鹵鍵自組裝性質(zhì)的理論研究及其在生命體系中的應(yīng)用.pdf

1、近年來(lái)，鹵鍵作為一種和氫鍵相似的弱相互作用，在實(shí)驗(yàn)和理論研究方面均受到了廣泛的關(guān)注，成為可控自組裝研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。2013年，IUPAC給出了鹵鍵的定義，指出鹵鍵(XB)是分子中鹵原子的親電區(qū)域與另一個(gè)或同一個(gè)分子的親核區(qū)域發(fā)生的相互作用。共價(jià)鹵原子周圍電子云的各向異性分布使鹵鍵具有高度的方向性，其鍵角分布在接近180°的狹窄范圍內(nèi)。此外，鹵鍵的鍵能分布在5-180kJ/mol，較氫鍵鍵能范圍大，可調(diào)控性更強(qiáng)。如在分子識(shí)別中鹵鍵的選

2、擇性優(yōu)于氫鍵。由于鹵原子上的取代基團(tuán)直接影響著鹵鍵強(qiáng)弱，因此，對(duì)取代基團(tuán)的不同選擇成為調(diào)控鹵鍵強(qiáng)弱的一種重要的方式。研究表明，靜電效應(yīng)、極化效應(yīng)、色散效應(yīng)和電荷轉(zhuǎn)移相互作用對(duì)鹵鍵的形成都起著重要的作用。鹵鍵的這些特點(diǎn)使其在分子識(shí)別，晶體工程，超分子化學(xué)和生物工程中有廣泛的應(yīng)用。但是傳統(tǒng)力場(chǎng)不能描述鹵鍵相互作用中的各向異性，用分子動(dòng)力學(xué)方法研究鹵鍵在生物及材料大分子中的功能和應(yīng)用時(shí)，需要能恰當(dāng)描述共價(jià)鹵原子周圍電子云密度各向異性分布的力場(chǎng)

3、，急需發(fā)展新的力場(chǎng)解決這一問(wèn)題。
　　力場(chǎng)的開(kāi)發(fā)必需以勢(shì)能面的研究為基礎(chǔ)。本論文采用高精度從頭算方法構(gòu)建鹵鍵勢(shì)能面，并對(duì)鹵鍵和氫鍵的勢(shì)能面進(jìn)行了深入的比較研究。通過(guò)對(duì)鹵鍵勢(shì)能面進(jìn)行能量分解，提出了鹵鍵形成過(guò)程具有極化增強(qiáng)的特性。同時(shí)，本文還采用額外點(diǎn)電荷模型研究了藥物小分子和靶點(diǎn)間的鹵鍵相互作用，分析了額外點(diǎn)電荷模型在復(fù)雜蛋白環(huán)境中的表現(xiàn)和存在的問(wèn)題，為進(jìn)一步發(fā)展可處理各向異性問(wèn)題的鹵鍵力場(chǎng)奠定了基礎(chǔ)。
　　本論文的主要研究

4、內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)有:
　　1.通過(guò)對(duì)鹵鍵和氫鍵進(jìn)行高精度的勢(shì)能面比較，指出鹵鍵具有更強(qiáng)的角度畸變特性，并采用改進(jìn)的Buckingham勢(shì)寫出了解析勢(shì)能面。我們選擇特定的鹵鍵和氫鍵模型進(jìn)行勢(shì)能面掃描。研究結(jié)果表明，鹵鍵的勢(shì)阱比氫鍵的更窄，氫鍵和鹵鍵的勢(shì)能面都具有各向異性。SAPT(DFT)能量分解表明，勢(shì)能面的各向異性主要來(lái)自于交換-排斥項(xiàng)的貢獻(xiàn)。同時(shí)，隨著鹵鍵鍵長(zhǎng)的增加，勢(shì)能面變得更加平坦。這些結(jié)果將為鹵鍵力場(chǎng)的開(kāi)發(fā)提供重要的思路。<

5、br>　　2.采用能量分解方法，證明典型鹵鍵的極化作用強(qiáng)于氫鍵，存在極化增強(qiáng)效應(yīng)。本論文由所選擇的的鹵鍵及氫鍵復(fù)合物出發(fā)，采用SAPT(DFT)能量分解的方法得到具有確定物理意義的能量組分。通過(guò)分析，得出二聚體的靜電相互作用能與點(diǎn)電荷模型的靜電相互作用能的能量差與體系的極化效應(yīng)的呈線性相關(guān)。在氫鍵中極化對(duì)靜電相互作用的貢獻(xiàn)是23.9％，然而對(duì)于鹵鍵它的在2.5-50.5％范圍內(nèi)。此外，對(duì)于不同的弱相互作用，極化效應(yīng)的主導(dǎo)項(xiàng)不同;對(duì)于氫鍵

6、，弱鹵鍵和強(qiáng)鹵鍵，主導(dǎo)項(xiàng)逐漸由色散項(xiàng)過(guò)渡到誘導(dǎo)項(xiàng)。最后，我們發(fā)現(xiàn)極化效應(yīng)和電荷轉(zhuǎn)移相互作用是相互協(xié)同的。這些研究結(jié)果將有益于設(shè)計(jì)基于鹵鍵的各種材料和促進(jìn)鹵鍵的極化力場(chǎng)的發(fā)展。
　　3.基于目前鹵鍵力場(chǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀，我們選擇鹵鍵的額外點(diǎn)電荷模型，以p53蛋白的Y220變體為研究體系，探索這種模型描述鹵鍵的可能性及精確性，進(jìn)而得出鹵鍵對(duì)Y220變體功能恢復(fù)中的作用。通過(guò)研究得出，如果鹵鍵的供體和受體除形成鹵鍵外，還與周圍其它原子形成氫鍵