1. 研究目的与意义
1.研究背景：酶是具有催化功能的特殊蛋白质,有生物催化剂之称。根据专一性的不同,可以分为六大类：氧化还原酶类、转移酶类、水解酶类、裂合酶类、异构酶类和连接酶类。随着生物化学技术的发展,酶催化反应越来越多地被科学家们应用到我们生活的各个方面。虽然目前已有实验方法可以得到酶的晶体结构、催化活性、激活剂和抑制剂等信息,但是整个反应过程的详细信息仍然无法确定。近年来,随着量子化学理论及方法的不断完善,计算机运行速度的提高,计算化学对酶催化领域产生了重大影响,成为化学工作者必不可少的强有力的理论工具。 本论文以几种重要的酶催化反应为研究对象,综合运用量子化学、分子力学以及两者相结合的方法对其催化机理进行系统的理论研究,获得了其反应过程的详细信息,揭示了其催化反应的本质,解释了有关实验现象并补充了相关实验结果,促进了生命大分子体系计算方法的发展和应用研究。 本论文主要工作描述如下：(1)异构酶苯丙氨酸氨基变位酶的催化机理研究 苯丙氨酸氨基变位酶(tcpam)催化(2s)-α-苯丙氨酸异构化生成(3r)-β-苯丙氨酸,是著名的抗癌药紫杉醇的13位侧链合成的第一步反应,该酶是在植物中首次发现的氨基变位酶,并且是目前在生物体内所发现的唯一的苯丙氨酸氨基变位酶。在tcpam活性口袋中,存在特殊的亲电试剂4-亚甲基-1h-咪唑-5(4h)酮(mio), mio结构是ala-ser-gly通过自身催化而形成的。目前针对mio-依赖氨基变位酶提出的反应机理有两种：米切尔加成反应和傅氏反应。我们应用密度泛函理论b3lyp方法研究了苯丙氨酸氨基变位酶的催化机理。计算结果表明：此反应经历了米切尔加成反应机理,而不是傅氏反应机理。在米切尔加成反应机理中,cp脱氢过程为整个过程的决速步,cp脱氢和氨解离过程经历了e1cb机理：中间体肉桂酸发生了分子内cl-cα的旋转,导致了产物的立体结构与sgtam催化产物不同；活性中心关键残基对底物的结合和催化起到十分重要的作用。我们得到的计算结果与实验结果一致,描述了整个催化反应的细节,解释了立体化学效应,有助于生物合成前体的制备及抗癌药物的设计和研发。 (2)水解酶多聚腺苷二磷酸核糖水解酶和柠檬烯-1,2-环氧化物水解酶的催化机理研究 聚腺苷二磷酸核糖化(par化)是一种短暂的、动态的、可逆的对核蛋白翻译后的修饰过程,参与了多方而的生理过程：dna损伤后修复和基因组整体性的维系,对转录的调控,对蛋白质降解的调节,以及细胞凋亡和坏死细胞的死亡等。在这个过程中,聚(腺苷二磷酸核糖)聚合酶(parp)和聚(腺苷二磷酸核糖)水解酶(parg)具有重要的调节作用。parg是唯一的降解腺苷二磷酸核糖聚合物的酶。parg通过催化α[(1-2)和(1-2)核糖基-核糖水解par得到构型翻转的adp-核糖。我们通过利用密度泛函b3lyp方法研究了聚(腺苷磷酸核糖)水解酶(parg)催化聚(腺苷二磷酸核糖)(par)的降解机理。基于最新得到的晶体结构,我们构建了三个不同大小的活性口袋模型,以期得到parg的催化水解机理,以及关键残基的作用。计算结果证明,parg催化par的水解反应经历了sn2的机理而不是实验猜测的sn1机理。通过不同模型的计算,我们得到了关键残基的作用。文中得到的核糖-核糖之间糖苷键的水解机理,可以为后续突变实验、抑制剂实验研究提供理论基础。 环氧化合物水解酶(ehs),是一组催化环氧化合物水解为相应邻二醇的酶类。ehs含有高度相似的氨基酸序列,属于α/β折叠型水解酶系。但是柠檬烯-1,2-环氧化物水解酶(leh)不具备α/β折叠结构,有着不同于一般水解酶的结构以及催化机理。最新的实验报道通过突变特定残基可以改变底物的选择性,这些突变体可以应用到生物有机合成中。
目前，蛋白质结构预测的主要方法包括同源模建、折叠识别和从头预测(依据相同或不同的原理，科研人员还开发出了许多自动化的蛋白质结构预测程序，并提供免费在线预测，有些软件还可以下载到本地机上使用。自动化结构预测软件的出现使大规模蛋白质结构预测成为可能。
同源建模法主要是通过同源序列的分析或者模式匹配去预测蛋白质的空间结构以及结构单元（如锌指结构、螺旋-转角-螺旋结构、dna结合区域等）。蛋白质包含了一个特定的结构，但不同的蛋白质序列通常会采用相同的折叠，也就是说包含相似序列的蛋白质倾向于折叠成为相似的空间结构。一对蛋白质，若它们的序列具有25~30%的等同部分甚至更多，就可以假设这两个蛋白质能折叠成相似的空间结构。一般来说目标序列与未知蛋白质的同源性达到50%以上，就能够得到比较合理的构象。这样说来，如果一个未知结构的蛋白质和一个已知结构的蛋白质具有一定的序列相似性，就可以根据相似性的原理给未知结构的蛋白质构造成一个相似的三维模型。
2. 研究内容和预期目标
主要研究内容：
1.在pdb蛋白质数据库中寻找模板蛋白。
2.在ncbi中用blast对模板蛋白进行序列比对，得到同源性较高的目标蛋白。
3. 研究的方法与步骤
研究方法：
1.同源建模法主要是通过同源序列的分析或者模式匹配去预测蛋白质的空间结构以及结构单元（如锌指结构、螺旋-转角-螺旋结构、dna结合区域等）。
2.运用的分子对接的在线检测系统是swiss-dock，swiss-dock是预测目标蛋白和小分子之间相互作用的一个web服务系统，swiss-dock是以对接软件eadock dss为基础进行分子对接的。
4. 参考文献
[1] 李良智,杨天逸,李小林,扶教龙,胡翠英.弗氏葡糖杆菌产核糖醇脱氢酶研究.生物技术[j].2012,6
[2] 万跃华,何立民.网上生物信息学数据库资源.情报学报[j].2002,21(4):497-512
[3] 吴组建,高芳銮,沈建国.生物信息学分析实践[m].北京:科学出版社.2010
5. 计划与进度安排
1.2022-12-23～2022-3-7 接受任务、查阅和翻译文献、撰写及完成开题报告
2.2022-3-8～2022-3-21 模板蛋白搜索，blast选择目标蛋白
3.2022-3-22～2022-4-1 蛋白质同源建模
