论文摘要
蛋白质是生物体中最重要的大分子之一,几乎所有的生命活动都有蛋白质分子的参与。酶是生物体内由细胞产生的一种生物催化剂。绝大部分酶是由蛋白质组成的。在机体中十分温和的条件下,酶能高效的催化各种生物化学反应,促进生物体的新陈代谢。生命活动,包括消化,吸收,呼吸运动和生殖等等,都是酶促反应过程。在这个意义上,可以说酶是细胞赖以生存的基础。基于其重大生物学意义,酶的催化机理的研究渐渐成为大家重视的课题。作为一种研究蛋白质结构与功能之间关系的重要工具,分子模拟方法可以在原子水平刻划构象的空间分布,因而成为实验的重要补充。一般而言,分子模拟的质量极大的依赖于所使用分子力场的精确性。QM/MM方法通过结合量子力学/分子力学的处理手段,为酶反应机理的描述提供了一个有效的方法。酶的活性中心由于只包含不多的原子,可以用量子力学的方法来处理,其余的酶环境和溶液部分则用分子力学的方法来处理。QM/MM结合模型为推断过渡态结构,阐明酶催化机理的研究提供了有力的支持。本论文的主要内容是在同一模型下讨论两种酶为什么在类似的催化反应中会有不同的金属选择性。使用分子力学和量子力学结合的方法来研究大肠杆菌多肽水解酶(PDF)和嗜热溶蛋白芽孢杆菌蛋白酶(TLN)的催化反应机理,使用改进的弹力索(NEB)方法来得到反应完整的能量最小路径。我们在第1章中介绍了分子模拟的基本概念和方法。在第2章中,我们着重介绍了确定化学反应可能路径的常用方法。我们讨论了如何在酶体系这样具有成千上万自由度的体系中,计算反应的活化能,以及搜索过渡态和中间态的构象空间。通过确定过渡态和活性中心的细致结构,我们能够阐明酶活性中心能够具有高效,专一的稳定的催化性能的理论基础,并最终实现酶空间结构改造或合理抑制剂设计。为了寻找多步酶反应中的能量最小路径(MEP),一种基于NEB方法的快速路径优化的方法被发展出来。酶反应机理研究的困难主要来自于酶反应体系中大量的,和反应无关的自由度的计算。原始的NEB方法进行一些改进,能够应用到复杂的酶反应体系中。第3章中,在这些改进的基础上,我们结合AM1/AMBER,QM/MM模型,计算了Escherichia coli Pepfide Deformylase和Bacillusthermoprofeolyticus ThermoIysin的水解反应的反应路径。该反应是由四步基元反应组成,其中涉及到金属中心四配位到五配位的结构转化,以及三个化学键的形成和断裂。特别的是,这两种酶有几乎相同反应机理却有着完全不同的与反应活性相关的金属离子选择性。我们针对这样的两个体系选择了同样的模型进行研究和比较。我们在没有任何关于其反应发生顺序的假定的情况下,计算出了酶反应的路径。我们得到的结果与其他理论计算的结果符合得很好。