酶和團簇等復雜構型空間的路徑優(yōu)化.pdf

1、計算化學是近幾十年來發(fā)展最快的一門學科，對生物和化學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)定結構和反應機理。計算化學的方法已經(jīng)被廣泛應用于材料，催化和生物化學領域的研究。
　　 生命科學已經(jīng)成為一門實驗、計算、理論相結合的綜合性學科。在生物體內，每秒鐘要進行成萬上億次的生物化學反應。如此繁多復雜的生物化學反應能在生物體內有條不紊的進行，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、生物化學反應有序進行的因素，生物體內幾乎所有的化學反應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過程，促進生物體的新陳代謝。酶反應機理的研究主要是探討酶作用高效率的原因以及酶反應的重要中間步驟，是當代生物化學的一個重要課題。近些年來，三維酶結構的解析技術和基因工程，如點突變技術，都取得了巨大的進展，使得人們對酶的結構有了原子水平的了解，據(jù)此推測出酶的催化原理，并對酶反應動力學進行了深入地探索。不過，如何區(qū)分不同的酶反應機

3、理，哪些氨基酸殘基對催化反應有貢獻，酶的結構與其催化功能是如何相關的，過渡態(tài)、中間物的結構如何，酶催化的反應路徑是什么樣的，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。特別對于酶反應的計算機模擬，它的最大優(yōu)勢就是能對反應的細節(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移酶的催化機理。首先利用NEB的方法獲得了反應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-乳糖復合物的結構表明：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鍵原子間距離符合他們作為酸堿催化劑的要求。關鍵的原子間距離沿最低能量路徑的變化表明：隨著反應的進行，Glu230靠近Tyr342，它們之間的氫鍵距離變短，Tyr342將質子轉移給Glu230，增強了Tyr342酚氧負離子的堿性，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)從扭曲的船式構象向松弛的椅式構象的轉變，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)物轉移到β-半乳糖基受體分子則是上一反應的逆反應。計算機模擬的結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，宇宙起源的本質等，而且有著廣泛的應用前景，如開發(fā)超導材料、高效率催化劑等。由于團簇的尺寸效應，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性質。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構(ρ0≥3.

7、0)，得到了這個尺寸范圍內不同的勢函數(shù)作用程下的幻數(shù)結構。從OK溫度下的“相圖”可以看出全局最優(yōu)結構隨團簇尺寸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)結構從無序結構演變到二十面體結構，再到應力較小的十面體，最后是無應力的密堆積的結構。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)結構相比，這個范圍內的尺寸效應對結構的影響則變得很小。Morse團簇的全局最優(yōu)結構