酶是具有催化功能的复杂生物大分子化合物，有生物催化剂之称。细胞内所发生的生物化学反应几乎都是在酶的催化下进行的，因此酶是所有生物赖以生存的物质基础。由于酶催化反应具有特有的高效性和专一性，是许多药物的靶点，在工业生产和日常生活中被广泛应用，因此被越来越多的科学家们所关注。目前通过实验方法可以得到酶的晶体结构，确定一些影响酶催化活性的主要因素，从而加深了人们对酶催化反应机理的认识。但是整个催化反应过程中的具体细节，尤其是反应中涉及的一些中间体和过渡态的结构及能量信息，仅用实验方法研究还十分困难。近年来，量子化学理论及方法的不断完善和计算机技术的提高为人们研究酶的结构和催化机理提供了一个强有力的工具，理论化学与实验技术相结合的方法已经在酶催化研究领域取得了较大的成功。　　基于最新得到的一些蛋白酶的晶体结构，本论文综合运用量子化学、分子力学以及两者相结合的量子力学与分子力学组合方法对几类催化机理还不明确的蛋白酶的催化机理进行了较为系统的理论研究，探讨了酶与底物的结合模式和作用机制，获得了反应过程的详细信息和最可能的反应路径，揭示了酶催化反应的本质和影响酶催化活性的关键因素，这些研究结果不仅很好地解释了相关实验现象，对实验结果进行了补充，还为探索酶的实际应用奠定了理论基础。　　本论文的特色和创新之处:　　(1)使用QM/MM方法系统地研究了天冬氨酸氨基裂解酶的催化反应机理，给出了整个催化反应的细节和涉及的所有中间体和过渡态的结构，明确了实验上无法确定的组氨酸的作用以及离去基团氨的状态，并确定了活性口袋中其它残基在反应中的作用，研究结果对酶活性的调控具有重要的指导意义。　　(2)使用密度泛函方法和团簇模型研究了苯甲醛裂解酶催化(R)-安息香分解的催化机理，明确了整个催化反应的细节和催化反应中的能量变化，讨论了第三步质子转移过程中两条可能的反应路径，确定了重要残基Gln113、His29和硫胺素焦磷酸上的4-胺基在反应过程中的作用，计算结果为进一步研究苯甲醛裂解酶的催化机理奠定了基础。　　(3)使用密度泛函方法研究了磷酸转酮酶的催化反应机理，确定了反应中两个关键的B1、B2催化剂，解决了实验上一直存在的争议问题，明确了脱水过程与酮-烯醇互变过程中起关键作用的残基，并阐明了它们的作用，计算结果为详细了解磷酸转酮酶的催化机理提供了有用的信息。　　(4)使用QM/MM方法系统地研究了乙醛酸醛连接酶的催化反应机理，明确了在谷氨酸不存在的情况下整个催化反应的细节以及反应中能量的变化，并通过突变研究阐明了谷氨酸存在时对催化反应的影响，确定了活性口袋中各残基在反应中的关键作用，研究结果为药物分子的设计奠定了理论基础。　　(5)使用QM/MM方法系统地研究了琥珀酸半醛脱氢酶的催化反应机理，明确了硫醇离子处于两种不同状态时亲核进攻底物琥珀酸半醛的反应细节以及反应中的能量变化等信息，确定了含硫半缩醛中间体中的氧原子能被“氧负离子穴”所稳定，以氧负离子的形式存在，阐明了活性口袋中重要残基在反应中的作用，对设计治疗琥珀酸半醛脱氢酶缺乏症的新型药物具有重要的指导意义。