生物大分子ATP的计算机模拟

论文摘要

三峡大坝是世界上最大也是最受瞩目的水利枢纽工程。水库于2003年6月正式蓄水,坝前水位保持在135m。成库后,水体由河流变为典型的河道型水库。过水断面增大,在上游流量不变情况下,流速自库尾至坝前逐渐减缓,水体的富营养化变成为危害水库水域环境的主要问题。当175m蓄水时,平均流速由2m/s降至0.25m/s甚至更低,水流对污染物的输移扩散能力下降,在同样的排污方式,相同的排污负荷下污染混合区必将加大。成库后,水流速度减缓,大量泥沙沉积,水质变清,透明度增高,冬季水温升高、雾日减少,水面日照时间增加,有利于水生植物特别是藻类的光合作用,导致藻类的生长繁殖,增加了三峡库区水体发生富营养化的可能性。由于水文条件的改变,水生生态系统结构、功能必然受到一定程度的影响。库区内的水体污染主要是由于长江流域及其支流周围的工业废水及生活污水排放造成。这些污水中包含了大量的有利于藻类生长的营养盐,氮、磷是藻类生长的必需的营养元素,他们构成藻类细胞的结构分子,并参与植物生长的新陈代谢,是水域的生产力的限制因子。在适宜的温度、光照条件下由于营养盐的存在会导致水体内的藻类异常增殖,严重的情况就会导致水华现象的发生。对于淡水湖泊的藻类来说,磷是必需的营养元素,是各种藻类体内的主要营养成分,常常是湖水产生富营养化的限制性因子。当水体中有其他生长促进因素存在时,磷浓度提高会加速水体的富营养化。磷参与构成三磷酸腺苷(ATP)、磷酸肌酸等供能(贮能)物质,在能量的产生、传递过程中起着非常重要的作用。本文主要从量子力学的角度研究了ATP分子在溶剂中的物理化学性质。并与通常在气态条件下对分子的就算进行了对比。实际上,细胞体内ATP分子的转化过程都发生在溶剂介质中。气态环境获得的微观性质尽管有参考性,但于与真实生物体系中ATP环境存在较大差距,很难客观、正确地表征ATP分子在生物细胞体内的生化性质。经计算以及对结果的分析表明,考虑溶剂效应的计算结果才能符合真实生物环境下ATP分子的物理化学性质。此外,本文还借助了虚拟细胞的思想,对于计算中难以收敛的大分子ATP的共轭环部分进行了适当的简化,以一个较简单的共轭环替代了原来较复杂的杂环。试图以此减少机时并能够实现一些原来难以完成的理论计算。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 藻类生长主要营养盐
• 1.3 磷与物质代谢
• 1.4 溶剂效应的研究
• 1.4.1 溶剂效应研究的意义
• 1.4.2 溶剂效应的研究进展
• 1.5 课题的提出
• 1.6 课题的研究内容
• 2 理论基础和计算方法
• 2.1 概述
• 2.2 从头算方法
• 2.2.1 Schr（o|¨）dinger方程及三个基本近似
• 2.2.2 分子轨道理论
• 2.2.3 电子相关问题
• 2.3 半经验方法
• 2.3.1 PM3
• 2.3.2 ZINDO方法
• 2.4 密度泛函理论
• 2.5 并行算法
• 2.6 溶剂效应简介
• 2.6.1 溶剂效应的理论基础和计算方法
• 2.6.2 静电效应
• 2.6.3 短程力效应
• 2.6.4 总的溶剂化自由能
• 2.7 溶剂化模型
• 2.7.1 不连续模型
• 2.7.2 连续模型
• 3 ATP分子作用机理
• 3.1 分子性质
• 3.2 ATP合成酶
• 3.3 ATP合酶结合变化机制（BCM）
• 3.4 旋转催化机制（RC）
• 3.5 反应建模
• 4 计算与结果分析
• 4.1 分子3D空间初始构形的确定
• 4.2 ATP溶剂效应的计算
• 4.2.1 计算平台及实验条件
• 4.2.2 计算结果分析
• 4.2.3 小结
• 4.3 ATP及其简化分子的物理化学性质比较
• 4.3.1 计算平台
• 4.3.2 计算模型
• 4.3.3 结果与分析
• 4.3.4 结论
• 5 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录