（物理化学专业论文）生化模型分子酰胺水缔合体系的研究.pdf

浙江大学博士学位论文 生化模型分子酰胺水缔合体系的研究 摘要 近年来，以酰胺、氨基酸、肽及其衍生物为生化模型分子的溶液热力学研究 引起了热力学研究者的广泛注意。其中研究大多集中在纯物质和非水溶液，有关 生化模型分子水溶液的研究却非常少。仅有的一些研究也只是从宏观的角度定性 地考虑分子间的相互作用。这主要因为水分子结构的复杂性，使得水溶液的研究 异常困难。有关水溶液的研究已成为目前最具挑战性和最有活力的前沿之一。水 是生命体系的介质，生物大分子绝大多数都是在水溶液作用产生活性的，探索水 和生物分子间的相互作用对进步揭示生命过程中的物理化学现象是很重要的。 本论文以n ，n - 二甲基甲酰胺( d m r ) 、n ，n 一二甲基乙酰胺( d m a ) 、n 一甲基乙酰胺 ( n m a ) 作为生物体系肽键的模型分子，从简单到复杂，在模型分子溶液热力学性 质( 主要是体积性质) 的研究基础上，结合核磁共振( n m r ) 和分子动力模拟( m d ) 对酰胺水溶液进行了系统的研究。 论文第二章对不同温度下的水进行了m i d 模拟。模拟结果发现水是一具有 高度结构的液体，分子阃以氢键联系，液体水中不成键的单体水分子较少，大多 水分子以四面体结构互相联接而成，且水分子四面体配位网络中含有许多空隙空 间，网络中未键合的氧原子或氢原子又与空隙空间中的单体水分子成键。随着温 度的升高，水分子间氢键作用不断减弱。不同温度下扩散性质的模拟与实验值吻 合良好。 论文的第三章详细地研究了d i v l f 水溶液的性质。首先考察了d m f 过量偏摩 尔体积牙。随其摩尔分数一的变化，发现露2 曲线有一负的极小值点存在。类 似于其他物质，d m f 过量偏摩尔体积牙5 极小值点是富水区间溶质疏水化的标 志。其次，应用高分辨率核磁共振仪钡4 量了d m 匝和水体系在不同温度下全浓度 范围的1 hn m r 数据，建立了该体系的化学缔合模型：i - 1 2 0 存在二聚平衡，h 2 0 与d m f 存在1 ：1 和1 ：2 缔合平衡。结合遗传算法对模型参数进行全局寻优求解得到 了各模型参数，并用修i e f l o r y h u g g i n s 缔合溶液理论推算了3 1 3 1 5 k t 体系的汽 液平衡和过量焓，结果良好。最后，对2 9 8 1 5 kd m f 水溶液进行了m d 模拟。结 i 浙江大学博士学位论文 果表明：d m f 水溶液中水分子的结构比纯水中水分子结构近程更有序；建立的 化学缔合模型及优化出来的参数是合理的。 论文第四章对更复杂的d m a ，h 2 0 和n m a 小2 0 体系进行了考察。注意到： d m a 和n m a 在低浓度时也是水的结构促进剂。酰胺水溶液的结构与溶液组成和 酰胺结构密切相关。对3 1 3 1 5 k 的n m a 水溶液，其发生凸变的区间较宽，通过 m d 模拟，“凸点”大致模拟出来了，且其位置和高度和实验大致相符，这一方 面验证了实验数据的正确性，另一方面也说明目前采用的这一套模拟方法是可行 的。 论文第五章从酰胺在水溶液中的体积性质，酰胺水溶液水羟基质子的化学位 移和与水分子氢原子( f 、) 缔合的酰胺氧原子( o ) 的比例分数随酰胺结构的变化 进行讨论，研究溶质的结构对溶质溶剂相互作用的影响。注意到：从酰胺在水 溶液中的过量体积来看，d m a 与如o 的相互作用比d m f 与h 2 0 和n m a 与 h 2 0 的相互作用都更强：从引起水羟基质子的化学位移的变化来看，d m a 稍强 于d m f ，n m a 最弱。曲线凸变点的出现是氢键作用和疏水作用互相竞争的结果。 从各酰胺水溶液与h w 缔合的o 的比例分数随水浓度的变化关系来看：d m a 的 疏水作用和氢键作用都比d m f 强。 论文工作的主要成果有： ( 1 ) 采用核磁共振方法，系统地测定了各酰胺水溶液核磁共振化学位移随浓 度和温度的变化关系，并建立合理的化学缔合模型，对核磁共振化学位 移随浓度的变化进行了拟合，得出了各特征模型参数。 ( 2 ) 把m d 引入到酰胺水溶液的热力学研究中，从微观角度对酰胺水溶液的 缔舍结构进行了探索。 ( 3 ) 通过建立相关函数，构筑了m d 和核磁共振光谱信息的联系。 ( 4 ) 通过对简单生化模型分子体系的系统研究，初步建立一套用分子热力学、 光谱学和计算机模拟相结合来研究水溶液性质的方法。 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r st h et h e r m o d y n a m i cp r o p e r t i e so fa m i d e ，a m i n oa c i d ，p e p t i d ea n d t h e i rr a m i f i c a t i o nm a t e r i a l sh a v er e c e i v e di n c r e a s i n g l ym o r ea t t e n t i o nb e c a u s et h e y s e r v ea sm o d e lc o m p o u n d si nb i o c h e m i c a lc o n s i d e r a t i o n s t h en u m e r o u sr e p o r t sa r e f o c u so np u r em a t e r i a l sa n dn o n a q u e o u ss o l u t i o n ，f e wi sr e l a t et oa q u e o u ss o l u t i o n t h em a i nr e a s o nl i e si nt h ec o m p l e x i t yo f w a t e rs t r u c t u r et h er e s e a r c ha b o u ta q u e o u s s o l u t i o nh a sb e c o m eo n eo ft h em o s tc h a l l e n g i n ga n da c t i v i t yp r o b l e m s w a t e ri st h e m e d i u mo fl i v i n g s y s t e m sa n dm o s to fb i o l o g i c a l m a c r o m o l e c u l e sp r o d u c ea c t i v i t y o n l yi na q u e o u se n v i r o n m e n t ，s o t h es t u d yo fm o l e c u l a ri n t e r a c t i o nb e t w e e nw a t e ra n d m o d e lc o m p o u n d sm a yb e h e l p f u l f o rt h e u n d e r s t a n d i n g t h e p h y s i c a l c h e m i c a l p h e n o m e n o n i n l i v i n g s c i e n c ei nt h i s p a p e r ，n ，n - d i m e t h y l f o r m a m i d e ( d m f ) ， n ，n - d i m e t h y l a c e t a m i d e ( d m a ) ，a n dn m e t h y l a c e t a m i d e ( n m a ) w e r ec h o s e na s t h e m o d e lm o l e c u l e so ft h e p e p t i d eg r o u p o nt h eb a s i so ft h e i r s t u d y o ft h e t h e r m o d y n a m i cp r o p e r t i e s ( m o s t l yv o l u m e t r i cp r o p e r t i e s ) ，a q u e o u sa m i d es o l u t i o n s w e r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l yw i t hi n c o r p o r a t i o ni n t on u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c e ( n m r ) a n dm o l e c u l a rd y n a m i c s ( m d ) m e t h o d s i nc h a p t e r2 ，t h eh y d r o g e nb o n ds t r u c t u r eo fw a t e ra td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e sw a s i n v e s t i g a t e db ym d s i m u l a t i o n t h er e s u l t ss h o w e dt h a tw a t e rw a sak i n do fh i g h s t r u c t u r el i q u i d ，i nl i q u i dw a t e r ，t h en u m b e ro fm o n o m e rw a t e rm o l e c u l a rw a ss m a l l m o s to fw a t e rm o l e c u l ew a shb o n d e dt oo t h e r si nt e t r a h e d r a lf r a m e w o r k ；m o n o m e r w a t e rm o l e c u l a r ，w h i c ho c c u p i e dt h es p a c e so ft h i sf r a m e w o r k ，c a nb ehb o n d e dt o t h eu n s a t u r a t e d0o rha t o m sa tt h es u r f a c eo ft h i sf r a m e w o r kw i t ht h ei n c r e a s eo f t h et e m p e r a t u r e ，t h eh y d r o g e nb o n di n t e r a c t i o nb e t w e e nw a t e rm o l e c u l e sd e c r e a s e d t h ed i f f u s i o nc o e f f i c i e n t so f w a t e ra g r e ew e l lw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a i n c h a p t e r3 ，t h ea q u e o u sd m fs o l u t i o n w a ss t u d i e di nd e t a i l e d f i r s t ，t h e d e p e n d e n c e o ft h ev o l u m e t r i c p r o p e r t i e s o ft h i s s y s t e m o ni t s c o m p o s i t i o nw a s e x a m i n e df r o mt h ea n a l y s i so fd m fp a r t i a lm o l a rv o l u m e ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a ti t s 堕鋈查兰堡圭兰垡笙兰 h y d r o p h o b i ce f f e c tw a sp r e d o m i n a n to n l yw i t h i nal i t t l ea l - e ai nw a t e r r i c h r e g i o n s e c o n d ，t h en m r s p e c t r ad a t ao f h 2 0 i nd m fa td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e sw e r e r e p o r t e d t h en m rd a t aw e r ef i tw e l lb yt h ea s s u m p t i o nt h a tw a t e rw a s t h o u g h tt oe x i s ti nt h e f o r mo fh 2 0 ，h 2 0 d m f ，( h 2 0 h ，a n dh 2 0 ( d m f h i nt h es y s t e m t h ea s s o c i a t i o n c o n s t a n t sw e r ed e t e r m i n e db yg a a l g o r i t h mo nt h eb a s i so ft h i sm o d e l ，g o o dr e s u i t s w e r eo b t a i n e du s i n gt h em o d i f i e da s s o c i a t i o ns o l u t i o nt h e o r y o f f i o r y - h u g g i n st y p e t o p r e d i c tv a p o r _ l i q u i de q u i l i b r i u ma n de x c e s se n t r o p yo ft h i ss y s t e ma t313 15 k a t l a s t , t h e a q u e o u sd m fs o l u t i o n a t2 9 8 15 kw a s i n v e s t i g a t e db ym ds i m u l a t i o n t h e r e s u l t ss h o w e dt h ew a t e rc o m p o n e n to ft h ea q u e o u sd m f s o l u t i o nw a sm u c hm o f e o r d e r e dt h a np u r ew a t e r t h ea s s o c i a t i o nm o d e la n dt h eo p t i m i z e dp a r a m e t e rw e r e r e a s o n a b l e i nc h a p t e r4 ，t h em o r e c o m p l e xa q u e o u sd m a a n dn m as o l u t i o nw e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a td m aa n dn m a a l s op r o m o t e dw a t e rs t r u c t u r ew i t h i nal i t t l e a r e ai nt h ew a t e r r i c hr e g i o n ，t h ee f f e c to ft h ea m i d e so nt h es t r u c t u r eo f w a t e rw a s v e r yd e p e n d e n tu p o ns o l u t i o nc o m p o s i t i o na n dt h ei n t r i n s i cm o l e c u l a rs t r u c t u r eo ft h e a m i d e t h en m rd a t ao f a q u e o u sn m a s o l u t i o na t3 1 3 15 k ，w h i c hw e r es i r e u l a t e d b ym d ，a g r e e dw e l lw i t ht h ee x p e r i m e n t a lv a l u e ，e s p e c i a l l yt h ep o s i t i o na n dh e i g h to f t h eb u g l e p o i n t t h i ss h o w e d t h em dm e t h o dw a sf e a s i b l e i nc h a p t e r5 ，t h ei n f l u e n c eo fs o l u t es t r u c t u r eo ns o l u t e s o l v e n ti n t e r a c t i o n sw a s s t u d i e d f r o mt h ev o l u m e t r i cp r o p e r t i e so f a q u e o u sa m i d es o l u t i o n s ，t h eo r d e rw a s d m a d m fa n dn m a f r o mt h ep r o t o nc h e m i c a ls h i f t so fw a t e ra saf u n c t i o no f t h e m o l ef r a c t i o no fw a t e r ，t h eo r d e rw a sd m a d m f n m at h e b u g l ep o i n tw a s v 浙江大学博士学位论文 a t t r i b u t e dt ot h eb a l a n c eb e t w e e nh y d r o g e nb o n da n dh y d r o p h o b i ci n t e r a c t i o n f r o m t h en u m b e ro fa m i d eo x y g e na t o m ( o ) a s s o c i a t e dw i t hw a t e rh y d r o g e na t o m ， t h eh y d r o g e nb o n da n dh y d r o p h o b i ci n t e r a c t i o no f d m a w a ss t r o n g e rt h a nd m f i nt h i sp a p e gt h em a j o ra c h i e v e m e n t sa r et h ef o l l o w i n g ( 1 ) t h e n i v i rc h e m i c a ls h i f t so f a q u e o u s a m i d es o l u t i o n sa td i f f e r e n t t e m p e r a t u r e sa n dc o n c e n t r a t i o n sw e r em e a s u r e ds y s t e m a t i c a l l y o nt h eb a s i so f t h e h y p o t h e s i s o fr e a s o n a b l ec h e m i c a la s s o c i a t i o nm o d e l s ，t h e i n d i v i d u a l i t y m o d e l p a r a m e t e r sw e r e o b t a i n e db yf i t t i n gn m r d a t a ( 2 ) b yi n t r o d u c i n g m ds i m u l a t i o ni n t ot h e i r t h e r m o d y n a m i cs t u d i e s ，t h e a s s o c i a t i o ns t r u c t u r eo fa q u e o u sa m i d es o l u t i o n sw e r ee x p l o r e df r o mm i c r o c o s m i c a n g l e ( 3 ) t h er e l a t i o n sb e t w e e nm d s i m u l a t i o na n dn m rd a t aw e r ec o n s t r u c t e db y c o r r e l a t i o nf u n c t i o n s ( 4 ) b ys t u d y i n gs i m p l eb i o c h e m i c a lm o d e lm o l e c u l a rs y s t e m a t i c a l l y , t h em e t h o d c o m b i n e dm o l e c u l a rt h e r m o d y n a m i c ，s p e c t r u ma n dc o m p u t e rs i m u l a t i o nw a su s e dt o s t u d ya q u e o u ss o l u t i o n sp r o p e r t i e s v 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 1 引言 由于生物大分子结构的复杂性，对其测量得到的数据进行讨论很难象一般性化 合物那样深入细致。为了对蛋白质的折叠、组装控制过程中的结构、能量问题，酶 的活性位置与底物相互作用过程中的分子识别问题，病毒抗体涉及到的大分子缔 合问题等生命过程中的物理化学现象有更深入的了解，人们常以氨基酸、酰胺、肽 及其衍生物作为生物化学模型分子进行研究【l 】。研究者努力寻求一种建立在简单 的模型分子体系上的规则，这些规则对于复杂的生物体系的行为研究具有指导意 义。而这些简单模型分子的性质又可用简明扼要的物理化学原理来描述。事实上， 人们有关生物大分子的无键相互作用、疏水相互作用等概念 4 - 6 正是在对这些模型 分子研究的基础上获得“7 叭。目前一个很重要的模型研究就是探讨水同其它溶剂 以及溶质的相互作用。通过模型系统模拟研究某一特定的相互作用性质可以揭示生 物大分子之间的各种相互作用。由于生物体内的环境主要是水，生物大分子绝大多 数都是在水溶液作用产生活性的，所以探索水和生物分子间的相互作用是很重要 的。 2 生化模型分子体系的研究方法 目前研究生化模型分子体系有许多不同的方法，如热力学方法、光谱方法、理 论计算方法等。下面分别介绍几种主要的方法在研究生化模型分子体系中所取得的 进展。 2 1 热力学方法 热力学侧重从宏观角度来研究，大多通过测量体系汽液平衡、过量体积、过量 焓等宏观热力学性质来研究分子间的相互作用。目前生化模型分子的溶液热力学性 质研究主要在两个方面：一是溶质在标准状态一无限稀释浓度的热力学性质，由这 一性质可以获得有关溶质一溶剂相互作用的信息，即溶质的溶剂化问题。属于此类 浙江大学博士学位论文 的热力学性质有：无限稀释下的偏摩尔体积、偏摩尔热容等p “。二是溶剂化的溶 质间的相互作用。与此对应的热力学性质有：渗透系数、稀释焓等小】。 2 1 1 溶剂化 溶剂化是指在溶剂中分子或离子的周围存在着一层具有相互作用的溶剂分 子，溶剂化层的形成是溶质溶剂相互作用的结果。在水溶液中，溶剂化又称为水 化。溶质的溶剂化过程可分为三个阶段：a ) 空穴形成，b ) 溶质分子进入空穴， c ) 溶剂化区域的形成等。 溶液体系的热力学性质是溶质浓度的函数。当溶质浓度趋于无限稀释时，得到 的表观摩尔量则体现了溶质和溶剂的作用对它的影响。文献报导的有偏摩尔热容 ( c p 0 ) “。6 1 ，偏摩尔水化焓( h y d r h o 。) 【7 1 7 1 8 1 ，偏摩尔体积唪j 9 1 等。般情况下，c p 0 k h y d l h o m 遵守基团加合规则，如： c ；= n ( f 群( f ) ( 1 - 1 ) 这一简单规则描述了基团与水的作用对热力学性质的贡献。由c d 0 可以预测蛋白质 在水中的变性状态。溶质的水化焓定义为： m 日：= a 。，日：一。h ：( 1 2 ) 这两个数据均取自量热，且以理想气体为参考态，因而可以进行比较。按基团加和 规则，h v d r h o m 与亚甲基数呈线性关系，经外推至非极性基团为零时可得酰胺基的 水化焓。酰胺作为肽的模型化合物，其分子的水化焓被研究的比较全面，因而通常 将一级肽基( 一c o n h - ) 和二级肽基( 一c o n 0( 1 - 8 ) 亲水亲水作用 g ( x x ) 0 ：n ( 船) h ( x x ) 0( 1 - 1 0 ) 根据这种分类方法，c a s t r o n u o v o “。1 等提出了一个用于定性描述溶液中两个 溶剂化作用分子间更可能导致的模型，即优先构型模型，分子最可取的构型是使有 利相互作用最大( 如亲水亲水，疏水一疏水，更普通地讲就是相似相似作用) ，不 利相互作用最小( 如亲水一疏水作用或相似非相似作用) 。这一构型使得对水具有 相似作用的基团处于并列状态，而具有非相似性的基团趋向于远离。这一构型成功 地用于解释水溶液中的手性识别。，”1 。 2 1 2 2 酰胺分子间的自相互作用 为避免氨基酸双电荷带来的复杂【3 1 3 ”，无电荷的氨基酸衍生物或酰胺常用于 肽肽，肽尿素作用的模型，因此这里主要以酰胺为例讨论生物模型体系中溶质溶 质相互作用。有关这种作用类型的对作用系数研究很多1 1 i ，常利用基团加合法川 将这些数据转化为基团相互作用参数，两种溶质a 和b 的自由能对作用系数为： g 。= n ：h ；g ， ( 1 一1 1 ) 其中，n j 是溶质a 中基团i 的数目，g 。是溶剂化基团i 与基团j 之间的自由能相 互作用系数。研究发现：酰胺分子中亚甲基亚甲基、一级肽基一级肽基及二级肽 基一二级肽基的相互作用是吸引的，而亚甲基与一级肽基和二级肽基之间的相互作 用是排斥的，且二级肽基之间的吸引力要比一级肽基之间的吸引力大得多”。 2 ，1 2 3 酰胺尿素问的相互作用 酰胺，尿素间的相互作用涉及到蛋白质的变性问题，引起了人们的极大重视。 水溶液中酰胺与尿素分子之间的相互作用亦可用基团加合法表示： h a u ( s e c o n d 口肌) = h 一u 。+ 疗a m i ，d 。日d ：一n 。 ( 1 一1 2 ) h u ( t h i r d a m ) = 日c “一m 。+ 1 a m l ，d 日口，。( i - 1 3 ) 浙江大学博士学位论文 研究结果表明【3 ：二级肽基与尿素分子之间的吸引作用要比一级肽基与尿素分 子之间的吸引作用大得多。 2 1 3 溶剂化与溶质溶质相互作用的关系 作为生物模型体系溶液热力学性质研究的两个方面，溶剂化与溶质溶质相互 作用的研究一直都是人们感兴趣的课题。l i l t e y 等通过大量的研究发现两者之间存 在一种潜在的联系：溶质溶剂化作用越强，则溶质溶质相互作用越弱嘲。如 n m ：f ( n - 甲基甲酰胺) 在d m f ( n ，n - 二甲基甲酰胺) 一水混合物中的溶解焓“m 。o 和同 系对作用系数h a a 的关系；酰胺从纯水到尿素水溶液中的迁移焓出。o 与酰胺的 焓对作用系数的关系“l 。其它一些非水溶剂中，溶质问的相互作用与溶质溶剂化 的关系也有相似的特点。 2 2 光谱方法 近年来发展非常迅速的谱学和衍射手段，极大地方便了生物体系中氢键的研究 工作。在这些方法中有红外光谱、拉曼光谱、核磁共振、紫外可见光谱、中子散 射和中子衍射等。x 射线晶体结构分析也常被用来作为谱学方法的有益补充。其中 又以核磁共振法( n m r l 为热点。 2 2 1 红外光谱( i r ) 法 在氢键研究的历史中，红外光谱直是最重要谱学手段之一，为研究工作提供 了大量详实可靠的信息。在红外光谱中，o h 和n i i 伸缩振动峰对分子体系的氢键 十分敏感，是一种研究氢键的主要手段 3 7 4 0 l 。人们对酰胺体系进行了大量的研究， 其中包括醇和酚作为质子给体的体系 4 1 - 4 4 l 。这些研究大都假设酰胺与质子给体形成 1 ：1 和2 ：l 的缔合体，并结合红外数据求得各缔台平衡常数及酰胺与质子给体相 互作用的热力学参数，有关这方面的工作一直持续到现在。 但是，在很多情况下，由于o h 和n i l 伸缩振动谱带的宽化和严重的谱带重 叠，往往难于从这些谱带中得到关于缔合体系的进一步的结构信息。所以近年来红 外光谱被认为是一种仅能提供关于氢键结构定性信息的方法f 4 ”。此外，红外光谱 法也不适于水溶液体系，这主要是因为水对红外辐射几乎是完全不透明的，对可见 光也只有很弱的吸收。 浙江大学博士学位论文 2 2 2 核磁共振法( n m r ) 核磁共振法是研究氢键的又一方向。核磁共振是用频率为兆赫量极、波长很长 ( 约1 0 61 0 9 t x m ) 的电磁波照射分子时，引起磁性原子核在外磁场中发生磁能级的共 振跃迁，从而产生吸收信号，这种吸收称为核磁共振0 心很) 。 在早期工作中，人们已利用1 h 、”c 、”o 、”nn m r 谱研究了不同类型的氢 键体系4 “，但由于受仪器磁场强度、分辨率和灵敏度等的限制，较少涉及复杂的 生物体系。近年来，随着计算机技术和谱仪的飞速发展，脉冲付立叶变换n m r 技 术和多维n m r 法相继得以实现，为n m r 在生物、化学和医学中的广泛应用提供 了必要的条件。特别是最近发展迅速的高场n m r 仪在测定生物分子的溶液结构中 显示出了强大的能力。这主要是由于n m r 法具有以下优点：( 1 ) 可测定接近生理状 态下的生物分子溶液的缔合性质和构象信息，克服了以前衍射法只能测纯品，不能 测溶液的缺点；( 2 ) 具有很高的灵敏性，可以很方便地获得不同浓度、温度和溶剂 的光谱数据，从而能求得分子间相互作用的一些重要的热力学参数和动力学参数； f 3 ) n m r 法是在测试过程中对样品无破坏作用，是一种非损伤性测定法。迄今为 止，已有多位科学家在( n a t u r e ) ) 上发表了用n m r 法测定蛋白质溶液结构的结果 1 5 3 - 5 4 1 。 生化模型分子方面，目前研究最多的是1 hn m r 谱。这种方法是基于缔合体 系中缔合质子的化学位移随浓度的交化关系来研究氢键的。这是因为质子缔合后形 成分子间氢键，降低了质子周围的电子云密度，产生了去屏蔽效应，导致形成氢键 的质子的化学位移向低场移动。目前酰胺缔合体系的研究可分为3 类：( i ) 酰媵惰 性溶剂，如d m f c c l 4 口”：这类研究表明：象d m f ，d m a i n ，n 二甲基乙酰胺) 这类 n ，n 二取代酰胺虽然不能自身缔合，但分子间存在偶极帽互作用，表现为醛基上 和氮甲基上质子的化学位移随浓度和温度的变化。( 2 ) 酰胺给质子溶剂，这类溶剂 含有活泼质子，可与酰胺的羰基上的氧原子作用形成氢键，如d m f c h c i ，口“；这 类研究表明：酰胺与质子给体大多形成1 ：1 缔合体，在全浓度范围内对化学位移进 行拟合，误差较小。( 3 ) 酰胺给受质子溶剂，这类溶剂既含有活泼质子，也含有电 负性基团，本身也可以发生聚合。这类体系比较复杂，缔合形式也视体系而异。如 浙江大学博士学位论文 s y m o n i s ”1 等研究了c h 3 0 h 与d 咖f 的相互作用，认为c h 3 0 h 为无限线性缔合， d m f 与各c 玛o h 聚合体形成hl 缔合体，在全浓度范围内对c h 3 0 h1 h 位移进行 了拟合，但误差较大。王从敏m 1 等认为醇为线性二缔和环状四缔，醇的单体和二 缔体分别与酰胺形成1 ：1 缔合体，在全浓度范围内对1 h 位移进行了拟合，取得了 较好的效果。h 2 0 也是给受质子溶剂，但酰胺水体系的n m r 研究却报导较少， 这主要是因为目前对水分子的结构还不能作出严格的理论阐述和实验处理其氢键 的缔合形式一直存在较大的争议，所以酰胺一水体系有限的一些研究p9 j 也只是对化 学位移随浓度的变化进行定性的解释，未能用模型拟合。 2 3 理论计算方法 已有多种理论方法应用于生物体系的研究，包括量子化学从头计算、半经验方 法、密度泛函、分子力学和分子动力学方法等。下面主要介绍其中几种主要方法。 2 3 1 从头计算法 6 0 - 6 4 l 量子化学从头计算法是在分子轨道理论基础上发展起来的，计算体系全部电子 积分的一种理论计算方法。分子的许多物理化学性质都与其静电势密切相关，由量 子化学从头计算法可以得出分子团整体能量及多种结构参数。由于从头计算法不使 用经验参数，避开了分子间作用力经验值选择的障碍，故得到了溶液热力学工作者 的广泛重视。从头计算法通常用于处理小分子氢键模型。由于研究体系不同，所用 的方法也各有特点。常用的方法有m p 2 ( t h es e c o n d o r d e rm o l l e r - p l e s s e tp e r t u r b a t i o n ) 法和i - i f ( h a r t r e e f o c k ) 法。i v i f 2 法是从头计算中较为实用的一种，常常选择g a u s s 电子波函数为基组态。在具体计算中，选用不低于4 - 3 1 g 的基组，通常可得到与实 验值较为一致的能量数据。g u o i ”1 等用m p 2 法研究了n m a ( n 甲基乙酰胺) 体系的 结构参数，选择6 - 3 1 1 伊为基组态，计算得到了n m a 和h 2 0 或f m 形成的共1 1 种缔合物的最优构形、氢键相互作用能、n m a 中c h 3 旋转的势垒。在此基础上， m i r k i n 睁1 等用m p 2 法选择6 - 3 1 g + 为基组态，计算了m d a 阻2 0 ) 2 体系和它的 c c d 3 - n c d 3 ，n d 衍生物的结构参数，计算结果与拉曼光谱实验测得的数据吻合较 好。 7 浙江大学博士学位论文 虽然从头计算法在理论和计算上比较严格，但它计算起来比较繁琐，需要消耗 大量的机时，且氢键的从头计算结果对于所选基组和电子相关性也有敏感的依赖 性。所以现在应用较少。 2 3 2 分子动力学( m d ) 方法 分子动力学模拟方法( m d ) 是一种正在发展并日益重要的理论模拟方法。它不 但可以计算溶液的热力学函数、径向分布函数等静态性质：也可计算包括扩散系数 等各种迁移性质。m d 6 7 1 是通过计算机模拟求解- 4 , 块溶液中全部分子的运动方 程，记录它们在各个不同时刻的位置、速度和受力等，然后统计得到体系的各种热 力学性质、结构性质等的一种方法。用i v i d 研究溶液的性质，可以用来检验近似 理论解析解的有效性，为经验公式关联提供精确的溶液性质，还可以验证实验数据 的正确性和补充实验数据的不足，故越来越得到了溶液热力学工作者的广泛重视。 m d 模拟研究的范围非常广泛，研究对象的分子不同，分子间相互作用力的模 型也不同。对于简单分子，常采用硬球、软球、l e n n a r d j o n e s 位能、k i h a r a 位能、 s t o c k - m e y e r 位能等模型：对于复杂分子，可采用多中心的位置位置( s i t e s i t e ) 相互 作用模型，但各中心间的位能作用仍然采用简单位能函数：对于带电分子，还需引 入c o u l o m b 相互作用 6 8 - 7 2 i 。目前液体水的m d 模拟较多，如周键等 7 3 - 7 4 1 采用s p c 水模型在2 5 下对水进行了正则系综的分子动力学模拟，考察了液态水的平衡、 结构和扩散性质，计算了水的原子对径向分布函数、配位数并同x 射线衍射实验 值作了对比，模拟结果与实验值吻合良好。顾健德等7 5 l 平0 用柔性的水水相互作用 势( m c y l ) 对液态水进行了分子动力学模拟，探求近程和远程相互作用及液体的有 序结构对水分子几何构型的影响，确定了对液态水中水分子几何构型起作用的主要 范围，模拟给出的水的原子对径向分布函数和水分子键长键角的变化与实验值也能 较好地吻合。因为水溶液体系的复杂性，目前水溶液体系的模拟较少见。 3 本论文研究目的和内容 综上所述，前人虽然已对生化模型分子体系作了大量的理论和实验研究，但大 多集中在纯物质和非水溶液，有关水溶液生化模型分子的系统研究却非常少。仅有 浙江大学博士学位论文 的一些研究也只是从宏观的角度定性地考虑分子间的相互作用，对分子间的相互作 用形式和作用机理等具体细节的认识还是不全面的。这主要因为水分子簇结构的复 杂性，使得水溶液的研究异常困难。有关水溶液的研究已成为目前最具挑战性和最 有活力的前沿之一。水是生命体系的介质，生物大分子绝大多数都是在水溶液作用 产生活性的，探索水和生物分子间的相互作用对进一步揭示生命过程中的物理化学 现象是很重要的。 溶液热力学能够从宏观的角度定性地考虑分子间的相互作用：n v l r 是分子间 的相互作用的宏观体现，能够敏感地反映出分子所处的化学环境；m d 则纯粹从分 子间相互作用力的角度来研究分子间的相互作用。如果把这三者结合起来研究生化 模型，则能够获取更多的分子间相互作用的信息，更有助于解释模型中的参数物理 意义，模拟中的假设条件及模拟结果也可以加以验证或说明。在此基础上，本论文 开展了以下工作：以n ，n 一二甲基甲酰胺( d ) 、n ，n 二甲基乙酰胺( d m a ) 、n 甲 基乙酰胺( n m a ) 为生物体系模型分子，研究了各模型分子体系的溶液热力学性质 ( 主要是体积性质) ，测定了酰胺水体系中水羟基质子的化学位移随浓度和温度的变 化关系，并用分子动力学方法进行了模拟研究，以期获得以下信息： 1 采用化学缔合模型拟合体系在不同浓度和温度下核磁的化学位移，获得缔 合平衡常数和特征化学位移，并对体系的汽液平衡和过量性质进行推算。 2 对各生化模型分子体系进行m d 模拟，得出体系在不同浓度下分子间的缔 合情况，然后对核磁共振化学位移进行拟合，得到特征化学位移，并和化 学缔合模型得到的结果进行比较。 3 通过各