苯酚衍生物作用模式的分类及其生物降解过程中氧分子通道的结构与功能

论文摘要

苯酚衍生物是在自然界分布广泛的一类环境污染物,通过不同的作用模式对生物体产生毒害作用。属于某种作用模式的苯酚衍生物虽然含有不同的取代基,但在结构或物理化学性质上具有一定的相似性。定性的分类方法和定量的结构-活性相关性分析都试图寻找这些相似性,然后构建分类器或函数关系对未知作用模式的苯酚衍生物作出预测。上述两种方法都要求用于描述结构特征的分子描述符能够反映深层次的作用机理,数目尽可能的少,并且易于解释。近几年发展的基于统计学习理论的支持向量机分类算法受到广泛关注并已成功用于解决各种分类问题,但能否对少数已知作用模式（即样本数目少）的苯酚衍生物进行分类值得研究,如何验证和解释分类的结果也是值得探索的一个问题。苯酚衍生物的生物降解是降低其对环境污染和生物体毒性的一个有效途径。细菌对芳烃的好氧降解途径中,双加氧酶催化两个关键反应:芳环双羟基化和开环。所有的芳香族化合物都是先降解为邻苯二酚,然后邻苯二酚通过邻位或间位双加氧酶的作用裂解为粘康酸半醛或粘康酸,从而使苯环开环断裂。大量的实验和理论研究都将注意力集中在活性位点附近O2分子如何活化,邻苯二酚如何开环裂解,以及如何捕获反应的中间产物等方面,却很少关注O2是如何到达反应中心这一问题。研究表明酶催化的反应速率不仅取决于活性位点的反应速率还取决于气体进入活性中心的速率,因此寻找酶结构中的气体分子通道逐渐成为研究酶催化活性的一个热点问题,有希望成为调控酶反应速率进而发现新的反应中间体的一种实验方法。通常酶的活性中心都深埋于蛋白质内部,通过分子动力学模拟寻找酶结构中的气体分子通道不仅能够在原子水平上观察气体进入蛋白质的动态过程,而且能够发现控制气体进入活性位点的关键氨基酸残基,为相关的突变实验提供理论指导。本文结合支持向量分类机和分子动力学对第一个问题从宏观和微观两个尺度进行的研究;运用不同的分子动力学模拟方法寻找外二元醇双加氧酶2,3-HPCD中的O2通道,揭示了O2通道与酶催化反应速率之间的关系,论文工作包含以下三个部分:1.利用支持向量机对含155个极性麻醉剂和19个非偶联剂的数据集用7个分子描述符进行分类测试,结果表明用于描述疏水和氢键作用的分子描述符对上述两类苯酚衍生物的分类正确率达99%以上。以典型的极性麻醉剂水杨酸（SAL）和非偶联剂五氯酚（PCP）为例,利用分子动力学模拟研究了它们在磷脂双层POPC中的平衡特性,结果显示由于疏水作用,平衡时SAL和PCP分子不能分布在空间相对宽松的POPC内部,而是分布在磷脂双层头部,靠近水相的区域。SAL能够和油酰基碳链上的羰基氧形成稳定的氢键,不仅如此,模拟还发现SAL能够形成分子内氢键;PCP则主要和水形成稳定的氢键。分子动力学模拟一方面揭示了分子描述符隐含的作用机理,另一方面也纠正了以前定量结构.活性研究中认为SAL是和带负电荷的磷酸根结合的观点。2.外二元醇双加氧酶2,3-HPCD催化降解4.硝基邻苯二酚（或4-羧基邻苯二酚）,但其四个同源亚基却具有不同的催化活性。这部分工作利用局部加强取样（LES）分子动力学模拟寻找每个亚基中的O2通道,发现每个亚基中只含有一条供O2在蛋白质内部扩散的通道。虽然构成O2通道周围的氨基酸基本相同,但O2和这些氨基酸的碰撞频率却不一样,揭示每个通道具有不同的O2亲和性。通过计算O2和这些残基的相互作用能进一步说明亚基A最适合O2的扩散,与实验中在亚基A中发现催化反应的最终产物而在其它亚基中捕获到反应中间体的结论一致,表明O2通道和亚基的催化速率有一定的相关性。分析残基的运动特征还揭示了空隙的呼吸运动是调控O2进出蛋白质的主要因素。3.不同于LES模拟,本部分的分子动力学模拟不包含O2,称为隐式配体取样（ILS）。先对包含2,3-HPCD的体系进行10纳秒常规分子动力学模拟,然后对每一帧轨迹文件计算与O2的相互作用能,得到反映整个体系与O2相互作用的自由能曲面。连接势能曲面上从水相至活性位点能量最低的区域即为可能的O2通道。通过比较每个O2通道的几何和能量特征,发现亚基A中的O2通道能量最低,与LES结论一致。延长模拟至20纳秒,继续观察空隙的呼吸运动并与LES结果进行比较,发现O2对蛋白质结构影响很小,O2在每个亚基中的运动按照特定的通道进行,空隙呼吸运动的频率差异可能是导致O2在不同亚基中扩散快慢的主要原因。本论文的研究工作为研究苯酚衍生物与生物大分子,如生物膜和蛋白质的相互作用提供了启发。运用分子动力学模拟解释分类、定量构效关系的结果为揭示苯酚衍生物的作用模式提供了新的思路。运用LES和ILS两种计算方法首次发现O2通道对亚基催化性能的影响,为相关实验的研究提供了新的方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 苯酚衍生物概述
• 1.2 苯酚衍生物毒性的定性定量研究
• 1.3 苯酚类化合物生物降解机制
• 1.4 本文的研究工作
• 2 支持向量机和分子动力学基本理论
• 2.1 支持向量机基本理论
• 2.1.1 线性分类问题
• 2.1.2 核函数
• 2.1.3 支持向量机
• 2.2 分子动力学基本原理
• 2.2.1 力场概述
• 2.2.2 算法概述
• 2.2.3 分子动力学发展及应用
• 3 苯酚衍生物的分类及分子动力学模拟
• 3.1 苯酚衍生物的分类
• 3.1.1 材料和方法
• 3.1.2 SVM分类结果与讨论
• 3.2 典型苯酚衍生物在磷脂双层中平衡行为的分子动力学模拟
• 3.2.1 模拟体系
• 3.2.2 模拟过程
• 3.2.3 结果与讨论
• 3.3 本章小结
• 4 氧分子通道对双加氧酶2，3-HPCD亚基催化性能的影响.1.局部加强取样
• 4.1 蛋白质结构中的气体分子通道
• 4.2 局部加强取样（LES）基本原理
• 2通道的LES MD模拟'>4.3 双加氧酶2，3-HPCD中O₂通道的LES MD模拟
• 4.3.1 力场参数
• 4.3.2 模拟体系
• 4.4 结果与讨论
• 4.4.1 平衡特征
• 2通道的构成'>4.4.2 O₂通道的构成
• 4.4.3 相互作用能分析
• 2通道的调控机制'>4.4.4 O₂通道的调控机制
• 4.5 本章小结
• 5 氧分子通道对双加氧酶2，3-HPCD亚基催化性能的影响.2.隐式配体取样
• 5.1 隐式配体取样（ILS）基本原理
• 5.2 模拟体系
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 平衡特性
• 2通道特性'>5.3.2 O₂通道特性
• 2对蛋白质结构的影响'>5.3.3 O₂对蛋白质结构的影响
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 苯酚衍生物数据集和分类测试结果
• 附录B 2-His-1-carboxylate模型化合物以及部分电荷
• 附录C 2-His-1-carboxylate模型化合物的部分CHARMM立场参数
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 创新点摘要
• 致谢
• 作者简介