（理论物理专业论文）细胞内二级信使及相关磷酸二酯水解机理的理论研究.pdf

博士学位论文 d o c t o r a 工d i s s e r t a t i o n 摘要 本文运用理论化学方法研究了细胞内二级信使一腺苷3 ，5 7 一磷酸单酯( c a m p ) 及相关磷酸 二酯的非酶水解和酶催化水解。全文由三个章节组成：( 1 ) c a m p 非酶水解的一般反应途径； ( 2 ) 溶液中环状磷酸_ = 酯和非环状磷酸二酯碱性水解活化自由能的理论计算：( 3 ) c a m p 酶催 化水解的理论研究。 第一章中我们运用第一原理电子结构计算方法研究了c a m p 及相关的磷酸二酯一三甲基磷 酸酯( t m p ) 的竞争水解反应途径，并预测了各水解途径相应的反应自由能能垒。反应坐标计 算表明存在三条基本水解反应途径：( a ) 氢氧根离子进攻磷酸酯阴离子的磷原子( 属于s n 2 反 应机理，反应过程中无五配位磷酸酯中间体生成) ：( b ) 水分子直接进攻磷酸酯阴离子的磷原 子( 属于三步历程) ；( c ) 水分子直接进攻磷酸酯中性分子的磷原子( 属于两步历程) 。气相反 应计算结果表明水解途径( a ) 所对应的自由能能垒最高，水解途径( c ) 的决速步骤所对应的 反应自由能能垒最低。然而，在水溶液中水解途径( a ) 所对应的自由能能垒变成最低，( a ) 和( b ) 为两条主要的水解反应途径。与此同时，我们还研究了磷酸酯的p k a 直及溶液反应体系 的d h 值对总水解速率中不同水解途径的相对贡献的影响。在中性水溶液中，c a m p 的水解主要 通过反应途径( a ) 来进行。然而，随着溶液p h 值的减小，反应途径( a ) 对总水解速率的贡 献也将减少。计算结果表明，当p h 3 7 时，反应途径( a ) 的贡献最大。当p h c i 。x 娲隧巳h ( 卿 0 、 、p + h 2 0 o - + h 2 0 + 魄已( 咖 f i h + + h + i s c h e m e1 - 2 h y d r o l y s i so fc a m pm o d e la n di t sp r o t o n a t e df o r m 我们现在的目标是研究气相及溶液环境中c a m p 水解的基本反应途径并估算相应的自由 能能垒。由于分子比较大，将其全部引入到计算体系则需要很大的计算量。故这里作了适当的 简化。模型分子的结构见f i g u r e 卜l 。我们对模型分子的水解途径进行了一系列的第一原理 电子结构计算。此外，对于最重要的一条反应途径，我们研究了模型分子的结构类似物，三甲 撑磷酸酯( t m p ) 的水解反应，以检查c a m p 模型分子是否合适并验证计算方法预测水解途径及 反应活化参数的可靠性。t m p 和c a m p 模型分子具有相同的六员环结构，因此t m p 可被视为更 为简化的c a m p 分子模型。本文的计算结果将有助于人们更深入的了解c a m p 和相关磷酸二 酯水解反应的基本途径和相关动力学性质。 1 2 计算方法 对于本文中所有的反应我们首先用h a r t r e e f o c k 方