（物理化学专业论文）生物分子体系中电子转移动力学理论研究.pdf

四川大学博士学位论文 生物/ 几 弋 系中电子转移二 学理论研究 物理化学 研究生刘继凤指月教师李象远教授 本文共分为两人都分:第一部分是电子转移理论综述，在这一部分中，作 者综述了二十世纪五十年代发展起来的电子转移桂 基础和理论模型，并根据 m a r c u s的非绝热电子转移速率常数计算 i 经典公 式讨论了影响电 子转移速率 常数的因 素及其计算方法: 在第二 部分， 作者在a b i n i t i o 从头算方法水平上， 对 一些生物分子 模型休系中的分子间 绝热电.、 r - 内非绝热电子转 移 反应以 及分子秀 导电 子转移反 应的 机理进行丁) i - e a i ， 。 . 并计算了体系中 电子转移反应迷率常数。 第二章中， 设计了 a - 碳中心自 由 基小分、 1 4 2 n c h - c h o ) 被o z 氧化的 模 型反应。应用外电场诱导方法获得一组电荷定域的分子轨道，用电荷定域的轨 道再诱导计算获得反应体系的双势阱曲线。理论计算表明极性溶剂效应对电荷 分离的电 子转移过程 有很大的 推动 作用: ( 1 ) 极性溶剂 波动推动电子转移过渡 态在产物平衡态附 近发生，水溶液中r , = 1 . 0 1 ; ( 2 )在水溶液中， 反应体系的 活化能 垒大大降 低， 仅为气 相的一 半左右; ( 3 ) 水溶液中的反应热降低至气相 的一半。 根据氧化还原反应中心之间的 距离大小及电子转移偶合矩阵 元的大 小 判断出反应是绝热电子转移过程， 用 ma r c u s 的绝热电子转移理论模型计算得电 子转移速率常数为7 .0 8 7 x 1 0 1 2 m i . s 1 。理论 研究表明电 子转移反应非常缓慢， 在热力学条件下，该电子转移反应发生的可能性非常小。 在第三章中，作者考虑溶剂效 应和不同的去 质子化机理， 研究了 色氨酸与 酪氨酸间的三 种非绝热电子转移反 应机制。( 1 ) 电子转移给受体的孤立体系之 间的相互作用理论 研究表明无论在 气相还是 在水溶液中， 未去质子的 正离子自 由 基体系电子 转移反 应的活 化能垒 很高，反 应很难发生;( 2 ) 双去质子的负 离 子自由基体系电子转移反应的活化能垒较低，反应的过渡态在反应物平衡态附 四川大学博士学位论文 近，是放热反应，在气相和水次液中都能够自发的发生;( 3 )第三种电子转移 机制， 0 3 1 噪正离子部分世.不 子 化后形成中 性自 由基， 然后经过 质子转移/ 电 子转 移或电 子转移/ 质子转移的两 步过程生成产物， 理论计算表明在水溶 液中 先发生 质子转移，而后发生电子转称的反应路径占优势。对三种机理的理论研究探明 了不同去质子化机理对电于s : 的控制作用，并阐明了溶剂效应引起多步反应 机制和双去质子化反应机制的合理性。( 4 )计算了亚甲基链作为叫a rn 和苯酚之 间的桥体的体系亚甲基数目从 2 到 5 的体系的电子转移偶合矩阵元，考察了电 子转移偶合矩阵元与电子转移给受体的中心之间的距离之间的关系，发现两者 之间存在指数衰减关系， 根据拟合指数曲 线求的的p 值比实 验预测的 值大。( 5 ) lq i *和苯酚之间的氢键相互作用的研究表明叫噪环上的 n - h 键在被氧化剂氧化 之后， 在极性溶剂的影响下，很容易去 质子化。去 质子化后形成的 络合物体系 较稳定，驱动整体反应向前进行。理论研究解释了实验上为什么氧化剂更容易 氧化a pi i a m 基团成为正离子，以及接下来发生电子转移反应的驱动力问题。( 6 ) 对色氨酞酪氨酸二肤体系的 桥体构象对电子转移动力学的影响的理论研究表 明，不同的桥体构象体系的反应热、内重组能以及电子偶合矩阵元均有较大差 别，桥体构象的 变化将影响电子 转移的 动力学因素， 进而影响电 子转移速率。 第四章中， 作者尝试用h f 和全活化空间自 恰场 ( c a s s c f ) 方法考察色氨 酸 和 d n a 碱基与4 - 硝基 哇琳- 1 - 氧 化物 ( 4 n q 0 ) 之间的 相互作用以 及它们之间的 光诱导电子转移过程， 以期从理论上帮助理解 4 n q 0的致癌性。这些体系的理论 研究就作者所知极少。理论计算研究表明 ( 1 )色氨酸以及嘿吟碱与 4 n q 0之间 存在两种氢键相互作用， 一种质子受体是 4 n q 0 分子中的杂环 n - 0 基， 另一种质 子受体是 4 n q 0 分子中的硝基，色氨酸或嚓吟碱分子提供 n - 1 l 键作为质子给体。 ( 2 ) 色氨酸与 4 阴0 形成的最稳定氢键络合物体系的 c a s s c f 计算表明， 该体系 的 第一、二单重激发态以 及第一激发三重态都是电 荷分离态，说明 在适当的 光 照射条件下，该体系可以发生直接光诱导电子转移反应。该体系的最低三重态 是 4 n q 0 部分的局域激发态。( 3 )鸟嗓吟和 4 n q 0的二 一 二 络合物体系的 c a s s c f 计 算，考察了取代基对体系第一单重激发能的影响，发现取代基分别是氢原子、 甲 基、四 氢吠喃及戊糖基时， 第一单重激发态均为电 荷分离态，体系从基态 到 第一单重激发态的跃迁能依次减小， 该跃 迁能与实验估计的电子转移引 起的 光 谱吸收对应的 跃迁能 一 致。理论计算表明4 n q 0 不 仅能与d n a 碱基 有相互 作用， 四川大学博士学位论文 而且与色氨酸之间也有类似的相互作用，因而对理解含有色氨酸的抗癌性蛋白 质结构与功能关系有一定的帮 助。 溶剂效应是电子转移反应中的重点和难点。第五章中，作者介绍了给本实 验室近期发 展起来的非平衡溶剂化及在光谱位移校正方面的新理论和计算模 型， 并对具有溶剂化效应探针之称的香豆素 1 5 3体系在 4 4中溶液中的光谱数据 进行了 理论拟合。用拟合得到的直线 斜率求出 体系的 溶剂化孔穴 半径， 新公式 给出3 . 7 - 3 . 9入的半径， 与用v a n d e r w a a l s 体积计 算的 孔穴半 径相一致; 而用 l i p p e r t - m a t a g a 公式给出的孔穴 半径范围 是 4 . 6 - 4 . 9 入 。 用实 验数据的 拟合结果 以及与 l i p p e rt - m a t a g a 公式的比较，表明 新的非 平衡溶剂化公式 在预测光谱位 移方面是可靠的。 关 键词:电 子转移 色氨酸与酪氨酸 速率常 数反 应机理 溶剂 效应 四川大学博士学位论文 t h e o r e t i c a l s t u d y o f t h e d y n a m i c s o f e l e c t r o n t r a n s f e r i n b i o mo l e c u l a r s y s t e m ma j o r i n p h y s i c a l c h e mi s t r y ph . d. s t u d e n t j i - f e n g l i u s u p e r v i s o r p r o f x i a n g - y u a n l i t h i s w o r k i n c l u d e s f i v e c h a p t e r s . t h e f u n d a m e n t a l s o f e l e c t r o n t r a n s f e r d e v e l o p e d d u r i n g t h e r e c e n t h a l f - c e n t u r y a r e s u m ma r i z e d i n c h a p t e r 1 , a n d t h e f a c t o r s whi c h a f f e c t t h e r a t e c o n s t a n t o f e l e c t r o n t r a n s f e r r e a c t i o n a r e d i s c u s s e d b a s e d o n t h e c l a s s i c a l ma r c u s s t h e o r y . t h e c o m p u t a t i o n a l a p p r o a c h e s o f t h e s e f a c t o r s a r e a l s o s h o w n i n c h a p t e r l . i n c h a p t e r 2 t o c h a p t e r 5 , t h e e l e c t r o n t r a n s f e r r e a c t i o n s i n s o m e b i o m o l e c u l a r s y s t e m s a r e t h e o r e t i c a l l y i n v e s t i g a t e d . a mo n g t h e s e t h e o r e t i c a l s t u d i e s , t h e m e c h a n i s m s o f b o t h a d i a b a t i c a n d n o n a d i a b a t i c t h e r m a l e l e c t r o n t r a n s f e r r e a c t i o n s a s w e l l a s t h e p h o t o i n d u c e d e l e c t r o n t r a n s f e r r e a c t i o n s a r e d i s c u s s e d b y i n v e s t i g a t i n g t h e e n e r g y r e l a t i o n s h i p , t h e i n t e r a c t i o n b e t w e e n r e a c t i o n m o l e c u l e s , a n d t h e r e a c t i o n r a t e c o n s t a n t . t h e m e c h a n i s m o f t h e o x i d a t i o n o f c c - c a r b o n - c e n t e r e d r a d i c a l b y o z h a s b e e n t h e o r e t i c a l l y p r e s e n t e d i n c h a p t e r 2 . i t h a s b e e n f o u n d t h a t t h e p o l a r s o l v e n t e f f e c t m a k e s t h e a c t i v a t i o n e n e r g y b a r r i e r l o w e r r e m a r k a b l y , a n d t h e r e a c t i o n h e a t o f t h e e n d o t h e r m a l r e a c t i o n i n a q u e o u s s o l u t i o n b e c o m e s n e a r l y h a l f o f t h a t i n t h e g a s p h a s e . t h e e l e c t r o n t r a n s f e r r e a c t i o n i n t h e o x i d a t i o n o f a .- c a r b o n - c e n t e r e d a m i n o r a d i c a l h a s b e e n f o u n d t o b e d i ff i c u l t t o o c c u r i n t h e g a s p h a s e , h o w e v e r t h e p o l a r s o l v e n t fl u c t u a t i o n w i l l p r o p e l t h e r e a c t i o n t o o c c u r a t n e a r t h e p r o d u c t s t a t e w i t h a c e rt a i n p r o b a b i l i t y . t h i s e l e c t r o n t r a n s f e r r e a c t i o n i s j u d g e d a s a n a d i a b a t i c o n e a c c o r d i n t i n g t o t h e v a l u e s o f t h e e l e c t r o n i c c o u p l i n g ma t r i x e l e me n t , a n d t h e r e a c t i o n r a te c o n s ta n t h a s b e e n c a lc u la te d to b e 7 . 1 x 1 0 m - .s 1 in a q u e o u s s o l u t io n u s in g t h e ma r c u s a d i a b a t i c e l e c t r o n t r a n s f e r t h e o r y . t h e t h e o r e t i c a l s t u d y s h o w s t h a t t h i s 四川大学博士学位论文 mo d e l e l e c t r o n t r a n s f e r r e a c t i o n c a n o c c u r t h e r m o d y n a m i c a l l y i n p o l a r s o l v e n t , b u t t h e r a t e i s p r e d i c t e d v e ry s l o w . i n t r a m o l e c u l a r a n d i n t e r m o l e c u l a r e le c t r o n t r a n s f e r r e a c t i o n s i n p o l y p e p t i d e i n v o l v i n g t y r o s i n e a n d t r y p t o p h a n h a v e b e e n t h e o r e t i c a l l y i n v e s t i g a t e d a n d p r e s e n t e d i n c h a p t e r 3 . t h r e e d i ff e r e n t m e c h a n i s m s a n d t h e s o l v e n t e ff e c t o f t h e e l e c t r o n t r a n s f e r r e a c t i o n b e t w e e n i n d o l mo i e t y a n d p h e n o l m o i e t y o f t h e mo d e l s y s t e m c o r r e s p o n d i n g t o t h e d i p e p t i d e o f t r y p t o p h a n a n d t y r o s i n e h a v e b e e n s t u d i e d b y e n e r g y c a l c u l a t i o n s . i t h a s b e e n f o u n d t h a t : ( 1 ) t h e e l e c t r o n t r a n s f e r r e a c t i o n c a n h a r d l y o c c u r i n g a s - p h a s e ; ( 2 ) t h e e l e c t r o n t r a n s f e r r e a c t i o n i n t h e d o u b l y d e p r o t o n a t e d r a d i c a l a n i o n s y s t e m c a n o c c u r s p o n t a n e o u s l y w i t h t h e t r a n s i t i o n s t a t e b e i n g n e a r t h e r e a c t i o n s t a t e i n s o l u t i o n , a n d t h i s r e a c t i o n i s e x o t h e r m i c ; ( 3 ) t h e t h i r d m e c h a n i s m f o u n d i s t h e mu l t i - s t e p o n e . t h e th e o r e t i c a l r e s u l t s s h o w t h a t t h e r e a c t i o n p a t h w a y i n w h i c h p r o t o n t r a n s f e r r e a c t io n o c c u r s f i r s t , a n d t h e n e l e c t r o n t r a n s f e r o c c u r s i s p r e d o m i n a n t i n a q u e o u s s o l u t i o n . o n t h e o t h e r h a n d , t h e s t u d y o f c o u p l i n g m a t r i x e l e m e n t o f e l e c t r o n t r a n s f e r i n m o d e l s y s t e m s i n h - ( c h 2 ) p h o h ( n = 2 - 5 ) s h o w s t h a t t h e c o u p l i n g m a t r i x e l e m e n t ( v , ) d e c r e a s e s e x p o n e n t i a l l y w i t h i n c r e a s i n g c e n t r a l s e p a r a t i o n d i s t a n c e o f t h e e l e c t r o n d o n o r a n d a c c e p t o r . t h e c o n f o r m a t i o n a l e ff e c t o f t h e d i p e p t i d e t r p h - t y r o h h a s b e e n a l s o in v e s t i g a t e d i n t h i s c h a p t e r . t h e t h e o r e t i c a l i n v e s t i g a t i o n s r e v e a l t h a t t h e s e p a r a t i o n d i s t a n c e o f d o n o r a n d a c c e p t o r i s d i f f e r e n t i n d i f f e r e n t c o n f o r ma t i o n s , s o a s t o a ff e c t t h e m a g n i t u d e o f t h e c o u p l i n g m a t r i x e l e me n t , a n d t h e s l i g h t l y c h a n g e o f t h e b r i d g e w i l l a l s o a ff e c t t h e r a t e c o n s t a n t o f t h e e l e c t r o n t r a n s f e r r e a c t i o n i n d ip e p t i d e . i n c h a p t e r 4 , t h e t h e p h o t o i n d u c e d e l e c t r o n t r a n s f e r r e a c t i o n s b e t w e e n t r y p t o p h a n a n d 4 - n i t r o q u i n o l i n e 小o x i d e ( 4 n q o ) , a n d t h a t b e t w e e n t h e p u r i n e b a s e s o f d n a a n d 4 n q o h a v e b e e n t h e o r e t i c a l l y i n v e s t i g a t e d u s i n g h a r t r e e - f o r k ( h f ) a n d t h e c o m p l e t e a c t i v e s p a c e s c f ( c a s s c f ) m e t h o d , i n o r d e r t o u n d e r s t a n d t h e c a r c i n o g e n i c i t y o f 4 n q o . t h e r e s u l t s o f t h e o r e t i c a l s t u d y s h o w t h a t ( 1 ) t w o k i n d s o f h y d r o g e n - b o n d i n g in t e r a c t i o n e x i s t i n t h e c o m p l e x e s c o m p o s e d o f 4 n q o a n d t ryp t o p h a n o r p u r i n e b a s e s , o n e i s s t r o n g a n d t h e o t h e r i s w e a k ; ( 2 ) t h e f i r s t a n d t h e s e c o n d s i n g l e t e x c i t e d s t a t e s a n d t h e f i r s t t r i p le t e x c i t e d s t a t e o f t h e m o s t s t a b l e 四川大学博士 学位论文 h y d r o g e n - b o n d i n g c o m p l e x o f t r y p t o p h a n a n d 4 n q o a r e c h a r g e s e p a r a t e d , w h i c h i m p l i e s t h a t l i g h t e x c i t a t i o n c a n l e a d t o d i r e c t e l e c t r o n t r a n s f e r p r o c e s s i n t h i s s y s t e m . t h e lo w e s t t r i p l e t s t a t e o f t h i s s y s t e m i s a l o c a l e x c i t e d s t a t e ; ( 3 ) t h e h y d r o g e n - , m e t h y l - , t e t r a h y d r o f u r a n - , a n d p e n t o s - s u b s t i t u t i o n e ff e c t s a t n 9 p o s i t i o n o f g u a n i n e mo i e t y i n t h e n - 7 r s t a c k i n g c o mp l e x o f g u a n in e a n d 4 n q o h a v e b e e n s t u d i e d . t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n s o f c a s s c f s h o w t h a t t h e f i r s t e x c i t e d s i n g l e t s t a t e ( s , ) o f t h e f o u r c o m p l e x e s i s c h a r g e s e p a r a t e d , a n d t h e t r a n s i t i o n e n e r g y f r o m t h e g r o u n d s t a t e t o s , d e c r e a s e s a s t h e s u b s t i t u t e v a r i e s f r o m h y d r o g e n t o p e n t o s e . t h e c a l c u l a t e d t r a n s i t i o n e n e r g y o f s , i s i n a g r e e m e n t w i t h t h a t o b t a i n e d i n e x p e r i m e n t s . s o l v e n t e ff e c t p l a y s i m p o rt a n t r o l e i n e l e c t r o n t r a n s f e r r e a c t io n s . i n c h a p t e r 5 , a n e w t h e o r e t i c a l f o r m o f t h e s o l v a t i o n c o r r e c t f o r m u l a t i o n f o r t h e s p e c t r a l s h i ft i n s o l v e n t s h a s b e e n d e m o n s t r a t e d . t h e n e w f o rmu l a t i o n s o f s p e c t r a l s h i ft s h a v e b e e n u s e d t o p r e d i c t t h e s p e c t r a l s h i ft o f c o u m a r i n 1 5 3 t h e o r e t i c a l l y . u s i n g t h e n e w f o r m u l a t i o n s a n d f it t i n g e x p e r i m e n t a l r e s u l t s , t h e r a d i i o f s a l v a t i o n c a v i t y o f c o u m a r i n 1 5 3 i s f o u n d t o b e i n t h e r a n g e o f 3 .7 - 3 . 9 .4 , w h i c h i s c o n s i s t e n t w i t h t h e r a d i i o b t a i n e d f r o m t h e v a n d e r w a a l s v o l u m e o f c o u m a r i n 1 5 3 . t h i s s t u d y s h o w s t h a t t h e n e w n o n - e q u i l i b r i u m s o l v a t i o n f o r m u l a t i o n e s t a b l i s h e d i n o u r r e s e a r c h g r o u p i s v a l i d a n d r e l i a b l e . k e y w o r d s : e le c t r o n t r a n s f e r , t r y p t o p h a n a n d t y r o s i n e , r e a c t i o n r a t e c o n s t a n t r e a c t i o n m e c h a n i s m, s o l v e n t e ff e c t 四川大 学博士 学位论 文 综 述 电 子转移过程是均相体系最基本的化学行为，普遍存在于自 然界的 各个领 域之中，如金属离子的氧化还原反应、自由基亲核取代反应、以及光合作用和 呼吸等生命过程d l 。电 子转移涉及化学、 物理、生 命科学、材料科学及微电 子 学等多 学科，是最基本的 微观化学过程，其 研究具有重要的理论意义和广泛的 应用前景。这种过程的研究在化学、物理、生物、生命、材料及微电子学科中 都具有非常重要的意义，研究电子转移动力学的影响因素在有机反应、催化机 理、材料及功能分子的改性、药理 研究及药 物设计等领域均有重要的理论和实 际意义 ! 4 。 近几年来， 电 子转移问 题的研究主要有四个领域: 理论 研究、 无 机 体系、有机体系和生物体系，以电子转移为特征的一些相关过程的研究以及如 伺对此类过程实施人工控制己成为当前国际上的焦点课题，是化学研究的前沿 课题之一 1, 3 -5 1 。 有关电 子转移反应的理论及实验研究自2 0 世纪5 0 年代以 来， 在ma r c u s 提出电 子转移的基本 理论 6 1 之 后， 成为自 然 科学中十分活跃的研究 领 域。尤其是近几年来随着实 验检测技术水平的 提高以 及计算机的飞速发展，对 电子转移反应的理论和实验研究越来越成为世界上科研工作者感兴趣的研究课 题之一，仅 2 0 0 1 - 2 0 0 4 年期间 s c i 收录的包含 “ e l e c t r o n t r a n s f e r 这一关键词的 文章就多达九千七百多篇，其中有关生物体系中电子转移的研究约占2 0 %。电 子转移现行的研究手段主要有两种，实验方面利用磁共振技术、激光闪光光解 技术、电子束脉冲技术、离子强度检测技术、瞬态吸收光谱检测技术以及化学 诱导动态核极化技术等实 验手段进行电 子转移的 动力学和机理的 研究;理论 方 面则建立和利用各种动力学模型， 进行理论计算和模拟预测。 随着计 算机技术 的 飞 速发展，各种动力学模型的建立，电子转移反应的理论研究已取得与实验 研究同等重要的地位。 用各种方法探讨电子转移机制以及各种外部条件对电子转移反应过程的影 响等方面的研究，自四十年代后期起一直是国际上极为活跃的课题，但很多工 作尚处于探索性阶段。 m a r c u s 在电 子转 移速率 研究方面做出了 突出贡献1 6 - 1 1 1 他提出的经典和半经典电子 转移动 力学 模型 奠定了电子转移反应理论的基础， 把过渡态理论应用于电子转移反应过程中，解释了放热反应体系电子转移速率 随自由能差的 绝对值增加而 减小的反 转现象，并 应用连续介质极化经典模型解 决了溶剂重组能的计算问题，这些先驱工作为电子转移问题研究创造了奠基性 四川大学博士学位论文 条件，是实验工作者广泛采用的定量动力学模型。电子转移问题的实验研究已 取得了 很大进展 1 2 - 1 4 1 ， 分 子量 较小的 体系的理论计 算也取得了比 较精确的 结果， 近年来的电 子转移理论研究体现出 如下趋势 1 i - 1 9 1 :从无机分子向有 机和生 物大 分子延伸， 从简单分子轨道的 定性解释向较高精度的定量结果延伸， 从绝热过 程向非绝热过程延伸，从常规行为向光、电等外场效应延伸。 生命科学成为二十一世纪的两大支柱学科之一。随着化学及相邻学科朝着 定量化、推理化、微观化的方向发展，现代生物学的发展己从传统生物学的生 物圈、生态、组织细胞等的研究层次深入到量子生物学的分子、亚分子、电子 结构的层次。生命现象的分子基础和微观机制的研究已成为一个非常活跃和具 有挑战性的研究领域。 这一领域的 研究 采用生 物、 物理、 数学、 化学和计 算机 科学等多学科交叉融合的手段，以及实验研究和理论研究相结合的方法，其中 对复杂生物大分子体系及其相互作用进行理论计算及计算机模拟占有重要的地 位，它对于在分子、亚分子和电子结构的层次上了解许多生命现象的本质与规 律具有重要意义，在某些方面己 成为实 验难以 替代的 手段。 生物体内 的各种 氧 化还原反应都可归结到电子从一个分子到另一个分子或从一个大分子的一部分 到另一部分的转移过程。生物体系中的电子传递是重要的生物过程，在现代生 物化学和分子生物学中， 电子转 移现象由 于在生物过程中的 重要意义而引 起了 越来越高 度的重视。发生在生 物体系大 分子中的 很多 过程， 例如光合作用、呼 吸作用、细胞老化、化学致癌、氧化磷酸化等都涉及到在反应过程中起主要作 用的 长程电 子转移过程2 0 -2 9 1 。生 物体系中电 子转移的 研究开 始于对自 然光合 作 用过程中电子转移方面的研究。自 然界生物体系中电子转移的典型例子是光合 反 应中 心的电 子转 移3 0 1 ， 电子在 光合反 应中 心穿越光合膜而实现电 荷分离是 整 个光合作用过程的基本步骤，考察光诱导条件下电子在给体、受体间传递的动 力学行为以及蛋白质、多肤等生物分子体系中的长程电子转移机理，有助于进 一 步探明叶 绿体光合作用和蛋白 质中的 长程电 子转移机制。 人们在自 然光合作 用中电 子转移研究 上的杰出 工作 激发了 科学家们对电 子给受体模型分子以 及 修 饰的 蛋白 质体系的 研究。 近年来， 已开展了大量的蛋白 质类分子、 肤链类分子、 及 d n a等分子内 长程电子 转移过程的 研究工作 3 1 - 3 3 1 。 在生物分子电 子转移的 实验研究方面，为便于模拟体系的合成和电子转移动力学过程的物理控制，已 设计了如给体一 受体模型化合物内的电子转移， 氧化还原型蛋白质内、 氧化还原 四川大学博十学位论文 型蛋白 质一 蛋白质复合物间的电 子转移等类型的实验， 多采用脉冲 辐解、 激光闪 光光解、离子辐射、化学诱导核极化 3 4 ,3 5 等手段测定电 子转移速率常数， 探讨 了生物分子体系电子给体和受体种类、生物分子链长度、反应温度、溶剂等因 素对电子转移反应活性的影响，进而用合适的动力学模型拟合电子转移的动力 学参 数 2 2 -2 5 3 6 -0 7 1 。 在 实 验 研 究 方 面 ， p rll tz 和f a ra g g i 等是 多 肤 体系 电 子 转 移 动 力学和机理研究的 先驱, s i m i c , b o b r o w s k i 等在多 肤和蛋白质体系的电子 转移实 验研究 七 也做出了很大的贡献。对多肤、蛋白质等生物分子体系中的电子转移 动力学研究而言， 实验研究可能丢失一些重 要的 微观结构信息。理论 研究从生 物分子的结构和构象出发，用计算化学方法，利用不同等级的电子结构计算， 可获得相关的电子转移动力学参数，通过计算还可直接获得反应过渡态等微观 结构信息。从理论方面对多肤体系电子转移进行更细致的研究，从另一个角度 对生命现象作出 合理的 解释具有重大的 意义。随着计算机技术的进步和计算化 学、计算机模拟等科学的 发展， 近几年来生物分子电 子转移动力学计算已 是一 个非常热门的研究课题，并己取得重大进展，这对于探讨某些生命或某些生理 机制具有重要的意义。 考虑非绝热效应时的 ma r c u s 半经典模型是处理生物大分 子中长程电子转移过程的常用理论模型，以ma r c u s , b e r a t a n , n e w t o n , o n u c h i c 等为代表的 课题组在蛋白 质及生物大分子的电 子转移理论研究方面开展了 杰出 的研究工作 3 , 4 , 1 1 , 1 6 , 0 .4 8 - 3 1 。 多肤和蛋白 质体系电 子转移反应的 速率常数的 理论计 算一般根据 m a r c u s 的理论。影响电子转移速率常数的关键因子是 ( i )给体和 受体之间的电子祸合项 ( 2 )产物和反应物间的自由能差 ( 3 )重组能，包括给 体和受体分子内重 组能及 溶剂重 组能。电 子转移速率和这些量之间 的关系是大 量实验和理论 研究的目 标， 其中溶剂重组 能更是研究的 焦点。 m a r c u : 的电 子转 移理论模型在所考察的体系满足 b o r n - o p p e n h e i m e r 近似的情况下适用， 但是在 低温、核的运动对电子的运动有很大影响的情况下，这一理论便出现很大的偏 差。 j o r t n e r lsi, d o g o n a d z 扩 9 于 二 十 世 纪 七 十 年 代引 入 量子 效 应 对电 子 转 移 速率 的 影响因素， 对m a r c u s 的电子转移理论公 式加以 修正， m e d e v e d e v , e u n j o o l e e 等 i. s ; 发展并 应用量子效应与 经典电子转 移相结合的 理论公 式， 在m a r c u s 反转 区取得了与经典电子转移理论不同的结果。由于实际电子转移反应过程的复杂 性和理论模型及计算能力的限 制， 生物分子内的电 子转移动力学理论研究 进展 还比较缓慢。 生物分子体系电 子转移理论 研究存在两个基本问题，一是生物体 四川大学博士学位论文 系大分子的 计算量问题，随着计 算机技 术的 快速发展， 这 一 问题的 解决已 在一 定程度上取得进展，日 前已能结 合人工智能 等方法在不考虑溶剂效 应的 情况下 在 一 定精度水平上实现蛋白质中电子转移矩阵元等动力学参数的计算。二是电 子转移体系与环境之间复杂的相互作用问题，尤其是电子转移溶剂重组能的计 算，是近年来理论研究的重点之一，但目前仍是理论研究的一个薄弱环节。随 着计算机技术的快速发展，应用量子化学的从头算及半经验算法得到较以往更 精确的结果，为电子转移理论研究提供了重要途径。但是对于原子数目较多的 生物分子体系，由于分子量的增大而限制了其计算方法及计算结果的精确性， 其计算仍采用半经验计算方法，或在分子力学或量子力学的水平上进行动力学 模拟， 或者只是采取 ma r c u s 理论模型的基础上来拟合实验数据进行一些简单的 探 讨 56 j 在 2 0种天然氨基酸中，由于酪氨酸与色氨酸两种氨基酸含有刚性的芳香 环侧链以及芳香环上的o - h键、 n - h键的存在， 使其具有固有的极性、 憎水性 等多种特性 5 7 ,5 8 另外， 己 经发 现生 物体中 许多蛋白 质和氧化还原酶中 含有色 氨酸和 / 或酪氨酸残基， 并且它们在其中担任着重要的 角色 3 8 , 5 9 - 6 4 。 因 而， 其广 泛的分子间或分子内的各种相互作用以及其作用的微观机制成为近三十多年 来比较热门的 研究课题。 自 二 十世纪八十年代初期p r u t z 3 6 -3 8 等人首 先较系统地 研究了含有色氨酸和酪氨酸的肤链体系和蛋白质体系中的电子转移以来， 关于 这方面的 研究工作正日 益引 起人们广泛的注意。 在肤链中的长 程电 子转移的研 究 方面 ， p r u tz 3 6 -3s , f a r a g g i22 ,2 4 ,2 5,4 1 等 用 脉 冲 辐 解方 法诱 发 肤 链中 的 电 子 转 移 ， 并用吸收光谱跟踪该反应， 研究了 色氨酸、 酪 氨酸 之间的电 子转 移反应动力学， 考察了环境的影响因素， 推测出色氨酸与酪 氨酸之间电转转移的 可能 机理。 p r u t z等通过实验研究 表明 色氨酸和酪氨酸之间的电子转移既可以 通过分子内 过程实现，也可以通过分子间的过程实现。 对于分子内电子转移过程可能是通 过芳香基团之间的直接电子隧穿实现的， 而不可能通过氢键或肤链的电荷传导 实 现， 或 者 说 前 者占 主 导 地 位。 f a r a g g i 等 在其1 9 8 9 年的 文 章 2 5 中 论 证了 下 面 两种机理是不可能的。 1 ) h o 一 t y r 一 x 一 t r p 华ra一 。 一 t 二 一 x 一 t rp + h t y r。 一 x 一 t rp + h ( v ) 。 一 t y r 一 x 一 t rp h 刁 县 2 ) t y r o h一 x一 t r p + h ( - ) t y r o h一 x一 t r p h 四川大学博士学位论文 t y ro h 一 x 一 t rp h ( f t y r。 一 x 一 t rp h + h 并指出剩下可能的简单的机理是: ( 1 )电 子转移为控速步骤， 随后发生强酸性 自 由基t y r o h 的快速去质子化过程和强碱性自 由基t r p 一 的快速质子化过程; ( 2 ) 一种质子化/ 去质子化以及电子转移同