乳清酸核苷单磷酸盐脱羧酶催化反应的作用机制

摘要

乳清酸核苷-5'-单磷酸盐脱羧酶(ODCase)催化乳清酸核苷-5'-单磷酸盐(OMP)脱羧生成尿苷-5'-单磷酸盐(UMP)是目前已知催化效率最高的酶催化反应之一，而且其高效的催化作用是在没有金属离子、有机小分子等辅基的帮助下完成的；另外，对于一般脱羧反应的催化剂，其基本作用是帮助离域化底物分子释放出 CO2后形成的负电荷，但底物OMP却没有一个可使碳负离子中间体电子离域的π轨道。这些特性是脱羧酶所不常见的。ODCase也因此成为理论和实验上所广泛关注和研究的焦点。同时这为我们更深入的了解酶的催化机理提供了一个很理想的研究模型。
　　尽管在理论和实验上对ODCase催化 OMP脱羧反应机理已经做了大量的研究，很多种的反应机理被提出来而且进行了广泛详细的讨论，现有这些机理中，比较有前途的有三种:C6直接脱羧机理，O2质子化机理和O4质子化机理(卡宾机理)，但至今关于ODCase催化机理仍没有定论。
　　造成这种局面的主要原因是现有的研究工作都是采用不同理论和实验的方法，是利用非酶催化类比实验得出 O2位的质子化机理。Houk等人用理论化学方法计算了气相中的乳清酸盐和去质子化的脲嘧啶的质子亲和力，提出了卡宾反应机理等等。虽然这些机理都有相关研究的支持，但我们认为由于酶催化机理本身与非酶催化存在着本质的区别，这种类比的可靠性如何?此外，目前尚未有对上述机理用统一的理论方法进行系统全面研究的报道。
　　本文首先设计了几种非催化反应模型，重点讨论了羰基氧上水分子氢键的作用和反溶剂化对各种反应模型的机理的影响；然后针对三种主要的质子化机理(O2、O4和C6)进行了气相和溶剂中的反应机理的详细讨论和研究，其中包括对反溶剂化作用和质子对反应体系的影响。另外还分析了基组对反应机理的影响。最后，在研究了非催化和非酶催化模型的基础上将可能影响反应机理的因素设计到酶催化反应的理论模型中，然后对模型的可能性进行分析，希望可以通过模型的建立和研究结果分析对ODCase酶催化脱羧的本质有更深入的了解。
　　本论文共分为五个部分。
　　第一章简要介绍了研究乳清酸核苷-5'-单磷酸盐脱羧酶(ODCase)催化乳清酸核苷-5'-单磷酸盐(OMP)脱羧反应机理的意义和文章涉及的反应体系的研究背景及所取得的成果。
　　第二章把论文中用到的基本理论以及它们的应用情况作简单介绍。
　　第三章在HF/6-31+G(d)理论水平上对几种 OMP非催化反应模型的机理进行了计算，讨论了羰基氧上水分子氢键的作用和反溶剂化对反应机理的影响。然后还讨论了另外两种乳清酸衍生物非催化脱羧机理，并与实验值进行了比较。结果表明:(1)水分子氢键对羰基氧的作用(O2/O4)可以帮助分离 OMP羧基 CO2-上的负电荷，有效的降低反应势垒，提高反应性。且水分子氢键对O4的作用较O2更加明显。(2)脱羧反应时，随着所使用溶剂的介电常数的降低，反应势垒降低，反应活性提高。与实验上测得的底物脱羧反应进行的容易度随着溶剂介电常数变化的规律基本吻合。
　　第四章在B3LYP/6-31+G(d，p)理论水平上针对三种主要的质子化机理(O2、O4和C6)进行了气相和溶剂中的反应机理的详细讨论和研究。为与非催化反应做对比，还对反溶剂化作用和质子对反应的影响进行了进一步的讨论。另外，分析了基组对反应机理的影响。结果显示:(1)质子化相对于水分子氢键可以更好的降低脱羧反应势垒，提高反应性。且跟非催化情况类似O4质子化机理比 O2更有能量优势；(2)在不同溶剂中，介电常数越小极性越弱，反应势垒越低，脱羧反应性越强。在模拟酶催化环境的eps4溶剂中，计算所得的势垒跟实验值已经相差不大。(3)弥散函数对OMP这种富负电荷体系具有重要意义。
　　第五章在研究了非催化和非酶催化模型的基础上，考虑非极性介电环境和酸碱催化是最主要的可能影响因素，并将这两种因素设计到酶催化反应的理论模型中，然后对此模型的可能和可行性进行计算分析。结果表明:(1)通过水分子链桥接 ODCase的带正电残基很有可能是质子化脱羧机理的质子源，解决了对质子化机理的质子源问题。(2)水分子链桥接的O4质子化机理很可能为OMP催化脱羧的反应通道，且质子化过程在整个催化反应中起到非常重要的作用。

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第一章 绪论

1.1 酶的简介

1.2 乳清酸核苷单磷酸盐脱羧酶的研究现状

1.3 研究内容、研究方案和目标

参考文献

第二章 计算方法及其基本原理介绍

2.1 SCF-MO 方法的基本原理

2.2 从头算方法

2.3 DFT 方法理论简介 [36-55]

2.4 过渡态理论 势能面、平衡几何构型与内禀反应坐标

2.5 过渡态理论的基本假设和 Eyring 速率常数公式和应用

2.6 PCM 溶剂模型

2.7 ONIOM：一种研究大体系的有力方法

参考文献

第三章 乳清酸核苷单磷酸盐脱羧非催化理论模型

第一节 乳清酸核苷单磷酸盐脱羧非催化理论模型

第二节 两种乳清酸衍生物非催化脱羧机理的理论研究

参考文献

第四章 乳清酸核苷单磷酸盐非酶催化脱羧理论模型研究

第一节 乳清酸核苷单磷酸盐非酶催化脱羧理论模型

参考文献

第五章 乳清酸核苷单磷酸盐酶催化脱羧机理

第一节 质子化 H2O 分子链作用的 C6 质子化机理和动力学同位

参考文献

第二节 O4 质子化机理——质子化过程在 ODCase 催化 OMP 脱羧中的作用

参考文献

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