机械化学：力引导的化学与酶促反应

在分子催化的新型领域中，机械力可以引导化学与酶促反应。单分子力学光谱已作为一种崭新的实验手段被用于研究外力的作用下化学键的断裂，但在理论上关于外力对化学反应速率的影响的预测和合理解释很少。直观地认为拉长化学键能加速其断裂的结构过于简单化通常是不正确的。因此，项目将检测化学和酶促反应过程中力对电子和分子结构以及能量的作用，包括量子效应和动力学效应。通过使用量子力学和分子力学结合的方法，同时采用新的增强过渡态路径采样的方法，我们将系统研究亲核进攻引起的键断裂的化学机制包括二硫键还原和蛋白质水解等重要的生物学反应。这将有助于解释自然界如何利用机械力通过力传导模型引导酶反应，在研究机械力学如何提高化学反应及选择性方面迈出重要的一步。

机械化学是一门阐明机械力如何引导和增强生物化学反应并将其应用于实际的新兴学科。在该项目中，我们运用先进的基于量子力学和经典力学的模拟方法，研究了外部拉力对几类与生物系统密切相关的典型生化反应的影响。首先，通过模拟由Fernandez等所做的开拓性原子力显微镜实验，成功地解析了机械力调节在蛋白质内部发生的二硫键交换反应的机理，并量化了机械力对该反应的速率和过渡态结构的影响。该结果在分子水平上为机械力使反应自由能面发生倾斜提供了直接证据。其次，我们研究并阐释了拉力如何促进肽脯酰胺键从顺式到反式的异构反应。该反应已知可以减缓蛋白折叠。研究结果为解释流动的血液所产生的剪切力如何调节血液中的血凝因子，例如von Willebrand因子的解折叠过程提供了重要的参考。再次，我们将研究范围推广到受蛋白内应力调节的生物化学反应。这类反应与受外力调节的反应相似，但更具有普遍性和生物学意义。采取同样的计算模拟的手段，我们研究了蛋白质结构产生的内应力对一类特殊的二硫键的机械化学影响。该类二硫键连接相连的β－折叠链，所产生的拓扑结构通常保有很高的内应力。我们测量了分布在这些二硫键上的内应力，其大小在100皮牛左右。该应力大小已知可以显著地改变二硫键氧化反应的速率。因此，和外部施加的机械力一样，来自蛋白结构内部的内应力同样可以调节蛋白质的化学反应能力。.总之，我们的研究结果暗示了机械力在生物化学反应系统中的重要作用，有利于阐明细胞在信号传导，生长，分化以及胞外生物过程中机械力是如何发挥作用的。