水分子对半胱氨酸电子结构的等效势

论文摘要

电子结构是理解物质性质和功能的基础。“团簇埋入自洽计算法(SCCE)”可在保持计算精度的前提下极大地降低计算量，使蛋白质分子电子结构的第一性原理、全电子、从头计算成为可能。已有三个蛋白质分子的电子结构被算出。但由于计算条件的限制，此前的计算中没有考虑水溶液分子对蛋白质分子电子结构的影响。由于蛋白质分子电子结构的第一性原理、从头计算还刚刚起步，目前还没有适用的水溶液分子对蛋白质分子电子结构的等效势。要可靠计算水溶液中蛋白质分子的电子结构，需要构造一个简单易用、几乎不增加计算量的水溶液分子对蛋白质分子电子结构的等效势。自然界中存在几十万种蛋白质分子，但所有蛋白质分子基本上都是由20种氨基酸组成。因此我们只需构造水溶液分子对这20种氨基酸的电子结构的等效势。作为构造等效势的首次尝试，我们选择较小的氨基酸——半胱氨酸(Cys：Cysteine)。Cys只含14个原子，有一个硫醇侧链。 本论文通过基于密度泛函理论的第一性原理、全电子、从头计算，构造了水溶液分子对半胱氨酸(Cys)电子结构的等效势。工作分三部分。首先用“自由团簇计算法”计算了一个含半胱氨酸和水分子的系统的电子结构，通过调节水分子的空间位置，求得能量最低的Cys与水分子的相对空间构型。然后以此空间构型为基础，用“团簇埋入自洽计算法”计算半胱氨酸在以水分子为外势条件下的电子结构。最后计算半胱氨酸在用偶极子代替水分子时的电子结构，调节偶极子的极矩和位置，使得以偶极子为外势的半胱氨酸和以水分子为外势的半胱氨酸的电子结构尽量接近。即得到了用偶极子势模拟的水分子对半胱氨酸的等效势。计算结果显示，水分子对半胱氨酸电子结构的主要影响是使半胱氨酸费密面以下各能级整体下移了约0.032Ry，并使费密面上的能隙增大了16％。简单的偶极子势可以模拟水分子对半胱氨酸电子结构的影响。本文计算研究得到的等效势可以直接应用到蛋白质分子电子结构的计算中。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引言
• 第2章 基本理论
• 2.1 多电子系统和多电子薛定谔方程
• 2.2 密度泛函理论
• 2.3 团簇埋入自洽计算法（SCCE）基本理论
• 2.3.1 扩展的无相互作用单电子模型
• 2.3.2 局域化无相互作用单电子模型
• 2.4 本章小结
• 第3章 半胱氨酸与水分子系统的计算模型
• 第4章 水分子对半胱氨酸电子结构等效势的计算过程及结果
• 4.1 自由团簇计算的过程及结果
• 4.1.1 系统初始空间构型
• 4.1.2 水分子的位置调节
• 4.2 水分子势场中半胱氨酸的电子结构
• 4.3 偶极子势模拟
• 第5章 讨论
• 5.1 模型选取的合理性
• 5.2 自由团簇计算的结果
• 5.3 与GAUSSIAN03溶剂模型计算的结果进行比较
• 5.4 偶极子势在蛋白质分子电子结构计算中的应用
• 第6章 总结
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果