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酶催化二氧化碳捕获与还原转化的量子-经典力学研究

批准号:
21873078
项目类别:
面上项目
资助金额:
66.0 万元
负责人:
曹泽星
依托单位:
学科分类:
化学理论与方法
结题年份:
2022
批准年份:
2018
项目状态:
已结题
项目参与者:
张于微、樊芳芳、方磊、李园园

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项目成果

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中文摘要
项目旨在结合神经网络和机器学习方法,完善并发展低标度量子-经典力学自由能计算平台。开展碳酸酐酶和固氮酶分别催化二氧化碳捕获与还原转化过程的QM/MM计算与动力学模拟研究,探明两类酶催化二氧化碳转化过程的微观机理、电子转移与质子转移机制,以及调控酶催化活性与选择性的关键因素。探索碳酸酐酶和固氮酶复合体系的结构及其协同催化二氧化碳转化的分子机制,为单酶和多酶催化CO2转化体系的发展提供理论依据。
英文摘要
The project aims to improve and develop a low-cost QM/MM computational platform to predict the change of free energy of the enzymatic reaction, based on the neural network and machine learning methods. The enzymatic conversion of CO2 by the carbonic anhydrase and remodeled nitrogenase will be explored theoretically. On the basis of extensive QM/MM calculations and MD simulations, we try to elucidate the plausible mechanisms for electron and proton transfers involved in the enzymatic process and the regulating factors for the reactivity and selectivity, and provide a theoretical basis for the development of monomeric enzyme and multienzyme systems for the catalytic conversion of CO2.
应用量子-经典力学组合方法,项目系统地开展了碳酸酐酶(CA)及相关体系催化CO2活化、捕获与转化的微观机理和反应性规律研究。全程模拟揭示,碳酸酐酶催化CO2捕获的决速步是先于二氧化碳水合化学步的质子转移,即与Zn2+配位的水分子借助邻近两个水分子形成的氢键水链,将质子转移到附近组氨酸残基His64上,形成CA-(Zn-OH-)的活性态,预测的活化自由能为10.4 kcal/mol。CO2水合生成产物HCO3-的化学步是热力学有利的过程,且自由能垒只有4.4 kcal/mol。整个酶催化过程中,His64残基经历“inward<-->outward”构型动态演变并伴随脱质子/质子化过程,调控底物输运、活性态形成与产物释放。我们发展了一种全新的分子结构描述符,可以直接用于蛋白质等不同尺度的生物大分子体系,为低标度多尺度模拟方法的发展奠定了基础。研究了Rh取代CA活性中心簇模型催化CH4+CO2和CH4+CO偶联转化的机理及施加外电场效应,为CA酶进一步改造和仿酶催化CO2转化提供了依据。此外,还开展了CO2均相/多相催化转化催化剂设计与催化机制计算模拟研究,相关进展为CO2优化利用及其催化体系的发展提供了理论支持。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
DOI: --
发表时间: 2021
期刊: 科学通报
影响因子: --
作者: [樊芳芳, 付玉状, 曹泽星]
通讯作者: 曹泽星
Persulfurated Coronene and Its Chalcogenide Analogues: Insight into Effects of Peripheral Substitution
过硫化晕苯及其硫属化物类似物:洞察外周替代的影响
DOI: --
发表时间: 2019
期刊: J. Phys. Chem. A
影响因子: --
作者: [Qing Zhang, Zexing Cao]
通讯作者: Zexing Cao
DOI: 10.1021/acs.jpcc.0c06076
发表时间: 2020-08
期刊: Journal of Physical Chemistry C
影响因子: 3.7
作者: [Lei Fang;Caiyun Zhang;Xinrui Cao;Z. Cao]
通讯作者: Lei Fang;Caiyun Zhang;Xinrui Cao;Z. Cao
Aggregation-induced emission spectra of triphenylamine salicylaldehyde derivatives via excited-state intramolecular proton transfer revealed by molecular spectral and dynamics simulations.
分子光谱和动力学模拟揭示了三苯胺水杨醛衍生物通过激发态分子内质子转移的聚集诱导发射光谱
DOI: 10.1039/d1ra07388e
发表时间: 2021-11-17
期刊: RSC ADVANCES
影响因子: 3.9
作者: [Zhang, Qing, Li, Yuanyuan, Cao, Zexing, Zhu, Chaoyuan]
通讯作者: Zhu, Chaoyuan
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    酶催化高毒有机磷化合物降解机制与活性调控的QM/MM多尺度模拟研究
    • 批准号:
      22373078
    • 项目类别:
      面上项目
    • 资助金额:
      50万元
    • 批准年份:
      2023
    • 负责人:
      曹泽星
    • 依托单位:
    碳基小分子催化定向转化及外场与表界面效应的多尺度全程模拟研究
    • 批准号:
      21933009
    • 项目类别:
      重点项目
    • 资助金额:
      300.0万元
    • 批准年份:
      2019
    • 负责人:
      曹泽星
    • 依托单位:
    呋喃类生物燃料热解自由基激发态及其与分子氧反应过程的理论研究
    • 批准号:
      21673185
    • 项目类别:
      面上项目
    • 资助金额:
      66.0万元
    • 批准年份:
      2016
    • 负责人:
      曹泽星
    • 依托单位:
    光合作用中水氧化与光诱导电子转移过程的理论研究
    • 批准号:
      21373164
    • 项目类别:
      面上项目
    • 资助金额:
      80.0万元
    • 批准年份:
      2013
    • 负责人:
      曹泽星
    • 依托单位:
    国内基金
    海外基金