【摘要】：木聚糖酶廣泛分布于各種生物體內,其能夠將木聚糖催化水解為五碳糖。由于耐熱木聚糖酶能在高溫下保持活性,因而廣泛應用于工業(yè)生產中。研究耐熱木聚糖酶熱穩(wěn)定性的作用機理必將產生顯著的社會效益和經濟效益。本文中以長時間分子動力學模擬獲得的來自T.aurantiacus的耐熱木聚糖酶和來自S.lividans的常溫木聚糖酶的構象變化為基礎,分別構建水-氨基酸相互作用網絡和氨基酸-氨基酸相互作用網絡,運用復雜網絡理論方法分析兩種類型的網絡,從系統(tǒng)的水平上闡述耐熱木聚糖酶和常溫木聚糖酶熱穩(wěn)定性差異的機制。本文的主要研究內容包括:(1)首先利用Voronoi算法識別出與耐熱和常溫木聚糖酶存在相互作用的水。以氨基酸和水為節(jié)點,氨基酸-氨基酸及水-氨基酸的相互作用為邊,構建水-氨基酸相互作用網絡。計算網絡中節(jié)點的度、聚類系數(shù)、接近中心性和節(jié)點中心性,發(fā)現(xiàn)水的這些參數(shù)均與木聚糖酶耐熱性成正相關關系。耐熱木聚糖酶中度為2的hub水數(shù)量要比常溫酶多,可見水在耐熱木聚糖酶中參與了更多的相互作用。以度為2的水為聚類中心,以氨基酸節(jié)點的度18為閾值進行聚類。聚類后的子網表明hub水多與hub氨基酸聚為一類,即網絡存在“富人俱樂部”現(xiàn)象。這表明,水不僅參與了耐熱木聚糖酶的氨基酸-水相互作用,還加強了氨基酸-氨基酸相互作用,更有利于酶形成穩(wěn)定的結構來抵御高溫。(2)構建無加權氨基酸網絡,使用結合復雜網絡中識別重要節(jié)點的標準和多元變量的統(tǒng)計分析方法找出木聚糖酶氨基酸網絡中的關鍵殘基。發(fā)現(xiàn)氨基酸網絡中的大部分關鍵殘基都均勻的分布在規(guī)則的二級結構中,并且較大一部分關鍵殘基都是疏水性殘基。此外觀察關鍵殘基的演化規(guī)律發(fā)現(xiàn)相比于常溫木聚糖酶,耐熱木聚糖酶中關鍵殘基隨著溫度的升高仍能在網絡中保持主導地位。(3)針對FCM算法的局限性,加以改進得到適用于木聚糖酶氨基酸網絡聚類的S-FCM算法。該算法基于密度算法快速聚類的思想對數(shù)據進行預處理,通過對數(shù)據預處理,獲得能反映數(shù)據實際分布的社團數(shù)目和初始聚類中心,然后在網絡節(jié)點信息的基礎上引入氨基酸之間的序列信息,提高了算法的質量和精度。此外,發(fā)現(xiàn)耐熱木聚糖酶的模塊度比常溫木聚糖酶要高,說明耐熱木聚糖酶模塊與模塊間的相互作用較弱,某個模塊的變化對其他模塊的影響較小,這樣在某種程度上維持了氨基酸相互作用的穩(wěn)定性,從而影響木聚糖酶的耐熱性。(4)為了分析木聚糖酶氨基酸網絡中社團的演化規(guī)律,使用進化聚類框架和S-FCM算法。分析不同溫度下的氨基酸網絡,對每個時間步長下的網絡快照進行聚類,并通過衡量社團最基本的特征定量分析氨基酸網絡中社團演化的規(guī)律。當社團間的相似值為0.3時有更合理的節(jié)點分配精度和數(shù)量識別值。此外,發(fā)現(xiàn)耐熱木聚糖酶社團中有更多的疏水性氨基酸以及大部分氨基酸分布在規(guī)則的二級結構中,同時隨著溫度升高,耐熱木聚糖酶氨基酸網絡有更明顯的社團結構,以及社團內部有更緊密的相互作用。綜上所述,通過對耐熱木聚糖酶和常溫木聚糖酶的水-氨基酸網絡和氨基酸-氨基酸網絡比較分析,發(fā)現(xiàn)水對木聚糖酶熱穩(wěn)性的影響與網絡參數(shù)之間有正相關關系,同時耐熱木聚糖酶氨基酸網絡中社團結構更明顯,以及社團中氨基酸與氨基酸之間的作用更加緊密。
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【學位授予單位】：江南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：Q55;O157.5

【參考文獻】

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本文編號：2475764