环境相关典型生物酶体系催化反应机理概述

　　环境相关典型生物酶体系催化反应机理概述第一章绪论1.1酶与环境酶(Enzyme)这一概念是1878年由德国生理学家R核磁共振技术、酶促反应动力学、同位素标记等手段完成的。这些实验手段对于从原子水平上揭示酶分子的三维结构、探索酶的催化反应速率以及分析某些氨基酸对酶催化反应能力的影响有着重要的意义。然而，酶催化反应中的过渡态、中间体这些不稳定物质的结构、性质难以通过实验手段得到，而这类物质恰恰是研究酶催化反应的关键。并且，酶的结构和其催化能力的相关性，以及辨别在同一催化体系中不同催化反应路径的可行性也一直是悬而未决的问题。AriehichaelLevitt两位科学家于1976年首次使用量子力学/分子力学联用方法(QM/MM)用于模拟溶菌酶的催化反应[26]。然而自上世纪70年代以来QM/MM方法一直发展较为缓慢，直到近年来得益于计算机技术的高速发展，该方法才在研究酶体系时展现出强大的生命力。2013年10月9日，瑞典皇家科学院宣布将诺贝尔化学奖授予MartinKarplus、MichaelLevitt以及Arieh/MM方法在模拟复杂大分子体系、特别是酶催化反应体系方面的应用。目前QM/MM方法己经成为世界上研究酶催化反应的重要研究手段之一。QM/MM方法能够从原子水平上得到实验上无法得到的反应过程中间体、过渡态的结构信息，并且可以对实验结果加以验证、解释、补充，有力的弥补了实验方法的局限性。第二章基本理论和计算方法2.1量子力学与量子化学方法量子力学是研究基本粒子、原子核、原子、分子等微观粒子的基础理论方法。量子力学的诞生不仅奠定了现代物理学的理论基础，还为认识物质化学结构提供了有效的理论手段，而量子化学是应用量子力学的基本原理在原子分子水平上研究化学问题的一门基础学科。量子化学方法主要包含分子轨道理论方法(Molecularorbitaltheory)、价键理论方法(Valencebondtheory)以及密度泛函理论(Densityfunctional theory)方法。其中，分子轨道理论方法的核心是Hartree-Fock-Roothaan方程，简称HFR方程，该方程是从第一性原理出发，在不引入任何试验参数的基础上用变分方法解方程，求出原子-分子体系的能量和波函数，所以这一方法也被称作从头计算方法。当然，从头计算并非不做任何近似，原则上它至少做了Bom-Oppenheimer近似、非相对论近似、以及独立电子近似等。对于分子体系，由于该方程把分子轨道展开为一组己知函数的线性组合，还造成了基组近似。对一般的分子体系而言，电子相关能在总能量中所占的百分比不到1%，然而，涉及到电子激发、反应路径等过程时，必须要考虑这一问题，于是就有了考虑相关能的种种post-SCF方法。其中多体微扰计算方法是目前使用较多的考虑相关能校正的方法。多体微扰方法是将多电子体系的Hamilton算符与Fock算符的差作为体系的微扰项，应用Rayleigh-Schrodinger微扰方法计算。现在最常用的多体微扰方法是MoUer-Plesset(MP)方法，对体系基态能量的校正不同，有不同的能量结果，考虑二级校正的MP方法简称为MP2,考虑n级校正的MP方法简称MPn。随着校正级数的增加，计算结果越逼近真实值，但同时计算量也急剧增加，目前在具体的计算过程中使用的较多的是MP2方法，能考虑大约60%的相关能。2.2分子力学与分子动力学方法分子力学，又叫力场方法(Forcefieldmethod),是一种用于分子势能近似计算的方法。分子力学方法计算过程中不考虑电子，势能的求解仅仅与体系中原子核的空间坐标有关，原子核空间坐标的改变会引起分子内键长、键角、二面角的改变，也会引起分子间范德华力以及静电作用力的改变，分子动力学(MolecularDynamics)是研究体系中所有粒子的运动状态随时间的演变，然后通过求解体系的系综平均，获得体系的热力学量和其它宏观性质的一种方法。其中系综是JosiahGibbs用统计方法描述热力学系统的统计规律时引入的一个概念，具体指在一定的宏观条件下大量性质、结构完全相同的处于各种运动状态并各自独立的系统的集合。原则上讲，量子化学方法也可以用于动力学模拟，如CPMD(Car-ParillinoMolecular Dynamics)方法[96]，但是由于其计算量庞大，目前难以得到广泛的应用。本论文中涉及到的分子动力学模拟都是建立在分子力场基础上的。通常分子动力学方法分为以下六步：为所研究体系设定合理的初始模型；设定模型体系的初始条件，其中初始坐标一般由实验数据（XRD或NMR)得到，初始速度一般根据Maxann分布对每个粒子随机给出；设定体系的力场，如CHARMM力场?，求解运动方程直到得到平衡态；继续积分运动方程并记录体系各个例子的运动轨迹信息，这一步通常成为ProductionRun；分析轨线文件并求解体系的宏观物理量。.第三章有机磷化合物与乙酰胆碱酯酶的相互.........153.1塔崩抑制的乙酰胆碱酯酶的老化与肟类解毒剂.........163.2甲胺磷抑制的乙酰胆碱酯酶的自发活化机理.........243.3本章小结.........34第四章黄素腺嘌呤二核甘酸依赖性亚硝.........354.1前言.........354.2计算方法.........364.3结果与讨论.........394.3.1催化反应过程及势能剖面.........394.3.2活性中心部位重要氨基酸的静电影响.........424.4本章小结.........43第五章联苯间位分裂产物水解酶的催化.........445.1前言.........445.2计算方法.........455.3结果与讨论.........465.4.本章小结.........54第七章氟乙酸盐脱商素II催化反应机理7.1前言 含氟有机化合物因为具有独特的惰性、疏水性甚至疏油性而逐渐广泛应用于各类工业生产中[174_176]。例如，目前大约20%的药物以及30%的农用化学品属于含氟有机化合物[73]。由于多数含氟有机化合物有人体毒性、臭氧消耗能力、环境持久性以及生物蓄积性等性质，其大规模的生产、使用逐渐受到人们的质疑。因而现阶段亟需建立并发展一些能够降解这些含氟污染物(关键是催化C-F键断裂)的技术手段。目前实验上发现好几种微生物酶能够催化含氟化合物中C-F键的断裂，其中氟乙酸盐脱齒素酶因为能够催化降解氧乙酸盐(FAc)而倍受关注[7677]。氟乙酸盐中的氟乙酸钠作为一种灭鼠剂(化合物代码1080)在世界范围内广泛使用[78]，它对人类也有较高的毒性。实验上推测FAcD的催化反应过程是通过两步反应完成的：脱氟反应和中间体的水解反应[76-77]。这一推测被通过X射线衍射法得到的氟乙酸盐脱齒素酶晶体结构所证实[79]。并且，实验上通过对氨基酸AspllO以及ffis280进行突变得到DllON/FAc以及H280N/FAC的晶体结构，这对人们深入认识酶的催化反应过程有着深远的影响。然而,实验上未能得到野生型酶FAcD与底物FAc的晶体结构，并且对活性中心氨基酸的作用分析的不够深入，尤其是对Hisl55的作用了解尚不充分。需要特别提出的是，虽然Lonsdale等建议在分析酶分子中的His为何种结构时(Hsd、Hse或Hsp)需特别谨慎，但是目前为止还没有科学的辨别His为哪一种结构的方法[81]。本论文以氟乙酸盐脱齒素酶催化降解氟乙酸盐脱氟反应为例，使用QM/MM方法探索酶催化C-F键断裂的反应机理，并尝试建立分析Hisl55不同结构对催化反应影响的方法。结论本论文的特色和创新之处在于：(1)使用QM/MM方法从分子水平上研究了五种环境相关生物酶体系的催化反应机理，揭示了酶催化反应过程的详细信息，验证、解释并补充了相关实验结果，为相关酶在环境领域的应用提供了理论依据和科技支撑。(2)通过氨基酸静电影响分析探索了关键氨基酸在反应中的作用，以期为深入了解相关酶催化过程以及为研发高效的酶变体提供理论指导。(3)在得到的相关酶(乙酰胆碱酯酶、谷耽甘肽转移酶)催化机理的基础上，自主设计了一些药物或杀虫剂的分子结构模型，为新型药物的研发提供理论支撑。