三种结合酶催化机理的理论研究

发布时间：2018-03-07 17:25

本文选题：酶催化反应　切入点：反应机理　出处：《山东大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：酶是自然界中最为常见的生物催化剂,是生物体新陈代谢的基础。与普通催化剂相比,生物酶具有催化效率高、反应条件温和、高度的专一性等鲜明特征。随着新技术的不断涌现,酶的理论和应用也取得了巨大的发展,已成为工业生物技术的核心。近年来,利用计算机技术模拟生物大分子进行酶催化和酶改造的研究成为生物催化研究的热点,丰富了人们对酶的催化功能与结构之间的关系的认识和理解。本论文在实验上最新获取晶体结构的基础上,运用量子力学与分子力学结合(QM/MM)的方法研究了三种结合酶的催化机理。通过计算,预测了反应物、过渡态、中间体和产物的结构,计算了反应能垒,给出了反应最佳路径以及决速步骤等,在原子水平上描述了反应细节。计算结果不仅解释了实验现象,也很好地预测了关键残基的作用,弥补了实验研究的不足。这些研究结果对相关酶的研究和改造具有一定的参考价值和指导意义。本论文的主要研究内容如下:(1)乙基丙二酸脑病蛋白质1催化氧化谷胱甘肽过硫化物反应机理的研究乙基丙二酸脑病蛋白质1(ETHE1)是β-内酰胺折叠酶,是非血红素铁依赖氧化酶,与细胞内硫化氢含量增加相关。ETHE1可以催化氧化谷胱甘肽过硫化物(GSSH),而且对一些生物体的存活是必要的。目前,依据晶体结构和相似酶半胱氨酸双加氧酶(CDO)的反应,有人提出了 ETHE1大致的催化机理,但具体的反应细节还不清楚。本文用QM/MM方法研究ETHE1催化底物GSSH氧化反应的机理。结果表明,铁超氧复合物的基态为五重态,描述为GSS+·-Fe(Ⅱ)-O2·。通过对三条可能的反应路径的计算,也确定了最可能的反应历程:起始于氧分子键的断裂,同时末端氧进攻底物的硫原子,生成Fe-O键;随后Fe-O键断裂,生成亚硫酸盐中间体。此外,研究发现,与CDO的催化反应中存在单重态和五重态的自旋交叉现象不同,该反应从五重态的反应物经过三重态的中间体生成了七重态的产物。(2)血清对氧磷酶1催化二氢香豆素水解机理的理论研究血清对氧磷酶1(PON1)是一种Ca依赖酶,能够催化多种底物的水解,包括内脂、硫代内酯、碳酸酯和磷酸三酯,也能够催化多种内脂的形成。为了更好地理解PON1的催化机理,本论文用QM/MM方法探究PON1的天然底物二氢香豆素的水解机理。本文提出了两种可能的反应路径,氨基酸残基Glu53和His115分别作为碱催化反应。结果表明,两条路径的能垒分别为12.5kcal/mol和9.0kcal/mol。反应过程中,氨基酸残基Glu53和His115中的任何一个作为碱催化反应,另一个残基就会和羟基形成氢键促使水解进行。然而,突变研究表明,Glu53对水解反应是必需的;His115不是必需氨基酸,但是可以增加PON1的活性。NPA电荷分布情况表明Ca2+离子没有作为路易斯酸参与催化反应,而是起到固定底物和相关残基的作用。另外,Asp269和Ca2+之间存在配位作用且与内脂有氢键作用,从而促使醇盐离去基的质子化。这些结果解释了突变Glu53会导致PON1失活的实验现象,并和实验上二氢香豆素的水解不受His1 15突变影响的结果一致。(3)蛋氨酸γ-裂解酶催化L-蛋氨酸γ-消除反应机理的理论研究蛋氨酸γ-裂解酶(MGL)是吡哆醛5'-磷酸(PLP)盐依赖酶,能够催化L-蛋氨酸的Y-消除反应。本论文用QM/MM方法研究MGL催化L-蛋氨酸γ-消除反应的机理。根据计算结果,这个反应机理被分成了两部分。第一部分描述了从内部醛亚胺到外部醛亚胺的形成过程。其中,一分子水参与到残基Lys210的离去过程,反应能垒为14.6kcal/mol。在第二部分,我们探究了外部醛亚胺到氨基巴豆酸盐的反应机理。底物蛋氨酸Cα原子上的质子借助Lys210转移到PLP的C4'原子上。而Cβ原子上的质子通过Tyr113转移到底物蛋氨酸的S原子上,同时硫基离去生成不饱和酮亚胺。最后,C4'上的质子转移到不饱和酮亚胺的末端C原子上,生成氨基巴豆酸盐。整个反应的决速步是Cαt上的质子的夺取和C4'上的质子转移步骤,反应能垒分别为21.1kcal/mol和21.5kcal/mol。计算结果能够给PLP-依赖裂解酶反应机理的探究提供有价值的信息。本论文创新点:使用QM/MM方法对三种结合酶的催化机理进行了探究。(1)通过研究硫双加氧酶催化氧化谷胱甘肽过硫化物的反应机理,确定了超氧复合物的基态为五重态,同时描述了详细的反应历程,给出了反应中可能存在的自旋交叉现象,对实验上研究乙基丙二酸脑病变有重要指导意义。(2)通过探究了血清对氧磷酶1催化其天然底物二氢香豆素的水解机理,消除了机理上存在的争议,分析了关键残基和辅因子Ca2+离子的作用,确定了最可能的水解路径,为进一步研究血清对氧磷酶的催化机理提供了参考价值。(3)通过系统研究蛋氨酸γ-裂解酶催化L-蛋氨酸γ-消除反应的机理,详细给出了反应的细节,探讨了质子转移和硫基断裂的具体过程,填补了实验空白,也为进一步研究MGL的催化机理奠定了理论基础。
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【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O629.8;O643.31

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