钨依赖性的苯甲酰辅酶A催化反应的理论研究

作     者：钱慧霞 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：廖荣臻

授予年度：2019年

学科分类：081704[工学-应用化学] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070303[理学-有机化学] 0703[理学-化学] 

主      题：苯甲酰辅酶A还原酶 钨 钼 酶反应机理 区域选择性 QM/MM 

摘      要：生物酶与环境息息相关,人类能够利用生物酶来有效地降解环境中的污染物,用以达到清洁化生产的作用。了解生物酶的催化反应机理对改造和设计酶用于环境污染物如芳香化合物降解起着重要的作用。近年来,随着计算机科学技术的进步以及量子化学的发展,通过理论计算我们可以研究生物酶的催化反应机理和解释反应的选择性。本论文是以蛋白晶体结构为基础,综合运用分子动力学(MD)模拟以及量子力学和分子力学(QM/MM)组合方法研究了含钨苯甲酰辅酶A还原酶(BCRs)的催化反应机理和区域选择性。具体研究内容如下:(1)BCRs的反应机理构建了不同大小量子化学区域的模型,计算了单重态和三重态的反应势能面,发现了反应活性中心的氨基酸残基His260只有在质子化时,苯甲酰辅酶A的还原催化反应才能够有效地进行。整个催化反应过程包括两步,第一步反应活性中心与W配位的水分子传递第一个质子到苯甲酰辅酶A芳环对位的C4上,并伴随着从W上传递一个电子到底物苯甲酰辅酶A上,生成了W自由基中间体,该步反应能垒为+23.2 kcal/mol,为反应的决速步骤。随后底物苯甲酰辅酶A自由基旁边重要性的氨基酸残基--质子化的His260传递第二个质子到底物苯甲酰辅酶A间位的C3(或者C5)位上,并且从与W配位的其中一个呋喃喋啉辅因子传递第二个电子到底物上,最终产生环己-1,5-二烯-1-羰基-辅酶A产物,该步反应能垒为+19.1 kcal/mol。这些计算结果为我们研究其他芳香性化合物脱芳香降解反应提供有力的理论基础。(2)BCRs的区域选择性由于芳香性物质中苯环结构的特殊性,不仅可以发生3,4-位还原加成反应,还可能发生1,2-位还原加成反应和2,3-位还原加成反应。根据对比不同的计算结果,我们发现3,4-位加成反应的能垒是最低的,这与底物结合的构象以及中间体自由基的稳定性有关。(3)BCRs W vs Mo选择性考虑到W和Mo具有类似的化学性质,基于理论计算预测了Mo取代BCRs的催化活性。计算发现对于还原反应W的活性比Mo更好,但是对于氧化反应Mo的活性比W更好。