赵亚英[1]2004年在《金属离子及氨基酸与核酸活性位点配位选择性的理论研究》文中进行了进一步梳理本文第一部分用量子化学从头算方法对金属离子与核酸大分子活性位点相互作用的选择性及其配合物的结构和性质进行较为系统的理论研究，以期探究金属离子在生物体内的功能及其作用实质。金属离子易与核酸的磷酸酯骨架、碱基的环氮相互作用。腺嘌呤有两个环氮，可作为相同碱基不同位点对金属离子配位选择性研究的代表。第二章在B3LYP/6-31G**水平，全优化Mg2+、Ca2+、Mn2+、Co2+、Zn2+、Cu2+、Ni2+、Cd2+(用有效实势(ECP)方法处理)与腺嘌呤的N1和N7位点配位的两类配合物气相结构，后采用Onsager模型研究水溶液中配合物的结构和稳定性规律。通过研究得到金属对N7位的相对优选顺序为：Co2+>Mg2+>Cd2+>Ca2+> Zn2+>Mn2+>Ni2+>Cu2+，与实验结果基本吻合。实验认为金属离子多与GC碱基对作用，第叁章在B3LYP/6-31G**水平，用全电子从头算研究了Ia、部分IIa和部分Ib族金属离子(重原子用ECP方法处理)与GC碱基对的相互作用，结果表明主族金属离子与GC对间以静电作用为主，而副族金属离子共价作用成分较大。第四章在B3LYP/6-31G**水平上，全电子研究了Mg2+、Ca2+、Mn2+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+与磷酸二甲酯阴离子(DMP-)“双齿”配位模式下的相互作用，并且用四个水分子“饱和”各金属离子六配位模式下的其他位点。结果表明DMP-对于上述金属离子的选择性顺序为：Cu2+>Ni2+>Zn2+> Co2+>Mg2+>Mn2+>Ca2+，与Irving-Williams序列基本一致。通过NBO 分析，讨论了配位键的相互作用能。第五章研究了碱基与金属离子水合物。结果指出G、C对Mg2+、Mn2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+的选择性顺序分别为：aCu2+>aNi2+> aZn2+>aMg2+>bCu2+>aMn2+>bZn2+>bNi2+；aCu2+>aNi2+>aZn2+>bCu2+>aMg2+>bZn2+> bNi2+>aMn2+，基本和DNA重卷实验结果相符。氨基酸与RNA碱基间的选择性在生命起源，基因表达和蛋白质合成过程中起着极其重要的作用，本文第二部分在B3LYP/6-311++G**水平，全优化了L－亮氨酸&碱基的16种二聚物结构。通过结构参数比较和相互作用分析得到RNA各碱基对L-亮氨酸的亲合性顺序为：G>C>A≈U，与实验符合的相当好。
杨娥[2]2001年在《金属离子与生物大分子活性位点相互作用的理论研究》文中研究表明本文用量子化学从头算方法对金属离子与核酸、糖、蛋白质活性位点的相互作用及其形成配合物的结构和性质进行较为系统的理论研究，以期预测金属离子在生物体内的功能。 在C_2对称性下用HF/6-311+G~(**)和B3LYP/6-311+G~(**)优化DMP~-及其金属离子（Li~+、Na~+，K~+、Cu~+、Mg~(2+)、Be~(2+)、Ca~(2+)、Zn~(2+)）配合物。所有的金属离子配合物又采用相对论有效芯势（RECP）LanL2DZ基组（除Li~+、Be~(2+)外）做了对照计算；用HF/6-311G~*和B3LYP/6-311G~*优化鸟嘌呤及其金属离子（Li~+、Na~+、K~+、Cu~+、Be~(2+)、Mg~(2+)、Ca~(2+)，Zn~(2+)）配合物，且对Cu~+、Ag~+、An~+、Zn~(2+)、Cd~(2+)、Hg~(2+)配合物用RECP的LanL2DZ基组优化。在RECP计算中所有非金属元素一律采用全电子6-311＋G(d,p)或6-311G(d)基组。在HF构型基础上用MP2计算了单点能。所有几何构型经频率分析证明均是势能面上的能量极小点。相互作用能和自由能计算都做了零点能校正。 计算结果表明：RECP在几何构型优化，总相互作用能计算的定性结论和变化趋势方面是可靠的。∠OPO和∠COP键角增大将使多核苷酸的螺旋变宽和伸长，有利于核苷酸的折迭；二价金属离子配合物中∠OPO和∠COP键角大于一价金属离子，所以二价金属离子比一价金属离子更易使多核苷酸折迭；金属离子至少在两方面有利于C-O酯键的水解：中和磷膦氧上的负电荷从而促进亲核阴离子进攻酯C以及改变C-O和P-O的键长；优化的Mg~(2+)配合物中C-O键比Ca~(2+)配合物长，优化的Mg~(2+)配合物中P-O键比Ca~(2+)配合物短，可推测生物体中Mg~(2+)的催化酯水解能力强于Ca~(2+)。二价金属离子引起配位体的变形较一价金属离子大。配合物随着同族金属离子的原子序数递增，相互作用能逐渐增加，即配合物的稳定性逐渐降低；二价金属离子配合物比一价金属离子配合物不定，且不同族配合物的不定引序为：Ⅱb＞Ⅱa＞Ⅰb＞Ⅰa（除Li~+、Be~(2+)、Mg~(2+)配合物外）。Li~+、Be~(2+)与配位体主要以库仑力相互作用；同主族的其它金属离子随着原子序数递增，主要以s、p轨道与配位体中的孤对电子分子轨道形成的共价键逐渐增强，而Ⅰb族金属离子主要以d轨道同配位体中的孤对电子分子轨道形成较强的共价键；Ⅱb中既具有Ⅱa族的强库仑相互作用力又具有Ⅰb族的d-轨道与孤对电子轨道形成的共价键。 用HF／6－3fiG”和B3LTh／6－3fiG“优化和金属离子则a”、K“、Ca‘”、Mg’”） 与p0－核糖不同位点的相互作用；其中最稳定的配位点与系列金属离子相互 作用，再用HF／6－311＋G””和RECP的LanLZDZ基组（除Li“，Be’－外）优化。 在HF构型基础上用WZ计算了单点能。所有几何构型经频率分析证明均是也 势能面上的能量极小点。相互作用能和自由能计算都做了零点能校正。通过 Mg》、Ca卜、Na＋、K”与00－核糖的不同位点配位的计算和分析可知金属离子O 更易同羟基氧（相对于p－D－核糖的环氧）相互作用，金属离子同时与p－D－核 糖中的 O6、O7、OIO配位最稳定；二价金属离子配合物比一价金属离子配合 物稳定；同一族中，配合物的稳定性随着金属离子原子序数递增而降低。 用 HF／6．3fiG＊＊优化咪陛、甲酞胺、甲硫醇阴离子、甲醇阴离子及其金属 离子配合物（Mg’”、Ca’”、Zn‘”）的构型；Mg’”、Ca’”、Zn’”、Cd’”配合物用 RECP 的LanLZDZ基组（配合物中所有非金属元素均使用6上 树基组卜用HF沁－ 31G”优化 CH3CONHZ，CH3COO”和 CH3CHZCOO及其金属离子（Mg》、Ca卜、 Zn’刁配合物以及 CH3COO“与六水合金属离子（Mgh、Zn’”）和四水合金属高 子（Mg＼ Zn‘O配合物的结构，且 CH3COO”及其四水合金属离子（Mg’＼ Cd’＼ Z二’”）配合物的构型同时采用田LYP优化：所有的m’”配合物采用RE＊P的 LanlZDZ基组优化。在HF构型基础上用MPZ计算了单点能。所有几何构型 经频率分析证明均是势能面上的能量极小点。相互作用能和自由能计算都做了 零点能校正（除四水合金属离子配合物）。计算结果表明：同种金属离子配合 物稳定顺序为：甲醇阴离子＞甲硫醇阴离子＞眯哩＞甲酚氨；咪哇和甲硫醇阴离 子的金属离子配合物稳定）顺序为：h）＞＊y＞＊）＞＊d：甲酚氨的金属离子配 合物稳定顺序为：Z＞’＞＊’”＞n’》＊／；甲醇阴离子的金属离子配合物稳定 ）’匝序为：Zfl’＼ Mg‘”＞CS‘”Cd’”配合物未找到稳定点卜 金属离子与思CH3CHZCOO一、CH3COO丁为强相互作用，而与CH3CONHZ的相互作用相对 一．较弱：所以金属离子易同氨基酸酸根配位，而与肽基本单元配位相应地较弱；
和芹[3]2005年在《Pt（Ⅱ）配合物与DNA及甘氨酸与二价金属离子相互作用的理论研究》文中提出本文第一部分用量子化学从头算方法对一系列铂配合物与核酸大分子活性片断的作用进行研究,以期研究铂抗癌药物的作用实质。碱基对间氢键在维持DNA 双螺旋稳定结构的稳定性有十分重要的作用。第二章在B3LYP/6-31G*水平上,研究一系列铂配合物作用于嘌呤碱基N7 位点对相应碱基对AT、GC 的影响。计算结果显示Pt(II)与AT、GC 碱基对间的作用以静电作用为主。Pd(II)和Ni(II)的相关研究与上述情况一致。实验研究认为反铂具有较强的抗肿瘤活性。第叁章第一部分在B3LYP/6-31G* 水平上,对噻唑取代的反铂与嘌呤碱基的作用体系进行研究。得出反铂更易于与鸟嘌呤配位。同时对相应。pd2+、Ni2+配合物及其交联产物的分析进一步证明反铂与鸟嘌呤配位能力更强。第二部分在同等计算水平上对喹啉取代的反铂作用机理的热力学性质进行初步研究。同时在气相计算基础上,采用PCM 模型,选取一系列极性溶剂,综合考环境影响。计算结果表明气相中与含氮配体作用更强,综合考虑极性溶剂影响,所得结论与气相中计算结果一致。研究发现金属离子对腺嘌呤质子化存在较大影响。用量子化学从头算HF 和密度泛函B3LYP/6-31G*方法研究一系列Pt(II)配合物作用于腺嘌呤碱基对其质子化的影响。选用PCM 模型,综合考虑极性溶剂水影响。同时对相应Pd(II)和Ni(II) 进行研究。计算结果显示气相中静电效应对质子化能力影响为主,不同金属离子对质子化能力影响较小。极性溶剂极大地消除了静电效应影响。NBO 电荷布居分析进一步表明气相中静电效应对质子化影响为主。在B3LYP/6-3 1+G*和B3LYP/6-3 1 1+G*水平上,研究二价金属离子与甘氨酸的相互作用。计算结果表明,同种金属离子的双齿配合物相互作周能和稳定化能大于相应单齿配合物。双齿配位盐桥式构象中各金属离子与甘氨酸相互作用能最大, 其配合物稳定性最高; 同类构象中不同金属离子相互作用能顺序是: Cu~(2+)> Cu~(2+)>Ni~(2+)>Zn~(2+)>Mn~(2+)>Mg~(2+)>Ca~(2+)。稳定化能与相互作用能变化趋势一致,变形能对稳定化能有一定的“微调”作用。
韩大雄[4]2004年在《分子模拟研究老年痴呆致病蛋白结构以及基于酶结构的药物设计》文中认为老年痴呆症(Alzheimer disease，AD)是一种与年龄相关的神经退化性疾病，也是严重危害人类健康的疑难杂症之一，现已确认该疾病在脑部有叁个标志性病理特征：(1)出现淀粉样蛋白Aβ斑点；(2)神经纤维缠结；(3)轴突、树突退化。到目前，医学界和科学界仍然未能找出确切的病因以及行之有效的治疗方法。本文通过分子模拟手段针对AD两个公认的、主要的致病机理进行了深入研究。致病机理之一是在神经冲动传输过程中缺乏乙酰胆碱，乙酰胆碱酯酶能分解乙酰胆碱，因而成为一个被广泛关注的靶分子。抑制剂型AD药物就是基于抑制乙酰胆碱酯酶分解乙酰胆碱从而延长乙酰胆碱的作用、增强记忆而设计的，本文基于胆碱酯酶的叁维结构进行了探索性的抑制型先导药物的设计；AD另一个致病机理是在大脑神经元外出现老年脑斑，该脑斑具有神经毒性，它的蔓延将导致神经元萎缩、坏死。研究表明是淀粉样Aβ多肽逐渐聚集、纤维化并与其它相关蛋白质、聚糖等共沉淀形成了脑斑，诱导Aβ多肽凝聚的可能因素很多，本文着重探讨了锌离子的诱导机理。围绕上述两个方面我们利用分子模拟手段具体完成如下工作： 1．他克林(Tacrine)是第一个上市的能减轻AD症状的抑制型药物，但它对肝脏、胃肠有极大的损害。为了寻找更有效、毒性低的他克林衍生物，我们建立了一种计算结合自由能的新方法，来评价和预测先导药物的活性。预测结合自由能的计算公式如下： ΔG_(bind)是体系结合自由能，G_(complex)是复合物的绝对自由能，G_(protein)是未结合抑制剂的蛋白质绝对自由能，G_(inh+water)被溶剂化的抑制剂绝对自由能，G_(water)溶剂水的绝对自由能。(ΔG_(inh))_(protein)是抑制剂在蛋白环境下的自由能，(ΔG_(inh))_(water)是抑制剂在水溶液环境下的自由能。根据以上公式ΔG_(bind)近似相当于抑制剂从水环境到蛋白环境的自由能变化。对8个他克林衍生物与乙酰胆碱酯酶的结合自由能ΔG_(bind)进行计算，所得结果和生物活性logIC_(50)值进行回归分析，其R~2=0.73，证摘要明了这种新方法的可行性。 2.石杉碱甲杂合体(HuPrineX)是第二代最具潜力的能减轻AD症状的先导化合物之一。为了节省计算机资源、加快对衍生物活性排列顺序的预测，本文进一步改进了计算结合自由能的方案，定义结合自由能由叁部分组成:抑制剂和靶酶的相互作用能(Einter);活性位点残基在结合前后的构象绝对自由能的变化(△GPr。);抑制剂从稳定构象变为活性构象的自由能增加值(△Ginh)。通过计算14个HuPrineX衍生物的结合自由能，结果显示理论值和实验活性值有很好的等级相关性，其斯皮尔曼相关系数为0.85。而且，我们将该方法应用于HuPrinex衍生物的药效基团的改造，获得了几种在理论上预测很有活性的先导化合物。 3.体外实验发现在生理浓度条件下锌离子有很强的诱导Ap多肤聚合的能力。为了探讨锌离子的诱导机理，本文首次通过分子模拟方法研究了在不同环境下锌离子和A爪10一21)多肤的键合模式。计算结果显示在可溶键合模式中，锌离子被包容在由组氨酸残基Hisl4的咪哇N:、肤链主链上的拨基氧以及两个水分子氧形成的四面体络合物中:在纤维化过程中，锌离子可能通过Hisl3(N劝一znZ十一HIS14(N劝桥键将相邻的、不同Ap多肤交叉连接形成纤维束。 总之，本文建立的结合自由能的计算方法将对乙酞胆碱酷酶抑制型药物的设计、合成提供有力的帮助;而对锌离子参与下Ap斑点核形成的可能过程的预测，将为实验揭示锌离子参与下Ap多肤的变构以及斑点核形成过程提供有益的启发。
孙晓甜[5]2016年在《IV和VA族新型纳米材料的电子结构、性能调控及其与酶相互作用的理论研究》文中提出随着石墨烯材料的崛起,二维碳、硅等纳米材料近年来成为物理、材料、生物、化学等领域的研究热点,吸引了众多科研工作者的研究热情。同时新型二维纳米材料不断被发现和研究,比如III-VA族元素构成的二维混合单层材料,砷和锑的二维单层材料等。这些二维纳米材料具有与块体材料迥异的物理和化学性质,在纳米电子器件和生物医学等领域有着重要的应用前景和发展潜力,是目前纳米材料科学中的研究热点。硅,作为碳的同主族元素,其类似于石墨烯结构的二维硅烯材料具有和石墨烯类似的电子性质,即存在近似无质量的超快狄拉克费米子,而硅与当前电子器件材料有更好的兼容性,使得其在未来超快微电子和自旋电子器件方面有良好的应用前景。通过第一性原理计算,系统地研究了过渡金属原子从Sc到Zn嵌入在硅烯单空位和双空位缺陷后其结构的稳定性和磁性。其中,Sc、Ti和Co与硅烯空位的结合能最低,在-6 eV左右;Zn原子的结合能最高为-2 eV。通过研究进一步发现,硅烯本身是不具有磁性的二维材料,但是通过嵌入过渡金属原子(V到Co)可以有效调控硅烯材料的磁性,其中单空位中嵌入Fe原子以及双空位中掺杂Mn原子可以得到大于3μB的有效磁矩。另外,在此基础上掺杂N或者C原子可以进一步增强体系的磁性。磁性的导入为设计硅基纳米自旋电子器件提供了可能性,然而硅烯要想用作器件还必须具有合适的带隙。硅烯零带隙的特殊电子结构限制了以硅烯为沟道的电子装置的关态,导致电流开关比偏低,因此对硅烯电子结构进行一定的调控可以有效拓展硅烯的应用。我们从理论上设计了二维单层III-VA族化合物作为衬底来调控硅烯带隙。采用第一性原理计算系统地研究了单层III-VA族化合物衬底对硅烯的结构和电子性质的影响。对于具有平面结构III-VA族化合物,其与硅烯最稳定的堆迭方式为环环匹配。其中AlN,GaN,和GaP与硅烯之间形成异质结构后,可以在K点打开一个有效的0.1-0.3 e V的带隙。而GaP材料与硅烯材料晶格匹配度最高,通过施加垂直方向的电场可以进一步实现小范围带隙的连续调控。这部分结果为硅烯在不同衬底上的生长提供了理论指导,推动了硅烯在半导体纳米器件中的广泛应用。由于单层硅烯的结构不稳定性,通过对其氢化可以使其稳定性增强,完全氢化以后的硅烯是硅烷,硅烷是具有2.5ev带隙的半导体材料。通过对硅烷部分去氢设计出连续可调带隙的二维硅基材料材料。采用紧束缚和密度泛函相结合的方法系统地研究了大尺度硅烷结构,拟合出二维硅烯的合理紧束缚参数,并通过沿六边形、叁角形、zigzag方向、armchair方向对硅烷材料进行去氢考察其结构稳定性和电子性质。我们的研究结果表明沿着六边形状去氢不但最容易实现,而且在硅烷材料上可实现带隙连续调控。尽管iva族纳米材料(硅烯等)的研究取得很大的进展,为了弥补iva族纳米材料的不足,多种新型二维纳米材料被理论和实验相继发现,其中包括最新实验合成的第va族材料砷烯和锑烯,它们具有和硅烯类似的二维六角结构,由于其宽带隙特性,使其未来可能作为蓝光和uv光下工作的光学器件材料。采用第一性原理方法系统地研究了砷烯和锑烯结构中存在的典型的缺陷结构、稳定性和磁性性质。考虑了典型点缺陷结构,这包括stone-wales(sw)缺陷、单双空位缺陷(svs和dvs)以及吸附原子(adatom)。两个单空位缺陷结合可以形成一个能量更低的双空位缺陷结构。在锑烯上存在555|777的双空位结构,这种缺陷结构的出现可以使其从间接带隙半导体转变成为直接带隙半导体。而单空位缺陷以及吸附原子使得这些半导体材料转变为金属性,且吸附原子行为并不稳定。理论结果为砷烯和锑烯等新型二维材料的生长和应用提供了重要的理论参考。与硅烯类似的石墨烯不仅具有优异的电子性质、稳定存在,而且还具有良好的生物相容性。因此这些材料可以被制成智能化微型电子器件进入生物体内。蛋白质是生命的最小单位,了解纳米材料与生物蛋白之间的相互作用机制是纳米材料在生物体内应用的关键。计算结果表明胰凝乳蛋白酶(cht)可以吸附在石墨烯以及不同曲率的氧化石墨烯(go)表面。通过酶的阳离子和疏水残基吸附在go表面,使得go对酶有很强的抑制作用,我们的结果系统的阐述了go对胰凝乳蛋白酶抑制作用机制。同时,还发现go对胰蛋白酶也有类似的效果。另外,由硅元素构成的硅量子点具有无毒易分解代谢的特性,因此我们使用分子动力学方法深入研究了半径尺寸为4nm和11nm的硅纳米粒子对几种酶(包括细胞色素c,rnasea和溶解酵素酶等)方向位点以及吸附作用的影响。结果表明这叁种酶都可以吸附在4 nm和11 nm的硅纳米粒子表面,并且尺寸相对较小的硅纳米粒子将会引入一个更稳定的结构。此外进一步探索了纳米粒子表面不同官能团(-OH、-COOH、-NH2、CH3)修饰对细胞色素C的影响,其中-COOH修饰的硅纳米粒子对细胞色素C的影响最小。理论结果表明硅纳米颗粒和酶之间存在选择性相互作用。本论文通过第一性原理计算和分子模拟,系统的研究了硅烯、硅烷、石墨烯、氧化石墨烯、硅量子点、砷烯和锑烯等新型纳米材料,探讨了其稳定性、结构与性能之间的理性机制、提升其性能的途径、以及其在光电器件和生物医学等中的应用。
康正中[6]2016年在《生物大分子在材料表面吸附的分子动力学研究》文中指出纳米材料由于其表面的自由能很高,因而在进入生物流体中通过选择性吸附生物分子形成生物分子功能环从而生成新的纳米颗粒。生物分子功能环被认为是纳米材料的识别、靶向、载药、传感等功能实现的关键,同时也是部分纳米材料失去功能或者产生免疫反应的问题所在。纳米颗粒表面生物分子功能环的形成不仅依赖其当前所处的环境,也依赖其所经历的环境。目前对生物分子功能环的认识还远远不够:涉及动力学过程的形成机理仍不清楚,微观环境的改变以及材料的修饰对功能环的影响等仍未有定论。理清这些问题的答案对纳米材料的设计和应用有着重要的指导意义。分子动力学模拟能够在分子水平上直观地反映微观体系中分子之间的相互作用,可提供现阶段实验上很难或无法得到的细节信息,能够对实验设计起到预测和指导作用,是研究纳米材料与生物大分子相互作用的有效手段。本论文运用分子动力学和操纵式分子动力学的方法模拟研究了蛋白质、多肽在不同纳米材料表面形成生物分子功能环的过程,并对其形成的机理以及影响因素从多方面进行了多角度的解析与讨论。首先我们研究了酶在沸石材料表面的吸附过程,并着重分析了吸附过程中的主要驱动力、吸附位点、阻碍作用以及关键残基,考察了蛋白质功能环在沸石材料表面形成的机理和酶活性的变化。接着我们探究了在添加有同一浓度不同离子的溶液环境下,酶在沸石材料的吸附过程,重点考察了不同离子对酶吸附机理以及其与沸石相互作用的影响。最后我们通过构建不同电性的材料来模拟材料的掺杂修饰,研究了材料修饰对多肽吸附以及其构象变化的影响。本论文的主要研究结论如下:1.通过观察凝血酶在沸石表面的吸附过程,发现该蛋白质可以自发的在沸石表面形成蛋白质功能环,静电势能占据了蛋白质与沸石相互作用的80%以上,即静电作用是蛋白质环形成的推动力。沸石上的αα笼子因其小的开口直径和巨大的内部体积成为了蛋白质的吸附位点。沸石表面的四个致密水层是酶吸附的阻力。碱性残基因具有三项重要的特征而成为关键残基:其侧链末端的正电性可以与沸石形成强烈的库仑作用,从而拉动蛋白质吸附在材料表面;侧链末端的直径与沸石α笼子的开口直径接近,从而可以穿过开口进入到笼子内部与沸石笼子形成类似锁-钥的结构,稳定蛋白质的吸附;侧链的长结构有助于残基穿越水层而直接与沸石表面接触。蛋白质的吸附可能会隐藏其表面的底物结合位点以及催化活性位点进而影响蛋白质的对底物的结合能力以及催化活性。2.通过研究不同离子环境中凝血酶与沸石材料表面的相互作用,考察了溶液环境对蛋白质吸附的影响。抗衡离子的加入为蛋白质的吸附提供了新的机理,酸性残基表现出重要作用。水层对蛋白质吸附的阻碍作用表现在两方面:空间上阻止蛋白质与沸石的进一步靠近;能量上与蛋白质的极性残基构建大量的氢键网络锁住碱性和酸性残基减弱蛋白质与沸石的相互作用。溶液中的抗衡离子形成不同功能的离子层:一价阳离子层对蛋白质的吸附没有影响,二价阳离子层位于第二水层,通过与酸性残基形成强烈的静电吸引作用协助其在不穿越水层的情况下增强在沸石表面的吸附;阴离子层同样位于第一和第二水层之间,与沸石竞争性吸附大量碱性残基,减弱其与沸石的相互作用。3.利用碳纳米管表面电荷的不同,我们研究了材料修饰对多肽吸附过程以及其构象变化的影响。葡萄糖氧化酶辅酶结构上不同的部位被带不同电荷的碳纳米管选择性吸附:中性体系中,范德华作用为推动力,辅酶结构上的异咯嗪基团是其吸附在碳管外壁上的关键基团,辅酶结构扭曲成U型;正电体系中,静电吸引作用是其推动力,材料选择性吸附辅酶结构上的磷酸基团,辅酶结构整体贴附在材料表面;而负电体系中,静电排斥力是其主要推动力,材料通过排斥磷酸基团而与辅酶形成最弱吸附,辅酶结构接近其初始的晶体构象。负电体系材料对保持葡萄糖氧化酶活性起着重要作用。通过对蛋白质、多肽在材料表面吸附行为的深化认识,可以为纳米材料的载药、靶向以及传感器等生物医学应用设计提供指导和借鉴意义。
张淑琴[7]2013年在《金属离子与核苷分子相互作用的质谱实验和量子化学理论研究》文中指出金属离子在生物体内起着重要的作用，例如，金属离子对DNA双螺旋结构起着非常重要的稳定作用；核苷是DNA和RNA的基本结构单位，核苷类化合物具有重要的生物学功能，它们参与了生物体内几乎所有的生化反应过程，而这些反应过程的发挥往往离不开金属离子，金属离子在核苷类化合物的生物合成、构象维持、功能发挥与调控等方面起着重要的作用。因此，研究金属离子与核苷分子的相互作用一直受到人们的关注，但是关于金属离子和核苷在气相条件下的相互作用研究的报道却很少。质谱技术可用于气相中研究金属离子与生物相关的分子配合物，特别是电喷雾质谱技术（ESI-MS）已成为一系列关于氨基酸等小生物分子甚至是复杂生物分子如多肽和蛋白质分析研究的重要实验手段；而量子化学方法可以从理论上解释某些实验现象，预测一些反应的过程和结果，并且能从理论上给出实验中难以观测到的如寿命很短的反应中间体或过渡态的结构，从而为实验研究提供帮助和理论支持。本文采用ESI-MS结合密度泛函理论计算(DFT)进行本课题的分析研究。将通过气相条件下环境中常见的重金属铜离子与五种核苷分子相互作用的ESI-MS实验分析，考察一系列的铜-核苷相互作用产物的构型，能量等各种特性，研究铜离子与核苷分子的相互作用机制，同时还对相互作用产物的碰撞诱导解离（CID）过程进行了系统研究，为讨论在相关生命现象中这种相互作用的机理提供一定的科学依据。主要研究内容和结论如下：1）通过ESI-MS实验分析了五种核苷与Cu(NO_3)_2的水/甲醇（30/70）溶液，各种离子[CuLn]~(2+),[Cu(L-H)Ln]~+,[LH]~+,[L2H]~+,[BH]~+,[CuL(MeOH)_n]~(2+)和[CuL(NO_3)_n]~+基本都可以在质谱图中观察到；在铜离子与核苷分子的相互作用中，共价配位键作用在铜离子与胞苷和鸟苷分子的相互作用中表现突出，且铜离子与胞苷的ESI-MS图谱清晰，谱图识别产物匹配度高。2）对铜离子与胞苷相互作用的ESI-MS谱图中离子峰强度产物的结构及特征进行了CID研究发现：[L+H]~+的CID分析可以观察到脱去NH_3, H_2O和CONH等小分子的反应，而[Cu(L-H)Ln]~+(n=0,1)仅观察到糖甙键断开脱去糖环基团或糖环被打破后脱去某个小分子基团的反应；配体间质子转移在所有的[CuLn]~(2+)(n=2-6) CID过程中均可发生,而其他解离反应则包括电荷减少的裂解和中性小分子基团的脱去等；[CuL(MeOH)]~(2+)的CID可以看到中性甲醇分子的脱去和叁种电荷减少的解离过程；[CuLn]~(2+)(n=4-6)的CID过程中有质子化胞苷二聚体[L2H]~+的产生，其结构是由两个胞苷通过氢键作用形成的。3）对铜离子与胞苷相互作用的ESI-MS谱图产物中[CuLn]~(2+)与[LnH]~+的配合物构型的稳定性进行DFT理论分析发现：Cu~(2+)易于与胞苷分子以共价配位键结合形成较为稳定的配合物[CuLn]~(2+)(n=1-4)，[CuLn]~(2+)由Cu~(2+)以4配位形式在一个平面形成配合物形式较为稳定，其中N(3)和O(7)同时为胞苷分子的螯合位点，此时[CuLn]~(2+)稳定性顺序为[CuL2]~(2+)>[CuL]~(2+)>[CuL4]~(2+)>[CuL3]~(2+)；而质子H+也非常易于与胞苷分子以氢键形式结合形成质子化多聚体[LnH]~+(n=1-4)，[LnH]~+的稳定性顺序为[L2H]~+>[LH]~+>[L3H]~+>[L4H]~+；ESI-MS谱图中离子峰强度与稳定性顺序基本一致，但是没有观察到[CuL]~(2+)可能是由于铜更倾向于形成4配位的形式，因此[CuL]~(2+)与1-2个甲醇分子极易进一步配位，形成更为稳定的复合物分子[CuL(MeOH)1-2]~(2+)；而离子峰[LH]~+强度较大可能是由于Cu~(2+)-胞苷配合物的CID过程产生的。4） DFT计算和空间结构分析比较铜离子与胞苷和鸟苷分子的配合物[CuLn]~(2+)与[CuGn]~(2+)的同分异构体，研究发现：鸟苷分子倾向于以N(7)与铜离子形成Cu-N配位，然后与其它鸟苷分子以氢键结合形成较为稳定的铜-鸟苷配合物；胞苷则是以N(3)和O(7)同时与铜离子配位，并在ESI-MS图中表现出较高的离子峰强度。通过对[CuLn]~(2+)与[CuGn]~(2+)(n=2-4)进行CID反应途径计算分析，在较低碰撞能量下显示[CuLn]~(2+)的CID过程以质子转移为主，而[CuGn]~(2+)则是电子重排后发生电子转移。理论计算结果还表明胞苷叁配体易于发生质子转移失去一个质子配体[CuL(L-H)]~+，而鸟苷叁配体则是生成脱去一个分子自由基阳离子的二配产物[CuG2]~+。5）采用多级CID和DFT计算分析质子化胞嘧啶阳离子的同分异构体，结果表明质子化胞嘧啶阳离子和中性胞嘧啶分子在整体结构上很接近，但由于质子化氢的加入，整个胞嘧啶阳离子中的电荷进行了重新分配，质子化加氢后嘧啶环上与加氢的N(3)相连的两个C-N键长略有增加，而嘧啶环上其他的键长都有所紧缩。在气相中不同质子化胞嘧啶阳离子构型的转化过程有O-H键的σ旋转、嘧啶环上杂原子之间[1,3]-质子转移和[1,4]-质子转移等。采用类似方法对其他质子化核苷和质子化核苷碱基的多级CID过程分析和计算，结果均发现质子化核苷打破糖甙键，CID过程脱去糖环；解离后，质子化核苷碱基的一次CID过程基本为脱去HNCO、H_2O、CN2H_2、NH_3和HCN等小分子的反应，此外质子化核苷碱基（胞嘧啶，鸟嘌呤，胸腺嘧啶和尿嘧啶）的多级CID过程均有脱去CO的反应，而质子化腺嘌呤的多级解离产物均为HCN。本论文的创新点：1)采用ESI-MS质谱技术分析了核苷分子与铜离子在气相条件下相互作用的产物，同时结合高精度DFT计算在理论上准确分析了产物的构型及特征；2)率先对金属离子与生物配体复合体产物的构型及稳定性进行了分析研究，确定了复合物种金属离子与配体的化学键特征；3)采用多级CID对质子化胞嘧啶等核苷碱基进行了综合分析，基本掌握核苷碱基在生命体内的迁移降解转化、新陈代谢机制。
付婷[8]2013年在《若干蛋白质与配体识别分子机制的理论计算》文中提出蛋白质主要是通过结构变化及分子之间的相互作用而发挥生物学功能。目前,理论计算已经成为研究蛋白质功能的有效手段。蛋白质结构的动态变化及其与配体间结合自由能的准确计算,是分子模拟研究蛋白质功能的核心问题之一。本文综合利用同源模建、量子化学、分子动力学模拟及结合自由能计算等理论计算方法,分别研究了野生型aIIbβ3整合素及其几种重要突变体与配体RGD的结合能力,Aurora A与两种小分子抑制剂之间的相互作用模式,不同二价阳离子对牛痘相关激酶构象的影响,以及考察了不同电荷模型对蛋白质与配体结合自由能计算的影响。主要内容包括：1、采用分子动力学模拟和结合自由能计算相结合的方法,证实了将αIIbβ3整合素中β3整合素252位上的Ala突变成Asp时,会导致配体的结合能力下降；当同时合并一个ADMIDAS残基(D126A或D127A)突变时,配体的结合能力增强；而同时合并两个ADMIDAS残基(D126A/D127A)突变时,配体的结合能力基本消失。2、采用基于GPU加速的长时间尺度分子动力学模拟和结合自由能计算相结合的方法,分别对高亲和力抑制剂HPM和低亲和力抑制剂2JZ与Aurora A的结合机制进行研究。结果表明范德华相互作用是抑制剂与Aurora A结合的主要驱动力,而非极性溶剂化能也提供了轻微的有利贡献。HPM具有更高亲和力的原因是能够与Aurora A产生更强的疏水作用,并且与Aurora A中的残基Argl37之间形成了稳定的氢键作用。3、采用同源模建和分子动力学模拟方法探讨二价金属离子Mg2+和Mn2+,对牛痘相关激酶(VRKs)家族叁个成员(VRK1,VRK2和VRK3)的结构稳定性和动态行为的影响,模拟结果证实活性位点处Mg2+的结合有助于稳定VRK1和VRK2的结构,Mn2+稳定VRK2的结构,而无论有无金属离子的结合,假激酶VRK3的结构都非常稳定。4、分别考察了AM1(Austin Method, version1)-BCC(Bond Charge Correction), MNDO(Modified Neglect of Diatomic Differential Overlay), PM5(Parameterisation Model, version5), MUL(MuIliken), CM2(Charge Model2), CM3(Charge Model3), RESP (Restrained Electrostatic Potential)和QM/MM(Quantum Mechanics/Molecular Mechanics)这八种不同电荷模型,对MM/PBSA方法计算蛋白质与配体结合自由能准确性的影响。叁个测试体系的计算结果显示MNDO电荷比较适合于PKB(Protein Kinase B)体系,QM/MM电荷比较适合于CDK2(Cyclin-Dependent Kinases2)体系,而所考察的八种电荷模型对结构差异很大的配体绑定到不同蛋白质的复合物体系预测效果不佳。由以上结果可知,αⅡbβ3整合素中Ala252残基与配体的结合能力有关；疏水作用和氢键作用在Aurora A与配体结合中发挥重要作用；金属离子对VRKs家族叁个成员的结构稳定性发挥不同的作用；电荷模型是影响MM/PBSA方法计算准确性的一个重要因素。
靳竞男[9]2016年在《多环芳烃降解菌的筛选及基于靶标酶结构的降解机制研究》文中进行了进一步梳理在本研究中,我们以原油为研究对象筛选出了高效的多环芳烃(PAHs)降解菌,对其降解能力、降解产物、生物活性及底物利用范围进行了研究；通过同源模建方法得到了靶标酶的叁维晶体结构,利用分子对接技术对PAHs与靶标酶活性位点之间的结合状况和相互作用机制进行了研究。具体研究内容如下：1.以高浓度的芘和荧葸为唯一碳源从大港油田的原油样本中筛选得到了两株高效的芘和荧蒽降解菌,分子生物学鉴定结果表明：芘降解菌属于假单胞菌属,命名为Pseudomonas. sp. JPN2;荧蒽降解菌属于微杆菌属,命名为Microbacterium paraoxydans JPM1。2.芘降解菌JPN2在25 d的降解试验之后,对芘的降解率达到了82.88%。在液相降解体系中共检测到五种芘降解产物：4,5-二羟基-4,5-二氢芘、4-菲酚、1-羟基-2-萘甲酸、1-羟基萘和邻苯二甲酸。在此基础上,我们推测芘在菌株JPN2中的生物降解起始于C4-C5原子的双羟基化反应,并涉及了邻苯二甲酸路径。菌株JPN2具有广泛的底物利用范围,能够有效利用芘之外的其它15种芳香性和非芳香性化合物作为唯一生长底物。其中,JPN2能够有效利用水杨酸作为唯一生长底物,说明了在JPN2中可能同时存在水杨酸降解路径。此外,微量热测试结果表明JPN2对芘具有高度的耐受性,在100～400 mg/L芘浓度下,菌株JPN2的生长活性几乎不受影响。3.利用PCR扩增出了菌株JPN2中编码萘双加氧酶α大亚基的nahAc基因序列,经过基因序列的ORF分析翻译得到了靶标酶的氨基酸序列；以107N为模板,利用同源模建方法构建出了菌株JPN2体内萘双加氧酶α亚基的三维晶体结构模型(JPN2-NDO),并对JPN2-NDO进行了分子动力学优化和基于Ramachandran检测图的结构合理性验证。4.利用分子对接方法研究了芘和JPN2-NDO活性位点之间的结合方式和相互作用机制。理论分析结果表明,芘分子结构中的C4和C5原子是距离双氧分子最近的碳原子,并且能够与其周围的氨基酸残基和辅因子发生相互作用,在理论上该位点是最易于被激活后的氧原子进攻并发生双氧化反应的位置。同时,降解产物的4,5-二羟基-4,5-二氢芘的鉴定结果也同时验证了分子模拟研究的理论分析结果。最终,基于降解产物鉴定和理论分析结果揭示了芘在菌株JPN2体内的生物降解机制。5.荧葸降解菌JPM1的生物降解能力与细菌的生长活性成正相关性。在25 d的降解试验结束之后,菌株JPM1对荧蒽的降解率达到了91.78%。在荧蒽的生物降解过程中共检测到四种降解产物：9-芴酮-1-羧酸、9-芴酮、邻苯二甲酸和苯甲酸。菌株JPM1能够利用荧蒽之外的其它12种含碳化合物作为唯一生长底物,具有较广泛的底物利用范围。微量热法分析结果表明：低浓度的荧蒽(25 mg/L)对JPM1的生长活性有促进作用；在100-400 mg/L浓度时,荧蒽对JPM1生长活性的影响非常微弱；当荧蒽浓度升高至1600和3200 mg/L时,其抑制率分别达到了12.80%和30.34%。在低浓度的芘和荧蒽存在下,JPN2和JPM1表现出相似的抑制效果,但是在较高浓度条件下二者的抑制率出现显着的区别。6.在酶的活性空腔结构比对中发现,靶标酶JPN2-NDO和模板107N的活性位点中共有6个氨基酸位点存在差异。107N中亲水性的Thr308在‘JPN2-NDO中由疏水性的Va1232替代,这种替换能够增加活性位点的疏水性,有利于芘的结合。Ser225、Met306、Trp358和Glu359分别替换为Gln149、 Ala230、Tyr267和Ser268,后者具有更小的体积,但极性保持不变。亲水性的中性氨基酸Tyr207替换为体积更小的疏水性的Leul31,这种替换有利于减小活性空腔以及空腔入口处的空间位阻效应,更加有利于疏水性的高分子量PAHs与活性空腔之间的结合作用。酶活性位点之间的这种结构差异可能是导致不同种属细菌之间产生生物活性差异的主要因素之一。本研究为PAHs降解菌进一步的基因修饰与改造、以及在污染位点中的实际应用提供了相应的理论依据。
陈欣[10]2014年在《发展基于高分辨质谱分析的快速筛选靶蛋白抑制剂的方法》文中提出蛋白质-配体相互作用的研究在早期药物发现中具有重要价值。目前分析蛋白质-配体相互作用的工具有很多,例如核磁共振法、等温滴定量热法、表面等离子共振法等。近年来,质谱技术平台凭借其高灵敏度、高选择性和同时检测多种小分子的能力成为新药发现领域的新兴力量。应用质谱分析蛋白小分子相互作用的方法主要有两种,一是直接分析蛋白配体复合物,该方法可获得结合化学计量学及亲和力方面的信息,二是间接检测蛋白配体复合物上解离下来的特异性小分子,间接判断蛋白配体亲和力方面的信息。针对几乎抵抗所有抗生素的超级细菌金属p-内酰胺酶的抑制剂的鉴定,我们平行建立了两套方法,一套质谱直接检测法,一套超滤UPLC-MS法。通过对这两套方法得到的数据进行比较后发现,间接超滤UPLC-MS法具有更好的重现性及适用性。结合两套质谱分析数据、酶活数据、竞争性实验数据以及结构模拟数据,我们找到了一个有望成为NDM-1候选药物的小分子抑制剂。在NDM-1的后期实验中,我们成功在一个小型小分子片段库混合物中筛选出了结合NDM-1的小分子配体,该实验为接下来将超滤LC-MS方法应用于更加复杂的筛选体系树立了信心。然后,我们用优化的超滤UPLC-MS的方法筛选小分子片段库,以求找到针对靶蛋白丙型肝炎病毒NS5B RNA聚合酶的抑制剂。经过对含384个小分子片段的片段库的初次筛选以及验证筛选,我们筛选出了12个小分子片段,我们通过SPR实验估测了这些小分子片段和NS5B的亲和力,并且获得了其中7个小分子片段和NS5B蛋白复合物的结构,这些数据相互验证并指导下一步的小分子优化,使之有望成为候选抑制剂。
参考文献：
[1]. 金属离子及氨基酸与核酸活性位点配位选择性的理论研究[D]. 赵亚英. 福州大学. 2004
[2]. 金属离子与生物大分子活性位点相互作用的理论研究[D]. 杨娥. 福州大学. 2001
[3]. Pt（Ⅱ）配合物与DNA及甘氨酸与二价金属离子相互作用的理论研究[D]. 和芹. 福州大学. 2005
[4]. 分子模拟研究老年痴呆致病蛋白结构以及基于酶结构的药物设计[D]. 韩大雄. 山西大学. 2004
[5]. IV和VA族新型纳米材料的电子结构、性能调控及其与酶相互作用的理论研究[D]. 孙晓甜. 苏州大学. 2016
[6]. 生物大分子在材料表面吸附的分子动力学研究[D]. 康正中. 浙江大学. 2016
[7]. 金属离子与核苷分子相互作用的质谱实验和量子化学理论研究[D]. 张淑琴. 上海大学. 2013
[8]. 若干蛋白质与配体识别分子机制的理论计算[D]. 付婷. 大连理工大学. 2013
[9]. 多环芳烃降解菌的筛选及基于靶标酶结构的降解机制研究[D]. 靳竞男. 北京科技大学. 2016
[10]. 发展基于高分辨质谱分析的快速筛选靶蛋白抑制剂的方法[D]. 陈欣. 南开大学. 2014
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