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QM/MM方法研究cmnDph2自由基酶催化s-腺苷甲硫氨酸s-cγ键断裂的机理

QM/MM方法研究CmnDph2自由基酶催化S-腺苷甲硫氨酸S-Cγ键断裂的...

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作者：周霜华中科技大学

学位级别：硕士

自由基参与的化学反应一般活性很高,但是选择性较差。生物体内的自由基酶能够很好地调控自由基诱导的生物化学反应的活性和选择性。s-腺苷甲硫氨酸(sAM)自由基酶是最大的自由基酶家族,它们参与催化很多具有挑战性的生物化学反应。针对sA... 详细信息

自由基参与的化学反应一般活性很高,但是选择性较差。生物体内的自由基酶能够很好地调控自由基诱导的生物化学反应的活性和选择性。s-腺苷甲硫氨酸(sAM)自由基酶是最大的自由基酶家族,它们参与催化很多具有挑战性的生物化学反应。针对sAM自由基酶催化反应机理的探索能够帮助人们深入理解调控自由基参与反应的活性和选择性,具有重要的参考价值和理论意义。本论文运用量子力学和分子力学(QM/MM)组合的方法研究了非典型sAM自由基酶cmn Dph2催化s-sAM和R-sAM中s-cγ键断裂形成[4Fe-4s]-烷基络合物的反应机理,具体研究内容如下:(1)[4Fe-4s]团簇的反铁磁耦合态基于X-射线晶体结构构建的QM/MM模型,我们采用对称破碎密度泛函方法计算了包含三个Fe离子和一个Fe离子的[4Fe-4s]团簇一些可能的电子态,包括高自旋态和六种自旋耦合二重态(ααββ,αβαβ,αββα,ββαα,βαβα,βααβ),发现反应物能量最低的态是αβαβ态。(2)s-sAM的反应机理我们计算了六个反铁磁耦合二重态的s-cγ键断裂和Fe-cγ键形成的过程,发现[4Fe-4s]-烷基络合物的生成是一个类似s2反应的协同过程。Fe-cγ键的形成和s-cγ键的断裂同时发生,对应的能垒是25.7 kcal/mol。因为不同自旋耦合态能量很接近,所以反应从反应物的αβαβ态到过渡态的βααβ态,再到产物的ααββ态。反应时一个自旋为β的电子从[4Fe-4s]团簇上的FeFe对转移到s-cγ的σ*反键轨道,引发s-cγ键的断裂。(3)R-sAM的反应机理生物体中sAM分子主要为s构型,但也存在少量R构型。针对R-sAM底物反应机理的计算,我们发现六个自旋耦合二重态均采取协同机理。反应能垒最低的态为βααβ,对应的能垒为24.3 kcal/mol,比s构型的反应能垒低1.4 kcal/mol。R-sAM活性更高的原因可能是它的反应物中的∠Fe4-cγ-s1比s构型的大16.1°,更有利于形成类似s2反应的过渡态。

关键词： S-C键断裂 sAM自由基酶 [4Fe-4s]团簇 QM/MM计算

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