肽及氨基酸納米生物小分子的構(gòu)型和性質(zhì)的計(jì)算研究.pdf

1、氨基酸和肽是蛋白質(zhì)及生物分子的基本組成單元，對(duì)于他們的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的理論計(jì)算研究具有重要意義。在本論文中，我們不僅研究了二肽精氨酰甘氨酸和四肽苯丙氨酸-甘氨酸-甘氨酸-纈氨酸的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)，還對(duì)使用碳納米管篩選生物分子以及用氨基酸籠狀分子進(jìn)行藥物傳遞進(jìn)行了探索。
　　 在第一章中，我們對(duì)量子化學(xué)計(jì)算的基本原理以及幾種計(jì)算方法進(jìn)行了介紹，包括Hartree-Fock理論，半經(jīng)驗(yàn)方法，微擾理論，組態(tài)相互作用以及耦合簇方法。同時(shí)介紹了本論

2、文中使用到的密度泛函理論、分子中的原子理論，、分子軌道理論及態(tài)密度理論。最后對(duì)本論文中使用的計(jì)算軟件(Gaussian和DFTB+)進(jìn)行了簡要說明。
　　 在第二章中，我們分別對(duì)二肽精氨酰甘氨酸的中性、質(zhì)子化、去質(zhì)子化及其金屬絡(luò)合物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)行了研究。為了使分析比較清楚，我們將其分為三部分進(jìn)行討論。在第一部分中，我們系統(tǒng)地研究了精氨酰甘氨酸的中性構(gòu)型和雙電性構(gòu)型，并且發(fā)現(xiàn)最穩(wěn)定的構(gòu)型具有雙電性結(jié)構(gòu)。由于兩性離子在肽和蛋白質(zhì)的

3、結(jié)構(gòu)和功能中起著重要作用，而在氣相中這種兩性離子結(jié)構(gòu)是不穩(wěn)定的。因此，精氨酰甘氨酸可能成為氣相最穩(wěn)構(gòu)型為雙電性結(jié)構(gòu)的、最小的肽。我們對(duì)單點(diǎn)能計(jì)算中低能穩(wěn)定構(gòu)型的性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)分析，包括轉(zhuǎn)動(dòng)常數(shù)，偶極矩以及垂直電離能等。在第二部分，我們對(duì)精氨酰甘氨酸的質(zhì)子化和去質(zhì)子化(ArgGly±H+)的構(gòu)型進(jìn)行了系統(tǒng)研究。得到了二肽的熱化學(xué)參數(shù)，例如質(zhì)子親和勢(shì)(PA)，氣相堿性(GB)，質(zhì)子解離勢(shì)(PDE)和氣相酸性(GA)。這些分子的熱化學(xué)性質(zhì)是對(duì)

4、其反應(yīng)活性的理解的基礎(chǔ)。另外，金屬離子的絡(luò)合作用可以顯著地影響分子內(nèi)的氫鍵和靜電相互作用。因此，對(duì)金屬離子同氨基酸及肽的絡(luò)合物的研究已經(jīng)引起人們的廣泛興趣。在第三部分，我們探討了金屬離子Na+，Rb+和Mg2+與精氨酰甘氨酸(ArgGly)絡(luò)合的復(fù)合物。結(jié)果表明，對(duì)鈉離子和銣離子的復(fù)合物，鹽橋結(jié)構(gòu)(SB)比較穩(wěn)定；而對(duì)鎂離子的復(fù)合物，電荷溶劑結(jié)構(gòu)(CS)則比較穩(wěn)定。我們還對(duì)二肽的金屬離子親和勢(shì)(MIA)進(jìn)行了計(jì)算，得到的ArgGly·N

5、a+，ArgGly·Rb+和ArgGly·Mg2+之金屬離子親和勢(shì)分別為69.0kcal/mol、43.9kcal/mol和283.8kcal/mol。最后我們通過紅外振動(dòng)譜分析以及分子中的原子理論計(jì)算，發(fā)現(xiàn)精氨酰甘氨酸及其質(zhì)子化和去質(zhì)子化構(gòu)型中同時(shí)存在紅移、藍(lán)移、以及二氫鍵。而金屬絡(luò)合物的紅外譜的計(jì)算則顯示，相同類型的單價(jià)金屬離子的復(fù)合物具有類似的振動(dòng)譜，而二價(jià)鎂離子絡(luò)合的復(fù)合物的振動(dòng)譜與他們則是非常不同的。為了便于同實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行比較，

6、我們還對(duì)精氨酰甘氨酸的中性、質(zhì)子化、去質(zhì)子化、以及金屬絡(luò)合構(gòu)型在不同溫度下的構(gòu)型分布做了研究。
　　 由于生物分子的功能往往由分子的結(jié)構(gòu)決定，對(duì)肽或蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)特征的研究具有重要意義。對(duì)大多數(shù)生物分子而言，在自然界中是在溶液環(huán)境中存在的，和氣相中的結(jié)構(gòu)往往有所不同。但是，對(duì)氣相中分子的研究卻可以揭示分子本身的內(nèi)部性質(zhì)，在一定程度上能夠反映分子的主要特點(diǎn)。眾所周知，對(duì)小肽分子的研究有利于對(duì)生物大分子以及蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)。因此

7、，已經(jīng)有許多對(duì)氣相縮氨酸的理論和實(shí)驗(yàn)的研究出現(xiàn)。第三章中，我們系統(tǒng)地研究了四肽苯丙氨酸-甘氨酸-甘氨酸-纈氨酸(FGGV)的中性構(gòu)型，并且發(fā)現(xiàn)，最穩(wěn)定的構(gòu)型具有順式的羧基結(jié)構(gòu)。根據(jù)主鏈結(jié)構(gòu)的不同，四肽的構(gòu)型可以分為13類，并且具有γ-轉(zhuǎn)角的結(jié)構(gòu)是最穩(wěn)定的。我們對(duì)四肽穩(wěn)定構(gòu)型的相對(duì)能量、偶極矩、以及在不同溫度下的構(gòu)型分布進(jìn)行了分析。對(duì)四肽紅外譜的計(jì)算有助于在實(shí)驗(yàn)上的理解。我們還將FGGV的結(jié)構(gòu)同其它的四肽構(gòu)型(GGGG、GVGG和GFGG

8、(G：甘氨酸；v:纈氨酸；F：苯丙氨酸)）進(jìn)行了比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，重要的穩(wěn)定構(gòu)型都具有相同的主鏈結(jié)構(gòu)。如果將此發(fā)現(xiàn)推廣到其他多肽的構(gòu)型尋找之中，可以大大減小初始構(gòu)型的數(shù)目，從而可以提高計(jì)算效率。
　　 對(duì)不同氨基酸分子乃至生物分子的識(shí)別與探測(cè)具有重要的科學(xué)與技術(shù)意義。作為一種理想的一維納米材料，碳納米管具有各種新奇的性質(zhì)，這使得其在納米科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域具有很大的研究價(jià)值。碳納米管可以通過弱相互作用吸附不同的功能分子，功能分子可以在不

9、喪失自身活性的情況下環(huán)繞在碳管表面。因此，利用不同吸附體系的不同結(jié)合能，可以利用納米碳管對(duì)功能分子進(jìn)行挑選。在第四章中，我們通過系統(tǒng)的量子力學(xué)計(jì)算對(duì)三種芳香族氨基酸（苯丙氨酸，酪氨酸和色氨酸）在不同尺寸的單壁碳納米管的表面吸附進(jìn)行了研究。計(jì)算采用緊束縛近似的密度泛函理論，并加入了經(jīng)驗(yàn)的色散修正。文中分別選取扶手椅型碳納米管(n，n)(n=3-12)和鋸齒形碳納米管(n，0)(n=4-12)進(jìn)行了研究。對(duì)于不同的碳納米管，最穩(wěn)定的氨基酸／

10、碳納米管復(fù)合物具有類似的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，并且氨基酸分子和碳納米管之間的距離大約為3埃。由于二者之間的π-π和H-π堆垛效應(yīng)，芳香族氨基酸中的苯環(huán)或吲哚環(huán)和碳納米管之間并不是完全平行的，而是具有一定的傾斜角度。我們還研究了氨基酸分子和碳納米管之問的結(jié)合能隨著碳納米管的直徑尺寸和手性不同而帶來的變化，并且發(fā)現(xiàn)(5，0)碳納米管與芳香族氨基酸之間具有較大的結(jié)合能。我們相信，對(duì)于芳香族氨基酸與碳納米管相互作用的研究有利于解釋大的生物分子與碳納米管之間

11、的相互作用。并且，根據(jù)不同氨基酸分子結(jié)合能的不同還可以對(duì)氨基酸分子進(jìn)行識(shí)別。
　　 作為蛋白質(zhì)分子的構(gòu)成單元，氨基酸和肽構(gòu)成的生物材料的應(yīng)用已經(jīng)引起人們的廣泛關(guān)注。在這些生物材料包裹下的藥物具有可控性及靶向性，可以最大效用的發(fā)揮藥效，并且，納米尺寸的藥物傳輸系統(tǒng)還可以在不破壞藥物結(jié)構(gòu)的前提下增加藥物的可溶性等。在第五章中，我們選擇20種自然氨基酸中的絲氨酸用來進(jìn)行研究，對(duì)由八個(gè)和十個(gè)絲氨酸組成的可能的籠狀分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算

12、同樣采用密度泛函的緊束縛近似，并用經(jīng)驗(yàn)的色散參數(shù)進(jìn)行修正。絲氨酸之間通過氫鍵連接組成籠狀。通過結(jié)合能大小和分子動(dòng)力學(xué)模擬得出，由氫鍵-COOH…O=C-連接的結(jié)構(gòu)是最穩(wěn)定的，并且籠狀結(jié)構(gòu)的分子具有較好的對(duì)稱性。我們還對(duì)各種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的相對(duì)能量、結(jié)合能以及振動(dòng)模式進(jìn)行了分析與比較。為了模擬我們所設(shè)計(jì)的籠狀分子的可能的應(yīng)用，我們把最小的富勒烯分子C20置于絲氨酸的十聚物中。優(yōu)化之后發(fā)現(xiàn)，十聚物和C20的復(fù)合物是非常穩(wěn)定的，這意味著籠狀結(jié)構(gòu)在小