分子模拟方法及其在分子生物学中的应用

常用的分子模拟方法有 :量子力学法、分子力学方法、蒙特卡洛法和分子动力学法。四种方法各有优势 ,共同成为分子模拟的组成部分。综述了分子模拟法在分子生物学中的应用 ,最后介绍了分子模拟的发展方向 ,并预测了其未来的发展趋势。常用的分子模拟方法有 :量子力学法、分子力学方法、蒙特卡洛法和分子动力学法。四种方法各有优势 ,共同成为分子模拟的组成部分。综述了分子模拟法在分子生物学中的应用 ,最后介绍了分子模拟的发展方向 ,并预测了其未来的发展趋势。

计算机分子模拟——2013年诺贝尔化学奖简介

计算机分子模拟技术的发展至今已有半个世纪的历史,现被广泛应用于解决各种复杂化学和生物学问题,比如药物设计和材料设计。2013年诺贝尔化学奖授予给卡普拉斯、莱维特和瓦谢尔三位美国科学家,以表彰他们在"发展多尺度模型研究复杂化学体系"上的贡献。这次授奖表明,对于今天的化学家来说,计算机分子模拟已和试管实验同等重要,理论和实践要密切合作才能解决复杂问题。笔者主要介绍计算机分子模拟技术的基本概念、发展简史,以及主要应用领域,并对此技术的未来发展做了展望。

分子模拟方法在非均相催化领域的应用

对近年来应用在非均相催化领域的分子模拟方法和成果进行了综述。简要介绍了量子力学方法、分子力学方法及其组合方法等几种典型的分子模拟方法。分子模拟方法作为辅助实验研究的一种有效的工具可大大加速催化剂的研发和节省实验开支,详细介绍了分子模拟技术在催化剂的负载机理、反应物在催化剂中的吸附和扩散性质、解析和设计催化剂的结构和催化反应机理等方面的研究进展,并讨论了分子模拟方法在非均相催化领域应用所面临的问题和发展方向。

热活化延迟荧光分子取代基位置对发光性质影响的理论研究

热活化延迟荧光(TADF)材料具有较高的激子利用率,在有机发光二极管(OLED)研究中备受关注.与蓝色和绿色TADF分子相比,红色TADF分子发光能隙窄,其激发态很容易以不发光的非辐射方式失活回到基态,因此,实验上很难获得发光效率较高的红色TADF材料.本文应用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT)方法,研究了互为异构体的T-DA-2和C-DA-2分子的电子吸收光谱、延迟荧光性质及光物理过程机制.结果表明,T-DA-2和C-DA-2分子的电子吸收谱主要来自基态到较高能级激发态的电子跃迁,并且其荧光发射遵循反-Kasha规则.和C-DA-2分子相比,异构体T-DA-2分子因其更小的内转换速率和更有效的反系间窜越过程而具有更好的荧光和延时荧光特性,表现出显著的取代基位置效应.

非血红素铁酶中动态配位变化对C-H键选择性胺化反应的调控机制

氮杂环丙烷结构广泛存在于天然生物碱中,具有杀菌、抗癌等作用.然而,目前关于生物体系在合成氮杂环丙烷结构过程中如何克服氮杂环丙烷高环张力带来的热力学不利因素,以及如何避免形成热力学更稳定的羟基化副产物的报道较少.TqaL_(NC)酶是目前非血红素酶家族中唯一一种能够依赖α-酮戊二酸活化C-H键,进而生成氮杂环丙烷结构的酶.深入探究TqaL_(NC)酶选择性生成氮杂环丙烷结构并避免羟基化副产物的机制,有助于深入理解非血红素铁酶家族在C-H键活化及官能化过程中的选择性调控机理.本文以TqaL_(NC)酶的晶体结构为基础,采用分子动力学(MD)模拟以及量子力学-分子力学(QM/MM)等多尺度模拟方法对TqaL_(NC)酶与L-缬氨酸(L-Val)、TqaL_(NC)酶与L-异亮氨酸(L-Ile)和F345A-TqaL_(NC)酶与L-异亮氨酸(L-Ile)三个反应过程进行了详细的机理研究.结果表明,TqaL_(NC)酶在反应过程中生成的直立式构象的Fe(Ⅳ)=O物种会通过构象异构化获得赤道面式构象,为底物(L-Val、L-Ile、L-homoalaine)上NH_(3)^(+)与Fe的配位提供结构基础.在水和关键酸性残基的介导下,底物NH_(3)^(+)两次脱去质子与Fe(Ⅳ)=O物种配位,生成HN-Fe(Ⅳ)=O结构.随后,Fe(Ⅳ)=O物种攫取底物H原子,生成HN-Fe(Ⅲ)-OH中间体.此时NH回弹反应比传统的OH回弹反应在动力学上更有优势,因此选择性地生成了氮杂环丙烷产物.在反应过程中,底物侧链与周围氨基酸的位阻效应是影响NH回弹反应能垒的重要因素.通过改变底物侧链大小(L-Val→L-Ile)以及附近氨基酸的突变(F345A)实验,证实了该结论.本文还通过理论计算预测了TqaL_(NC)酶与L-高丙氨酸的反应产物为羟基化产物,并通过新的实验证据进一步支持了理论预测的机理.此外,在HN-Fe(Ⅲ)-OH结构中,通过前线轨道理论分析发现,dπ*Fe-N,dπ*Fe-OH轨道的能量差是影响NH/OH回弹反应能垒的另一重要因素.当底物NH与Fe配位时,其配位作用能够使得dπ*Fe-N以及dπ*Fe-OH轨道有效分裂,这种分裂进而影响了反应路径的选择性,确保氮杂环丙烷产物的生成.综上,本文提出了依赖α-酮戊二酸酶催化合成氮杂环丙烷结构的新机理.研究发现,Fe中心的动态配位效应在实现C-H键选择性胺化反应并避免C-H键羟基化反应中起到了关键作用.该理论为非血红素Fe酶催化的非羟基化反应提供了新的见解,并为探索包括C-N/C-S/C-O等重要生物合成反应新机理的探究提供了新思路.

3-乙基戊烷分子振动与构象分析(英文)

通过正交坐标计算与红外和拉曼光谱的对比分析 ,确定 3 乙基戊烷分子可以很多种空间构象存在 ,其中存在量最大的是 3种空间构象 :Cs,C1,C3 ,并通过分子力学和量子力学半经验方法的计算 ,得到这

人工设计逆醛缩酶RA95.5-8F催化β-羟基酮C-C裂解的理论研究

采用量子力学与分子力学组合(QM/MM)方法对人工设计逆醛缩酶RA95.5-8F催化β-羟基酮化合物裂解反应的机理进行了研究.结果表明,裂解反应主要包括赖氨酸Lys1083对底物的亲核进攻、Schiff碱形成、烯胺水解及C—N断裂等过程,C—N键裂解生成丙酮为整个反应的决速步骤,能垒为106.27 kJ/mol;活性中心的赖氨酸Lys1083、酪氨酸Tyr1051、天冬酰胺Asn1110和酪氨酸Tyr1180构成一个催化四联体,Lys1083通过与底物形成席夫碱对底物进行活化,Tyr1051作为催化酸碱参与质子转移过程,催化四联体的氢键网络有利于反应过渡态的稳定并使R-构型的底物更容易结合在活性位点,导致RA95.5-8F对R构型底物具有高的选择性和催化活性.

液相下的8-羟基鸟嘌呤的氢转移反应

本文利用MPWB1K/aug-cc-pVDZ方法研究了水分子辅助的8-羟基鸟嘌呤在水溶液中的氢转移反应.通过优化该反应的反应物、过渡态和产物结构,计算最小能量路径,分析了反应过程中各个部分的电荷分布情况和水溶剂对该反应过程的贡献.计算发现,8-羟基鸟嘌呤在水溶液中的氢转移反应势垒是15.84 kcal/mol,比气相下的同一反应势垒低很多.通过对反应过程的溶剂化效应和极化效应的分析发现,水的极化效应使反应势垒增加了12.85 kcal/mol,而水的溶剂化效应使反应势垒降低了24.7 kcal/mol.因此,在水溶剂的影响下,8-羟基鸟嘌呤的氢转移反应比气相下的反应势垒降低了11.91 kcal/mol.这说明,水溶剂的存在加速了反应的进行.

化学理论计算的现状及发展趋势

化学理论和计算研究的重大进展,使整个化学正在经历着一场革命性变化,化学的发展进入了一个新的阶段。化学理论计算已经成为化学学科不可缺少的组成部分,计算机模拟实际化学体系的微观结构及变化过程正在发展成为一种其他方法不能代替的强有力的研究手段。本文对化学理论计算的现状和发展趋势作简要的介绍和评述。

纳米材料科学的计算机模拟研究及其应用

纳米材料作为21世纪新材料,其独特的力、热、光、电、磁学等性能备受关注。本文综述了纳米材料研究中计算机模拟的基本原理及其实现方法,并着重从纳米材料的微观结构、力学、热学、电磁学等性能的计算机模拟研究情况作了一个概述,并阐述了纳米材料结构和性能的计算机模拟研究所面临的问题。

分子模拟技术研究烃分子在分子筛吸附研究进展

随着分子模拟理论的完善和计算能力的提高,分子模拟技术在烃分子在分子筛吸附的研究中发挥着越老越重要的作用。分子模拟技术相对于传统实验法具有适用体系广,工作量小的特点,有利于更为系统的研究烃分子在分子筛上吸附的性质,以及分子筛类型、分子筛改性对烃分子吸附的影响,从而为实际的催化、吸附分离应用中选择合适的分子筛和工艺条件提供支持。同时,利用分子模拟技术还能进一步认识烃分子在分子筛上的吸附机理,为分子筛改性提供技术思路。主要介绍了分子模拟技术研究烃分子在分子筛吸附的研究方法,并对各种方法的研究内容和成果进行了概述。

锌酶的计算模拟：挑战与最新进展

锌酶在人体中分布非常广泛,种类繁多,是当前最受关注的金属酶之一。由于在锌配位结构上的多样性以及Zn2+饱和的d轨道带来的"光谱寂静"性,导致许多实验研究手段受限。计算模拟在锌酶的研究中发挥着越来越重要的作用,已经成为不可或缺的研究工具。现代量子化学计算模拟方法,特别是被视为研究生物大分子体系非常有效的QM/MM组合方法,目前已经被广泛应用于探讨复杂多变的锌配位结构以及锌酶催化反应机理。通过在QM/MM水平下开展的分子动力学模拟,可以揭示锌酶体系中结构与功能间的相互关系。此外,分子力场方法在锌酶研究中同样发挥了不可替代的作用,由于传统力场普遍无法正确描述锌配位结构,因此,锌酶分子力场的开发具有迫切的现实意义。本文总结了近年来锌酶计算模拟领域的最新进展,提出了锌酶计算研究中还有待解决的一些问题。

乳胶清除蛋白LcpK30催化氧气裂解聚顺-1,4异戊二烯机理

乳胶清除蛋白LcpK30是一种内型双加氧酶,其通过活化分子氧催化裂解化学惰性的聚顺-1,4异戊二烯,进而生成醛和酮.实验发现活性区域的谷氨酸148对活性有重大影响,然而其作用机制和整个反应机理仍然存在争议.本研究使用量子力学/分子力学组合方法研究了乳胶清除蛋白催化分子氧氧化裂解天然橡胶模型化合物的反应机理.计算结果显示谷氨酸148在反应过程中为质子化态,并与铁(Ⅲ)-超氧物种形成稳定氢键,因此其作用可能与调节铁(Ⅲ)-超氧物种与底物的位置有关.可能反应机理为:(1)铁(Ⅲ)-超氧物种的远端氧进攻底物碳碳双键,形成过氧烃自由基中间体;(2)近端氧回弹到碳自由基,形成过氧化物中间体和铁(Ⅱ)中心;(3)铁(Ⅱ)调节的过氧化物中间体O–O键还原裂解,生成邻二醇自由基负离子中间体;(4)邻二醇自由基负离子C–C键断裂,生成产物醛和酮.此外,计算发现,过氧化物中间体O–O键直接断裂反应能垒超过160 kJ/mol,表明铁(Ⅱ)的催化对于过氧化物中间体的后续转化至关重要.因此,本研究结果不仅加深对于Lcp_(K30)反应机理的理解,而且为Lcp酶降解合成橡胶材料的设计和工程化提供有用信息.