环糊精抑制α-半乳糖苷酶的机理研究

The α-galactosidase from coffee beans is applied to synthesize the α-galactopyranosyl-cyclodextrin using melibiose as donor and cyclodextrin as acceptor. However，the yield of this product is low.The previous research showed that the cyclodextrin could inhibit the α-galactosidase in this synthesizing reaction, and this inhibition action decreased this yield.Therefore, this project will focus on this inhibition mechanism between different cyclodexrins(α-、β-andγ-）and α-Galactosidase.Some spectrums（Fluorescence spectrum，Circular dichroism spectroscopy,Nuclear magnetic resonance）will be applied to study and analyse this non-complex formed between cyclodextrin and α-galactosidase in the reaction system. Based on the molecular analyse, the process of this non-complex will be studied by Molecular Dynamics Simulation and some important quantitative parameters of this phenomenon will be found. The inhibition of cyclodextrin on structure and property of α-galactosidase will be analysed through the structure-activity analyse method based on experiment and simulation data. The process and mechanism of this non-complex will be illustrated. The action position and force about this inhibition of cyclodextrin on α-galactosidase will be revealed. This study will research the inhibition mechanism of cyclodextrin on α-galactosidase, and provide the theory explanation and control methods of this inhibition phenomenon.

以蜜二糖和环糊精为底物，α-半乳糖苷酶（咖啡豆来源）酶法合成α-半乳糖基-环糊精的产率较低。本课题组的前期研究发现，在此合成反应过程中，底物环糊精可以抑制α-半乳糖苷酶的活性，导致合成产率降低。有鉴于此，本课题拟研究不同类别环糊精（α-、β-和γ-）对α-半乳糖苷酶的抑制现象。运用多种波普技术（荧光光谱、圆二色性、核磁共振等）表征二者在共存体系中所形成的抑制性非包合物的特性，分析该抑制影响的趋势；并在分子水平上，采用分子动力学模拟的研究方法，模拟该抑制性非包合物的形成过程，获得重要信息参数；根据实验数据和模拟信息，运用构效分析方法，分析探讨在共存体系中环糊精对α-半乳糖苷酶结构性质的影响，明晰该非包合物的形成过程及机制，确定环糊精抑制α-半乳糖苷酶活性的驱动力及作用位点。从而揭示环糊精抑制α-半乳糖苷酶的机理，为该抑制现象的理论解释及有效控制该抑制作用的方法提供科学依据。

项目背景：以蜜二糖和环糊精为底物，α-半乳糖苷酶（咖啡豆来源）酶法合成α-半乳糖基-环糊精的产率较低。在此合成反应过程中，底物环糊精可以抑制α-半乳糖苷酶的活性，导致合成产率降低。该研究揭示环糊精抑制α-半乳糖苷酶的机理，为该抑制现象的理论解释及有效控制该抑制作用的方法提供科学依据。.主要内容、重要结果、关键数据：在三种环糊精（α-、β-和γ-）中，由于β-环糊精独特的空腔结构，使其抑制α-半乳糖苷酶的效果最明显；β-环糊精对α-半乳糖苷酶的抑制作用，也受到浓度、温度、时间和pH的影响；圆二色谱发现β-环糊精改变了α-半乳糖苷酶的二级结构，由α-螺旋转化成β-折叠，致使酶分子结构变得松散，活性降低；核磁共振表明α-半乳糖苷酶的一部分氨基酸与β-环糊精空腔的外部发生了相互作用，形成了氢键；荧光检测显示β-环糊精能影响α-半乳糖苷酶的的荧光强度，荧光基团为该酶的活性基团。分子动力学模拟研究β-环糊精抑制α-半乳糖苷酶的结果，与实验研究的结果高度一致。同源建模得到稳定的模型，模型的一侧是由8个α-螺旋和8个β-转角形成的球状结构，另一侧是8个β-转角；分子对接显示α-半乳糖苷酶活性口袋中的关键氨基酸残基为Trp31、Trp179、Asp200，环糊精中的关键基团为次甲基上的羟基、亚甲基上的羟基，β-环糊精覆盖在咖啡豆α-半乳糖苷酶亲水活性空腔的表面，从而抑制其活性；分子动力学模拟确定了β-环糊精和α-半乳糖苷酶两者的结合是一个自发的过程，且能够达到一个稳定的状态，主要是由范德华相互作用能和静电作用能产生的。