幾類SAM自由基酶催化機理的理論研究

《幾類SAM自由基酶催化機理的理論研究》是依託山東大學，由劉永軍擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：幾類SAM自由基酶催化機理的理論研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：劉永軍
• 依託單位：山東大學

中文摘要

SAM自由基酶是成員增加最快的超家族之一，在生物體中發揮重要的生物學功能,能催化多種類型的化學反應，由於其活性位點的鐵硫簇[4Fe-4S]對空氣十分敏感，獲得的晶體結構十分有限。SAM自由基酶的催化過程涉及許多自由基中間體，給實驗研究帶來了較大困難，致使對其催化機理的認識還相當膚淺。本項目擬以幾類SAM自由基酶的晶體結構為基礎，對SAM自由基酶催化的甲基和硫甲基化反應、變位與重排反應和DNA/RNA光損傷修復過程進行系統的研究，重點探討SAM裂解形成Ado自由基後引發的一系列化學反應，闡明整個催化循環反應過程的機理和Ado自由基再生機制，考察一些活性位點的殘基對催化反應所起的作用，找出決定反應立體選擇性和區選擇性的關鍵因素，預測殘基突變以及蛋白質構象變化對催化反應的影響。此項目的開展不僅有助於深入理解自由基SAM酶的生物學功能，也能為相關實驗研究、酶設計及藥物開發奠定一定的理論基礎。

結題摘要

SAM自由基酶是一類需要依賴S-腺苷甲硫氨酸（SAM）才能起催化作用的蛋白酶，在生物體中發揮重要的生物學功能，催化的反應類型有甲基化反應、甲硫化反應、氧化反應、碳骨架重排等。由於SAM自由基活性較高，致使對反應中間體的實驗觀測存在較大困難，特別是對SAM自由基酶催化反應的細節和Ado自由基的重新生成機制還不清楚。針對這一研究現狀，本項目擬以目前得到的SAM自由基酶的晶體結構為基礎，綜合運用量子力學、分子力學和分子動力學模擬方法系統地研究幾類SAM自由基酶的催化機理，通過研究這些酶催化過程中所涉及的化學鍵形成與斷裂過程的具體細節以及自由基傳遞規律，加深對自由基酶催化反應的理解，找出影響酶催化活性和反應選擇性的關鍵因素，為相關實驗研究和套用開發奠定必要的理論基礎。項目於2013年8月獲得面上類項目小額預研基金資助，研究期限為2016.01至2017.12。 在項目執行期間，課題組按研究計畫系統地研究了幾類代表性SAM自由基酶如孢子光產物裂解酶（SPL）、甲基化酶（RlmN）、7-羧基-7-脫氮鳥嘌呤合成酶（QueE）、抗生素那西肽和硫鏈絲菌肽合成酶（NosL）等的催化機理，對這些SAM自由基酶催化的甲基和硫甲基反應、變位與重排反應進行了系統的理論研究，探討了SAM裂解形成Ado自由基後引發的一系列化學反應，闡明了整個催化循環反應過程的機理。主持人時刻關注該領域的國內外研究動態，根據具體情況對其它幾種含鐵酶如煙麴黴毒素B內過氧化酶(FtmOx1)、非血紅素加雙氧酶AsqJ、五羥基黃酮2,4-加雙氧酶的催化反應也進行了系統研究，並與SAM自由基酶的催化反應進行了比較，總結了催化反應的規律和特點。 通過兩年的艱苦努力，超額完成了預定的研究目標和任務，相關研究結果為深入理解此類酶結構與活性關係提供了重要信息，還可為進一步的實驗研究和套用開發奠定必要的理論基礎。 本項目研究成果共發表SCI學術論文19篇，其中影響因子大於10.0論文2篇（ACS Catalysis），影響因子大於3.0的11篇 （Phys. Chem. Chem. Phys., Catalysis Science & Technology，RSC Advances等）；培養博士生6名，碩士生5名，邀請國外專家講學2人次，參加國際交流會議2人次，國內學術會議10人次。