乳清酸核苷單磷酸鹽脫羧酶催化反應(yīng)的作用機制.pdf

1、乳清酸核苷-5'-單磷酸鹽脫羧酶(ODCase)催化乳清酸核苷-5'-單磷酸鹽(OMP)脫羧生成尿苷-5'-單磷酸鹽(UMP)是目前已知催化效率最高的酶催化反應(yīng)之一，而且其高效的催化作用是在沒有金屬離子、有機小分子等輔基的幫助下完成的；另外，對于一般脫羧反應(yīng)的催化劑，其基本作用是幫助離域化底物分子釋放出 CO2后形成的負(fù)電荷，但底物OMP卻沒有一個可使碳負(fù)離子中間體電子離域的π軌道。這些特性是脫羧酶所不常見的。ODCase也因此成為理論

2、和實驗上所廣泛關(guān)注和研究的焦點。同時這為我們更深入的了解酶的催化機理提供了一個很理想的研究模型。
　　盡管在理論和實驗上對ODCase催化 OMP脫羧反應(yīng)機理已經(jīng)做了大量的研究，很多種的反應(yīng)機理被提出來而且進(jìn)行了廣泛詳細(xì)的討論，現(xiàn)有這些機理中，比較有前途的有三種:C6直接脫羧機理，O2質(zhì)子化機理和O4質(zhì)子化機理(卡賓機理)，但至今關(guān)于ODCase催化機理仍沒有定論。
　　造成這種局面的主要原因是現(xiàn)有的研究工作都是采用不同理論

3、和實驗的方法，是利用非酶催化類比實驗得出 O2位的質(zhì)子化機理。Houk等人用理論化學(xué)方法計算了氣相中的乳清酸鹽和去質(zhì)子化的脲嘧啶的質(zhì)子親和力，提出了卡賓反應(yīng)機理等等。雖然這些機理都有相關(guān)研究的支持，但我們認(rèn)為由于酶催化機理本身與非酶催化存在著本質(zhì)的區(qū)別，這種類比的可靠性如何?此外，目前尚未有對上述機理用統(tǒng)一的理論方法進(jìn)行系統(tǒng)全面研究的報道。
　　本文首先設(shè)計了幾種非催化反應(yīng)模型，重點討論了羰基氧上水分子氫鍵的作用和反溶劑化對各種反

4、應(yīng)模型的機理的影響；然后針對三種主要的質(zhì)子化機理(O2、O4和C6)進(jìn)行了氣相和溶劑中的反應(yīng)機理的詳細(xì)討論和研究，其中包括對反溶劑化作用和質(zhì)子對反應(yīng)體系的影響。另外還分析了基組對反應(yīng)機理的影響。最后，在研究了非催化和非酶催化模型的基礎(chǔ)上將可能影響反應(yīng)機理的因素設(shè)計到酶催化反應(yīng)的理論模型中，然后對模型的可能性進(jìn)行分析，希望可以通過模型的建立和研究結(jié)果分析對ODCase酶催化脫羧的本質(zhì)有更深入的了解。
　　本論文共分為五個部分。

5、>　　第一章簡要介紹了研究乳清酸核苷-5'-單磷酸鹽脫羧酶(ODCase)催化乳清酸核苷-5'-單磷酸鹽(OMP)脫羧反應(yīng)機理的意義和文章涉及的反應(yīng)體系的研究背景及所取得的成果。
　　第二章把論文中用到的基本理論以及它們的應(yīng)用情況作簡單介紹。
　　第三章在HF/6-31+G(d)理論水平上對幾種 OMP非催化反應(yīng)模型的機理進(jìn)行了計算，討論了羰基氧上水分子氫鍵的作用和反溶劑化對反應(yīng)機理的影響。然后還討論了另外兩種乳清酸衍生物非

6、催化脫羧機理，并與實驗值進(jìn)行了比較。結(jié)果表明:(1)水分子氫鍵對羰基氧的作用(O2/O4)可以幫助分離 OMP羧基 CO2-上的負(fù)電荷，有效的降低反應(yīng)勢壘，提高反應(yīng)性。且水分子氫鍵對O4的作用較O2更加明顯。(2)脫羧反應(yīng)時，隨著所使用溶劑的介電常數(shù)的降低，反應(yīng)勢壘降低，反應(yīng)活性提高。與實驗上測得的底物脫羧反應(yīng)進(jìn)行的容易度隨著溶劑介電常數(shù)變化的規(guī)律基本吻合。
　　第四章在B3LYP/6-31+G(d，p)理論水平上針對三種主要的質(zhì)

7、子化機理(O2、O4和C6)進(jìn)行了氣相和溶劑中的反應(yīng)機理的詳細(xì)討論和研究。為與非催化反應(yīng)做對比，還對反溶劑化作用和質(zhì)子對反應(yīng)的影響進(jìn)行了進(jìn)一步的討論。另外，分析了基組對反應(yīng)機理的影響。結(jié)果顯示:(1)質(zhì)子化相對于水分子氫鍵可以更好的降低脫羧反應(yīng)勢壘，提高反應(yīng)性。且跟非催化情況類似O4質(zhì)子化機理比 O2更有能量優(yōu)勢；(2)在不同溶劑中，介電常數(shù)越小極性越弱，反應(yīng)勢壘越低，脫羧反應(yīng)性越強。在模擬酶催化環(huán)境的eps4溶劑中，計算所得的勢壘跟實

8、驗值已經(jīng)相差不大。(3)彌散函數(shù)對OMP這種富負(fù)電荷體系具有重要意義。
　　第五章在研究了非催化和非酶催化模型的基礎(chǔ)上，考慮非極性介電環(huán)境和酸堿催化是最主要的可能影響因素，并將這兩種因素設(shè)計到酶催化反應(yīng)的理論模型中，然后對此模型的可能和可行性進(jìn)行計算分析。結(jié)果表明:(1)通過水分子鏈橋接 ODCase的帶正電殘基很有可能是質(zhì)子化脫羧機理的質(zhì)子源，解決了對質(zhì)子化機理的質(zhì)子源問題。(2)水分子鏈橋接的O4質(zhì)子化機理很可能為OMP催化脫