量子力學(xué)結(jié)合分子力學(xué)方法在酶及核酸堿基研究中的應(yīng)用.pdf

1、酶和DNA/RNA都是重要的生物大分子，具有獨(dú)特的生物功能。其中，酶是一類具有生物催化功能的高分子物質(zhì)，其催化過程涉及底物結(jié)合、選擇性化學(xué)反應(yīng)及產(chǎn)物釋放等過程。核酸堿基作為RNA和DNA的基本結(jié)構(gòu)單元，與其特殊的光物理和光化學(xué)過程密切相關(guān)。本文應(yīng)用量子力學(xué)與分子力學(xué)組合方法(QM/MM)及分子動(dòng)力學(xué)模擬，對6-磷酸葡糖胺脫氨酶(NagB)、羥氰裂解酶（HNL）、胞嘧啶脫氨酶(yCD)的催化過程進(jìn)行了系統(tǒng)的理論研究。預(yù)測了酶催化反應(yīng)的微觀

2、機(jī)理，及底物結(jié)合和產(chǎn)物釋放的通道和能量學(xué)性質(zhì)，探討了催化反應(yīng)及無規(guī)則卷曲對pH值的依賴性，揭示了保守殘基對底物結(jié)合和催化活性調(diào)控的作用機(jī)制，為酶催化劑的改進(jìn)及相關(guān)藥物設(shè)計(jì)提供理論線索。采用多種理論模型和方法，對核酸堿基激發(fā)態(tài)性質(zhì)及其水介質(zhì)效應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)的計(jì)算研究，結(jié)果表明，QM/MM結(jié)合連續(xù)介質(zhì)模型方法可以合理描述激發(fā)態(tài)的溶劑效應(yīng)。
　　本論文獲得的主要結(jié)果如下:
　　(1)6-磷酸葡糖胺脫氨酶(NagB)能夠催化6-磷酸葡

3、糖胺(GlcN6P)轉(zhuǎn)化為6-磷酸果糖(F6P)和氨分子，決定N-乙酰葡糖胺(GlcNAc)的代謝宿命。通過系統(tǒng)的QM/MM MD計(jì)算模擬研究，預(yù)測了GlcN6P在堿性溶液中的催化開環(huán)機(jī)理，提出了兩種質(zhì)子傳遞機(jī)制，發(fā)現(xiàn)底物氨基質(zhì)子化狀態(tài)決定了不同的催化反應(yīng)機(jī)制，且催化三連體在誘導(dǎo)質(zhì)子轉(zhuǎn)移與促進(jìn)底物開環(huán)過程中起到重要作用。開環(huán)反應(yīng)決速步驟的能壘為17.9 kcal mol-1。此外，底物結(jié)合時(shí)，lid motif區(qū)在酸性溶液中傾向“閉”態(tài)

4、，但在堿性溶液中為“開”態(tài)，殘基His145的不同質(zhì)子化形式調(diào)控lid motif區(qū)“閉-開”的動(dòng)態(tài)行為，影響酶的活性。
　　(2)羥氰裂解酶（HNLs）可以催化氰醇生成相應(yīng)酮（醛）和氫氰酸(HCN)，以此協(xié)助植物抵御外界侵害，其逆反應(yīng)有助于手性藥物的生物合成。我們采用QM/MM MD結(jié)合MM MD的方法，對來自橡膠樹的羥氰裂解酶(HbHNL)的催化過程進(jìn)行了理論研究。計(jì)算結(jié)果表明，催化反應(yīng)分為兩步:第一步為雙質(zhì)子轉(zhuǎn)移及C-CN鍵

5、的斷裂，第二步為HCN的形成，后者為決速步驟，能壘為18 kcal mol-1。值得注意的是，Lys236的質(zhì)子化狀態(tài)在一定程度上影響了酶催化的效率，并改變了整個(gè)催化機(jī)理。在底物傳遞及HCN釋放中，Trp128起了重要的調(diào)節(jié)作用。底物結(jié)合到活性位點(diǎn)為強(qiáng)放熱過程，且HCN釋放所需能量較少，幾乎沒有能壘，二者共同驅(qū)動(dòng)酶催化反應(yīng)進(jìn)行。此外，保守殘基在底物結(jié)合及酶催化活性調(diào)控中也起了重要作用。
　　(3)胞嘧啶脫氨酶(yCD)在基因誘導(dǎo)藥

6、物前體治療中是重要靶標(biāo)，能夠催化胞嘧啶轉(zhuǎn)化為尿嘧啶。我們采用QM(B3LYP)/MM MD方法，對其催化機(jī)理進(jìn)行了計(jì)算模擬研究，結(jié)果顯示，雖然胞嘧啶與鋅并未直接相連，但能通過與鋅配位的水分子發(fā)生反應(yīng)，保守殘基Glu64作為廣義酸堿，調(diào)控水和胞嘧啶間的質(zhì)子轉(zhuǎn)移。在胞嘧啶轉(zhuǎn)化為與鋅配位的尿嘧啶的過程中，質(zhì)子由水分子轉(zhuǎn)移至Glu64與Glu64的去質(zhì)子化同時(shí)發(fā)生，為決速步驟，能壘為12.1 kcal mol-1;接下來，羥基陰離子親核進(jìn)攻胞嘧

7、啶環(huán)碳原子，形成四面體中間體;最后，Glu64誘導(dǎo)質(zhì)子由4-羥基轉(zhuǎn)移至氨基，從而生成尿嘧啶，釋放氨分子。在尿嘧啶由結(jié)合態(tài)演化成自由態(tài)的過程中，質(zhì)子由水分子轉(zhuǎn)移至Glu64和水分子親核進(jìn)攻為決速步驟，能壘為18.0 kcal mol-1，也決定了整個(gè)反應(yīng)的反應(yīng)速率。
　　(4)我們采用含時(shí)密度泛函理論(Time-Dependent Density Functional Theory，TD-DFT)對尿嘧啶、胸腺嘧啶、腺嘌呤、鳥嘌呤和

8、胞嘧啶在氣相和水溶液中的吸收光譜進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算顯示，基于傳統(tǒng)分子動(dòng)力學(xué)（Molecular Dynamics，MD）平衡構(gòu)型，采用量子力學(xué)結(jié)合分子力學(xué)(Quantum Mechanics/Molecular Mechanics，QM/MM)方法可以獲得好的優(yōu)化溶劑簇。將QM/MM簇與連續(xù)介質(zhì)模型相結(jié)合，能夠合理描述核酸堿基激發(fā)態(tài)的溶劑效應(yīng)，用相對較小的計(jì)算量獲取較為準(zhǔn)確的吸收光譜。其中，PCM/TD-X3LYP得到的水溶液中垂直激發(fā)能