超氧化物歧化酶催化反應(yīng)機(jī)理的研究.pdf

1、鑒于超氧化物歧化酶清除生物體內(nèi)自由基的重要性，長期以來一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)；特別近幾年來鎳超氧化物歧化酶結(jié)構(gòu)的表征，更是引起了研究者的興趣。近年來許多理論和實(shí)驗(yàn)工作者對(duì)超氧化物歧化酶的催化性能進(jìn)行了研究和報(bào)道。 盡管有關(guān)超氧化物歧化酶的EPR，XAS光譜和理論等研究已報(bào)道，但對(duì)于超氧化物歧化酶催化歧化超氧陰離子自由基的反應(yīng)機(jī)理以及電子轉(zhuǎn)移情況一直都是人們爭(zhēng)論的重點(diǎn)。本文采用高斯程序中的密度泛函方法對(duì)銅鋅超氧化物歧化酶、鎳超氧化物

2、歧化酶的催化機(jī)理及電子轉(zhuǎn)移進(jìn)行了研究。 本論文的主要研究內(nèi)容為： 用密度泛函理論(DFT)研究了銅鋅超氧化物歧化酶催化歧化超氧陰離子自由基的反應(yīng)機(jī)理，通過優(yōu)化得到了反應(yīng)物、中間體、過渡態(tài)的結(jié)構(gòu)構(gòu)型。研究表明，該反應(yīng)是分兩步完成的，反應(yīng)(1)過程中首先O2-先進(jìn)攻活性中心的Cu2+形成復(fù)合物，然后在O2-與銅離子配位后His61經(jīng)過一個(gè)過渡態(tài)離去，最后先前離去的咪唑基又重新與銅離子配位并釋放出氧氣。反應(yīng)(2)與反應(yīng)(1)的

3、過程相似，唯一的不同點(diǎn)在于Cu-NεHis61在反應(yīng)(2)過程中是一直連接在一起的；一價(jià)銅原子轉(zhuǎn)一個(gè)電子給O2-并形成過氧化氫，還原態(tài)的CuZnSOD回到初始態(tài)。根據(jù)計(jì)算我們得到溶劑中的吉布斯自由能變化曲線圖，通過圖示可以得出在二乙醚中反應(yīng)勢(shì)壘比在水中的勢(shì)壘低。本文還討論了溶劑效應(yīng)對(duì)整個(gè)反應(yīng)的影響，其中靜電作用能對(duì)溶劑自由能的貢獻(xiàn)最大。根據(jù)過渡態(tài)理論計(jì)算出反應(yīng)(2)的速率常數(shù)在二乙醚中為2.7×109 M-1s-1(在水中為6.0×10

4、10 M-1s-1)，該理論值與實(shí)驗(yàn)值2×109 M-1s-1很接近。 用密度泛函理論(DFT)研究了鎳超氧化物歧化酶催化歧化超氧陰離子自由基的反應(yīng)機(jī)理，通過優(yōu)化得到了反應(yīng)物、中間體、過渡態(tài)的結(jié)構(gòu)構(gòu)型。研究表明，該反應(yīng)是分兩步完成的，反應(yīng)(1)的具體步驟為：首先O2-先進(jìn)攻活性中心的Ni3+形成復(fù)合物；然后在O2-與鎳離子配位后Ni-NδSHis1之間經(jīng)過一個(gè)過渡態(tài)斷開，該反應(yīng)為協(xié)同反應(yīng)勢(shì)壘為14.9 kcal/mol；最后得到

5、還原態(tài)的NiSOD并釋放出氧氣。在反應(yīng)(2)中，首先Ni2+-SOD失去一個(gè)電子而被O2-氧化；然后·OOH接受一個(gè)質(zhì)子形成過氧化氫；最后先前斷裂的咪唑基又與Ni重新配位并放出過氧化氫。催化劑NiSOD回到初始態(tài)在整個(gè)催化過程中保持不變。此外，我們還考慮了氫鍵對(duì)整個(gè)反應(yīng)的影響，其中(Arg)-H與(Cys)-O、(Glu17)-CO2-與(His1)N-H之間的氫鍵作用很強(qiáng)，對(duì)降低反應(yīng)勢(shì)壘起到顯著作用，氫鍵能是整個(gè)反應(yīng)能量的重要組成部分