金屬離子力場參數開發(fā)及其在超分子化學中的應用.pdf

1、金屬和金屬離子在自然界中無處不在，并且擁有龐大的化學多樣性。由于金屬具有低電負性，易于電離并且具有高度反應活性，使得它們可以參與許多獨特的反應或催化過程。金屬及其離子在化學、地球化學、生物化學以及材料科學等領域發(fā)揮著極其重要的作用。蛋白質數據庫(PDB)中大約三分之一的結構含有金屬離子。在超分子化學中，各種各樣由金屬離子配位作用而形成的納米超分子是重要的分子容器。然而，在目前的經典力學模擬手段中，金屬離子的參數化模型仍然存在很多問題，這

2、嚴重制約了人們對由蛋白-輔因子主導的生物過程以及金屬配位誘導的超分子化學的理論研究。本論文結合數學、計算機科學以及生物信息學的理論和方法，研究了以下問題:(1)如何用經典力場較準確地描述金屬輔因子與蛋白的相互作用;(2)如何正確描述金屬配位納米膠囊的自組裝以及客體封裝行為。本論文的工作為超分子化學的理論研究（建模與模擬）提供了新的方法和知識。論文的主要工作如下:
　　1.Mg2+離子的虛擬原子(CaDA)模型參數的精煉。我們提出了

3、一個簡單可靠的用于精煉CaDA模型范德華作用參數的算法，并用該算法成功優(yōu)化了前人提出的Mg2+CaDA模型的參數。在進行參數精煉的時候，我們首創(chuàng)性地使用了一個較為精確的質子水合自由能來修正Mg2+水合自由能的實驗值。在對水合自由能的計算中引入了對PME方法以及真空-水界面的修正，保證了水合自由能計算的準確性。優(yōu)化得到的Mg2+CaDA模型可以較為精確地同時重復出實驗上觀測到的Mg2+的水合配位距離、配位數以及水合自由能。本工作提出的參數

4、精煉方法可以應用于同一金屬離子模型在不同力場（不同的勢函數表達式與不同的計算規(guī)則）中的再優(yōu)化，擴大金屬離子模型的應用范圍。
　　2.二價六配位金屬陽離子的CaDA模型力場參數開發(fā)。我們在參數精煉方法的基礎上提出了一套力場參數開發(fā)的方法。該方法兼顧考慮了金屬離子的水合自由能、配位距離以及配位數。通過對參數空間的掃描、對自由能曲面以及配位距離曲面的重構及實驗值的投影來完成新參數的開發(fā)。經過該參數開發(fā)方法所開發(fā)得到的11種二價六配位金屬

5、離子(Mg2+、V2+、Cr2+、Mn2+、Fe2+、Co2+、Ni2+、Zn2+、Cd2+、Sn2+以及Hg2+)的CaDA模型，首次實現了對金屬離子的水合自由能、配位距離以及配位數的準確重復，模擬性能得到大幅提高。
　　3.CaDA模型模擬性能的綜合評價。我們對新開發(fā)的CaDA模型在生物超分子體系中的模擬性能進行了綜合地評價。在預測水交換速率常數的性能方面，所有不以該指標為開發(fā)目標的模型都預測出了不正確的水交換速率常數:CaD

6、A模型會低估水交換速率常數;而點電荷模型會高估水交換速率常數。在雙核金屬-輔因子體系中，本工作開發(fā)的CaDA模型具有較高的模擬性能，可以較為準確地重復出相應的配位結構，達到與共價連接模型類似的程度。重要的是，本模型能得到較為合理的輔因子氫鍵網絡。但是對雙核金屬間距以及羧基側鏈的配位模式重復得不夠好。在單核金屬-輔因子體系中，所有測試的模型都能得到比較好的結果。在金屬替代體系中，本工作開發(fā)的CaDA模型的模擬性能是最好的。但是，受限于模型

7、本身的理論層次，按照六配位開發(fā)的模型無法模擬非六配位的體系?？傮w來看，新開發(fā)的CaDA模型具有更為優(yōu)越的模擬性能，在一定程度上實現了經典力場對金屬輔因子與蛋白的相互作用的準確描述。
　　4.金屬配位納米膠囊M2L4的自組裝行為及超分子結構轉變的研究。我們提出了使用CaDA模型以及隱式溶劑模型偶聯模擬退火的方法來模擬計算金屬配位納米膠囊的自組裝。從分子動力學(MD)模擬結果中我們得出，M2L4納米膠囊的自組裝遵循最小勢能原理。M2L

8、4納米膠囊的自組裝過程是自發(fā)的，從無序到有序，從勢能較高到勢能較低的過程。在自組裝的過程中存在許多中間體及亞穩(wěn)定狀態(tài)。M2L4納米膠囊的自組裝也是一種逐步自組裝的行為。在M2L4納米膠囊自組裝的過程中，會逐步從M2L2納米環(huán)轉變?yōu)镸2L3納米籠，再從M2L3納米籠轉變?yōu)镸2L4納米膠囊。M2L4納米膠囊的自組裝進程中存在超分子結構的動態(tài)轉化。局部瞬時配體濃度升高會促進M2L2納米環(huán)向M2L4納米膠囊轉化，而當體系中形成了M2L4納米膠囊

9、之后，局部瞬時金屬離子濃度升高同樣會促進M2L4納米膠囊向M2L2納米環(huán)轉化。M2L3納米籠則作為轉化的過渡狀態(tài)存在。當可用金屬離子的濃度減小到一定程度之后，M2L4納米膠囊和M2L3納米籠很難再轉化為M2L2納米環(huán)，最終形成了穩(wěn)定的M2L4納米膠囊。
　　5.金屬配位納米膠囊M2L4的客體封裝行為的研究。我們使用MD模擬的方法對動態(tài)自組裝（超分子結構轉化）過程中的客體封裝行為進行了模擬，并成功重復出兩種富勒烯分子競爭封裝的過程。

10、最終成功預測了動態(tài)自組裝過程中出現的不同超分子結構對客體封裝的選擇性，與實驗觀測的現象完全吻合。我們得到如下結論:納米膠囊對富勒烯客體分子封裝的驅動力源自于π-π堆積作用，并且該過程遵循最小勢能原理。富勒烯的封裝能力和選擇性高度依賴于客體分子的形狀和體積大小，以及組裝體的超分子結構。M2L4和M2L3納米膠囊（納米籠）對球形且體積小的富勒烯C60具有高選擇性，而M2L2金屬環(huán)則對橢球形和體積較大的富勒烯C70具有略高的選擇性。在響應周圍