酶反應機理的多理論層次量子力學-分子力學研究.pdf

1、酶是生物體內高效的催化劑，它能顯著地催化各種生化反應過程，促進生物體的新陳代謝。在大多數的生命活動中，酶促反應都起著至關重要的作用。透徹的理解和領悟酶的“工作”機制是進一步理解生命過程的根本性的要求；也是進一步應用酶的高效、專一性服務于生命活動過程的內在要求。實驗上，三維酶結構的解析技術(例如：x-ray，NMR等)和基因工程都取得了巨大的進展。不過，酶的結構與其催化功能是如何相關的，以及在一個具體的催化反應里不同的催化機理的可行性的如

2、何甄別，這些都不是完全清楚，計算機模擬為我們開辟了除實驗、理論之外的又一新的途徑。 酶是至少包括了數千上萬個原子的大分子而且是非均質的，它的非凡的催化能力不僅由活性中心決定而且也受蛋白和溶劑控制。這就要求計算中要考慮整個體系。QM/MM方法折中而有效的考慮了計算精度的需求與花費的可行性，已成為研究溶液及酶體系反應的一個重要手段。在QM/MM方法計算中，多個理論水平層次的QM方法從半經驗水平的方法到從頭算的分子軌道或密度泛函理論都

3、能被應用。不過一直以來，準確的從頭算水平的QM/MM研究由于其需較多的機時花費大多被用于單點計算和勢能面的決定，在計算自由面中也只是用優(yōu)化QM部分、采樣MM部分的策略，從頭算水平的QM與MM部分的同步采樣也局限于相對比較小QM部分的一維的自由能面的獲得。半經驗水平的QM/MM的計算機時花費是較低的，能有效的被用于自由能面的采樣，不過半經驗方法的準確度是體系依賴的，在不同的體系中它的結果可能是不可靠的。這就要求應用多理論層次的QM/MM如

4、何有效而準確來獲得勢能面和自由能面。 我們在這個方面進行了一系列的工作，包括了多理論層次的QM/MM研究酶的催化機理。在第二章中，我們詳述這個工作。我們用多理論層次的QM/MM方法研究了L-絲氨酸脫水酶(SDH，EC4.3.1.17)的催化機理。L-絲氨酸脫水酶(SDH，EC4.3.1.17)是一種重要的5’-磷酸吡哆醛(PLP)依賴的酶。在這個酶的催化反應研究中，我們獲得了重要的發(fā)現，包括在Schiff堿的形成步驟中底物絲氨酸

5、的羧基的化學角色和在β-羥基消去步驟中一個涉及磷酸基團的質子依賴的機理。后面這步反應是隨著α-氫的消去而后自發(fā)的(無能壘的)進行的，這也說明這是一個連續(xù)進行的α，β-消去反應。我們也獲得了這個催化過程的限速步驟和被酶環(huán)境穩(wěn)定的過渡態(tài)。在這個過渡態(tài)，底物絲氨酸的羧基和Lys41的氨基的電荷被局域化，使得它們與酶環(huán)境特定的相互作用能夠顯著的降低活化能。另一方面，在從頭算QM/MM方法研究復雜的酶反應中一個主要的困難是準確合適的反應坐標的選擇

6、，在這個研究中，我們利用了半經驗AM1/MM和路徑優(yōu)化技術克服了這個困難。 我們的工作也涉及了多理論層次的QM/MM方法計算多維的自由能面來獲得復雜體系(例如酶體系)的熱力學性質。自由能的計算是研究熱力學性質的首要任務，同樣是分子模擬領域最困難的方向之一。在第三章里，敘述了我們提出的應用自適應傘形采樣方法來探索多維的自由能面用以研究溶液中或酶中的復雜的化學反應問題。自適應傘形采樣是一種高效的采樣稀少事件的重要方法。我們?yōu)榱擞嬎闫?/p>

7、準確的自由能面，我們巧妙地設計了一個逐步遞增閥來嚴格的控制在研究體系中的自適應傘形勢增加。在采樣過程中，我們應用了AM1/MM這個半經驗模型，為了避免了AM1模型本身的缺點，我們加入了特異的反應參數，使得不失構象采樣的高效性的同時也保證了采樣勢的正確。為了進一步提高效率，一個全局背景勢也被應用，它作為反應坐標的函數一定程度上彌補了自由能面上深的局部極小、從而降低了能壘。我們用甲酸二聚體(FAD)測試了我們的方法，得到了收斂的自由能面，溶