乳清酸核苷單磷酸鹽脫羧酶催化反應(yīng)的作用機(jī)制.pdf

1、乳清酸核苷-5'-單磷酸鹽脫羧酶(ODCase)催化乳清酸核苷-5'-單磷酸鹽(OMP)脫羧生成尿苷-5'-單磷酸鹽(UMP)是目前已知催化效率最高的酶催化反應(yīng)之一，而且其高效的催化作用是在沒有金屬離子、有機(jī)小分子等輔基的幫助下完成的；另外，對(duì)于一般脫羧反應(yīng)的催化劑，其基本作用是幫助離域化底物分子釋放出 CO2后形成的負(fù)電荷，但底物OMP卻沒有一個(gè)可使碳負(fù)離子中間體電子離域的π軌道。這些特性是脫羧酶所不常見的。ODCase也因此成為理論

2、和實(shí)驗(yàn)上所廣泛關(guān)注和研究的焦點(diǎn)。同時(shí)這為我們更深入的了解酶的催化機(jī)理提供了一個(gè)很理想的研究模型。
　　盡管在理論和實(shí)驗(yàn)上對(duì)ODCase催化 OMP脫羧反應(yīng)機(jī)理已經(jīng)做了大量的研究，很多種的反應(yīng)機(jī)理被提出來(lái)而且進(jìn)行了廣泛詳細(xì)的討論，現(xiàn)有這些機(jī)理中，比較有前途的有三種:C6直接脫羧機(jī)理，O2質(zhì)子化機(jī)理和O4質(zhì)子化機(jī)理(卡賓機(jī)理)，但至今關(guān)于ODCase催化機(jī)理仍沒有定論。
　　造成這種局面的主要原因是現(xiàn)有的研究工作都是采用不同理論

3、和實(shí)驗(yàn)的方法，是利用非酶催化類比實(shí)驗(yàn)得出 O2位的質(zhì)子化機(jī)理。Houk等人用理論化學(xué)方法計(jì)算了氣相中的乳清酸鹽和去質(zhì)子化的脲嘧啶的質(zhì)子親和力，提出了卡賓反應(yīng)機(jī)理等等。雖然這些機(jī)理都有相關(guān)研究的支持，但我們認(rèn)為由于酶催化機(jī)理本身與非酶催化存在著本質(zhì)的區(qū)別，這種類比的可靠性如何?此外，目前尚未有對(duì)上述機(jī)理用統(tǒng)一的理論方法進(jìn)行系統(tǒng)全面研究的報(bào)道。
　　本文首先設(shè)計(jì)了幾種非催化反應(yīng)模型，重點(diǎn)討論了羰基氧上水分子氫鍵的作用和反溶劑化對(duì)各種反

4、應(yīng)模型的機(jī)理的影響；然后針對(duì)三種主要的質(zhì)子化機(jī)理(O2、O4和C6)進(jìn)行了氣相和溶劑中的反應(yīng)機(jī)理的詳細(xì)討論和研究，其中包括對(duì)反溶劑化作用和質(zhì)子對(duì)反應(yīng)體系的影響。另外還分析了基組對(duì)反應(yīng)機(jī)理的影響。最后，在研究了非催化和非酶催化模型的基礎(chǔ)上將可能影響反應(yīng)機(jī)理的因素設(shè)計(jì)到酶催化反應(yīng)的理論模型中，然后對(duì)模型的可能性進(jìn)行分析，希望可以通過模型的建立和研究結(jié)果分析對(duì)ODCase酶催化脫羧的本質(zhì)有更深入的了解。
　　本論文共分為五個(gè)部分。

5、>　　第一章簡(jiǎn)要介紹了研究乳清酸核苷-5'-單磷酸鹽脫羧酶(ODCase)催化乳清酸核苷-5'-單磷酸鹽(OMP)脫羧反應(yīng)機(jī)理的意義和文章涉及的反應(yīng)體系的研究背景及所取得的成果。
　　第二章把論文中用到的基本理論以及它們的應(yīng)用情況作簡(jiǎn)單介紹。
　　第三章在HF/6-31+G(d)理論水平上對(duì)幾種 OMP非催化反應(yīng)模型的機(jī)理進(jìn)行了計(jì)算，討論了羰基氧上水分子氫鍵的作用和反溶劑化對(duì)反應(yīng)機(jī)理的影響。然后還討論了另外兩種乳清酸衍生物非

6、催化脫羧機(jī)理，并與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了比較。結(jié)果表明:(1)水分子氫鍵對(duì)羰基氧的作用(O2/O4)可以幫助分離 OMP羧基 CO2-上的負(fù)電荷，有效的降低反應(yīng)勢(shì)壘，提高反應(yīng)性。且水分子氫鍵對(duì)O4的作用較O2更加明顯。(2)脫羧反應(yīng)時(shí)，隨著所使用溶劑的介電常數(shù)的降低，反應(yīng)勢(shì)壘降低，反應(yīng)活性提高。與實(shí)驗(yàn)上測(cè)得的底物脫羧反應(yīng)進(jìn)行的容易度隨著溶劑介電常數(shù)變化的規(guī)律基本吻合。
　　第四章在B3LYP/6-31+G(d，p)理論水平上針對(duì)三種主要的質(zhì)

7、子化機(jī)理(O2、O4和C6)進(jìn)行了氣相和溶劑中的反應(yīng)機(jī)理的詳細(xì)討論和研究。為與非催化反應(yīng)做對(duì)比，還對(duì)反溶劑化作用和質(zhì)子對(duì)反應(yīng)的影響進(jìn)行了進(jìn)一步的討論。另外，分析了基組對(duì)反應(yīng)機(jī)理的影響。結(jié)果顯示:(1)質(zhì)子化相對(duì)于水分子氫鍵可以更好的降低脫羧反應(yīng)勢(shì)壘，提高反應(yīng)性。且跟非催化情況類似O4質(zhì)子化機(jī)理比 O2更有能量?jī)?yōu)勢(shì)；(2)在不同溶劑中，介電常數(shù)越小極性越弱，反應(yīng)勢(shì)壘越低，脫羧反應(yīng)性越強(qiáng)。在模擬酶催化環(huán)境的eps4溶劑中，計(jì)算所得的勢(shì)壘跟實(shí)

8、驗(yàn)值已經(jīng)相差不大。(3)彌散函數(shù)對(duì)OMP這種富負(fù)電荷體系具有重要意義。
　　第五章在研究了非催化和非酶催化模型的基礎(chǔ)上，考慮非極性介電環(huán)境和酸堿催化是最主要的可能影響因素，并將這兩種因素設(shè)計(jì)到酶催化反應(yīng)的理論模型中，然后對(duì)此模型的可能和可行性進(jìn)行計(jì)算分析。結(jié)果表明:(1)通過水分子鏈橋接 ODCase的帶正電殘基很有可能是質(zhì)子化脫羧機(jī)理的質(zhì)子源，解決了對(duì)質(zhì)子化機(jī)理的質(zhì)子源問題。(2)水分子鏈橋接的O4質(zhì)子化機(jī)理很可能為OMP催化脫