随着生物技术的发展,人们对于生命体系的认知能力越来越强,同时也强烈的希望可以通过控制和改造生命体系的结构和功能来为人类服务。在这其中,一个非常重要的基础工作就是酶分子的设计与改造。然而遗憾的是,目前对于酶分子催化机理的认知以及功能设计改造的理论体系较为薄弱,研究手段特别是计算学的工具较为缺乏,严重的制约了该领域的发展。针对这种现状,本论文以脂肪酶和糖苷酶为研究对象,对酶催化反应中较为重要的四个酶学性质：酶的热稳定性、酶的底物(手性)选择性质、酶的产物选择性和催化反应活力等的主要决定因素、计算分析方法和设计改造策略等进行了系统的研究,并取得了一定的突破。本论文以实验室已有充分研究基础、性能优良的脂肪酶LipK107为对象,通过蛋白结晶和X-ray衍射的方法获得了其三维结构,并递交PDB数据库(PDBID:3W9U)。通过生物信息学比对和计算生物学的分析,确定了其SER79-ASP232-HIS254的催化中心和空间构成,以及SER79进行亲核进攻、底物酯键断裂和重构的电子转移路径。对其催化机理有了深刻的认知,为后续研究奠定了基础。本论文针对酶催化反应中“蛋白质的热稳定性”问题,采用编程语言C++完成了-套计算分析软件。该软件基于TK-SA蛋白质模型,通过计算蛋白质内部可电离的氨基酸残基之间的相互静电作用关系,分析出对稳定性贡献较大的氨基,以及蛋白的整体热稳定性。论文以脂肪酶LipK107为对象对软件进行了测试。基于软件分析结果进行设计改造,成功地将脂肪酶LipK107酶活损失一半时的温度(half-inactivation temperature)由50℃上升至60℃；在50℃时,酶活损失一半所需的时间(half-inactivation time)由30min升至7h,热稳定性提高了14倍。该软件为国际已有报道的第二套同类软件,同时也是唯一一套可供他人使用和代码开源的软件。为同类研究提供了良好的计算学工具。本论文针对酶催化反应中“底物的手性选择性”问题,创新性的提出了“在酶与底物结合的过程中,结合构象与结合能同样重要,都是影响底物选择的关键因素”的理论。并以脂肪酶LipK107为对象,采用新颖的电荷作用力策略,设计了一套in silico手性选择性改造方案。经实验验证,基于这一理论设计的S型偏好型突变株,可将S型选择性的ee值由野生型的52.97%提高到71.86%,R型偏好型则将S型ee值降低到了36.42%,并且实际偏好程度与虚拟计算结果在趋势上完全一致。真正实现了对于R、S底物的选择性改造的“任意控制”。为酶的底物和手性选择性的改造提供了新的策略和方法。本论文针对酶催化反应中“产物的选择性”问题,大胆的提出了产物与酶的结合自由能是影响产物选择性的关键因素之一的猜想。以实验室获得结晶和文献报道的两株主产型略有差异的糖苷酶为对象,采用MM/PBSA的计算方法,对两个蛋白与产物的结合自由能进了精确的平行计算。结果显示,对于实验室获得的异麦芽酮糖主产型糖苷酶,其与主产物的结合自由能为-36.91KJ/mol,明显低于其与副产物海藻酮糖的-23.39KJ/mol;而文献报道的海藻酮糖主产型糖苷酶,其与主产物结合者自由能为-34.73KJ/mol,同样低于与副产物异麦芽酮糖的-32.52KJ/mol,对应趋势非常明显。从而充分证明了这一猜想的准确性。为酶的产物选择性分析和设计改造提供了新方法和新思路。本论文针对酶催化反应中“酶的催化活力”问题,对通过研究反应势能垒分析酶的催化活力的计算方法进行了探讨。确定了脂肪酶LipK107的水解反应中,酯键断裂为其关键反应路径,并采用量子化学与分子动力学联用(QM/MM)的计算方法,首次精确计算出了在LipK107的催化下,底物4-nitrophenyl myristate的酯键断裂需31.22Kcal/mol的活化能。同时,全面研究了在采用QM/MM脂肪酶催化水解反应时,计算起点、谐振势等多个关键因素的选择条件,为研究酶催化化学反应的活力研究提供了有价值方法和数据参考。综上所述,论文针对酶催化反应中较为关键的热稳定、底物(手性)选择性、产物选择性和催化反应活力等酶学性质的机理认知手段和计算分析策略进行了系统的研究,提出了多个大胆、新颖的理论假设,并通过计算工具开发、计算策略发展、突变株设计和实验验证等手段,对这些理论假设的准确性进行全面的论证,取得了大量切实可靠的结果,初步证明了这些理论的准确性。同时,也为后续的研究者提供了很多值得参考的研究思路和研究方法。