水與胺基酸相互作用的中子散射和拉曼散射研究

《水與胺基酸相互作用的中子散射和拉曼散射研究》是依託山東大學，由張鵬擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：水與胺基酸相互作用的中子散射和拉曼散射研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：張鵬
• 依託單位：山東大學

中文摘要

胺基酸是蛋白質的基本結構單元，通過對胺基酸與水的相互作用研究可使我們進一步了解水環境對生物大分子如蛋白質、DNA等特性的影響。胺基酸在水環境下的結構變化主要因為胺基酸與水分子之間的氫鍵作用，改變了原有的晶體結構和分子構型。中子散射在物性研究方面具有獨特的優勢，能夠觀察水分子在胺基酸周圍的結構及其與胺基酸的分子間相互作用。而拉曼光譜在高頻段能量轉移（O-H、N-H等官能團的彎曲和伸縮振動）解析度比中子散射高。因此，我們將兩種實驗結合起來互相補充，可以得到完整的振動譜。套用第一性原理密度泛函理論（DFT）進行理論模擬，可將振動頻率轉化為中子散射聲子態密度與實驗對照。通過討論不同胺基酸的疏水性和親水性的性質和原理，研究胺基酸分子與水的微觀作用機制，對於深入了解有機分子在水環境下的生物活性具有重要的意義。

結題摘要

水不僅是生物分子保持活性的溶劑，也是ＤＮＡ複製等生命過程中不可缺少的原料。研究水與生物分子相互作用的動力學過程有助於我們理解這些微觀機制，推進對生命之謎的探究。結合中子散射實驗和第一性原理密度泛函，我們對凍的常態相做了系統計算。自上世紀90年代中子散射實驗發現兩個氫鍵振動峰以來,首次在不引入力常數的情況下擬合出兩個氫鍵；通過虛擬試驗等方法，我們否定了1993年發表在《Nature》期刊上的Li-Ross模型；通過CASTEP平面波贗勢方法，我們發現分子內伸縮振動也出現雙峰現象，通過色散關係研究，我們解析出中子散射實驗觀察到的雙峰現象源於晶格振動的縱波-橫波分裂。從理論上說，冰這類分子晶體在晶格振動的屬性上具有離子晶體的性質，具體的論證工作有待進一步展開。在英國盧瑟福實驗室進行的中子散射實驗，基本完成了胺基酸的水合作用實驗，國內同步進行了大多數胺基酸的拉曼試驗，結果處理和數據分析還有待完成。結合從頭算計算機模擬，工作取得一些進展。比如，對於一水絲氨酸，我們發現了一種亞穩態結構與已知的一水合物共存。隨著水含量的增大，晶格變形，遷移壁壘被打破，水分子從羥基轉移到能量更低的氨基附近形成氫鍵。