人类醛糖还原酶对葡萄糖分子的催化机制研究

醛糖还原酶是生物体内多元醇代谢通路中的关键限速酶，其在高血糖环境下对葡萄糖分子催化作用的高度活化是诱发和恶化糖尿病综合症的关键因素，因此，醛糖还原酶的催化机理是酶催化领域的一个研究热点，也是糖尿病综合症治疗领域所关注的焦点。本项目主要通过量子化学与分子力学相结合的方法(QM/MM)对人类醛糖还原酶(hALR2)对葡萄糖分子的催化机理在分子水平上进行系统的研究，主要包括：考察hALR2与葡萄糖分子的相互作用模式；应用QM/MM方法重点研究并揭示催化过程中的氢负离子转移和质子转移机制，并揭示影响酶催化效率和抑制剂选择性的关键因素。此外，项目还将针对hALR2在实验上进行定点突变研究，以进一步明确活性口袋中主要残基在酶催化过程中的作用。该项目对深入阐明醛糖还原酶的生物学功能及其催化机理具有重要意义，同时还可以为设计和开发具有更高抑制活性和选择性的醛糖还原酶抑制剂打造坚实的理论基础。

我国是糖尿病发病大国，目前有超过九千万患者并有逐年增加的趋势。糖尿病引发的白内障、肾功能损伤、皮肤病、心血管疾病等综合症严重影响患者的生活质量。醛糖还原酶作为人体内多元醇代谢通路的关键限速酶，其在高血糖环境下的高度活化是诱发和导致糖尿病综合症的关键因素。然而，醛糖还原酶对葡萄糖分子的催化机制尚未完全明晰，一直以来人们对其催化还原葡萄糖过程的了解都来自于该酶对简单分子甘油醛转化过程的认知，而葡萄糖和甘油醛分子无论在分子极性还是在活性官能团数量方面都存在较大的差异。因此，为了揭示醛糖还原酶对葡萄糖分子的催化机制，本项目通过应用量子化学与分子力学相结合的理论研究方法(QM/MM)和残基突变对人类醛糖还原酶(hALR2)对葡萄糖分子的催化机理在分子水平上进行系统的研究。项目重要研究发现包括：1. 构建了合理的hALR2三维结构模型，通过分子对接和分子动力学研究揭示了其与葡萄糖分子的相互作用模式。通过比较研究发现葡萄糖与甘油醛和hALR2的结合自由能有很大差异，分别为-8.75和-4.74 kcal/mol。2. 应用QM/MM揭示了hALR2对葡萄糖分子的催化机制，获得了氢负离子转移和质子转移的详细信息，并结合残基突变研究发现了影响酶催化反应的关键残基，包括Trp20、Val47、Trp111、Trp219和Cys298等。3.通过分析hALR2和hALR1活性口袋的结构差异并结合影响hALR2催化反应的关键位点，项目组针对一系列来自天然产物的黄酮类化合物进行了三维定量构效关系研究，活得了高相关性的结构-活性关系模型（q2>0.71，r2>0.98），为新型高选择性醛糖还原酶抑制剂的开发提供了重要的结构信息。该项目深入阐明了醛糖还原酶对葡萄糖分子的催化机制及影响因素，为设计和开发具备高活性和高选择性的醛糖还原酶抑制剂创造了基础。