【Discovery Studio应用实例】华南理工大学：通过分子模拟研究多酚与直链淀粉和猪胰腺α-淀粉酶的结合

摘要：

栗玫瑰(Rosa Roxburghii)是中国特有的水果，具有多种生物活性。本试验研究了浓缩栗子玫瑰汁(CRJC)对普通小麦淀粉(NWS)消化率的影响，重点研究了多酚与直链淀粉以及多酚与猪胰腺α-淀粉酶(PPA)的相互作用。将NWS与CRJC混合，采用engst法测定其消化率。采用超高效液相色谱-质谱联用技术对CRJC的成分进行分析。采用分子动力学方法研究了多酚类物质与PPA、多酚类物质与直链淀粉的结合。结果表明，CRJC能显著提高抗性淀粉含量。MD结果与前期对接及实验结果一致，多酚类物质(未食子酰基和糖基基不同)对α-葡萄糖苷酶的抑制作用(IEs)。MD结果还表明，与单一多酚相比，具有较大分子量或较多氢键供体(HBDs)/受体(HBAs)的复合多酚与直链淀粉的结合更强、更持久。CRJC具有降低2型糖尿病发生风险的潜力，分子模拟可作为研究食物系统机制的辅助工具。

引言：

餐后高血糖与患II型糖尿病的风险增加有关。通过降低含淀粉食物的消化率来控制餐后高血糖是II型糖尿病的一种潜在治疗方法(Sun, Gidley,&Warren,2018)。天然产品以其抗氧化、抗癌、抗糖尿病和抗肥胖的特性而闻名，引起了科学界的兴趣。

因此，本研究的目的是研究(1)CRJC对NWS消化率的影响，(2)IEs通过分子对接和动力学影响多酚基团的机制，(3)多酚与淀粉通过MD的相互作用，为当地工业开发CRJC相关功能产品提供科学指导，加深对CRJC的认识多酚和淀粉之间的结合。

分子对接：

使用Discovery Studio(2017版，Accelrys，San Diego，CA，USA)中的CDOCKER协议研究多酚之间的结合构象与PPA(PDB ID:1OSE)的晶体结构(Li et al.，2018)。在α-淀粉酶晶体结构中去除所有水分子，加入氢原子，并在对接前加载电荷。从ZINC数据库(http://zinc15.docking.org/subst ances/home/)下载了所鉴定的多酚的三维结构。所有分子在对接前都被最小化了。结合位点由配体确定。最高命中值设为1，获取最佳对接姿态，姿态簇半径设为0.5，随机构象设为200。其他参数设置为默认值(表S1)。

结果与讨论：

图1显示了1OSE与GC(GCG)的两个代表性对接构象和非键相互作用，槲皮分素(C)、Que (D)和Rut (E)的对接构象和非键相互作用如图S3所示。选择这些子的目的是研究其构效关系，即糖基化和没食子酰化对多酚抗α-淀粉酶活性的影响。

如图2A所示，GCG比GC稳定得多:GCG的图在前10ns波动，但在其余90ns保持稳定;而GC则急剧向上或向下移动，表明结合相对不稳定。同样，槲皮素和Que的曲线在整个100 ns模拟过程中呈现稳定的趋势，而Rut的曲线则呈现剧烈的波动(图2B)。

观察到分子间(直链淀粉与小分子之间)的相互作用能随着分子的分子量和复杂程度呈下降趋势:EGCG、ProB2、Que和Rut的平均总非键相互作用能显著低于AA、CA、QA和GC(图3A)。一般情况下，随着HBAs、HBDs数量和分子量的增加，平均总非键相互作用能减小(图3A和B)。

此外，图4显示了小分子和直链淀粉沿着10次重复的轨迹形成的平均HB数量。同样，通过比较8张图，我们注意到分子量较大或结构复杂的分子(ProB2、EGCG、Que和Rut)与直链淀粉形成的HBs比分子量较小或结构简单的多酚(QA、CA和AA)形成的HBs更多。对于AA, CA和QA，大多数帧只有一个HB，而对于GC, HB的数量增加(图4D)。随着HBs的平均数量增加到2个或3个，EGCG、ProB2、Que和Rut的这种增加进一步增强，并逐渐在所有记录的帧中占据主导地位(图4E、F、G、H)。

在模拟开始时，AA和直链淀粉具有良好的相互作用构象，但这种有利的结合并没有使AA保持在原位，并且在接下来的模拟中，随着计数原子在12 ns左右迅速降至零，AA远离直链淀粉(图5，黑线)。在CA(约17ns，图5，红线)和QA(约27ns，图5，青色线)中也发现了类似的观察结果，这反映了这三个分子远离直链糖链。

在检查ProB2在1398帧(约27.90ns)的轨迹时，我们还发现了一个v型螺旋构象:7个葡萄糖残基沿ProB2的一个苯环螺旋而下(图6)。为了进一步了解这种结合构象，我们分析了7个残基的旋转半径(Rg)和7个残基与苯环之间的DCOM。Rg和DCOM在最初的几秒钟内直线下降，然后趋于平稳(图6)。尽管Rg和DCOM保持在较低的水平，但应该注意的是，在大多数帧中，当我们仔细研究轨迹时，七个残基并没有像图6所示的那样完美地缠绕在一起。

尽管由于模拟的随机性，比较QA、CA和AA之间或GC、ProB2、EGCG、Que和Rut之间的差异可能不合适(图3)，但我们可以推测，分子量较大或HBDs(HBAs)较多的分子与直链淀粉的相互作用较多，原因有二：首先，在10次短时间重复中，AA、QA、CA与直链淀粉形成稳定结合的频率较低；其次，在延长的长时间模拟中，在重复中发现的有利的结合构象并没有使AA, CA和QA保持在原位。

我们在图6中观察到的结合构象可能有助于提供见解：与脂质和直链淀粉相比，由于分子形状导致的不完美结合构象可能对结合复合物的堆叠产生负面影响，从而形成晶体。

总结：

综上所述，CRJC降低了NWS消化率，显著提高了RS含量。CRJC中的多酚或多糖可能与淀粉结合并起酶抑制剂的作用。MD测定了其抗PPA活性的没食子酰化和糖基化的构效关系，与前人体外实验结论和硅对接结果吻合较好。MD结果为多酚类化合物与直链淀粉的结合提供了支持证据，表明分子量较大或HBAs较多的多酚类化合物与直链淀粉的相互作用强于分子量较小或HBAs较少的多酚类化合物。多酚与PPA的结合以及多酚与直链淀粉的结合均可导致酶解受损，从而导致RS含量升高。因此，CRJC确实具有抗糖尿病的潜力，分子模拟可以成为研究其在食物系统中的作用机制的另一种有用的工具。鉴于对直链淀粉与多酚结合的结构亲和关系的初步发现，鼓励进一步的工作结合MD和其他湿法实验技术进行更严格的研究。

此外：华南农业大学农学院钟国华教授为本文章提供软件支持。

文章详情：https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2021.106966

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