳儒.多智体在IDSSIM结构设计中的应用[J].计算机科学,2004,03:118-120.
[49]齐文山.牙鲆卵裂雌核发育家系和F3代家系建立及遗传分析[D].上海海洋大学,动物遗传育种与繁殖,2013,硕士.
[50]翁西伦,鲍宗必,罗飞,苏宝根,杨亦文,任其龙.纤维素类手性色谱固定相的制备及其应用[J].化学进展,2014,Z1:415-423.