论文部分内容阅读
电子诱导肽链阳离子及蛋白质离子解离的机制是近来研究的热点之一。这是因为解离机制有利于蛋白质序列的识别，有利于蛋白质翻译后修饰(PTMs)的定位，有利于蛋白质组学的发展和丰富。赖氨酸（Lys,K）、组氨酸（His,H）、精氨酸（Arg,R）等碱性氨基酸侧链，倾向于质子化，易于捕获电子，形成超价自由基，通过质子耦合电子转移（PCET）机理来进行质子释放和电子转移。另外，酶生物燃料电池的阴极存在大量的过剩电子，通过研究蛋白质微观环境中质子和过剩电子的传递机理有利于理解阴极区电子转移机理，从而促进生物燃料电池的设计和开发以及新能源的研究和发展。本课题的具体工作如下：
（1）本部分研究了由不同氨基酸侧链构成的蛋白质微观环境对包含赖氨酸和组氨酸多肽中的质子和过剩电子传递的调控作用。利用B3LYP/6-31+G(d,p)对KH-N-HH体系中质子和过剩电子的转移机理进行了探索。根据反应物、过渡态和产物的结构信息图以及对应的电子自旋密度分布图，其机理为特殊的正交型质子耦合里德堡电子转移，即质子是从赖氨酸侧链氨基转移到邻近骨架酰胺氧上，而电子则是通过里德堡轨道从组氨酸侧链传递到相同的骨架酰胺单元。同时，采用B3PW91和mPW1PW91泛函结合6-31+G(d,p)基组进行验证，其结果与B3LYP方法具有一致性，表明用B3LYP研究多肽体系中发生的此类质子和过剩电子协同传递机理是可靠的。因此，运用B3LYP泛函系统地研究了KH-X-HH体系。虽然X结构、电负性等性质的不同，但不会改变系统的质子/过剩电子的传递机理。X侧链对过剩电子的传递产生吸-推效应，致使反应能垒减小或增大，这表明蛋白质微观环境对质子传递和过剩电子的转移具有调节作用。
（2）基于前一部分的研究，探讨当质子化的赖氨酸（KH）、组氨酸（HH）和精氨酸（RH）两两共存时，多肽体系对过剩电子捕获的竞争，以及由这种竞争机制导致可能存在的质子和过剩电子转移反应。同时，还研究了同一体系的不同构象对质子和过剩电子传递的影响，以便更好地模拟蛋白质微观环境。在B3LYP/6-31+G(d,p)的水平下计算和优化双质子化体系X-N-Y和X-N-Y-h。根据反应物、过渡态和产物的结构以及相应的电子自旋密度分布发现，在这些体系中，质子传递和过剩电子传递是互为驱动力，发生多种形式的质子耦合电子转移。其中，质子的转移受环境影响不大，质子传递是通过赖氨酸侧链、组氨酸侧链或精氨酸侧链与骨架肽键单元形成的氢键通道进行传递；而过剩电子的分布和传递受环境影响较大，其传递的初始位点因受KH、HH和RH电子亲合力以及周围环境的影响（氢键）而变得复杂，这大大地丰富了质子耦合电子转移理论。一般情况下，更接近真实蛋白质微观环境的构象更有利于质子和过剩电子传递。
（3）基于蛋白质的二级结构——α-螺旋，探究其调节过剩电子的分布对质子化赖氨酸侧链（KH）与邻近酰胺单元之间质子和过剩电子传递的反应的影响。运用B3LYP/6-31+G(d,p)对一系列含有赖氨酸侧链的α-螺旋模型进行结构优化和频率分析。在这些体系中，质子都是从赖氨酸侧链的氨基传递到酰胺氧上，然而过剩电子的分布和传递方式因受α-螺旋结构以及周围环境的调控而复杂化。α-螺旋的N端是很好的电子转移“中继站”，当N端增长时，其捕获电子的能力也增加，与赖氨酸侧链形成竞争。当α-螺旋的N端（Gn-KH-G2,n≥2）增长时，体系发生的是特殊的质子耦合多位点里德堡电子转移机理（n≥3），其正向反应能垒先增大（2≤n≤6）后减小(n≥6)。有趣的是，T-Gn-KH-G2（n≥5）体系发生的是正交质子耦合里德堡电子转移反应，其正向反应能垒逐渐降低。其次，探讨α-螺旋结构的C端（即G2-KH-Gn,n≥2）,其微观反应机理为同向质子耦合里德堡电子传递机理，其正向反应能垒逐渐变大。另外，为了更好地模拟蛋白质微观环境，利用乙酸根离子（CH3COO-）对α-螺旋结构的N端进行帽化。A-Gn-KH-G2（n≥2）和A-T-Gn-KH-G2（n≥5）体系都通过同向质子耦合里德堡电子转移机理进行质子和过剩电子传递，其正向反应能垒都有减小的趋势。因此，蛋白质微观环境的调控导致质子和过剩电子转移反应的微观机理和难易程度不同，这不仅丰富了蛋白质作为“中继站”的内容，还有助于对蛋白质中电子性质和电子转移现象的理解。
（1）本部分研究了由不同氨基酸侧链构成的蛋白质微观环境对包含赖氨酸和组氨酸多肽中的质子和过剩电子传递的调控作用。利用B3LYP/6-31+G(d,p)对KH-N-HH体系中质子和过剩电子的转移机理进行了探索。根据反应物、过渡态和产物的结构信息图以及对应的电子自旋密度分布图，其机理为特殊的正交型质子耦合里德堡电子转移，即质子是从赖氨酸侧链氨基转移到邻近骨架酰胺氧上，而电子则是通过里德堡轨道从组氨酸侧链传递到相同的骨架酰胺单元。同时，采用B3PW91和mPW1PW91泛函结合6-31+G(d,p)基组进行验证，其结果与B3LYP方法具有一致性，表明用B3LYP研究多肽体系中发生的此类质子和过剩电子协同传递机理是可靠的。因此，运用B3LYP泛函系统地研究了KH-X-HH体系。虽然X结构、电负性等性质的不同，但不会改变系统的质子/过剩电子的传递机理。X侧链对过剩电子的传递产生吸-推效应，致使反应能垒减小或增大，这表明蛋白质微观环境对质子传递和过剩电子的转移具有调节作用。
（2）基于前一部分的研究，探讨当质子化的赖氨酸（KH）、组氨酸（HH）和精氨酸（RH）两两共存时，多肽体系对过剩电子捕获的竞争，以及由这种竞争机制导致可能存在的质子和过剩电子转移反应。同时，还研究了同一体系的不同构象对质子和过剩电子传递的影响，以便更好地模拟蛋白质微观环境。在B3LYP/6-31+G(d,p)的水平下计算和优化双质子化体系X-N-Y和X-N-Y-h。根据反应物、过渡态和产物的结构以及相应的电子自旋密度分布发现，在这些体系中，质子传递和过剩电子传递是互为驱动力，发生多种形式的质子耦合电子转移。其中，质子的转移受环境影响不大，质子传递是通过赖氨酸侧链、组氨酸侧链或精氨酸侧链与骨架肽键单元形成的氢键通道进行传递；而过剩电子的分布和传递受环境影响较大，其传递的初始位点因受KH、HH和RH电子亲合力以及周围环境的影响（氢键）而变得复杂，这大大地丰富了质子耦合电子转移理论。一般情况下，更接近真实蛋白质微观环境的构象更有利于质子和过剩电子传递。
（3）基于蛋白质的二级结构——α-螺旋，探究其调节过剩电子的分布对质子化赖氨酸侧链（KH）与邻近酰胺单元之间质子和过剩电子传递的反应的影响。运用B3LYP/6-31+G(d,p)对一系列含有赖氨酸侧链的α-螺旋模型进行结构优化和频率分析。在这些体系中，质子都是从赖氨酸侧链的氨基传递到酰胺氧上，然而过剩电子的分布和传递方式因受α-螺旋结构以及周围环境的调控而复杂化。α-螺旋的N端是很好的电子转移“中继站”，当N端增长时，其捕获电子的能力也增加，与赖氨酸侧链形成竞争。当α-螺旋的N端（Gn-KH-G2,n≥2）增长时，体系发生的是特殊的质子耦合多位点里德堡电子转移机理（n≥3），其正向反应能垒先增大（2≤n≤6）后减小(n≥6)。有趣的是，T-Gn-KH-G2（n≥5）体系发生的是正交质子耦合里德堡电子转移反应，其正向反应能垒逐渐降低。其次，探讨α-螺旋结构的C端（即G2-KH-Gn,n≥2）,其微观反应机理为同向质子耦合里德堡电子传递机理，其正向反应能垒逐渐变大。另外，为了更好地模拟蛋白质微观环境，利用乙酸根离子（CH3COO-）对α-螺旋结构的N端进行帽化。A-Gn-KH-G2（n≥2）和A-T-Gn-KH-G2（n≥5）体系都通过同向质子耦合里德堡电子转移机理进行质子和过剩电子传递，其正向反应能垒都有减小的趋势。因此，蛋白质微观环境的调控导致质子和过剩电子转移反应的微观机理和难易程度不同，这不仅丰富了蛋白质作为“中继站”的内容，还有助于对蛋白质中电子性质和电子转移现象的理解。