生物氢键的性质研究
Study on the Properties of the Hydrogen Bonds in Biology
氢键因其在物理,化学及生物过程中起到的重要作用而受到了越来越多的关注.氢键是溶质与溶液相互作用的直接载体.在复杂体系中,氢键对许多光学现象以及生物大分子结构和功能产生重大影响.然而,氢键是如何影响基团的光学性质,如何影响生物大分子的结构以及相关功能呢?这就需要人们去考察氢键在超快时间范围内的动力学特性.这正是本文所关注的科学问题.本论文主要采用密度泛函理论(DFT),含时密度泛函理论(TDDFT)及分子动力学模拟(MD)方法研究了复杂体系中的氢键超快动力学特性.利用密度泛函理论和含时密度泛函理论,对三氟甲基香豆素(TFKC)分子在水溶液中所形成的氢键复合物进行了超快动力学研究.氢键基团的基态构型,电子激发能以及振子强度等的研究发现,对于TFKC体系,基态较弱的氢键在受光激发以后变化较大.通过对基态和第一激发态的前线分子轨道分析,发现了明显的光激发电子重排现象,这种现象被进一步证明是氢键在不同激发态下发生强弱变化的本质原因.利用密度泛函理论和含时密度泛函理论,对六氨基香豆素(6AC)分子及其与水分子的氢键复合物进行了氢键的超快动力学研究.分子几何构型的分析得知,基态时AHB是最强的氢键.通过对激发能和振子强度的分析,发现不同氢键在不同激发态呈现出完全不同的动力学特征.BHB和CHB在S1态下被加强,AHB在S1态下被减弱,且AHB的减弱程度要大于BHB和CHB的加强.这正是引起实验中发现的不寻常Stockes蓝移现象的原因.前线分子轨道的结果显示出,在光激发后,分子内发生了明显的电子偏移.这种偏移是引起了S1态AHB强烈的减弱的本质原因.利用密度泛函理论和含时密度泛函理论,对一种白色发光材料(HHBF)体系的激发态分子内质子(ESIPT)转移过程做了研究.首先通过理论计算发射谱与实验发射谱的比对,为ESIPT的发生提供了直接的证据.并证明了HHBF的分子内氢键受光激发后在S1态被加强.前线分子轨道的结果显示出明显的两次激发态电荷密度摆动.这种电荷密度秋千般的摆动是由光激发和激发态基团位置互换引起的.两次电荷密度摆动为顺ESIPT和逆ESIPT提供了驱动力,促使了HHBF激发态平衡的建立.势能曲线的分析,为激发态平衡提供了进一步的热力学解释.利用分子动力学模拟和受力分子动力学模拟方法,模拟了锌指蛋白片段与其目标DNA的自组装和解组装过程.通过分析发现,在锌指蛋白与DNA接触表面的四个接触位点对于锌指蛋白和DNA的结合起到完全不同的作用.锌指蛋白-DNA复合物的亲和力主要来自R471-N1-2和D473-N2-6位点.D473-N2-7和H472-N1-2结合位点的形成使DNA的N2-7和N1-2位点产生了一个结构扭曲.这个扭曲导致了DNA大沟的拓宽,和链2的变形.最终形成了ZFP与DNA特殊的结合构型.相关结论为生物实验提供了理论指导和依据.
- 作者：
- 张铭振
- 学位授予单位：
- 大连工业大学
- 专业名称：
- 发酵工程
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2013年
- 导师姓名：
- 赵长新
- 中图分类号：
- O641.1
- 关键词：
- 氢键；超快动力学；分子动力学模拟；密度泛函理论；含时密度泛函理论
- Hydrogen bond；Ultra fast dynamics；Molecular dynamics；DensityFunction Theory；Time-dependent Density Function Theory