酶反應(yīng)機(jī)理的多理論層次量子力學(xué)-分子力學(xué)研究.pdf

1、酶是生物體內(nèi)高效的催化劑，它能顯著地催化各種生化反應(yīng)過(guò)程，促進(jìn)生物體的新陳代謝。在大多數(shù)的生命活動(dòng)中，酶促反應(yīng)都起著至關(guān)重要的作用。透徹的理解和領(lǐng)悟酶的“工作”機(jī)制是進(jìn)一步理解生命過(guò)程的根本性的要求；也是進(jìn)一步應(yīng)用酶的高效、專(zhuān)一性服務(wù)于生命活動(dòng)過(guò)程的內(nèi)在要求。實(shí)驗(yàn)上，三維酶結(jié)構(gòu)的解析技術(shù)(例如：x-ray，NMR等)和基因工程都取得了巨大的進(jìn)展。不過(guò)，酶的結(jié)構(gòu)與其催化功能是如何相關(guān)的，以及在一個(gè)具體的催化反應(yīng)里不同的催化機(jī)理的可行性的如

2、何甄別，這些都不是完全清楚，計(jì)算機(jī)模擬為我們開(kāi)辟了除實(shí)驗(yàn)、理論之外的又一新的途徑。 酶是至少包括了數(shù)千上萬(wàn)個(gè)原子的大分子而且是非均質(zhì)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(jì)算中要考慮整個(gè)體系。QM/MM方法折中而有效的考慮了計(jì)算精度的需求與花費(fèi)的可行性，已成為研究溶液及酶體系反應(yīng)的一個(gè)重要手段。在QM/MM方法計(jì)算中，多個(gè)理論水平層次的QM方法從半經(jīng)驗(yàn)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(yīng)用。不過(guò)一直以來(lái)，準(zhǔn)確的從頭算水平的QM/MM研究由于其需較多的機(jī)時(shí)花費(fèi)大多被用于單點(diǎn)計(jì)算和勢(shì)能面的決定，在計(jì)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(duì)比較小QM部分的一維的自由能面的獲得。半經(jīng)驗(yàn)水平的QM/MM的計(jì)算機(jī)時(shí)花費(fèi)是較低的，能有效的被用于自由能面的采樣，不過(guò)半經(jīng)驗(yàn)方法的準(zhǔn)確度是體系依賴的，在不同的體系中它的結(jié)果可能是不可靠的。這就要求應(yīng)用多理論層次的QM/MM如

4、何有效而準(zhǔn)確來(lái)獲得勢(shì)能面和自由能面。 我們?cè)谶@個(gè)方面進(jìn)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(jī)理。在第二章中，我們?cè)斒鲞@個(gè)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(jī)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(gè)酶的催化反應(yīng)研究中，我們獲得了重要的發(fā)現(xiàn)，包括在Schiff堿的形成步驟中底物絲氨酸

5、的羧基的化學(xué)角色和在β-羥基消去步驟中一個(gè)涉及磷酸基團(tuán)的質(zhì)子依賴的機(jī)理。后面這步反應(yīng)是隨著α-氫的消去而后自發(fā)的(無(wú)能壘的)進(jìn)行的，這也說(shuō)明這是一個(gè)連續(xù)進(jìn)行的α，β-消去反應(yīng)。我們也獲得了這個(gè)催化過(guò)程的限速步驟和被酶環(huán)境穩(wěn)定的過(guò)渡態(tài)。在這個(gè)過(guò)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(fù)雜的酶反應(yīng)中一個(gè)主要的困難是準(zhǔn)確合適的反應(yīng)坐標(biāo)的選擇

6、，在這個(gè)研究中，我們利用了半經(jīng)驗(yàn)AM1/MM和路徑優(yōu)化技術(shù)克服了這個(gè)困難。 我們的工作也涉及了多理論層次的QM/MM方法計(jì)算多維的自由能面來(lái)獲得復(fù)雜體系(例如酶體系)的熱力學(xué)性質(zhì)。自由能的計(jì)算是研究熱力學(xué)性質(zhì)的首要任務(wù)，同樣是分子模擬領(lǐng)域最困難的方向之一。在第三章里，敘述了我們提出的應(yīng)用自適應(yīng)傘形采樣方法來(lái)探索多維的自由能面用以研究溶液中或酶中的復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)問(wèn)題。自適應(yīng)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?jì)算其

7、準(zhǔn)確的自由能面，我們巧妙地設(shè)計(jì)了一個(gè)逐步遞增閥來(lái)嚴(yán)格的控制在研究體系中的自適應(yīng)傘形勢(shì)增加。在采樣過(guò)程中，我們應(yīng)用了AM1/MM這個(gè)半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，為了避免了AM1模型本身的缺點(diǎn)，我們加入了特異的反應(yīng)參數(shù)，使得不失構(gòu)象采樣的高效性的同時(shí)也保證了采樣勢(shì)的正確。為了進(jìn)一步提高效率，一個(gè)全局背景勢(shì)也被應(yīng)用，它作為反應(yīng)坐標(biāo)的函數(shù)一定程度上彌補(bǔ)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(cè)試了我們的方法，得到了收斂的自由能面，溶