论文部分内容阅读
1-H-3-羟基-4-氧代喹那啶-2,4-双加氧酶(HOD)是一类特殊的双加氧酶,它不需要辅因子来结合或活化氧气。近年来的研究表明在某些氧化酶中氧气分子会沿着特定的通道进入催化活性中心,而非以往常见的小分子自由扩散。本论文研究HOD的氧气通道和活化过程,以期更加深入的了解其独特的芳香性杂环底物双加氧分子机制。第一部分讨论HOD催化氧化的微观分子机制。HOD催化1-H-3-羟基-4-氧代喹那啶氧化开环生成N-乙酰基邻氨基苯甲酸并释放出一氧化碳,这个过程是降解芳香杂环底物喹那啶开环降解的关键步骤。利用量子力学方法计算了HOD催化过程的势能面,揭示了氧气活化是该酶催化氧化的限速步骤。进一步通过前线轨道分析阐明了氧气分子如何在酶-底物复合物的催化中心完成其电子结构活化与C-O键的形成:底物首先在His251和Asp126构成的催化二联体作用下脱去质子,然后将底物的电子逐渐传递至氧气分子上,完成氧气分子从三重态向单重态的自旋翻转。接着探究了氧气的结合方式、活性中心的Trp36和His102、以及底物自身的化学特性对于氧气活化的影响。研究结果发现多个因素对氧气活化有一定程度的影响,表明了HOD的氧气活化机制受到了HOD酶分子的精细调控。第二部分研究了HOD中氧气扩散的可能途径。先通过Caver软件预测了25条潜在的氧气通道,并选取了其中5条优势通道作为主要的研究对象。然后利用MDpocket软件找到了一些位于HOD表面的口袋。依据之前的研究发现大部分实际存在的氧气通道都会经过这些口袋,从而提出了其中最有可能的1条通道。这条通道均位于底物立体结构的Re面,而氧气的结合位点处于喹啉底物的Re面下方由Trp36和His102骨架所形成的氧洞,这表明了这通道将会有利于氧气直接到达活性位点进行后续的反应。在此基础上又通过随机加速分子动力学模拟的方法研究了氧气的扩散途径,结果和预测的相一致,这表明了这条通道很可能为真实通道。伞形取样计算的自由能结果也表明了氧气经过这条通道比较容易进入酶催化中心。氧气扩散通道分析为认识HOD催化反应的区域和立体异构选择性提供了新的认识。本文通过理论计算深入研究了HOD的催化机制,揭示了HOD独特的氧气扩散途径和活化机制。在具体研究氧气活化机制时,首次将前线轨道分析方法应用于该体系中,并细致的研究了非辅酶协助的电子传递过程,在氧气扩散途径的研究过程中又将Caver和MDpocket软件预测、随机加速分子动力学模拟、伞形取样动力学模拟等方法结合,成功预测到1条最有可能的氧气通道。之后研究中可以从实验方面对HOD的氧气扩散途径以及活化机制进行验证和改造。