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魔德案例分享：玉米蛋白与玉米赤霉烯酮之间的“隐藏”机制研究

魔德科技

2023-08-08

导读：新闻

魔德科技

案例分享

玉米蛋白与玉米赤霉烯酮之间的“隐藏”机制研究

魔德科技技术服务部

合作单位：Southwest University

魔德科技：帮助客户完成玉米赤霉烯酮与玉米醇溶蛋白的分子识别机制研究，为建立检测玉米赤霉烯酮的方法提供了依据

参考文献：Food Chemistry, 351 (2021) 129286

DOI：10.1016/j.foodchem.2021.129286（IF = 9.23）

研究背景

玉米是全球三大主要经济作物之一，其年产量超过109亿吨，在美国和中国的产量超过4.3亿吨。考虑到玉米在人类消费中的作用，玉米的安全和质量保证问题非常重要。玉米特别容易被产生玉米赤霉烯酮(ZEN)的镰刀菌感染，给农业企业造成巨大损失，并对公众健康造成危害。鉴于ZEN的毒性和高发生率，有必要准确监测ZEN的污染水平，以保障食品安全。然而，如果考虑到所谓的“隐性ZEN”，玉米和玉米产品的污染和安全问题的复杂性就会增加。隐性真菌毒素是通过真菌毒素与基质大成分(如淀粉和蛋白质)的结合相互作用形成的，无法通过常规分析方法检测。然而，在胃肠道条件下，这种络合物可被酶或肠道微生物分解，释放出游离的霉菌毒素，从而对生物体产生危害。据报道，在玉米和玉米制品中经常发现隐性ZEN，其污染水平明显高于游离ZEN。尽管如此，ZEN的隐藏机制(ZEN与玉米蛋白相互作用的性质)仍需要从分子水平和物理化学方面进一步阐明。

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方案设计

为了更好地了解玉米蛋白（α-Zein）通过缔合作用对ZEN的掩蔽作用，经与魔德科技（www.modekeji.cn）技术团队沟通，拟采用从头建模方法构建α-Zein的三维结构，并利用分子对接技术研究ZEN与玉米蛋白的结合机制。

主要结果

Zein蛋白结构分析

基于表1给出的α-Zein蛋白氨基酸组成分析，可以发现，α-Zein蛋白中超过一半的氨基酸残基是非极性残基，导致α-Zein蛋白不溶于水。另外，64.73%的氨基酸残基含有螺旋二级结构，与文献一致。α-Zein蛋白结构中存在大量的谷氨酰胺，并且有29个Gln氨基酸位于蛋白的Loop和Turn区域，这些区域暴露在水环境中，这也证明了α-Zein蛋白中存在富含谷氨酰胺的环结构。

表1 Zein蛋白中每种氨基酸的数量

从头模建的α-Zein蛋白结构如图1所示，从图中可以看出，α-Zein蛋白的结构主要由α螺旋组成，其结构中包含了8个螺旋结构，螺旋之间由较短的loop连接，表明α-Zein的结构呈现较大的刚性，而蛋白表面存在一个疏水性空腔，可以结合小分子。α-Zein蛋白的结构尺寸为5.12×4.93×2.83 nm，整体呈扁圆形，体积为29.51 nm3。其回转半径（Radius of Gyration, Rg）为1.86 nm。

图1 （a）α-Zein蛋白的三维结构图（谷氨酰胺用球棍模型表示，红色虚线表示谷氨酰胺聚集的范围），（b）蛋白亲疏水表面分布（蓝色表示亲水区域，橙色表示疏水区域）

蛋白结构合理性评估

本文采用PROCHECK程序和ERRAT程序对优化后的蛋白模型进行了评价。图2a给出了Zein蛋白模型的Ramachandran plot结果，仅有0.92%的氨基酸残基位于扭转角禁止区域，而99.08%氨基酸残基的二面角均在合理范围内，符合立体化学能量规则。从图2b中可知，绝大部分氨基酸残基未超过ERRAT的错误限，评分为93.56，符合评价程序的要求。综上可知，构建得到的α-Zein蛋白结构具有较高的可靠性，可以作为后续研究的模板。

图2 α-Zein蛋白模型的Ramachandran plot（a）和Verify 3D评分（b）

分子对接结果

采用分子对接方法将ZEN对接到α-Zein上，得到的结果如图3a所示，从图中可以看出，ZEN在α-Zein蛋白表面主要有4个结合位点，其中亲和力最强的结合位点的结合能为-2.64 kcal/mol，根据能量最低原则，选择结合能最低的构象作为分子对接的最终结果。ZEN与α-Zein的结合如图3b所示，从图中可看出，ZEN主要结合在α-Zein表面的疏水空腔中，与周围氨基酸形成疏水相互作用，分子对接结合能为-2.64 kcal/mol。

图3 ZEN与α-Zein的分子对接结果。a：所有构象在α-Zein蛋白表面的分布；b：ZEN能量最低构象与α-Zein的结合（底物结构用球棍模型表示，蓝色和橙色部分分别表示蛋白的亲水和疏水表面）

前面的分析表明，ZEN主要结合在蛋白表面的疏水空腔中，疏水作用是二者结合的重要驱动力。为了具体分析哪些氨基酸参与到二者的识别过程，本文对ZEN与α-Zein的结合模式进行了分析，如图4所示。从图中可以看出，ZEN与Gln154的侧链形成了氢键作用，二者距离为2.69 Å，而与Ala37、Phe40、Glu41、Gln94、Pro97、Leu151、Leu155和Leu211形成了较强的疏水作用，另外，ZEN的苯环还与Phe40的侧链苯环形成了π-π堆积作用，二者距离为3.91 Å。

图4 ZEN与α-Zein的结合模式图（绿色虚线表示氢键，蓝色虚线表示ZEN与Phe40苯环之间的距离，Zein的结构用cartoon模型表示）

总结

本文采用分子模拟方法研究了ZEN与Zein的分子识别，为后续建立检测玉米中的ZEN含量提供了理论指导。

【声明】内容源于网络

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魔德科技目前主要提供从生物分子模拟、化学反应机理到物理材料性能模拟的全程专业技术服务，让您的研究内容更加完善，研究结果更富有影响力。公司的定制化工作站能满足分子模拟、虚拟筛选、材料研究、药物研发等方面的需求。

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