B类型细胞色素c氧化酶质子泵作用机制的分子动力学模拟研究

Cytochrome c Oxidase (CcO) is the terminal oxidase of cell respiration in mitochondria and aerobic bacteria, and catalyzes the reduction of molecular oxygen to water through electron transfer, which is coupling with the proton pumping. Here, integrated all the experimental results, the objective is to combine different theory and molecular simulation methods to make advances on a critical problem in biological energy transduction: how does CcO capture the free energy of oxygen reduction to generate the proton gradient across the inner mitochondrial or bacterial plasma membrane, and drive the proton pumped from positive charge side (N-terminal) to negative charge side (P-terminal)? The major efforts of this project will be addressed as follows: 1) Taking B-type CcO from Thermus thermophilus as a research object, to set universal model for different intermediate states of catalytic cycle appropriated for molecular simulations preliminarily. 2) Utilizing classical MD and QM/MM MD methods, to further explore the details of proton pumping mechanism of the catalytic cycle through searching and verifying the proton conduction pathways and proton loading sites. 3) To get insight into the function of water molecules located in the active site and the affection of water molecules close to DNC region on proton pumping mechanisms. This research not only can get more insight into the proton pumping mechanism of B-type CcO from microcosmic molecular level, but also can be significant to the treatment of metabolism diseases, cancers and causes of aging.

细胞色素c氧化酶（CcO）是真核生物线粒体和好氧细菌细胞膜呼吸链的终端酶，能够通过电子传递催化还原分子氧变成水。本项目拟采用多种理论计算模拟方法，整合多个实验结果，进一步推进生物能量传导领域一个重要问题的解决：细胞色素c氧化酶是如何利用氧气还原反应的自由能，来形成可以跨过线粒体内膜或细菌质膜的质子梯度，驱使质子从膜内部电负性的N端到膜外部电正性的P端的。主要内容包括1）以嗜热栖细菌Tt的B类型CcO为研究对象，为其催化循环过程的不同氧化还原中间态建立初步的分子动力学模型。2）利用经典MD和QM/MM MD方法，通过进一步寻找和确认质子传导通路和质子加载位点，探索该催化循环的具体质子泵作用机制。3）探究活化位点水分子的功能和DNC区域附近水分子对质子泵机制的影响。该研究将从微观分子层面阐明B类型CcO的具体质子泵作用机制，这对探索相关新陈代谢疾病、癌症的治疗和引起衰老的原因具有重要意义。

细胞色素c氧化酶（CcO）是真核生物线粒体和好氧细菌细胞膜呼吸链的终端酶，能够通过电子传递催化还原分子氧变成水。本项目以嗜热栖细菌Tt的B类型CcO为研究对象，综合运用量子化学和分子动力学模拟方法，结合实际光谱及突变实验，以催化循环的还原态6为起点，针对质子加载位点（PLS）和附近的重要残基共设计了10种突变，为野生型和突变型建立了最优模型并进行了经典分子动力学模拟。通过进一步寻找和确认质子传导通路和PLS，探索其具体的质子泵作用机制。.模拟结果进一步验证了Asp372，His376，Glu126(II)均为ba3型CcO中“类似K-通路”上方质子传递通路的重要组成残基。然而，组成该质子传递通路上的PLS并不仅仅是某个固定残基，而是与包围DNC区域上方空穴的电负性残基，空穴中的水分子以及水通道，共同组成质子加载位点簇联合转移质子。当该质子传递通路受阻，DNC区域上方空穴中的水分子将参与到质子传递中，而其必要条件是一定要维持DNC上方的水空穴是封闭的。残基Asp287虽然不是PLS，但是可通过与Arg225形成的盐桥，来调节该质子传递路径转移质子的能力。通过动力学模拟，我们也预测了实验中四个不确定的突变型Asp287Asn、Asp287Ile、Asp287Glu，His376Asp的质子泵出状态分别应为“-”，“+”，“+”，“-”。.另外，本项目还探索了DNC区域上方空穴水分子及附近水分子在质子泵作用机制中的具体影响。研究发现，DNC区域上方的空穴类似“储水罐子”，其内部的水分子可形成水链，构筑氢键网络帮助质子继续转移。借助DNC区域水分子作为载体，我们通过簇模型探索了将质子从Tyr237传递至Fe-O-O-Cu中心的具体传递路径。其中质子从靠近Fe原子的O1迁移到相连的O2的能垒最高，是决速步。.本研究对探索相关新陈代谢疾病、癌症的治疗和引起衰老的原因具有重要意义。