Modeling the Protonation States of the Catalytic Aspartates in β-Secretase and the Process of the Enzymatic Hydrolysis

背景：阿尔茨海默病(AD）主要表现为脑内β-淀粉样蛋白（Aβ）沉积，Aβ由β-淀粉酶（β- Secretase，BACE）催化水解淀粉样前体蛋白（amyloid precursor protein, APP）产生，但是BACE的催化机制至今仍不清楚。 目的：确定质子在BACE催化性氨基酸(Asp 32 和 Asp 228)中的精确定位，同时在计算机上模拟BACE催化底物APP蛋白的全部过程，揭示BACE催化水解底物的机制。 设计，时间和 SETTING: 全部的量子化学计算在中山大学中山医学院人体解剖教研室进行，2008年8月至2009年3月。 材料: 一台linux计算机工作站，商业性的大型药物设计软件包Schrodinger, 针对学术机构免费的量子化学软件 MOPAC 2007。 方法: 在计算机上构建了一个BACE催化模型，应用量子化学/分子力学(QM/MM)相结合的方法在密度泛函理论水平的基础上计算质子在BACE催化性氨基酸(Asp 32 和 Asp 228)中的精确定位； 在量子化学的半经验理论水平基础上模拟BACE催化水解底物肽EVNL/AAEF的全部过程。 主要结果指标: 计算BACE和底物在不同的单质子化状态下两个催化性氨基酸中的4个羧基氧原子的共面性；在模拟催化水解底物过程中检测BACE催化活性区域内空间和能量的变化。 结果： BACE的同分异构体228o,其4个催化氨基酸羧基氧原子形成的二面角为8.7°；而且利用这种同分异构体（228o）作为初始状态，催化水解底物的活化能最低（1.6959 kcal/mol），焓最高（-7.4055 kcal/mol）。 结论：在催化前，质子最有可能位于BACE的催化氨基酸Asp 228的外位羧基氧原子上,催化水解时，Asp 228作为催化酸，Asp 32 作为催化碱驱动催化水分子攻击底物，形成四面体中间物后，质子的换位到Asp 32的内位羧基氧原子上。