非共价相互作用对大分子体系结构及稳定性影响的计算研究

【摘要】非共价相互作用广泛地存在于自然界之中。对非共价相互作用的研究催生了新的学科,比如超分子化学。大量的化学过程涉及非共价相互作用,比如,催化、药物合成、分子识别、自组装。实验研究表明通过调控非共价相互作用可以产生大量的化学现象。不过,大部分现象尚未在分子或电子水平给出合理的解释。另一方面,由于理论化学和计算机科学的快速发展,计算化学家现在已经能够通过量子力学计算来研究非共价相互作用。但是相对于海量的实验工作,这些计算工作仍然很有限。由于实验中所涉及的体系都较大,计算研究时密度泛函理论(DFT)成了首选工具。DFT方法不但计算上很经济,而且能够提供令人满意的精度(如果选择合适的泛函)。另一方面,abinitio相关方法虽然能够给出非常精确的结果,但是对于大分子体系其计算量通常十分巨大。由于存在大量的泛函,对于所研究体系选择合适的泛函十分关键。本论文的主要工作包括：(1)评估一系列泛函在描述分子内色散相互作用时的表现；(2)研究分子内色散作用和氢键对大的多肽体系结构和稳定性的影响。本论文的主要工作可以总结如下：1.在第3章,我们评估了多个密度泛函在描述分子内色散相互作用时的性能。以一组大的正烷烃体系为研究对象,对任一泛函我们计算每个正烷烃体系的all-gauche型构象与对应的all-trans型构象的能差。通过GEBF方法,我们得到了CCSD(T)水平下的构象能差,并且选择它为参考数据。结果表明：M06-2X泛函具有最好的性能,MPWB1K次之。其他的泛函都明显地高估了构象能差。使用Grimme的D3校正之后,大部分泛函的结果都得到了明显的改善。特别是LC-wPBE-D3给出了同M06-2X非常接近的结果。我们的结果表明,M06-2X非常适合研究含有显著色散相互作用的大分子体系。2.在第4章中,对于五种含有16残基的多肽,我们通过量子力学计算研究了每种多肽五种构象的结构和稳定性。所研究的体系为：AcA15K,Ac(AGG)5K,AcG15K,AcG6A3G6K和ACG3AG5AG4AK,它们均由甘氨酸残基和丙氨酸残基组成。所使用的计算方法为GEBF-M06-2X。对于AcA15K、Ac(AGG)5K、AcG6A3G6K和VcG3AG5AG4AK,所研究的五种构象中310-helix在热力学上是最稳定的,而对于AcG15K,球型构象是最稳定的。对于体系Ac15K、Ac(AGG)5K和AcA15K,随着比值A/G的增加,在气相中它们形成螺旋的趋势逐渐增加。对于AcG6A3G6K和AcG3AG5AG4AK,丙氨酸残基在二者当中的分布是不同的。后者比前者拥有更大的形成螺旋结构的倾向。DFTB和Charmm22对于这些大体系多肽的构象能差并不能给出一个令人满意的描述。3.在第5章,我们结合分子动力学和密度泛函计算,研究了两种非天然多肽在晶体环境下和气相当中的低能量结构。所选择的两种非天然多肽为Boc-[Aib-β3(R)Val]4-OMe和Boc-[Aib-α(S)Val]4-OMe。对于这两种体系,计算结果表明气相最低能量结构为混合螺旋结构,而不是纯的类a-helix结构或者类310-helix结构。对于Boc-[Aib-β3(R)Val]4-OMe,计算结果表明对应的无限长多肽链具有类a-helix结构,同实验结果一致。对于Boc-[Aib-a(S)Val]4-ONMe,计算结果表明无限长多肽链具有类310-helix结构,同观察到的晶体结构一致。我们的计算结果表明,晶体环境中稳定存在的构象同气相中最稳定构象不一定相同。
【作者】苗军舰；
【导师】黎书华；
【作者基本信息】南京大学，物理化学，2014，博士
【关键词】非共价相互作用；构象；密度泛函理论；螺旋；氢键；多肽；推广的基于能量的分块方法；分子动力学；

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