氨基酸和短肽結(jié)構(gòu)和光譜性質(zhì)的理論計(jì)算研究.pdf

1、作為蛋白質(zhì)的基本組成單元，氨基酸和短肽的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的研究，對(duì)了解蛋白質(zhì)的各種生物功能和種種生命現(xiàn)象有著非常重要的作用。對(duì)這些生物小分子體系的理論計(jì)算，可以用來解釋與之相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，并對(duì)一些實(shí)驗(yàn)難以達(dá)到的方面做出合理的推測和指導(dǎo)。光譜，作為對(duì)分子電子結(jié)構(gòu)和周圍環(huán)境的敏銳標(biāo)度，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算中。本論文的研究方向是利用密度泛函理論和從頭算方法探討氣相條件下氨基酸及短肽的幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)，尤其是紅外振動(dòng)光譜和X射線光譜，

2、以期能得到實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。
　　 第一章主要介紹了量子化學(xué)計(jì)算的基本原理和各種理論方法，包括從頭算方法，半經(jīng)驗(yàn)和密度泛函理論等。另外還介紹了紅外光譜(Infraredspectroscopy,IR)以及X射線近邊吸收譜(near-edgex-rayabsorptionfine-structure，NEXAFS)和光電子譜(x-rayphotoelectronspectroscopy,XPS)的物理圖像和計(jì)算方法，最后對(duì)本論文使用的到

3、的計(jì)算軟件進(jìn)行了簡單介紹。
　　 第二章首先概述了氨基酸，短肽等本論文主要關(guān)注的研究對(duì)象，而后探討了氣相研究的意義和研究現(xiàn)狀，并且給出運(yùn)用光譜研究此類小分子的優(yōu)勢(shì)，討論了本論文的主要研究內(nèi)容。
　　 第三章利用密度泛函理論和微擾理論系統(tǒng)研究了氣相去質(zhì)子化精氨酸勢(shì)能面的穩(wěn)定構(gòu)型，找到的最穩(wěn)定構(gòu)型在B3LYP/6-31G(d)水平比之前的低了1.57kcal/mol。并對(duì)精氨酸中性，雙電性，質(zhì)子化以及去質(zhì)子化四類穩(wěn)定構(gòu)型的紅

4、外光譜進(jìn)行了對(duì)比討論。結(jié)合之前中性構(gòu)型的研究，對(duì)精氨酸質(zhì)子解離能(protondissociationenergy,PDE)和氣相酸性(gas-phaseacidity,GA)進(jìn)行了計(jì)算，很好的吻合了之前的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
　　 第四章采用半經(jīng)驗(yàn)方法和密度泛函理論對(duì)精氨酸的中性，雙電性和質(zhì)子化構(gòu)型進(jìn)行了系統(tǒng)搜索，發(fā)現(xiàn)和基于“step-by-step”方法得到的結(jié)果趨于一致。接著通過對(duì)精氨酸的不同研究方法的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)“step-by-s

5、tep”方法很高效。對(duì)四種氨基酸，三種二肽和一種三肽的進(jìn)一步驗(yàn)證對(duì)比發(fā)現(xiàn)，“step-by-step”可以作為搜索勢(shì)能面的一個(gè)強(qiáng)有力工具，可以用較少的樣本得到很好的結(jié)果。最后對(duì)該方法做了進(jìn)一步推廣，以期用于研究多肽等長鏈大分子體系。
　　 第五章根據(jù)一系列氨基酸去質(zhì)子化的氣相紅外光譜的實(shí)驗(yàn)研究，運(yùn)用密度泛函理論，對(duì)去質(zhì)子化過程進(jìn)行了探討，通過理論和實(shí)驗(yàn)的光譜對(duì)比分析，分類討論了不同側(cè)鏈基團(tuán)對(duì)去質(zhì)子化過程的影響，并發(fā)現(xiàn)了氨基酸中性

6、穩(wěn)定構(gòu)型和去質(zhì)子化之后的穩(wěn)定構(gòu)型之間的微妙聯(lián)系。對(duì)色氨酸、苯丙氨酸和絲氨酸，羧基去質(zhì)子化后的最穩(wěn)定構(gòu)型得到的光譜與實(shí)驗(yàn)吻合很好。相反的，關(guān)于酪氨酸和半胱氨酸的去質(zhì)子后最穩(wěn)定構(gòu)型，即在側(cè)鏈基團(tuán)進(jìn)行去質(zhì)子化，與實(shí)驗(yàn)符合的并不好，而是能量較高的另一種形式即在主鏈進(jìn)行去質(zhì)子化與實(shí)驗(yàn)符合的較好。對(duì)于情況復(fù)雜的天冬氨酸和谷氨酸，我們?cè)敿?xì)討論了實(shí)驗(yàn)光譜彌散的成因，并構(gòu)造了二聚體模型來進(jìn)一步探討，希望對(duì)揭示這一類問題有所幫助。
　　 第六章研究

7、了氣相中性，雙電性，質(zhì)子化和去質(zhì)子化精氨酸穩(wěn)定構(gòu)型的C、N和O的K殼層光電子譜和近邊吸收譜，并計(jì)算了固相條件下雙電性精氨酸的近邊吸收譜，與之前的實(shí)驗(yàn)光譜吻合的很好。通過對(duì)光電散射譜和近邊吸收譜的特征分析，分子內(nèi)和分子間氫鍵相互作用以及電荷分布狀態(tài)的影響都被詳細(xì)討論并被用來探究分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)之間的關(guān)系。而中性結(jié)構(gòu)和雙電性結(jié)構(gòu)在XPS/NEXAFS光譜中的差異可以解決長久以來存在的究竟哪種構(gòu)型在氣相中占優(yōu)勢(shì)的問題。研究表明溫度效應(yīng)對(duì)分子光

8、譜的位置影響不大，但對(duì)其強(qiáng)度有一定影響。
　　 第七章研究了二肽精氨酰-甘氨酸(arginylglycine，RG)氣相紅外光譜和C、N和O邊的K殼層光電子譜XPS和近邊吸收譜NEXAFS。理論計(jì)算表明，二肽RG是我們目前為止發(fā)現(xiàn)的最小的氣相條件下雙電性構(gòu)型能量低于中性構(gòu)型的分子。通過對(duì)其紅外光譜的分析，我們希望揭示出中性和雙電性化學(xué)結(jié)構(gòu)上的區(qū)別，而通過對(duì)其光電子譜和近邊吸收譜的分析，我們揭示出中性和雙電性電子結(jié)構(gòu)上的差別，以期