胆碱脂酶催化反应的量子化学研究-催化学报.PDF

胆碱脂酶催化反应的量子化学研究 乙酰胆碱同系物水解反应中的非定域能、速度及药效 崔瑞海 苏忠民 赵成大 （东北师范大学化学系， 长春） 提 要 本文继文献[3]对胆碱脂酶活性中心的亲核基团进攻系列底物的轨道取向进行了进一 步研究。并对在酶催化系列底物的水解反应中的电荷、前线轨道的变化及其和反应速度、 药效间的关系进行了探讨，得到了一些有益的结果。 胆碱脂酶是普遍存在于生物体内的一种分子量为八万的酶蛋白，它可催化对神经节 及节后纤维等起兴奋作用的乙酰胆碱水解，使其脂链断裂，水解成乙酸和胆碱。一般认为 胆碱脂酶可与底物形成共价复合物，从而降低了反应活化能，加速了水解反应速度。胆 碱脂酶分子表面有两种能与乙５胆碱及同系物结合的部位：(1)阴离子部位，含有谷氨 酸或门冬氨酸残基的羧酸根离子，呈负电性，在催化水解乙酰胆碱过程中和季胺阳离子端 结合； (2)脂解部位 活（性中心部位），有人认为它由组氨酸的残基侧链咪唑基团构 成，与乙酰胆碱中羰基碳原子结合 [,] 参（见图1。 永田亲义[]和赵成大[]等为讨论轨道取 向假说[]，解释酶反应高活性的起因，曾模拟 乙酰胆碱，分别用简单的HMO方法和半经验 分子轨道法 C（NDO/2┘计算和讨论了胆碱脂 酶催化二甲胺基乙酸乙脂的反应体系，后者进 一步从轨道对称性角度做了深入的讨论[5]， 指出轨道取向的实质。 本文对图1所示的乙酰胆碱及同系物与胆 碱脂酶的反应体系进行了半经验分子轨道法 (CNDO/2)的量子化学计算和讨论，得到了 一些新的结果。CNDO/2经验参数及有关的结 构参数取自文献[3]。 988年10月31日收到。 结 果 与 讨 论 反应体系的非定域能是量子生物学中的一个重要指数，其值是由于相互作用而变形 的两个分子，在不改变几何构型的情况下把它们拉开所需的能量，它可用下式计算[]： 其中第二项表示过渡状态的总能量，第一项表示在同样状态下底物和试剂之间不发生电 子交换情况下的能量总和。它是由分子间或分子内电子移动产生的能量，因而它只能使 相应体系部分稳定化[3]，故我们可以考虑把图1所示的反应体系划分成两个子体系进行 量子化学处理，对计算结果与讨论不会带来较大误差。两个子系的坐标选择如 图2 所示。 我们对模型馵[图2(a)]中的键长r、咪唑基和羰基所在的两平面夹角 γ及咪唑基平 面绕C2N1键转角作能量极小化优化，发现两 平面相互垂直且咪唑基与 C2 O3键共面时 (C2O3键与咪唑基的夹角?φ=0.00)体系最 稳定。例如，对于乙酰胆碱 基（团R= CH3） 结果见表 1。从表 1可以看出，在?=90.0附 近体系的能量最低 -（110.5148a.u.远低 于180.0°时的-107.8566a.u.,并且在扭转过 程中没有能垒 （向270.0°夹角扭曲的讨论类 似）。从被亲核基团进攻的C2原子的净电荷 看，进攻基团从羰基平面上或下进攻，不仅比 从侧面进攻具有更多的净电荷，同时也有利于 水解反应中另一亲核基团在另一方向的第二步 表 1 咪唑基、羰基平面间夹角与能量、电荷的关系* Table1Totalenergyandnetcharge