生物相关体系的密度泛函理论研究

论文摘要

DNA分子和金属酶作为重要的生物体系，在生命活动中扮演着举足轻重的角色。近年来，相关领域的研究已经引起广泛的兴趣，并取得重要的进展。然而，在分子与原子水平上，理解这些生物学中独一无二的体系，及其在生命活动中相关生物化学过程的机制，仍然存在诸多挑战。我们选择了与DNA和金属酶相关的一些模型体系，对它们的结构特征与化学反应活性进行了理论计算研究，调查了低能电子诱导DNA分子损坏和金属酶催化过程的反应机理。本文获得的主要结果如下：（1）在腺嘌呤和鸟嘌呤阴离子中，N9位的脱氢是能量最低的反应通道。对于腺嘌呤，电子俘获对其碎片化过程具有显著影响；且随着N9-H键的伸长，低能电子组态将发生改变，由π*始态转变成σ*终态；当N9-H键延伸至1．22 （?）时，π*-σ*能量曲线交叉出现。而鸟嘌呤的阴离子具有偶极态束缚的特征，其碎片化过程对电子附着并不敏感。（2）对于Watson-Crick A-T碱基对，电子附着可以影响分子间氢键的相互作用，导致A-T碱基对的几何结构发生显著变化。A-T碱基对中低能的脱氢通道对应于腺嘌呤中N9位和胸腺嘧啶中N1位上氢原子的解离。在脱氢过程中，阴离子A-T的碎片会逐渐改变它的低能电子组态，从π*态转变到σ*态，这种变化跟在单个碱基腺嘌呤和胸腺嘧啶的情况相似。（3）对于嘧啶核苷体系，低能电子俘获可以修改它们的平衡几何构型、成键性质和碎片化性质。相对于中性分子，阴离子dCMP和dTMP中的C5′-O5′和C1′-N1键的断裂更容易发生。C-O键断裂的活化能要比C-N键断裂的活化能低，水溶剂的存在可以显著地降低C-N键断裂过程的活化能。（4）应用密度泛函理论和QM／MM组合计算方法，研究了固氮酶辅酶FeMoco（μ6-X）（X=C，N，O）的结构特征以及它们与CO和N2的相互作用。计算结果表明，蛋白质环境对辅酶结构有显著影响。基于预测的辅酶结构特征、氧化还原势、CO和N2的结合能与光谱性质，氧和氮原子均有可能是空隙原子。（5）预测了CO脱氢酶活性簇不同氧化-还原态(Cred1，Cred2和Cint)的结构特征和酶催化CO氧化成CO2的反应机理。计算表明，C簇周围的氢键网络主要由保守残基His93，His96，Glu299，Lys563和四个水分子组成，该氢键网络在稳定中间体和调控质子转移的过程中，起着重要的作用。（6）通过广泛的密度泛函计算，探索了硝酸根还原酶中钼配合物催化NO3-到NO2-的反应机理，预测了不同的反应通道和能量学性质。计算表明，双硫键的形成能够影响MoⅥ和MoⅣ氧化态之间的相互转化，在酶催化还原过程中起着重要的作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 低能电子诱导DNA螺旋的断裂
• 1.1.1 实验研究的进展
• 1.1.2 理论计算的进展
• 1.2 金属酶的催化机理研究
• 1.3 本论文拟开展的工作
• 1.3.1 低能电子附着诱导DNA螺旋断裂的理论研究
• 1.3.2 金属酶催化过程的反应机理研究
• 参考文献
• 第二章 计算方法
• 2.1 密度泛函理论（Density Functional Theory）
• 2.1.1 Thomas-Fermi理论和Hohenberg-Kohn-Sham理论
• 2.1.2 局域密度近似
• 2.1.3 广义梯度近似
• 2.1.4 杂化泛函
• 2.2 量子力学/分子力学组合方法（Combined QM/MM Methods）
• 2.2.1 QM/MM组合方法的能量表达式
• 2.2.2 静电势项
• 2.2.2.1 机械嵌入（Mechanical Embedding）
• 2.2.2.2 静电场嵌入（Electrostatic Embedding）
• 2.2.2.3 极化嵌入（Polarized Embedding）
• 2.2.3 其它的非键和成键相互作用
• 2.2.4 QM/MM边界原子的处理
• 2.2.5 QM/MM计算方法的架构
• 参考文献
• 第三章 嘌呤碱基脱氢过程的密度泛函研究
• 3.1 前言
• 3.2 计算方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 腺嘌呤和鸟嘌呤的几何构型和自然布居分析
• 3.3.2 脱氢的自由基和阴离子的稳定性研究
• 3.3.3 电子亲合能和热力学性质的研究
• 3.3.4 势能面
• 3.3.5 电子结构性质
• 3.4 结论
• 参考文献
• 第四章 腺嘌呤-胸腺嘧啶碱基对脱氢过程的密度泛函研究
• 4.1 前言
• 4.2 计算方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 脱氢化自由基和阴离子的几何构型和相对能量
• 4.3.2 自然布居分析
• 4.3.3 电子亲合能和热力学性质
• 4.3.4 脱氢分解能
• 4.3.5 脱氢碎片化的势能面曲线和电子结构性质
• 4.4 结论
• 参考文献
• 第五章 电子附着诱导嘧啶核苷C-O和C-N键断裂的理论研究
• 5.1 前言
• 5.2 计算方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 几何构型和电荷分布
• 5.3.2 电子亲合能
• 5′-O_5′和C_1′-N₁键的分解能'>5.3.3 C_5′-O_5′和C_1′-N₁键的分解能
• 5′-O_5′和C_1′-N₁键的活化能垒'>5.3.4 C_5′-O_5′和C_1′-N₁键的活化能垒
• 5.4 结论
• 参考文献
• 第六章 固氮酶活性位铁钼辅酶中空隙原子的理论探索
• 6.1 前言
• 6.2 计算方法
• 6.3 结果和讨论
• 6.3.1 几何构型
• 6-X）簇中CO和N₂的配位 #8'>6.3.2 FeMoco（μ₆-X）簇中CO和N₂的配位 #8
• 6-X）簇的氧化还原势'>6.3.3 FeMoco（μ₆-X）簇的氧化还原势
• 6.4 结论
• 参考文献
• 第七章 CO脱氢酶反应中间体的计算表征
• 7.1 前言
• 7.2 计算方法
• 7.3 结果和讨论
• 7.4 结论
• 参考文献
• 第八章 硝酸根还原酶反应机理的密度泛函研究
• 8.1 前言
• 8.2 计算方法
• 8.3 结果和讨论
• 8.3.1 几何构型
• 8.3.2 反应机理
• 8.3.3 质子化和电子还原步骤
• 8.4 结论
• 参考文献
• 发表论文
• 致谢