基于分子对接的漆酶和辣根过氧化物酶与酚类污染物相互作用机制的研究

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利用污染物降解酶处理环境污染是高效和绿色的污染控制方法,是当前环境保护研究的热点。实验研究为利用生物酶处理污染物提供了科学依据,但是难以探究酶和污染物相互作用的分子机制。分子对接能研究分子间的微观相互作用,因此将分子对接技术应用于研究环境保护领域的污染物降解酶对污染物的作用机制,对于探讨污染物降解酶和污染底物的结合模式和相互作用,深入理解污染物的酶解过程非常重要,是解决环境问题的新方法和新思路。分子对接技术起初应用于医药领域的虚拟筛选和药物设计,是一种可以对受体和配体的结合模式进行预测和优化的方法。分子对接运算速度快而且结果可靠,不仅可以揭示受体和配体结合的合理分子机制,还能节省科研经费和实验精力。本研究利用分子对接方法,选取典型的污染物降解酶Trametes versicolor(T.versicolor)漆酶和辣根过氧化物酶(horseradish peroxidase,HRP),分别研究了T.versicolor漆酶与壬基酚(NP)、辛基酚(OP)和氯酚(CP)以及HRP与CP的相互作用情况,从结合模式、空间相互作用、总相互作用、结合亲和力、氢键、疏水作用等方面研究了污染降解酶和污染物的相互作用机制。新兴污染物NPs和OPs具有雌激素效应,是典型的内分泌干扰化合物。CP是重要的卤代酚类有毒化合物,属于持久性污染物。NP、OP和CP同分异构体对人类健康和环境的影响各异,因此研究其转化和去除过程的作用机理有重要意义。T.versicolor漆酶是能有效降解酚类污染物的真菌漆酶,和细菌漆酶相比具有能降解高浓度污染物以及低营养需求的优点。实验证明T.versicolor漆酶能有效降解NP、OP和CP,而且底物的结构特征影响生物降解过程。然而相关的分子相互作用机制的研究未见报道。本研究通过分子对接分析T.versicolor漆酶与NP或OP结合的相互作用发现,强氢键作用不一定存在,而疏水效应是必要的作用。T.versicolor漆酶与NP结合形成氢键的氨基酸残基包括:Glu302,Gln242,Ser427,His111,Phe344,Tyr244和Arg423,涉及疏水作用的重要氨基酸残基包括:Leu459,Pro346,Ser113,Glu460和Ala80。T.versicolor漆酶与OP形成氢键的氨基酸残基包括Leu300,Glu460和Phe344,形成疏水作用的重要氨基酸残基包括:Leu459,Pro346,Ser113,Leu112和His111。此外,研究还发现NP和OP的烷基链结构以及相对位置对于T.versicolor漆酶与底物的结合模式、空间相互作用、结合亲和力、氢键和疏水作用有影响。T.versicolor漆酶与线性烷基链NP和OP的结合亲和力:邻位>间位>对位。此外,α碳的取代基分支较大的对壬基酚同分异构体(4-NPs)与T.versicolor漆酶结合的空间作用较弱而结合亲和力较强。另外,T.versicolor漆酶与γ碳的取代基分支较大的4-(1,1,3,3-四甲基丁基)酚(4t OP)结合的空间作用弱于与4-(1,1-二甲基己基)酚(4d OP)结合的空间作用。此外,T.versicolor漆酶与CP形成氢键作用的氨基酸残基包括:His111,Ala80,Glu302,Gln242和Ser427,形成疏水作用的氨基酸残基包括:Phe239,Glu302,Pro79,Phe450,Leu459,Ser113,Tyr244,Gln237,Val426和Arg423。另外,T.versicolor漆酶与邻氯酚结合的空间作用和总相互作用最强。HRP是含血红素的过氧化物酶,能在过氧化氢(H2O2)存在条件下,进行氧化转化和偶联反应的催化循环反应,有效地催化酚类物质形成聚合产物。虽然HRP的催化反应过程需要H2O2,但是能有效促进酚类污染物的氧化脱除,并且适宜反应的p H值和温度范围较广。HRP的催化过程包括三个步骤,其中过氧化循环的第二步是决速反应步骤,第三步对产物有去除作用,因此本研究主要探讨关键的第二步和第三步的相互作用情况。尽管实验研究了HRP/H2O2体系中CP同分异构体的转化率,但是其分子作用机制还未见报道。因此,利用分子对接分别研究HRP复合物I和II与CP的相互作用可以揭示氯取代基对反应的影响。HRP复合物I和HRP复合物II与CP的氢键作用有利于结合的稳定性,形成氢键的氨基酸残基包括:Arg38,Ser73,Pro139和His42。疏水作用是HRP复合物I和II与CP结合必要的相互作用,涉及疏水作用的重要氨基酸残基包括:Pro141和Gly69。此外,HRP与间氯酚结合的空间作用最强,而与对氯酚结合的总相互作用最强。利用分子对接研究典型污染物降解酶与酚类污染物的分子作用机制,不仅可以加深对污染物降解过程的了解,还可以推测类似结构的污染物的转化去除机制,对于污染控制和环境保护有重要意义。
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