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QM/MM方法混合使用量子力学和分子力学，能够显著降低计算量，近年来已成为模拟酶催化反应的一种重要手段。由于酶催化反应涉及的体系通常比较大，即使采用了QM/MM方法，需要用量子力学处理的原子数仍然比较多，因而目前多采用精度相对较低的计算方法，如半经验方法或密度泛函理论（DFT）。在处理较大分子体系的时候半经验方法是一个不错的选择，但是其精度相对较低，计算误差有可能达到十几个kcal/mol-1甚至更高。相对而言，DFT方法能够在一定程度上提高准确性，但是对于色散力等关键的弱相互作用仍然难以处理，因此DFT方法通常会低估反应能垒约几个千卡。

图1、对羟苯甲酸羟化酶PHBH的过渡态结构                                                图2、不同计算方法扫描得到的CM体系的势能曲线对比

 

         最近，英国布里斯托大学的Mulholland、德国马普协会煤化所的Thiel等人采用QM/MM方式对分支酸变位酶（chorismate mutase，CM）和对羟苯甲酸羟化酶（para-hydroxybenzoate hydroxylase，PHBH）在溶液环境中的反应过程进行模拟，计算过程中这两种酶催化体系分别含有7千和2万3千个原子。他们用Molpro软件的B3LYP、LMP2和LCCSD(T0)等高精度计算方法处理QM部分的原子，成功地预测了这两种酶在催化反应过程中的活化焓和自由能。计算结果表明，LCCSD(T0)的计算结果最为准确，其预测值与实验观测值几乎完全吻合，而B3LYP和LMP2方法在不同程度上都低估了酶催化反应的活化能垒。

 

 

 Ref:  F. Claeyssens; J. N. Harvey; F. R. Manby; R. A. Mata; A. J. Mulholland; K. E. Ranaghan; M. Schutz; S. Thiel; W. Thiel; H. J. Werner, Angew. Chem. Int. Ed., 2006, 45, 6856-6859.

 

使用软件：Molpro