《有機磷解毒金屬酶催化反應機制的理論研究》是依託哈爾濱工業大學，由楊玲擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：有機磷解毒金屬酶催化反應機制的理論研究
- 依託單位：哈爾濱工業大學
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：楊玲
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
近年來生物學家和化學家們一直致力於對酶催化反應機制的實驗和理論研究，同時設計和開發一些具有特殊功能的新酶，期望在生產和生活套用中達到甚至超過野生酶的催化效率。套用量子化學方法對生命過程中的重要化學問題進行計算模擬已經成為生物學和化學的研究熱點和重點。本項目將採用量子化學密度泛函方法結合活性中心簇模型對一些反應機理不明確甚至存在爭議的有機磷解毒金屬酶催化反應機理進行理論研究, 並在此基礎上通過金屬離子替換, 殘基突變和新反應底物活性測試等方法從理論上對這些酶進行設計。闡明目標酶催化反應速率的原因和對映選擇性、區域選擇性及化學選擇性的來源。有望從理論上設計一些能高效催化有機磷神經毒劑水解的酶。該項目研究將給出有機磷化合物在生物體內的代謝過程，並為生物學家和化學家從實驗和理論上設計磷酯酶提供有意義的理論指導，進一步為有機磷化合物解毒藥物的設計和工業合成提供理論參考和依據。
結題摘要
野生型酶的改性與人工酶的設計都需要從原子水平了解酶活性中心的電子結構。因此套用量子化學方法對酶催化反應機制進行理論模擬已經成為生物學和化學的研究熱點和重點。本項目採用量子化學雜化密度泛函方法結合活性中心簇模型對單核有機磷解毒金屬酶二異丙基氟磷酸酶和對氧磷酶1的反應機理及雙核金屬金屬-beta-內醯胺酶（蠟樣芽孢桿菌酶，脆弱擬桿菌酶，嗜麥芽寡養單胞菌酶，甲基對硫磷水解酶和核糖核酸酶）的催化反應機理進行系統的理論研究,並在此基礎上通過單核與雙核金屬離子Mg2+，Ca2+，Zn2+，Cd2+替換及底物磷原子所連的氧原子被硫原子替換, 殘基突變和新反應底物活性測試等方法，研究不同因素對酶催化效率和選擇性的影響。研究結果表明： （1）金屬Mg2+和Ca2+的互換致使金屬鎂酶由催化變抑制，伴隨天冬氨酸殘基的配位形式的改變。 （2）殘基突變研究表明單核金屬磷酸酶如二異丙基氟磷酸酶和對氧磷酶1活性中心存在進化關係，活性中心的殘基Asn270對對氧磷酶催化對氧磷是起促進作用的，而對二異丙基氟磷酸酶催化二異丙基氟磷酸的作用卻相反，同時研究結果表明中心配位的柔性及配位數的變化和親核試劑的多樣性，使得這些磷酯酶可催化多種有機磷化合物。 （3）對雙核金屬-beta-內醯胺酶家族多種酶催化磷酸酶的反應機理及催化能力進行的研究得出從嗜麥芽寡養單胞菌酶到蠟樣芽孢桿菌酶/脆弱擬桿菌酶再到對硫磷水解酶/核糖核酸酶催化對氧磷能力從無到有的漸變過程，活性中心配位殘基電荷的變化和催化能力的漸變關係是一致的。這為設計新的有機磷解毒酶及磷酯水解酶提供了新的線索與理論依據。 （4）雙鋅中心的甲基對硫磷水解酶催化對氧磷的效率最高，即使在沒有疏水殘基幫助離去基團離去條件下；而催化甲基對硫磷的效率很低，需要輔助疏水殘基的參與，這與突變實驗活性中心的非配位疏水殘基對催化反應速率有輔助作用的結果是一致的；但是雙鋅變為雜化鋅鎘雙中心時對對氧磷的催化水解速率遠遠低於純雙鋅中心的。 以上研究闡明了目標酶催化反應速率的原因和選擇性的來源。從理論水平發現了能高效催化有機磷化合物水解的活性中心結構。該項目研究為生物學家和化學家從實驗和理論上設計磷酯水解酶提供了有意義的理論指導與新的線索，也為有機磷化合物解毒藥物的設計和工業合成提供了理論參考和依據。
