氧气在众多生命体的新陈代谢过程中都具有关键的生物功能。氧气分子特殊的电子结构使得它在与一般的有机底物反应之前必须先被活化,也就是完成体系从三重态到单重态的自旋翻转,而自旋守恒规律使得这一过程往往需要较高的能垒,因此生物体需要通过氧化酶或者加氧酶的催化作用来有效利用氧气。绝大部分的氧化酶或者加氧酶都需要辅酶的帮助才能完成氧气的活化,辅酶的形式一般是过渡金属离子或者黄素等某些特定的有机分子。近些年来,研究发现有数种酶并不含有辅酶却能够催化氧气作为底物发生反应,因此它们活化氧气的机理就成为人们感兴趣的焦点,对此进行研究既可以在理论上加深人们对氧气活化的本质的理解,同时也对实践中更加有效地利用氧气具有重要的意义。本论文通过计算化学的方法,对BluB、HOD以及DpgC这三种非辅酶依赖型氧化还原酶的催化反应机理分别进行了系统的研究。　　论文的第一部分对BluB的反应机理进行了系统完整的研究。BluB在维生素B12的生物合成过程中起到关键的作用,它催化黄素在氧气作用下发生自我裂解生成5,6-二甲基苯并咪唑的反应。黄素在BluB中不仅作为辅酶,同时也是作为底物参与反应,因此可以将BluB视为一种介于非辅酶与辅酶之间的一种酶。BluB具有较为简单的活性中心,但是其催化反应却非常复杂,涉及到三个共价键的断裂和一个共价键的形成,而由于实验手段的局限性,目前尚无实验能够阐明其详细的催化机理。我们利用计算化学的方法,得到了BIuB的完整的催化反应路径,阐明碱性残基Asp32以及由Gly61骨架肽键和黄素的C2羟基共同组成的过氧负离子空穴在活化氧气的过程中起到关键的催化作用。此外,我们的计算结果还表明,黄素在酶以及氧气作用下断裂生成的中间体四氧嘧啶在后续的反应中,作为质子供体、质子受体以及氢负离子受体催化了关键的数步反应,因此BluB的催化机理实际上是一种多功能中间体辅助催化反应。在我们的反应机理中,关键残基Asp32分别在氧气活化、过氧化中间体的形成、决速步Retro-Aldol断键反应前的质子转移等多个过程中起到关键催化作用,而另一关键残基Serl67则在决速步Retro-Aldol断键反应中起到稳定作用。我们的计算结果不仅解释了BtuB的所有实验事实,而且为理解酶的进化提供了有价值的启示。　　论文的第二部分对HOD的催化反应机理进行了完整的计算。HOD是最早被发现的非辅酶依赖型加氧酶之一,它催化1-H-3-羟基-4-氧代喹那啶在氧气作用下断裂杂环生成Ⅳ_乙酰基邻氨基苯甲酸并释放出一氧化碳的反应。HOD是一种双加氧酶,目前发现的大部分双加氧酶都是邻位双加氧酶,然而HOD却催化了间位加氧的反应,虽然已有许多实验对其机理进行了研究,但却并未阐明这一特别之处。我们利用计算化学的方法对HOD的完整的催化反应机理进行了研究,结果表明Asp126与His251的偶联体,以及Trp36和His102的骨架肽键,共同催化了氧气的活化反应。此外,我们的计算结果表明HOD的反应过程依然需要经过邻位加氧的二氧杂环丁烷中间体,这就说明HOD实质上仍然是一种邻位双加氧酶,并且证明了二氧杂环丁烷中间体机理的普遍性。　　论文的第三部分主要对DpgC活化氧气的机理进行了一系列的计算研究。DpgC同样是一种纯粹的非辅酶依赖型双加氧酶,它在万古霉素等糖肽类抗生素的生物合成过程中催化了一步重要的反应,即3,5-二羟基苯基乙酰辅酶A在氧气作用下转化为3,5-二羟基苯基乙醛酸。DpgC的晶体结构表明它缺乏碱性残基来辅助催化氧气活化,而且底物中相应反应位点也不具有酸性较强的质子,因此其活化氧气的机理目前尚存许多疑问。我们利用计算化学的方法,对一系列可能的机理进行了研究,结果证明底物3,5-二羟基苯基乙酰辅酶A脱去质子的反应都需要较高的反应能垒,因此DpgC可能并不是通过碱催化的氧气活化机理来完成反应。我们对氢原子转移机理的计算与DpgC的低反应活性有更高的符合程度,这就说明DpgC对氧气活化具有较弱的催化作用。此外,基于计算结果,我们对实验中残基表现出的催化作用以及底物的选择性进行了较为细致的讨论。　　在论文的最后部分,我们在总结三种酶的研究成果的基础上,对非辅酶依赖型氧化还原酶的催化机理的共性以及不同之处提出一些观点,同时也对辅酶依赖型酶与非辅酶依赖型酶之间的联系进行讨论,并且对非辅酶依赖型氧化还原酶的相关研究进行展望。