《人類醛糖還原酶對葡萄糖分子的催化機制研究》是依託杭州師範大學，由王志國擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：人類醛糖還原酶對葡萄糖分子的催化機制研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：王志國
- 依託單位：杭州師範大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
醛糖還原酶是生物體內多元醇代謝通路中的關鍵限速酶，其在高血糖環境下對葡萄糖分子催化作用的高度活化是誘發和惡化糖尿病綜合症的關鍵因素，因此，醛糖還原酶的催化機理是酶催化領域的一個研究熱點，也是糖尿病綜合症治療領域所關注的焦點。本項目主要通過量子化學與分子力學相結合的方法(QM/MM)對人類醛糖還原酶(hALR2)對葡萄糖分子的催化機理在分子水平上進行系統的研究，主要包括：考察hALR2與葡萄糖分子的相互作用模式；套用QM/MM方法重點研究並揭示催化過程中的氫負離子轉移和質子轉移機制，並揭示影響酶催化效率和抑制劑選擇性的關鍵因素。此外，項目還將針對hALR2在實驗上進行定點突變研究，以進一步明確活性口袋中主要殘基在酶催化過程中的作用。該項目對深入闡明醛糖還原酶的生物學功能及其催化機理具有重要意義，同時還可以為設計和開發具有更高抑制活性和選擇性的醛糖還原酶抑制劑打造堅實的理論基礎。
結題摘要
我國是糖尿病發病大國，目前有超過九千萬患者並有逐年增加的趨勢。糖尿病引發的白內障、腎功能損傷、皮膚病、心血管疾病等綜合症嚴重影響患者的生活質量。醛糖還原酶作為人體內多元醇代謝通路的關鍵限速酶，其在高血糖環境下的高度活化是誘發和導致糖尿病綜合症的關鍵因素。然而，醛糖還原酶對葡萄糖分子的催化機制尚未完全明晰，一直以來人們對其催化還原葡萄糖過程的了解都來自於該酶對簡單分子甘油醛轉化過程的認知，而葡萄糖和甘油醛分子無論在分子極性還是在活性官能團數量方面都存在較大的差異。因此，為了揭示醛糖還原酶對葡萄糖分子的催化機制，本項目通過套用量子化學與分子力學相結合的理論研究方法(QM/MM)和殘基突變對人類醛糖還原酶(hALR2)對葡萄糖分子的催化機理在分子水平上進行系統的研究。項目重要研究發現包括：1. 構建了合理的hALR2三維結構模型，通過分子對接和分子動力學研究揭示了其與葡萄糖分子的相互作用模式。通過比較研究發現葡萄糖與甘油醛和hALR2的結合自由能有很大差異，分別為-8.75和-4.74 kcal/mol。2. 套用QM/MM揭示了hALR2對葡萄糖分子的催化機制，獲得了氫負離子轉移和質子轉移的詳細信息，並結合殘基突變研究發現了影響酶催化反應的關鍵殘基，包括Trp20、Val47、Trp111、Trp219和Cys298等。3.通過分析hALR2和hALR1活性口袋的結構差異並結合影響hALR2催化反應的關鍵位點，項目組針對一系列來自天然產物的黃酮類化合物進行了三維定量構效關係研究，活得了高相關性的結構-活性關係模型（q2大於0.71，r2大於0.98），為新型高選擇性醛糖還原酶抑制劑的開發提供了重要的結構信息。該項目深入闡明了醛糖還原酶對葡萄糖分子的催化機制及影響因素，為設計和開發具備高活性和高選擇性的醛糖還原酶抑制劑創造了基礎。
