查耳酮合成酶和白藜芦醇合成酶催化反应机理的理论研究

查耳酮和白藜芦醇具有多种药用功能，对新药研发具有重要作用。而催化合成查耳酮和白藜芦醇的合成酶，属于同一超家族，其活性部位结构相似且较为复杂，能催化相同的底物生成不同的产物。这两种酶的催化反应机理也较为复杂，至今尚无理论研究方面的报道。从理论上深入研究其催化反应机理，不仅具有重要的基础理论意义，也具有潜在的实际应用前景。本项目以研究查耳酮合成酶和白藜芦醇合成酶的催化反应机理为切入点，利用QM/MM方法得到各步反应的势能面，利用变分过渡态理论计算各步反应的反应速率常数，探索其微观反应机理，验证实验推测的合理性。在QM/MM势能面和MCTDH理论基础上，探索建立适合计算酶催化反应速率常数的新理论方法。通过对理论结果的综合分析，确定这两种酶的有效突变位点，通过对突变后酶的结构和反应机理的理论研究，确定突变后对酶的催化活性及产物的影响，为寻求具有特定催化功能的工程酶提供可靠的理论依据。

查耳酮和白藜芦醇具有多种药用功能，对新药研发具有重要作用。催化生成查耳酮和白藜芦醇的合成酶属于同一家族，活性位点结构相似，能催化相同的底物，经过不同的环化和异构化过程生成不同的产物。在本项目中，我们首先利用Gaussian03和CHARMM35程序包拟合了查耳酮分子及其类似物的力场参数。以此为基础，利用包括分子对接、分子力学优化、分子动力学模拟、MM-PBSA、量子化学计算等多种理论化学计算方法，对查耳酮合成酶、查耳酮异构酶，以及白藜芦醇合成酶的反应机理进行了详细的研究。我们的研究结果修正了查耳酮合成酶催化的“loading”过程的微观反应机理，探索了查耳酮合成酶和白藜芦醇合成酶从同一中间体出发，经过不同的合环和异构化，生成不同产物的过程，发现了控制不同反应过程的关键因素，总结了查耳酮异构酶对底物的立体选择性。这些研究结果对设计具有较高催化活性的查耳酮合成酶和白藜芦醇合成酶的突变体、提高查耳酮和白藜芦醇的产率，具有重要的指导意义。酶催化反应速率是能够准确衡量酶催化活性的物理量，而现有的计算反应速率常数的变分过渡态理论在很大程度上忽略了酶催化反应过程中核的量子效应。为了探索较精确计算酶催化反应速率常数的理论方法，我们从笛卡尔坐标形式的经典哈密顿算子出发，通过正则模分析，对势能面反应途径上的点进行泰勒展开，对角化投影力常数矩阵，得到近似的沿着反应坐标变化的经典哈密顿算子，并利用量子和经典哈密顿的对应关系，将经典反应途径哈密顿算子进行量子化，代入到流流关联函数形式的化学反应速率公式中，最终将化学反应速率表达为适用于多组态含时Hartree理论的形式。通过修改Polyrate9.7的程序，计算Coriolis耦合矩阵元，发现Coriolis耦合矩阵元沿着反应坐标变化非常剧烈，从而在应用多组态含时Hartree理论计算化学反应速率时遇到困难。因此，我们尝试发展基于路径积分方法的量子动力学理论，编制了相应程序，并通过在有机光电材料中的应用证明了其可行性。现在探索将其应用到酶催化反应速率的计算。此外，我们还探索了氢硫胺素脱水酶和丁酰胆碱酯酶的反应路径，这些反应过程中包含了电荷转移过程，适合于用来检验上述方法的普适性。在本项目的资助下，共发表SCI收录论文20篇。