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木质素的生物降解一直以来都是制浆造纸废水生物处理中的焦点问题。木质素在生物代谢过程中会生成一系列中间产物,其中以儿茶酚、原儿茶酸等邻苯二酚类化合物最为重要。在木质素生物降解途径中,它们是芳香大分子转化为链状小分子的转折点。由于六元环的结构比较稳定,邻苯二酚类化合物很难被普通的微生物酶系降解。但是它们可以在一类双加氧酶的催化作用下开环,再经过一系列催化反应转化成小分子,从而进入糖酵解途径和三羧酸循环。所以,邻苯二酚类化合物在双加氧酶催化作用下的开环机理的理解对于我们把控整个木质素代谢过程至关重要。到目前为止,实验捕捉到的邻苯二酚类化合物代谢中间体结构较少。因此,从理论角度去探寻催化反应的途径进而弥补实验研究的不足显得非常有意义。本论文主要运用量子力学与分子力学组合方法（QM/MM）深入的讨论了几种典型的内、外二元醇双加氧酶降解邻苯二酚类化合物的催化反应机理。通过选取合适的理论研究方法和建立相关的理论研究模型,对酶催化反应过程中的中间体、过渡态的最优结构进行研究,同时确定酶催化反应过程中的最佳反应路径。探寻理论研究和实验研究的连接点,用理论研究的结果解释酶催化实验中的各种现象,进而验证理论预测的反应机理的合理性。本论文的主要研究工作如下:（1）2,3-HPCD的酶催化生物降解机理研究利用双层ONIOM（QM/MM）计算方法对2,3-HPCD（homoprotocatechuate2,3-dioxygenase）的催化机理进行了研究。2,3-HPCD可以催化两种性质差异较大的邻苯二酚类底物进行生物降解,一种是HPCA（homoprotocatechuate）,另一种是4NC（4-nitrocatechol）。它们的主要区别在于配体和蛋白结合后在蛋白中存在的状态,HPCA是以去一个质子化的形态存在,而4NC则是以完全去质子化的形态存在。通过认真分析前人的实验结果,我们有理由相信2,3-HPCD在催化这两种配体进行开环反应的时候,采用的是两种不一样的机理。于是我们提出了一种全新的酶催化理论——“质子介入”和“非质子介入”的催化理论。用该理论可以较好的描述HPCA和4NC的催化机理,同时也能合理的解释前人的实验现象。配体中含有质子的HPCA采用的是一种质子辅助参与的催化机理。在催化过程中配体先把质子传递给双氧,形成质子化形态的烷基过氧化物,而烷基过氧化物再经过一个七元环的结构并最终促使芳香环的断裂。这种机理也是前人研究中认为最合理的催化机理。但是,随着一系列新的突变实验结果的出现,传统的催化机理已经不能很好的描述质子化形态的烷基过氧化物的形成。于是我们提出了一种全新的质子转移机制,很好的诠释了烷基过氧化物（质子化）的形成。对于配体中没有质子的4NC,之前也有学者对它的降解机理进行了研究。学者认为4NC在降解的过程中也采用了和HPCA降解类似的催化机理,辅助催化反应的质子来源于活性中心周围的His200。而事实上,活性中心区域并不存在多余质子可以辅助酶催化反应。于是我们提出了“非质子介入”理论来描述这个催化过程。首先,双氧对芳香环发动亲核攻击生成烷基过氧化物,然后,烷基过氧化物再转化成内酯七元环,最后七元环断裂成终产物。“非质子介入”理论很好的解释了前人对于2,3-HPCD催化4NC生物降解研究过程中的实验现象。具有很高的实验吻合程度。（2）DHBD催化3MC（3-methylcatechol）的反应机理的研究DHBD（2,3-dihydroxybiphenyl 1,2-dioxygenase）是和2,3-HPCD非常类似的外二元醇双加氧酶,且配体3MC也是以去一个质子化的形态和蛋白结合的。因此,DHBD的催化机理很有可能和2,3-HPCD“质子介入”催化机理类似。我们找到了一个反应物结构,它呈现的电子特征和前人实验捕捉到的一个电子结构(SQ·-Fe（II）-O2·-)很相似。此外,我们还讨论了DHBD催化3MC进行间位和邻位开环的机理。（3）4,5-PCD催化PCA（protocatechuate）的反应机理的研究4,5-PCD（protocatechuate 4,5-dioxygenase）是木质素代谢中一个非常重要的酶系,它可以降解木质素代谢的中间产物——原儿茶酸（PCA）。研究4,5-PCD催化PCA的降解机理有助于我们全面的理解木质素生物代谢途径。前人的实验表明,4,5-PCD的金属激活剂是Fe2+,但是Fe2+在结合到蛋白中去的过程中会被氧化成Fe3+,特别是在pH值较高的条件,氧化的速率会提高。但是如果pH维持在一个相对低的水平下,Fe2+和Fe3+会共同存在于蛋白环境中。我们针对于这一实验结果,分别对两种不同的激活剂的酶催化机理进行了研究。研究的结果表明虽然Fe2+的活性强于Fe3+,但是Fe3+作为激活剂的酶催化反应的活化能垒要比Fe2+的小很多。因此,将原儿茶酸降解环境的pH值提高,有利于提高酶催化效率。（4）3,4-PCD催化4FC（4-fluorocatechol）的反应机理的研究和4,5-PCD一样,3,4-PCD（protocatechuate 3,4-dioxygenase）也能催化降解PCA,但是它们的催化机理不一样。前者是催化芳香环进行间位开环,而后者催化开环的位置在邻位。3,4-PCD的活性中心比较特殊,可能有两种配位形式,一种为五配位形式（不包括Tyr447B）,另一种为六配位形式（含Tyr447B）。主要体现在Tyr447B这个残基,它在配体和双氧与蛋白完成结合的时候会从活性中心离去,而随着产物的离去又重新配位到活性中心。但是最近一个基于“慢速”配体（4FC）的研究,捕捉到了两个Tyr447B参与的酶催化反应的中间体。因此,我们推测Tyr447B不仅与配体的结合和产物的释放有关,而且对酶催化反应也有较大的影响。我们对3,4-PCD催化4FC降解的催化机理进行了深入的研究。研究优化得到的中间产物和前人实验捕捉到的两个结构有较高的吻合度,证明了我们对于机理的预测的准确性。QM/MM方法应用于双加氧酶催化体系的研究,对于我们探索未知酶催化反应机理有很重要的意义。通过理论研究我们可以推测实验无法捕捉到的一些反应中间体,对于催化机理的补充有重要的价值。此外,还可以为后续酶催化体系实验的研究提供更多的理论基础。