生物小分子及模型分子在溶液中的相互作用及质子转移研究

摘要

质子转移在众多化学反应和生命过程中发挥了重要的作用，生物分子内的质子转移造成的互变异构现象是生物体发生点突变的起因之一。众所周知，生物分子大都是在溶液尤其是水溶液中才具有特定的生理活性，因此对生物分子质子转移反应的研究不能脱离对其自身所处环境的考量，即需要了解生物分子在溶液中的相互作用。相互作用是生物分子体系中普遍存在的一类重要作用，在分子组装、分子识别及决定结构—功能—活性关系等方面有着及其重要的作用，其本身就是一个非常有趣的命题。本论文拟从简单的生化模型小分子出发，从研究其在水溶液中的弱相互作用开始进一步探讨其发生的质子转移反应，再从体系上扩展到复杂的生物碱基鸟嘌呤分子，采用分子动力学模拟、量化计算、核磁共振实验等手段对生化模型分子和生物小分子在水溶液中的相互作用和质子转移反应进行了多角度的研究。 由于生物分子普遍含有羰基，论文首先对最简单的羰基体系丙酮的水溶液进行了研究。我们采取全原子OPLS-AA力场对该体系进行了分子动力学模拟，发现羰基侧甲基与水分子间存在着明显的C-H…O弱相互作用，并结合核磁共振波谱研究了体系中的氢键网络结构；之后引入相对氢键度叩η<,rdl>和过量相对氢键度η<'E><,rel>的概念，将NMR数据、MD结果与溶液宏观的传递性质归一化到无量纲的参数之下，并对其在全浓度范围内的变化趋势进行了研究，我们发现：由三者分别得出的η<'E><,rel>随浓度变化趋势完全一致，并且都在x<,A>≈0.3左右出现非理想性最强的特殊点，同时溶液中强氢键与C-H…O弱相互作用的浓度依数性表明两者相互关联、互为影响。 在丙酮水溶液相互作用研究的基础上选取了最简单的肽键模型分子甲酰胺的水溶液进行了计算研究。通过量化计算发现溶剂水分子可以在甲酰胺周围三个不同的空间位置分别与之缔合形成稳定的团簇，羰基侧的C-H…O弱相互作用不可被忽略，MD模拟也证实了该观点；全浓度溶液的模拟表明甲酰胺在稀浓度区可以促进水局部结构增强，之后，两者的交叉缔合将逐渐被甲酰胺自身的线状缔合代替。在明晰了甲酰胺与水分子相互作用的基础上，采用量化计算的方法研究了水分子对甲酰胺质子转移的影响，我们发现与甲酰胺形成团簇的三种水分子在质子转移过程中担任了两种截然不同的角色：缔合在质子转移路径上的水分子(W2)不仅充当质子传递的桥梁，使活化能大大降低，在热力学上也使该过程更加可行，这类水分子可称为位于“催化位”；而另外两种水分子(W1和W3)则恰好相反，不仅使反应活化能提高，反应自由能变也增大，即反应在动力学和热力学两方面都更加不利于进行，这类水分子可称为位于“保护位”。在多水合团簇中，不同性质的水分子将共同作用于中心分子。以上结论在气态和考虑了溶液连续介质影响的计算中都成立，并且在连续介质中催化位水作用增强，保护位水作用却被削弱。我们尝试从质子转移前后分子的结构改变、电荷分布以及水与甲酰胺互变异构体之间的相互作用、NBO分析等方面考察水分子出现两种功效的内在原因。之后对甲酰胺的衍生物、结构更加复杂的甘氨酰胺(N端氨基酸的模型分子)的质子转移进行了类似的研究，同样发现了不同区域的水分子对该反应发挥的催化、保护特性。在甲酰胺的催化位上，我们研究了一系列在结构上能充当氢桥的小分子，发现在它们参与催化的质子转移反应中，活化能的大小与分子自身的DPE+PA值成线性关系，据此可以推测反应达到过渡态是氢桥分子同时从甲酰胺得到质子和自身脱去质子的协同过程。 鸟嘌呤是生命基础碱基中结构最复杂的一种，异构体数量多达36个，其中任意两个异构体之间的反应都可被视为质子转移反应，我们将这个复杂的反应网络按照质子转移发生的位置分成了7类，并分别予以研究。研究发现异构体中稳定性排序靠前的无论在单体能量还是在生成过程中正逆反应能垒对比上，都是具有优势的；质子转移进行的方向选择性和分子的骨架结构有关，具体来说是由发生质子转移部分直接相连的结构部分决定的；反应发生的能垒与质子迁移距离之间存有线性关系，长程的质子转移将需要克服较高的反应能垒，反之亦然；异构体中酮式始终比对应的烯醇式稳定，胺式基本上比对应的亚胺式稳定，这与实验结果相符。鸟嘌呤含有类似甲酰胺的结构部分，我们因此选取了生物体中最常出现的9-H-keto-Guanine研究了水分子对其质子转移反应的影响，发现了与甲酰胺可以相互印证的一些结论：W1仍阻碍质子转移的进行，保护了碱基的正常构型；W2使反应能减小，并且大幅度降低反应能垒，促进烯醇式鸟嘌呤的生成。最后，我们选取乙酰丙酮作为模型，克服了其它生物分子和模型分子烯醇式含量过少或者溶解度过低的不利因素，使用NMR实验手段验证了质子转移过程中催化位的水分子能明显加速反应的进行速率。 本论文通过计算机模拟、量化计算和实验研究了生物小分子和模型分子在水溶液当中的相互作用并以此为基础研究了溶液水分子对中心分子质子转移反应的影响，总结了一些体系中弱相互作用和分子微观结构变化间存在的内在联系，为进一步研究生物大分子体系中的相互作用、结构性质以及基因突变等打下了一定的基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章前言

第二章文献综述

2.1引言

2.2溶液中的弱相互作用研究

2.2.1范德华力

2.2.2氢键

2.2.3弱相互作用的研究方法

2.3质子转移和互变异构

2.3.1质子转移的生理意义

2.3.2互变异构

2.3.3氢键团簇和质子转移

2.4本论文研究的内容和目的

第三章丙酮-水体系的相互作用研究

3.1引言

3.2丙酮-水体系相互作用研究

3.2.1计算方法

3.2.2结果与讨论

3.3本章小结

第四章生化模型甲酰胺-水体系相互作用研究

4.1引言

4.2甲酰胺-水缔合体的量化研究

4.3甲酰胺-水溶液的MD计算研究

4.4本章小结

第五章　甲酰胺及衍生物水溶液中的质子转移研究

第六章　鸟嘌呤的质子转移以及模拟实验研究

6.1引言

6.2鸟嘌泠的质子转移研究

6.3水对鸟嘌呤质子转移的影响

6.3.1水与鸟嘌呤的相互作用

6.3.2水对鸟嘌呤质子转移的影响

6.4催化效应的模拟实验研究

6.4.1实验方法

6.4.2结果与讨论

6.5本章小结

第七章结论与展望

附录

致谢

攻读博士学位期间的学术成果和发表的文章

参考文献