胰蛋白酶定向固定化亲和配基的理性设计

白姝 周荣 刘夫锋

引用本文: 白姝, 周荣, 刘夫锋. 胰蛋白酶定向固定化亲和配基的理性设计[J]. 物理化学学报, 2013, 29(02): 439-448. doi: 10.3866/PKU.WHXB201211272 shu
Citation:  BAI Shu, ZHOU Rong, LIU Fu-Feng. Rational Design of Affinity Ligand for the Oriented Immobilization of Trypsin[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2013, 29(02): 439-448. doi: 10.3866/PKU.WHXB201211272 shu

胰蛋白酶定向固定化亲和配基的理性设计

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(20906068) (20906068)

    天津市应用基础与前沿技术研究计划项目(10JCYBJC04500)资助 (10JCYBJC04500)

摘要:

在胰蛋白酶三维(3D)结构的基础上, 首先利用分子对接从ZINC 数据库中筛选获得了与胰蛋白酶具有较高亲和性的小分子配基2-硝基苯基-β-D-葡糖苷, 并分析了该配基与蛋白质之间的相互作用力主要为范德华和氢键相互作用. 并利用分子动力学模拟进一步验证了2-硝基苯基-β-D-葡糖苷与胰蛋白酶之间具有较强的亲和作用. 分子动力学(MD)模拟结果表明, 配基-目标蛋白质之间形成稳定的复合物且它们之间的距离基本没有变化. 此外, 一个水分子通过氢键在配基和目标蛋白质的结合腔之间架桥. 最后制备了偶联有该配基的亲和载体, 进行了胰蛋白酶的定向固定化, 并考察了该固定化酶的活性. 研究结果表明, 利用修饰2-硝基苯基-β-D-葡糖苷配基的亲和载体固定化胰蛋白酶的酶活达到340.8 U·g-1, 比活达到300.3 U·mg-1, 分别是未修饰亲和配基载体的10倍和5倍, 具有明显的优势. 上述结论证明了结合分子对接和分子动力学模拟理性设计定向固定化亲和配基的方法是可行的, 具有一定的理论和实用价值.

English

    1. [1]

      (1) Bornscheuer, U. T.; Huisman, G.W.; Kazlauskas, R. J.; Lutz, S.;Moore, J. C.; Robins, K. Nature 2012, 485, 185. doi: 10.1038/nature11117

      (1) Bornscheuer, U. T.; Huisman, G.W.; Kazlauskas, R. J.; Lutz, S.;Moore, J. C.; Robins, K. Nature 2012, 485, 185. doi: 10.1038/nature11117

    2. [2]

      (2) Schmid, A.; Dordick, J. S.; Hauer, B.; Kiener, A.;Wubbolts, M.;Witholt, B. Nature 2001, 409, 258. doi: 10.1038/35051736(2) Schmid, A.; Dordick, J. S.; Hauer, B.; Kiener, A.;Wubbolts, M.;Witholt, B. Nature 2001, 409, 258. doi: 10.1038/35051736

    3. [3]

      (3) Nestl, B. M.; Nebel, B. A.; Hauer, B. Curr. Opin. Chem. Biol.2011, 15, 187. doi: 10.1016/j.cbpa.2010.11.019(3) Nestl, B. M.; Nebel, B. A.; Hauer, B. Curr. Opin. Chem. Biol.2011, 15, 187. doi: 10.1016/j.cbpa.2010.11.019

    4. [4]

      (4) Zhang, B.;Weng, Y.; Xu, H.; Mao, Z. Appl. Microbiol. Biotechnol. 2012, 93, 61. doi: 10.1007/s00253-011-3672-x(4) Zhang, B.;Weng, Y.; Xu, H.; Mao, Z. Appl. Microbiol. Biotechnol. 2012, 93, 61. doi: 10.1007/s00253-011-3672-x

    5. [5]

      (5) Sheldon, R. A. Chem. Soc. Rev. 2012, 41, 1437. doi: 10.1039/c1cs15219j(5) Sheldon, R. A. Chem. Soc. Rev. 2012, 41, 1437. doi: 10.1039/c1cs15219j

    6. [6]

      (6) Huang, Z. L.; Zhang, C.;Wu, X.; Su, N.; Xing, X. H. Chin. J. Biotech. 2012, 28, 393. [黄子亮, 张翀, 吴希, 苏楠,刑新会. 生物工程学报, 2012, 28, 393.](6) Huang, Z. L.; Zhang, C.;Wu, X.; Su, N.; Xing, X. H. Chin. J. Biotech. 2012, 28, 393. [黄子亮, 张翀, 吴希, 苏楠,刑新会. 生物工程学报, 2012, 28, 393.]

    7. [7]

      (7) Hu, Y.; Liu,W. M.; Zou, B.; Tang, S. S.; Huang, H. Prog. Chem.2010, 22, 1656.(7) Hu, Y.; Liu,W. M.; Zou, B.; Tang, S. S.; Huang, H. Prog. Chem.2010, 22, 1656.

    8. [8]

      (8) Liu, P.; Xing, G.W.; Li, X.W.; Ye, Y. H. Acta Phys. -Chim. Sin.2010, 26, 1113. [刘平, 邢国文, 李宣文, 叶蕴华. 物理化学学报, 2010, 26, 1113.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20100448(8) Liu, P.; Xing, G.W.; Li, X.W.; Ye, Y. H. Acta Phys. -Chim. Sin.2010, 26, 1113. [刘平, 邢国文, 李宣文, 叶蕴华. 物理化学学报, 2010, 26, 1113.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20100448

    9. [9]

      (9) Lei, Q. J.; Gao, B. J.; Zhang, Z. G. Acta Phys. -Chim. Sin. 2011,27, 2697. [雷青娟, 高保娇, 张正国. 物理化学学报, 2011, 27,2697.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20111122(9) Lei, Q. J.; Gao, B. J.; Zhang, Z. G. Acta Phys. -Chim. Sin. 2011,27, 2697. [雷青娟, 高保娇, 张正国. 物理化学学报, 2011, 27,2697.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20111122

    10. [10]

      (10) Park, B.W.; Yoon, D. Y.; Kim, D. S. Biosens. Bioelectron. 2010,26, 1. doi: 10.1016/j.bios.2010.04.033(10) Park, B.W.; Yoon, D. Y.; Kim, D. S. Biosens. Bioelectron. 2010,26, 1. doi: 10.1016/j.bios.2010.04.033

    11. [11]

      (11) Kato, M.; Inuzuka, K.; Sakai-Kato, K.; Toyo'oka, T. Anal. Chem.2005, 77, 1813. doi: 10.1021/ac048388u(11) Kato, M.; Inuzuka, K.; Sakai-Kato, K.; Toyo'oka, T. Anal. Chem.2005, 77, 1813. doi: 10.1021/ac048388u

    12. [12]

      (12) Knezevic, Z.; Milosavic, N.; Bezbradica, D.; Jakovljevic, Z.;Prodanovic, R. Biochem. Eng. J. 2006, 30, 269. doi: 10.1016/j.bej.2006.05.009(12) Knezevic, Z.; Milosavic, N.; Bezbradica, D.; Jakovljevic, Z.;Prodanovic, R. Biochem. Eng. J. 2006, 30, 269. doi: 10.1016/j.bej.2006.05.009

    13. [13]

      (13) Jung, Y.; Lee, J. M.; Jung, H.; Chung, B. H. Anal. Chem. 2007,79, 6534. doi: 10.1021/ac070484i(13) Jung, Y.; Lee, J. M.; Jung, H.; Chung, B. H. Anal. Chem. 2007,79, 6534. doi: 10.1021/ac070484i

    14. [14]

      (14) Limoges, B.; Marchal, D.; Mavre, F.; Saveant, J. M. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 2084. doi: 10.1021/ja0569196(14) Limoges, B.; Marchal, D.; Mavre, F.; Saveant, J. M. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 2084. doi: 10.1021/ja0569196

    15. [15]

      (15) Chen, M. L.; Adak, A. K.; Yeh, N. C.; Yang,W. B.; Chuang, Y.J.;Wong, C. H.; Hwang, K. C.; Hwu, J. R. R.; Hsieh, S. L.; Lin,C. C. Angew. Chem. Int. Edit. 2008, 47, 8627. doi: 10.1002/anie.v47:45(15) Chen, M. L.; Adak, A. K.; Yeh, N. C.; Yang,W. B.; Chuang, Y.J.;Wong, C. H.; Hwang, K. C.; Hwu, J. R. R.; Hsieh, S. L.; Lin,C. C. Angew. Chem. Int. Edit. 2008, 47, 8627. doi: 10.1002/anie.v47:45

    16. [16]

      (16) Rusmini, F.; Zhong, Z. Y.; Feijen, J. Biomacromolecules 2007,8, 1775. doi: 10.1021/bm061197b(16) Rusmini, F.; Zhong, Z. Y.; Feijen, J. Biomacromolecules 2007,8, 1775. doi: 10.1021/bm061197b

    17. [17]

      (17) Turkova, J. J. Chromatogr. B 1999, 722, 11. doi: 10.1016/S0378-4347(98)00434-4(17) Turkova, J. J. Chromatogr. B 1999, 722, 11. doi: 10.1016/S0378-4347(98)00434-4

    18. [18]

      (18) Cao, L.; Chen, H. J. Chin. Biotechnol. 2003, 23, 22.(18) Cao, L.; Chen, H. J. Chin. Biotechnol. 2003, 23, 22.

    19. [19]

      (19) Zhou,W.W.; Lian, J.; Hu, K. J.; Gao, Y. H.; Xu, B. Acta Phys. -Chim. Sin. 2010, 26, 2821. [周稳稳, 廉洁, 胡科家,高云华, 徐百. 物理化学学报, 2010, 26, 2821.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20101016(19) Zhou,W.W.; Lian, J.; Hu, K. J.; Gao, Y. H.; Xu, B. Acta Phys. -Chim. Sin. 2010, 26, 2821. [周稳稳, 廉洁, 胡科家,高云华, 徐百. 物理化学学报, 2010, 26, 2821.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20101016

    20. [20]

      (20) Zhou, J. Q.; Chen, S. H.;Wang, J.W. Chin. J. Biotech. 2008, 24,617. [周建芹, 陈韶华, 王剑文. 生物工程学报, 2008, 24,617.] doi: 10.1016/S1872-2075(08)60031-X(20) Zhou, J. Q.; Chen, S. H.;Wang, J.W. Chin. J. Biotech. 2008, 24,617. [周建芹, 陈韶华, 王剑文. 生物工程学报, 2008, 24,617.] doi: 10.1016/S1872-2075(08)60031-X

    21. [21]

      (21) Hernandez, K.; Fernandez-Lafuente, R. Enzyme Microb. Technol. 2011, 48, 107. doi: 10.1016/j.enzmictec.2010.10.003(21) Hernandez, K.; Fernandez-Lafuente, R. Enzyme Microb. Technol. 2011, 48, 107. doi: 10.1016/j.enzmictec.2010.10.003

    22. [22]

      (22) hlke, H.; Klebe, G. Angew. Chem. Int. Edit. 2002, 41, 2645.(22) hlke, H.; Klebe, G. Angew. Chem. Int. Edit. 2002, 41, 2645.

    23. [23]

      (23) Huang, B.; Liu, F. F.; Dong, X. Y.; Sun, Y. J. Phys. Chem. B2011, 115, 4168. doi: 10.1021/jp111216g(23) Huang, B.; Liu, F. F.; Dong, X. Y.; Sun, Y. J. Phys. Chem. B2011, 115, 4168. doi: 10.1021/jp111216g

    24. [24]

      (24) Huang, B.; Liu, F. F.; Dong, X. Y.; Sun, Y. J. Phys. Chem. B2012, 116, 424. doi: 10.1021/jp205770p(24) Huang, B.; Liu, F. F.; Dong, X. Y.; Sun, Y. J. Phys. Chem. B2012, 116, 424. doi: 10.1021/jp205770p

    25. [25]

      (25) Lin, D. Q.; Tong, H. F.;Wang, H. Y.; Yao, S. J. J. Phys. Chem. B2012, 116, 1393. doi: 10.1021/jp206817b(25) Lin, D. Q.; Tong, H. F.;Wang, H. Y.; Yao, S. J. J. Phys. Chem. B2012, 116, 1393. doi: 10.1021/jp206817b

    26. [26]

      (26) Alonso, H.; Bliznyuk, A. A.; Gready, J. E. Med. Res. Rev. 2006,26, 531.(26) Alonso, H.; Bliznyuk, A. A.; Gready, J. E. Med. Res. Rev. 2006,26, 531.

    27. [27]

      (27) Liu, F. F.; Dong, X. Y.;Wang, T.; Sun, Y. J. Chromatogr. A2007, 1175, 249. doi: 10.1016/j.chroma.2007.10.074(27) Liu, F. F.; Dong, X. Y.;Wang, T.; Sun, Y. J. Chromatogr. A2007, 1175, 249. doi: 10.1016/j.chroma.2007.10.074

    28. [28]

      (28) Liu, F. F.;Wang, T.; Dong, X. Y.; Sun, Y. J. Chromatogr. A2007, 1146, 41. doi: 10.1016/j.chroma.2007.01.130(28) Liu, F. F.;Wang, T.; Dong, X. Y.; Sun, Y. J. Chromatogr. A2007, 1146, 41. doi: 10.1016/j.chroma.2007.01.130

    29. [29]

      (29) Transue, T. R.; Krahn, J. M.; Gabel, S. A.; DeRose, E. F.;London, R. E. Biochemistry-us 2004, 43, 2829. doi: 10.1021/bi035782y(29) Transue, T. R.; Krahn, J. M.; Gabel, S. A.; DeRose, E. F.;London, R. E. Biochemistry-us 2004, 43, 2829. doi: 10.1021/bi035782y

    30. [30]

      (30) Morris, G. M.; Huey, R.; Lindstrom,W.; Sanner, M. F.; Belew,R. K.; odsell, D. S.; Olson, A. J. J. Comput. Chem. 2009, 30,2785. doi: 10.1002/jcc.v30:16(30) Morris, G. M.; Huey, R.; Lindstrom,W.; Sanner, M. F.; Belew,R. K.; odsell, D. S.; Olson, A. J. J. Comput. Chem. 2009, 30,2785. doi: 10.1002/jcc.v30:16

    31. [31]

      (31) Dundas, J.; Ouyang, Z.; Tseng, J.; Binkowski, A.; Turpaz, Y.;Liang, J. Nucleic. Acids Res. 2006, 34,W116.(31) Dundas, J.; Ouyang, Z.; Tseng, J.; Binkowski, A.; Turpaz, Y.;Liang, J. Nucleic. Acids Res. 2006, 34,W116.

    32. [32]

      (32) Irwin, J. J.; Sterling, T.; Mysinger, M. M.; Bolstad, E. S.;Coleman, R. G. J. Chem. Inf. Model. 2012, 52, 1757.(32) Irwin, J. J.; Sterling, T.; Mysinger, M. M.; Bolstad, E. S.;Coleman, R. G. J. Chem. Inf. Model. 2012, 52, 1757.

    33. [33]

      (33) Morris, G. M.; odsell, D. S.; Halliday, R. S.; Huey, R.; Hart,W. E.; Belew, R. K.; Olson, A. J. J. Comput. Chem. 1998, 19,1639.(33) Morris, G. M.; odsell, D. S.; Halliday, R. S.; Huey, R.; Hart,W. E.; Belew, R. K.; Olson, A. J. J. Comput. Chem. 1998, 19,1639.

    34. [34]

      (34) Rarey, M.; Kramer, B.; Lengauer, T.; Klebe, G. J. Mol. Biol.1996, 261, 470. doi: 10.1006/jmbi.1996.0477(34) Rarey, M.; Kramer, B.; Lengauer, T.; Klebe, G. J. Mol. Biol.1996, 261, 470. doi: 10.1006/jmbi.1996.0477

    35. [35]

      (35) Hess, B.; Kutzner, C.; van der Spoel, D.; Lindahl, E. J. Chem. Theory Comput. 2008, 4, 435. doi: 10.1021/ct700301q(35) Hess, B.; Kutzner, C.; van der Spoel, D.; Lindahl, E. J. Chem. Theory Comput. 2008, 4, 435. doi: 10.1021/ct700301q

    36. [36]

      (36) Van Gunsteren,W. F.; Billeter, S. R.; Eising, A. A.; Hünenberger,P. H.; Krüger, P.; Mark, A. E.; Scott,W. R. P.; Tironi, I. G. TheGROMOS96 Manual and User Guide. In Biomolecular Simulation; Zürich, Groninigen, 1996.(36) Van Gunsteren,W. F.; Billeter, S. R.; Eising, A. A.; Hünenberger,P. H.; Krüger, P.; Mark, A. E.; Scott,W. R. P.; Tironi, I. G. TheGROMOS96 Manual and User Guide. In Biomolecular Simulation; Zürich, Groninigen, 1996.

    37. [37]

      (37) Berendsen, H. J. C.; Postma, J. P. M.; van Gunsteren,W. F.;Hermans, J. In Intermolecular Forces; Pullman, B. Ed.; Reidel:Dordecht, holland, 1981, p 331.(37) Berendsen, H. J. C.; Postma, J. P. M.; van Gunsteren,W. F.;Hermans, J. In Intermolecular Forces; Pullman, B. Ed.; Reidel:Dordecht, holland, 1981, p 331.

    38. [38]

      (38) Hess, B.; Berendsen, H. J. C.; Fraaije, J. G. E. M. J. Comput. Chem. 1997, 18, 1463.(38) Hess, B.; Berendsen, H. J. C.; Fraaije, J. G. E. M. J. Comput. Chem. 1997, 18, 1463.

    39. [39]

      (39) Darden, T.; York, D.; Pedersen, L. J. Chem. Phys. 1993, 98,10089. doi: 10.1063/1.464397(39) Darden, T.; York, D.; Pedersen, L. J. Chem. Phys. 1993, 98,10089. doi: 10.1063/1.464397

    40. [40]

      (40) Beredsen, H. J. C.; Postma, J. P. M.; van Gunsteren,W. F.; DiNola, A.; Haak, J. R. J. Chem. Phys. 1984, 81, 3684. doi: 10.1063/1.448118(40) Beredsen, H. J. C.; Postma, J. P. M.; van Gunsteren,W. F.; DiNola, A.; Haak, J. R. J. Chem. Phys. 1984, 81, 3684. doi: 10.1063/1.448118

    41. [41]

      (41) Humphrey,W.; Dalke, A.; Schulten, K. J. Mol. Graph. 1996, 14,33. doi: 10.1016/0263-7855(96)00018-5(41) Humphrey,W.; Dalke, A.; Schulten, K. J. Mol. Graph. 1996, 14,33. doi: 10.1016/0263-7855(96)00018-5

    42. [42]

      (42) Plewczynski, D.; Lazniewski, M.; Augustyniak, R.; Ginalski, K.J. Comput. Chem. 2011, 32, 742. doi: 10.1002/jcc.v32.4(42) Plewczynski, D.; Lazniewski, M.; Augustyniak, R.; Ginalski, K.J. Comput. Chem. 2011, 32, 742. doi: 10.1002/jcc.v32.4

    43. [43]

      (43) Lu, I. L.;Wang, H. J. Comput. Biol. 2012, 19, 1215. doi: 10.1089/cmb.2012.0188(43) Lu, I. L.;Wang, H. J. Comput. Biol. 2012, 19, 1215. doi: 10.1089/cmb.2012.0188

    44. [44]

      (44) Li, X.; Li, Y.; Cheng, T. J.; Liu, Z. H.;Wang, R. X. J. Comput. Chem. 2010, 31, 2109. doi: 10.1002/jcc.v31:11(44) Li, X.; Li, Y.; Cheng, T. J.; Liu, Z. H.;Wang, R. X. J. Comput. Chem. 2010, 31, 2109. doi: 10.1002/jcc.v31:11

    45. [45]

      (45) Cheng, T. J.; Li, X.; Li, Y.; Liu, Z. H.;Wang, R. X. J. Chem. Inf. Model. 2009, 49, 1079. doi: 10.1021/ci9000053(45) Cheng, T. J.; Li, X.; Li, Y.; Liu, Z. H.;Wang, R. X. J. Chem. Inf. Model. 2009, 49, 1079. doi: 10.1021/ci9000053

    46. [46]

      (46) Huang, S. Y.; Grinter, S. Z.; Zou, X. Q. Phys. Chem. Chem. Phys. 2010, 12, 12899.(46) Huang, S. Y.; Grinter, S. Z.; Zou, X. Q. Phys. Chem. Chem. Phys. 2010, 12, 12899.

    47. [47]

      (47) Liu, F. F.; Ji, L.; Dong, X. Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2010, 26,2813. [刘夫锋, 纪络, 董晓燕. 物理化学学报, 2010, 26,2813.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20101011(47) Liu, F. F.; Ji, L.; Dong, X. Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2010, 26,2813. [刘夫锋, 纪络, 董晓燕. 物理化学学报, 2010, 26,2813.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20101011

    48. [48]

      (48) Sun, H.; Jiang, Y. J.; Yu, Q. S.; Zou, J.W. Acta Phys. -Chim. Sin.2009, 25, 635. [孙浩, 蒋勇军, 俞庆森, 邹建卫. 物理化学学报, 2009, 25, 635.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20090405(48) Sun, H.; Jiang, Y. J.; Yu, Q. S.; Zou, J.W. Acta Phys. -Chim. Sin.2009, 25, 635. [孙浩, 蒋勇军, 俞庆森, 邹建卫. 物理化学学报, 2009, 25, 635.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20090405

    49. [49]

      (49) Zhao, Y. S.; Zheng, Q. C.; Zhang, H. X.; Chu, H. Y.; Sun, C. C.Acta Phys. -Chim. Sin. 2009, 25, 417. [赵勇山, 郑清川, 张红星, 楚慧郢, 孙家钟. 物理化学学报, 2009, 25, 417.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20090304(49) Zhao, Y. S.; Zheng, Q. C.; Zhang, H. X.; Chu, H. Y.; Sun, C. C.Acta Phys. -Chim. Sin. 2009, 25, 417. [赵勇山, 郑清川, 张红星, 楚慧郢, 孙家钟. 物理化学学报, 2009, 25, 417.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20090304

    50. [50]

      (50) Liu, F. F.; Dong, X. Y.; Sun, Y. J. Mol. Graph. Model. 2008, 27,421. doi: 10.1016/j.jmgm.2008.07.002(50) Liu, F. F.; Dong, X. Y.; Sun, Y. J. Mol. Graph. Model. 2008, 27,421. doi: 10.1016/j.jmgm.2008.07.002

    51. [51]

      (51) Levy, Y.; Onuchic, J. N. Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct.2006, 35, 389. doi: 10.1146/annurev.biophys.35.040405.102134(51) Levy, Y.; Onuchic, J. N. Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct.2006, 35, 389. doi: 10.1146/annurev.biophys.35.040405.102134

    52. [52]

      (52) Liu, F. F.; Ji, L.; Dong, X. Y.; Sun, Y. J. Phys. Chem. B 2009,113, 11320. doi: 10.1021/jp905580j

      (52) Liu, F. F.; Ji, L.; Dong, X. Y.; Sun, Y. J. Phys. Chem. B 2009,113, 11320. doi: 10.1021/jp905580j

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  1015
  • 文章访问数:  1250
  • HTML全文浏览量:  18
文章相关
  • 发布日期:  2013-01-14
  • 收稿日期:  2012-09-20
  • 网络出版日期:  2012-11-27
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章