人类丙二酰辅酶A脱羧酶催化机制的理论研究

Malonyl-CoA decarboxylase (MCD) can control the cellar malonyl-CoA level through the MCD-catalyzed decarboxylation of malonyl-CoA to acetyl-CoA, and plays important roles in regulating fatty acid metabolism and food intake. MCD deficiency in human could induce an autosomal recessive disorder of inherited metabolic disease, therefore, it is a potential therapy for controlling the cellar malonyl-CoA level by regulating the activity of MCD. Therefore, to explore the structure, functions and catalytic mechanism of MCD on the molecular level will be of great significance for further understanding the related medical researches and drug developments. Based on the experimental studies, this study applies molecular docking, molecular dynamics simulations and QM/MM method to systematically investigate the catalytic mechanism of HmMCD. This study aims to reveal the interactional nature of metabolites with the residues in active site of HmMCD, explore the structural arrangement of key residues in active site and dynamic features, and uncover the proton transfer and decarboxylation reaction during the catalytic cycle. This project will be beneficial to further understand the catalytic mechanism of HmMCD, and play an essential guiding role in designing and developing related drugs.

丙二酰辅酶A脱羧酶（MCD）可催化丙二酰辅酶A脱羧转化为乙酰辅酶A从而调控细胞内丙二酰辅酶A的浓度，在调控脂肪酸代谢和食物摄取等方面起非常重要的作用。MCD缺乏可引发常染色体隐性遗传代谢性疾病，因此，调控MCD的活性来控制细胞内丙二酰辅酶A的浓度是减轻代谢紊乱的一种有效的治疗方法。因此，在分子水平上探讨MCD的结构功能和催化机制对于相关医学研究及药物开发具有重要意义。本项目拟在现有实验研究的基础上，综合运用分子对接、分子动力学模拟及QM/MM计算方法系统研究人类丙二酰辅酶A脱羧酶（HmMCD）的催化机理，探讨HmMCD活性位点与代谢物分子的作用本质，考察活性位点关键残基构象重组的具体过程及相关动力学特征，揭示催化循环中质子转移过程及脱羧反应的规律。此项目的开展不仅有助于深入理解HmMCD的催化机理，也能为设计和开发相关药物提供有价值的理论指导。

人类丙二酸辅酶A脱羧酶（MCD）在调控脂肪酸代谢和食物摄取方面起重要作用，调控MCD的活性是治疗代谢紊乱的有效方法。本项目综合运用分子对接、分子动力学模拟以及量子化学和分子力学相结合的方法，研究HmMCD的催化脱羧机制。研究表明HuMCD中底物的结合模式与CurA中的结合模式不同，这是由于N-端螺旋结构域的Lys183残基的侧链占据了底物腺嘌呤环的位置，从而引起了腺嘌呤环在活性位点中取向的变化。残基300-305通过与底物的焦磷酸根形成的氢键相互作用在结合底物时起重要作用。. 我们还运用该方法研究了其他重要的酶催化反应和相关的金属催化反应，阐明了酶的催化活性对活性位点结构和质子化状态非常敏感，良好的结构和正确的质子化状态才有利于催化反应的进行。部分晶体水分子参与催化反应，降低了反应的能垒。其余的水分子在催化反应中并没有作为广义酸/碱参与反应，但是在酶催化过程中通过与活性位点中关键残基形成氢键来稳定活性位点的结构，从而有利于反应进行。活性位点中关键残基的空间取向对启动催化反应非常重要，通过水分子的协助与周围残基形成氢键，从而有利于氢负离子的转移。此外，在金属协助的催化过程中，1,2氢迁移和从C到O的1,3-质子迁移是在AcO-质子梭协助下完成的。产物Z-烯胺的立体特异性是由于异恶唑直接开环形成了一个刚性较强的C=C双键，不容易发生键的旋转决定的。这些计算结果合理的解释了实验现象，为进一步理解酶催化机理提供了有价值的信息，同时为理解相关酶催化反应机理奠定了理论基础。.