水量调控有机相丝氨酸蛋白酶催化活性分子机制的理论研究

有机相酶促反应已成为酶催化技术的重要发展方向，其中水量是影响有机相酶活性的关键因素，但由于水量作用机制一直存在分歧，使得水量的有效控制至今是实验应用中的一个难点，因此，从微观层次上阐明水量调控有机相酶活性的分子机制显得十分迫切和重要。本项目拟结合分子动力学模拟和量子化学方法，选择多种有机溶剂和设计广泛的水量条件，对丝氨酸蛋白酶的三类体系(自由酶、酶/底物复合物及四联中间体)进行系统对比研究。其主要研究内容为：1)用分子动力学模拟研究水量和有机溶剂性质对酶/底物的动力学行为及溶剂化作用的影响；2)再用精确的量子化学方法对模拟结果的酶活性部位做进一步的结构和活性机制的深入探讨。通过对这两方面信息的综合分析，并与实验结果进行对比和关联，探明水量调控有机相蛋白酶催化活性的分子机制，为实验应用中水量的有效控制提供思路，并为生物有机合成中酶－底物-有机介质体系的合理设计提供理论依据。

本基金项目结合分子动力学模拟和量子化学方法主要研究了有机溶剂和水量对丝氨酸蛋白酶的自由酶体系、酶－底物复合物体系以及酶－底物的四联中间体体系的结构、动力学行为、底物结合以及催化活性的影响作用及机制。研究结果表明，非极性有机溶剂比极性有机溶剂使得酶的结构偏离本体结构更大，更能降低酶的柔性，使得酶的结构更紧密，溶剂可及表面积降低，并在一定程度上影响蛋白酶酶的二级结构，但是有机溶剂加强了酶与底物的结合，结合强度在非极性的有机溶剂中是最高的。此外，非极性的有机溶剂对底物与酶的结合区域结构影响大，应该影响到了酶对底物的结合的特异性，底物在非极性的介质中似乎采用了诱导结合机制，而在极性溶剂中，这种结合机制并不存在。蛋白质表面和活性中心的必需水通过对有机溶剂的排斥作用，可以降低有机溶剂与酶的直接作用，从而削弱有机溶剂不利于催化活性的作用程度，并能间接地保持催化氢键网络，使得蛋白酶在微水量的条件下能够保存其催化活性。此外，极性有机溶剂对必需水的剥离比非极性更强，并能渗入到酶的活性区域与结合区域，这也是酶在非极性有机溶剂中的催化活性高于极性溶剂的一个原因。水量的研究结果进一步表面酶在有机溶剂中保持催化活性并不需要大量的水，水量在10%~20%的时候酶的结构和一些动力学行为与水相是比较接近的。本项目的研究成果在所研究的酶体系中阐明了极性和非极性有机溶剂对酶结构性能的影响机制以及水量如何调控此影响的作用机制，为实验应用中水量的有效控制提供了思路，并为生物有机合成中酶－底物-有机介质体系的合理设计提供理论依据。. 此外，通过本项目酶体系的研究中所获得的对大分子研究分析的经验，结合其它生物信息学统计方法（如支持向量机等），在本项目基金资助下还开展了对丝氨酸蛋白酶家族以外其它蛋白和肽的结构功能研究，获得了满意的研究成果，为项目的拓展研究奠定了良好的基础。. 本项目的研究工作发表了论文14篇，其中SCI 收录 13 篇，另外2篇论文正在评审中。