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应用ABEEM/MM和量子化学方法研究Zn~(2+)-H_2O体系及含Zn(Ⅱ)蛋白体系的初步研究

杨夕秒  
【摘要】:在金属蛋白中,金属离子对于保持结构的稳定性、酶反应的活性都是不可缺少的一部分。利用力场的方法模拟蛋白质的研究,常常受限于缺少精确的势能函数。为了准确描述含锌金属蛋白体系在水溶液中的配位效应,本文首先选取Zn~(2+)-H_2O作为研究对象,以量子化学计算结果为依据,应用可极化分子力场—原子-键电负性均衡浮动电荷模型(ABEEM/MM)构建描述Zn~(2+)-H_2O体系相互作用的精确势能函数。为了描述Zn~(2+)在水溶液中的配位效应,在锌离子与第一水合层氧原子间引入了化学键位点。并成功将该体系下锌离子的参数用于所选含Zn蛋白体系电荷分布的计算。 对于Zn~(2+)-H_2O体系,本文应用MP2/6-31++G(d,p)方法(其中Zn~(2+)采用赝势基组LANL2DZ),计算了气相中Zn~(2+)(H_2O)n(n=1~12)体系的几何构型及振动频率;在MP2/6-311++G(2d,2p)方法下,计算了稳定构象的能量,同时进行了BSSE校正。结果表明:当n=1~6时,最稳定构象的结构是Zn~(2+)直接与水分子相互作用,而不是形成分子间氢键,Zn~(2+)与第一水合层中氧原子的平均距离R_(Zn-O)逐渐变长;当n=7~12时,团簇的最稳定构象是5+x构型,R_(Zn-O)逐渐变小。同时,随配位水分子数的增多,连续结合能逐渐减小,Zn~(2+)及第一水合层中氢原子的正电荷在逐渐减少,而第一水合层中氧原子上的负电荷变化并不明显。相比于单体水分子,在Zn~(2+)(H_2O)n(n=1~12)中水分子的HO键伸缩振动向低波数方向移动,键角∠H-O-H的振动频率变化并不明显,说明Zn~(2+)对水分子中HO键的影响较大。同时在ABEEM/MM非键模型下,以量子化学方法计算结果为基准,构建了用于精确描述Zn~(2+)-H_2O相互作用的势能函数。利用该势能函数计算了Zn~(2+)(H_2O)n(n=1~12)最稳定构象的结构及结合能,所得结果与量化计算结果一致。


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