金属酶在许多生命过程中起着至关重要的作用,它们可以催化许多不同类型的生物反应,具有高效性和高选择性。了解金属酶的催化反应机理可以对酶的改造和利用提供理论指导。近年来,随着量子化学理论方法以及计算机计算速度的飞速发展,量子力学/分子力学（QM/MM）组合方法已经成功地运用在阐述金属酶催化反应机理和选择性。在本论文中,我们采用QM/MM方法研究了细菌中含镍槲皮素双加氧酶的催化反应机理和催化选择性,取得的研究结果如下:首先基于蛋白晶体结构构建酶水溶剂模型,然后再选择合适的活性中心QM区域,其中考虑了与Ni配位的Glu74残基为中性和去质子化两种状态。通过对整个反应势能面的计算确认反应机理和分析化学选择性来源。计算结果表明Glu74必须是去质子化的才可以解释反应的化学选择性,使反应具有合适的总能垒并得到实验上观察到的主产物2-原儿茶酚基间苯三酚羧酸和CO分子。如果Glu74残基是中性的,那么槲皮素的的2,3-裂解将成为主要反应途径,导致副产物α-酮酸的生成。氧气分子与酶结合时形成Ni ^II-超氧自由基（O₂·^-）槲皮素自由基复合物,随后的反应通过三个步骤进行:（1）超氧自由基中O2原子进攻槲皮素底物自由基阴离子中的C2形成第一根C-O键,形成Ni ^II-过氧化物中间体。（2）过氧化物O1原子亲核进攻C4原子形成第二根C-O键,生成过氧化物桥五元环中间体。该步反应过程中存在两种不同的构象变化形成两种不同的异构体,可分别发生2,4-裂解和2,3-裂解。（3）C2-C3,C3-C4,O1-O2键同时裂解,最终生成产物2-原儿茶酚基间苯三酚羧酸并释放CO分子。第三步为整个反应的决速步,计算总能垒为17.4 kcal/mol,这与实验动力学数据非常一致。对于第二根C-O键形成,另一种反应途径是过氧化物O1原子亲核进攻底物中C3原子,形成四元环中间体,然后经过协同的C2-C3和O1-O2键裂解产生副产物α-酮酸。该反应途径的能垒为30.6 kcal/mol,远高于2,4-裂解途径的17.4 kcal/mol。当Glu74为中性时,2,3-裂解途径的能垒为21.8 kcal/mol,而2,4-裂解途径的能垒为24.8kcal/mol,后者的能垒大于前者能垒。因此可以排除Glu74为中性的模型。