alpha-糖苷（水解）酶与糖苷合成酶的催化机理研究

With the development of carbohydrate chemical biology, glycomics and carbohydrate drugs, the requirement for great amount of structurally diverse saccharides has been amplified significantly, and the acquirement of saccharides is becoming a fundamental problem of carbohydrate science. Owing to the structural complex of monosaccharides, the chemical synthesis of glycans is fared with a great challenge. While the glycosynthases from engineered glycoside hydrolases provies a powerful tool for overcoming this problem. However, the acquired glycosynthases are still not sufficient both in quantity and in variety, and the catalytic mechanisms of these enzymes are still unclear. This project is aimed at exploring the mechanisms of four typical alpha-glycoside hydrolases and glycosynthases by using theoretical chemistry methods. The interactions between the pocket residues, substrates and metal ion will be studied, and the catalytic cycles and the roles of key residues will be explored by analyzing the structures of key intermediates and transition states. Moreover, the key factors to determine the region-selectivity will be recognized，and the scheme for the design of new glycosyathase will be established. This project will form the basis for the acquirement of new glycosynthases and the biosynthesis of glycans.

随着糖化学生物学、糖组学和糖类药物研究的快速发展，对糖类化合物样品种类和量的需求大幅度增加,如何快速、大量地获取高纯度的糖类化合物成为糖科学研究中最重要的基础性问题之一。由于糖链结构的复杂性，寡糖的化学合成面临许多困难，而通过糖苷合成酶对寡糖进行生物合成具有重要的应用前景，但目前获得的糖苷合成酶的种类和数量还十分有限，关于其催化机理的研究仍相对落后，本项目拟以隶属于4个不同家族的代表性alpha-糖苷酶和alpha-糖苷合成酶为主要研究对象，应用理论化学方法对其催化机理进行系统的理论研究，探讨活性区内残基与底物、金属离子之间的作用本质，系统地阐明催化反应的机理，通过研究反应过程中涉及的各过渡态和中间体的结构特点、能量关系及构象变化规律，找出决定催化反应效率和区域选择性的关键因素，明确各主要残基在催化反应中所起的作用，提出alpha-糖苷合成酶的设计方案，为寡糖的生物合成奠定理论基础。

寡糖是由单糖通过糖苷键连接而成的一类化合物，它不仅是有机体的结构元素及能源物质，还具有强大的生物信息传递功能，参与许多生命过程，探索糖在生命过程中的功能具有重要意义。然而由于糖链结构的复杂性，寡糖的化学合成面临许多困难，通过糖苷合成酶对寡糖进行生物合成具有重要的应用前景。针对糖苷合成酶的种类和数量还十分有限，催化机理研究相对落后的现状，本项目提出以隶属于不同家族的代表性-糖苷酶和-糖苷合成酶为主要研究对象，应用理论化学方法对其催化机理进行系统的理论研究。项目于2013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系统揭示了α-1,4-糖苷裂解酶、-型糖苷合成酶、β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶、尿苷二磷酸N-乙酰葡糖胺 5,6-脱水酶等一些列糖苷酶的催化反应机制。此外，主持人还时刻关注该研究领域的国内外动态，针对具体情况以及新报道的一些晶体结构，增加了对不饱和葡萄糖醛酸水解酶、胸苷二磷酸葡萄糖 4,6-脱水酶、果胶酸裂解酶的研究。通过深入系统的研究，取得一系列新的研究成果，包括：1）弄清了催化中心的结构，阐明了活性残基与各类反应底物之间以及与金属离子之间的作用本质；2）给出了酶催化反应中有关化学键形成和断裂过程的具体细节，以及关键中间体和过渡态的结构特点和变化规律；3）明确了各重要残基在催化反应中的重要作用，揭示了残基突变对催化反应的影响规律；4）针对所研究的合成酶体系，预测了催化效率更高、选择性更好的突变体。.通过四年的艰苦努力，超额完成了预定的研究目标和任务，相关研究结果为深入理解此类酶结构与活性关系提供了重要信息，还可为进一步的实验研究和应用开发奠定必要的理论基础。.项目研究结果在国内外有较高影响的刊物上发表SCI研究论文40篇，其中在影响因子10.0以上的刊物发表论文5篇 (J. Am. Chem. Soc.1篇，ACS Catalysis 4篇)，3.0以上的刊物上发表论文20余篇（包括Phys. Chem. Chem. Phys., Catalysis Science & Technology，Biochemistry, Org. Biomol. Chem., RSC Advances等），培养博士生9人，硕士生7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。