改进的键耦合路径模型及其在蛋白质电子转移中的应用

摘要

电子转移是生命科学中的一个基本问题。许多生命活动过程,比如光合作用、呼吸作用、新陈代谢、酶催化反应以及生物体内的各类信号传递等都涉及到电子转移问题。对于此类电子转移问题的研究有助于人们了解生命的奥秘,进而推动生命科学、医学等相关学科的发展。
　　 在生物分子中,给体和受体之间往往距离较远,直接耦合作用很弱,电子转移过程需要桥体的介导。在理论研究方面,此类电子转移反应被归于非绝热反应范畴,根据量子力学模型和Marcus半经典模型,其转移速率近似正比于给受体间耦合矩阵元的平方。因此,耦合矩阵元的计算成为生物体系电子转移理论研究的关键。目前常用的耦合矩阵元计算方法有两态模型下的变分方法,Koopmans定理下的最小能隙方法,L(o)wdin分割技术方法和广义Mulliken-Hush方法,它们均存在一个共同的缺陷,那就是只能从整体上得到计算值,但是不能反映电子转移的细节过程,也就无法确定桥体结构变化与电子转移速率常数之间的具体关系。然而,越来越多的研究结果表明生物分子中核构型的热力学波动将会大大影响电子转移速率,分子结构与电子转移速率常数之间的关系成为近年来电子转移领域研究的热点。
　　 本文致力于发展在从头算水平上研究分子结构与电子转移速率关系的理论方法,并将之应用于蛋白质电子转移这一基本生命过程,得到了肽链构型转化中影响电子转移速率的主要结构要素,加深了人们对生命体系电子转移过程的理解。本工作主要包含以下两部分的内容:
　　 一.改进的键耦合路径模型
　　 我们在Beratan,Miller和Jordan等人工作的基础上提出了改进的键耦合路径模型,它能够在从头算水平上计算电子转移路径中每一步的耦合系数,进而将结构参数变化与电子转移速率常数(主要是耦合矩阵元)真正关联起来,其理论背景和基本思想简述如下:
　　 对于给体D和受体A之间直接耦合作用很弱的非绝热电子转移过程,由量子力学模型,其速率常数公式为:其中,TDA为给体D和受体A之间的电子耦合矩阵元,FC为Franck-Condon因子。对于此类由桥体介导的电子转移过程,Beratan等人从原子轨道理论出发,提出了电子转移路径的经典模型。定义电子转移路径为对给体D和受体A之间耦合做出贡献的沿着桥体分布的一系列相互作用的键的组合,则单一路径的耦合矩阵元tDA表达式为:
　　 其中,前因子P表示给体D和受体A与桥体首端原子和末端原子的相互作用,εi表示通过电子转移路径上每一个键的耦合矩阵元。忽略不同路径间的相互作用,则有:
　　 至此,总的耦合矩阵元被划分为一个个εi的组合,而εi值受相应位置分子结构的影响,这就将分子结构与电子转移速率关联到一起。然而,原子轨道方法一方面高估了εl的值,另一方面也无法反映二面角这一重要结构要素的影响。而且,在实际应用中,Beratan等人并未进行真正的从头算,而是引入了一系列源自实验的参数拟合出了计算εi的经验公式,这就导致其精度大大受限于参数的选择。另外,其经验公式只考虑了键长的变化,不能真正反映构型的波动。后来,Miller和Jordan等人提出了电子转移的键耦合模型,采用自然键轨道(NBO)分析得到的Fock矩阵元计算εl的值。此模型解决了原子轨道方法的缺陷,但是忽略了成键轨道对电子波函数传递的贡献,而且在实际应用中并未采用Beratan等人路径分析的思想,无法从细节上体现分子结构对电子转移速率的影响。
　　 综合上述两种方法的优点,我们将键耦合模型中计算εi的方法加以改进,引入到Beratan等人的路径模型,建立了改进的键耦合路径模型,真正实现了在从头算水平上研究分子构型波动对电子转移速率的影响。在我们的模型中,电子转移路径上每一步的耦合系数都是由自然键轨道(NBO)分析结果得到,且同时考虑了成键轨道和反键轨道对波函数传递的贡献,从而使得耦合系数能够很好地反映相应位置分子构型的变化。此外,自然键轨道(NBO)的图像如定域的成键轨道和孤对电子等等能与具体的分子结构很好地吻合,这就使得路径分析的结果能够反映电子在桥体中的运动。对于同一生物分子的不同构型,我们可以根据贡献大小,一一找出其电子转移的主要路径,通过对比分析各结构主要路径的组成和每一步的耦合系数,就可以得到分子构型转化中影响电子转移速率的结构要素。
　　 生物分子中的电子转移路径通常由共价键和氢键组成。对于通过共价键的电子转移,改进的键耦合路径模型中εl的表达式为:式中Feff12为两共价键之间有效耦合系数,可由相应的Fock矩阵元和原子轨道系数得到；Ea和Eb分别为NBO反键轨道和成键轨道的能量；E为转移电子的能量,取值(EHOMO+ELUMO)/2。
　　 对于通过氢键的电子转移,孤对电子可能起着关键作用。改进的键耦合路径模型中,当电子由共价键转移到孤对电子时,其耦合矩阵元表达式为:当电子由孤对电子转移到共价键时,其电子转移耦合矩阵元表达式为:我们采用已经获得实验数据的四种烃链结构对改进的键耦合路径模型进行了测试,结果表明此模型所得结果与原模型相比有了明显的改进,更贴近实验数据所体现的趋势,这也鼓励着我们将改进的键耦合路径模型应用于生物体系。
　　 二.蛋白质电子转移的理论研究
　　 本文中,我们所研究的是DNA(脱氧核糖核酸)中8-氧-鸟嘌呤:腺嘌呤(OG:A)错配识别过程中修复酶MutY内的电子转移问题。除了少数的RNA病毒以外,绝大多数生物体的遗传信息都存储在DNA中,物种特殊的基因编码表达为特殊的DNA碱基序列。因此,完整稳定的DNA序列是物种特征得以保存和延续的先决条件。然而,在复杂的细胞环境下,各种甲基化作用、氧化作用、水解作用、辐射以及DNA复制过程中的异常都可能会导致DNA分子结构的损伤,进而改变DNA序列。这种改变可能会有利于物种的多样性,但是更多的时候会导致各种有害突变和基因疾病。为了维护其特有的遗传信息,在生命进化过程中,生物体内逐渐形成了一套完整有效的DNA损伤修复机制,其中最常见的是碱基切除修复(BER)。在碱基切除修复过程中,第一步也是最关键的一步就是BER酶催化下损伤碱基的水解脱落。在众多的BER酶中,MutY是最特殊的一个,它主要识别和修复DNA链上的OG:A错配,其特殊的地方在于它所催化的是未损伤的A碱基从糖环上的水解脱落。MutY酶的催化活性和催化机制已经得到了广泛研究,有实验结果指出酶蛋白中的[Fe4-S4]2+簇对其催化活性起着关键作用,尽管[Fe4-S4]2+簇的存在与否对于蛋白质的折叠过程和立体结构并无明显影响。通过一系列实验研究,Barton等人提出了一个MutY酶快速探测OG:A错配的模型,即:当MutY酶与DNA链相互靠近绑定的过程中,蛋白质中的[Fe4-S4]2+簇氧化变为[Fe4-S4]3+,其失去的电子通过连接铁硫簇和DNA的多肽链进入DNA链,如果此绑定位点与相邻绑定位点之间的DNA链上没有损伤,则DNA介导的电荷转移将会导致相邻位点上MutY酶的还原和脱落,形成新的游离酶,而游离MutY酶又会在新的位点与DNA绑定,重复上述探测过程；当两个相近位点之间存在OG:A损伤时,则DNA介导的电荷转移不能有效进行,MutY酶就会对就近的损伤进行修复。在此模型中,当MutY酶与DNA链绑定时,电子由铁硫簇进入DNA链,当MutY酶从DNA脱落时,电子由DNA链进入铁硫簇,也就是说在同一条多肽链中可以发生双向电子转移。MutY酶中的电子转移过程是OG:A损伤探测的关键,其理论研究有助于人们理解DNA损伤的修复机理,进而为针对此类疾病的酶类药物设计提供理论支持。
　　 具体研究内容与结果概述如下:
　　 1.MutY酶桥体肽链电子结构的从头算理论研究
　　 2.MutY酶关键区域肽链上电子转移耦合矩阵元和主要转移路径
　　 3.肽链构型变化对电子结构的影响
　　 4.肽链结构变化对电子转移速率的影响
　　 综上,我们的研究表明:肽链中从羰基末端到氨基末端的电子转移比反方向更有利；肽链结构变化对电子转移速率的影响主要体现在二面角的改变、羰基集团的指向和排布变化以及分子内氢键的形成。具体来说,反式结构最有利于电子耦合,越背离反式结构,耦合作用就越弱；肽链中羰基集团偶极矩的指向和排布越一致,所形成的静电场就越强,相应方向上电子转移就越有利；分子内氢键的形成大大减少了耦合步数和有效转移距离,使得螺旋结构最有利于长程电子转移。

目录

文摘

英文文摘

TABLE OF CONTENTS

第一章 前言

1.1 电子转移领域研究概述

1.2 电子转移反应的物理图像

1.2.1 双势阱模型

1.2.2 绝热和非绝热电子转移反应

1.3 电子转移反应的理论模型

1.3.1 适用于绝热过程的电子转移反应Marcus经典模型

1.3.2 电子转移反应量子力学模型

1.3.3 适用于非绝热过程的Marcus半经典模型

1.4 电子转移反应速率公式中关键参数的计算方法

1.4.1 电子耦合矩阵元Vm的计算方法

1.4.2 重组能λ的计算

1.4.3 反应前后标准吉布斯自由能变△G0的计算

1.5 本文的选题背景和研究思路及意义

参考文献

第二章 改进的键耦合路径模型的提出及测试

2.1 Beratan经典路径模型

2.2 Miller等人的键耦合路径模型

2.3 自然键轨道(NBO)分析方法

2.4 改进的键耦合路径模型

2.5 改进键耦合路径模型的测试计算

2.5.1 测试计算的体系和流程

2.5.2 测试计算所使用的量子化学方法

2.5.3 测试计算结果及讨论

参考文献

第三章 DNA修复酶MutY关键区域肽链的电子结构研究

3.1 OG:A错配修复过程中的电子转移

3.2 计算模型和计算方法

3.3 计算结果和讨论

3.3.1 模型肽链中的电子离域

3.3.2 模型肽链的电子结构

3.3.3 模型肽链中的前线轨道能量与电荷移机理

3.4 小结

参考文献

第四章 MutY酶关键区域肽链的耦合矩阵元计算和路径分析

4.1 引言

4.2 理论模型和计算方法

4.2.1 改进的键耦合路径模型

4.2.2 计算模型和计算方法

4.3 计算结果和讨论

4.3.1 电子转移主要路径分析

4.3.2 耦合矩阵元与分子结构关系的探讨

4.3.3 大分子体系片段方法测试

4.4 小结

参考文献

第五章 具有不同二级结构肽链的电子结构研究

5.1 引言

5.2 计算模型和计算方法

5.3 计算结果和讨论

5.3.1 不同二级结构中的电子离域

5.3.2 不同二级结构中的NBO电荷分布

5.3.3 不同方向的电子转移机理

5.4 小结

参考文献

第六章 二级结构转化对肽链体系电子转移速率的影响

6.1 引言

6.2 理论方法与计算细节

6.2.1 改进的键耦合路径模型

6.2.2 计算模型和计算方法

6.3 计算结果与讨论

6.3.1 各二级结构中沿共价键的电子转移

6.3.2 影响共价键电子转移速率的结构因素

6.3.3 α-螺旋结构中通过氢键网络的电子转移

6.4 小结

参考文献

第七章 总结和展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

致谢

Appendix Ⅰ

References

Appendix Ⅱ

References

Appendix Ⅲ

References

学位论文评阅及答辩情况表