金属蛋白酶仿生催化反应机理理论研究

论文摘要

蛋白质是一种以氨基酸为基本单位的生物大分子。金属蛋白质是生物体内可以结合金属离子的蛋白质。蛋白酶是生命体中由细胞产生的催化剂,具有高度选择性和催化活性,是一类特殊的蛋白质。生命体中的部分金属离子是以金属蛋白酶的形式表现生物功能的。根据蛋白酶的组成不同分类,可分为单纯蛋白质和结合蛋白质。其中,结合蛋白质是由蛋白质成分的酶蛋白和非蛋白质成分的辅助因子组成,两者结合称之为全酶,且只有全酶具有催化活性。非血红素铁酶是一类重要的金属蛋白酶,在化学、生物、环境和医学等领域应用广泛。尽管实验可以确定部分反应产物,但非血红素铁酶详细的反应机理,不同反应底物的反应中间体和过渡态仅仅通过实验方法是无法得到的。所以,本论文主要利用密度泛函理论研究了三种代表性非血红素铁金属蛋白酶——龙胆酸-1,2-双加氧酶,AsqJ双加氧酶和AlkB酶。（一）龙胆酸-1,2-双加氧酶（GDO）,属cupin超家族,是非血红素铁酶的一种。GDO催化芳香族化合物龙胆酸中的芳香环结构,生成顺丁烯二酰基丙酮酸,发生氧化分解裂解反应。氧分子作为氧化剂参与反应,底物结合氧气中的两个氧原子,在GDO的参与下反应,形成最终裂解产物。对该反应在密度泛函理论基础上进行研究。结果表明,反应的关键步骤是铁配合物与氧形成铁超氧化合物自由基,最终形成高价铁氧化物中间体过程。通过理论计算,分析各化合物的最优空间构型几何参数,前线分子轨道以及总能量,得到反应最佳通路。（二）AsqJ双加氧酶参与绿青霉素生物合成反应中的两个不同氧化反应:去饱和反应和环氧化反应。分子氧激活Fe2+/α-酮戊二酸依赖性双加氧酶参与生物体内许多重要的反应,这些底物以酶为媒介结合α-酮戊二酸生成二氧化碳和琥珀酸,并生成关键中间体——氧化态高价铁。采用密度泛函理论方法,对AsqJ双加氧酶在Fe2+/α-酮戊二酸辅酶因子的参与下,4-甲氧基喹诺酮抗菌药“一锅法”生物合成机理进行研究。结果表明,反应主要经历高价铁氧代物的形成、去饱和反应、环氧化反应和消除重排反应。其中,最后一步消除重排反应过程没有配位金属的参与。通过优化计算得到了反应过程中各化合物的最优空间构型参数,前线分子轨道以及总能量。（三）AlkB酶属于非血红素Fe2+/α-酮戊二酸双加氧酶,经氧化剂活化,生成高价铁超氧化物中间体,继而发生各种氧化反应。AlkB酶结合底物,金属铁以及α-酮戊二酸辅助因子,可直接去除部分DNA碱基损伤。使用密度泛函理论方法,对AlkB酶修复DNA烷基化反应机理进一步研究。结果表明,反应涉及两步高价铁氧代物的形成,氢质子转移和去甲基化作用反应机理。分析最优构型几何参数,前线分子轨道以及能量,得到最佳反应通路。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
•   1.1 金属蛋白酶
•   1.2 非血红素铁加氧酶
•   1.3 仿生催化反应应用前景
•   1.4 本论文的研究内容及意义
• 第2章 基础理论和计算方法
•   2.1 Schr?dinger方程
•   2.2 Hohenberg–Kohn定理
•   2.3 Kohn–Sham方程
•   2.4 密度泛函理论
•   2.5 B3LYP泛函
• 第3章 非血红素铁复合物龙胆酸-1,2-双加氧酶催化芳香环断裂反应机理
•   3.1 前言
•   3.2 计算模型和研究方法
•   3.3 结果讨论
•     3.3.1 去质子化氧化
•     3.3.2 第一步氢质子转移
•     3.3.3 第二步氢质子转移
•     3.3.4 水解过程
•   3.4 小结
• 第4章 喹诺酮类抗菌药生物合成机理研究
•   4.1 前言
•     4.1.1 喹诺酮和喹诺酮类生物碱
•     4.1.2 AsqJ双加氧酶催化作用
•   4.2 计算模型和研究方法
•   4.3 结果讨论
•     4.3.1 高价铁氧代物的形成
•     4.3.2 去饱和反应
•     4.3.3 环氧化反应过程
•     4.3.4 消除重排反应过程
•   4.4 小结
• 第5章 AlkB酶修复突变DNA腺嘌呤的反应机理研究
•   5.1 前言
•   5.2 计算模型和研究方法
•   5.3 结果讨论
•     5.3.1 高价铁氧代物的形成机理
•     5.3.2 氢质子转移
•     5.3.3 第二步高价铁氧代物的形成机理
•     5.3.4 去甲基化作用
•   5.4 小结
• 第6章 结论和展望
• 参考文献
• 作者简历

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李秋娴

导师: 乔青安

关键词: 龙胆酸,双加氧酶,密度泛函理论,反应机理

来源: 鲁东大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,医药卫生科技

专业: 生物学,生物学,有机化工,生物医学工程

单位: 鲁东大学

基金: 山东省自然科学基金(ZR2014BM037)

分类号: TQ426.97;Q811

总页数: 87

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