老黄素家族酶代谢TNT的Meisenheimer路径及其分子机制的模拟研究
发布时间：2023-05-17 23:32
含能材料的污染问题已成为全球性难题,美国国防部统计美国约有1500万公顷的土地受到含能材料的污染,预估的修复费用高达80到1410亿美元。其中,用量大、应用广的2,4,6-三硝基甲苯(TNT)是最受关注的污染组分之一。TNT可导致中毒性白内障、溶血性贫血、高铁血红蛋白症、肝功能异常等疾病,而且其分子结构稳定,难以降解,是一种持久性污染物,会给生态系统和人类健康带来潜在危害。考虑到受污染地区的规模,采用生物降解技术修复含能材料(包括TNT)污染已成为最具成本效益和环境友好的方法之一。目前TNT的生物降解途径主要有两条:硝基还原路径和苯环还原路径。苯环还原路径因其会生产麦森海默(Meisenheimer)复合结构又称为Meisenheimer路径,此路径降解过程中无亚硝基或羟胺等有毒中间产物,可去芳香化,被认为是最可能实现TNT开环降解的环境友好型路径。遗憾的是已发现的能够使TNT发生Meisenheimer·降解路径的生物酶很少,都来自于同一个家族即老黄素酶家族(OYEs),且这些酶催化降解TNT的分子反应机制仍不清楚,限制了 TNT生物修复技术的发展和应用。分子模拟技术的出现为酶催化机...
【文章页数】：136 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 TNT的毒性效应简介
1.1.1 主要毒性表现
1.1.2 毒性机制
1.2 TNT的污染概况及治理方法
1.2.1 污染概况
1.2.2 传统治理方法
1.3 新型治理方法—酶催化降解法
1.3.1 酶的概念及特点
1.3.2 酶的活性中心
1.3.3 酶催化降解的化学本质及特点
1.4 TNT酶催化降解的国内外研究现状及存在的问题
1.4.1 TNT的降解途径及降解产物
1.4.2 TNT的典型降解酶—老黄素家族酶的结构及其作用机理
1.4.3 TNT酶催化降解存在的问题
1.5 理论计算在酶催化反应研究中的应用
1.5.1 研究酶催化反应机理
1.5.2 研究酶的结构对催化过程的影响
1.6 课题的研究目的和研究内容
第二章 理论基础与计算方法
2.1 引言
2.2 分子动力学模拟方法
2.2.1 分子力学基本原理简介
2.2.2 分子动力学与算法简介
2.2.3 分子力场
2.2.4 分子动力学模拟的基本步骤
2.3 热力学积分法(TI)
2.3.1 自由能计算方法
2.3.2 计算原理
2.4 经验价键法(EVB)
2.4.1 EVB简介
2.4.2 原理及算法
2.5 密度泛函理论(DFT)
第三章 季戊四醇四硝酸酯还原酶催化降解TNT的反应机理研究
3.1 引言
3.2 计算方法及具体参数
3.2.1 体系准备
3.2.2 分子动力学模拟
3.2.3 热力学积分计算
3.2.4 经验价键计算
3.3 结果与讨论
3.3.1 TNT分子在活性中心的构象变化及反应位点分析
3.3.2 TNT分子在活性中心的稳定机制
3.3.3 水分子的径向分布函数
3.3.4 两条降解路径的氢转移反应自由能及产物稳定性对比
3.3.5 两条降解路径的氢转移反应势垒及氢转移类型对比
3.4 本章小结
第四章 典型老黄素家族酶催化降解TNT的反应路径研究
4.1 引言
4.2 计算方法及具体参数
4.2.1 体系准备
4.2.2 分子对接
4.2.3 分子动力学模拟
4.2.4 经验价键计算
4.3 结果与讨论
4.3.1 活性中心的平衡构象分析
4.3.2 TNT与FMNH2的Π-Π堆积结构的作用
4.3.3 HIS184的非普适性作用
4.3.4 活性中心的Π-Π相互作用竞争机制
4.3.5 TNT降解路径的定向突变调控方案
4.4 本章小结
第五章 麦森海默一氢化合物的酶催化降解反应机理研究
5.1 引言
5.2 计算方法及具体参数
5.2.1 体系准备
5.2.2 分子对接
5.2.3 分子动力学模拟
5.2.4 经验价键计算
5.3 结果与讨论
5.3.1 平衡构象分析
5.3.1.1 RMSD分析
5.3.1.2 几何构象分析
5.3.2 氢转移位点及活化能分析
5.3.3 H-TNT在五种酶活性中心的结合机制
5.3.4 影响TNT与H-TNT构象的关键残基对比
5.3.5 H-TNT与TNT的静电势及RESP电荷对比
5.4 本章小结
第六章 麦森海默二氢化合物的后续转化过程及机理研究
6.1 引言
6.2 计算方法及具体参数
6.3 结果与讨论
6.3.1 紫外可见光谱计算及泛函与基组选择
6.3.2 质子化过程推测及产物自由能计算
6.3.3 水解反应过程及机理推测
6.3.4 开环反应过程及机理推测
6.3.5 二聚反应过程推测及自由能计算
6.3.6 最佳反应路径全过程及自由能变化
6.4 本章小结
第七章 结论与展望
7.1 结论
7.2 课题特色与创新点
7.3 展望
致谢
参考文献
附录
本文编号：3818223
【文章页数】：136 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 TNT的毒性效应简介
1.1.1 主要毒性表现
1.1.2 毒性机制
1.2 TNT的污染概况及治理方法
1.2.1 污染概况
1.2.2 传统治理方法
1.3 新型治理方法—酶催化降解法
1.3.1 酶的概念及特点
1.3.2 酶的活性中心
1.3.3 酶催化降解的化学本质及特点
1.4 TNT酶催化降解的国内外研究现状及存在的问题
1.4.1 TNT的降解途径及降解产物
1.4.2 TNT的典型降解酶—老黄素家族酶的结构及其作用机理
1.4.3 TNT酶催化降解存在的问题
1.5 理论计算在酶催化反应研究中的应用
1.5.1 研究酶催化反应机理
1.5.2 研究酶的结构对催化过程的影响
1.6 课题的研究目的和研究内容
第二章 理论基础与计算方法
2.1 引言
2.2 分子动力学模拟方法
2.2.1 分子力学基本原理简介
2.2.2 分子动力学与算法简介
2.2.3 分子力场
2.2.4 分子动力学模拟的基本步骤
2.3 热力学积分法(TI)
2.3.1 自由能计算方法
2.3.2 计算原理
2.4 经验价键法(EVB)
2.4.1 EVB简介
2.4.2 原理及算法
2.5 密度泛函理论(DFT)
第三章 季戊四醇四硝酸酯还原酶催化降解TNT的反应机理研究
3.1 引言
3.2 计算方法及具体参数
3.2.1 体系准备
3.2.2 分子动力学模拟
3.2.3 热力学积分计算
3.2.4 经验价键计算
3.3 结果与讨论
3.3.1 TNT分子在活性中心的构象变化及反应位点分析
3.3.2 TNT分子在活性中心的稳定机制
3.3.3 水分子的径向分布函数
3.3.4 两条降解路径的氢转移反应自由能及产物稳定性对比
3.3.5 两条降解路径的氢转移反应势垒及氢转移类型对比
3.4 本章小结
第四章 典型老黄素家族酶催化降解TNT的反应路径研究
4.1 引言
4.2 计算方法及具体参数
4.2.1 体系准备
4.2.2 分子对接
4.2.3 分子动力学模拟
4.2.4 经验价键计算
4.3 结果与讨论
4.3.1 活性中心的平衡构象分析
4.3.2 TNT与FMNH2的Π-Π堆积结构的作用
4.3.3 HIS184的非普适性作用
4.3.4 活性中心的Π-Π相互作用竞争机制
4.3.5 TNT降解路径的定向突变调控方案
4.4 本章小结
第五章 麦森海默一氢化合物的酶催化降解反应机理研究
5.1 引言
5.2 计算方法及具体参数
5.2.1 体系准备
5.2.2 分子对接
5.2.3 分子动力学模拟
5.2.4 经验价键计算
5.3 结果与讨论
5.3.1 平衡构象分析
5.3.1.1 RMSD分析
5.3.1.2 几何构象分析
5.3.2 氢转移位点及活化能分析
5.3.3 H-TNT在五种酶活性中心的结合机制
5.3.4 影响TNT与H-TNT构象的关键残基对比
5.3.5 H-TNT与TNT的静电势及RESP电荷对比
5.4 本章小结
第六章 麦森海默二氢化合物的后续转化过程及机理研究
6.1 引言
6.2 计算方法及具体参数
6.3 结果与讨论
6.3.1 紫外可见光谱计算及泛函与基组选择
6.3.2 质子化过程推测及产物自由能计算
6.3.3 水解反应过程及机理推测
6.3.4 开环反应过程及机理推测
6.3.5 二聚反应过程推测及自由能计算
6.3.6 最佳反应路径全过程及自由能变化
6.4 本章小结
第七章 结论与展望
7.1 结论
7.2 课题特色与创新点
7.3 展望
致谢
参考文献
附录
本文编号：3818223
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