QMMMFEP法研究甲胺脱氢酶质子转移反应过程

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1、中山大学化学与化学工程学院07级硕七学位论文QM／MM．FEP法研究甲胺脱氢酶质子转移反应过程专业：物理化学硕士生：吴晓天导师：沈勇副教授摘要甲胺脱氢酶(meth)rlaminedehydrogenase，MADH)是胺脱氢酶家族的成员之一，该酶可催化甲胺生成甲醛和氨，本身则被氧化。色氨酸一色氨酰醌(tryptophantryptophylquinone，yrQ)是MADH的辅基，存在于MADH的每一个轻的次级单位(1ightsubunit)上。作为甲胺脱氢酶的辅基，在这个催化反应中，首先受到甲胺进攻，形成一个亚胺醌类物质，然后将其甲基上的一个质子传递至蛋白质的～个碱性基

2、团Asp76上。H从TTQ转移至Asp76一步为催化反应的速度决定步骤，是本实验研究的对象。研究MADH质子转移反应过程对促进有机磷农药降解，防治土壤污染有重要意义。本研究采用量子力学热力学循环微扰(quantummechanicalthermodynamiccycleperturbation,QTCP)的方法计算甲胺脱氢酶质子转移过程的自由能变化。这种方法利用分子力学力场进行相空间取样，并建立一个热力学循环，最终得到准确的QM／MM自由能变化。计算过程中结合使用了QM／MM与自由能微扰法。首先，使用QM／MM方法，对QM区域包含28个原子的计算模型，进行几何优化。当中Q

3、M计算分别使用Hartree．Fock方法和密度泛函的BP86方法进行对比。使用BP86优化得到的能垒远低于使用HF法计算得到的结果。从几何结构可以看出，HF法得到的结果更加合理。中山大学化学与化学：r程学院07级硕士学位论文然后，从HF法优化得到的反应路径出发，进行QTCP计算。计算得到QM部分固定的每个路径点之间的自由能变化，从而得到反应的活化自由能。计算过程中，采用了不同的QM计算方法和基组进行对比。其中使用BH．LYP方法和6．31++G(2d，2p)基组计算得到的反应活化自由能为12．9kcal／mol，并考虑到质子传递过程中隧道效应带来的约为3kcal／mol

4、的能量降低，与实验数据(11．3kcal／m01)非常吻合。另外使用QTCP计算结果比单纯使用QM／MM能量计算结果(9．6kcal／m01)更接近实验数值。从计算结果可以看出，QTCP是精确计算酶催化反应过程自由能变化的一种有效方法。而密度泛函BH．LYP方法则比较适合计算质子转移反应，另外使用大基组进行计算得到的结果更加准确。关键字：甲胺脱氢酶，质子转移，QM／MM，自由能微扰法。中山大学化学与化学工程学院07级硕士学位论文QM／MM—FEPstudy．oftheH—transferreactioninMethylamineDehydrogenaseMajor：Phy

5、sicalChemistryName：Xiaotian胁Supervisor：AssociateProfessorYongShenAbstractTheenzymemethylaminedehydrogenasecallcatalyzetheoxidationofmethylaminetoproduceformaldehydeandammonia．Inenzymemethy’laminedehydrogeonase，eachofthelightsubunitscontainsacofactorcalledtryptophantryptophylquinone．Thepro

6、cessofthecatalyzedreactioninitiateswiththeattackofmethylamineonquinineatomoftryptophantryptophylquinone．Itmakestryptophantryptophylquinonebecomeaniminoquinonespecies．Thenaprotonistransferredfi'omthemethylgroupofthesubstratetoresidueAsp76，andthisistherate·determiningstepofthecatalyzedreact

7、ion．Inthisarticle，weperformedQM／MM—FEPcalculationonamodel,whichhasaQMregionwith28atoms，togettheactivationfreeenergyoftheH-transferreactioninMADH．Theapproach,wetermquantummechanicalthermodynamiccycleperturbation(QTCP)，employsamolecularmechanicsforcefieldtosamplephase