酶和團簇等復(fù)雜構(gòu)型空間的路徑優(yōu)化.pdf

1、計算化學(xué)是近幾十年來發(fā)展最快的一門學(xué)科，對生物和化學(xué)體系進行理論計算和模擬，可以非常明確和直觀地研究各種體系的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和反應(yīng)機理。計算化學(xué)的方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于材料，催化和生物化學(xué)領(lǐng)域的研究。
　　 生命科學(xué)已經(jīng)成為一門實驗、計算、理論相結(jié)合的綜合性學(xué)科。在生物體內(nèi)，每秒鐘要進行成萬上億次的生物化學(xué)反應(yīng)。如此繁多復(fù)雜的生物化學(xué)反應(yīng)能在生物體內(nèi)有條不紊的進行，取決于兩大條件的保障：能源保障：ATP和生物催化劑保障：酶。其中酶是保證

2、生物化學(xué)反應(yīng)有序進行的因素，生物體內(nèi)幾乎所有的化學(xué)反應(yīng)都是在酶的高效催化作用下進行的，它能顯著地催化各種生化反應(yīng)過程，促進生物體的新陳代謝。酶反應(yīng)機理的研究主要是探討酶作用高效率的原因以及酶反應(yīng)的重要中間步驟，是當(dāng)代生物化學(xué)的一個重要課題。近些年來，三維酶結(jié)構(gòu)的解析技術(shù)和基因工程，如點突變技術(shù)，都取得了巨大的進展，使得人們對酶的結(jié)構(gòu)有了原子水平的了解，據(jù)此推測出酶的催化原理，并對酶反應(yīng)動力學(xué)進行了深入地探索。不過，如何區(qū)分不同的酶反應(yīng)機

3、理，哪些氨基酸殘基對催化反應(yīng)有貢獻(xiàn)，酶的結(jié)構(gòu)與其催化功能是如何相關(guān)的，過渡態(tài)、中間物的結(jié)構(gòu)如何，酶催化的反應(yīng)路徑是什么樣的，這些問題還不是實驗所能完全能解決的。計算機模擬的方法成為解釋，補充實驗數(shù)據(jù)的強有力的手段。特別對于酶反應(yīng)的計算機模擬，它的最大優(yōu)勢就是能對反應(yīng)的細(xì)節(jié)進行實時俘獲。
　　 本論文第一部分的工作利用了QM/MM模型的方法研究了克氏錐蟲唾液酸轉(zhuǎn)移酶的催化機理。首先利用NEB的方法獲得了反應(yīng)的最低能量路徑和過渡態(tài)。

4、平衡后的天然態(tài)酶TcTs與底物α-(2，3)-唾液酸-乳糖復(fù)合物的結(jié)構(gòu)表明：與其它保持型的糖苷水解酶一樣，氨基酸殘基Asp59，Tyr3412和Glu230與底物的相對位置以及關(guān)鍵原子間距離符合他們作為酸堿催化劑的要求。關(guān)鍵的原子間距離沿最低能量路徑的變化表明：隨著反應(yīng)的進行，Glu230靠近Tyr342，它們之間的氫鍵距離變短，Tyr342將質(zhì)子轉(zhuǎn)移給Glu230，增強了Tyr342酚氧負(fù)離子的堿性，更有利于Tyr342親核進攻糖苷鍵

5、。同時，Asp59作為酸，提供質(zhì)子給糖苷鍵斷裂后的離去基團。過程中，伴隨著唾液酸的單糖糖環(huán)從扭曲的船式構(gòu)象向松弛的椅式構(gòu)象的轉(zhuǎn)變，從而更有利于穩(wěn)定生成的共價唾液酸.酶中間產(chǎn)物。第二步，唾液酸從共價中間產(chǎn)物轉(zhuǎn)移到β-半乳糖基受體分子則是上一反應(yīng)的逆反應(yīng)。計算機模擬的結(jié)果與實驗推測的乒乓雙置換酸堿催化的機理一致，是對實驗結(jié)論的有力支持。
　　 第二部分的工作是對模型勢--Morse勢的多維勢能面的探索，討論了勢函數(shù)作用程對團簇構(gòu)型的

6、影響。團簇的實驗和理論研究一直是一個異?；钴S的領(lǐng)域。對于它的研究，不僅有助于探索和解釋氣相到凝聚相過渡的本質(zhì)以及金屬催化，燃燒過程，晶體生長、成核和凝固、相變、溶膠、薄膜形成和濺射，宇宙起源的本質(zhì)等，而且有著廣泛的應(yīng)用前景，如開發(fā)超導(dǎo)材料、高效率催化劑等。由于團簇的尺寸效應(yīng)，由團簇制造和發(fā)展的特殊性能的新材料具有奇異的物理化學(xué)性質(zhì)。本文中通過動態(tài)格點搜索算法，搜索到了Morse團簇(161≤_N≤240)的可能的全局最小結(jié)構(gòu)(ρ0≥3.

7、0)，得到了這個尺寸范圍內(nèi)不同的勢函數(shù)作用程下的幻數(shù)結(jié)構(gòu)。從OK溫度下的“相圖”可以看出全局最優(yōu)結(jié)構(gòu)隨團簇尺寸N和作用程ρ0的變化情況：隨粒子間相互作用程的減小，全局最優(yōu)結(jié)構(gòu)從無序結(jié)構(gòu)演變到二十面體結(jié)構(gòu)，再到應(yīng)力較小的十面體，最后是無應(yīng)力的密堆積的結(jié)構(gòu)。在中等相互作用程時，Mackay二十面體要比anti-Mackay二十面體更穩(wěn)定。與N<160的團簇最優(yōu)結(jié)構(gòu)相比，這個范圍內(nèi)的尺寸效應(yīng)對結(jié)構(gòu)的影響則變得很小。Morse團簇的全局最優(yōu)結(jié)構(gòu)