单核铁加氧酶催化反应机制的理论研究

Mononuclear Iron-Containing Oxygenases are versatile enymes in nature that catalyze many vital oxidation reactions for maintenance of living organisms. It is of great significance to understand the reaction mechanisms of the reactions catalyzed by these enzymes, such as dioxygen activation mechanism, stereoselective and regioselective chemistry, identity of the reactivie oxidant and the reactive spin states. In this research proposal, we plan to to carry out the combined QM/MM study to explore the oxidation reactions catalyzed by the representative mononeclear iron-containing oxygenases such as cytochrome P450BM3, P450cam, P4502B4, P4503A4 and dixoygenase NDO, TauD. Based on the patterns from QM/MM study, the valence bond model will be constructed, together with the QM/MM results, to elucidate the mechanisms of the reactions. The trends and reactivity predictions from theoretical study may serve to guide experiments for creation of new substances.

单核铁加氧酶是自然界中最重要的生物酶之一，它们参与催化生命体中许多至关重要的氧化反应以维持生命体的存在。理解这些生物酶催化反应的化学反应机理，如氧气活化机制、立体选择化学、区域选择化学、活性氧化剂判定、反应自旋态识别等，具有重大意义。本项目计划对一些具有代表性的单核铁加氧酶如细胞色素P450BM3，P450cam，P4502B4，P4503A4及非血红素双加氧酶NDO，TauD催化的氧化反应开展组合量子力学/分子力学研究，并在总结出来的酶催化反应规律基础上进行价键理论模型构建，从而阐明酶催化反应机制，得出可用于指导科学实验研究的理论规律，为定向创制新物质提供理论支持。

单核铁加氧酶作为一类重要的生物酶，能够在温和条件下催化生物体内多种化学反应，对合成生命体内的必要物质、降解外来毒物、维持生命体的存在起着至关重要的作用。其催化领域牵涉的化学反应复杂多样，存在着许多未解之谜。本项目对具有代表性和新颖性的细胞色素P4502E1酶、P450cin酶以及丁香霉素合成酶2催化反应的机制进行理论研究，采用量子力学/分子力学（QM/MM）方法，结合分子动力学（MD）方法，在充分考虑蛋白质环境下,对单核铁酶催化反应机制进行全面的理论模拟。通过对P4502E1催化乙醇氧化反应、SyrB2催化氯化反应、SyrB2氧气活化过程、P450cin氧气活化中质子传递过程以及具有类似P450酶活性结构的高价锰配合物的催化反应过程的机理研究，充分认识和理解这些生物反应过程，在准确描述其催化反应机制的基础上，进一步发现和总结自然界鬼斧神工生物现象背后的化学规律，形成理论并将其应用于实验指导，对于实现更高效、目标准确、环境友好地创制新物质有着重要的意义。