水溶液分子对赖氨酸和组氨酸电子结构的等效势

论文摘要

蛋白质组学是目前生命科学研究中的一大热点，它将极大地促进人类对生命活动的理解，促进在诊断、治疗方法、开发新药等领域的研究。但蛋白质组学研究的手段目前主要依靠实验。而根据量子力学，只要算出材料或分子的电子结构就可知道其性质功能，即电子结构是我们从本质上理解材料或分子性质功能的基础。“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。SCCE法的应用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和以下原因，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：一般认为水溶液分子在和蛋白质分子的接触中是在作高速振动、转动和替换的，水溶液分子并不和蛋白质分子有化学意义的结合，它对蛋白质分子的作用主要是一种平均力效应，主要影响蛋白质分子的三维空间结构。 要可靠计算在水溶液中的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，因为直接把大量水分子放到蛋白质电子结构的计算中是不可能的。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赖氨酸（Lys+）和组氨酸（His）这两种氨基酸的电子结构的等效势。计算过程分为三步。首先用“自由团簇计算法”计算一个含氨基酸和水分子系统的电子结构，通过调节水分子的空间位置，求得能量最低的氨基酸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”计算氨基酸在以水分子为外势条件下的电子结构。最后再用“团簇埋入自洽计算法”计算氨基酸在用偶极子代替水分子时的电子结构，调节偶极子的电荷和位置，使得以偶极子为外势和以水分子为外势的氨基酸的电子结构尽量接近，即得到了用偶极子势模拟的水溶液分子对该氨基酸电子结构的等效势。计算结果显示，水溶液分子不同程度地增大了赖氨酸（Lys+）和组氨酸（His）的能隙宽度，并整体使各能级发生了上移；简单的偶极子势可以模拟水溶液分子对这两种氨基酸电子结构的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引言
• 1.1 概述
• 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 计算方法
• 3.1 计算含氨基酸和多个水分子的自由团簇的空间结构
• 3.2 计算水分子势场中氨基酸的电子结构
• 3.3 用偶极子势模拟水分子对氨基酸的有效势
• 第4章 构造赖氨酸和组氨酸的等效势
• 4.1 构造赖氨酸的等效势
• ++7H2O系统的空间构型'>4.1.1 Lys⁺+7H2O系统的空间构型
• 4.1.2 水分子势场中赖氨酸的电子结构
• 4.1.3 偶极子模拟
• 4.2 构造组氨酸的等效势
• 4.2.1 His+7H2O系统的空间构型
• 4.2.2 水分子势场中组氨酸的电子结构
• 4.2.3 偶极子模拟
• 第5章 计算结果分析
• 5.1 赖氨酸
• 5.2 组氨酸
• 第6章 结论
• 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
• 附录 A 赖氨酸和组氨酸的原子坐标
• 附录 B 赖氨酸和组氨酸周围水分子的最终空间坐标