应用多层次增强抽样模拟研究磷酸三酯酶的构型变化对其催化效率及底物立体选择性的影响

有机磷农药在现代农业生产中的广泛使用造成了日益严重的有机磷污染问题，磷酸三酯酶（Phosphotriesterase）可以高效的催化有机磷化合物的水解，因而其作为首选的生物大分子在处理有机磷污染的相关科学研究中具有极其重要的意义。目前科学家已经对磷酸三酯酶开展了大量实验和理论研究工作，但是对于磷酸三酯酶的结构与其功能的联系方面，全面深入的理论研究还很缺乏。本项目则主要侧重于磷酸三酯酶结构的理论研究，创造性地提出利用分子动力学模拟、增强抽样模拟方法和量子/分子动力学（QM/MM）模拟来综合分析磷酸三酯酶的结构变化如何影响其功能。通过独创性的底物立体结构选择性（stereoselectivity）分析指标以及多层次（分子、量子/分子）增强抽样理论方法的建立发展，深入理解磷酸三酯酶催化有机磷水解的完整机制，并为进一步的突变试验设计提供扎实的理论基础和指导性意见。

有机磷农药在现代农业生产中的广泛使用造成了日益严重的有机磷污染问题，磷酸三酯酶（Phosphotriesterase,PTE）可以高效的催化有机磷农药和相关神经毒气分子的水解，因而其作为首选的天然酶在处理有机磷污染的相关科学研究中具有极其重要的意义。本研究计划主要侧重于磷酸三酯酶结构的理论研究，通过分子动力学模拟、增强抽样模拟方法和量子/分子动力学（QM/MM）系统的分析其结构变化如何影响其功能。在相关研究中我们主要取得了三个方面的成果。.（1）.温度积分增强抽样方法（ITS）的发展及应用.为了将ITS应用到PTE这样的复杂体系，我们重新考虑了体系不同部分相互作用的分解，将系统的短程和长程相互作用区别对待，大大提高了计算速度（提高30-40%）和构象抽样效率。算法方面，我们提出了一种新的利用短时间独立多温度模拟预估参数的方法，大大提高了方法的应用性。我们成功的将它应用到了不同的复杂体系的研究中。我们也对和酶催化以及蛋白质构象变化密切相关的溶剂化效应等做了一系列理论研究。这些工作不仅证明了我们所发展的方法对复杂体系的有效性，也为我们今后利用温度积分增强抽样方法更进一步研究磷酸三酯酶体系积累了丰富的手段和经验。.（2）.磷酸三酯酶底物立体选择性的分析.实验研究中人们发现PTE对不同手性的有机磷化合物有立体选择性。通过分子动力学模拟我们不仅得到了不同底物异构体与PTE结合的合理构象也通过分析获得了两个可以较好表征底物立体选择性的指标，即桥接反应活性中心两个金属中心的氢氧根离子与底物磷原子的距离dPO 以及氢氧根离子、底物磷原子和离去基团之间的夹角AL。这就为今后进一步通过理论计算进行活性中心设计的研究工作奠定了基础。.（3）.应用于研究催化反应的结合QM/MM模拟和温度积分增强抽样方法的发展.为了研究PTE的催化机理，我们发展了结合ITS和QM/MM方法的模拟方法。我们通过在QM的电子相互作用中引入ITS，大大提高了QM/MM模拟中对能量和构象空间的抽样效率。这一方法也成功的应用到了Claison重排反应和PTE催化机理的研究中。. 在基金委的资助下，我们为研究复杂的磷酸三酯酶体系的底物立体选择性以及构象变化与催化活性的机理发展了丰富的多层次的增强抽样方法，初步找到了反映底物立体选择性的良好的几何坐标，为进一步研究清楚PTE的催化机制提供了方法也奠定了研究的理论基础。