核糖核苷酸还原酶催化过程长程电子传递机理及相关性质研究

核糖核苷酸还原酶(Ribonueleotide Reductases，简称RNR)广泛存在于各种生物中，能有效催化核糖核苷酸(4种)还原生成相应的脱氧核糖核苷酸，是基因复制、变异和修复的关键酶和限速酶，对细胞的增殖和分化也起着重要调控作用。本项目针对第一类RNR催化过程中的长程电子空穴传递通道及相应的构象变化、能量传递、各活性位点的耦合作用以及各阶段的分步协同机理等相关性质，运用量子力学和分子动力学相关方法从分子原子水平上开发此长程电子传递微观机理；表征此过程的电子转移中继站的结构参数、光谱性质、电子性质和电离势等，明确它们对电子转移的贡献；给出这个长程电子传递过程的势能图谱，研究电子运动的方向性和可逆性，阐明该过程的最佳电子传递通道，明确决速步骤。该工作的开展有助于人类明确基因合成、复制的过程，同时为选择合适的抑制剂控制基因突变和治疗肿瘤提供必要信息。

本项目我们主要运用从头算方法和QM/MM方法研究以核糖核苷酸还原酶（RNR）催化过程长程电子传递为代表的相关蛋白质电子传递通道及相应机理。我们研究发现传统的色氨酸和酪氨酸侧链参与蛋白质电子空穴传递的能力受蛋白质微观环境的调控，路易斯酸环境禁止它们参与空穴传递，中性环境微调它们参与空穴传递的能力，而强路易斯碱环境支撑它们参与蛋白质的电子空穴传递；发现了一系列二体和三体的电子转移中继站的特殊形式，它们的形成能够有效的降低局域电离势，并且这些中继站复合体的结合能又适中，蛋白质的自身运动又能使其解离，升高电离势，促进电子空穴的传递，二体主要研究了含硫侧链与4个芳香环侧链容易形成lp∵π三电子键和4个芳香环侧链两两形成π∵π三电子键，三体主要研究了一个含双孤对电子基团夹在两个近似平行的芳香环间形成【π∵lp:π<=>π:lp∵π】五电子结合体、一个含双孤对电子基团从一侧与两个近似平行的芳香环间相互作用形成【π∵π:lp<=>π:π∵lp】五电子结合体、一个芳香环夹在两个孤对电子基团中间形成【lp∵π:lp<=>lp:π∵lp】五电子结合体和三个靠近平行的芳香环侧链间形成【π∵π:π<=>π:π∵π】五电子结合体，它们的发现从新的角度解释以RNR为代表的蛋白质的有效电子传递功能；为了解释RNR中Cys439到Tyr730之间的电子传递机理，我们发现了水分子协助的双质子耦合电子传递机理（dPCET），不仅如此，dPCET还可以解释其它蛋白质中此二侧链间的质子和电子传递反应。从以上成果看来，我们已经圆满完成预期计划，已经发表7篇论文，IF>3的4篇。