应用分子力学/动力学研究有机分子/蛋白分子的反应机理

摘要

随着计算机科学的快速发展，计算机分子模拟在科学研究中发挥着越来越重要的作用。随着研究的深入和发展，分子模拟技术从最初的量子力学模拟方法，逐步发展出计算效率较高的分子力学模拟方法和分子动力学模拟方法。本文即采用分子力学模拟方法和分子动力学模拟方法分别对有机分子的表面自组装机理和蛋白分子内部的质子转移机理进行研究。另外，我们也将计算机模拟技术与实验工作紧密结合，为实验工作提供理论支持。
　　实验上，三烷氧基苯分子，即B-OCn(n=12，14，16，18)，在石墨基底表面上会随着浓度的升高而形成三种自组装结构（依次为孔状、条纹型、折线型），并且烷基链的长度对分子自组装图案间转换的临界浓度有影响。为了研究这三种自组装结构形成的机理，我们采用分子力学（MM）方法，分别对三种结构进行研究。从体系的势能分项我们发现烷基链间的范德华力主导整个自组装过程。通过计算的焓变数值可以得知B-OCn分子从溶液吸附到石墨表面上时，优先形成孔状结构，即孔状结构是焓优势结构。比较三种结构的熵值发现，折线结构是熵优势结构。三相间转变的自由能数值说明在室温下，孔状结构会自发形成条纹结构，条纹结构会自发形成折线结构。通过考虑溶剂共吸附情况，发现溶剂对相转变有很大的影响，所以实验上溶剂的选择也是调控分子自组装的一个重要因素。
　　呼吸链线粒体复合物Ⅰ是呼吸链中最大的酶，在线粒体产生能量的过程中起着至关重要的作用，也和人类神经组织退化疾病密切相关。最近，线粒体复合物Ⅰ的晶体结构已被解析出来。我们对线粒体复合物Ⅰ的跨膜区域进行50ns的分子动力学模拟，并假设了氧化态和还原态两种状态。在跨膜区域，我们发现还原态水分子的密度比氧化态下多。线粒体复合物Ⅰ的连接片段（螺旋HL和β折叠）在还原态下波动强烈，从而产生更多的内部水分子，加速了质子的传递。螺旋HL和TM5中带电残基Glu的构象变化对质子迁移机理有重要影响。我们的研究结果解释了线粒体复合物Ⅰ中质子迁移的动力学行为和潜在的机理，为有关线粒体复合物Ⅰ的药物设计提供结构基础。

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第一章 绪 论

1.1 计算机分子模拟方法简介

1.1.1分子力学模拟原理

1.1.2 分子动力学模拟原理

1.2 表面分子自组装

1.2.1表面分子自组装的发展

1.2.2研究分子表面自组装的意义

1.3 线粒体复合物Ⅰ

1.3.1 线粒体复合物Ⅰ的简介

1.3.2 线粒体复合物Ⅰ的研究意义

第二章 分子力学方法研究石墨表面二维自组装图案的机理

2.1 研究背景

2.2 研究所用材料与方法

2.2.1 构建模型

2.2.2焓变计算方法

2.2.3熵值的理论计算方法

2.3 研究结果与讨论

2.3.1 构建模型和分子密度

2.3.2三种结构的势能及其分项

2.3.3 三种结构的焓变

2.3.4形成三种结构的熵变

2.3.5相转变的自由能

2.3.6 小结

第三章 分子动力学研究线粒体复合物Ⅰ中质子迁移的机理

3.1 研究背景

3.2研究所用材料和方法

3.2.1蛋白结构

3.2.2 MD模拟

3.3 研究结果与讨论

3.3.1跨膜区域中的水分子

3.3.2连接片段波动引起构象改变

3.3.3螺旋HL和TM中带电残基Glu的移动

3.3.4 NuoL、 NuoM、NuoN的作用

3.3.5动力学机制

3.3.6小结

第四章 分子模拟与实验工作结合

4.1 含水结晶体Schiff-Base 分子的荧光性质

4.1.1 研究背景和实验工作

4.1.2 理论计算工作及结论

4.2 利用层状非聚合物凝胶制备二维超薄金薄膜

4.2.1研究背景和实验工作

4.1.2 理论计算工作及结论

4.3介孔掺杂硅纳米棒作为联合治疗癌症的多功能药物载体

4.3.1研究背景和实验工作

4.3.2理论计算工作及结论

参考文献

攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文：

致谢