细胞色素P450蛋白酶催化的胺类、烷烃类化合物反应机理的理论研究.pdf

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1、THEORETICALSTUDYONMECHANISMSOFCYTOCHROMEP450ENZYME．CATALYZEDREACTIONSOFAMINESANDALKANESADissertationSubmittedtotheGraduateSchoolofHenanNormalUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofScienceByZhangXiaoqianSupervisor：Prof．LiuYufangMay

2、2014摘要细胞色素P450蛋白酶作为一种万能的催化剂被人们所熟知，它不仅参与了生物体内诸如类固醇等内源物的合成过程，还在诸如药物等外源物的代谢过程中发挥了极其重要的作用。它可以参与催化种类繁多的化学反应，包括了烷烃类化合物的羟基化反应，醇类化合物的氧化反应，烯烃类和芳烃类化合物的环氧化反应，和胺类化合物及其烷基取代衍生物的脱烷基或脱氨基反应等等。本文使用密度泛函理论方法，以环己胺、Ⅳ-苄基“环丙胺和胆固醇(简化模型为异戊烷)为例，针对细胞色素P450蛋白酶催化的脱氨基、开环抑制和羟基化三种化学反应进行了详细的理论

3、计算研究。通过对各化学反应过程中的反应能垒、过渡态构型、自旋密度变化以及相关的动力学同位素效应等反应特征的计算与分析，不仅从理论计算的角度印证了一些已知的实验结果，还获得了一些新的有意义的结果。首先，在P450酶催化的环己胺脱氨基反应中，针对反应中涉及机理争议较大的C．H键氧化过程，计算结果显示该过程在四、二重态势能面上的反应能垒十分接近，是一个典型的双态反应过程，并且其动力学同位素效应值较大，符合氢原子传递机理的特征。此外，经过C．H键氧化过程后产生的甲醇胺中间体需要在非酶环境中借由水分子的辅助完成最后的分解过程

4、，脱去氨基生成氨气和环己酮。其次，针对对P450酶活性有抑制作用的Ⅳ-苄基-Ⅳ-环丙胺，我们对实验中提出的各种机理假设逐一进行计算，计算结果首先排除了单电子传递机理的可能，进而通过论证氢原子传递机理与质子耦合的电子传递机理的不同，揭示了抑制反应通道中N．H键氢提取过程中自旋密度变化的情况，证明了氢原子传递机理的正确性。同时，针对另一条代谢反应通道的研究结果表明了经由该通道不会生成对酶活性有抑制作用的活性中间体，与相关实验结果符合，并在此过程中通过对中间体微妙结构的分析，发现并计算了另一条可能的反应路径，为后续的实验

5、提供了一定的理论依据。最后，针对P450酶催化的胆固醇侧链断裂，这一重要生理过程中前两步连续羟基化反应进行了理论计算研究。结果支持了实验中关于氧化单体CpdI是参与反应的主要活性物质的说法，并且在羟基化过程中同样涉及了氢原子传递机理。此外，还针对反应体系中底物与氧化物之间的氢键作用进行了分析，详细地阐述了该氢键对于反应的诸多影响。最后还对时下流行的含色散校正的密度泛函进行了大量测试，针对在理论计算中如何选择合适的密度泛函给出了有价值的建议。关键字：细胞色素P450蛋白酶，密度泛函理论，色散校正，动力学同位素效应，氢

6、原子传递机理ABSTRACTCytochromeP450enzymesarewell-knownf18themostubiquitouscatalystswhichessentiallyfunctioninbothsynthesisofendogenouscompoudssuchassteroid，andmetabolismofxenobiotics，suchasdrugs．PlentyofchemicalreactionsarecatalyzedbyP450sincludinghydroxylationsofal

7、kanes，oxidationsofalcohols，epoxidationsofalkenesandarenesanddealkylationsanddeaminationsofaminesanditsalkane．substitutedderivants．Bymeansofdensityfunctionaltheory,weinvestigatedthemechanismsofP450．catalyzeddeamination，inactivationandhydroxylationusingcyclohexy

8、lamine，N-benzyl-N-cyclopropylamineandisopentane，whichisanabbreviatedmodelofcholesterol，assubstrates．Bycalculatingandanalyzingtheenergybarriers，geometries，spindensitiesandthecorresp