氨基酸和短肽結構和光譜性質的理論計算研究.pdf

1、作為蛋白質的基本組成單元，氨基酸和短肽的結構和性質的研究，對了解蛋白質的各種生物功能和種種生命現(xiàn)象有著非常重要的作用。對這些生物小分子體系的理論計算，可以用來解釋與之相關的實驗研究結果，并對一些實驗難以達到的方面做出合理的推測和指導。光譜，作為對分子電子結構和周圍環(huán)境的敏銳標度，已經被廣泛應用于實驗和理論計算中。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構和電子結構，尤其是紅外振動光譜和X射線光譜，

2、以期能得到實驗的驗證。
　　 第一章主要介紹了量子化學計算的基本原理和各種理論方法，包括從頭算方法，半經驗和密度泛函理論等。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)的物理圖像和計算方法，最后對本論文使用的到

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

4、外光譜進行了對比討論。結合之前中性構型的研究，對精氨酸質子解離能(protondissociationenergy,PDE)和氣相酸性(gas-phaseacidity,GA)進行了計算，很好的吻合了之前的實驗數(shù)據(jù)。
　　 第四章采用半經驗方法和密度泛函理論對精氨酸的中性，雙電性和質子化構型進行了系統(tǒng)搜索，發(fā)現(xiàn)和基于“step-by-step”方法得到的結果趨于一致。接著通過對精氨酸的不同研究方法的對比，發(fā)現(xiàn)“step-by-s

5、tep”方法很高效。對四種氨基酸，三種二肽和一種三肽的進一步驗證對比發(fā)現(xiàn)，“step-by-step”可以作為搜索勢能面的一個強有力工具，可以用較少的樣本得到很好的結果。最后對該方法做了進一步推廣，以期用于研究多肽等長鏈大分子體系。
　　 第五章根據(jù)一系列氨基酸去質子化的氣相紅外光譜的實驗研究，運用密度泛函理論，對去質子化過程進行了探討，通過理論和實驗的光譜對比分析，分類討論了不同側鏈基團對去質子化過程的影響，并發(fā)現(xiàn)了氨基酸中性

6、穩(wěn)定構型和去質子化之后的穩(wěn)定構型之間的微妙聯(lián)系。對色氨酸、苯丙氨酸和絲氨酸，羧基去質子化后的最穩(wěn)定構型得到的光譜與實驗吻合很好。相反的，關于酪氨酸和半胱氨酸的去質子后最穩(wěn)定構型，即在側鏈基團進行去質子化，與實驗符合的并不好，而是能量較高的另一種形式即在主鏈進行去質子化與實驗符合的較好。對于情況復雜的天冬氨酸和谷氨酸，我們詳細討論了實驗光譜彌散的成因，并構造了二聚體模型來進一步探討，希望對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，質子化和去質子化精氨酸穩(wěn)定構型的C、N和O的K殼層光電子譜和近邊吸收譜，并計算了固相條件下雙電性精氨酸的近邊吸收譜，與之前的實驗光譜吻合的很好。通過對光電散射譜和近邊吸收譜的特征分析，分子內和分子間氫鍵相互作用以及電荷分布狀態(tài)的影響都被詳細討論并被用來探究分子的結構和性質之間的關系。而中性結構和雙電性結構在XPS/NEXAFS光譜中的差異可以解決長久以來存在的究竟哪種構型在氣相中占優(yōu)勢的問題。研究表明溫度效應對分子光

8、譜的位置影響不大，但對其強度有一定影響。
　　 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型能量低于中性構型的分子。通過對其紅外光譜的分析，我們希望揭示出中性和雙電性化學結構上的區(qū)別，而通過對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構上的差別，以期