生物分子荷質(zhì)傳遞機理及其調(diào)控的理論研究.pdf

1、電子轉(zhuǎn)移、空穴轉(zhuǎn)移和質(zhì)子轉(zhuǎn)移是生命科學的基本問題。許多生命過程都涉及到質(zhì)子和電子的傳遞問題，例如，光合作用、呼吸作用、生物體內(nèi)信號傳導、酶促反應和基因復制及突變等等。那么電子在生物體內(nèi)怎樣有效傳遞，電子運動和質(zhì)子運動的關系怎樣，生物金屬離子對二者的運動怎樣調(diào)制，蛋白質(zhì)能否導電，怎樣有效參與電子傳遞？這一系列問題都是目前人們十分關注的生命問題，也是目前生命科學所遇到的難題。本文圍繞這些問題，開展了一系列有意義的工作，取得了一些有價值的研究

2、成果。主要成果和創(chuàng)新簡述如下： （1）水合金屬離子調(diào)控酰胺單元間的荷質(zhì)傳遞：本文第一個突出貢獻就是在氧化破壞的酰胺單元間可以通過七元環(huán)質(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移機制有效地發(fā)生質(zhì)子和電子交換，電子在兩個氧原子間發(fā)生轉(zhuǎn)移，同時一個質(zhì)子在兩個氮原子之間以相同方向發(fā)生轉(zhuǎn)移。眾所周知，酰胺單元是蛋白質(zhì)肽鏈骨架的一個重要結構單元，同時也廣泛存在于其他生物分子中，如天冬酰胺、谷氨酰胺、鳥嘌呤、胸腺嘧啶/尿嘧啶以及黃素等。我們進一步的研究發(fā)現(xiàn)這種有效的質(zhì)

3、子和電子轉(zhuǎn)移反應機制也可以發(fā)生在這些生物分子間。更有趣的是金屬離子及其水合物與其雙氧位結合，能夠有效地調(diào)節(jié)電子轉(zhuǎn)移通道，從而導致不同的反應機制，使反應機制在單通道氫原子轉(zhuǎn)移（）質(zhì)子耦合雙通道電子轉(zhuǎn)移H質(zhì)子耦合單通道電子轉(zhuǎn)移中變化，最終控制反應速率。這種調(diào)控性主要源自于不同結合能力的水合金屬離子導致過渡態(tài)兩個氧原子的結合強度的改變。總的來說，結合能力較小的水合金屬離子支持質(zhì)子耦合單通道電子轉(zhuǎn)移，結合能力較大的支持氫原子轉(zhuǎn)移，結合能力中等的

4、支持質(zhì)子耦合雙通道電子轉(zhuǎn)移。這是一個普遍的規(guī)律，任何一個水合金屬離子與底物結合都會使反應機制坐落在這三個不同的區(qū)域。我們研究發(fā)現(xiàn)底物與金屬離子的結合能、反應能壘、自旋密度分布、O...O的距離和水合金屬離子的性質(zhì)之間存在良好的相關性，這種相關性可以很好地解釋酰胺單元間的質(zhì)子/電子轉(zhuǎn)移機制的變化。也就是說電子轉(zhuǎn)移途徑與水合物離子的結合能存在著高度的相關性。這一發(fā)現(xiàn)不僅為進一步理解生命過程中金屬離子調(diào)節(jié)電子轉(zhuǎn)移機制提供理論依據(jù)，而且還為設計

5、納米分子開關提供理論基礎。 （2）金屬離子調(diào)控酰亞胺單元的自由基類型（σ或π）和電子通道（σ或π）對酰胺單元間的質(zhì)子/電子交換反應另一個重大發(fā)現(xiàn)就是水合金屬離子可以通過改變含酰亞胺單元分子的自由基的類型（σ-或π-自由基），使電子轉(zhuǎn)移通道發(fā)生變化，從而調(diào)控反應機制。酰亞胺單元存在于許多生物化學物種內(nèi)，例如，尿嘧啶、苯并尿嘧啶、萘并尿嘧啶、黃嘌呤、氧化黃素和胸腺嘧啶等等。這些生物化學物種可能會在分子探針和納米電子裝置上得到廣泛應用

6、；它的自由基是一些輔因子氧化還原活性中心的重要組成部分，是生物酶反應、DNA/蛋白質(zhì)損傷過程中電子轉(zhuǎn)移的中介。 尿嘧啶是酰亞胺單元一種有代表性的物種，為此，我們利用密度泛函方法考察了尿嘧啶和N3-脫氫尿嘧啶自由基耦合結構（UU）的質(zhì)子/電子轉(zhuǎn)移機理（UU是近平面順式的結構），并且考察了水合金屬離子對其的調(diào)控作用。UU是σ-自由基，沒有其它影響時，此體系的PT/ET反應是通過七元環(huán)質(zhì)子耦合σ-電子σ-通道轉(zhuǎn)移機理（PCσEσT）

7、，反應能壘是3.8kcal/mol，質(zhì)子是由N3到N3轉(zhuǎn)移，電子是由O4到O4轉(zhuǎn)移。水合金屬離子結合到O2/O2，或O4/O4位點會改變UU自由基的類型（σ-或π-自由基）和電子轉(zhuǎn)移通道（σ-或π-通道），從而顯著影響PT/ET協(xié)同反應，致使反應機理由PCσEσT到PCπEσT，再到PCπEπT變化。這種改變來自于結合水合金屬離子導致UU體系的單占有軌道（SOMO）和最高雙占居軌道（HOMO）能級發(fā)生交錯，是三個因素協(xié)同變化的結果：反應

8、物的非對稱結構、電子云重新分配和金屬離子對反應結構框架的固定作用。水合金屬離子結合到O2/O2位點能夠輕微促進UU PT/ET反應，并且沒有改變自由基類型和PCσEσT機理，反應能壘在3.3kcal/mol到4.7kcal/mol之間。然而，水合金屬離子結合在O4/O4位點會抑制反應，使體系自由基類型變?yōu)棣?型，反應機理變?yōu)镻CπEσT，相應的反應能壘升高（8.5～17.8kcal/mol）。在這種情況下，由于電子轉(zhuǎn)移通道的變化，我們發(fā)

9、現(xiàn)兩種PCπEσT機理：依靠結合金屬離子的結合能力，一種電子轉(zhuǎn)移通道是由O2到O2，反應能壘較低（8.5～12.2kcal/mol）；另一種電子轉(zhuǎn)移通道是由O4到O4，反應能壘高（16.5～17.8kcal/mol）。兩個水合金屬離子同時結合到O2/O2和O4/O4部位也產(chǎn)生類似的抑制影響，反應能壘在8.3～15.4kcal/mol范圍內(nèi)變化。 （3）單或多質(zhì)子耦合里德堡電子轉(zhuǎn)移機理眾所周知，-NH2、-CH2NH2和-CH2N

10、HCH2-是生物體內(nèi)非常重要的片斷，它們在一系列的生命過程中擔任著非常重要的角色。在多數(shù)情況下，這些堿性片斷很容易被質(zhì)子化成為正電荷中心：-CH2NH3+和-CH2NH2+CH2-。在生物電子傳遞過程中，這些質(zhì)子化的胺單元一個基本的性質(zhì)就是能夠利用它們的里德堡軌道有效地捕獲過剩電子。然而，這些電子富有的里德堡自由基片斷是不穩(wěn)定的并且容易向其它基團釋放一個氫原子，從而引起蛋白質(zhì)內(nèi)的一系列質(zhì)子/電子轉(zhuǎn)移反應，這一過程與里德堡電子轉(zhuǎn)移相關。研

11、究這些里德堡片斷參與電子/質(zhì)子傳遞反應可以為進一步理解蛋白質(zhì)內(nèi)的電子轉(zhuǎn)移提供有價值的信息。我們利用從頭算法研究發(fā)現(xiàn)NH4與NH3之間發(fā)生單質(zhì)子耦合里德堡電子轉(zhuǎn)移反應，電子轉(zhuǎn)移是通過環(huán)繞體系周圍的里德堡軌道傳遞，同時質(zhì)子在兩個氮原子之間以相同方向的發(fā)生轉(zhuǎn)移。CH3NH3與CH3NH2也通過類似機理發(fā)生反應。同時我們也考察了較大的胺分子束，NH4（NH3）n（n=2，3）和CH3NH3·（NH3）n·NH2CH3（n=1，2，3），質(zhì)子/電

12、子沿著胺分子鏈傳遞是分步進行的，每一步都發(fā)生類似的單質(zhì)子耦合里德堡電子轉(zhuǎn)移機理，反應能壘都很?。ㄐ∮?.0kcal/mol）。當CH3NH3和NH2CH3被水分子鏈連接，與單純的胺分子束相比，CH3NH3和NH2CH3之間的質(zhì)子/電子轉(zhuǎn)移反應能壘明顯升高。這可能是因為在此過程中，單電子的存在形式發(fā)生了變化，由里德堡態(tài)轉(zhuǎn)化為溶劑化態(tài)，這種轉(zhuǎn)化需要消耗一定的能量。更有趣的是溶劑化電子的運動促進兩個或者三個質(zhì)子同時沿著相同方向運動。這種反應機

13、理可以被描述為多質(zhì)子耦合里德堡電子轉(zhuǎn)移。這一發(fā)現(xiàn)也證明了溶劑化電子的電荷傳導性。 （4）蛋白質(zhì)內(nèi)酪氨酸與色氨酸之間可能發(fā)生的電子轉(zhuǎn)移機制理解酪氨酸與色氨酸之間分子內(nèi)或分子間電子轉(zhuǎn)移有非常重要的物理、化學和生物意義。因此，我們運用密度泛函和從頭算法分子動力學模擬系統(tǒng)研究了酪氨酸到色氨酸之間所有可能的電子傳遞機理。研究表明，當這兩個氨基酸芳香側(cè)鏈相互靠近時，側(cè)鏈發(fā)生相互碰撞，他們之間發(fā)生直接的質(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移反應。在Trp·+Gly

14、nTyrH（n=0，1，2，…）系統(tǒng)中，當酪氨酸和色氨酸的芳香側(cè)鏈相互遠離，并且有一個生物堿（以甲胺為模型）與苯酚以氫鍵相連接時，這樣整個系統(tǒng)發(fā)生雙向質(zhì)子耦合長程電子跳躍機理反應。在這個反應中，酪氨酸是電子的給體，色氨酸是電子的受體，酪氨酸是質(zhì)子的給體，甲胺是質(zhì)子的受體，酪氨酸的一個電子發(fā)生跳躍傳給遠距離的色氨酸陽離子，同時苯酚的羥基釋放一個質(zhì)子，傳給距離較近的甲胺，在這個過程中質(zhì)子和電子傳遞的方向不同。更有趣的是，在Trp·+Glyn

15、TyrH-A（n=0，1，2，…）系統(tǒng)中，甲胺作為質(zhì)子受體協(xié)助從酪氨酸到色氨酸陽離子發(fā)生電子轉(zhuǎn)移需要越過的反應能壘比較低（小于5.0 kcal/mol），并且反應能壘受中間甘氨酸的數(shù)目影響很小。這一結果能夠很好地解釋生物酶中酪氨酸與色氨酸之間的長程電子轉(zhuǎn)移，為我們進一步理解蛋白質(zhì)長程電子轉(zhuǎn)移提供有價值的信息。 （5）蛋白質(zhì)中電子空穴遷移的中繼站本論文的另一個重大貢獻就是對蛋白質(zhì)電子空穴有效傳遞的解釋，我們提出了在蛋白質(zhì)中凡是能夠

16、產(chǎn)生氧化還原勢較低的區(qū)域都可能發(fā)揮空穴轉(zhuǎn)移的中繼站的功能，促進蛋白質(zhì)內(nèi)電子轉(zhuǎn)移，這些區(qū)域包括一些弱相互作用結構和構成蛋白質(zhì)的主要形式α-螺旋的尾部。由于以蛋白質(zhì)為基礎的電子轉(zhuǎn)移反應在一系列的生命過程中扮演著十分重要的角色，因此電子空穴沿著肽鏈骨架的遷移已經(jīng)是當今科研工作者最感興趣的課題之一。最近，更多的工作表明一些特殊的弱相互作用可以擔任化學和生物氧化還原反應的電子轉(zhuǎn)移通道，這種弱相互作用包括孤電子對與π體系、π體系與π體系、陽離子與π

17、體系、陰離子與π體系、氫鍵和兩中心三電子鍵相互作用。 另外，構成蛋白質(zhì)的主要形式α-螺旋的尾部區(qū)域也很容易形成電子空穴傳遞的中繼站。我們對此做了系統(tǒng)的分析，發(fā)現(xiàn)隨著α-螺旋的增長，它們的尾部區(qū)域的電離能越低，越容易失掉一個電子被氧化形成電子空穴，當α-螺旋的蛋白質(zhì)殘基大于8個時，它們尾部的電離能小于色氨酸側(cè)鏈的電離能。不僅如此，我們也考慮真正的蛋白質(zhì)環(huán)境下在尾部出現(xiàn)螺旋帽的情況，研究表明不同的螺旋帽會不同程度地影響α-螺旋尾部