关于GH51家族α-阿拉伯呋喃糖苷酶催化的水解和转糖基化反应中供体/受体选择性起源的量子力学/分子动力学模拟

α-1-阿拉伯糖苷酶催化机制及选择性研究揭示Glu176和Glu298关键作用，His240质子化维持催化三元组结构，酶偏好A3和pNP-Ara f底物水解，木糖二糖为最佳受体，为工程化开发提供理论支撑。

　　

α-阿拉伯呋喃糖苷酶（EC 3.2.1.55）在阿拉伯木聚糖和阿拉伯木糖寡糖（AXOS）的降解与转化过程中起着关键作用，这使其成为工业生物质转化和生物技术应用中的一个有前景的目标。尽管该酶能够切割α(1→2)、α(1→3)和α(1→5)糖苷键，但其对特定AXOS连接方式的偏好机制仍不清楚。通过量子力学（QM）计算和量子力学/分子力学（QM/MM）分子动力学（MD）模拟，我们研究了来自Thermobacillus xylanilyticus的GH51 α-阿拉伯呋喃糖苷酶的催化机制及水解和转糖基化的选择性。我们评估了多种合成底物以及单取代和双取代的AXOS（如

NP-Ara

f、A³、A²X、A³X、XA²X、XA³X和XA²⁺³X），并预测了它们的结合模式和底物特异性。Glu176（酸/碱基）和Glu298（亲核试剂）通过两步双置换机制促进AXOS的水解，其中第二步（去糖基化）是限速步骤。结合QM/MM MD和QM(ONIOM)研究结果，His240极有可能被质子化，以维持Glu176残基在Asp297-His240-Glu176催化三联体中的位置，从而通过最优的静电环境实现高效催化。实验结果与理论预测一致：该酶能高效水解

NP-Ara

f和A³，其自由能障碍分别为14.8–15.4 kcal mol^–1（而AXOS的自由能障碍为17.9–29.3 kcal mol^–1）；在转糖基化过程中，该酶优先切割供体底物中的Araf-α(1→3)键而非Araf-α(1→2)键，并且由于反应障碍较低以及过渡态的稳定作用，更倾向于使用木酮糖作为受体而非芳基α-阿拉伯吡喃糖。我们的研究为该GH51酶的工程改造提供了理论基础，以实现高效的水解和有价值的基于木聚糖的产品的合成。