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Enantioselective alcoholysis of 3-(4-fluorophenyl)glutaric anhydride catalyzed by Candida antarctica lipase B

南极假丝酵母脂肪酶B催化3-(4-氟苯基)戊二酸酐不对称醇解



全 文 :第 13卷第 4期
2015年 7月
生  物  加  工  过  程
Chinese Journal of Bioprocess Engineering
Vol􀆰 13 No􀆰 4
Jul􀆰 2015
doi:10􀆰 3969 / j􀆰 issn􀆰 1672-3678􀆰 2015􀆰 04􀆰 011
收稿日期:2014-09-06
基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)(2011AA02A209)
作者简介:贾义刚(1989—),男,山东济阳人,硕士研究生,研究方向:生物催化;胡  燚(联系人),教授 ,E⁃mail:huyi@ njtech.edu.cn
南极假丝酵母脂肪酶 B催化 3 (4 氟苯基)戊二酸酐
不对称醇解
贾义刚1,杨震炯2,刘维明1,张  洋1,黄  和1,胡  燚1
(1. 南京工业大学 食品与轻工学院,江苏 南京 211800;
2. 永康市质量技术监督检测中心,浙江 永康 321300)
摘  要:采用分子模拟技术,研究了南极假丝酵母脂肪酶 B(Candida antarctica lipase B,CALB)催化 3 (4 氟苯基)
戊二酸酐(3 FGA)不对称醇解的分子机制。 首先借助力场修改的 Autodock 4􀆰 2 软件将过渡态底物与 CALB 进行
对接,根据对接自由能差异解析了 CALB催化 3 FGA与不同醇反应的立体选择性差异,得到的 S型底物结合能小
于 R型底物;其次,基于扭转角机制分析发现,S型底物扭转角小于 R型底物,从分子水平上揭示了 CALB对 S型底
物选择性优于 R型底物的机制。
关键词:南极假丝酵母;脂肪酶; 3 (4 氟苯基)戊二酸酐;分子对接;分子动力学;对映选择性
中图分类号:Q71        文献标志码:A        文章编号:1672-3678(2015)04-0058-05
Enantioselective alcoholysis of 3⁃(4⁃fluorophenyl)glutaric anhydride catalyzed
by Candida antarctica lipase B
JIA Yigang1,YANG Zhenjiong2,LIU Weiming1,ZHANG Yang1,HUANG He1,HU Yi1
(1. College of Food Science and Light Industry,Nanjing Tech University,Nanjing 211800,China;
2. Quality Supervision and Inspection Center of Yongkang City,Yongkang 321300,China)
Abstract:We studied enantioselective alcoholysis of 3⁃(4⁃fluorophenyl) glutaric anhydride(3⁃FGA) by
Candida antarctica lipase B ( CALB) through molecular simulation technology. The transition state
substrates were docked with CALB by using Autodock 4􀆰 2 whose force file was modified. The
enantioselective difference of the alcoholysis of 3⁃FGA with various alcohols catalyzed by CALB was
proved by the differences of binding energy. The binding energy of S⁃enantiomer was smaller than R⁃
enantiomer. Furthermore,we also found that the torsional angle of S⁃enantiomer was smaller than R⁃
enantiomer through analyzing the torsional angle mechanism, CALB showed an S⁃enantiomer
enantiopreference from the molecular level.
Keywords:Candida antarctica; lipase; ( 3⁃( 4⁃fluorophenyl) glutaric anhydride; molecular docking;
molecular dynamics; enantioselectivity
    手性 3 (4 氟苯基)戊二酸单酯是一种重要
的药物中间体,可用于合成抗抑郁药帕罗西汀以
及 P2X7 受体抑制剂[1-3] 。 酶法因其催化效率高、
立体选择性强和反应条件温和等优点而被广泛应
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用于手性单酯的合成。 目前,酶法制备 3 氟苯基
戊二酸单酯的方法主要是脂肪酶催化 3 (4 氟苯
基)戊二酸二酯的不对称水解和 3 (4 氟苯基)
戊二酸酐(3 FGA)的不对称醇解[4-6] 。 在前期工
作中,笔者所在课题组的 Liu等[7]就南极假丝酵母
脂肪酶 B(CALB)催化 3 FGA的不对称醇解反应
的工艺条件进行了系统研究,在研究中发现,当采
用不同链长和结构的醇作为酰基受体与 3 FGA
反应时,脂肪酶表现出不同的催化性能,如脂肪酶
活性和选择性随酰基受体链长增加而降低。 然
而,目前 CALB 在采用不同链长的醇作为酰基受体
时表现出的对映选择性差异机制尚不清楚,近年
来,分子模拟作为一种辅助技术,为酶的催化机制
解析提供了强大支持[8-9] 。
为此,从分子模拟的角度对 3 (4 氟苯基)戊
二酸酐的去对称醇解反应进行研究,从分子水平
解析酶催化 3 FGA去对称醇解的分子机制,揭示
酶与不同醇之间的相互作用,对研究醇解反应具
有重要的意义。
1  材料与方法
1􀆰 1  分子对接
1􀆰 1􀆰 1  受体酶分子准备
CALB的 pdb 结构从蛋白质结构数据库 RCSB
(Protein Data Bank,PDB)获取(PDB ID:1TCA)。 首
先利用 Autodock 4􀆰 2删除晶体结构中水分子,添加缺
省的 H及其原子的部分电荷;为了保证对接过程真
实于反应条件,笔者采用过渡态对接,将活性中心的
丝氨酸 Ser 质子化,删除—OH 中的 H 原子,并利用
RESP 对其电荷分布重新拟合(电荷: 1)。 将处理后
的结构保存为 pdbqt格式,以备下一步对接工作。
1􀆰 1􀆰 2  配体的准备
利用 ChemOffice 3D软件构建过渡态底物。 在构
建的过渡态底物过程中,将其羰基中的 O 原子设置
成带一个单位负电荷。 进而,利用 MM2 模块对底物
结构进行能量最小化。 用 Chimera1􀆰 8添加缺省的氢
原子及部分原子电荷,并手动删除底物上与酰基受体
相连的羰基 O原子的 H原子,得到分子总电荷为 1,
保存为 mol2格式,以备下一步工作使用。
1􀆰 1􀆰 3  力场修改
为实现底物与受体 CALB活性口袋部位的成功
对接,底物与受体必须满足四面体过渡态对接条
件。 考虑到过渡态对接时,配体分子中羰基的 O 原
子远离 Thr40氧负离子,无法形成氢键,因而对配体
丝氨酸的 OG 与配体 CT 的范德华力(vdW) 及范德
华势能 ε参数进行修正。 一方面,通过减小 OG 与
CT的间距来降低 OG 和 CT 的范德华作用,另一方
面,通过 OG 和 CT 的相互作用力提高范德华势能 ε
值,以降低对接势能。 本研究最终将丝氨酸 OG 原
子的原子类型改为非键类型,范德华参数修正:ε=
2􀆰 93×105 J、半径 σ = 0􀆰 15 nm;对接过程中,所有配
体分子的 CT 原子范德华参数修正为 ε = 1􀆰 26×105
J、半径 σ = 0􀆰 15 nm;同时,受体与配体分子的 O1、
O2 原子形成的氢键 ε值修正为 1􀆰 26×105 J[10-11]。
1􀆰 1􀆰 4  底物对接
本文采用半柔性对接方式,对接过程中配体小
分子的可旋转键由系统自动分配,但受体酶为刚性
结构。 在对接前,设置 4􀆰 0 nm×4􀆰 0 nm×4􀆰 0 nm 大
小的搜索网格,其格点步长为 0􀆰 037 5 nm,盒子中心
为 Ser105的 OG 原子坐标(坐标:-7􀆰 320,22􀆰 766,
16􀆰 938),其他参数默认。 通过拉马克( Lamakian)
遗传算法获得 100 个最优的对接构象。 根据文献
[11]报道,笔者设定一个筛选条件作为构型筛选标
准:①丝氨酸的 OG原子与羰基的 CT原子之间的键
长小于 0􀆰 2 nm;②配体分子必须与“氧负离子洞”形
成 2个的氢键;③配体分子与 His224 的咪唑环 NE2
原子形成 1个氢键。
1􀆰 2  分子动力学模拟
采用 Gromacs 4􀆰 5􀆰 4 软件进行分子动力学模
拟,具体操作如下:采用 Prodrg 进行处理对接底物
力场参数[12-13] 。 所有模拟过程均在 pH7􀆰 0、温度
300 K 下,GROMOS96 53a6 力场、SPC216 水模型、
PME(particle mesh Ewald) 算法处理静电作用、远
程静电截断值为 1􀆰 2 nm、远程范德华力的截断值
为 1􀆰 2 nm,进行 15 ns动力学模拟。 体系采用立方
体盒子,每个模拟周围填充 1􀆰 0 nm 的水分子,模
拟体系首先采用 1 000 步的能量最小化;之后进行
压力与温度平衡模拟 500 ps;最后进行分子动力学
模拟,放松蛋白,进行非限制性模拟。 等压模拟体
系下,温度模拟采用 V rescale 算法,耦合常数为
0􀆰 1 ps。 动力学模拟的数据借助 OriginPro 8􀆰 0 处
理分析。
2  结果与讨论
2􀆰 1  对接结果分析 
与其他脂肪酶一样,脂肪酶 CALB 活性口袋由
95  第 4期 贾义刚等:南极假丝酵母脂肪酶 B催化 3 (4 氟苯基)戊二酸酐不对称醇解
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底物酰基部分结合的疏水性口袋和醇基部分结合
的亲水性口袋两部分组成,CALB 对 S 型底物选择
性与底物的醇基部分能否分布在亲水性口袋有关,
如图 1所示。
图 1  底物(酰基受体甲醇)在活性腔中的分布
Fig􀆰 1  Distribution of substate(acyl acceptor
methanol) in the active site
利用分子对接,分别将 5 种不同的手性醇过渡
态底物对接到酶的活性口袋,考察其对接结合能数
据,结果见表 1。 由表 1 可知:CALB 对不同底物的
S构型优于 R 型构象,这一现象与之前课题组实验
数据[7]报道相一致(表 1)。
表 1  3 FGA与不同酰基受体的去对称作用及结合能
Table 1  The binding energy and desymmetrization of
3⁃FGA with different acyl acceptors
编号酰基供体 对映体过量值(S型) / % [7]
结合能(R型) /
(104 J·mol-1)
结合能(S型) /
(104 J·mol-1)
1 甲醇 78 -6􀆰 29 -6􀆰 92
2 乙醇 72 -6􀆰 37 -6􀆰 53
3 1 丙醇 63 -6􀆰 54 -6􀆰 58
4 1 丁醇 52 -6􀆰 44 -6􀆰 76
5 1 戊醇 44 -3􀆰 23 -5􀆰 54
    由表 1 可知:CALB 对 3 FGA 的 S 型构象底
物具有优先选择性。 随着碳链的增长,转化率和
对映体消旋( e􀆰 e􀆰 )值逐渐降低,这可能是由于构
成活性口袋的残基对长链底物更易形成空间位
阻,使酶不能很好地分布在活性口袋,导致转化率
和 e􀆰 e.值降低。 从结合能发现,酰基受体丁醇底物
小于丙醇底物,由于空间位阻,使酰基受体 1 丁
醇的 CT原子更靠近 Ser105 上的 OG 原子,导致氢
键 OG—CT= 0􀆰 16 nm小于酰基丙醇底物形成的氢
键 OG—CT= 0􀆰 21 nm,进而结合能低于酰基丙醇
底物。 同样,林明等[10]在研究洋葱假单胞菌脂肪
酶去对称水解 N (2 甲基 6 乙基苯基) 丙氨酸
(NEMPA)制备 R NEMPA 时认为醇解部分相对
较窄,对底物的选择性强,而酰基部分则相对较
弱。 为了从动态上进一步研究 CALB 对底物选择
性差异,笔者采用分子动力学就底物与口袋动态
结合情况进行研究。
2􀆰 2  动力学分析
根据文献报道,一些研究者认为底物与酶形成
复合物的扭转角对酶选择性具有很大影响(图 2)。
如 Jung等[14]研究 CALB催化手性 3 苯基戊二酸二
元酯过渡态底物时发现 R 型底物与酶形成扭转角
为 0°(O—H—O 或 N—H—O),小于 S 型底物与酶
形成的扭转角 60°。 因而,笔者又将对接最优构象
复合物进行了 15 ns 的分子动力学模拟。 其中,选
取了甲醇与乙醇为代表来研究扭转角与选择性的
关系。
图 2  酶与配体扭转角图
Fig􀆰 2  Torsional angle for enzyme and substrate
首先对酰基受体甲醇和乙醇复合物进行 Cα均
方根偏差(RMSD)15 ns 分子动力学模拟发现,整
个体系波动较小,且都在 5 ns后达到平衡状态,见
图3 ~ 4。 由图 3 和 4 可知:甲醇的 RMSD 约为 0􀆰 2
nm,乙醇体系的 RMSD约为 0􀆰 18 nm。 通过 RMSD
分析说明,平衡后的复合物的结构构象已趋向稳
定、合理。 而在扭转角分析中,对于酰基受体甲
醇,体系约在 5 ns 平衡。 模拟结果发现,S 型构象
底物与酶的扭转角度约为 90°,而 R 型底物则为
110°。 而酰基受体乙醇体系在 5 ns 平衡后的 S 型
底物扭转角度约为 60°,R 型底物扭转角为 150°
(图 5),基于两者发现 S型底物的扭转角度明显小
于 R 型底物。
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图 3  酰基受体甲醇 RMSD
Fig􀆰 3  RMSD of acyl acceptor methanol
图 4  酰基受体乙醇 RMSD
Fig􀆰 4  RMSD of acyl acceptor ethanol
图 5  分子动力学模拟酰基受体扭转角
Fig􀆰 5  The simulation of torsional angle of acyl acceptor with molecular dynamics
3  结论
基于分子模拟技术对 CALB 催化 3 FGA 的去
对称醇解反应研究,通过结合能差异分析了酶与不
同链长的醇去对称醇解的对映选择性差异,发现 S
型底物结合能小于 R 型底物。 同时通过分子动力
学模拟分析了扭转角与不同醇对映选择性的分子
机制,证实 S型底物与酶形成的复合物扭转角小于
R型底物。 但是目前的模拟研究并不能证实哪几个
氨基酸在选择性中起关键性作用,有必要在今后的
研究中引入量子力学及 MM GBSA,对氨基酸的能
量效应进行分析,确定对映选择性的关键氨基酸,
理性指导优化酶的性能。
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(责任编辑  荀志金)
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