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摘 要

α -葡萄糖苷酶（α -glucosidase）作为水解酶的一种，广泛存在于各种动物、植物和微生物体内，它主要在细胞外起作用。α -葡萄糖苷酶既具有水解作用，即通过消化寡糖和葡聚糖等，合成葡萄糖，使升高血糖浓度；又有转糖苷作用，即以成功合成低聚异麦芽糖为目的，通过酶的催化活性向麦芽糖底物上转移环境中游离的糖基。分子动力学模拟使我们能在分子、亚基甚至是原子层次上了解生命现象并揭示其本质规律，同时可以帮助我们通过研究蛋白质分子与底物配体分子的结合方式及相互作用，来了解蛋白质大分子物质结构与功能之间的联系，以此为基础设计改造出符合我们需求的药物分子。本文将对来自Thermotoga maritima的α -葡萄糖苷酶（AglA）进行分子动力学模拟，通过分析数据了解其与底物的相互作用关系，主要是转糖苷作用。

关键词： 分子动力学模拟 α -葡萄糖苷酶 酶催化 转糖苷作用

Abstract

α -glucosidase belongs to the glycosidase family. It is widely found in the gastrointestinal tract of various organisms. It works mainly outside the cell. α -glucosidase has a hydrolysis effect, which releases glucose and increases the blood glucose concentration by digesting oligosaccharides and dextran. Moreover, the effect also has a role of transglycoside, which obtains non-fermentable isomaltooligosaccharide, by transferring the free glucose residues to another glucose or maltose substrate. Molecular Dynamics simulations allow us to understand and reveal the nature of life at the molecular, subunit, and even atomic levels, it is also helpful for us to study the relationship between protein structure and function, the interaction between protein and Ligand, and drug design. In this article, we will run a molecular dynamics simulation of the α -glucosidase which comes from Thermotoga maritima (AglA), and then we can understand the interaction between the α -glucosidase and the substrate by analyzing the data.

Keywords: Molecular dynamics simulation; α -glucosidase; enzyme catalysis; transglycosylation

目 录

第一章 前言 1

1.1. α -葡萄糖苷酶 1

1.1.1. α-葡萄糖苷酶的结构 1

1.1.2. α -葡萄糖苷酶的研究现状及进展 4

1.2. 分子动力学模拟 5

1.2.1. 分子动力学（MD）模拟简单理论 5

1.2.2. 分子动力学（MD）模拟软件介绍 6

第二章 分子动力学模拟 8

2.1. 模型建立 8

2.1.1. 模型获取 8

2.1.2. 选择合适的模拟工具 8

2.2. 模拟过程的一般步骤 9

2.2.1. 获取并处理PDB文件 9

2.2.2. 通过pdb2gmx指令获得蛋白质拓扑文件 10

2.2.3. 创建模拟盒子（周期性边界条件） 10

2.2.4. 溶剂化 10

2.2.5. 加入离子 11

2.2.6. 能量最小化 11

2.2.7. 位置限制性预平衡模拟 12

2.2.8. 成品模拟 13

2.2.9. 数据分析 14

第三章 结果讨论 15

3.1 数据分析 15

3.1.1. 系统能量分析 15

3.1.2. 结构分析 16

3.2. 结论 20

参考文献 21

前言

α -葡萄糖苷酶的简介

葡萄糖苷酶（glucosidase）从本质上来讲是一种糖苷水解酶，根据蛋白质晶体结构的同源性与功能的相似性，已知的糖苷水解酶可以分为133个糖苷水解酶家族（GH1-GH133）。葡萄糖苷酶又可分为外切（exo-，从底物两端开始）和内切（endo-，从底物中间）两种，根据水解底物的方式的不同。同时，葡萄糖苷酶也可分为α-葡萄糖苷酶和β-葡萄糖苷酶，因为糖苷键可以被分为α-糖苷键和β-糖苷键（糖苷键的成键方式分为α-型和β-型两种）。根据在水解前后底物分子的构型变化，葡萄糖苷酶可分为保留型葡萄糖苷酶（底物异头碳的构型不发生变化）和翻转型葡萄糖苷酶（底物异头碳的构型发生变化）。实际上，自然界中大多数α -葡萄糖苷酶的都是保留型葡萄糖苷酶，遵循着“两步法”的催化机制^[1]。

事实上，α -葡萄糖苷酶是同时具有水解和转糖苷的作用的（在糖的催化反应中），也就是说它的催化反应是可逆的，而大多数的葡萄糖苷酶都具有一定的转糖苷能力。其中水解作用就是通过消化寡糖和淀粉等，合成葡萄糖，提高血糖浓度；转糖苷作用则是以最终合成低聚异麦芽糖为目的，利用糖苷将环境中游离的糖基转移到受体底物分子上。当受体分子为活性水分子时，α -葡萄糖苷酶表现为水解酶的活性；当受体分子是带有羟基的非水分子时，α -葡萄糖苷酶表现为转糖苷的活力^[2]。在两种情况下可能出现转糖苷作用，一种让底物分子和α -葡萄糖苷酶通过共价结合的形式存在，然后将活跃的游离的葡萄糖残基转移到有一个羟基的受体分子上^[3]；另一种则是如上所述的逆水解作用，通过影响反应的平衡条件来实现。

α-葡萄糖苷酶的结构

以本文中使用的的α -葡萄糖苷酶AglA晶体（PDB code: 1obb）为例（如图1-1），它是由α -葡萄糖苷酶AglA与底物麦芽糖（MAL）和辅酶NAD形成复合物的晶体结构。该晶体结构中有两个不对称的单体A和B（如图1-2）。

图1-1 α -葡萄糖苷酶AglA的立体结构

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