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量子力学和分子力学结合方法在酶催化研究中的应用

潘晓亮  
【摘要】:目前,分子力学和量子力学结合(QM/MM)方法已经成为理论研究酶催化机理最有效的方法。一方面,由于酶的体积和构象的复杂性,需要一个高效的方法来模拟几万个原子在纳秒级时间尺度上的运动。另一方面,酶催化反应会涉及到成键、断键及其他电子结构变化的过程,所以需要量子力学方法来描述。QM/MM方法可以在适当的计算量和必要的计算精度下,描述生物分子系统内的化学反应。本论文利用QM/MM方法,并结合反应路径优化,分子动力学,和自由能计算等方法,研究并揭示了硫代嘌呤甲基转移酶、脂肪醛肟脱水酶和人类α-半乳糖苷酶的催化机理,并探索了不同计算方法在理论研究酶催化机理中的应用。 1.在硫代嘌呤甲基转移酶催化6-巯基嘌呤甲基化的反应机理的研究中,我们利用QM(PDDG-PM3)/MM分子动力学方法和伞形取样方法,对底物的取向和不同的异构体对于反应的影响进行了研究。结果表明,X射线晶体结构中的A链中底物的取向是有利于甲基转移反应的进行。而底物在反应开始时,会先被保守残基Asp23通过一条水链脱去质子。我们又计算了甲基转移步骤的平均力势,结果与现有实验测定的反应速率符合得很好。 2.我们利用QM(B3LYP)/MM结构优化方法和反应路径优化方法,在脂肪醛肟脱水酶米氏复合物的X射线晶体结构的基础上,研究了此酶的催化机理,并提出了此酶的完整的催化循环。在米氏复合物中,His320作为广义酸协助醛肟脱去羟基。生成的中间体血红素铁为二价,并且含有一对自旋方向相反的未配对的电子。反应的第二步为底物绕着Fe N键旋转约180度,之后由His320夺取底物上β位上的质子生成电中性的产物复合物。与此同时,二价血红素铁恢复到三价,而His320也恢复到质子化的状态以进行后续的反应循环。 3.我们利用QM(PM6-D)/MM metadynamics方法,研究了人类α-半乳糖苷酶催化反应中的糖基化步骤的机理。结果表明,反应遵循底物构型保持的DN*AN机理,而且过渡态具有类氧合碳鎓离子的特性,例如氧原子和C5'之间会形成部分的双键。而且随着反应的进行,底物中的半乳糖环的构象会经历一个的变化路线。


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