一些生物大分子体系的理论化学研究

论文摘要

生物大分子体系的研究能够加深人们对生命过程的认识,也能够提高人类对生物大分子的综合利用。因此深入研究木质素的生物合成的机理以及HDV核酶自切除反应的机理是当前生物物理有机化学、化学生物学、生物医学等领域中最热门的前沿课题之一。但由于实验条件和研究对象的限制,采用量子理论化学方法就显得非常必要。这些课题会为生物质热解为生物油的研究,以及HDV核酶的基因治疗提供了有价值的理论指导。本论文对木质素单体的键离解能、气态电离能、水溶液中的氧化电动势等物理化学性质进行了深入的研究:对HDV核酶自切除反应的机理进行了详细的研究,本文的主要研究工作如下:通过结合密度泛函的方法以及与实验数据,经过对数据的线性拟合,能够精确的预测不同木质素单体的相对和绝对键离解能、气态电离能、水溶液中的氧化电动势,精度达到2 kcal/mol,同时通过木质素单体征水溶液中的氧化电动势的研究,找到了木质素生物合成的反应过程和反应机理。为精确预测酚类化合物的物理化学性质提供了可行性,为木质素的研究提供了有益的理论指导。率先尝试将分子动力学、量子力学反应路径搜索、量子力学与分子力学组合(QM/MM)、自由能微扰、NAC、pK_a、表观活化能等概念相结合应用于HDV核酶的自切除反应机理的研究。我们最终确定了在科学界争论了20多年的HDV核酶自切除反应的机理。为基因治疗肝病毒提供了有益的理论指导。同时这一套方法无论从机理的解释还是从数据的精度上来讲,都将优于以往一种或者两种方法相结合的计算,可以将这一套方法扩展到其他生物大分子体系的研究。拓展了物理有机化学研究方法和研究领域。基于量子化学理论方法的第一性原理,其计算结果是可靠的,同时它不受实验条件的限制,可以解决一些通过实验手段难以解决的问题。本论文的研究成果,会对生物质洁净能源的研究以及HDV核酶的基因治疗提供有价值的基础资料。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 木质素研究的概述
• 1.2.1 木质素的基本结构单元
• 1.2.2 木质素的基本物理化学性质
• 1.2.3 木质素的工业利用
• 1.2.3.1 作为高分子产物的利用
• 1.2.3.2 作为低分子产物的利用
• 1.2.4 木质素的研究进展
• 1.3 核酸的概述
• 1.3.1 DNA
• 1.3.1.1 DNA一级结构
• 1.3.1.2 DNA二级结构-双螺旋结构模型
• 1.3.1.3 DNA三级结构
• 1.3.2 RNA
• 1.3.2.1 tRNA介绍
• 1.3.2.2 mRNA介绍
• 1.3.2.3 rRNA介绍
• 1.3.3 核酶的介绍
• 1.4 论文结构和主要研究成果
• 1.5 本章小结
• 1.6 本章参考文献
• 第二章 计算方法及其应用
• 2.1 引言
• 2.2 量子化学基本原理
• 2.2.1 Hartree-Fock理论
• 2.2.2 基函数
• 2.3 化学精度计算办法
• 2.3.1 多体微扰理论
• 2.3.2 组态相互作用
• 2.3.3 耦合簇理论
• 2.3.4 密度泛函理论
• 2.4 分子动力学方法
• 2.5 量子力学与分子力学联用的方法（QMMM）
• 2.5.1 基本原理
• 2.5.2 实现过程
• 2.6 pKa
• 2.7 NAC理论
• 2.8 键解离能
• 2.9 本章小结
• 2.10 本章参考文献
• 第三章 木质素单体的研究
• 3.1 木质素单体构型简介
• 3.2 计算方法
• 3.3 结果和讨论
• 3.3.1 结构
• 3.3.2 键离解能
• 3.3.3 气态（绝热）电离能
• ?)'>3.3.4 水溶液中的氧化电动势(E_?)
• 3.3.5 氧化电动势与键离解能以及氧化电动势与电离能之间的关系
• 3.3.6 对木质素生物合成过程的思考
• 3.4 本章小结
• 3.5 本章参考文献
• 第四章 HDV核酶自切除反应机理的理论研究
• 4.1 HDV核酶的简介
• 4.2 计算过程
• 4.2.1 HDV核酶分子体系的预处理
• 4.2.2 量子力学计算过程
• 4.2.3 NAC计算过程
• ?计算过程'>4.2.4 pK_?计算过程
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 机理1（C75-base机理）
• 4.3.1.1 反应物结构
• 4.3.1.2 TS1的结构
• 4.3.1.3 五配位的中间体
• 4.3.1.4 TS2的结构
• 4.3.1.5 自切除反应的产物结构
• 4.3.2 机理2（C75-acid机理）
• 4.3.2.1 反应物结构
• 4.3.2.2 TS1的结构
• 4.3.2.3 五配位的中间体结构
• 4.3.2.4 TS2的结构
• 4.3.2.5 自切除反应产物的结构
• 4.3.3 机理1vs机理2
• a的计算结果'>4.3.3.1 pK_a的计算结果
• 4.3.3.2 NAC的计算结果
• 4.3.3.3 反应路径的搜索
• 4.3.3.4 绝对反应速率
• 4.4 本章参考文献
• 攻读博士期间发表的论文
• 致谢