《理論研究電子極化在酶催化功能中的作用》是依託華東師範大學，由向雲擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：理論研究電子極化在酶催化功能中的作用
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：向雲
- 依託單位：華東師範大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
在本項目中，我們將利用最新發展的基於從頭計算和電子極化的量子力學和分子力學的組合方法（ai-QM/MM-ppc），對一系列在生物體內起重要作用的酶體系進行系統而細緻的模擬計算分析。在處理蛋白電子極化方面，我們成功實現了QM/MM與蛋白特定極化電荷（PPC）的對接。我們將利用此方法上的優勢，在對酶催化機制的理論研究中重點探索電子極化對其催化作用的影響，如研究電子極化能否降低化學反應能壘從而加速反應的進程或改變反應的過渡態等。另外，我們還將引入帶約束的密度泛函理論方法（CDFT），從而增強QM/MM處理酶反應活性中心並提高能量計算準確度的能力。我們計畫研究的生物酶體系包括（1）subtilisin，（2）human DNA polymerase beta,（3）carbonic anhydrase 和（4）ribosome.
結題摘要
在該項目經費的資助下,我們開展了分子模擬的創新性理論計算方法的發展和套用研究. 圍繞該領域的重點難點問題,即如何算得更大,算得更準,算得更快的問題, 我們發展了具有自身特色的計算方法, 特別是對量子處理大的蛋白體系, 提高勢能面計算的準確度, 和與分子動力學模擬方法相結合進行構象採樣,提高熱力學量如自由能計算的準確度, 我們相應發展了MQM和MQMMM-MD方法, 而且編寫了具有自主智慧財產權的能進行並行計算的電腦程式包DynaDock, 開展了廣泛的計算測試和對蛋白酶催化反應的套用計算研究. 另外,我們還發展了計算複雜化學生物體系中核的量子效應的MQMMM-QMD方法, 與含時波包傳播法相結合, 用於計算溶液中和蛋白酶中質子轉移反應的量子效應,取得了較好的效果. 這些研究內容和成果相較於最初的研究計畫有很大程度的提升和擴展, 將我們的理論計算水平提高到一個嶄新的層次. 我們最初計畫用PPC的方法處理分子環境的極化效應, 但我們最新的方法MQMMM將很大一部分環境也做含時的量子處理, 這就比PPC更準確可靠. 因為實現了並行計算, 計算效率也沒有顯著降低. 我們的方法中QM區域可以達到200個原子，這就將環境的極化效應有效的考慮在內。在對幾個酶催化體系的套用研究中，我們發現蛋白環境的電子極化對降低反應的能壘，提高反應速率有重要貢獻。這進一步印證了我們早期工作的結論，對我們深入理解蛋白催化的工作機制有重要意義。
