鹵鍵自組裝性質(zhì)的理論研究及其在生命體系中的應用.pdf

1、近年來，鹵鍵作為一種和氫鍵相似的弱相互作用，在實驗和理論研究方面均受到了廣泛的關注，成為可控自組裝研究領域的熱點問題。2013年，IUPAC給出了鹵鍵的定義，指出鹵鍵(XB)是分子中鹵原子的親電區(qū)域與另一個或同一個分子的親核區(qū)域發(fā)生的相互作用。共價鹵原子周圍電子云的各向異性分布使鹵鍵具有高度的方向性，其鍵角分布在接近180°的狹窄范圍內(nèi)。此外，鹵鍵的鍵能分布在5-180kJ/mol，較氫鍵鍵能范圍大，可調(diào)控性更強。如在分子識別中鹵鍵的選

2、擇性優(yōu)于氫鍵。由于鹵原子上的取代基團直接影響著鹵鍵強弱，因此，對取代基團的不同選擇成為調(diào)控鹵鍵強弱的一種重要的方式。研究表明，靜電效應、極化效應、色散效應和電荷轉(zhuǎn)移相互作用對鹵鍵的形成都起著重要的作用。鹵鍵的這些特點使其在分子識別，晶體工程，超分子化學和生物工程中有廣泛的應用。但是傳統(tǒng)力場不能描述鹵鍵相互作用中的各向異性，用分子動力學方法研究鹵鍵在生物及材料大分子中的功能和應用時，需要能恰當描述共價鹵原子周圍電子云密度各向異性分布的力場

3、，急需發(fā)展新的力場解決這一問題。
　　力場的開發(fā)必需以勢能面的研究為基礎。本論文采用高精度從頭算方法構(gòu)建鹵鍵勢能面，并對鹵鍵和氫鍵的勢能面進行了深入的比較研究。通過對鹵鍵勢能面進行能量分解，提出了鹵鍵形成過程具有極化增強的特性。同時，本文還采用額外點電荷模型研究了藥物小分子和靶點間的鹵鍵相互作用，分析了額外點電荷模型在復雜蛋白環(huán)境中的表現(xiàn)和存在的問題，為進一步發(fā)展可處理各向異性問題的鹵鍵力場奠定了基礎。
　　本論文的主要研究

4、內(nèi)容和創(chuàng)新點有:
　　1.通過對鹵鍵和氫鍵進行高精度的勢能面比較，指出鹵鍵具有更強的角度畸變特性，并采用改進的Buckingham勢寫出了解析勢能面。我們選擇特定的鹵鍵和氫鍵模型進行勢能面掃描。研究結(jié)果表明，鹵鍵的勢阱比氫鍵的更窄，氫鍵和鹵鍵的勢能面都具有各向異性。SAPT(DFT)能量分解表明，勢能面的各向異性主要來自于交換-排斥項的貢獻。同時，隨著鹵鍵鍵長的增加，勢能面變得更加平坦。這些結(jié)果將為鹵鍵力場的開發(fā)提供重要的思路。<

5、br>　　2.采用能量分解方法，證明典型鹵鍵的極化作用強于氫鍵，存在極化增強效應。本論文由所選擇的的鹵鍵及氫鍵復合物出發(fā)，采用SAPT(DFT)能量分解的方法得到具有確定物理意義的能量組分。通過分析，得出二聚體的靜電相互作用能與點電荷模型的靜電相互作用能的能量差與體系的極化效應的呈線性相關。在氫鍵中極化對靜電相互作用的貢獻是23.9％，然而對于鹵鍵它的在2.5-50.5％范圍內(nèi)。此外，對于不同的弱相互作用，極化效應的主導項不同;對于氫鍵

6、，弱鹵鍵和強鹵鍵，主導項逐漸由色散項過渡到誘導項。最后，我們發(fā)現(xiàn)極化效應和電荷轉(zhuǎn)移相互作用是相互協(xié)同的。這些研究結(jié)果將有益于設計基于鹵鍵的各種材料和促進鹵鍵的極化力場的發(fā)展。
　　3.基于目前鹵鍵力場的發(fā)展現(xiàn)狀，我們選擇鹵鍵的額外點電荷模型，以p53蛋白的Y220變體為研究體系，探索這種模型描述鹵鍵的可能性及精確性，進而得出鹵鍵對Y220變體功能恢復中的作用。通過研究得出，如果鹵鍵的供體和受體除形成鹵鍵外，還與周圍其它原子形成氫鍵