改進(jìn)的鍵耦合路徑模型及其在蛋白質(zhì)電子轉(zhuǎn)移中的應(yīng)用.pdf

1、電子轉(zhuǎn)移是生命科學(xué)中的一個(gè)基本問題。許多生命活動(dòng)過程,比如光合作用、呼吸作用、新陳代謝、酶催化反應(yīng)以及生物體內(nèi)的各類信號(hào)傳遞等都涉及到電子轉(zhuǎn)移問題。對(duì)于此類電子轉(zhuǎn)移問題的研究有助于人們了解生命的奧秘,進(jìn)而推動(dòng)生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。
　　 在生物分子中,給體和受體之間往往距離較遠(yuǎn),直接耦合作用很弱,電子轉(zhuǎn)移過程需要橋體的介導(dǎo)。在理論研究方面,此類電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)被歸于非絕熱反應(yīng)范疇,根據(jù)量子力學(xué)模型和Marcus半經(jīng)典模型,

2、其轉(zhuǎn)移速率近似正比于給受體間耦合矩陣元的平方。因此,耦合矩陣元的計(jì)算成為生物體系電子轉(zhuǎn)移理論研究的關(guān)鍵。目前常用的耦合矩陣元計(jì)算方法有兩態(tài)模型下的變分方法,Koopmans定理下的最小能隙方法,L(o)wdin分割技術(shù)方法和廣義Mulliken-Hush方法,它們均存在一個(gè)共同的缺陷,那就是只能從整體上得到計(jì)算值,但是不能反映電子轉(zhuǎn)移的細(xì)節(jié)過程,也就無法確定橋體結(jié)構(gòu)變化與電子轉(zhuǎn)移速率常數(shù)之間的具體關(guān)系。然而,越來越多的研究結(jié)果表明生物分

3、子中核構(gòu)型的熱力學(xué)波動(dòng)將會(huì)大大影響電子轉(zhuǎn)移速率,分子結(jié)構(gòu)與電子轉(zhuǎn)移速率常數(shù)之間的關(guān)系成為近年來電子轉(zhuǎn)移領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。
　　 本文致力于發(fā)展在從頭算水平上研究分子結(jié)構(gòu)與電子轉(zhuǎn)移速率關(guān)系的理論方法,并將之應(yīng)用于蛋白質(zhì)電子轉(zhuǎn)移這一基本生命過程,得到了肽鏈構(gòu)型轉(zhuǎn)化中影響電子轉(zhuǎn)移速率的主要結(jié)構(gòu)要素,加深了人們對(duì)生命體系電子轉(zhuǎn)移過程的理解。本工作主要包含以下兩部分的內(nèi)容:
　　 一.改進(jìn)的鍵耦合路徑模型
　　 我們?cè)贐er

4、atan,Miller和Jordan等人工作的基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)的鍵耦合路徑模型,它能夠在從頭算水平上計(jì)算電子轉(zhuǎn)移路徑中每一步的耦合系數(shù),進(jìn)而將結(jié)構(gòu)參數(shù)變化與電子轉(zhuǎn)移速率常數(shù)(主要是耦合矩陣元)真正關(guān)聯(lián)起來,其理論背景和基本思想簡述如下:
　　 對(duì)于給體D和受體A之間直接耦合作用很弱的非絕熱電子轉(zhuǎn)移過程,由量子力學(xué)模型,其速率常數(shù)公式為:其中,TDA為給體D和受體A之間的電子耦合矩陣元,FC為Franck-Condon因子。對(duì)于此

5、類由橋體介導(dǎo)的電子轉(zhuǎn)移過程,Beratan等人從原子軌道理論出發(fā),提出了電子轉(zhuǎn)移路徑的經(jīng)典模型。定義電子轉(zhuǎn)移路徑為對(duì)給體D和受體A之間耦合做出貢獻(xiàn)的沿著橋體分布的一系列相互作用的鍵的組合,則單一路徑的耦合矩陣元tDA表達(dá)式為:
　　 其中,前因子P表示給體D和受體A與橋體首端原子和末端原子的相互作用,εi表示通過電子轉(zhuǎn)移路徑上每一個(gè)鍵的耦合矩陣元。忽略不同路徑間的相互作用,則有:
　　 至此,總的耦合矩陣元被劃分為一個(gè)個(gè)

6、εi的組合,而εi值受相應(yīng)位置分子結(jié)構(gòu)的影響,這就將分子結(jié)構(gòu)與電子轉(zhuǎn)移速率關(guān)聯(lián)到一起。然而,原子軌道方法一方面高估了εl的值,另一方面也無法反映二面角這一重要結(jié)構(gòu)要素的影響。而且,在實(shí)際應(yīng)用中,Beratan等人并未進(jìn)行真正的從頭算,而是引入了一系列源自實(shí)驗(yàn)的參數(shù)擬合出了計(jì)算εi的經(jīng)驗(yàn)公式,這就導(dǎo)致其精度大大受限于參數(shù)的選擇。另外,其經(jīng)驗(yàn)公式只考慮了鍵長的變化,不能真正反映構(gòu)型的波動(dòng)。后來,Miller和Jordan等人提出了電子轉(zhuǎn)移的

7、鍵耦合模型,采用自然鍵軌道(NBO)分析得到的Fock矩陣元計(jì)算εl的值。此模型解決了原子軌道方法的缺陷,但是忽略了成鍵軌道對(duì)電子波函數(shù)傳遞的貢獻(xiàn),而且在實(shí)際應(yīng)用中并未采用Beratan等人路徑分析的思想,無法從細(xì)節(jié)上體現(xiàn)分子結(jié)構(gòu)對(duì)電子轉(zhuǎn)移速率的影響。
　　 綜合上述兩種方法的優(yōu)點(diǎn),我們將鍵耦合模型中計(jì)算εi的方法加以改進(jìn),引入到Beratan等人的路徑模型,建立了改進(jìn)的鍵耦合路徑模型,真正實(shí)現(xiàn)了在從頭算水平上研究分子構(gòu)型波動(dòng)對(duì)

8、電子轉(zhuǎn)移速率的影響。在我們的模型中,電子轉(zhuǎn)移路徑上每一步的耦合系數(shù)都是由自然鍵軌道(NBO)分析結(jié)果得到,且同時(shí)考慮了成鍵軌道和反鍵軌道對(duì)波函數(shù)傳遞的貢獻(xiàn),從而使得耦合系數(shù)能夠很好地反映相應(yīng)位置分子構(gòu)型的變化。此外,自然鍵軌道(NBO)的圖像如定域的成鍵軌道和孤對(duì)電子等等能與具體的分子結(jié)構(gòu)很好地吻合,這就使得路徑分析的結(jié)果能夠反映電子在橋體中的運(yùn)動(dòng)。對(duì)于同一生物分子的不同構(gòu)型,我們可以根據(jù)貢獻(xiàn)大小,一一找出其電子轉(zhuǎn)移的主要路徑,通過對(duì)比

9、分析各結(jié)構(gòu)主要路徑的組成和每一步的耦合系數(shù),就可以得到分子構(gòu)型轉(zhuǎn)化中影響電子轉(zhuǎn)移速率的結(jié)構(gòu)要素。
　　 生物分子中的電子轉(zhuǎn)移路徑通常由共價(jià)鍵和氫鍵組成。對(duì)于通過共價(jià)鍵的電子轉(zhuǎn)移,改進(jìn)的鍵耦合路徑模型中εl的表達(dá)式為:式中Feff12為兩共價(jià)鍵之間有效耦合系數(shù),可由相應(yīng)的Fock矩陣元和原子軌道系數(shù)得到；Ea和Eb分別為NBO反鍵軌道和成鍵軌道的能量；E為轉(zhuǎn)移電子的能量,取值(EHOMO+ELUMO)/2。
　　 對(duì)于通過

10、氫鍵的電子轉(zhuǎn)移,孤對(duì)電子可能起著關(guān)鍵作用。改進(jìn)的鍵耦合路徑模型中,當(dāng)電子由共價(jià)鍵轉(zhuǎn)移到孤對(duì)電子時(shí),其耦合矩陣元表達(dá)式為:當(dāng)電子由孤對(duì)電子轉(zhuǎn)移到共價(jià)鍵時(shí),其電子轉(zhuǎn)移耦合矩陣元表達(dá)式為:我們采用已經(jīng)獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的四種烴鏈結(jié)構(gòu)對(duì)改進(jìn)的鍵耦合路徑模型進(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果表明此模型所得結(jié)果與原模型相比有了明顯的改進(jìn),更貼近實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所體現(xiàn)的趨勢(shì),這也鼓勵(lì)著我們將改進(jìn)的鍵耦合路徑模型應(yīng)用于生物體系。
　　 二.蛋白質(zhì)電子轉(zhuǎn)移的理論研究
　　

11、 本文中,我們所研究的是DNA(脫氧核糖核酸)中8-氧-鳥嘌呤:腺嘌呤(OG:A)錯(cuò)配識(shí)別過程中修復(fù)酶MutY內(nèi)的電子轉(zhuǎn)移問題。除了少數(shù)的RNA病毒以外,絕大多數(shù)生物體的遺傳信息都存儲(chǔ)在DNA中,物種特殊的基因編碼表達(dá)為特殊的DNA堿基序列。因此,完整穩(wěn)定的DNA序列是物種特征得以保存和延續(xù)的先決條件。然而,在復(fù)雜的細(xì)胞環(huán)境下,各種甲基化作用、氧化作用、水解作用、輻射以及DNA復(fù)制過程中的異常都可能會(huì)導(dǎo)致DNA分子結(jié)構(gòu)的損傷,進(jìn)而改變

12、DNA序列。這種改變可能會(huì)有利于物種的多樣性,但是更多的時(shí)候會(huì)導(dǎo)致各種有害突變和基因疾病。為了維護(hù)其特有的遺傳信息,在生命進(jìn)化過程中,生物體內(nèi)逐漸形成了一套完整有效的DNA損傷修復(fù)機(jī)制,其中最常見的是堿基切除修復(fù)(BER)。在堿基切除修復(fù)過程中,第一步也是最關(guān)鍵的一步就是BER酶催化下?lián)p傷堿基的水解脫落。在眾多的BER酶中,MutY是最特殊的一個(gè),它主要識(shí)別和修復(fù)DNA鏈上的OG:A錯(cuò)配,其特殊的地方在于它所催化的是未損傷的A堿基從糖環(huán)

13、上的水解脫落。MutY酶的催化活性和催化機(jī)制已經(jīng)得到了廣泛研究,有實(shí)驗(yàn)結(jié)果指出酶蛋白中的[Fe4-S4]2+簇對(duì)其催化活性起著關(guān)鍵作用,盡管[Fe4-S4]2+簇的存在與否對(duì)于蛋白質(zhì)的折疊過程和立體結(jié)構(gòu)并無明顯影響。通過一系列實(shí)驗(yàn)研究,Barton等人提出了一個(gè)MutY酶快速探測(cè)OG:A錯(cuò)配的模型,即:當(dāng)MutY酶與DNA鏈相互靠近綁定的過程中,蛋白質(zhì)中的[Fe4-S4]2+簇氧化變?yōu)閇Fe4-S4]3+,其失去的電子通過連接鐵硫簇和D

14、NA的多肽鏈進(jìn)入DNA鏈,如果此綁定位點(diǎn)與相鄰綁定位點(diǎn)之間的DNA鏈上沒有損傷,則DNA介導(dǎo)的電荷轉(zhuǎn)移將會(huì)導(dǎo)致相鄰位點(diǎn)上MutY酶的還原和脫落,形成新的游離酶,而游離MutY酶又會(huì)在新的位點(diǎn)與DNA綁定,重復(fù)上述探測(cè)過程；當(dāng)兩個(gè)相近位點(diǎn)之間存在OG:A損傷時(shí),則DNA介導(dǎo)的電荷轉(zhuǎn)移不能有效進(jìn)行,MutY酶就會(huì)對(duì)就近的損傷進(jìn)行修復(fù)。在此模型中,當(dāng)MutY酶與DNA鏈綁定時(shí),電子由鐵硫簇進(jìn)入DNA鏈,當(dāng)MutY酶從DNA脫落時(shí),電子由DNA

15、鏈進(jìn)入鐵硫簇,也就是說在同一條多肽鏈中可以發(fā)生雙向電子轉(zhuǎn)移。MutY酶中的電子轉(zhuǎn)移過程是OG:A損傷探測(cè)的關(guān)鍵,其理論研究有助于人們理解DNA損傷的修復(fù)機(jī)理,進(jìn)而為針對(duì)此類疾病的酶類藥物設(shè)計(jì)提供理論支持。
　　 具體研究內(nèi)容與結(jié)果概述如下:
　　 1.MutY酶橋體肽鏈電子結(jié)構(gòu)的從頭算理論研究
　　 2.MutY酶關(guān)鍵區(qū)域肽鏈上電子轉(zhuǎn)移耦合矩陣元和主要轉(zhuǎn)移路徑
　　 3.肽鏈構(gòu)型變化對(duì)電子結(jié)構(gòu)的影響

16、>　　 4.肽鏈結(jié)構(gòu)變化對(duì)電子轉(zhuǎn)移速率的影響
　　 綜上,我們的研究表明:肽鏈中從羰基末端到氨基末端的電子轉(zhuǎn)移比反方向更有利；肽鏈結(jié)構(gòu)變化對(duì)電子轉(zhuǎn)移速率的影響主要體現(xiàn)在二面角的改變、羰基集團(tuán)的指向和排布變化以及分子內(nèi)氫鍵的形成。具體來說,反式結(jié)構(gòu)最有利于電子耦合,越背離反式結(jié)構(gòu),耦合作用就越弱；肽鏈中羰基集團(tuán)偶極矩的指向和排布越一致,所形成的靜電場(chǎng)就越強(qiáng),相應(yīng)方向上電子轉(zhuǎn)移就越有利；分子內(nèi)氫鍵的形成大大減少了耦合步數(shù)和有效轉(zhuǎn)移