硫微生物排放中酶催化反应机理的理论研究

A large amount of sulfur-containing compounds have been released by microbial metabolism, which has significantly affected the proterozoic and present environmental evolution. The investigations of enzymatic reaction mechanisms involved in microbial sulfur emission are able to give deeper insights into fundamental biochemistry and will also advance the understanding of natural sulfur cycle and physiological roles of sulfur-containing compounds..In this project, using density functional theory (DFT) and molecular dynamics simulation, the modeling of substrate recognition and enzymatic reactions in microbial sulfur emission will be performed, to advance the understanding of microbial metabolisms of sulfur and other elements. The research contents include: (1) the fitting of force field parameters of the F430 coenzyme; (2) molecular dynamics simulations of substrate recognition involved in microbial sulfur emission to explore the mechanism of substrate capture by the deeply-buried active sites; (3) the determining of catalytic active species and the computation of redox potentials to reveal the pathway of proton/electron transfer; (4) theoretical modeling of enzymatic reactions in microbial sulfur emission.

硫微生物代谢会排放大量含硫物质，深刻影响着元古代和目前的环境演化。对硫微生物排放中的酶催化反应机理进行研究，不仅能加深生命过程基础化学原理的理解，也能促进硫元素自然循环、含硫物质生理作用与起源等重要问题的解答。.本项目运用量子力学密度泛函理论(DFT)和分子力学方法，模拟硫微生物排放中的生物酶识别底物过程和催化反应过程，揭示底物识别机制和催化机理，为硫乃至其它元素微生物代谢的理解提供启示。研究内容主要包括：（1）拟合F430辅酶的力场参数；（2）一系列硫微生物排放中生物酶识别底物的分子动力学模拟计算，以揭示深层埋藏的活性中心捕获底物的机制；（3）催化活性中间体的确定和氧化还原势的计算，以揭示关键质子/电子迁移途径；（4）一系列硫微生物排放中酶催化过程的计算模拟。

硫微生物代谢会排放大量含硫物质，深刻影响着元古代和目前的环境演化。对硫微生物排放中的酶催化反应机理进行研究，不仅能加深生命过程基础化学原理的理解，也能促进硫元素自然循环、含硫物质生理作用与起源等重要问题的解答。在本项目中，我们利用量子化学密度泛函方法和分子力学方法，模拟硫微生物排放中的生物酶催化反应过程，发现其催化反应机理。部分结果概括如下：(1) 拟合了F430辅酶的力场参数，成功应用于F430辅酶嵌入蛋白质的动力学模拟。(2) 揭示了DMSP裂解酶释放二甲基硫醚的催化机理，并发现活性中心局域溶剂化效应调控酶催化反应的机制。(3) 发现了一系列生物酶的催化反应机理并设计了一些潜在抑制剂。比如，依据所发现的酮醇酸还原异构酶催化机理，设计了一种2-羧酸-乳酸抑制剂。(4) 完成了多个生物酶活性中间体及氧化还原势的计算，并发现质子/电子迁移在部分酶中的决速影响。在本项目的资助下，共发表SCI收录论文18篇。