（物理化学专业论文）晶体组氨酸化学位移各向异性以及肽键形成机理的理论研究.pdf

摘要 本文运用现代量子化学理论方法对组氨酸的1 5 n 的化学位移张量进行了系统研 究，同时还研究了肽酰转移酶催化肽键形成的机理。全文由四章组成：( 1 ) 绪论( 2 ) 理论基础和计算方法( 3 ) 组氨酸的1 5 n 化学位移的量子化学研究( 4 ) 肽酰转移酶催化 肽键形成机理的理论研究。 第一章中分别对化学位移张量的理论计算方法，肽酰转移酶催化肽键形成的机 理的相关内容进行了综述，同时提出了本文的立题思想。 第二章中对分子力学、量子化学、组合量子化学这一系列理论方法基础进行了 简单介绍。 第三章中运用了单分子模型和超分子模型对两种不同晶系的组氨酸的1 5 n 化学 位移张量进行了一系列的量子化学计算，结果表明，分子间的相互作用对1 n 的化 学位移影响较大，传统的单分子模型因不能有效考虑到分子问的相互作用，而导致 计算的5 n 化学位移值与实验值偏差较大；将考虑了分子间相互作用的超分子模型 以及组合量子化学方法应用于化学位移计算中，计算得到的1 5 n 化学位移与实验值 符合得较好。 第四章中运用了密度泛函理论以及q m m m 方法在不同的化学模型下研究了 肽酰转移酶催化肽键形成机理中的一种可能的反应历程：底物自助催化机理。结果 表明：肽键形成过程中底物自身起到了催化作用，肽酰转移酶对底物构象的调整使 底物在朝向以及空间距离上有利于形成肽键。 关键词：组氨酸，化学位移，o n i o m ，肽酰转移酶，反应机理 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，as e r i e so fm o l e c u l a rm o d e l i n gc a l c u l a t i o n sw e r ep e r f o r m e dt ov e i l f y v a r i o u se f f e c t so f m o l e c u l a rm o d e l s ，e l e c t r o nc o r r e l a t i o nl e v e l s ，g a u g em e t h o d sa n db a s i s s e t so nt h et h e o r e t i c a l l yp r e d i c t e dp r i n c i p a lv a l u e so f1 nn u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c e ( m a r t ) s h i e l d i n ga n dc h e m i c a ls h i f tt e n s o r so fi m i d a z o l er i n g si nb o t hm o n o c l i n i ca n d o r t h o r h o m b i cc r y s t a l l i n el - h i s t i d i n e s i na d d i t i o n , am e c h a n i s mo fr i b o s o m a lp e p t i d e b o n df o r m a t i o nw e r et h e o r e t i c a l l ys t u d i e d t h et h e s i sc o n s i s t so ff o u rc h a p t e r s ，i n c l u d i n g ( 1 ) i n t r o d u c t i o n ( 2 ) b a s i ct h e o r ya n dc o m p u t a t i o n a lm e t h o d s ( 3 ) a nq u a n t u mc h e m i c a l i n v e s t i g a t i o no f1 wn m rs h i e l d i n gt e n s o r so fl - h i s t i d i n e si ns o l i ds t a t e ( 4 ) t h e o r e t i c a l s t u d yo nm e c h a n i s mo f r i b o s o m a lp e p t i d eb o n df o r m a t i o n i nt h ef i r s tc h a p t e r , q u a n t u mc h e m i s t r ym e t h o d su s e df o rc a l c u l a t i n gs h i e l d i n gt e n s o r a r es u m m a r i z e d , t h ep r e v i o u se x p e r i m e n t a la n dt h e o r e e t i c a ls t u d i e so ft h em e c h a n i s mo f r i b o s o m a lp e p t i d eb o n df o r m a t i o nw e r ea l s oo v e r v i e w e db r i e nv i nt h es e c o n dc h a p t e r , m o l e c u l a rm e c h a n i s mm e t h o d s ，q u a n t u mc h e m i s t r ym e t h o d s a n do u r - o w n - n - l a y e r e di n t e g r a t e dm o l e c u l a ro r b i t a l + m o l e c u l a rm e c h a n i c s ( o n i o m ) m e t h o dw e r eb r i e f l yi n t r o d u c e d i nt h et h i r d c h a p t e r , i s o l a t e dm o l e c u l a rm o d e la n ds u p e r m o l e c u l a rm o d e lw e r e p e r f o r m e do nc a l c u l a t i n gt h e1 nc h e m i c a ls h i f to f t w od i f f e r e n tc r y s t a l l i z a t i o ns y s t e m h i s t i d i n e s t h ec a l c u l a t e dr e s u l t sw a ss h o w nt h a tt h ei n t e r m o l e c u l a ri n t e r a c t i o np l a y sa n i m p o r t a n tr o l ei nt h ec a l c u l a t i o no f1 nc h e m i c a ls h i f tt e n s o r so fh i s t i d i n e s b e c a u s e i s o l a t e dm o l e c u l a rm o d e lc a n ti n c l u d et h ei n t e r r n o l e c u l a ri n t e r a c t i o n s t h ee a l c u l a t e d r e s u l t ss h o w nl a r g ee r r o rc o m p a r e dw i t he x p e r i m e n t a lv a l u e su n d e rt h i sm o d e l h o w e v e r , w h e nt h es u p e r m o l e c u l a rm o d e la n d0 n i o mm e t h o dw e r ea p p l i e d t h ec a l c u l a t e sr e s u l t s s h o w ng o o da g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n tv a l u e s i nt h ef o u r t hc h a p t e r , d e n s i t yf u n c t i o nt h e o r ya n dq m m mm e t h o dw e r ea p p l i e do n s t u d yam e c h a n i s m o fr i b o s o m a lp e p t i d eb o n df o r m a t i o nc a t a l y z e db yp e p t i d y l t r a n s f e r a s e 弛es t u d yw e r ep e r f o r m e do nd i f f e r e n tc h e m i c a lm o d e l s o u rc a l c u l a t i o n s i n d i c a t et h a tp s i t et r n aa 7 62 o hp l a y sa ne s s e n t i a lc a t a l y t i cr o l ei n 也er e a c t i o n i n a d d i t i o n , p e p t i d y lt r a n s f e r a s ea c c e l e r a t ep e p t i d e - b o n df o r m a t i o nb yp o s i t i o n i n ga n d r e o r g a n i z i n gt h eo r i e n t a t i o no f s u b s t r a t e s k e yw o r d s ：l - h i s t i d i n e ，c h e m i c a ls h i r ，o n i o m ，p e p t i d y lt r a n s f e r a s e ，m e c h a n i s m 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究 工作所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名f 葭 | 乳破 日期：河游易月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权华中师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文 全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：丧堪碗 日期：卿年易月r 日 导师始呜。譬 日期：扣7 年e 月f 日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程”中的 规定享受相关权益。回重逢塞堡銮后遗卮! 旦坐生；旦二生；旦三生筮查! 作者签名：嵌德放 日瓤嘞多月t - e l 导师签名：专星 日期叩年月歹日 硕士擘位论文 m a s t e r st h e $ 1 s 第一章绪论 1 1 化学位移张量理论计算概述 核磁共振( n m r ) 谱的研究可以获得分子几何结构，分子中原子问的成键情况以 及相互作用等重要信息。因此，它被广泛应用在物理、化学以及生命科学的研究领 域中。核磁屏蔽常数( 化学位移) 以及核自旋偶合常数是完全解析核磁共振谱时所需 要的两个重要参数。早在五十多年前，e 妒0 1 就根据微扰理论定义和分析了两 个参数。量子化学从头计算方法正在逐渐发展成为一种现代常规的理论手段，并被 成功地运用到许多有关物理、化学以及生命科学的领域中。随着计算机软件，硬件 的迅速发展以及核磁共振谱参数计算的专门理论方法和程序的发展，在最近的这些 年内，核磁共振谱参数的从头算已经发展成为一种有用的、流行的量子化学的计算 工具 3 - 15 1 。 1 1 i 化学位移 化学位移是由于核外电子的屏蔽效应引起的屏蔽效应的大小与质子周围的电 子云密度有关。屏蔽效应分为局部屏蔽效应和远程屏蔽效应。局部屏蔽效应是由原 子核的核外成键电子的电子云密度而产生的屏鼓效应。由两部分组成，一是核外成 键电子在外磁场作用下产生电子的诱导坏流，由此产生与外磁场方向相反的次级磁 场，这种屏蔽称为局部逆屏蔽。另一是由于化学键限制了核外成键电子在外磁场作 用下的运动，这种效应称为局部顺磁效应。磁屏蔽的大小与核外电子云密度关系密 切，当绕核电子云密度增加时，屏蔽作用也增大。而影响电子云密度的因素主要是： 诱导效应、共轭效应和杂化影响。远程屏蔽效应又称邻近的磁屏蔽或磁各向异性效 应。当分子中某一原子核外的电子云分布不是球形对称时，即磁各向异性时，它对 邻接核就附加一个各向异性的磁场，使在某些位置上的核受屏蔽( 受正屏蔽) ，而另 一些位置上的核去屏蔽( 受负屏蔽) ，因而改变了一些核的化学位移值，称为磁各向 异性效应。 1 a 2 化学位移理论研究方法概述 任何有非零自旋量子数i 的核，都有一与之相关的磁矩，磁矩和外加磁场相互 作用，这种关系可表示如下： h = 一y l bo = 一，；bo( 1 1 1 ) 式中岛是z 轴上的磁场强度，r 是磁旋比，磁旋比是与核磁矩和核本身的角动量有 关的特征常数。根据方程( 1 ) ，系统的能量可表示如下： 硕士学位论史 t a s t e r s 丁h e $ 1 s e = 一m l h 归o 2 石( 1 1 2 ) 式中h 是普朗克常数，m h 是和下式有关的磁自旋量子数 辨l = i ，i l ，f 一2 ，一歹十2 ，一歹+ l ，一f( 1 1 3 ) 上式表示核磁矩在z 轴的分量。例：当l = i 2 , m 1 可以是1 2 或一l ，2 。这两个态的能量 差异由方程( 1 1 2 ) 得下式： e = h 7 君o 2 万( 1 。1 4 ) 通过外加一垂直于磁场的磁场b l ，可实现在两种能量水平上的跃迁，与这一 跃迁相关的可观察到的振动频率为： y = 7 口o 2 ；r -( 1 1 5 ) 由于每个核有固定的磁旋比，每种类型的核在给定磁场b o 下有固有的频率。 通常核处于分子或原子的不断运动着的电子中，外加磁场会干扰电子的波函数和原 子或分子的能量：外加磁场还会影响给定核周围的由电流所产生的二级磁场。因此， 分子中的核实际上受到的场可能小于( 屏蔽) 或大于( 去屏蔽) 外加磁场，取决于电子 在所处介质中的行为和贡献大小。核所受的实际磁场可表示如下： b “= ( 1 一盯) b “( 1 1 6 ) 式中o r 是指化学屏蔽、是分子中核特有的电子性质。严格地说，屏蔽实际上包含了 二维张量，方程( 】i 7 ) 表示出了这一细微差异： 曰。i o c = ( 1 一盯) 筇b 尹 ( 1 1 7 ) 上式中标君是在沿着声方向有外加磁场沿着g 方向有电流产生的磁场时核所受的 实际磁场。位移张量通常由9 个独立元组成，但由于对称性独立元数也有可能少于 9 个，r a m s e y 提出核磁屏蔽可分为两部分： 盯筇= 盯品+ 盯易 ( 1 1 - 8 ) 逆磁部分为屹d 仅仅由分子中电子处于基态而得到，如： 矿。= ( p 2 2 肌，c2 ) ( oj 【( y ，2 + 三，2 ) 3j t o ) ( 1 1 9 ) 式中e 和弛分别指电荷和电子的质量，c 是光速，x ，y ，z 和r 是以核为原点的电子的 空间坐标，这一项概括了所有电子i ，并用电子的基态波函数i o ) 来进行计算。 方程( 1 1 8 ) 中的第二项为顺磁部分，可表示如下： 仃三= ( 2 m ；c 2 ) ( ，- e o ) 一( ( o 医乞妒 譬) 譬l 匕l o ) ) ( 1 1 1 0 ) 2 硕士学位论文 m a $ t e r st h e s i $ 式中微扰波函数是按未受微扰的虚态i g ) 来展开，q 是所有激发态的总和，e q 是 电子态q 末受干扰时的能量，上是所研究核位于原点时的角动量算符。从电磁学的 基本原理出发来理解屏蔽表达式的褥来。正如所定义的样，核磁屏蔽概括了在外 磁场存在下电子与核之间在除去电子自旋时力矩的相互作用。哈密顿算符中其中的 一项如果应用到核所受的外加磁场和实际磁场，会发现它们之间是互相矛盾的。 h = ( 1 一矿) 丑o ( 1 1 1 1 ) 由于核周围的电子产生了化学屏蔽。因此需要解决分子中的电子相关项核力矩 和屏蔽场之间的相互作用能量和电子的轨道能量相比相差很小。因此可以把屏蔽的 这一性质叫做微扰。 在磁场存在下，电子的动量可转化成： p = ( 一i a ) ( v ) 一( e c ) 彳( 1 1 1 2 ) 式中v 是指梯度，彳是和磁场占相关的磁向量势，曰和彳的关系如下： b = v n 1 1 3 ) 对所有电子均配对的逆磁分子，由于核本身磁场和外磁场的相互作用哈密顿 算符变成： 一v = ( 1 2 m 。) - i h v 一( e c ) a 2( 1 1 1 4 ) 由于核力矩的存在，4 变成两个囱量势之和，一个和外磁场幽有关，另个则 和核本身产生的磁场属有关。彳表示为这两部分之和 a = 4 + 以( 1 1 t s ) 为简单起见，令n i h v( e c ) a 。 ( 1 1 1 4 ) 式可简化为： h 一矿= ( 2 2 m , ) 一( e 2 m , c ) ( f i a , , + 彳。) + ( p 2 2 m 。c 2 ) 爿： ( 1 1 1 6 ) 值得一提的是在这之前只介绍了单电子操作元。为系统研究多电子体系，也就 是所有电子的性质都需包含在表达式中，( 1 1 1 6 ) 式的第一项n 2 2 m 。包含了电子的 k n e t i c 能量 k e = ( 一f 壳2 m 。) v 】2( 1 1 1 7 ) 反磁能量 d e = ( e 2 2 m 。c 2 ) ( 厶) 2 ( 1 1 1 8 ) 和电子的轨道z e c m a n 能量 o z e = ( i h ) ( e 2 m 。c ) ( v 厶+ a 。v ) ( 1 1 1 9 ) 硕士擘位论文 m a s t e r st h e s i s 上述项未包括核磁子。使用一级微扰理论处理时方能包括此项，( 1 1 1 1 ) 式显 示这些项并不与屏蔽相关，然而，( 1 1 1 9 ) 式则显示核向量势和外磁场线性相关，这 种关系在用几级微扰处理时很明显。综上所述，用一级微扰处理时，微扰哈密顿算 符可表示如下： h o = ( p 2 2 m 。c 2 ) ( 4 4 + 4 4 ) + ( p 2 2 m , c 2 ) 彳 ( 1 1 2 0 ) 方程中第二项，与外磁场无关和核磁成二次方，对屏蔽无贡献。因此，能量的一级 校正为： e o = ( p 2 2 m 。c 2 ) ( o h 以+ 以4 。i o ) ( 1 1 2 1 ) 上式中h a r a e e - f o c k 基态波函数( o l ，和核磁偶极矩相联系的磁向量势可定义为 以( ，) = 。r ) d( 1 1 2 2 ) 在这一表达式中h 是以核作为原点。另一方面，外磁场和磁向量势在任意位置，口 的关系可表示如下： 4 = ( 1 2 x b o t o )( 1 1 2 3 ) 把( 1 1 2 2 ) 和( 1 1 2 3 ) 代入( 1 1 2 1 ) ，得下式 e = ( p 2 2 m ，2 加 s o ( 1 1 2 4 ) 再比较( 1 1 1 1 ) 和( 1 1 2 4 ) 发现它们有相似之处，事实上屏蔽性质的逆磁项可f l a ( 1 1 9 ) 式得来。 盯；= ( 叫21 2 m ；c 2 ) ( ( o l i ( q l g r ? o x ( o l l o q j ) ( e q 一日) b ( 1 1 2 5 ) q o 式中i 和，是单元向量。这概括了一级微扰的结果。 用二级微扰理沦处理来获得同时与昂和核磁以线性相关的项是可能的。这就 必须有项包括尾而另一项包括以两者都需要有一项在基态和激发态均存在的元。 再回到( 1 1 1 6 ) 式，令 m 2 ( 8 m e 。) ( 珐) ( ) ( 1 1 2 6 ) n = ( e m 。c ) o h ) ( v a o ) 、。 二级能量项可表达如下： e 2 = 【( ( o 肛l g ) ( g lj | o ) ) ( & 一目) l ( 1 1 2 7 ) q o 把( 2 2 ) 和( 2 3 ) 代入( 2 7 ) 式，并令三。= ( - 疏) ( v ) ，厶= ( - f h ) ( r o v ) 可得下式： e 2 = ( e 2 2 m ；c 2 ) 。匹 ( ( g 阪, ：l o o 因此，屏蔽的顺磁项为： 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 吖= ( 呻2 2 m ：c 2 ) “o 0 陋j o ) x ( o i g ) _ ，) ( 乞一) 】) ( 1 1 2 9 ) 口如 呵t 在液体，气相或溶液中时，由于分子的不断运动使得外磁场下实验上只 能观察到分子在各个方向上的屏蔽张量的平均值，这个平均值是各向同性的，观察 值也就是各向同性值在主元上的平均值。 仃山= ( 呒l + 0 2 2 + r 3 3 ) 3( 1 1 3 0 最后，从( 1 i 6 ) 式屏蔽的定义出发，很显然这个性质是对裸核而言。结果，这 种定量关系即绝对位移在n m r 实验中并不能观察到。因此，化学家们选择了某种 固定的标准参照物( 如四甲基硅( t m s ，s i ( c h 3 ) 4 ) ，对l h 和1 3 c ，测3 1 p 时用8 0 9 6 的 h 3 p 0 4 溶液，测1 翟时用c f 3 c o o h ) 。通常使用化学位移来报道实验结果，化学位 移和屏蔽的关系如下： 占= ( p 一可) ，( 盯) = ( 盯可一盯) ( 1 一口珂) ( 1 1 3 1 ) 式中y 是在n m r 实验中可直接测定的共振频率，显然化学位移比屏蔽常数能更直 接的表示。 屏蔽性质的r a m s e y 方程需要有电子的基态和激发态和它们的相应能量的相关 知识。由于对一个向量势施加外磁场的方法，取决于向量势坐标原点的选择。因此， 逆磁和顺磁项与原点的选择有关，而观察到的总的屏蔽与原点的选择无关。改变规 范源则需在逆磁和顺磁部分各加上大小上是相等的一项，因此，相应的核的总的屏 蔽值不变。但是，由于固有的困难在计算顺磁项时实际上并不能与理论完全符合。 在无外加磁场存在下，可通过自洽场( s c f ) 计算获得电子的基态和激发态。原 子轨道线性组合而形成的分子轨道( l c a o ) 能用来描述电子的状态。高斯函数( 作为 基组) 容易微分和积分，被用来代表原子轨道。这些无外场的态能用微扰方法来计算 屏蔽。但是也有很多困难，计算时间按照n 4 或0 娜o g n ) 2 显著增加的，n 是高斯函数 的数目。因此，计算机资源限制了使用高斯函数的数目，也就是限制了分子和原子 轨道的数目。因此，只能获得近似的基态和激发态。而且，由于这些态大多数是未 知的，要估计顺磁项连续态的积分是不可能的。由于这些近似逆磁和顺磁元有不同 的敏感性，误差在所难免。这些限制导致了一系列的问题。其一是关于选择外磁向 量势的规范源，顺磁项包含的激发态需山大量的高斯函数或基组才能进行描述摇述 激发态必须有足够的未占据轨道或虚轨道。而且。在s c f 计算中对于在原点区域内 的轨道，计算已经给出了原子轨道在形成分子轨道时的系数。为此，须为分子中的 所有轨道设计一个不依赖于分子轨道和远离原点的规范源。结果是总的屏蔽依赖于 规范源的选择。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 面对这些挑战，研究者们于是引进了一些特别的技术或进行了一些简化处理。 首先，r a m s e y 提出的使用平均值( e 日e o ) 【。然而，由于只有在激发态的能量己知 的情况下，才能得到好的平均值，因此，需要改进程序。c h a r t 和d a s t 】认为把规范 源放在电荷的质心可以减小激发态的贡献。这种方法特别适用于大量化合物中的氢 质子。同样，k e r n 和l i p s c o m b l l 8 l 使用规范转移去掉了( e q - e o ) 项，这是在电子电荷 的中心选择规范源。些变化性的方案【1 9 】己经被提出，但是和前面提到的一样仅仅 适用于质子的屏蔽。 s t e v e n s 等i 刎首先用s c f 波函数来计算屏蔽。屏蔽被看作是分子能量对外磁 场和核磁矩的二阶导数， o 呻= 铲e f 8 h ：8 b 啪 在s c f 计算中，每个分子轨道( m o ) ， = 勺九 y ( 1 1 3 2 ) 甲被写成原子轨道的线性组合， f 1 1 3 3 ) 从占据的分子轨道很容易获得电荷密度 p = 2 刃= 2 聪丸 ( 1 1 3 4 ) ，rw 密度矩阵由下式给出： 匕= 2 e 勺 ( 1 l 3 5 ) l c a o 的系数可由r o o t h a a n 方程叠代而得： ( j 0 一岛p 呵= o ( 1 1 - 3 6 ) 式中s v w 是重叠矩阵，e j 是壬，i 的单电子的能量，f v w 是f o c k 矩阵，它的元素包 含了单电子操作元( 即k i n e t i c 能量和核的静电吸引) 和考虑了交换和电子之间排斥项 的双电子操作元。在f o c k 矩阵中包含双电子的计算是最耗费时间的。 使用二级微扰理论获得的屏蔽，在外磁场存在下分子轨道须校正为一级。分子 轨道的改变可看作原子轨道线性组合时系数的改变。有这些表达式，在r a m s e y 方 程中有一个独立的规范源被使用，屏蔽就能很容易的被计算出来。 仃妒= ( p 略+ p 1 2 ) ( 1 1 3 7 ) 式中砝是在r a r a s e y 逆磁项的单电子操作元，磕是与核磁矩所产生的场相关的顺 磁项的操作元之一；p 是未受干扰的密度矩阵，p 1 是一级密度矩阵，在外磁场存在 下，一级密度矩阵是占据轨道和非占据轨道的结合。这个矩阵可在外磁场存在下用 h a r t r e e - f o c k 计算求出。 6 硕士擘位论文 m a s t e r st h e s i s 一般的原点的计算严格遵循( 1 1 9 ) 和( 1 1 1 0 ) ，也就是说分子中所有轨道的贡献 的大小与在目标核周围选取的规范源有关，包括外磁场的项也与规范源的选择有 关。为了更好的表达外磁场存在下的一级密度矩阵，使用大的基组是必须的。能量 的一级和二级校正很小，因此，有外加磁场时为了获得分子轨道之间准确的混合图 像，必须有足够好的适应性。而且，这种适应性只有用大的基组才可能。一级波函 数的准确描述才能对二级微扰能量和顺磁屏蔽进行较准确的计算。只有用完备基函 数，顺磁项才能被准确确定。由于屏蔽性质与固有的规范源无关，故只有在极大的 基组下，计算的屏蔽值才与规范源的选择无关。显然这种方法在实际计算中是很难 做到的。为了克服这个规范问题，理论工作者在原子轨道或分子轨道中引入了规范 因子，即得到了几种不同规范变换方法，有量度无关原子轨道方法 ( a a u g e i n d e p e n d e n ta t o m i co r b i t a l ，简写为g i a o ) 2 1 剀，连续组规范变换方法 ( c o n t i n u o u ss e to f g a u g et r a n s f o r m a t i o n s 缩写为c s g t ) 1 2 5 , - 2 7 1 ，i g a i m 方法1 2 5 捌等。 1 2 肽酰转移酶催化肽键形成机理的概述 蛋白质生物合成亦称为翻译( t r a n s l a t i o n ) ，即把m r n a 分子中碱基排列顺序 转变为蛋白质或多肽链中的氨基酸排列顺序过程。这也是基因表达的第二步，产生 基因产物蛋白质的最后节段。不同的组织细胞具有不同的生理功能，是因为它们表 达不同的基因，产生具有特殊功能的蛋白质，参与蛋白质生物合成的成份至少有2 0 0 种，其主要体第主要由m r n a 、t r n a 、核糖核蛋白体以及有关的酶和蛋白质因子 共同组成。蛋白质生物合成可分为五个阶段，氨基酸的活化、多肽链合成的起始、 肽链的延长、肽链的终止和释放、蛋白质合成后的加工修饰。而在蛋白质合成过程 中，肽链的延长这一步包括关键的一个步骤，就是由肽酰转移酶( p e p t i d y lt r a n s f e r a s e ) 参与的转肽肽键形成，其机理是一个被长期讨论的基础的分子生物学问题。转肽 肽键的形成过程发生在核糖体5 0 s 亚基上，核糖体5 0 s 亚基有两个特殊的部位，一 个是接受氨酰基t r n a 的部位，称为a ( a m i n o a c y ls i t e ) ，另一个是肽酰t r n a 的结合 部位，称为p 位( p e l a t i d y ls i t e ) 。由肽酰转移酶参与的这一步肽键形成反应( 如图1 ) ， 称为转肽，p 位上甲酰蛋氨酸t r n a ( 或延长中的肽酰t r n a ) 由肽酰转移酶( p e p t i d y l t r a n s f e r a s e ) 催化，将氨基酰基( 或延长中的肽酰基) 从t r n a 转移，与a 位氨基 酰- t r n a 的a 氨基形成肽键连接。反应的过程简单的来说可以看作是酯基的氨解反 应。 早在三十多年前，研究者们就已经知道肽酰转移酶对肽键的合成起至关重要的 作用，并且也知道肽酰转移酶是一个大的核蛋白1 2 0 1 ，即包括很多蛋白质和r n a 的大分子。但是由于一直以来都没有能够对核糖体5 0 s 亚基的晶体结构进行高精度 7 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 的解析，因此无法在原子水平上来对肽酰转移酶进行研究。所以直认为，这个反 应机理应该和丝氨酸水解酶水解蛋白质一样是一个基于蛋白质催化的过程【3 ”。 图1 肽链合成延长阶段的肽键形成过程 随着实验手段的改进以及仪器精度的提高，最近通过x 射线衍射的方法得到一 些高精度的肽酰转移酶核蛋白及其复合物的晶体结构 3 2 - 3 6 1 ，这些复合物中包括的小 分子有底物，产物和过渡态类似物等结构，而所有这些结构都显示活性中心存在于 核糖体5 0 s 亚基的2 3 s 亚结构中，并且活性中心大约1 5 a 的范围不存在蛋白质链， 于是推论得出肽酰转移酶是一个核糖酶一r n a 构成酶【5 “，在肽酰转移酶0 e p t i d y l t r a n s f e r a s e ) 参与的转肽一肽键形成过程中，转肽一肽键形成至少加快了六个数量 级。通过分子生物学的研究1 8 】，在反应活性中心，有三个与参加反应的a 位氨基酰 - t r n a 的0 氨基基团相邻的基团，能够和a 位氨基酰- t r n a 的a 氨基形成氢键， 只要其中任何一个基团的p k a 高一点，就可以通过共同的或者单个的氢键作用，增 加a 位氨基酰，t r n a 的0 【氨基的亲核性，而使a 位氨基酰t r n a 的a 一氨基可以很 容易的进行亲核反应，也即形成肽键。这三个基团分别是( 1 ) 和p 位肽酰t r n a 连接的核糖体a 7 6 上2 位的羟基；( 2 ) 核糖体2 3 s 亚基的腺苷残基a 2 4 5 1 ( e s c h e r i e h i a c o l in u m b e r i n g ) 碱基上3 位的氮原予；( 3 ) 在核糖体2 3 s 亚基的腺苷残基a 2 4 5 1 ( e s c h e r i c h i ac o l in u m b e r i n g ) 糖上2 位的羟基。因此，从理论上来说，就存在很多 可能的催化反应机理，比如在活性中心适当的构像，可以使反应自发进行，或者是 般的质子化和去质子化的酸碱催化反应，又或者是依靠静电来稳定过渡态的机理 硕士学位论文 m a s t e r s t h e s i s 【3 7 删。到目前为止。研究比较多的主要有三个方向的机理： 1 基于最开始得到的包含有过渡态类似物的复合物的晶体结构【3 3 1 ，和一系列的 实验1 舯删提出的一个机理，在这个机理中，腺萤残基a 2 4 5 1 碱基上3 位的氮原子 作为一个吸引质子的酸碱催化剂来增加a 位氨基酰- t r n a 的a 氨基的亲核性，从 而加速转肽一肽键形成。另外一个类似的反应历程就是，认为是腺苷残基a 2 4 5 1 糖 上2 位的羟基起主要作用 4 5 , 4 6 ，反应历程如图2 。 图2 a 2 4 5 1 起主要催化作用的反应历程模型 2 基于最新得到的包含有底物类似物和过渡态类似物的复合物的晶体结构【4 刀 以及理论计算的结果 4 8 - 5 0 1 提出的底物自助催化的反应历程，在这个历程中作为底物 的和肽酰t r n a 连接的核糖体a 7 6 上2 位的羟基起主要催化作用，而构成反应中心 一些核苷酸残基则起到调整底物构像，稳定反应的过渡态( 通过氢键作用) 的作用， 反应历程如图3 。 ( “时( as l 田 髂丫 。并 图3a 7 6 上2 位的羟基起主要催化作用的反应历程 3 第三种机理则认为：肽键形成的过程中核糖体并不起化学催化作用，而仅仅 是调整他自身活性部位的一些残基的构像，从而使底物参与反应的基团在距离，以 9 及空间的朝向上更有利反应的进行1 5 1 棚l 。在反应的过程中核糖体可能是通过提供一 个已调整好的静电环境来起作用。这个静电环境起到降低反应中形成高度极化的过 渡态所需的自由能，同时使反应的过程远离大多数的水从而使质子转移形成离去基 团更为容易。总的说来这种机理是认为底物的适当的位置和构像起主要作用。 1 3 本文立题思想 计算化学的主要目标是利用有效的数学近似以及程序计算分子的性质( 例如 总能量，化学位移，偶极矩，四极矩，振动频率，反应活性等) 并用以解释一些具 体的化学问题。比如：计算化学可以预测物质的结构、热力学性质，确定和预测分 子的结构以及化学体系的稳定性；揭示反应机理，从更深层次来理解化学反应历程。 本文就是从事了预测物质的n - m r 参数、研究化学反应的机理的工作。 由于氮原子的电负性较大，对周围环境的作用( 比如氢键作用、范德华作用) 比 较敏感，所以一直以来计算1 5 n 的化学位移是理论计算的难点。组氨酸在酶催化反 应是一种很重要的氨基酸，它可以通过对底物质子化或去质子化起到酸或碱的作 用。组氨酸在溶液中或晶体的0 5 n 1 心偶的实验研究已经进行得很充分了，然而，到 目前为止，组氨酸1 5 n 的化学位移，以及周围环境对其化学位移的影响的系统的理 论计算结果并没有被报道，于是本文对组氨酸1 5 n 的化学位移，以及周围环境对其 化学位移的影响进行了系统的量子化学研究。( 第三章) 可以说没有蛋白质的生物合成就不会有生命的延续。研究蛋白质的生物合成过 程意义重大。蛋白质生物合成可分为五个阶段，氨基酸的活化、多肽链合成的起始、 肽链的延长、肽链的终止和释放、蛋白质合成后的加工修饰。而在蛋白质合成过程 中，肽链的延长这一步包括关键的一个步骤，就是由肽酰转移酶( p c p t i d y lt r a n s f e r a s e ) 参与的转肽一肽键形成，其机理是一个被长期讨论的基础的分子生物学坶题。目前， 研究者们的探讨主要集中在这三种机理上：1 以a 2 4 5 1 残基起主要催化作用的机理； 2 以a 7 6 二位羟基起主要催化作用的机理：3 底物的适当位置和适当构像起主要作 用的机理。本研究小组对第一种机理已经进行了系统的量子化学研究 5 9 1 , 在本文中， 我们将对第二种机理进行量子化学研究。( 第四章) l o 参考文献 1 n o r m a nfr a m s e y , m a g n e t i cs h i e l d i n go f n u c l e ii nm o l e c u l e s ，p h y s r e v , 1 9 5 07 8 ， 6 9 9 7 0 3 2 n o r m a ner a m s e y , e l e e t r o nc o u p l e di n t e r a c t i o n sb e t w e e nn u c l e a rs d i n si n m o l e c u l e s ，p h y s r e v , 1 9 5 3 ，9 1 ，3 0 3 3 0 7 3 a n g e lc d ed i n s ；j o h ng p e a r s o n ；e r i co l d f i e l d s e c o n d a r ya n dt e r t i a r ys t r u e t u r e a l e f f e c t so np r o t e i nn m rc h e m i c a ls h i t k s ：a na bi n i t i oa p p r o a c h , s c i e n c e , 1 9 9 3 ，2 6 0 ， 1 4 9 1 1 4 9 6 4 h o n g b i a ol c e r i co l d f i e l d a bi n i t i os t u d i 酷o fa m i d e 一1 5 nc h e m i e a ls h i f i si n d i p e p t i d e s ：a p p l i c a t i o n st op r o t e i nn 凇s p e c t r o s e o p y , j p h y s c h e m ，1 9 9 6 , 1 0 0 ， 1 6 4 2 3 1 6 4 2 8 5 w a l l i n g , a e ；p a r g a s ，r e ；d ed i o s ，a c c h e m i c a ls l l i f it e n s o r si np e p t i d e s ：a q u a n t u mm e c h a n i c a ls t u d y z p h y s c 诹e m a1 9 9 7 ，1 0 1 ，7 2 9 9 7 3 0 3 6 s c h e u r e r c ；s k r y n n i k o v n r ；l i e n i n , s f ；s t r a u s s kb m s c h w e i l e r r ；e r n s t rr ； e 伍 c t so fd y n a m i c sa n de n v i r o n m e n to n1 5 nc l l e m i c a ls h i e l d i n ga n i s o t r o p yi n p r o t e i n s ac o m b i n a t i o no fd e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r y , m o l e c u l a rd y n a m i c s s i m u l a t i o n a n d n m r r e l a x a t i o n j a m c h e m s o c ，1 9 9 9 ，1 2 1 ，4 2 4 2 - 4 2 5 1 7 h a y 瓯r h ；l a w s ，d d ；b i t t e r , h - m l ；s a n d e r s ，l i l ；s u n ，h ；嘶m l e y , j s ； w e n n n e r , d e ；p i n e s ，a ；o l d f i e l d ，ea ne x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a l i n v e s t i g a t i o no ft h ec h e m i c a ls h i e l d i n gt e n s o r so f1 3 c to fa l a n i n e ，v a l i n e ，a n d l e u c i n er e s i d u e si ns o l i dp e p t i d e sa n di np r o t e i n si ns o l u t i o nj a m c h e m s o c , 2 0 0 1