硫胺素依赖酶催化机理的理论研究

硫胺素依赖酶以硫胺素焦磷酸为辅酶参与生物体内的多种合成与代谢过程，能催化多种类型的反应，主要包括C-C键的断裂和生成过程。尽管目前已经得到了部分依赖酶及反应中间体的晶体结构，但关于其催化机理及残基突变影响规律的理论研究相对滞后。本项目拟以三种最具代表性的依赖酶即丙酮酸脱羧酶、乙酰羟基酸合成酶和转酮醇酶为主要研究对象，综合运用量子力学、分子力学和分子动力学模拟方法对其催化机理进行系统的理论研究，探讨活性区残基与辅酶、底物、金属离子之间的作用本质，弄清辅酶在活性中心的活化机制；通过对催化循环过程的系统研究弄清决定酶催化活性的关键结构因素，揭示酶催化反应的本质和残基突变的影响规律，提供此类依赖酶结构与活性关系的重要信息。本项目研究结果将为进一步的实验研究和应用开发奠定理论基础。

硫胺素B1依赖酶参与生物体内的多种合成与代谢过程，能催化多种类型的反应。它们不仅是许多药物的作用靶点，而且在有机合成、药物中间体合成、手性催化等方面具有潜在的应用前景。目前关于其催化反应机理的认识仍比较肤浅，主要靠得到的部分晶体结构和部分不完整的动力学实验数据进行推测。针对硫胺素B1依赖酶当时的国内外研究现状，本项目提出以几类最具代表性的依赖酶如丙酮酸脱羧酶、乙酰羟基酸合成酶和转酮醇酶为研究模型，应用理论化学方法对硫胺素依赖酶的催化机理进行系统研究。项目于2011年8月获批准。. 在项目执行期间，主持人领导的课题组按研究计划对转酮醇酶、磷酸转酮醇酶、丙酮酸脱羧酶、丙酮酸脱氢酶、丙酮酸脱氢酶多酶复合物的催化机制进行了系统研究。此外，主持人还时刻关注该研究领域的国内外动态，针对乙酰羟基酸合成酶已经有人研究的具体情况以及新报道的一些晶体结构，增加了对乙醛酸醛连接酶、苯甲醛裂解酶及酵母氨酸脱氢酶等的研究。通过深入细致的研究，大大加深了对ThDP依赖酶的反应机理的认识，取得一系列的研究成果，包括：1）明确了ThDP依赖酶活性中心的结构特点以及辅酶ThDP的活化构象及活化机制；2）系统地给出了几类代表性酶催化过程的具体细节，确定了各步基元反应中所涉及的中间体和过渡态的几何结构、电子结构和能量关系；3）明确了决定这些酶催化反应速度的关键步骤和主要影响因素；4）找出了活性口袋的残基对催化反应的立体选择性和区域选择性影响规律。. 通过四年的艰苦努力，超额完成了预定的研究目标和任务，相关研究数据为深入理解此类依赖酶结构与活性关系提供了重要信息，研究结果为进一步的实验研究和应用开发奠定了必要的理论基础。. 项目执行期间，在国内外有较高影响的刊物上发表SCI研究论文44篇，其中在影响因子9.0以上的刊物发表论文3篇 (J. Am. Chem. Soc.1篇，ACS Catalysis 2篇)，3.0以上的刊物上发表论文20余篇（包括Phys. Chem. Chem. Phys., Biochemistry, Org. Biomol. Chem., Biochim. Biophys. Acta, RSC Advances等），培养博士生7人，硕士生5人。此外，还邀请国外专家讲学6人次，参加国际交流会议2人次，国内学术会议15人次。