酶是一类大分子生物催化剂,能够大幅度加快生命体内的化学反应速率,使得代谢产生的物质和能量满足生命体的需要。与非生物催化剂相比,生物酶的优越性主要体现在高催化效率、催化具有特异性以及价格较低等。但是,由于酶催化反应的复杂性,仅仅通过实验手段很难准确获得反应中间体和过渡态的结构以及各步反应的能量学信息。近年来,计算化学日益成为深入理解酶促反应机理和设计高活性催化剂的有力手段,其中,量子力学与分子力学(QM/MM)组合方法在生物大分子体系的研究中展现出越来越强大的功能。本文利用QM/MM方法和密度泛函理论(DFT)方法分别对非血红素双加氧酶ChaP,工程进化突变体RA95.5-8F以及基于细胞色素P450构建的团簇模型铁卟啉复合物的催化反应机理进行了理论探究,从原子水平上阐明了反应的微观机制,给出了结构-活性等关键信息,这些计算结果为实验做了进一步的补充,为深入理解酶催化反应机理和设计更高活性的酶催化剂提供了理论依据。本论文的主要研究工作如下:(1)铁卟啉氮宾形成机理、电子结构和C-H胺化反应的理论研究铁卟啉化合物是细胞色素P450单加氧酶催化活性中心的类似物,由于其优异的催化性能显示出广泛的应用前景。本文通过DFT和CASSCF计算,研究了铁卟啉氮宾中间体的形成机理,电子结构和氮宾介导的苄基位C-H胺化反应。与钴卟啉氮宾和铁卟啉卡宾相比,铁卟啉氮宾的形成具有相似但不同之处。它们的形成都需要经历“远端”或“近端”复合物,但这些复合物相对于各自的反应物(分离的金属卟啉和叠氮化物)对应不同的能量。我们计算出的三重态下形成铁卟啉氮宾的总自由能势垒为10.6kcal/mol,低于钴卟啉氮宾和铁卟啉卡宾。N2从“近端复合物”上的离去几乎是无能垒的。对于铁卟啉氮宾,CASSCF和非限制性的DFT计算表明,三重态和开壳层单重态复合物对应于非常相近的能量,三重态下氮宾化合物可以描述为[(por)(-OCH3)FeⅡ-NTs]-(?)[(por)(-OCH3)FeⅢ-N·-Ts]-(?)[(por)-OCH3)FeⅣ=N2-Ts]-,而 oss 态的氮宾复合物可描述为[(por)(-OCH3)FeⅢ-N·-Ts]-。此外,铁卟啉氮宾催化的分子间C-H胺化反应以氢原子抽取/自由基反弹机制进行,三重态下的自由能势垒为7.1 kcal/mol。总的来说,铁卟啉氮宾的中等反应活性和易于制备的特性使其成为催化C-H胺化反应有潜力的催化剂。(2)双加氧酶ChaP催化合成教酒菌素的氧化重排机理研究双加氧酶ChaP可以催化抗肿瘤分子教酒菌素生物合成末期的关键氧化重排反应,与其他常见的双加氧酶如2,3-外二醇双加氧酶相比,ChaP需要黄素活化的氧气(O22-)作为氧化剂,因为ChaP的底物(邻苯醌化合物)与邻苯二酚相比少两个电子。以往的实验表明,ChaP催化的环重排反应包含两个连续的C-C键裂解和一个内酰化过程,但其详细的反应机理尚不清楚。在本文中,我们采用QM/MM方法探究了 ChaP的反应路径。计算结果表明,ChaP使用铁配位的HOO中的近端氧直接引发对底物羰基碳的亲核攻击,而先前建议的Asp49作为碱去质子化与铁配位的HOO-来引发反应对应的反应势垒较高。在第一阶段反应中,底物与铁配位并通过接受铁的电子而被活化,且O-O键裂解形成的氧自由基中间体很容易引发环重排反应。在脱羧过程中,底物的酚羟基阴离子协助抽取与铁配位的HOO基团上的质子,增强了远端氧的亲核能力。这些发现可为理解ChaP催化的氧化重排反应和其他黄素依赖的非血红素双加氧酶提供有用的信息。(3)逆醛缩酶RA95.5-8F突变体催化机理的理论研究醛缩酶能可逆地催化亲核供体加成到亲电受体上。其中第一类醛缩酶通过形成席夫碱中间体并催化C-C键的断裂。本文通过QM/MM方法对一种进化的催化效率较高的逆醛缩酶RA95.5-8F的催化机理进行了探究。发现首先质子化的1083号赖氨酸亲核进攻底物的羰基并转移一个质子生成醇,而后醇羟基携带一对电子结合1051号酪氨酸以水分子脱去,同时生成席夫碱中间体;然后,去质子化的1051号酪氨酸夺取底物上的质子以利于C-C键断裂生成烯胺和醛;最后C-N键断裂生成产物丙酮与醛。1180号酪氨酸、1051号酪氨酸、1083号赖氨酸以及1110号天冬酰胺在催化过程中始终通过氢键作用形成催化四联体,有助于稳定底物和反应的水分子。本论文创新点:(1)探究了铁卟啉氮宾活性中间体的电子结构,揭示了其Fe-N键的本质,通过与类似物铁卟啉卡宾和其他金属卟啉化合物的比较阐明了电子结构对反应活性的影响,为金属卟啉类复合物的研究提供了理论依据。(2)对双加氧酶ChaP催化合成教酒菌素的反应机理进行了系统研究,阐释了其详细的反应历程,确定了反应过程中过氧化物和六元含氧杂环等关键中间体,以及扩环、缩环和脱羧等关键步骤,分析了电子结构演化规律及关键残基的作用,为更深入探索ChaP酶的催化反应和教酒菌素的合成通路提供了理论参考。(3)提出了 RA95.5-8F突变体催化β-羟基酮化合物裂解可能的反应路径,探究了催化四联体在催化过程中的作用,阐释了 RA95.5-8F突变体对R构型底物高选择性可能的原因,为进一步改进逆醛缩酶的活性提供了理论参考。