酶是具有生物催化功能的高分子物质,与传统的催化剂相比,酶的催化效率更高、反应条件更加温和并且环保、无公害,在生物体的生命活动中起到了不可替代的作用。研究酶的催化机理不仅有助于理解酶的生物学功能,还将为酶的实际应用奠定必要的理论基础。但酶催化的反应通常速度很快,仅通过实验方法很难获得酶催化反应的详细信息。近年来量子化学与计算机技术的发展为研究生物大分子体系奠定了基础。本论文主要采用量子力学与分子力学相结合(QM/MM)的方法对三种酶的催化反应进行了系统的理论研究,在晶体结构的基础上构建了合理的计算模型,确定了反应的最佳路径,分析了反应中间体、过渡态的结构特点,给出了反应的能量学信息,在原子水平上详细地阐明了酶催化反应的机理。理论计算结果不仅有助于深入理解这些酶的催化反应机理,还可为工业应用奠定一定的理论基础。本论文的主要工作如下:(1)大肠杆菌中SAM甲基转移酶催化机理的理论研究甲基转移酶(RlmN)属于自由基SAM酶,它是一个双重特异性的酶,既可以催化23S rRNA上2503号腺苷的甲基化又可催化大肠杆菌中转运RNAs(tRNA)上37号腺苷C2的甲基化。本文以RlmN与大肠杆菌tRNA的复合物(PDB编码:5HR6)的晶体结构为基础构建了计算模型,并应用QM/MM研究的甲基化反应机理。计算结果表明RlmN催化腺苷C2原子的甲基化过程遵循自由基反应机理,反应总共包含四步基元反应,5’-dA自由基首先夺取甲基化的半胱氨酸C355上的质子,生成C’自由基,然后C’自由基进攻A37上的C2原子,生成蛋白质-核苷酸交联的中间体(IM2);在中间体IM2的分解过程中,C118残基的夺质子过程与C355残基的C’-S’键断裂是协同进行的,C118残基将氢原子转移至C’生成最终的产物,其中C’-S’键的断裂过程为催化反应的决速步骤,对应的能垒为17.4 kcal/mol。这些研究结果为进一步理解RlmN及其同源酶Cfr的催化反应提供了理论依据。(2)牙龈卟啉单胞菌酞酰精氨酸脱氨酶催化机理的理论研究牙龈卟啉单胞菌酞酰精氨酸脱氨酶催化多肽C-末端精氨酸的胍基化。精氨酸的胍基化反应在生理活动和病理过程中广泛存在。研究牙龈卟啉单胞菌酞酰精氨酸脱氨酶的胍基化机理将为该酶在临床上的应用提供理论基础。在研究酶的催化机理前,首先确定了活性中心两个关键残基C351和H236的质子化状态,然后对酶催化的胍基化反应进行了理论计算。结果表明,反应经过脱氨和水解两个连续的过程,脱氨过程总能垒为20.17kcal/mol;水解过程中,D238或H236残基皆可作为碱活化水分子,并且对应相似的能垒(-17kcal/mol)。(3)短芽胞杆菌中乙酰乳酸脱羧酶催化机理的理论研究乙酰乳酸脱羧酶催化α-乙酰乳酸的对映异构体生成单一的产物(R)-乙偶姻。其中(S)-α-乙酰乳酸为自然底物,催化反应速度较快,(R)-α-乙酰乳酸为非自然底物反应速度较慢。本论文应用QM/MM方法研究了乙酰乳酸脱羧酶的催化机理。计算结果表明,乙酸乳酸脱羧酶对(S)-α-乙酰乳酸的催化反应包含两步基元反应,包括底物直接脱羧生成烯醇化物中间体以及烯醇中间体夺取E253残基上的质子生成最终的产物。研究结果还表明,非自然底物(R)-αα-乙酰乳酸活性位点不能直接进行脱羧反应,需要先经过羧基迁移重排为自然的底物(S)-αα-乙酰乳酸,然后再按照(S)-α-乙酰乳酸的反应机理完成催化反应。本论文的特色和创新之处:(1)研究了 SAM甲基转移酶(RlmN)的催化反应机理,确定了 RlmN-tRNA复合体的分解机制,给出了甲基化过程的决速步骤,在原子水平上总结了 RNA甲基化过程中的自由基传递规律,为深入理解RlmN及其同源酶的催化过程提供了理论依据。(2)研究了牙龈卟啉单胞菌酞酰精氨酸脱氨酶(PPAD)的胍基化反应机理,确定了 PPAD酶活性中心半胱氨酸和组氨酸的质子化状态以及PPAD酶催化反应的脱氨和水解过程,解释了 C351-D238-H236催化三联体在酶的催化过程中所起的重要作用。(3)研究了短芽胞杆菌中乙酰乳酸脱羧酶(ALDC)对不同立体构型底物的催化反应,从理论上说明ALDC酶对(S)-αα-乙酰乳酸的催化反应经过两步基元反应,但(R)-α-乙酰乳酸不能直接进行脱羧反应,需先经过羧基迁移转化为(S)-构型,然后再完成脱羧反应