生物相關(guān)體系的密度泛函理論研究.pdf

1、DNA分子和金屬酶作為重要的生物體系，在生命活動(dòng)中扮演著舉足輕重的角色。近年來，相關(guān)領(lǐng)域的研究已經(jīng)引起廣泛的興趣，并取得重要的進(jìn)展。然而，在分子與原子水平上，理解這些生物學(xué)中獨(dú)一無二的體系，及其在生命活動(dòng)中相關(guān)生物化學(xué)過程的機(jī)制，仍然存在諸多挑戰(zhàn)。我們選擇了與DNA和金屬酶相關(guān)的一些模型體系，對它們的結(jié)構(gòu)特征與化學(xué)反應(yīng)活性進(jìn)行了理論計(jì)算研究，調(diào)查了低能電子誘導(dǎo)DNA分子損壞和金屬酶催化過程的反應(yīng)機(jī)理。 本文獲得的主要結(jié)果如下：

2、 (1)在腺嘌呤和鳥嘌呤陰離子中，N9位的脫氫是能量最低的反應(yīng)通道。對于腺嘌呤，電子俘獲對其碎片化過程具有顯著影響；且隨著N9-H鍵的伸長，低能電子組態(tài)將發(fā)生改變，由π*始態(tài)轉(zhuǎn)變成σ*終態(tài)；當(dāng)N9-H鍵延伸至1.22 A時(shí)，π*-σ*能量曲線交叉出現(xiàn)。而鳥嘌呤的陰離子具有偶極態(tài)束縛的特征，其碎片化過程對電子附著并不敏感。 (2)對于Watson-Crick A-T堿基對，電子附著可以影響分子間氫鍵的相互作用，導(dǎo)致A-T堿基

3、對的幾何結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化。A-T堿基對中低能的脫氫通道對應(yīng)于腺嘌呤中N9位和胸腺嘧啶中N1位上氫原子的解離。在脫氫過程中，陰離子A-T的碎片會(huì)逐漸改變它的低能電子組態(tài)，從π*態(tài)轉(zhuǎn)變到σ*態(tài)，這種變化跟在單個(gè)堿基腺嘌呤和胸腺嘧啶的情況相似。 (3)對于嘧啶核苷體系，低能電子俘獲可以修改它們的平衡幾何構(gòu)型、成鍵性質(zhì)和碎片化性質(zhì)。相對于中性分子，陰離子dCMP和dTMP中的C5'-O5'和C1'-N1鍵的斷裂更容易發(fā)生。C-O鍵斷裂的

4、活化能要比C-N鍵斷裂的活化能低，水溶劑的存在可以顯著地降低C-N鍵斷裂過程的活化能。 (4)應(yīng)用密度泛函理論和QM/MM組合計(jì)算方法，研究了固氮酶輔酶FeMoco(μ6-X)(X=C，N，O)的結(jié)構(gòu)特征以及它們與CO和N2的相互作用。計(jì)算結(jié)果表明，蛋白質(zhì)環(huán)境對輔酶結(jié)構(gòu)有顯著影響。基于預(yù)測的輔酶結(jié)構(gòu)特征、氧化還原勢、CO和N2的結(jié)合能與光譜性質(zhì)，氧和氮原子均有可能是空隙原子。 (5)預(yù)測了CO脫氫酶活性簇不同氧化-還原態(tài)

5、(Cred1，Cred2和Cint)的結(jié)構(gòu)特征和酶催化CO氧化成CO2的反應(yīng)機(jī)理。計(jì)算表明，C簇周圍的氫鍵網(wǎng)絡(luò)主要由保守殘基His93，His96，Glu299，Lys563和四個(gè)水分子組成，該氫鍵網(wǎng)絡(luò)在穩(wěn)定中間體和調(diào)控質(zhì)子轉(zhuǎn)移的過程中，起著重要的作用。 (6)通過廣泛的密度泛函計(jì)算，探索了硝酸根還原酶中鉬配合物催化NO3-到NO2-的反應(yīng)機(jī)理，預(yù)測了不同的反應(yīng)通道和能量學(xué)性質(zhì)。計(jì)算表明，雙硫鍵的形成能夠影響MoⅥ和MoⅣ氧化態(tài)