结构约束下金属酶活性中心配位与反应性的DFT研究：以碳酸酐酶II为例

本研究通过密度泛函理论(DFT)系统探究人碳酸酐酶II(CA II)活性中心在结构约束下的金属置换效应，揭示Zn2+/Cu2+/Ni2+/Co2+置换对几何构型、能量景观及亲电性的调控机制，发现Irving-Williams序列与结构刚性协同作用决定催化效能，为人工金属酶设计提供理论依据。

　　

Highlight

通过对比四种金属变体CA体系（Zn-CA、Cu-CA、Ni-CA和Co-CA）的RMSD值评估结构准确性，发现M06-2×泛函（平均RMSD=0.3251?）表现最优，而B3LYP（平均RMSD=0.5012?）因对过渡金属处理不足精度最低。

Computational methods

采用Gaussian 16软件进行DFT计算，模型源自PDB收录的CA II晶体结构（Zn：6LUW；Cu：6LV9；Ni：6LV5；Co：6LV1）。通过固定原子位置模拟蛋白质支架的刚性，构建半约束活性位点模型。

Optimized DFT functional for CA

M06-2×泛函与LANL2DZ有效核势组合在精度与效率间达到最佳平衡，而BP86泛函虽结构预测相似但耗时更少，为大规模计算提供替代方案。金属置换导致能量景观崎岖，结构约束与金属本征配位化学的竞争产生多样化几何构型。

Conclusions

研究证实CA II天然金属离子(Zn²⁺)并非结合能最强者，其催化优势源于结构约束调控的亲电性——Zn²⁺始终展现最高亲电活性，这解释了金属酶的进化优化逻辑。发现为理性设计人工金属酶奠定计算基础。