三種結合酶催化機理的理論研究.pdf

1、酶是自然界中最為常見的生物催化劑，是生物體新陳代謝的基礎。與普通催化劑相比，生物酶具有催化效率高、反應條件溫和、高度的專一性等鮮明特征。隨著新技術的不斷涌現，酶的理論和應用也取得了巨大的發(fā)展，已成為工業(yè)生物技術的核心。近年來，利用計算機技術模擬生物大分子進行酶催化和酶改造的研究成為生物催化研究的熱點，豐富了人們對酶的催化功能與結構之間的關系的認識和理解。
　　本論文在實驗上最新獲取晶體結構的基礎上，運用量子力學與分子力學結合(QM

2、/MM)的方法研究了三種結合酶的催化機理。通過計算，預測了反應物、過渡態(tài)、中間體和產物的結構，計算了反應能壘，給出了反應最佳路徑以及決速步驟等，在原子水平上描述了反應細節(jié)。計算結果不僅解釋了實驗現象，也很好地預測了關鍵殘基的作用，彌補了實驗研究的不足。這些研究結果對相關酶的研究和改造具有一定的參考價值和指導意義。
　　本論文的主要研究內容如下:
　　(1)乙基丙二酸腦病蛋白質1催化氧化谷胱甘肽過硫化物反應機理的研究
　

3、　乙基丙二酸腦病蛋白質1(ETHE1)是β-內酰胺折疊酶，是非血紅素鐵依賴氧化酶，與細胞內硫化氫含量增加相關。ETHE1可以催化氧化谷胱甘肽過硫化物(GSSH)，而且對一些生物體的存活是必要的。目前，依據晶體結構和相似酶半胱氨酸雙加氧酶(CDO)的反應，有人提出了ETHE1大致的催化機理，但具體的反應細節(jié)還不清楚。本文用QM/MM方法研究ETHE1催化底物GSSH氧化反應的機理。結果表明，鐵超氧復合物的基態(tài)為五重態(tài)，描述為GSS+·-F

4、e(Ⅱ)-O2·。通過對三條可能的反應路徑的計算，也確定了最可能的反應歷程:起始于氧分子鍵的斷裂，同時末端氧進攻底物的硫原子，生成Fe-O鍵;隨后Fe-O鍵斷裂，生成亞硫酸鹽中間體。此外，研究發(fā)現，與CDO的催化反應中存在單重態(tài)和五重態(tài)的自旋交叉現象不同，該反應從五重態(tài)的反應物經過三重態(tài)的中間體生成了七重態(tài)的產物。
　　(2)血清對氧磷酶1催化二氫香豆素水解機理的理論研究
　　血清對氧磷酶1(PON1)是一種Ca依賴酶，能夠

5、催化多種底物的水解，包括內脂、硫代內酯、碳酸酯和磷酸三酯，也能夠催化多種內脂的形成。為了更好地理解PON1的催化機理，本論文用QM/MM方法探究PON1的天然底物二氫香豆素的水解機理。本文提出了兩種可能的反應路徑，氨基酸殘基Glu53和His115分別作為堿催化反應。結果表明，兩條路徑的能壘分別為12.5kcal/mol和9.0kcal/mol。反應過程中，氨基酸殘基Glu53和His115中的任何一個作為堿催化反應，另一個殘基就會和羥

6、基形成氫鍵促使水解進行。然而，突變研究表明，Glu53對水解反應是必需的;His115不是必需氨基酸，但是可以增加PON1的活性。NPA電荷分布情況表明Ca2+離子沒有作為路易斯酸參與催化反應，而是起到固定底物和相關殘基的作用。另外，Asp269和Ca2+之間存在配位作用且與內脂有氫鍵作用，從而促使醇鹽離去基的質子化。這些結果解釋了突變Glu53會導致PON1失活的實驗現象，并和實驗上二氫香豆素的水解不受His115突變影響的結果一致。

7、
　　(3)蛋氨酸γ-裂解酶催化L-蛋氨酸γ-消除反應機理的理論研究
　　蛋氨酸γ-裂解酶(MGL)是吡哆醛5'-磷酸(PLP)鹽依賴酶，能夠催化L-蛋氨酸的γ-消除反應。本論文用QM/MM方法研究MGL催化L-蛋氨酸γ-消除反應的機理。根據計算結果，這個反應機理被分成了兩部分。第一部分描述了從內部醛亞胺到外部醛亞胺的形成過程。其中，一分子水參與到殘基Lys210的離去過程，反應能壘為14.6 kcal/mol。在第二部分，

8、我們探究了外部醛亞胺到氨基巴豆酸鹽的反應機理。底物蛋氨酸Cα原子上的質子借助Lys210轉移到PLP的C4'原子上。而Cβ原子上的質子通過Tyr113轉移到底物蛋氨酸的S原子上，同時硫基離去生成不飽和酮亞胺。最后，C4'上的質子轉移到不飽和酮亞胺的末端C原子上，生成氨基巴豆酸鹽。整個反應的決速步是Cα上的質子的奪取和C4'上的質子轉移步驟，反應能壘分別為21.1 kcal/mol和21.5kcal/mol。計算結果能夠給PLP-依賴裂解

9、酶反應機理的探究提供有價值的信息。
　　本論文創(chuàng)新點:
　　使用QM/MM方法對三種結合酶的催化機理進行了探究。(1)通過研究硫雙加氧酶催化氧化谷胱甘肽過硫化物的反應機理，確定了超氧復合物的基態(tài)為五重態(tài)，同時描述了詳細的反應歷程，給出了反應中可能存在的自旋交叉現象，對實驗上研究乙基丙二酸腦病變有重要指導意義。(2)通過探究了血清對氧磷酶1催化其天然底物二氫香豆素的水解機理，消除了機理上存在的爭議，分析了關鍵殘基和輔因子Ca2