含锌酶在众多生命体中都发挥着十分重要的催化功能。根据所含锌离子数目的不同,含锌酶在结构和催化机理上存在一定的异同点。本论文运用密度泛函理论分别研究了一种双锌酶(酰胺酶FwdA)和一种单锌酶(裂解酶DddQ)的催化反应机理,找到了反应中的过渡态及中间体,并绘制了相应的势能面曲线。其中,FwdA参与产甲烷古生菌厌氧呼吸作用的第一步反应,即二氧化碳的还原与固定,具体负责甲酸根(二氧化碳的还原产物)与甲烷呋喃的缩合反应。DddQ可催化海洋中二甲基巯基丙酸内盐的裂解反应,产物之一的二甲基硫醚是参与自然界硫循环的重要物质。本论文的主要研究结果如下:(1)FwdA催化反应是分步进行的,包括:甲烷呋喃发起的对甲酸根羰基碳的亲核进攻;原甲烷呋喃的氨基质子历经两步质子迁移过程,迁移至原甲酸根的氧原子;原甲酸根中碳氧键的断裂,生成甲酰基-甲烷呋喃和氢氧根产物。(2)FwdA催化反应的总能垒是21.2 kcal/mol。其中第二步从甲烷呋喃至天冬氨酸(Asp385)的质子迁移过程是整个反应的决速步。(3)天冬氨酸385(Asp385)在FwdA催化反应中作为质子迁移的输运者促使反应顺利发生,没有其参与,能垒将显著提高。(4)DddQ催化反应采用了一个协同的β-消除机理,活性中心中去质子化的酪氨酸131(Tyr131)和酪氨酸120(Tyr120)均可担任夺取底物Cα上氢质子的碱试剂。通过对两种含锌酶催化反应机理的研究,我们得到了以下结论。首先,这些催化反应的发生都需要有足够强的亲核试剂或碱试剂作用于底物;其次,反应过程中过渡态和中间体上将形成负电荷,这些负电荷的稳定是催化反应能否顺利进行的关键。再次,锌离子作为Lewis酸可稳定过渡态和中间体上的负电荷,从而降低反应能垒,发挥关键的催化作用。最后,这两种含锌酶的锌离子均可通过与反应底物配位的方式来定位底物,而双锌酶FwdA具有同时固定两个底物的能力。