核糖核苷酸还原酶（Ribonucleotide Reductase,RNR）能催化核糖核苷酸还原为相应的脱氧核糖核苷酸,是基因复制、变异和修复的关键酶和限速酶,其活性与癌细胞的形成和转移密切相关,是肿瘤治疗和抗癌药物筛选的重要靶点。研究该酶的结构及催化机理对抗癌药物研究具有重大意义。第Ⅰa类RNR（ⅠaRNR）是由两个同源二聚体亚基R1和R2（或α2和β2）组成的四聚体,研究发现在该酶中存在一条由一系列保守芳香氨基酸构成的可逆自由基传递通路:Tyr122β?[Trp48β]??Tyr356β?Tyr731α?Tyr730α?Cys439α,其中Tyr122自由基（Tyrl22O·）由酶活性双铁中心氧化。该通路可以使电子空穴从β亚基上的Tyrl22O·穿过35?的距离,传递到α亚基的Cys439上,然后生成的Cys439·启动反应,将核糖核苷酸还原为脱氧核糖核苷酸。然而,此长程自由基传递过程中两界面氨基酸Tyr356β和Tyr731α间的质子/电子转移反应,活性Tyr122O·-Fe（III）Fe（III）簇的形成,以及氧化生成Tyr122O·的活性双铁中间体X的组成等分子细节至今没能阐明。综上所述,本文运用密度泛函理论及ONIOM分层算法深入研究ⅠaRNR催化过程的电子传递机制,主要做了三部分工作,具体归纳如下:（1）利用对称性破缺方法（Broken-Symmetry approach,BS）和自旋不受限的Kohn-Sham方法研究第Ⅰa类核糖核甘酸还原酶双铁活性位点（中间体X）的三种模型。建立双铁中心模型,进行模型优化,考察适合需氧活化的非血红素二铁酶活性中心位点的DFT计算方法。将模型簇的几何结构、自旋密度分布的计算数据与现有X的实验和理论数据进行比较,首次系统地评估了12种密度泛函理论方法对中间体X计算的准确性,一致推荐BP86、BVP86、M06L这三个泛函。（2）本工作利用M06-BS/GENECP方法,通过对双铁中心附近的Asp84、Asp237、Trp48、His118等氨基酸功能的考察,进一步验证X结构的合理性,明确Tyrl22O·生成过程中的电子/质子传递细节问题,从而解释了双铁活性中心在蛋白质长程电子空穴传递中所发挥的功能。结果表明如果中间体X的结构为H₂O-Fe₁（III）-（μ-O）₂-Fe₂（IV）需经单质子转移和质子耦合电子传递两步反应生成Tyrl22O·,并且只有在双铁中心桥连配体（μ-O）₂中的第二个氧桥（O₂）被质子化之后,电子才能从Tyr122侧链传递到双铁活性中心的Fe（IV）位点上,生成Tyrl22O·;若双铁中心桥连配体中O₂没有质子化,在反应过程中电子空穴一直主要分布在双铁活性中心上,整个反应过程为单质子转移,不能生成Tyrl22O·。双铁活性中心Fe（III）的OH配体作为Tyr122的质子授受体进行Tyr122O·和Tyr122OH的转换,生成ⅠaRNR长程电子空穴传递的第一个氨基酸自由基,这与已报道的实验结果相符。（3）通过分子动力学模拟出α与β亚基间可能的耦合构象,重点研究Tyr356O·和Tyr731间的荷质传递,明确Glu350侧链和水分子参与Tyr356O·和Tyr731间的质子/电子传递机理。密度泛函理论（DFT）计算表明,Tyr356O·和Tyr731间的质子/电子转移反应可以通过多种方式实现。当Tyr356O·和Tyr731直接相互作用时,反应通过典型的质子耦合电子转移（PCET）机制进行。当少量水分子（本文最多为两个）通过氢键连接两酪氨酸侧链时,反应通过双质子耦合电子转移（dPCET,一个H₂O）或三质子耦合电子转移（tPCET,两个H₂O）机制进行。当Glu350侧链通过羧基连接两酪氨酸侧链时,反应通过dPCET机制完成,相应的反应能垒减小,说明Glu350侧链可以促进Tyr356O·和Tyr731间质子/电子转移反应。当水分子和Glu350侧链同时形成氢键连接两酪氨酸侧链时,反应通过tPCET（一个H₂O和一个Glu350侧链）或四质子耦合电子转移（qPCET,两个H₂O和一个Glu350侧链）机制进行。值得注意的是,Glu350侧链羧基上一个氧或两个氧原子都可参与反应,但相应的反应能垒变化不大,并且如果考虑零点能校正,有的能垒小于0,具有低垒氢键的特征,质子转移可以无能垒地进行。总的来说,Tyr356O·和Tyr731之间无论是直接氢键连接还是通过H₂O、Glu350侧链或二者同时参与,相应的质子/电子转移反应能垒都不高（1.1¹3.0 kcal/mol）,这说明Tyr356O·和Tyr731间只要能形成有效的质子连接通道,反应就容易进行,决定反应速率的是α与β亚基间的构象变化。连接Tyr356O·和Tyr731侧链的H₂O或者Glu350侧链不仅是电子给体和受体之间的质子转移桥梁,而且在电子和质子同步通过不同路径时,对稳定给体和受体也起着至关重要的作用。