论文题目：AGE酶家族催化差向异构化反应机理的QM/MM研究
摘要：糖类及其衍生物在生命体内有很重要的生物学作用,是生命体组成最基本的有机化合物之一。因此,糖的代谢也是生物体内新陈代谢中最重要的组成部分。糖的代谢包括糖的脱氢、糖的氧化、糖的还原、糖的乙酰化、糖的异构化以及糖的差向异构化。在本论文中我们主要关注的是糖的差向异构酶。差向异构酶是一种异构酶,主要负责催化生物合成或者人工合成分子的立体构型的转变。而糖的差向异构化酶催化糖分子内某手性中心构型的转变。在过去的30年里,共有30多种的糖差向异构酶被报道,但他们可能的催化机理却只有5种,分别为去质子化/得质子机制、瞬态中间体酮机制、碳碳键的裂解机制、核苷酸消除机制和变旋机制。过渡态结构对于理解酶催化反应的机制有着至关重要的作用,但过渡态结构生命周期极短,单单依靠实验手段很难捕获到。理论化学的出现却有效的弥补了实验手段在这一研究领域的缺陷。量子力学/分子力学联用方法（QM/MM）一方面解决了酶催化反应过程中涉及的断键、成键和电子结构变化等问题,即引入了高精度可描述电子运动的量子力学方法（QM）;此外还解决了模拟酶几万个原子运动的问题,即引入了可描述原子核运动的低精度的分子力学方法（MM）。本论文研究酶催化反应机制所用的研究方法为QM/MM联用方法。本论文重点关注糖差向异构化反应中的去质子化/得质子化机制,选取的差向异构酶为纤维二糖2-差向异构酶（Ra CE）和N-乙酰-D-葡萄糖胺2-差向异构酶（p AGE）。Ra CE酶和p AGE酶都属于AGE酶家族。虽然它们的催化底物不同,但它们的催化异构化反应都发生在C2位置,有着相似的催化机理。其中Ra CE酶催化异构化未修饰的寡糖,p AGE酶催化异构化修饰型的寡糖。AGE酶家族分两步催化开环后的异构化反应,即底物C2位置去质子过程和C2位置重得质子过程。在本论文中,我们通过对Ra CE/MAN复合物模型和p AGE/Man NAc复合物模型的理论计算来研究AGE酶家族这两类催化机制的异同点。我们采用的方法为QM/MM方法结合伞形取样,QM部分方法采用的是AM1半经验方法。计算结果表明,无论是催化未修饰的寡糖还是催化修饰型的寡糖,当C2位置去质子化以后,底物C1-C2键会形成碳碳双键,两类反应的不同点在于C-H活化的方式不同和O24原子的朝向不同。此外,催化反应的决速步骤都是第二步反应,即得质子过程。Ra CE酶催化两步反应的能垒为10.9和12.5 kcal/mol,p AGE酶催化两步反应的能垒12.3和16.6 kcal/mol。在得质子过程中,C3-C2键都会扭转大约60°到70°帮助底物C2位置重新质子化。此外,我们还得到了整个反应过程中的过渡态、中间体的结构信息。分析这些结构信息我们可以知道,Arg52,Tyr110,Asn180,His184,His243和His374对于过渡态的稳定起到了重要的作用。尤其是,Arg52-Ra CE和Arg60-p AGE在AGE家族酶中具有很强的保守性,它们对于异构化反应过程中过渡态和中间体的稳定都具有重要的意义。
关键词：糖的差向异构酶;量子力学/分子力学联用方法;酶催化反应机理;RaCE酶;pAGE酶;去质子化/得质子化机制
学科专业：物理化学
中文摘要
Abstract
第1章 引言
§1.1 酶的概述
§1.1.1 酶简介
§1.1.2 酶与底物的结合
§1.1.3 酶催化机理
§1.2 AGE酶家族简介
§1.2.1 糖的差向异构酶简介
§1.2.2 AGE酶家族简介
§1.3 研究的目的及内容
第2章 理论基础与计算方法
§2.1 引言
§2.2 量子化学简介
§2.3 分子力学简述
§2.3.1 分子力场
§2.3.2 能量最小化
§2.4 分子动力学简介
§2.5 量子力学/分子力学联用方法
§2.5.1 两类能量计算方案
§2.5.2 内外层之间相互作用的处理方法
§2.5.3 边界处理方法
§2.6 伞形取样
第3章 AGE酶家族催化机制的理论研究
§3.1 引言
§3.2 计算方法和计算细节
§3.2.1 初始模型的建立
§3.2.2 分子动力学平衡
§3.2.3 QM/MM伞形取样动力学模拟
§3.3 结果与讨论
§3.3.1 RaCE/MAN复合物模型和pAGE/ManNAc复合物模型的动力学模拟
§3.3.2 QM/MM计算测试
§3.3.3 RaCE酶催化异构化反应
§3.3.4 pAGE酶催化异构化反应
§3.3.5 过渡态结构分析
§3.4 本章小结
参考文献
致谢