氨基酸、肽及其金属离子复合物构型和性质研究

摘要

蛋白质对生物功能的实现有着极其重要的作用.蛋白质的功能与其结构密切相关，为了了解蛋白质的结构和性质，必须首先了解其基本组成单元氨基酸和重要功能片段肽的结构和性质，因此，对气相和溶液中氨基酸和肽的构型和性质进行系统的理论计算研究，在生命科学中具有重要的基础意义.
　　 本论文对L-苏氨酸和L-别-苏氨酸及其离子的气相构型进行了系统的理论寻找，分析了稳定构型的氢键、振动光谱及质子化、去质子化反应的热力学性质，并分析了这2个立体异构体分别与一个水分子络合的情况.论文还分析了半胱氨酸与碱性金属离子、碱土金属离子的络合情况，讨论了不同金属离子对半胱氨酸络合物稳定构型的影响，作为生物结构与功能密切联系的研究范例，论文通过结合气相和混合溶液模型的结果，对脑垂体后叶荷尔蒙Oxytocin(OT)的生物活性需要金属离子激活机制进行了分析，系统地讨论了不同金属离子的激活活性顺序.
　　 第1章概述了量子力学计算的基本原理及几种用于量化计算的理论方法，如Hartree-Fock理论，组态相互作用，微扰理论，耦合簇方法，密度泛函理论和半经验方法，介绍了基函数的选择.另外还介绍了论文中使用的溶液模型，最后，对本论文中使用的计算软件进行简要的说明.
　　 第2章使用从头计算方法和密度泛函理论研究了脂肪族苏氨酸(Thr)的结构及其基本物理化学性质，由于苏氨酸分子具有2个不对称中心（Ca，及Cβ），因此，存在4种立体异构体.本章对2个L-构型的立体异构体(L-苏氨酸和L-别-苏氨酸)的中性、双电性、质子化、去质子化和二次去质子化构象的势能面进行了系统寻找，并计算了相关性质如质子化能、去质子化能和气相酸碱性等.对稳定构型的氢键、振动光谱及热性质进行了分析.同时考虑了生物体系所处的实际环境加入了苏氨酸与一水分子络合的复合体系的计算.通过对气相酸碱性，构型能量差异及水合位置的分析比较，研究了L-苏氨酸和L-别-苏氨酸这两个非对应异构体的结构特性.
　　 第3章利用用密度泛函理论和MP2理论系统研究了半胱氨酸，及其与各种碱性金属离子、碱金属离子络合的复合物稳定构型，分析比较了不同金属离子络合物构型的结构特征与性质，如金属离子结合能和红外光谱等，对于离子半径较大的离子，所带电荷量较大的金属离子比较有利于盐桥构型（双电性复合物构型）的形成.计算表明，由于金属离子的络合，在气相中存在半胱氨酸与金属离子络合的稳定的双电性构型；半胱氨酸的金属离子结合能随离子电量的增加而增加，同一主族中，随着离子半径的增大而减小.
　　 第4章采用密度泛函理论研究分析了脑下垂体后叶荷尔蒙Oxytocin(OT)的结构及其生物功能体现，通过大量的结构搜寻，得出了不同OT物种在气相及水溶液中的稳定构型.所考虑的OT物种包括中性OT、质子化OT、OT与Na+、K+、Ca2+、Zn2+、Ni2+、Mg2+和Co2+等金属离子的结合及其质子化等.通过对OT及其质子化、金属离子络合物在气相和水溶液中的构型分析，指出了OT金属络合所产生的结构与生物功能变化，很好地解释了OT的生物活性需要2价金属离子激活的机制，通过对OT金属离子结合能的计算和分析，进一步得到了与实验观测到的不同金属离子的激活活性顺序相一致的理论结果.
　　 第5章对本论文的研究工作进行了总结.

目录

文摘

英文文摘

第1章 量子化学理论与计算

1.1 引言

1.2 波函数方法

1.2.1 分子体系的量子力学基础

1.2.2 Hartree-Fock理论

1.2.3 电子关联

1.3 密度泛函理论

1.3.1 Thomans-Fermi模型

1.3.2 Hohenberg-Kohn理论

1.3.3 Kohn-Sham方程

1.3.4 交换相关泛函

1.3.5 含时密度泛函理论

1.4 半经验方法

1.5 基函数

1.6 溶液模型

1.6.1 离散模型

1.6.2 自洽反应场模型

1.6.3 混合模型

1.7 本论文采用的计算软件

1.7.1 Gaussian

1.7.2 Molpro

第2章 L-苏氨酸与L-别-苏氨酸的构型研究

2.1 引言

2.2 计算方法

2.2.1 L-苏氨酸及L-别-苏氨酸的中性，质子化，去质子化，二次去质子化，及双电性稳定构型的寻找

2.2.2 L-苏氨酸和L-别-苏氨酸的水合稳定构型Thr-H2O寻找

2.3 结果与讨论

2.3.1 构型与能量

2.3.2 苏氨酸和其离子的热化学性质

2.3.3 振动频率

2.4 本章小结

第3章 半胱氨酸与碱性金属离子、碱土金属离子络合构型

3.1 引言

3.2 计算方法

3.2.1 构型寻找

3.2.2 性质计算

3.3 结果与讨论

3.3.1 构型与能量

3.3.2 振动频率、红外光谱

3.3.3 金属离子结合能

3.4 本章小结

第4章 Oxytocin与金属离子相互作用激活机制的密度泛函理论研究

4.1 引言

4.2 计算方法

4.2.1 气相中的计算

4.2.2 溶液的计算

4.3 结果与讨论

4.3.1 气相中OT物种

4.3.2 液相的结果分析

4.4 本章小结

第5章 总结

参考文献

附录 OT物种稳定构型的笛卡尔坐标

致谢

攻读学位期间的学术论文发表情况