EK多肽折叠以及离子浓度和pH值依赖性的计算研究

我们分别运用了传统AMBER03力场以及极化力场研究了EK多肽在不同离子浓度和pH值条件下的折叠.其中极化力场源于我们近期发展的可调的氢键专一性电荷方案.这两种力场的差别仅仅在于原子电荷的不同.溶剂化效应用推广的波恩模型描述.结果表明,当使用AMBER03电荷时,尽管多肽倾向于形成螺旋结构,但是对离子浓度和pH值的依赖关系定性上是错误的.而当使用可调的氢键专一性电荷方案时,EK多肽在10ns内就达到了折叠态.在高离子浓度或者极端pH条件下,计算得到的螺旋结构的概率降低.对于原子电荷以及主链氢键相互作用的分析表明极化效应增加了螺旋结构的稳定性.该研究结果再一次证明了静电极化效应对提高传统力场的精度以及对蛋白质折叠的研究都是非常必要的.进一步的分析说明,间隔4个残基的盐桥作用虽然对稳定蛋白质结构起到了一定的效果,但并不是关键作用,这和实验是吻合的.     

室温离子液体的分子动力学模拟

室温离子液体作为一种新型的反应介质正在受到人们的关注,近十年来成为了化学领域的研究热点。随着人们对离子液体结构与性质研究的不断深入和计算方法的快速发展,分子模拟已是研究离子液体的结构和性质的有力工具。本文介绍了分子动力学(molecular dynamics,MD)的基本原理,分子力场的种类,以及离子液体分子动力学模拟一般采用的AMBER、OPLS和CHARMM三种力场的构建形式。综述了近年来纯组分离子液体、混合组分离子液体分子动力学模拟方法研究取得的成果和最新进展,并分析了主要存在的问题。展望了离子液体分子动力学模拟的研究方向和前景,同时还提出了包含极化作用和静电远程作用的离子液体分子动力学模拟研究的基本思路。     

3种黄酮醇ESI-ITMS准分子离子构型的密度泛函理论分析

采用密度泛函理论(Density functional theory,DFT)B3LYP方法,通过全几何结构优化、二面角柔性势能扫描,对山奈酚、槲皮素、杨梅素3种黄酮醇分子的优势构象及电喷雾离子阱质谱(ESI-ITMS)负离子模式下准分子离子的最优构型进行了研究,并从能量参数、构型参数、质谱实验角度对准分子离子的最优构型作出了确证。结果表明:山奈酚、槲皮素和杨梅素分子二面角D(1,2,1',6')均接近0°,分子的优势构象均为B环与A,C环处在同一平面上的构象;在负离子模式下,自动及手动扫描方式得到的山奈酚、槲皮素、杨梅素的二级质谱的复杂程度依次减弱,各分子失去羟基氢所形成的准分子离子结构共轭链增长、共轭效应加强;山奈酚存在两种低能量的准分子离子构型,即失去B环4'位羟基氢与失去A环7位羟基氢的构型,槲皮素与杨梅素失去B环4'位羟基氢的总能量最低、构型最稳定,且山奈酚、槲皮素、杨梅素准分子离子构型的稳定性依次增加。该研究可供进一步探索黄酮醇类化合物ESI-ITMS负离子模式下的质谱裂解规律参考。     

纳米通道单分子检测P53蛋白与DNA的弱相互作用

利用基于α-溶血素(α-HL)的纳米通道单分子检测技术在单分子水平上探测位于肿瘤抑制蛋白P53 DNA结合域的多肽分子(P53-P)与含有p21^waf1/cip1基因结合域的双链DNA (B40)之间弱相互作用. 在电场力的作用下, 单个P53-P/B40复合物被α-HL纳米通道捕获并限制在其前庭中. 通过空间限域作用, P53-P与B40之间的弱相互作用被放大为具有显著电压依赖性的复合物-α-HL间强烈的相互作用, 从而产生极易分辨的离子流特征阻断信号. 统计分析特征阻断信号显示P53-P与B40之间的弱相互作用使得B40产生微小的构型变化. 分子对接模拟进一步证明, P53-P能够插入B40的小沟并使得小沟间距变窄. 因此, 基于α-HL的纳米通道单分子检测技术可以作为研究单个生物大分子间弱相互作用的超灵敏分析方法.     

DNA小沟结合二脒:水分子的识别作用

采用分子动力学模拟了DB921-DNA复合物, 通过7 ns的模拟研究表明: DB921一端的氨基氮原子与一个水分子形成氢键, 同时, 水分子又与DNA的5位A碱基的氮原子形成一个氢键. 水分子在DB921与DNA小沟结合中起了桥连的作用, 使得直线型的芳香二脒化合物DB921通过水桥与DNA小沟结合, 水分子诱导DB921分子与DNA的小沟域构型相适应, 与DNA小沟域的AATTC碱基有较强的结合作用. 在分子水平上提供了DB921与双螺旋DNA相互作用的结构及复合物的动态变化情况, 指出水分子在DNA小沟结合二脒化合物中的识别作用, 为设计出更高生物活性的DNA小沟结合剂提供一定的理论依据.     

一种苊并杂环有机小分子嵌入DNA的几何学模式研究

利用圆二色谱(CD)、紫外-可见吸收光谱以及荧光光谱等方法对苊并杂环化合物8-氧-8H-苊并[1,2-b]吡咯-9-腈(A1) 与小牛胸腺DNA(CT DNA) 的相互作用进行了研究. 结果表明, 随着n(A1)/n(CT DNA)的变化存在两种不同的几何学结合构型. 当n(A1)/n(CT DNA)值低于0.20时, A1分子与DNA的结合方式是不均一的, 化合物分子以多种角度嵌入到DNA碱基对之间. 表现为A1-DNA复合物的诱导圆二色光谱图上较小的正峰和紫外吸收光谱图缺省等吸收点. DNA的特征圆二色谱图表明, 在n(A1)/n(CT DNA)≤0.20范围内, CT DNA的构象从标准的B型转化为A-like型; 当n(A1)/n(CT DNA)>0.20时, 诱导圆二色光谱由正峰转变为强度大、波形复杂的负峰, 表明A1分子开始堆积到DNA螺旋的表面, 同时DNA的二级结构发生了进一步变化.     

Cu2+诱导丙氨酸质子迁移机理的理论研究

采用B3LYP/6-31++G(d,p)和M06/6-31++G(d,p)方法研究了Cu2+诱导丙氨酸质子迁移机理,两种方法均得到8个稳定构型(1个两性的和7个中性的)和7个过渡态,构型转化途径一致。两种方法对构型结构的计算结果非常接近,都确认两性构型最稳定,但是认为7个中性构型稳定性的次序不同。采用CCSD/6-31++G(d,p)方法进行了能量校正,表明最稳定的是中性构型,结合能为-217.14kcal/mol,两性构型是次稳定结构;中性构型稳定次序与M06方法的一致,并表明M06方法的能量比B3LYP的好。C—O键和C—C键的旋转(能垒范围分别是2.31~17.49 kcal/mol和4.89~8.95 kcal/mol)以及质子在羧基O原子间的迁移(正逆反应能垒分别为54.99和31.06kcal/mol)导致中性构型间的转化;质子从羧基迁移到氨基导致中性构型变为两性构型(能垒为20.71 kcal/mol)。Cu2+使丙氨酸的电子云向Cu2+偏移,导致N6原子负电荷减少,降低了N6原子对H8原子的库仑作用,钝化了共价键B(O4—H8),动力学上不利于H8质子迁移。     

ClC(O)NCS分子振动光谱的理论研究

采用密度泛函理论DFT(B3LYP)方法,以6-31G^*为基组对ClC(O)NCS的反式和顺式两种构型的几何结构、振动谐性力场和红外光谱进行了研究.B3LYP/6-31G^*的理论力场由适用于B3LYP/6-31G^*计算水平和大多数有机分子的一套固定标度因子进行标度.根据标度后的理论力场进行简正坐标分析得到的势能分布(PED)和红外光谱强度值对ClC(O)NCS分子的顺式和反式两种构型的振动基频进行了理论归属.     

槲皮素与桑色素ESI-MS裂解行为的比较分析

运用量子化学方法辅助解析并比较槲皮素与桑色素在电喷雾离子阱质谱(ESI-MS)负离子模式下的裂解行为。依据密度泛函理论(Density functional theory,DFT),在B3LYP/6-31G(d)水平,对槲皮素与桑色素的分子空间构型进行优化,确定稳定的几何构型与去质子化位点,在RB3LYP/6-31+G(2d,2p)水平,计算相对碎裂电压下的二级质谱中碎片离子处于稳定状态时的能量,通过比较准分子离子稳定构型并结合基组重叠误差(Basis set superposition error,BSSE)校正后的键解离能(Bond dissociation energy,BDE),推导了质谱碎裂过程。结果显示:槲皮素的稳定构型为A,B,C环处于同一平面,桑色素上的2'-OH使得B环与AC环之间翻转一定角度,二面角D(1,2,1',6')为-134.662 4°。槲皮素与桑色素的质谱裂解过程主要通过C环跨环裂解产生,且具有多种开裂方式,开裂先后顺序为:1,2开裂、0,2开裂、1,3开裂、1,4开裂与0,4开裂,分别生成碎片离子1,2A-,0,2A-,1,3A-,1,4A-与0,4A-,并逐步进行后续裂解,而2'-OH的存在促进了桑色素的裂解。该研究为进一步揭示黄酮醇类化合物的质谱裂解规律提供了理论依据。     

应用QM与ABEEM/MM结合的方法研究NAMI-A的结构性质

应用量子力学(QM)与ABEEM浮动电荷力场(ABEEM/MM)相结合的方法研究了抗癌药物NAMI-A在水溶液中的结构性质. 所有的结构优化都是在DFT的B3LYP方法下采用6-31G(d,p)和LanL2DZ基组完成的, 没有加入任何限制性条件. 结果表明, 优化得到的NAMI-A构型受不同环境及方法的影响均有变化. 与气相中得到的构型相比, QM/MM迭代优化得到构型要比PCM的构型变化更明显. QM/MM (ABEEM/MM)迭代优化得到的NAMI-A构型比QM/MM (OPLS-AA)的变化要小. 总之, 溶剂通过极化效应对NAMI-A结构、电荷分布及径向分布函数等性质均有影响, 客观地处理极化效应才能正确地反映QM区的性质.     

La/ZSM-5分子筛热稳定性及镧存在形态研究

借助密度泛函方法,从理论上证实了当催化裂解工艺的催化剂(ZSM-5分子筛)中引入少量镧离子时,其热稳定性得到了显著的提高,主要是由于镧离子与分子筛之间发生了强的相互作用,使得最易发生断裂的键(Al-O键)变得更加牢固,从而有效地延缓了脱铝进程. La(OH)2＋的降解产物中,LaO(OH)的形成几率最大. LaO(OH)和分子筛作用可形成两种稳定的结构Z－ La(OH)2＋和Z-LaO(OH). 其中Z－La(OH)2＋是常温下的稳定构型,而Z-LaO(OH)是温度较高时的稳定构型,此构型中的镧离子可提供L酸作为反应的活性中心,为探索催化反应机理提供了有力的理论依据.     

栗钙土胡敏酸分子三维结构模型构建及其优化

本研究的目的在于确定胡敏酸的分子结构,探究其结构与性质的关系。综合应用了元素分析、红外光谱、13C核磁共振波谱等仪器分析方法对内蒙古草原样地栗钙土土壤的胡敏酸分子结构特征进行比较分析,并基于实验结构数据构建了土壤胡敏酸结构单元模型,通过模拟光谱与实际光谱比较验证了构建的二维结构有很大的可适性。借助Hyperchem软件,在MM+、AMBER、OPLS三种力场下应用分子模拟方法对三维单体结构进行分子力学、分子动力学结构优化。结果表明土壤胡敏酸的三维结构单体在AMBER力场下生成热最小,等于-1638.87 kJ/mol,所以其构象最为稳定。同时模拟其处于水环境下的分子结构,总势能及各种能量在优化前后有变化,但总体来说各种状态都较稳定。     

B掺杂SWCNT表面吸附DNA碱基的理论研究

采用基于密度泛函理论的LDA (PWC)方法对比研究了纯单壁纳米碳管(SWCNT)和B掺杂单壁碳纳米管(B doped SWCNT)表面吸附DNA碱基(腺嘌呤)A、(胸腺嘧啶)T、(胞嘧啶)C、(鸟嘌呤)G的吸附特性和本质, 计算研究了最佳吸附位点, 吸附能, 以及稳定吸附模型的电子结构. 结果表明掺杂元素B的引入不会造成SWCNT的结构畸变, 可以局部影响碳纳米管的电子结构, 有效增强SWCNT与DNA碱基之间的电子相互作用, DNA碱基以化学吸附的形式修饰在B掺杂SWCNT的表面. 研究结果预示B掺杂SWCNT表面修饰DNA碱基有潜力成为DNA生物传感器生物识别界面的主要成分.     

不饱和类锗烯H2C=GeLiCl的DFT研究

采用密度泛函理论方法,在B3LYP/6-311G(d.p)水平上研究了不饱和类锗烯H_2C=GeLiCl的结构及异构化反应.结果表明,不饱和类锗烯H_2C=GeLiCl有三种平衡构型,其中非平面的p-配合物型构型能量最低,是其存在的主要构型.对平衡构型间异构化反应的过渡态进行了计算,求得了转化势垒.计算预言了最稳定构型的振动频率和红外吸收强度.     

SiOM(M=Li,Be,B,Na,Mg,Al)分子结构的DFT研究

利用Gaussian-94计算程序,B3LYP方法,6-311+G(2d)6d基组,对SiOM(M=Li,Be,B,Na,Mg,Al)诸体系的几何结构进行优化.结果表明,M既可与SiO中的Si键合,也可与O键合.第一和第二主族的SiOM体系以折线形构型为最稳定构型,而第三主族则以近直线形或直线形构型为最稳定构型.从Si-O间键长R_SiO、力常数f_SiO及自然键轨道分析可知,第一主族的SiOLi和SiONa的最稳定构型中SiO-M间的离子键成分较大,可近似看作离子键;而对SiOLi,SiOBe,SiOB和SiOMg体系的以Si为中心的构型,M-SiO间的离子键成分很小,不能看作离子键,可认为M与SiO之间存在着弱相互作用     

低温基质隔离红外光谱和从头算研究CF~2O...IF

在10K Ar和Xe基质中测得CF_2O…IF的两种分子间配合物A和B的红外光谱,观察到A和B之间的异构化反应.采用量子化学从头计算,在MP_2/LANL2DZ水平上计算得到A和B的平衡构型的结构参数和振动频率.IF与CF_2O的相互作用引起CF_2O的C(?)O双键伸长、C—F键缩短,导致v_C=O的红移和V_(CF_2)的蓝移.由势能曲线可看出,A的势能比B高23kJ/mol,表明B比A稳定,升温能够发生A向B的转化.     

不饱和类锗烯H2C=GeLiCl的DFT研究

采用密度泛函理论方法, 在B3LYP/6-311G(d, p)水平上研究了不饱和类锗烯H2C=GeLiCl的结构及异构化反应. 结果表明, 不饱和类锗烯H2C=GeLiCl有三种平衡构型, 其中非平面的p-配合物型构型能量最低, 是其存在的主要构型. 对平衡构型间异构化反应的过渡态进行了计算,求得了转化势垒. 计算预言了最稳定构型的振动频率和红外吸收强度.     

不饱和类硅烯H_2CSiNaCl的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论方法,在B3LYP/6-311G(d,p)水平上研究了不饱和类硅烯H2CSiNaCl的结构.结果表明,不饱和类硅烯H2CSiNaCl共有4种平衡构型,其中非平面的p-配合物型构型能量最低,是不饱和类硅烯H2CSiNaCl存在的主要构型.对平衡构型间异构化反应的过渡态进行了计算,求得了转化势垒.计算预言了最稳定构型的振动频率和红外强度.     

不饱和类硅烯H2C=SiNaCl的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论方法,在B3LYP/6-311G(d,p)水平上研究了不饱和类硅烯H2C=SiNaCl的结构.结果表明,不饱和类硅烯H2C=SiNaCl共有4种平衡构型,其中非平面的p-配合物型构型能量最低,是不饱和类硅烯H2C=SiNaCl存在的主要构型.对平衡构型间异构化反应的过渡态进行了计算,求得了转化势垒.计算预言了最稳定构型的振动频率和红外强度.     

半胱氨酸阴离子与咪唑阳离子间相互作用的理论研究

采用密度泛函理论在B3LYP/6-311＋G(d,p)水平上对1-乙基-3-甲基咪唑阳离子和半胱氨酸阴离子形成的气态阴阳离子对([Emim][Cys])进行理论研究. 通过几何结构优化以及频率分析得到势能面上7个稳定的离子对构型. 计算结果表明[Emim]＋和[Cys]－之间存在较强的氢键相互作用, 其稳定化能主要来源于[Cys]－中羰基O的孤对电子lp(O) 和[Emim]＋中C—H反键轨道 s*(C—H) 之间的相互作用, lp(O)®s*(C—H). [Emim][Cys]_S1是最稳定的离子对构型, 考虑BSSE的相互作用能为－387.66 kJ/mol. 从NPA和NBO分析以及AIM (Atoms in Molecules)计算等方面阐述了半胱氨酸阴离子与咪唑阳离子之间氢键相互作用的本质, 并初步探讨了阴阳离子对相互作用对氨基酸离子液体性质的影响.