计算机辅助模拟、设计和分析α-L-鼠李糖苷酶结构域的功能

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α-L-鼠李糖苷酶能够水解末端带有鼠李糖基的糖苷类物质如柚皮苷、芦丁等,是一种常见的糖苷水解酶,已经在食品加工、食品风味改良等方面投入使用。作为一种重要的绿色、经济型催化剂,催化效率是决定酶应用于食品工业的关键因素。本论文通过建立塔宾曲霉α-L-鼠李糖苷酶三维结构模型、设计结构域替换来构建重组子、进行异源表达和性质表征;在综合分析催化活性、动力学参数、氨基酸残基间作用力的基础上探究了不同结构域的功能,为后续改良催化效率、拓展该酶在食品加工中的应用范围和深度提供了理论基础。主要结果如下:(1)对塔宾曲霉α-L-鼠李糖苷酶和白曲霉α-L-鼠李糖苷酶氨基酸序列进行比对,比对结果相似性92%。使用Modeller 9.15软件对塔宾曲霉α-L-鼠李糖苷酶进行建模,进一步通过能量最小化优化得到评价合理的三维结构模型。对模型和结构域分析发现塔宾曲霉α-L-鼠李糖苷酶由两个β折叠结构域和一个(α/α)6桶状结构域组成。分子对接结果发现,底物与模型直接的结合部位位于桶状结构域的底部。(2)通过计算机辅助分析结构域连接处氨基酸残基的相互作用,确定了以Gly400和Asn787为替换位点,将白曲霉α-L-鼠李糖苷酶的桶状结构域替换为塔宾曲霉α-L-鼠李糖苷酶对应的结构域,构建了重组子AK-rhaαT进行重组表达。酶活结果显示,重组酶的酶活是白曲霉α-L-鼠李糖苷酶的38倍;动力学参数表明,重组酶Km值为0.33 mM,kcat值催化常数为3.06×104 s-1。(3)在桶状结构域替换的基础上分别将塔宾曲霉α-L-鼠李糖苷酶其余两个结构域替换到白曲霉α-L-鼠李糖苷酶上,构建重组子AK-rhaαTβT1、AK-rhaαTβT2并进行表达。测定酶活和动力学参数显示,酶活分别是白曲霉α-L-鼠李糖苷酶的129.3和132.4倍;动力学参数两个重组酶中Km值分别为0.37 mM、1.5 mM,kcat值分别为3.67×104 s-1、9.17×104 s-1。(4)对重组酶的酶学性质进行分析,重组酶的最适温度为60℃、最适pH为4.0,在pH为4.0-6.0时具有较好稳定性、重组酶AK-rhaαT、AK-rhaαTβT1、AK-rhaαTβT2在60℃半衰期分别为4.5 h、6 h、5 h,在65℃半衰期分别为50 min、60 min、55 min。通过对白曲霉α-L-鼠李糖苷酶和塔宾曲霉α-L-鼠李糖苷酶序列中差异位点氨基酸残基氢键作用力分析,发现与白曲霉α-L-鼠李糖苷酶相比,塔宾曲霉α-L-鼠李糖苷酶两个β结构域上残基间的氢键作用力更少、桶状结构域中残基间氢键作用力更多,该差异可能是塔宾曲霉α-L-鼠李糖苷酶催化常数变大,催化反应速度变快,酶活远高于白曲霉α-L-鼠李糖苷酶的主要原因。
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