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蛋白质组学是目前生命科学研究中的一大热点,它将极大地促进人类对生命活动的理解,促进在诊断、治疗方法、开发新药等领域的研究。但蛋白质组学研究的手段目前主要依靠实验。而根据量子力学,只要算出材料或分子的电子结构就可知道其性质功能,即电子结构是我们从本质上理解材料或分子性质功能的基础。“团簇埋入自洽计算法(SCCE)”可在保持计算精度的前提下极大地降低计算量。SCCE法的应用使蛋白质分子电子结构的第一性原理、全电子、从头计算成为可能。已有三个蛋白质分子的电子结构被算出。但由于计算条件的限制和以下原因,此前的计算中没有考虑水溶液分子对蛋白质分子电子结构的影响:一般认为水溶液分子在和蛋白质分子的接触中是在作高速振动、转动和替换的,水溶液分子并不和蛋白质分子有化学意义的结合,它对蛋白质分子的作用主要是一种平均力效应,主要影响蛋白质分子的三维空间结构。
要可靠计算在水溶液中的蛋白质分子的电子结构,需要构造一个简单易用、几乎不增加计算量的水溶液分子对蛋白质分子电子结构的等效势,因为直接把大量水分子放到蛋白质电子结构的计算中是不可能的。本论文通过基于密度泛函理论的第一性原理、全电子、从头计算,构造了水溶液分子对赖氨酸(Lys<+>)和组氨酸(His)这两种氨基酸的电子结构的等效势。计算过程分为三步。首先用“自由团簇计算法”计算一个含氨基酸和水分子系统的电子结构,通过调节水分子的空间位置,求得能量最低的氨基酸与水分子的相对空间构型。然后以此空间构型为基础,用“团簇埋入自洽计算法”计算氨基酸在以水分子为外势条件下的电子结构。最后再用“团簇埋入自洽计算法”计算氨基酸在用偶极子代替水分子时的电子结构,调节偶极子的电荷和位置,使得以偶极子为外势和以水分子为外势的氨基酸的电子结构尽量接近,即得到了用偶极子势模拟的水溶液分子对该氨基酸电子结构的等效势。计算结果显示,水溶液分子不同程度地增大了赖氨酸(Lvs<+>)和组氨酸(His)的能隙宽度,并整体使各能级发生了上移;简单的偶极子势可以模拟水溶液分子对这两种氨基酸电子结构的影响。