乳清酸核苷单磷酸盐脱羧酶催论文题目化反应的作用机制

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1、 学号：学号：20051055 姓名：密士珍姓名：密士珍 联系电话：联系电话：13053995722 Email：mishizhen909 所在学院：化学化工与材料科学学院所在学院：化学化工与材料科学学院 论 文 题 目 乳 清 酸 核 苷 单 磷 酸 盐 脱 羧 酶 催 化 反 应 的 作 用 机 制 山 东 师 范 大 学 单位代码 10445 学号 20051055 分 类 号 O641.4 博 士 学 位 论 文 论文题目论文题目 乳清酸核苷单磷酸盐脱羧酶催乳清酸核苷单磷酸盐脱羧酶催 化反应的作用机制化反应的作用机制 本论文研究工作得到国家自然科学基金（No. 20675049）资助

2、学科专业名称 物理化学 申请人姓名 密士珍 导师姓名 陈德展 论文提交时间 2010 年 4 月 12 日 独独 创创 声声 明明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得 （注：如没有其他需要特别声 明的，本栏可空）或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 导师签字： 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 学校学校 有关

3、保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 学学 校校 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 学位论文作者签名： 导师签字： 签字日期：2010 年 4 月 12 日 签字日期：2010 年 4 月 12 山东师范大学博士学位论文 4 目 录 中文摘要. 6 Abstract . 8 第一章 绪论 . 11 1.1 酶的简介 12 1.2 乳清酸核苷单磷酸盐脱羧酶的研究现状 15 1.3 研究内容、研究方案和目标

4、 20 1.3.1 研究内容 . 20 1.3.2 拟解决的关键问题、研究方案和目标 . 21 1.4 参考文献 22 第二章 计算方法及其基本原理介绍 . 26 2.1 SCF-MO 方法的基本原理 26 2.1.1 Schrodinger 方程及一些基本近似 . 26 2.1.2 闭壳层体系的 Hartree-Fock-Roothaan 方程 31 2.1.3 开壳层体系的非限制性 Hartree-Fock 方法 . 32 2.1.4 开壳层体系的限制性 Hartree-Fock 方法 35 2.2 从头算方法 37 2.2.1 STO 与分子积分 . 37 2.2.2 GTF 及 Gau

5、ss 函数积分 38 2.3 DFT 方法理论简介 36-55 40 2.3.1 Thomas-Fermi 模型 40 2.3.2 Hohenberg-Kohn 定理 42 2.3.3 KohnSham 方程 42 2.3.4 KohnSham 方程的求解方法 43 2.3.5 交换能和相关能校正 . 43 2.4 过渡态理论 势能面、平衡几何构型与内禀反应坐标 . 44 2.4.1 势能面，反应坐标和过渡态 45 2.4.2 内禀反应坐标理论 45 2.5 过渡态理论的基本假设和 Eyring 速率常数公式和应用 47 2.5.1 过渡态理论的基本假设和 Eyring 速率常数公式 47 2

6、.5.2 Eyring 方程的应用及动力学同位素效应及理论求解 50 2.6 PCM 溶剂模型 . 52 2.6.1 处理溶剂效应的理论模型 . 52 2.6.2 PCM 溶剂化自由能的构成 53 2.6.3 自洽反应场（SCRF）理论19 PCM 模型的变体 . 53 2.6.4 PCM 模型的变体 54 2.7 ONIOM：一种研究大体系的有力方法 55 2.7.1 ONIOM 介绍 55 2.7.2 ONIOM 理论 . 55 2.8 参考文献 58 第三章 乳清酸核苷单磷酸盐脱羧非催化理论模型 . 61 参考文献 . 63 山东师范大学博士学位论文 5 第一节 乳清酸核苷单磷酸盐脱羧非

7、催化理论模型 . 64 3.1.1 引言 . 64 3.1.2 计算方法 . 66 3.1.3 结果与讨论 . 67 3.1.4 结论 . 91 3.1.5 参考文献 . 93 第二节 两种乳清酸衍生物非催化脱羧机理的理论研究 . 97 3.2.1 引言 . 97 3.2.2 计算方法 . 99 3.2.3 结果与讨论 . 100 3.2.4 结论 . 112 3.2.5 参考文献 . 113 第四章 乳清酸核苷单磷酸盐非酶催化脱羧理论模型研究 . 117 第一节 乳清酸核苷单磷酸盐非酶催化脱羧理论模型 . 121 4.1.1 引言 122 4.1.2 计算方法 . 126 4.1.3 结果与

8、讨论 . 127 4.1.4 结论 . 152 4.1.5 参考文献 . 154 第五章 乳清酸核苷单磷酸盐酶催化脱羧机理 . 158 第一节 质子化 H2O 分子链作用的 C6 质子化机理和动力学同位素效应研究 . 162 5.1.1 引言 162 5.1.2 计算方法 . 163 5.1.3 结果与讨论 . 164 5.1.4 结论 168 5.1.5 参考文献 . 169 第二节 O4 质子化机理质子化过程在 ODCase 催化 OMP 脱羧中的作用 . 171 5.2.1 引言 171 5.2.2 计算方法 . 172 5.2.3 结果与讨论 . 172 5.2.4 结论 . 177

9、5.2.5 参考文献 . 179 发表论文：. 183 致谢 185 山东师范大学博士学位论文 6 乳清酸核苷单磷酸盐脱羧酶催化反应的作用机制乳清酸核苷单磷酸盐脱羧酶催化反应的作用机制 中文摘要中文摘要 乳清酸核苷-5-单磷酸盐脱羧酶（ODCase）催化乳清酸核苷-5-单磷酸盐 （OMP）脱羧生成尿苷-5-单磷酸盐（UMP）是目前已知催化效率最高的酶催化 反应之一，而且其高效的催化作用是在没有金属离子、有机小分子等辅基的帮助 下完成的；另外，对于一般脱羧反应的催化剂，其基本作用是帮助离域化底物分 子释放出 CO2后形成的负电荷，但底物 OMP 却没有一个可使碳负离子中间体电 子离域的 轨道。这

10、些特性是脱羧酶所不常见的。ODCase 也因此成为理论和实 验上所广泛关注和研究的焦点。 同时这为我们更深入的了解酶的催化机理提供了 一个很理想的研究模型。 尽管在理论和实验上对 ODCase 催化 OMP 脱羧反应机理已经做了大量的研 究，很多种的反应机理被提出来而且进行了广泛详细的讨论，现有这些机理中， 比较有前途的有三种：C6 直接脱羧机理，O2 质子化机理和 O4 质子化机理（卡 宾机理） ，但至今关于 ODCase 催化机理仍没有定论。 造成这种局面的主要原因是现有的研究工作都是采用不同理论和实验的方 法，是利用非酶催化类比实验得出 O2 位的质子化机理。Houk 等人用理论化学 方

11、法计算了气相中的乳清酸盐和去质子化的脲嘧啶的质子亲和力， 提出了卡宾反 应机理等等。虽然这些机理都有相关研究的支持，但我们认为由于酶催化机理本 身与非酶催化存在着本质的区别，这种类比的可靠性如何？此外，目前尚未有对 上述机理用统一的理论方法进行系统全面研究的报道。 本文首先设计了几种非催化反应模型， 重点讨论了羰基氧上水分子氢键的作 用和反溶剂化对各种反应模型的机理的影响；然后针对三种主要的质子化机理 （O2、O4 和 C6）进行了气相和溶剂中的反应机理的详细讨论和研究，其中包 括对反溶剂化作用和质子对反应体系的影响。 另外还分析了基组对反应机理的影 响。 最后，在研究了非催化和非酶催化模型的

12、基础上将可能影响反应机理的因素 设计到酶催化反应的理论模型中，然后对模型的可能性进行分析，希望可以通过 模型的建立和研究结果分析对 ODCase 酶催化脱羧的本质有更深入的了解。 山东师范大学博士学位论文 7 本论文共分为五个部分。 第一章 简要介绍了研究乳清酸核苷-5-单磷酸盐脱羧酶（ODCase）催化乳 清酸核苷-5-单磷酸盐（OMP）脱羧反应机理的意义和文章涉及的反应体系的研 究背景及所取得的成果. 第二章 把论文中用到的基本理论以及它们的应用情况作简单介绍。 第三章 在 HF/6-31+G(d)理论水平上对几种 OMP 非催化反应模型的机理进 行了计算，讨论了羰基氧上水分子氢键的作用和

13、反溶剂化对反应机理的影响。然 后还讨论了另外两种乳清酸衍生物非催化脱羧机理，并与实验值进行了比较。 结 果表明： （1） 水分子氢键对羰基氧的作用 （O2/O4） 可以帮助分离 OMP 羧基 CO2- 上的负电荷，有效的降低反应势垒，提高反应性。且水分子氢键对 O4 的作用较 O2 更加明显。 （2）脱羧反应时，随着所使用溶剂的介电常数的降低，反应势垒 降低， 反应活性提高。与实验上测得的底物脱羧反应进行的容易度随着溶剂介电 常数变化的规律基本吻合。 第四章 在 B3LYP/6-31+G （d,p） 理论水平上针对三种主要的质子化机理 （O2、 O4 和 C6）进行了气相和溶剂中的反应机理的详

14、细讨论和研究。为与非催化反应 做对比，还对反溶剂化作用和质子对反应的影响进行了进一步的讨论。另外，分 析了基组对反应机理的影响。结果显示： （1）质子化相对于水分子氢键可以更好 的降低脱羧反应势垒，提高反应性。且跟非催化情况类似 O4 质子化机理比 O2 更有能量优势； （2）在不同溶剂中，介电常数越小极性越弱，反应势垒越低，脱 羧反应性越强。在模拟酶催化环境的 eps4 溶剂中，计算所得的势垒跟实验值已 经相差不大。 （3）弥散函数对 OMP 这种富负电荷体系具有重要意义。 第五章 在研究了非催化和非酶催化模型的基础上，考虑非极性介电环境和 酸碱催化是最主要的可能影响因素， 并将这两种因素设

15、计到酶催化反应的理论模 型中，然后对此模型的可能和可行性进行计算分析。结果表明： （1）通过水分子 链桥接 ODCase 的带正电残基很有可能是质子化脱羧机理的质子源， 解决了对质 子化机理的质子源问题。 （2）水分子链桥接的 O4 质子化机理很可能为 OMP 催 化脱羧的反应通道，且质子化过程在整个催化反应中起到非常重要的作用。 关键字：关键字： 酶催化； 从头算； 密度泛函理论； 乳清酸核苷单磷酸盐脱羧酶 (ODCase)； 乳清酸核苷单磷酸盐（OMP）；UMP 山东师范大学博士学位论文 8 The mechanism of OMP catalyzed by Orotidine 5-Mon

16、ophosphate Decarboxylase Abstract Orotidine 5-monophosphate decarboxylase (ODCase, E. C. 4.1.1.23) catalyzes the decarboxylation of OMP with one of the largest rate enhancements by any enzyme, and it performs its task without the assistance of metals or small molecule cofactors. The decarboxylation reaction catalyst assists in the delocalization of negative charge that accompanies the release of CO2 from the substrate molecule. However, the