Abstract
電腦分子模擬技術乃從微觀的角度剖析化學反應機制，如反應常數的計算 、酵素的催化等等。可提供理論基礎驗證實驗結果，或進而預言實驗尚未 觀察到的現象。為什麼酵素能大幅提高反應速率，如此有效地催化反應？ 當我們從原子層面討論這個問題時，所要面對的系統有成千上百萬個原子 。在合理地簡化系統及適當地使用計算資源雙重考量之下，用一種量子力 學和古典力學的混合計算方法去研究木瓜蛋白酵素的活性中心胺基酸殘基 間的質子傳遞催化反應，從自由能的角度切入這個問題。量子力學的計算 方法很耗時，就算只有幾個原子也要花很長的計算時間，古典力學方法純 粹就是解析函數間的計算，較省時但可能無法描述得較準確。我們所用的 方法創新部分在於幫助計算自由能時的映射取樣之軌跡移動都位於以解析 函數描述的映射位能內。故稱之為『解析位能內軌跡法』。所以做分子動 力學的模擬時不需要每一步都使用很花時間的量子力學計算。首先反應前 後的每一分子態都以解析函數去量化以表示位能，再取用映射能態的觀念 ，將位能差微分成許多小差，計算運作後再積成總和，以解決直接運算一 大步位能差時數值發散的問題。基態位能以半經驗量子計算方法求得。以 此基態位能和解析映射位能之間互相映射計算出自由能曲線，之中包含了 兩種自由能計算法，分別是自由能微擾法和傘型取樣法。前者計算不同映 射能態的相對自由能差，後者可得到映射位能所及區域內的自由能曲線。 利用自由能曲線，可探討酵素催化機制。由計算的結果推得反應進行的傾 向，和實驗出來的結果一致。顯示了我們所使用的方法在研究這個問題的 可行性。另外也作了和普通計算方法所耗費電腦計算時間的比較，在處理 相同問題時花了較少時間得到相近的結果。充分表現了這個方法既創新省 時又解決了問題。 To undestand enzyme catalysis is one of the most important problems in biochemistry. Here we propose a novel quantum mechanical and molecular mechanical hybrid method to study the chemical reactions in enzymes. In this method, referred to as the Classical Trajectory Mapping method, the trajectories are calculated on a classical potential surface and the free energy profile of the chemical reaction is calculated by using this classical surface as a reference state for the actual ground state potential described by the semiempirical method. The speed of our method could be one order of magnitude faster than that of the conventional approach since there is no need to perform the time-consuming quantum mechanical calculations at each iteration step. This method is applied to the proton transfer reaction of His-Cys ion pair in papain. The encouraging results indicate the applicability of our method to chemical reactions in the biological systems.