酶是生物体内一类具有催化活性和特定空间构象的生物大分子,因具有高效、专一以及作用条件温和等特点而在工农业生产以及医疗卫生等领域得到广泛的研究与应用。面对日益严重的环境问题,酶在环境领域的应用也开始得到越来越多的研究关注。酶与环境污染有着相当密切的关系,环境污染物可以通过直接损伤酶的结构和功能而对生物体造成急性危害;而另一方面,许多酶又会对环境污染物有降解作用,这在一定程度上有消除污染,缓解环境危机的意义。研究污染物对酶的毒理作用,了解酶中毒机理,能为药物设计与解毒提供有价值的指导;而研究酶对污染物的降解作用则可以使酶更广泛应用于环境污染物检测与修复治理等领域。目前已有多种实验手段可以对酶的结构功能以及反应机理进行研究,但都无法详细描述其反应过程,这在一定程度上限制了对酶的研究。量子力学与分子力学联用的方法(QM/MM)则可以直接从原子层面对酶反应过程进行研究探索而逐渐成为研究酶等生物大分子反应的重要手段。本论文采用结合分子动力学模拟的QM/MM方法研究了生物酶体系中有机磷毒理与有机氯脱氯的反应过程,获得了酶反应体系的详细信息,探讨了酶的活性来源与反应特征,补充验证并解释了实验结果,丰富了对酶的认识并促进了其在环境领域的应用。一、巴拉奥松抑制的乙酰胆碱酯酶的自发活化与老化机理有机磷酸酯类化合物可以使生物体内的乙酰胆碱酯酶发生磷酸化而失去分解乙酰胆碱的能力,从而造成神经传导的紊乱。磷酸化的乙酰胆碱酯酶还可以进一步发生自发活化或老化反应。目前对这两类反应的研究较少,尤其是老化反应,反应机理以及关键氨基酸、水分子等在反应过程中的作用都不明确。本论文以有机磷酸酯类农药巴拉奥松为例,在QM/MM方法下模拟研究其抑制的乙酰胆碱酯酶的自发活化以及老化反应机理。研究发现,自发活化反应是活性中心的一个水分子在组氨酸His447的极化下进攻巴拉奥松的中心磷原子而引发,而老化反应则是由谷氨酸Glu202极化另外一个水分子进攻巴拉奥松烷氧基上的α碳原子来完成。研究还发现甘氨酸Gly122能同时促进自发活化和老化反应,络氨酸Tyr133对自发活化反应略有阻碍效果而Gly121能够强烈抑制老化反应的进行。此外,本论文还发现Gly120等六个氨基酸对巴拉奥松抑制的乙酰胆碱酯的自发活化和老化反应有相反的影响。本论文对于深入了解酶的结构功能提供了新的研究方法。二、组氨酸不同质子化状态对二甲基磷抑制的乙酰胆碱酯酶的老化影响本论文经过研究发现老化反应中对催化水分子有极化作用的氨基酸为谷氨酸,而活性中心的组氨酸并未直接参与到反应中去。但是根据该氨基酸空间位置以及电性信息可推断出其必然会对老化反应产生影响。而且组氨酸上的咪唑基是一种两性催化功能基团,生物体内的组氨酸通常都是既有酸的形式存在也有碱的形式存在。因此,该组氨酸的不同质子化状态有可能会对磷酸化乙酰胆碱酯酶的老化反应产生不同的影响。本论文以二甲基磷酸酯类化合物为例,在QM/MM方法下模拟研究其抑制的乙酰胆碱酯酶在His447不同的质子化状态下的老化反应过程。结果发现,His447在非质子化状态下更容易发生老化反应。进一步研究分析发现质子化的His447可以通过直接的氢键作用或者通过改变反应体系其他氨基酸的空间位置而间接削弱Glu202羧基的负电性,从而弱化其对催化水分子的极化作用继而造成老化反应势垒的升高。由此结论可推测,打破反应体系酸碱平衡使质子化的His447浓度升高,可延缓老化反应的发生,从而为有机磷中毒争取更多的解毒时间。同理,提高非质子化His447的含量可使磷酸化的乙酰胆碱酯酶发生快速老化而增强有机磷的毒性。本论文的研究可以为设计农药或者解毒药物提供新的思路并对乙酰胆碱酯酶的结构功能有了新的认识。三、六氯环己烷脱氯化氢酶对γ-六氯环己烷的脱氯机理研究γ-六氯环己烷是一种重要的环境污染物,其可以在六氯环己烷脱氯化氢酶LinA的降解下发生两次脱氯化氢反应。LinA的结构功能分析发现其对降解底物中离去的氢和氯具有一定的选择性,但初次脱氯化氢反应的产物并不符合发生二次反应的条件。本论文在此基础上对LinA催化Y-六氯环己烷发生两次脱氯化氢反应的生物转化路径进行修正,认为初次脱氯化氢完成后的产物并不直接进行二次脱氯化氢反应,而是经过了一步自身异构化使分子中出现满足LinA催化离去的氢和氯后再发生二次脱氯化氢。经过模拟研究验证了本论文的假设,并且证实了实验推测的不稳定降解产物的存在,还从能量角度揭示了鞘脂单胞菌科微生物对γ-六氯环己烷进行两次脱氯化氢的意义。此外,本论文还发现亮氨酸Leu21和半胱氨酸Cys71对LinA发挥脱氯化氢功能有抑制作用,这一研究发现可以为LinA的定向突变改造提供潜在的突变位点。四、卤代烷脱卤素酶降解1,2-二氯丙烷的对映体选择性研究卤代烷脱卤素酶LinB因具有广泛的底物特异性和简单的降解条件而在目前的污染物生物修复方面有广泛的应用,其对环境稳定性极强的有机氯污染物1,2-二氯丙烷有一定的降解活性。此外,1,2-二氯丙烷分子内存在手性碳,目前并不确定LinB对其的脱氯降解是否具有对映体选择性。本论文采用QM/MM方法在原子层面模拟研究了卤代烷脱卤素酶LinB对1,2-二氯丙烷两种对映异构体的脱氯水解反应过程。证实了 LinB在催化降解这种外消旋混合物时具有较高的对映体选择性,其对R型异构体的降解能力强于S型。进一步的空间构型分析认为,1,2-二氯丙烷两种异构体在LinB活性中心的不同取向产生其各自独特的酶内部微环境,导致(S)-DCP附近出现一个可强烈抑制(S)-DCP脱氯反应的水分子,使LinB表现出对映体选择性。此外,对活性区域周围氨基酸静电影响分析发现Gly37可抑制LinB对DCP两种异构体的降解,这一发现可以为LinB催化效率的提升改造提供理论指导。