（细胞生物学专业论文）甲硫氨酸模型肽自由基损伤机理的量子化学计算研究.pdf

山东师范大学硕士学位论文 甲硫氨酸模型肽自由基损伤机理的量子化学计算研究 中文摘要 自由基是带有未成对电子的分子、离子或基团，在体内可以通过多种途径产生。 研究发现许多疾病，例如神经退行性疾病以及机体的衰老等等与自由基有很大的关系。 氨基酸在生物体内由于广泛的分布和较低的氧化还原电位，成为许多种自由基进攻的 靶标，其中甲硫氨酸是最容易氧化的氨基酸之一。甲硫氨酸的氧化不仅代表了一类重 要的蛋白翻译后修饰过程，也是衰老和许多疾病( 如：阿尔茨海默氏症、疯牛病和帕 金森氏症等神经退行性疾病) 的诱因之，因此甲硫氨酸的氧化机理目前已经引起了 广泛的关注。研究甲硫氨酸模型肽的氧化机理对揭示神经退行性疾病的发病机理，筛 选相关治疗药物都有一定意义。 目前，许多实验方法已被用来探讨氨基酸的氧化机制，其中脉冲辐解方法是最有 力的手段之一。对氨基酸各氧化中间体瞬态吸收光谱的归属研究可以初步建立氨基酸 的氧化“路线图”。然而瞬态吸收谱的归属通常是有争议的，因此不同的观察者可能给 出不同的甚至相互矛盾的结果。量子化学汁算目前广泛应用于化学、生命科学、材料 科学等领域的研究，是探讨分子结构一功能关系的重要研究手段之一，可以计算小分 子几乎所有的物理化学性质。考虑到量子化学的密度泛函理论( d f t ) 方法，特别是 含时d f t ( t d d f t ) 方法已被成功用于探讨天然产物的氧化还原机制，我们采用了 d f t 方法对甲硫氨酸及其模型肽进行了比较详尽的理论研究。 首先，选择小分子有机硫化合物二甲基硫和二乙醇基硫评价了计算方法的基组依 赖性和长程溶剂效应：其次，选择h 0 0 一h 2 0 自由基评价了短程溶剂效应，即结合水的 氢键对光谱的影响：最后，用经过评价的d f t 和t d d f t 方法，对甲硫氨酸模型肽- 乙酰甲硫氨酸氨基在水溶液中的脉冲辐解氧化过程进行了详尽的计算，不仅验证了实 验提出的氧化机理，而且指出质子化形式在甲硫氨酸模型肽的氧化反应巾应予以考虑， 这为进一步的实验研究提供了启发。此外，对甲硫氨酸亚砜的进一步氧化机制也进行 了计算。 总之，通过对甲硫氨酸及其模型肽氧化机理的研究，证明d f t 方法特别是t d d f t 方法可以作为氨基酸氧化机理实验研究的重要补充。 全文共分六章内容：其中第一章为综述部分，介绍了自由基损伤甲硫氨酸模型肽 山东师范大学硕士学位论文 的研究概况、意义、存在的问题和解决方案等；第二章介绍了量子化学的基本理论和 计算方法；第三章介绍了本文所用的理论参数以及参数的具体计算方法；第四章是对 本文计算方法有效性的评价：第五章计算了甲硫氨酸及其模型肽n 一乙酰甲硫氨酸氨基 的氧化过程，并考虑了质子化形式在该过程中的作用；第六章总结了本论文的主要内 容并为进一步研究作出展望。 关键词：自由基，氧化，甲硫氨酸，密度泛函理论，含时密度泛函理论 分类号：q 6 1 6 ，0 6 4 1 1 2 1 山东师范大学硕士学位论文 q u a n t u mc h e m i c a lc o m p u t a t i o n a ls t u d y0 nr a d i c a l o x i d i z e d m e c h a n i s m so fm e t h i o n i n em o d e l p e p t i d e a b s t r a c t f r e er a d i c a l sa r eak i n do fm o l e c u l e s ，a t o m so rg r o u p s ，w h i c hp o s s e s sa nu n p a i r e d e l e c t r o n i nt h eb i o l o g i c a lb o d i e s ，f r e er a d i c a l sc a nb eg i v e nb i r t ht ob yal o to fp a t h w a y s i t i sf o u n df r o mm a n yr e s e a r c h e st h a tag r e a tm a n yd i s e a s e s ，s u c ha sd e g e n e r a t i v en e r v e d i s e a s ea n da g e i n g ，a i er e l a t e dt of r e er a d i c a l s a m i n oa c i d sa r ec r i t i c a lt a r g e t so fv a r i o u s f l e em d i c a l s ，d u et ot h e i rh i g ha b u n d a n c ea n dl o wo x i d a t i o np o t e n t i a l a so n eo ft h em o s t e a s i l yo x i d a b l ea m i n oa c i d s ，t h eo x i d a t i o no fm e tn o to n l yr e p r e s e n t s a n i m p o r t a n t p o s t t r a n s l a t i o n a lm o d i f i c a t i o no fp r o t e i n su n d e rc o n d i t i o n so fo x i d a t i v es t r e s s ，b u ta l s oi s l i n k e dt oa g e i n ga n dp a t h o g e n e s i so fa l z h e i m e r sd i s e a s e p r i o nd i s e a s e 抽dp a r k i n s o n s d i s e a s em e t so x i d a t i o nh a sa t t r a c t e dc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o n t h e r e f o r e ，t h e o r e t i c a ls t u d i e s o nr a d i c a l o x i d i z e dm e c h a n i s m so fm e tm o d e lp e p t i d ea r es i g n i f i c a n tf o ru n d e r s t a n d i n g m e c h a n i s m so f p a t h o l o g ya n df i l t r a t i n gd r u g s t oe l u c i d a t et h ea m i n oa c i do x i d a t i o nm e c h a n i s m s ，v a r i o u se x p e r i m e n t a lt e c h n i q u e sh a v e b e e ne m p l o y e d ，i nw h i c hp u l s er a d i o l y s i sm a yb et h em o s tp o w e r f u lo n e ，b yw h i c ho n ec a n e s t a b l i s ha no x i d a t i o nr o u t em a pb ya s s i g n i n gt h et r a n s i e n ts p e c t r ao fv a r i o u si n t e r m e d i a t e s h o w e v e r , t h et r a n s i e n ts p e c t r aa s s i g a m a e n ti sas u b j e c to ff r e q u e n td e b a t e ，b e c a u s ed i f f e r e n t o b s e r v e r sm a yg i v ed i s t i n c t ，e v e nc o n t r a d i c t o r y , a s s i g n m e n t s a tp r e s e n t ，q u a n t u mc h e m i c a l c a l c u l a t i o n ，w h i c hh a sb e e ne m p l o y e dw i d e l yi nc h e m i s t r y , l i f es c i e n c ea n dm a t e r i a l s c i e n c e s ，i so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tw a y st oi n v e s t i g a t em o l e c u l a rs t r u c t u r e f u n c t i o n r e l a t i o n s h i p q u a n t u mc h e m i c a lm e t h o d sc a nc a l c u l a t ep h ) ，s i c o c h e m i c a lp r o p e r t i e so fa l lt h e s m a l lm o l e c u l e s c o n s i d e r i n gt h es u c c e s s f u lu s eo fd e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r y ( d f t ) o f q u a n t u mc h e m i s t r y , e s p e c i a i l yt i m e - d e p e n d e n td e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r y ( t d _ d f t ) ，i n a s s i s t i n gt h ea s s i g n m e n to f t r a n s i e n ta b s o r p t i o ns p e c t r aa n d t h ee l u c i d a t i o no f r e d o xr e a c t i o n m e c h a n i s m sf o rn a t u r a lp r o d u c t s ，w eh a v ee m p l o y e dd f tt oh e l pe l u c i d a t eo x i d a t i o n m e c h a n i s m so f m e tm o d e lp e p t i d ei nd e t a i l 山东师范大学硕士学位论文 i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，o r g a n i cs u l f i d e s ，i e ，d i m e t h y ls u l f i d ea n d 2 ，2 - d i h y d r o x y e t h y ls u l f i d e ， a r ec h o s e nt oe v a l u a t eb a s i s s e td e p e n d e n c ea n dl o n g r o u t es o l v e n te f f e c ta tf a s t t h e n h 0 0 一h 2 0i se m p l o y e dt ov a l i d a t eh y d r o g e n - b o n de f f e c tf o rm o l e c u l a ra b s o r p t i o ns p e c 拄a a tl a s t ，b ym e a n so fe v a l u a t e dd f t ( e s p e c i a l l yt d - d f t ) c o m p u t a t i o n a lm e t h o d s ，w e c a l c u l a t ep u l s er a d i o l y t i co x i d a t i o np r o c e s so fm e tm o d e lp e p f i d e ，n - a c e t y l m e t h i o n i n e a m i d ei nd e t a i l i tn o to n l yv e r i f i e dt h ep r e v i o u s l yp r o p o s e do n e e l e c t r o no x i d a t i o n m e c h a n i s m so fm e tm o d e lp e p t i d et ol a r g ee x t e n t ，b u ta l s op r o v e dt h er o l eo fp r o t o n a t e d s p e c i e sp l a y e di n o n e e l e c t r o no x i d a t i o no fm e tm o d e lp e p t i d ec a nn o te x c l u d e t h i s p r o v i d e dn e wc l u e st of u r t h e re x p e r i m e n t a lr e s e a r c h m o r e o v e r , o x i d a t i o nm e c h a n i s m so f m e t h i o n i n es u l f o x i d eh a v eb e e na l s oc a l c u l a t e df u r t h e r i ns u m m a r y , a l lo ft h e s ee v i d e n c e ss t r o n g l ys u g g e s tt h a td f tm e t h o d si n c l u d i n gt d d f t a r ep o w e r f u lt o o l st 0a s s i s tt h ee l u c i d a t i o no fo x i d a t i o nm e c h a n i s m so fa m i n oa c i d s a n d t h u sc a l ls e r v ea sa l li m p o r t a n tc o m p l e m e n tt oe x p e d m e n t a lm e t h o d o l o g yi nf u t u r es t u d i e s t h ed i s s e r t a t i o nc o n s i s t so fs i xc h a p t e r s i nt h ef a s tc h a p t e r , t h ec u r r e n td e v e l o p m e n to f t h er a d i c a l ：o x i d i z e dm e tm o d e lp e p t i d ei si n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gr e s e a r c h i n gs i g n i f i c a n c e ， e x i s t e n tq u e s t i o n s ，r e s o l v ea p p r o a c h e sa n ds oo n t h et h e o r e t i c a la n dc o m p u t a t i o n a ld e t a i l s o fq u a n t u mc h e m i s t r ya r ep r e s e n t e di nt h es e c o n dc h a p t e nc h o i c e so ft h e o r e t i c a lp a r a m e t e r s a n dc o r r e s p o n d i n gc o m p u t a t i o n a lm e t h o d sa r ee l u c i d a t e di nc h a p t e rt h r e e c h a p t e rf o u ri st o e v a l u a t et h ec o m p u t a t i o n a lm e t h o d so ft h i sd i s s e r t a t i o n i nc h a p t e rf i v e ，t h eo x i d a t i v e p a t h w a y so fp e p t i d em o d e lo fm e t ，n - a c e t y l m e t h i o n i n ea n a i d e ，a r ec a l c u l a t e di nd e t a i l ，a n d w ec o n s i d e rr o u n d l yp r o t o n a t e ds p e c i e so fm o d e lp e p t i d eo fm e t i nt h el a s tc h a p t e r , t h e m a i nc o n t e n t sa r es u n x m a r i z e d a n dav i s t ao f t h ef u t u r eo nf u r t h e rr e s e a r c hi sm a d e k e yw o r d s c l a s s i f i c a t i o n 4 f r e er a d i c a l ，o x i d a t i o n ，m e t h i o n i n e ，d e n s i t yf i m c t i o n a lt h e o r y ( d f t ) ， t i m e - d e p e n d e n td e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r y ( t d - d f t ) q 6 1 6 ，0 6 4 1 1 2 1 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 ( 注：如没 有其他需要特别声明的，本栏可空) 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示谢意。 学位论文作者签名：豸妥老 导师签字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堂撞有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本 人授权整可以将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、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密 后适用本授权书) 学位论文作者魏李支莴 导师箨 枷日 签字日期：2 0 06 年j 一月玢日签字日期：2 0 0 年如蛹 山东师范大学硕士学位论文 第一章综述 自由基是带有未成对电子的分子、离子或基团，在生物体内自由基可以通过多种 途径产生。研究发现许多疾病，例如肿瘤、急性胰腺炎、冠心病、动脉粥样硬化、心 脑缺血再灌损伤、神经退行性疾病以及机体的衰老等等与自由基有很大的关系】。氨 基酸在生物体内由于广泛的分布和较低的氧化还原电位，成为许多种自由基进攻的靶 标。甲硫氨酸是最容易氧化的氨基酸之一，目前已经引起了广泛的关注。在氧化压力、 衰老和疾病中，肽类和蛋白质中甲硫氨酸的氧化，不仅代表了一类重要的蛋白翻译后 修饰过程【6 4 1 ，而且是衰老和许多疾病( 如：阿尔茨海默氏症、疯牛病和帕金森氏症) 的诱因之一。过渡金属离子在自由基氧化甲硫氨酸过程中也起到重要作用。 本章介绍了自由基以及自由基损伤甲硫氨酸模型肽的研究概况、意义、存在问题 和解决方案等。 1 1 自由基损伤甲硫氨酸模型肽的研究概况和研究意义 健康与长寿是人类一直追求的目标，众多研究人员致力于生命机理的研究和药物 的研制。研究表明，含有甲硫氨酸蛋白质和肽类的氧化损伤导致的许多退行性疾病与 体内过量的自由基有很大的关系。 自由基是带有未成对电子的分子、原子或基团。包括h o 、n o 、o ，、r 、r o ， r 0 0 等。1 9 0 0 年g o m b e r g 对三苯甲基自由基的发现揭开了自由基化学的首篇章。自由 基化学的发展启发了生物化学家考虑生物体内是否存在自由基的问题。1 9 3 1 年 m i c h a l i s 首次提出某些酶促氧化还原反应的中间产物为自由基。随后几十年，逐渐发展 了自由基生物学。2 0 世纪8 0 年代中期，一氧化氮的生理作用与病理生理学作用的新 发现不仅扩充了自由基生物学的内容，而且把这门新学科推向前所未有的新高度。近 3 0 年，自由基生物学已经成为生命科学中发展十分迅速与极为蓬勃的新学科，而且已 经渗透到其他的生命科学，特别是医学。 自由基在体内可以通过多种途径产生。如，辐射、光、金属离子、化学毒物、药 物以及受刺激巨噬细胞的释放与正常呼吸过程等。人是需氧生物，体内不可避免的产 生自由基。关于自由基在生物体系中的作用，人们已进行了半个世纪多的研究。到现 山东师范大学硕士学位论文 在为止，收入m e d l i n e 的文献就达1 4 万篇以上。但是，自由基在生物体系中的主要作 用，至今还不太清楚。莫简对此提出如下两点看法：自由基既不是衰老和各种疾病的 “元凶”，也不是代谢和组织损伤的“残渣”；自由基、活性氧和活性氮可能是在体内 许多变化过程中都能起调节作用的普通中间介质 1o 】，越来越多的研究表明，正常的细 胞生长和炎症防御过程中，活性氧自由基在细胞内信号传导中起到重要的作用 “l 。在 正常生理条件下，体内自由基不断产生而又不断被清除，处于一个动态的平衡中。在 病理条件下，自由基损伤与自由基产生和清除的失衡有关。自由基损伤蛋白质使之结 构和功能发生改变致使细胞病变和细胞死亡等己被广泛证实 1 2 , 1 3 】。有关超氧化物理论 和超氧化物歧化酶的发现，揭示了0 2 是氧毒素的主要原因，0 2 一具有一定的攻击性， 但如果得不到及时清除，会进一步转变成h o 。h o 一虽然寿命很短，但却是最活泼、攻 击性最强的自由基，因此危害极大。 而且自由基生物学和自由基医学研究表明：定浓度的自由基是机体进行正常生 命活动的必要条件之一，但过多的自由基对机体是有害的。脑组织虽然只占体重的2 ， 但消耗的氧却占总耗氧量的2 0 ，在氧的消耗过程中会产生大量的自由基，这些活性 很高的自由基有可能进攻脑组织的蛋白质分子，产生蛋白质自由基引起蛋白质结构的 变化，导致蛋白质功能的改变或者肽链断裂、聚合与交联。所谓蛋白质自由基是蛋白 质分子的主链或者是侧链受到氧化损伤后形成的自由基。它可以直接攻击d n a ，造成 其永久眭损伤；可以攻击生物膜的不饱和脂肪酸引起膜脂质过氧化反应。所有这些生 物大分子结构与功能的改变，必然会导致细胞功能的紊乱，从而导致许多疾病【6 - 8 。 研究表明，过多的金属离子有促氧化的功能 1 4 , 5 1 ，以往对蛋白质病变的研究中， 不考虑金属离子，事实上金属离子在生物的正常生命活动中扮演着非常重要的角色。 虽然其含量很低，但却是许多酶的活性中心，如：s o d 中的c u ”和z n 2 + ，固氮酶中的 m 0 2 + ，羧肽酶中的z n 2 + 等等。更重要的是，大脑是富集金属离子的特殊器官，意识到 这一点是正确评价神经系统科学和金属生物学两门交叉学科的基本原则。有雕类反应 涉及到神经退行性疾病，首先，金属与蛋白结合导致蛋白的凝聚，这个反应包含无氧 化还原特性的金属离子如z n 2 + ，和有氧化还原活性的金属离子，如c u 2 + 和f e 3 十；其次， 金属催化的蛋白氧化导致蛋白的损伤和变性，此反应包含有氧化还原活性的金属离子 如c u 2 、f e 3 + 或m n 2 + 。 含甲硫氨酸蛋白质和肽类的氧化损伤引起了蛋白质空间结构和功能的改变，导致 山东师范大学硕士学位论文 蛋白正常功能的丧失以及病理症状的产生。比如近几年引起全球广泛关注的疯牛病也 称萎j p r i o n 或朊病毒，阿尔茨海默氏症( a l z h e i m e r sd i s e a s e ，a d ) ，库鲁病( k u m ) ，帕 金森氏症( p a r k i n s o n ) ，克雅氏症( c r e u t z f e l d t j a c o bd i s e a s e s ，c j d ) ，吉斯综合症 ( g e r s t m a n n s t r a u s s l e r - s c h e i n k e r ，g s s ) 等神经退行性疾病 1 6 , 1 7 】。阿尔茨海默氏症 ( a l z h e i m e r sd i s e a s e ，简称a d ) 是老年痴呆症最主要的类型，于1 9 0 7 年由德国医生 a l o i sa l z h e i m e r 最先报道。据估计，目前全球范围内约有1 2 0 0 万人受此病的折磨，在 老年人群中a d 已成为仅次于心脏病、恶性肿瘤和中风的第四位死亡原因。a d 的发病 原因十分复杂，已知的致病因子包括：活性氧自由基( r o s ) 、过量的过渡金属离子、 d 一淀粉样蛋白( a d ) 聚集、t 蛋白聚集等 1 7 _ 1 9 。随着世界各国逐渐步入老龄化社会， a d 的发病率逐年升高，因此对a d 的治疗和预防以及致病分子机理的研究成为全人类 共同关心的问题。 p r i o n 每j 子水平的病理现象是蛋白空间结构的变化，细胞型p r p 。转变成致病型p r p ”， 即由水溶性的a 螺旋( 旺一h e l i x ) 转变成不溶于水的b 折叠( 6 s h e e t ) 结构，导致在大 脑内形成淀粉样( a m y l o i d ) 沉淀。最经典的p r i o n 结构示意图如下： p r p 。 图1 1p f i o n 结构示意图 p r p “ 到目前为止，已经提出了许多理论和假说去解释蛋白构象变化机制，目前提出的 假说主要有以下几种： ( 1 ) 重折叠模式； ( 2 ) 种子模式； ( 3 ) 蛋白x 假说； ( 4 ) 自由基假说。 山东师范大学硕士学位论文 另外实验证明，氨基酸多肽链疏水基团间的相互作用和多肽链与过渡金属离子的 络合模式也影响蛋白质的折叠方式。在理论上我们实验室提出蛋白质本身带电氨基酸 之间的静电相互作用影响了蛋白质的折叠口”。对大量实验数据重新进行全面的分析， 可以得出，蛋白多肽链的氧化损伤很可能在一些神经退行性疾病中起着关键作用【2 l 】。 近几年来，激光和分子束等现代实验技术的飞速发展，特别是多学科交叉的飞秒 化学的诞生【2 2 - 2 3 1 ，使得人们能够从分子水平去探索基元反应，甚至可以用超快光谱观 察反应的过渡态。真正实现对化学反应的“实时”检测，从而揭示生化反应的本质。 在实验研究方法迅速发展的同时，理论研究方法也引起人们的重视。 1 9 2 7 年h e i t l e r 和l o n d o n 运用量子力学的原理研究氢分子的结构，揭开了量子化 学的首篇章。到8 0 年代初，量子化学已经发展成- - f q 独立的，同时与化学各分支学科， 以及物理、生物、计算数学等学科互相渗透的学科。量子化学是从分子水平上探讨自 然界奥秘的科学的理论基础，其应用范围很广。生物和药物的研究是量子化学应用非 常活泼的领域之一。分子生物学力图从生物分子的结构、性能及相互作用揭示生命现 象的本质，量子化学计算有助于实现这一目的。量子化学计算方法对生物化学的渗透， 已经导致了量子生物学的建立。特别是随着计算机技术的发展和计算方法的程序化， 已经建立了多种计算程序，其中最著名的是1 9 9 8 年诺贝尔化学奖获得者p o p l e 教授组 编写的g a u s s i a n 程序。该程序直接利用h f r 方程进行严格计算，即所谓“量子化学 从头算方法”。基于量子化学原理的g a u s s i a n 程序和近几年来发展的构效关系 ( s t r u c t u r e - a c t i v i t yr e l a t i o n s h i p s ，简称s a r ) 作为理论研究氨基酸和多肽氧化的一种 非常有效的途径和方法。 研究意义：蛋白质在特定条件下发生突变或构型上的变化，由良性蛋白变为恶性 蛋白，即变为具有传染性的蛋白质颗粒，这一观点也向传统观点提出了强有力的挑战。 氨基酸和多肽链的氧化化学性能是一个值得重视的问题，它可以解开基因所编码的蛋 白分子所蕴藏着的决定老化和疾病的蛋白科学之谜。甲硫氨酸是最容易氧化的氨基酸 之一。目前已经引起了广泛的关注，由于甲硫氨酸的氧化是阿尔茨海默氏症、疯牛病 和帕金森氏症等神经退行性疾病的致病因素之一，因此甲硫氨酸模型肽氧化机理的研 究对揭示与痴呆有关疾病( 如老年性痴呆症、帕金森病) 的生物学机制，理解许多疾 病的发病机理，筛选相关治疗药物都有一定意义。 山东师范大学硕士学位论文 1 _ 2 目前存在的主要问题和解决方案 许多实验方法已被用来探讨氨基酸的氧化机制，其中脉冲辐解方法是最有效的手 段之一。对氨基酸各氧化中阋体瞬态吸收光谱的归属可以初步建立氨基酸的氧化“路 线图”。然而瞬态吸收谱的归属通常是有争议的，因此不同的观察者可能给出不同的甚 至相互矛盾的结果。目前，理论方面也进行了部分研究，但是仍然存在许多问题，主 要表现在： ( 1 ) 含硫的有机分子对计算方法很敏感，不同的计算方法得出不同的结论。目前 在研究甲硫氨酸模型肽氧化过程时，没有系统地评价计算方法中的基组依赖性。 ( 2 ) 溶剂效应，由于大多数氧化反应在溶剂中进行，理论研究中溶剂效应主要考 虑长程效应和短程效应，如肽类的水溶液氧化环境，存在溶剂水和结合水两种情况， 对这些问题没有进行全面的理论评价。 ( 3 ) 甲硫氨酸模型肽的氧化机理研究主要是依靠脉冲辐解方法来实现的，瞬态吸 收谱的归属通常依赖主观推测，不同的观察者可能给出不同的甚至相矛盾的结论，因 此氧化中间体的瞬态吸收谱并没有得到有效的理论方法验证。 ( 4 ) 不同的实验条件对氧化反应有很大的影响，如p h 值，能够影响甲硫氨酸模 型肽氧化过程的质子化，这在实验上没有被考虑，在理论上也没有进行全面的评价。 研究方案：目前，广泛应用于化学、生命科学、材料科学等领域的量子化学计算， 是探讨分子结构一功能关系的重要研究手段之一，可以计算小分子几乎所有的物理化 学性质。量子化学计算方法很多，目前应用最多的是密度泛函理论( d e n s i t y f u n c t i o n a l t h e o r y ，简称d f t ) 方法，它具有计算精度高、计算速度快两大优点。考虑到量子化学 的密度泛函理论( d f t ) 方法，特别是含时d f t ( t d d f t ) 方法己被成功用于探讨天 然产物的氧化还原机制，我们首先选择小分子化合物对本论文计算方法包括基组依赖 性和溶剂效应，进行评价，然后用经过评价的d f t 平u t d d f t 方法，对甲硫氨酸及其模 型肽进行了比较详尽的理论研究。 1 3 本文的工作 本文解决的主要问题是：首先，选择小分子有机硫化合物二甲基硫和= 乙醇基硫 评价了计算方法的基组依赖性和长程溶剂效应；其次，选择h o o h 2 0 自由基评价了短 程溶剂效应，即结合水的氢键对光谱的影响；最后，用经过评价的d f t 和t d d f t 方法， 山东师范大学硕士学位论文 对甲硫氨酸模型肽_ 乙酰甲硫氨酸氨基在水溶液中的脉冲辐解氧化过程进行了详尽的 计算，不仅验证了实验提出的氧化机理，而且指出质子化形式在甲硫氨酸模型肽的氧 化反应中应予以考虑，这为进一步的实验研究提供了启发。此外，对甲硫氨酸亚砜的 进一步氧化机制也送行了计算。 参考文献 1 r o b e r t ，g ；z e w a i l ，ah ，尸蛳c h e m 1 9 9 1 ，9 5 , 7 9 7 3 2 a n t o s i e w i c z ，j ；p o p i n i g i s ，j 二i s h i g u r o ，h ；h a y a k a w a ，t ；w a k a b a y a s h i ，ti n t j p a n c r e a t o l1 9 9 5 ，7 j2 3 1 - 2 3 6 3 赵克然，杨毅军，曹道俊氧自由基与临床，中国医药科技出版社，北京2 0 0 0 4 钟慈声，孙安阳一氧化氮的生物医学，上海医科大学出版社，上海，1 9 9 7 5 赵保路氧自由基和天然抗氧化剂，科学出版社，北京，1 9 9 9 6 s t a d t m a n ，e r f r e e r a d i c b i 0 1 m e d 1 9 9 0 ，9 ，3 1 5 - 3 2 5 7 js t a d t m a n ，e r a n n u r e v b i o c k e m 1 9 9 3 ，6 2 ，7 9 7 8 2 1 8 b e r l e t t ，b s ；s t a d t m a n ，e r ，b i 0 1 c h e m 1 9 9 7 ，2 7 2 ，2 0 3 1 3 2 0 3 1 6 9 s t a d t m a n ，e r ；l e v i n e , r l a m i n oa c i d s2 0 0 3 ，2 5 ，2 0 7 218 1 0 孙存普，张建中，段绍瑾自由基生物学导论，中国科学技术大学出版社，台月巴1 9 9 9 1 1 】m a g d e r , s c r i t i c a lc a r e2 0 0 6 ，0 ，2 0 8 2 1 6 1 2 c a u g h e y ，b ；k o c i s k od a ；r a y m o n dgj ；e ta 1 c h e m b i 0 1 1 9 9 5 ，2 ，8 0 7 8 1 7 1 3 r a d u l e s c u , r t ；k o r t h ，c m e d i c a l h y p o t h e s i s1 9 9 6 ，4 6 , 2 2 5 2 2 8 1 4 v i l e s ，j h ；c o h e n ，f e ；p r u s i n e r ，s b ；e tal _ p m c n a r l a c a ds c i 1 9 9 9 ，9 6 , 2 0 4 2 2 0 4 7 1 5 m i u r a ，t ；h o r i i ，a ；m o t o t a n i ，h ；t a k e u c k ，h b i o c h e m i s t r y ，1 9 9 9 ，3 8 ，1 1 5 6 0 1 1 5 6 9 1 6 】p m s i n e r , s b p r o c n a t l a c a d s c u s a1 9 9 8 ，9 5 ，1 3 3 6 3 1 3 3 8 3 1 7 m a t t s o n ，m p n a t u r e2 0 0 4 ，4 3 0 ，6 3 1 - 6 3 9 1 8 】b a m h a m ，k j e ta 1 n a t r e v d r u g d i s c o v ，2 0 0 4 ，3 ，2 0 5 - 2 1 4 ( 1 9 b r o w n ，d r ；k o z l o w s k i ，h d a l t o nt r a n s ，2 0 0 4 ，1 3 ，1 9 0 7 1 9 1 7 2 0 】j i ，h 一f ；z h a n g ，h y ；s h e n ，l d r b i o m 0 1 s t r u c t d y n 2 0 0 5 ，2 2 ，5 6 3 5 7 0 让1 jy a n g ，c m c h i n e s es c b u l l , 2 0 0 0 ，4 5 。1 5 4 6 1 5 5 4 2 2 r o b e r t ，g ；z e w a i l ，a h ，p 枷c h e m 1 9 9 1 ，9 5 , 7 9 7 3 7 9 9 3 2 3 p e d e r s e n ，s ；b a n a r e s ，l ；z e w a i l ，a h ，c h e m p h y s 1 9 9 2 ，9 7 , 8 8 0 1 8 8 0 4 6 山东师范大学硕士学位语文 第二章量子化学计算的基本理论 本章就论文中量子化学计算涉及的基本理论进行介绍 1 , 2 1 。量子力学是2 0 世纪初为 了描述微观物理现象而发展起来的一套新的物理学理论体系。量子力学的基本原理和 方法在化学过程中的应用形成了物理化学的一个分支学科量子化学。 用量子力学研究原子或分子的结构，主要是求解定态s c h r 6 d i n g e r 方程。首先是写 出s c h r 6 d i n g e r 方程，然后求解，得到定态的波函数甲和相应的能量本征值e ，最后进 行其它的力学量计算。描述具有波粒二象性的粒子的波函数所满足的s c h r 6 d i n g e r 方程 为： e v 2 + 矿卜加哮嘶， 亿t ， 通过解s c h r s d i n g e r 方程就可以获得描述粒子的波函数甲和能量等力学量。若v 不随时 间变化，可将此方程进行变量分离，即将、壬，p ，r ) 表述成甲p ) 和r 0 ) 的乘积形式坨：从而 可以得到定态s c h r o d i n g e r 方程： 刖( r ) = 点y ( r ) ( 2 2 ) 其中， 日；一旦v 2 w (23)2m 、。7 2 1 自洽场理论( s c f ) 分子一般是具有多个原子核和多个电子的多粒子体系，多粒子体系的定态 s c h r s d i n g e r 方程可以表示为： 日( r ) + h 。( r ) + 叫( r ，r ) 】甲( r l ，r 2 ，r ，；r 【，r 2 ，0 ) = e 甲( r l ，r 2 ，r ，；，r ，0 ) ( 2 4 ) 其中甲( r 。，r ：，r ，；r l ，r 2 ，0 ) 是体系总的波函数，h s ( r ) 、皿( r ) 分别表示原子 核和电子的h a m i l t o n 量，一。( r ，r ) 表示电子与核的相互作用。 山东师范大学硕士学位论文 动，电子都能迅速调节而适应核的新位置。利用b o r n o p p e n h e i m e r 绝热近似将核与电 子的运动分开处理，于是得到多粒子体系电子的定态s c h r 6 d i n g e r 方程： 旧2 + e 篇q rr 器r 9 ：篙r 麓r 辩r tr 2 i r j ， 眨s ， = ( 【，一，) 中。( r l ，2 ，；，) 、。 其中e 。( r ，r ：，r ，) 是核处在( r l ，r ：，r ，) 位置时电子的总能量，( 五，r ! ，矗，) 在方程中相当于参量。巾。( r ，r ：，r ，；r 。，r ，o ) 是当核处在( r ，r 2 ，r ，) 的位置时 性，假设体系每个电子的波函数可以写成谚k ( ，) 的形式，对一个具有2 n 个电子的 ，f 畦“h ( 1 )西“归( 1 ) 。( r i k ( 1 ) o n ( r 1 ) ：( i ) l 巾( r ) = f ：一i ! ii ( 2 国 “2 州k ( r ：。k ( 2 。) 1 ( r 2 。( 2 。) 丸也。k ( 2 。) 声n ( r 2 ，。加( 2 。i 、。 一v 2 + y c r ，一p7 坚皆 办c r ，= 易以c r ， c ：， p ( r ) = 彤- ( r ) 办t ( r ) 为电荷密度， m ，r ) = - m z 。型篆端掣f “1 甲i i 删f i i 为交换电荷密度。 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 山东师范大学硕士学位论文 方程( 2 7 ) 实际上包含了n 个相互联立的方程组，求解此方程只能用自治迭代的方 法，这种方法称为h a r t r e e - - f o c k 自洽场近似方法 1 。】。通过自洽迭代方法最终可以求得 近似的单电子的波函数和能量，其中单电子波函数又叫做原子轨道或分子轨道。 在进行自洽计算时，一般是先把分子轨道按某个选定的完全基函数集合( 简称基 组) 展开。但是一个完全的基组往往有无限多项，而在实际计算中只能选取有限项。 适当选取基组，可以用有限项展开式按一定精确度要求逼近精确的分子轨道。基组的 选择是任意的，总的原则是“提高效率”，即要求基函数的数目尽可能小，而且逼近精 确度尽可能地高。人们最早想到的是将基组选为组成分子的原子轨道集合。 将分子