细胞色素P450酶（CYP450）作为生物体内最有效的防御者之一，在体内许多生化反应过程中发挥着重要的作用。该酶的催化效果具有环境依赖性，在厌氧条件下，P450能够催化一些底物进行还原性代谢，如四氯化碳的还原性脱氯反应；而在耗氧条件下，P450则能够活化氧气，进而催化底物进行氧化性代谢，如碳-氢键羟基化反应、胺氧化反应等。然而，有些反应机理细节还不是很清晰，因此，本论文借助密度泛函理论计算，分别对P450酶催化的氧化和还原反应过程的机理进行了探究，进而为更进一步认识P450酶对生物体的保护作用提供理论参考。论文主要内容包括如下两个部分：1．细胞色素P450酶催化还原四氯化碳的理论研究四氯化碳是最简单的全卤代烷烃，曾在化工、医药等领域有着广泛的应用，后来因其毒性的发现而被限制生产和使用。实验研究发现，四氯化碳在细胞色素P450酶催化作用下进行的还原性代谢是其产生生理毒性的必要前提，但代谢细节尚存争议。本文利用量子化学计算方法，对四氯化碳在P450酶催化作用下的厌氧代谢过程进行研究。结果表明，在厌氧条件下，底物四氯化碳可经过一步或两步连续的单电子还原过程，分别得到三氯甲基自由基和二氯卡宾两种不同的活性代谢产物。参与单电子还原过程的是还原态的铁(II)-血红素复合物而不是由铁(III)-血红素复合物。三氯甲基自由基形成后，能够在质子协助下发生进一步单电子还原反应，从而得到二氯卡宾。换而言之，三氯甲基自由基的进一步还原性脱氯反应是通过一个新的SE3机理进行的。另外，三氯甲基自由基还能够共价结合到卟啉的间位碳原子上，从而实现对P450酶的自杀性破坏，而二氯卡宾则只能对P450酶产生可逆抑制作用。显然，计算结果与实验结果相一致。本研究工作将有助于预防卤代烷烃对生物体的毒害。2．细胞色素P450酶催化氧化反应的理论研究（1）细胞色素P4502C8催化全反式维甲酸4-位羟基化代谢的理论研究全反式维甲酸（atRA）是维生素A最稳定的活性代谢产物，作为生物体内的一类信号分子，对多种生理过程存在重要的影响。实验研究发现，它在体内的最主要代谢途径是在细胞色素P4502C8作用下进行的4-位羟基化反应。然而，其与酶的结合情况及其代谢反应机理还尚不清楚。本文首先利用分子对接的方法对atRA在P4502C8中的结合方式进行探究，进而利用密度泛函理论（DFT）计算的方法对其4-位羟基化反应的机理进行探究。分子对接结果表明, atRA在P4502C8中存在两种结合方式，一种是atRA的羧基末端与蛋白环境之间存在盐桥作用，另外一种是atRA的羧基末端与蛋白环境间不存在盐桥作用。计算结果表明，盐桥作用对atRA的4-位羟基化反应机理有着十分明显的影响。在前一种结合方式下，碳-氢键活化是通过正常的氢原子转移（HAT）机理进行的，而在后一种结合方式下，碳-氢键的活化则是通过分步的电子转移（ET）和氢原子转移过程来实现的，即新的ET/HAT机理。这些发现丰富了金属酶及其仿生模拟物催化活化碳-氢键的反应模式。（2）细胞色素P450催化氧化1,4-二氢吡啶4-位烷基取代衍生物的理论研究1,4-二氢吡啶(DHP)是治疗许多疾病的一线药物之一。实验研究发现，其4-位烷基取代衍生物能够被细胞色素P450酶代谢，且代谢过程中能对酶产生抑制作用，这种现象被称为机理性失活作用。尽管许多实验证据表明烷基自由基对于此抑制过程的必要性，然而烷基自由基产生过程的机理还尚不清楚。本文利用密度泛函理论计算的方法，对4-位烷基取代的DHPs在P450酶的作用下脱烷基反应的机理进行研究。计算结果表明，最初的N-H键活化是一个质子耦合的电子转移(PCET)过程，而不是一直以来所认为的氢原子转移(HAT)过程或是分步的电子转移/质子转移(ET/PT)过程。N-H键的活化能够形成氨基自由基和Cpd II复合物，接下来，4-位的C-C键发生均裂，从而生成包含烷基自由基、芳香的吡啶衍生物在内的产物复合物。C-C键均裂过程是整个代谢反应的决速步骤，且以芳香化作为其内在驱动力。4-位取代基的不同，致使氢提取过程的活化能垒和过渡态结构产生差异，且底物的反应活性与所产生的烷基自由基的稳定性和C-C键的解离能有关。因此，认清DHP衍生物的代谢机理对于更安全、更高效药物的设计十分必要。此外，我们的研究结果也丰富了我们对P450酶催化氧化胺的反应机理的认识。（3）细胞色素P450对1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶催化解毒过程的理论研究1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶（MPTP）作为化学合成海洛因中得到的一种毒害神经的副产物，能够诱导生物体产生类似帕金森的症状。实验研究表明，细胞色素P450酶能够对其进行脱毒，且主要存在两种脱毒方式：一种是N-去甲基化反应生成4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶（PTP），另外一种是芳基羟基化反应生成4-(4’-羟基苯基)-1-甲基-1,2,3,6-四氢吡啶（MPTP-OH）。但两种脱毒过程的反应机理还尚不明确。本文利用杂化密度泛函理论计算，对如上所述的两个脱毒过程进行理论研究。计算结果表明，N-去甲基化反应是通过最初的一步决速的氢原子转移（HAT）以及随后的氧反弹过程，从而得到羟胺中间产物。所得到的羟胺中间产物进入非酶水溶液环境里，在三个水分子的协助下进行降解，最终得到胺和水合甲醛。然而芳基的羟基化反应则是通过一步决速的Cpd I加成到底物的过程以及随后的质子穿梭过程，从而得到酚类产物，且在加成过程中是以Cpd I的卟啉平面与底物芳环平面相垂直的方式（side-on）进行的。对比两种脱毒反应方式的能垒可知，N-去甲基化反应因为能垒低而比芳基羟基化反应过程在热力学上更占优势。这也与实验上所发现的底物分布情况相一致，即N-去甲基化反应产物PTP要比芳基羟基化反应产物MPTP-OH多。总体来说，我们的研究结果不仅丰富了我们对P450酶催化胺的氧化和芳基羟基化反应机理的认识，而且还为进一步了解其它类似神经毒素的代谢提供指导。