《胺基酸與肽分子液相結構和水溶液效應的理論研究》是依託中國工程物理研究院雷射聚變研究中心，由孟令彪擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：胺基酸與肽分子液相結構和水溶液效應的理論研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：孟令彪
- 依託單位：中國工程物理研究院雷射聚變研究中心
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
作為蛋白質的組成單元和重要的模型體系，胺基酸和肽分子在水溶液中的結構、性質及水溶液效應等問題是當前生物、化學及物理領域一個尚待解決的重要課題，及時地研究與解決這些問題有著重要理論與實踐的價值。本項目採用溶質-水超分子模型、極化連續介質模型及QM/MM方法，系統研究若干代表性胺基酸和肽體系與孤立水分子絡合及在水溶液中的結構，細緻分析特徵結構在水合作用下的轉變行為，及其與水分子之間的微觀相互作用方式。利用密度泛函理論等方法計算胺基酸和肽分子與水絡合及在水溶液中的有關性質，如電離能、電子親和勢、質子化/去質子化能、紅外振動和紫外吸收光譜等，並通過與相關實驗和氣相結果比較，預測水對胺基酸和肽性質的溶液效應。項目對揭示水溶液對生物分子結構影響的物理機制，對生物分子的物理化學性質研究起有重要意義。
結題摘要
胺基酸和肽分子的液相結構以及水溶液效應等問題對生物分子的物理化學性質研究與認識有重要意義。在項目三年的支持下，我們圍繞項目主題，開展了新的液相分子間氫鍵電子結構理論的分析與建立，利用超分子離散模型與密度泛函理論等方法對理論模型的結構、紅外光譜以及能量穩定性等性質詳細計算與分析以檢驗理論以及理論相關的套用等工作。獲得了以下重要結果和新的認識：基於水溶液特有的物理化學性質以及相關量化理論，我們建立了一個新的水溶液分子間氫鍵作用理論。理論核心是液相氫鍵作用的波函式在角向部分是量子化，且可用軌道雜化spn模式來定量描述，很好地描述了水溶液的主要對稱性特徵。採用逐步增加水分子數目的甘氨酸-水超分子離散模型，利用密度泛函理論等方法詳細地計算與獲得了各種模型結構、紅外光譜以及能量穩定性等性質。通過與液相結果的比較檢驗了理論。新理論可給出非常符合實驗的光譜值，更加高的穩定性。綜合理論與計算結果，揭示水溶液效應的微觀作用，即在水溶液中溶質甘氨酸各原子H、O和N與水形成的氫鍵態分別為sp1、sp2和sp3。理論模型同樣適用於丙氨酸和苯丙氨酸以及formamide等體系。通常超分子離散模型遇到內在缺陷即由於截取有限數目溶劑分子帶來了邊界效應而丟失了體相的一些重要特徵。能量計算也顯示對一般超分子模型，用最低能量的構型子集來描述液相溶質-水之間的作用是不準確的。主要因為在無約束最佳化下，由於水-水分子間氫鍵作用，傾向於所有能量項的總和最小化，而非溶質-水分子之間的局域相互作用最最佳化。而基於體系對稱性提出的新的液相氫鍵電子結構模型抓住了主要問題，克服上述缺陷，合理地建立了有限離散超分子模型與體溶液直接的內在特徵關聯。由於溶質—水之間的分子間氫鍵作用角向部分是量子化確定的，大大降低了作用函式複雜度，有利於發展相關的參數力場來描述溶質-溶劑近程氫鍵作用，有效地克服目前相關連續介質模型在近程作用內在缺陷，有助於進一步研究溶劑效應。
