儿茶酚--O--甲基转移酶与长链L--α--羟基酸氧化酶代谢特性及催化机理的理论研究

摘要

在本论文中，我们使用理论计算的方法研究了儿茶酚-O-甲基转移酶、长链L-α-羟基酸氧化酶的代谢特性和催化机理。 1.儿茶酚-O-甲基转移酶 儿茶酚-O-甲基转移酶(COMT，EC2.1.16)在灭活含有儿茶酚结构的神经递质中起到关键性作用。其通过从AdoMet上将甲基基团转移给底物而完成代谢。对于许多COMT底物分子诸如多巴胺和去甲肾上腺素等，meta-羟基比para-羟基更容易发生甲基化作用。两种重要的黄酮分子槲皮素和木犀草素因含有儿茶酚部位而成为COMT底物。实验数据显示，槲皮素倾向于发生meta-甲基化而木犀草素则更易生成para-位甲基化产物。为阐明槲皮素和木犀草素不同甲基化倾向的机制，我们联合使用分子动力学模拟、QM/MM计算等理论研究手段，对COMT催化的黄酮分子甲基化区域选择性进行了探究。基于分子动力学轨迹的结合自由能计算结果表明，槲皮素meta-O-甲基化结合模式较para-O-甲基化结合模式更稳定，而木犀草素则恰相反。另一方面，QM/MM计算说明，这两种黄酮分子被COMT代谢时，meta-O-甲基化反应能垒都比para-O-甲基化反应能垒低。在本文中，我们分别从热力学角度和反应动力学角度对蛋白-黄酮相互作用和甲基化反应过程进行了综合的讨论。 2.长链-L-α-羟基酸氧化酶 长链-L-α-羟基酸氧化酶(LCHAO)是一种FMN依赖型L-α-羟基酸氧化酶，其可将L-α-羟基酸氧化为相应的酮酸。基于生物化学数据，人们对此种酶的催化过程提出了两种不同的机理，即氢负离子转移机理和碳负离子机理。然而，并没有晶体学或代谢动力学研究能提供足够的证据证明其中一种原理或排除另外一种。在本文中，我们利用理论计算的方法研究了LCHAO催化L-乳酸分子氧化的分子机制。分子动力学模拟表明，L-乳酸与来自晶体结构的LCHAO模型结合时，氢负离子转移机理对应的结合模式可稳定存在，而碳负离子机理结合模式则相反。在ONIOM-EE(B3LYP/6-311++G(d，p)//B3LYP/6-31G(d，p):AMBER)理论水平下的QM/MM优化进一步得到了催化体系反应物、过渡态、产物结构。量子化学研究显示，LCHAO催化的L-乳酸氧化应遵循氢负离子转移机理，而碳负离子机理则难以进行。此外，对于野生型和Y129F突变型LCHAO进行的分子动力学模拟、结合自由能分析和QM/MM计算结果证实，活性中心关键残基Tyr129并不会影响L-乳酸与LCHAO的亲和性，但其可通过与氢键作用在L-乳酸的催化过程中扮演重要角色。

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缩写表

摘要

第1章 绪论

1．1 儿茶酚-O-甲基转移酶代谢特性及催化机理研究

1．1．1 儿茶酚-O-甲基转移酶简介

1．1．2 儿茶酚-O-甲基转移酶代谢底物的区域选择性

1．1．3 槲皮素与木犀草素经儿茶酚-O-甲基转移酶代谢研究

1．2 长链L-α-羟基酸氧化酶代谢特性及催化机理研究

1．2．1 长链L-α-羟基酸氧化酶简介

1．2．2 氢负离子转移机理和碳负离子机理假说

参考文献

第2章 COMT催化槲皮素与木犀草素区域选择性的计算模拟研究

2．1 前言

2．2 计算方法

2．2．1 初始模型构建

2．2．2 分子动力学模拟

2．3．3 结合自由能计算

2．3．4 结合自由能分解

2．3．5 QM／MM计算

2．3 结果与讨论

2．3．1 黄酮-COMT复合物模型的分子动力学模拟

2．3．2 基于结合自由能计算的热力学稳定性分析

2．3．3 槲皮素或木犀草素与COMT结合模式分析

2．3．4 COMT代谢槲皮素与木犀草素反应动力学研究

2．4 结论

参考文献

第3章 LCHAO对L-α-羟基酸类化合物催化机理的计算模拟研究

3．1 前言

3．2 计算方法

3．2．1 初始模型构建

3．2．2 分子动力学模拟

3．2．3 结合自由能计算和残基自由能分解

3．2．4 QM／MM计算

3．3 结果与讨论

3．3．1 野生型LCHAO氢负离子转移模型和碳负离子模型的分子动力学模拟

3．3．2 Y129F突变型LCHAO氢负离子转移模型的分子动力学模拟

3．3．3 结合自由能计算和残基自由能分解

3．3．4 野生型LCHAO氢负离子转移机理的QM／MM计算

3．3．5 Y129F突变型LCHAO氢负离子转移机理的QM／MM计算

3．3．6 野生型LCHAO碳负离子机理的QM／MM计算

3．4 结论

参考文献

作者简历