有机磷解毒金属酶催化反应机制的理论研究

Enzymes constitute the catalytic machinery of all living organisms. Extraordinary efforts have been devoted to mechanistic investigations of enzymatic reactions using both experimental and computational tools, aiming at design enzymes with new reactivties and functions, and with catalytic power comparable to nature enzymes. Quantum chemical methods have in recent years been sucessfully adopted to the studies of biological reactions, especially enzyme catalysis. The aim of this research program is to use state-of-the-art density functional methods to develop models to investigate electronic structures, reaction mechanisms, and catalytic properties of organophosphorus hydrolyzing metalloenzymes. The general obejctive is to gain deep and fundamental understanding of how these enzymes work. The further theoretical modeling of metal dispalcements, active site residue mutations, and alternative substrate reactivity tests can be used as a guide for understanding the catalytic efficiency and the chem-, regio-, and enantio-selectivities involved, and developing enzymes with broader substrate scope and enhanced reactivity. This project will offer clues for the synthesis of antitoxic drugs and the design of new enzymes for orgaophosphate degradation.

近年来生物学家和化学家们一直致力于对酶催化反应机制的实验和理论研究，同时设计和开发一些具有特殊功能的新酶，期望在生产和生活应用中达到甚至超过野生酶的催化效率。应用量子化学方法对生命过程中的重要化学问题进行计算模拟已经成为生物学和化学的研究热点和重点。本项目将采用量子化学密度泛函方法结合活性中心簇模型对一些反应机理不明确甚至存在争议的有机磷解毒金属酶催化反应机理进行理论研究, 并在此基础上通过金属离子替换, 残基突变和新反应底物活性测试等方法从理论上对这些酶进行设计。阐明目标酶催化反应速率的原因和对映选择性、区域选择性及化学选择性的来源。有望从理论上设计一些能高效催化有机磷神经毒剂水解的酶。该项目研究将给出有机磷化合物在生物体内的代谢过程，并为生物学家和化学家从实验和理论上设计磷酯酶提供有意义的理论指导，进一步为有机磷化合物解毒药物的设计和工业合成提供理论参考和依据。

野生型酶的改性与人工酶的设计都需要从原子水平了解酶活性中心的电子结构。因此应用量子化学方法对酶催化反应机制进行理论模拟已经成为生物学和化学的研究热点和重点。本项目采用量子化学杂化密度泛函方法结合活性中心簇模型对单核有机磷解毒金属酶二异丙基氟磷酸酶和对氧磷酶1的反应机理及双核金属金属-beta-内酰胺酶（蜡样芽孢杆菌酶，脆弱拟杆菌酶，嗜麦芽寡养单胞菌酶，甲基对硫磷水解酶和核糖核酸酶）的催化反应机理进行系统的理论研究,并在此基础上通过单核与双核金属离子Mg2+，Ca2+，Zn2+，Cd2+替换及底物磷原子所连的氧原子被硫原子替换, 残基突变和新反应底物活性测试等方法，研究不同因素对酶催化效率和选择性的影响。研究结果表明：.1）金属Mg2+和Ca2+的互换致使金属镁酶由催化变抑制，伴随天冬氨酸残基的配位形式的改变。.2）残基突变研究表明单核金属磷酸酶如二异丙基氟磷酸酶和对氧磷酶1活性中心存在进化关系，活性中心的残基Asn270对对氧磷酶催化对氧磷是起促进作用的，而对二异丙基氟磷酸酶催化二异丙基氟磷酸的作用却相反，同时研究结果表明中心配位的柔性及配位数的变化和亲核试剂的多样性，使得这些磷酯酶可催化多种有机磷化合物。.3）对双核金属-beta-内酰胺酶家族多种酶催化磷酸酶的反应机理及催化能力进行的研究得出从嗜麦芽寡养单胞菌酶到蜡样芽孢杆菌酶/脆弱拟杆菌酶再到对硫磷水解酶/核糖核酸酶催化对氧磷能力从无到有的渐变过程，活性中心配位残基电荷的变化和催化能力的渐变关系是一致的。这为设计新的有机磷解毒酶及磷酯水解酶提供了新的线索与理论依据。.4）双锌中心的甲基对硫磷水解酶催化对氧磷的效率最高，即使在没有疏水残基帮助离去基团离去条件下；而催化甲基对硫磷的效率很低，需要辅助疏水残基的参与，这与突变实验活性中心的非配位疏水残基对催化反应速率有辅助作用的结果是一致的；但是双锌变为杂化锌镉双中心时对对氧磷的催化水解速率远远低于纯双锌中心的。.以上研究阐明了目标酶催化反应速率的原因和选择性的来源。从理论水平发现了能高效催化有机磷化合物水解的活性中心结构。该项目研究为生物学家和化学家从实验和理论上设计磷酯水解酶提供了有意义的理论指导与新的线索，也为有机磷化合物解毒药物的设计和工业合成提供了理论参考和依据。