细胞色素氧化酶CYP1A2催化咖啡因代谢机理的理论研究

Caffeine, an active psychostimulant, is closely related to human health as it enhances the effect of certain analgesics and antipyretic drugs. Then it is of significantly importance to pursue the metabolism mechanisms of caffeine in human catalyzed by CYP1A2, a key enzyme responsible for the metabolism of more than 20 clinically important drugs, including caffeine. In the project, attempt is made to identify the metabolism mechanisms of caffeine by CYP1A2 in detail using the combination methods of quantum chemical, molecular mechanics and Monte Carlo simulation.The reactive active site is modeled based upon the crystal structure of enzyme CYP1A2 to optimize the stationary states along the possible reaction pathways. The free energy barriers for each rate-determining step will be obtained to identify the optimum metabolism pathway. To characterize the catalytic activity of CYP1A2, the effects of some important residues and their mutants on the reaction energy will be taken into account. Our studies will provide more understanding of the microreaction mechanism of caffeine metabolized by CYP1A2, contributing to the experimental design and synthesis of high catalytic activity enzyme, and supply more general clues for the metabolism processes of the other clinically drugs. In addition, our computational results can be expanded for qualitative predictions of drug metabolism mediated by other CYP450 family enzymes, helping to develop drugs more efficiently.

咖啡因是一类神经系统兴奋剂，它与止痛和退烧类药物混合可以提高药物功效，因而与人类健康息息相关。CYP1A2是催化20多种常见临床药物（包括咖啡因）代谢的一个重要酶。研究咖啡因在CYP1A2催化下的代谢机理具有十分重要的意义。本项目综合利用量子化学、分子力学和Monte Carlo统计力学模拟对CYP1A2催化下咖啡因的代谢机理进行详细研究。根据CYP1A2酶的晶体结构构建酶催化反应活性中心模型，优化可能反应通道的稳定点，计算自由能能垒，寻找最优反应路径。通过比较氨基酸残基及其突变对反应速控步骤的影响，探讨CYP1A2酶的催化活性。该项目的开展有助于了解CYP1A2催化下咖啡因的微观代谢机理，为实验中设计并合成具有强催化活性的变异酶提供理论依据，还可以为CYP1A2催化其它临床药物的代谢提供有用的信息，定性地预测其它CYP450家族酶催化下药物的代谢过程，研发更有效的新药。

咖啡因是一种重要的植物嘌呤生物碱，它是中枢神经系统的兴奋剂，主要用于治疗神经衰弱和昏迷，并与止痛或发烧类药物混合以增强药物疗效。但是，大剂量或长期的使用咖啡因会损害肝、胃和肾等重要内脏器官，诱发呼吸道炎症，妇女乳腺瘤等疾病，增加心肌梗死的危险性。CYP1A2 是催化20 多种常见临床药物（包括咖啡因）代谢的一个重要酶。因而了解生物体内CYP1A2催化下咖啡因的代谢机理具有十分重要的生物意义和医学价值，本项目综合利用量子化学、分子模拟方法以及簇-极化连续介质模型来模拟分子在溶液和酶环境中的热力学和动力学行为。考察了咖啡因在CYP1A2作用下发生N-去甲基化和C8-羟基化的代谢反应机理。研究确定了这两类反应机理的反应特征，为CYP450酶家族催化N-去甲基化反应机理提供了重要信息，也为生物代谢咖啡因技术提供了理论指导。继而进一步考察了咖啡因一级代谢产物（可可碱）在CYP1A2催化下的代谢机理，研究确定了可可碱的最优代谢路径和产物，该研究为嘌呤类药物的代谢提供了重要的参考信息。考察了胸腺嘧啶二醇脱氧核苷在Endo III酶作用下的修复机理，强调了Endo III酶中残基Asp 138和Asp 139在酶催化过程中对亲核试剂的活化和离去基团的稳定起重要作用。探讨了溶液中胸腺嘧啶二醇脱氧核苷光致还原修复机理，其最优还原产物为正常的胸腺嘧啶脱氧核苷。该研究工作阐述了低能电子和DNA碱基间的相互作用，为DNA氧化损伤的修复提供了重要信息。采用簇-极化连续介质模型考察了8-氧鸟苷中N-糖苷键水解修复机理，强调了酶中残基在核苷（酸）水解过程中的重要作用。探讨了胞嘧啶过氧化物分解机理，确定了其最优分解路径和产物，该研究有助于了解其DNA的突变性质。这些研究将有助于揭示酶的活性本质，为从原子水平上解释生命现象提供一些理论依据。