酶催化过程的全程模拟

赵媛 曹泽星

引用本文: 赵媛,  曹泽星. 酶催化过程的全程模拟[J]. 物理化学学报, 2017, 33(4): 691-708. doi: 10.3866/PKU.WHXB201612191 shu
Citation:  ZHAO Yuan,  CAO Ze-Xing. Global Simulations of Enzymatic Catalysis[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2017, 33(4): 691-708. doi: 10.3866/PKU.WHXB201612191 shu

酶催化过程的全程模拟

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(21133007,21373164,21172053)资助项目

摘要: 酶催化包括底物到活性区的输运、选择催化化学反应及产物释放等复杂过程,由于复杂的蛋白质环境效应,任一化学和非化学过程都有可能是决定酶活性的关键步骤。为了全面认识酶催化活性,我们对几类酶催化过程进行了广泛的组合量子/分子力学(QM/MM)和经典分子力学(MM)动力学模拟(MD)研究,详细地讨论了整个酶催化过程的分子机制、关键残基的作用和蛋白质环境效应,丰富了对酶催化活性的认识。随着多尺度模型和计算模拟方法的进一步完善与发展,有望实现超大复杂生物酶催化过程的全程模拟研究,为酶工程领域的相关研究提供支持。

English

    1. [1]

      Albery, W. J.; Knowles, J. R. Biochemistry 1976, 15, 5631. doi: 10.1021/bi00670a032

    2. [2]

      Chien, Y. H.; Lee, N. C.; Chiang, S. C.; Desnick, R. J.; Hwu, W. L. Mol. Med. 2012, 18, 780. doi: 10.2119/molmed.2012.00002

    3. [3]

      Fersht, A. Structure and Mechanism in Protein Science: a Guide to Enzyme Catalysis and Protein Folding; Freeman:New York, 1999.

    4. [4]

      Garcia-Viloca, M.; Gao, J.; Karplus, M.; Truhlar, D. G. Science 2004, 303, 186. doi: 10.1126/science.1088172

    5. [5]

      Macedo, M. F.; Quinta, R.; Pereira, C. S.; Miranda, M. C. S. Mol. Genet. Metab. 2012, 106, 83. doi: 10.1016/j.ymgme.2012.02.014

    6. [6]

      Mulholland, A. J. Drug Discovery Today 2005, 10, 1393. doi: 10.1016/S1359-6446(05)03611-1

    7. [7]

      Schomburg, I.; Chang, A.; Placzek, S.; Söhngen, C.; Rother, M.; Lang, M.; Munaretto, C.; Ulas, S.; Stelzer, M.; Grote, A. Nucleic Acids Res. 2012, gks1049. doi: 10.1093/nar/gks1049

    8. [8]

      Warshel, A.; Sharma, P. K.; Kato, M.; Yu, X.; Liu, H.; Olsson, M. H. M. Chem. Rev. 2006, 106, 3210. doi: 10.1002/chin.200642255

    9. [9]

      Zhang, X.; Houk, K. Acc. Chem. Res. 2005, 38, 379. doi: 10.1021/ar040257s

    10. [10]

      Huang, Y. S.; Zhang, G. Y. Biochemistry and Molecular Biology; Science Press: Beijing, 2006. [黄诒森, 张光毅. 生物化学与分子生物学. 北京: 科学出版社, 2006.]

    11. [11]

      Wu, R.; Gong, W.; Liu, T.; Zhang, Y.; Cao, Z. J. Phys. Chem. B 2012, 116, 1984. doi: 10.1021/jp211403j

    12. [12]

      Wu, R.; Xie, H.; Cao, Z.; Mo, Y. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 7022. doi: 10.1021/ja710633c

    13. [13]

      Xin, Z.; Yuan, Z.; Yan, H.; Cao, Z.; Mo, Y. J. Comput. Chem. 2016, 37, 1163. doi: 10.1002/jcc.24306

    14. [14]

      Wijeyewickrema, L. C.; Duncan, R. C.; Pike, R. N. Front. Immunol. 2014, 5, 444. doi: 10.3389/fimmu.2014.00444

    15. [15]

      Chen, N.; Yuan, Z.; Lu, J.; Wu, R.; Cao, Z. J. Chem. Theory Comput. 2015, 11. doi: 10.1021/acs.jctc.5b00045

    16. [16]

      Zhao, Y.; Chen, N.; Mo, Y.; Cao, Z. Phys. Chem. Chem. Phys. 2014, 16, 26864. doi: 10.1039/c4cp04032e

    17. [17]

      Zhao, Y.; Chen, N.; Wang, C.; Cao, Z. ACS Catal. 2016, 6, 2145. doi: 10.1021/acscatal.5b02855

    18. [18]

      Zhao, Y.; Chen, N.; Wu, R.; Cao, Z. Phys. Chem. Chem. Phys. 2014, 16, 18406. doi: 10.1039/c4cp01609b

    19. [19]

      Warshel, A.; Sharma, P. K.; Kato, M.; Xiang, Y.; Liu, H.; Olsson, M. H. Chem. Rev. 2006, 106, 3210. doi: 10.1021/cr0503106

    20. [20]

      Carlsson, P. Biophys. J. 2006, 91, 3151. doi: 10.1529/biophysj.106.082917

    21. [21]

      And, T.W.; Duan, Y. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 6970. doi: 10.1021/ja0691977

    22. [22]

      Vashisth, H.; Abrams, C. F. Biophys. J. 2008, 95, 4193. doi: 10.1529/biophysj.108.139675

    23. [23]

      Long, D.; Mu, Y.; Yang, D. Plos One 2009, 4, e6081. doi: 10.1371/journal.pone.0006081

    24. [24]

      Peräkylä, M. Eur. Biophys. J. 2009, 38, 185. doi: 10.1007/s00249-008-0369-x

    25. [25]

      Klvana, M.; Pavlova, M.; Koudelakova, T.; Chaloupkova, R.; Dvorak, P.; Prokop, Z.; Stsiapanava, A.; Kuty, M.; Kuta-Smatanova, I.; Dohnalek, J. J. Mol. Biol. 2009, 392, 1339. doi: 10.1016/j.jmb.2009.06.076

    26. [26]

      Pavlova, M.; Klvana, M.; Prokop, Z.; Chaloupkova, R.; Banas, P.; Otyepka, M.; Wade, R. C.; Tsuda, M.; Nagata, Y.; Damborsky, J. Nat. Chem. Biol. 2009, 5, 727. doi: 10.1038/nchembio.205

    27. [27]

      Wang, T.; Duan, Y. J. Mol. Biol. 2009, 392, 1102. doi: 10.1016/j.jmb.2009.07.093

    28. [28]

      Yao, L.; Li, Y.; Wu, Y.; Liu, A.; Yan, H. Biochemistry 2005, 44, 5940. doi: 10.1021/bi050095n

    29. [29]

      Wagner, U.; Hasslacher, M.; Griengl, H.; Schwab, H.; Kratky, C. Structure 1996, 4, 811. doi: 10.1016/S0969-2126(96)00088-3

    30. [30]

      Gartler, G.; Kratky, C.; Gruber, K. J. Biotechnol. 2007, 129, 87. doi: 10.1016/j.jbiotec.2006.12.009

    31. [31]

      Darden, T.; Becker, O.; Mackerell, A., Jr.; Roux, B.; Watanabe, M.; Becker, O. M.; MacKerell, A. D.; Jr., Roux, B.; Watanabe, M., Eds. 2001, 91.

    32. [32]

      Frenkel, D.; Smit, B. Understanding Molecular Simulation: from Algorithms to Applications; Academic Press: New York2001; Vol. 1.

    33. [33]

      Gruber, K.; Gartler, G.; Krammer, B.; Schwab, H.; Kratky, C. J. Biol. Chem. 2004, 279, 20501. doi: 10.1074/jbc.M401575200

    34. [34]

      Case, D.; Darden, T.; Cheatham, T. E., III.; Simmerling, C.; Wang, J.; Duke, R.; Luo, R.; Walker, R.; Zhang, W.; Merz, K. AMBER 12; University of California: San Francisco, 2012.

    35. [35]

      Phillips, J. C.; Braun, R.; Wang, W.; Gumbart, J.; Tajkhorshid, E.; Villa, E.; Chipot, C.; Skeel, R. D.; Kale, L.; Schulten, K. J. Comput. Chem. 2005, 26, 1781. doi: 10.1002/jcc.20289

    36. [36]

      Berendsen, H. J.; van der Spoel, D.; van Drunen, R. Comput. Phys. Commun. 1995, 91, 43. doi: 10.1016/0010-4655(95)00042-E

    37. [37]

      Lindahl, E.; Hess, B.; Van Der Spoel, D. Mol. Model. Annu. 2001, 7, 306. doi: 10.1007/s008940100045

    38. [38]

      Hess, B.; Kutzner, C.; Van Der Spoel, D.; Lindahl, E. J. Chem. Theory Comput. 2008, 4, 435. doi: 10.1021/ct700301q

    39. [39]

      Van Der Spoel, D.; Lindahl, E.; Hess, B.; Groenhof, G.; Mark, A. E.; Berendsen, H. J. J. Comput. Chem. 2005, 26, 1701. doi: 10.1002/jcc.20291

    40. [40]

      Brooks, B. R.; Bruccoleri, R. E.; Olafson, B. D.; States, D. J.; Swaminathan, S.; Karplus, M. J. Comput. Chem. 1983, 4, 187. doi: 10.1002/jcc.540040211

    41. [41]

      Ponder, J.W. TINKER, Software Tools for Molecular Design, Version 4.2;Washington University School of Medicine: SaintLouis, MO, 2004.

    42. [42]

      Plimpton, S.; Crozier, P.; Thompson, A. LAMMPS-Large-Scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator; SandiaNational Laboratories, 2007, Vol. 18.

    43. [43]

      Warshel, A.; Levitt, M. J. Mol. Biol. 1976, 103, 227. doi: 10.1016/0022-2836(76)90311-9

    44. [44]

      Cui, Q.; Karplus, M. J. Chem. Phys. 2000, 112, 1133. doi: 10.1063/1.480658

    45. [45]

      Friesner, R. A.; Guallar, V. Annu. Rev. Phys. Chem. 2005, 56, 389. doi: 10.1146/annurev.physchem.55.091602.094410

    46. [46]

      Gao, J.; Amara, P.; Alhambra, C.; Field, M. J. J. Phys. Chem. A 1998, 102, 4714. doi: 10.1021/jp9809890

    47. [47]

      Hu, H.; Yang, W. Annu. Rev. Phys. Chem. 2008, 59, 573. doi: 10.1146/annurev.physchem.59.032607.093618

    48. [48]

      Kerdcharoen, T.; Liedl, K. R.; Rode, B. M. Chem. Phys. 1996, 211, 313. doi: 10.1016/0301-0104(96)00152-8

    49. [49]

      Kouzarides, T. Cell 2007, 128, 693. doi: 10.1016/j.cell.2007.02.005

    50. [50]

      Lin, H.; Truhlar, D. G. Theor. Chem. Acc. 2007, 117, 185. doi: 10.1007/s00214-006-0143-z

    51. [51]

      Lyne, P. D.; Hodoscek, M.; Karplus, M. J. Phys. Chem. A 1999, 103, 3462. doi: 10.1021/jp982115j

    52. [52]

      Mo, Y.; Gao, J. J. Comput. Chem. 2000, 21, 1458. doi: 10.1002/1096-987X(200012)21:16<1458::AID-JCC4>3.0.CO;2-2

    53. [53]

      Murphy, R.; Philipp, D.; Friesner, R. Chem. Phys. Lett. 2000, 321, 113. doi: 10.1016/S0009-2614(00)00289-X

    54. [54]

      Murphy, R. B.; Philipp, D. M.; Friesner, R. A. J. Comput. Chem. 2000, 21, 1442. doi: 10.1002/1096-987X(200012)21:16<1442::AID-JCC3>3.0.CO;2-O

    55. [55]

      Senn, H. M.; Thiel, W. Top. Curr. Chem. 2007, 268, 173. doi: 10.1007/128_2006_084

    56. [56]

      Senn, H. M.; Thiel, W. Curr. Opin. Chem. Biol. 2007, 11, 182. doi: 10.1016/j.cbpa.2007.01.684

    57. [57]

      Senn, H. M.; Thiel, W. Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 1198. doi: 10.1002/anie.200802019

    58. [58]

      Vreven, T.; Morokuma, K.; Farkas, Ö.; Schlegel, H. B.; Frisch, M. J. J. Comput. Chem. 2003, 24, 760. doi: 10.1002/jcc.10156

    59. [59]

      Woodcock, H. L.; Hodošček, M.; Gilbert, A. T.; Gill, P. M.; Schaefer, H. F.; Brooks, B. R. J. Comput. Chem. 2007, 28, 1485. doi: 10.1002/jcc.20587

    60. [60]

      Zhang, Y. Theor. Chem. Acc. 2006, 116, 43. doi: 10.1007/s00214-005-0008-x

    61. [61]

      Maseras, F.; Morokuma, K. J. Comput. Chem. 1995, 16, 1170. doi: 10.1002/jcc.540160911

    62. [62]

      Vreven, T.; Byun, K. S.; Komáromi, I.; Dapprich, S.; Montgomery, J. A.; Morokuma, K.; Frisch, M. J. J. Chem. Theory Comput. 2006, 2, 815. doi: 10.1021/ct050289g

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  14
  • 文章访问数:  1322
  • HTML全文浏览量:  209
文章相关
  • 发布日期:  2016-12-19
  • 收稿日期:  2016-10-28
  • 修回日期:  2016-12-19
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