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基于分子对接技术的农药敏感乙酰胆碱酯酶的虚拟筛选

2020-03-27 来源:要发发教育
第14卷第2期 2015年4月 现代农药 Modem Agrochemicals vo1.14 NO.2 Apr.2015 基于分子对接技术的农药敏感乙酰胆碱 酯酶的虚拟筛选 杨德秋,杨潇 610039) (西华大学生物工程学院,成都摘要:酶抑制法是最具前景的农药残留快速检测方法,但存在灵敏度和准确性方面的缺陷。新 酶源的发掘和研究是酶抑制法发展的关键。通过同源建模及分子对接技术,对不同物种的乙酰胆 碱酯酶与不同农药分子的敏感性进行了虚拟筛选,并分析了可能影响农药敏感性的关键氨基酸残 基,为农药残留检测用酶的选择以及采用定点突变技术对酶进行改造的可行性提供科学依据。 关键词:乙酰胆碱酯酶;农药;虚拟筛选;分子对接 中图分类号:TQ 450.1 文献标识码:A doi:10.39690.issn.1671—5284.2015.02.005 Virtual Screening of Acet ̄rlcholinesterase Sensitive to Pesticides Based on Molecular Docking YANG De—qiu,YANG Xiao (Biotechnology School,Xihua University,Chengdu 6 1 0039,China) Abstract:Enzyme inhibition method is the most promising of rapid determination of pesticide residues,but with defective sensitivity and accuracy.The discovery and research of new enzymes are the key to the development of enzyme inhibition method.The paper finished the virtual screening of acet)rlcholinesterase sensitive to pesticides from diferent species,and analyzed the critical amino acid residues for the sensitivity to pesticides based on a new strategy of homology modeling and molecular docking technology.The result would provide scientiic basifs for choosing the enzymes in detection of pesticide residues and for carrying out molecule rational design of novel target enzymes using site—specific mutagenesis. Key words:acetylcholinesterase;pesticide;virtual screening;molecular docking 在世界各国先后禁止使用有机氯农药后,作为 杀虫剂的有机磷农药和氨基甲酸酯类农药成为世界 类农药残留快速检测最具前景的方法L2 J。 酶抑制法具有简便、快速,适合现场检测等优 点,但也存在检测灵敏度较差和准确性不高等缺 点,尽管可以通过传感器制备工艺和计算软件的优 化来提高检测的灵敏度和准确性,但最根本的途径 各国特别是我国主要农药品种,使用量大。有机磷 农药和氨基甲酸酯类农药是一类神经毒性物质,通 过抑制乙酰胆碱酯酶活性发挥杀虫作用或导致人畜 中毒。研究表明,在体外条件下,乙酰胆碱酯酶的 活性变化与有机磷或氨基甲酸酯类农药的浓度存在 良好的相关性,因此,测定农产品的农药残留提取 是从各种动植物中筛选或者采用基因工程技术创 造性能更优异的酶源。采用传统的实验方法研究新 酶源对各种农药的敏感性,或者对酶分子进行点突 变筛选新的突变子,涉及到生物材料的获得、酶的 提取分离、基因克隆、定点突变、蛋白表达等实验 过程,费时费力,成本昂贵,因此只适合小规模的 液对乙酰胆碱酯酶活性的影响即可判断有机磷或氨 基甲酸酯类农药的残留情况_l J。基于此原理发展起来 的酶抑制法是目前国内外有机磷农药和氨基甲酸酯 收稿日期: 2014—10—22:修回13期:2014—10—29 基金项目: 四川省省级大学生创新创业训练计划项目(201310623036) 作者简介: 杨德秋(199卜',女,黑龙江省七台河市人,本科。研究方向:食品安全技术 通讯作者: 杨潇(1981一),男,四川省天全县人,高级实验师,博士。研究方向:食品安全技术。E—mail:yangxiao19810625@163.corn 16 现代农药 第14卷第2期 处于不合理范围之内,但其远离活性位点,对后续 研究影响不大。 用比较分析,通过准确性较高的Mol Dock算法进 行打分[16],获得了9种农药分子与乙酰胆碱酯酶相 2.2 乙酰胆碱酯酶的分子对接 采用MVD软件对9种有机磷和氨基甲酸酯农 药分子与32个物种的乙酰胆碱酯酶进行了相互作 互作用的最佳Mol Dock分数(见表1)。其中,分 数值越低,表明该农药分子与乙酰胆碱酯酶作用的 能量越低,结合程度越高。 表1 不同物种乙酰胆碱酯酶与不同农药分子对接结果 由表1可见,各物种的乙酰胆碱酯酶与不同农 碱酯酶结合越容易,这意味着同一物种的乙酰胆碱 酯酶对于不同种类的农药具有不同的敏感度。如果 蝇来源的乙酰胆碱酯酶对丁硫克百威最敏感,灰飞 药对接的Mol Dock分数具有相似趋势,如大多数 物种的乙酰胆碱酯酶与辛硫磷、对硫磷对接的分数 值较低,与甲胺磷、敌敌畏对接的分数值较高。这 反应了乙酰胆碱酯酶作为在神经信号传导过程中 发挥重要作用的酶,在各物种间具有较高的相似 性。同时,对于同一种农药与不同物种的乙酰胆碱 虱来源的乙酰胆碱酯酶对辛硫磷最敏感,小菜蛾来 源的乙酰胆碱酯酶对克百威最敏感。这一结果不仅 为在农业生产中针对不同的虫害选择更高效的农 药提供了参考,同时也为在乙酰胆碱酯酶抑制法检 测农药残留中选择灵敏度更高的优质新酶源提供 了依据。 酯酶对接的Mol Dock分数又具有较大的差异。由 于Mol Dock分数越低,表明该农药分子与乙酰胆 2015年4月 杨德秋,等:基于分子对接技术的农药敏感乙酰胆碱酯酶的虚拟筛选 17 2.3 乙酰胆碱酯酶与农药对接的活性中心 胆碱酯酶对某一农药或某一类农药结合的亲和力 乙酰胆碱酯酶的生物学活性是通过其活性中 和灵敏度。 心与底物的结合而发生的,而酶的活性中心则是由 本研究发现,不同物种与不同有机磷农药和氨 若干个氨基酸残基组成的三维空问区域。有机磷和 基甲酸酯农药结合的活性中心十分相似,均由12~ 氨基甲酸酯农药作为乙酰胆碱酯酶的抑制剂,就是 20个氨基酸残基组成,尽管在不同物种中位置不同 通过与这些活性中心可逆或不可逆地结合后使其 但是氨基酸的种类却十分相似(见表2)。其中部分 丧失与底物的结合能力而抑制酶的活性。对于组成 氨基酸残基的MD分数值较大,如非洲疟蚊乙酰胆 这些活性中心的氨基酸残基的改造,会影响这些活 碱酯酶中的Ile491,蜜蜂中的His480,表明这些氨 性中心的三维结构进而改变活性中心对于底物的 基酸残基与农药的亲和力较低。因此,这类氨基酸 识别能力和结合能力。因此通过对这些组成农药结 残基将有可能成为在对乙酰胆碱酯酶农药敏感性 合活性中心的氨基酸残基的改造也可能提高乙酰 改进过程中进行定点突变的潜在位点。 表2部分物种乙酰胆碱酯酶与部分农药对接的氨基酸残基 Alal64 .7.148 Asn84 —0.993 Asn84 —0 894 Asp482 3.761 Alal76 3.853 GIu80 —1.022 Glu80 —0.400 G1u237 —0.499 Asnl63 —6.450 G1u237 .7.238 Glu237 6.364 G1u367 一l 074 G1n490 一1.104 Glu367 —0l321 Glv149 .3.733 G1u483 .0.822 G1y489 0.394 Glu483 —0.473 Glyl50 6 8l8 Glv149 .—4.441 lie145 0 323 G1y149 .2.437 Glv15l .0.330 Glv15O .9.406 lie16l —2.406 G1v15O —6.4l6 G1v481 .1 193 Glv15l 0.948 Ile484 .1.436 G1v15l —1.966 His480 —5 930 Glv155 .2.233 Leu144 .0.576 Glv155 —0.394 I1 ̄84 —0.549 Glv481 l6.953 蜜蜂 Metl67 6.059 G1y481 9.749 Phe37l .1.322 His480 211.759 Phe235 —4 352 His480 126 255 Ser238 ,6.114 I1e484 .O.7lO Phe487 2.184 Leu479 3.395 n1r154 5.193 Lea479 .5.796 Phe488 282.703 Phe330 —0.819 TIp83 一l3.022 Phe371 .2.560 Serl77 .3.790 Phe371 .3.760 Tw7l .3.063 Phe440 —0.629 T 99 4 886 Ser238 —2.663 T ̄148 .O.313 Ser238 5.966 T ̄146 .17.303 Thrl54 2.791 Tw162 .0.401 Ser264 0.780 Twl62 —7.038 Trp83 15.046 T ̄370 2I314 Thrl54 .2 767 Tw71 .3.O11 T 83 .16.115 Tw370 .8.097 Tw162 .0.970 ¨ p _ 寸Asn85 Asp72 G1n69 —6.889 5.725 2.260 4.203 Ala201 Asp72 Glul99 G 117 G17118 ..4.781 1.171 Ala20l Glul99 .1.307 5.223 5.654 8.484 Arg289 Asp72 Glv118 GIvl19 G17335 His440 Ile287 Leu332 Phe288 Phe290 Phe330 .1.599 .—.0 766 2.686 1.221 .2.343 3.104 13.909 Glyl17 Gly1l8 Gly119 G1"/44l His440 Ile444 Phe288 ——G171l7 Glvl18 Glv123 LeuI27 ....,5I2I9 4401 .4.409 1 627 13.183 0.785 1 328 4.644 4.233 0.330 Glvll9 His440 ..5.987 —.1.075 0 466 1.095 12.305 10.071 .Pro86 .Phe288 Phe290 Phe330 Phe331 Serl22 Ser2O0 Trp84 Trp233 Tyr121 Tyr334 .—.2.432 5 460 .人类 Ser8l Serl22 Serl24 Trp84 Tvr70 ...1.957 5.155 4.2l2 6.940 .15.330 14.223 2.063 —Phe290 Phe330 Phe33l SeTl22 ..—0.828 19.184 .1.649 5.415 21.182 —Phe33l Ser286 Trp84 28.731 ——4.483 6.514 0.400 0.385 8 887 Twl21 Tvr130 .7.365 1.592 1.063 .4.762 4.432 Ser200 Trp84 Trp233 Tw121 —..4.096 —.17.495 .Trp279 Tw121 TW334 一0.328 Va171 ——8_375 3.030 —9.029 l6.412 8.789 1 790 3.151 Tyrl30 .注:丙氨酸(Ala)、缬氨酸(Va1)、亮氨酸(Leu)、异亮氨酸(Ile)、脯氨酸(Pro)、苯丙氨酸(Phe)、色氨酸(Trp)、甘氨酸(Gly)、丝氨酸(ser1、苏 氨酸(Thr)、酪氨酸(Tyr)、天冬酰胺(Asn)、谷氨酰胺(Gln)、精氨酸(Arg)、组氨酸(His)、天冬氨酸(Asp)、谷氨酸(Glu)。 参考文献 何绍志,李维,王雁,等.美洲蟑螂头部乙酰胆碱酯酶酶活性测定及 对5种常用农药的敏感性[J].食品科学,2013,34(23):184 188, [9]Schwede T,Kopp J,Guex N,et a1.SWISS—MODEL:An Automated Protein Homology—modeling Server[JJ.Nucleic Acids Research,2003 31(13):338l一3385. 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