DFT and DFT/MM Investigations of the Fe(III) Center in Nitrile Hydratase
腈水合酶中 Fe(III) 中心的 DFT 和 DFT/MM 研究
基本信息
- 批准号:0079008
- 负责人:
- 金额:$ 26.4万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:Standard Grant
- 财政年份:2000
- 资助国家:美国
- 起止时间:2000-08-15 至 2004-01-31
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:
项目摘要
Nigel Richards of the University of Florida is supported by the Theoretical and Computational Chemistry Program and the Molecular Biophysics Program to perform a series of quantum mechanical studies on nitrile hydratase (NHase), a non-heme, Fe(III)-containing enzyme of commercial significance. The project has three specific aims: (1) to evaluate the utility of density functional theoretical (DFT) methods in predicting the spin-state preferences of Fe(III) complexes that are models for the NHase metal center, (2) to model the UV-visible spectroscopy of Fe(III) complexes that are models of the NHase metal center using a combination of the INDO/S semiempirical model and hybrid DFT/molecular mechanics (MM) force field methods, and (3) to investigate the utility of DFT/MM calculations in probing the electronic structure of the NHase Fe(III) active site and the enzyme mechanism. The theoretical description of NHase is expected to impact research in several areas. First, NHase has potential applications in the "green" synthesis of stereochemically complex compounds, particularly if substrate specificity can be re-engineered on the basis of structural and mechanistic information. Next, insight into the role of the metal center in catalysis, and its interactions with the protein, are expected to stimulate the rational discovery of novel inorganic catalysts for the hydration of commercially important nitriles. Finally, modeling the structure and reactivity of the non-heme Fe(III)-center in NHase will be a robust test of the utility of modern hybrid quantum mechanical molecular mechanics methods and density-functional theory techniques for modeling metalloenzymes. Recent advances in theoretical methods have opened the possibility of new computational studies into the structure, reactions, and catalysis of transition metal-containing enzymes, which often mediate critical steps in the biosynthesis of both primary and secondary metabolites. In this project, modern computational approaches will be used to calculate the properties of these enzymes, which are expected to have future importance in pharmaceutical discovery using metabolic engineering, and industrial chemical synthesis using biotechnological methods.
佛罗里达大学的Nigel Richards在理论与计算化学计划和分子生物物理计划的支持下,对氰基水合酶(NHase)进行了一系列量子力学研究,NHase是一种具有商业意义的非血红素、含Fe(III)的酶。该项目有三个具体目标:(1)评价密度泛函理论(DFT)方法在预测作为NHase金属中心模型的Fe(III)络合物自旋态偏好中的应用;(2)使用INDO/S半经验模型和密度泛函/分子力学(MM)力场混合方法来模拟作为NHase金属中心模型的Fe(III)络合物的紫外可见光谱;以及(3)研究密度泛函理论/MM计算在探索NHase Fe(III)活性中心的电子结构和酶机制中的作用。NHase的理论描述预计将影响几个领域的研究。首先,NHase在立体化学复杂化合物的“绿色”合成中具有潜在的应用,特别是如果底物专一性可以根据结构和机制信息进行重新设计的话。接下来,深入了解金属中心在催化中的作用,以及它与蛋白质的相互作用,有望推动合理发现用于商业上重要的腈的水合反应的新型无机催化剂。最后,对NHase中非血红素Fe(III)中心的结构和反应活性进行建模将是对现代混合量子力学分子力学方法和密度泛函理论技术用于金属酶建模的有力测试。最近在理论方法方面的进展为含过渡金属的酶的结构、反应和催化提供了新的计算研究的可能性,这些酶通常在初级和次级代谢物的生物合成中起关键作用。在这个项目中,将使用现代计算方法来计算这些酶的性质,预计这些酶在使用代谢工程进行药物发现和使用生物技术方法进行工业化学合成方面将具有重要意义。
项目成果
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