重要有机化学反应及蛋白配体相互作用的理论计算研究

发布时间：2020-08-24 14:09

【摘要】：随着计算机技术和科学计算方法的发展,理论化学计算与分子模拟的研究范围不断扩展,不仅能对一些重要的生物化学过程提供系统的微观解释,建立正确的微观机制,而且可以对生物分子的优化设计、小分子调控生物分子功能、生物分子的构效关系等提供非常重要的信息。本文针对一系列重要有机化学反应及蛋白配体相互作用进行了理论计算研究。DFT方法,多尺度模拟,自由能计算方法被应用到相应的研究中。在第二章中,我们使用DFT方法研究了过氧丙酮氧化一系列SP~3 C-H化合物的反应性与选择性。对于“饱和底物”,活化能与键解离能(或反应能)存在贝尔-埃文斯-波拉尼关系(Bell Evans Polanyi relationship):ΔH~?_(sat)=0.91*BDE 67.8。对于“不饱和底物”,如烯烃、芳烃和羰基化合物等,则显示出另一类贝尔-埃文斯-波拉尼关系:ΔH~?_(unsat)=0.35*BDE 13.1。该发现与Bernasconi教授提出的不完美协同效应(NPS)相吻合。我们使用形变能/相互作用能模型(Distortion/Interaction model)分析了该效应的根本来源。计算结果表明“不饱和C-H”的过渡态发生的比较早,而“饱和C-H”过渡态则相对较晚。反应性主要受控于形变能和C-H键离解的程度。一方面,键解离能越高的底物其相对应的反应能垒也越高,这和贝尔-埃文斯-波拉尼关系是一致的;另一方面,“饱和底物”与“不饱和底物”(受离域自由基的影响)分别对应于两种贝尔-埃文斯-波拉尼关系是出乎意料的。在第三章中,我们采用QM(M06-2X)/QM’(PM3)多尺度模拟方法研究了水加速的Diels-Alder反应(环戊二烯和甲基乙烯基酮),并将结果与之前采用QM/MM(TIP3P)和QM/MM+3个QM水分子方法得到的结果进行比较。研究显示,用PM3水模型进行过渡态采样得到异步性为0.54(?),而之前用QM/MM,QM/MM+3QM得到的结果分别是0.48(?)和0.54(?)。C-C键长形成的时间间隔对于QM/QM’,QM/MM以及QM/MM+3个QM水分子方法则分别为19 fs,20 fs,和25 fs。过渡态采样和时间间隔的一致性表明,水分子的极化效应对于采样和键的动态变化影响不大。同时我们也分析了反应物分子与溶剂分子之间的氢键相互作用。从反应物到过渡态,氢键键长分别变短了0.4(?),0.15(?)和0.15(?),均显示出了过渡态时的氢键增强效应,QM/QM’方法与QM/MM+3个QM水分子方法相比,高估了氢键的增强效应;氢键键角的变化分别为19°,4°和10°(相应于QM/QM’,QM/MM和QM/MM+3个QM水分子方法)。上述结果表明通过水分子取向的调整,水的极化效应对于正确的描述氢键的动态变化过程是非常重要的。而QM/QM’方法对过渡态氢键增强效应的高估则可能是由于PM3对反应物氢键的低估,这是PM3模型的缺点之一。在第四章中,通过实验上对野生型链霉亲合素(WT)以及其三个突变体(S45A,D128A,S45A/D128A)与生物素的结合自由能测定可知,双突变体相对于野生型链霉亲合素与生物素结合能的减少比两个单突变体减少的总和更多,显示出了相互作用的协同性。在本课题中,我们采用分子动力学模拟和末态自由能计算的方法,并结合可极化的PPC电荷,研究了这种协同效应的根本来源。结果表明,协同效应来源于熵和焓的共同作用。其中焓的作用主要是来源于溶剂化自由能的贡献。能量分解的结果表明对协同性起主要作用的并不是发生突变的两个残基,而是在突变体中与生物素具有氢键相互作用的N49和S88残基。喹唑啉与p38αMAPK通过一个桥键水分子紧密地结合。目前对于这类水分子是否应该被取代以提高亲和能或新配体的专一性尚不清楚。在该研究中,我们提出了一种新方法来预测该介导水分子被新的配体取代时的自由能变化,该方法将蛋白配体结合的过程分解成了很多个子过程。每个子过程可以通过MBAR或者TP方法计算得到相应的自由能变化。该方法在水分子去耦合过程中避开了使用“hard wall”模型来阻止周围水分子进入结合口袋。此外,通过有效地结合MM/PBSA方法,可以快速地预测新设计配体的相对结合自由能变化。最终结果表明,将原始配体中3-位N原子替换为极性的氰基以取代结合口袋中局域水分子的方案是可行的,-CH_2OH和-CH_2Cl也可作为p38αMAPK抑制剂优化的候选物。
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O621.25;O641.3
【图文】：

计算化学,诺贝尔化学奖

计算化学是理论化学的一个分支，其主要目标是利用有效的数学近似以及电程序计算分子的性质（例如总能量，偶极矩，四极矩，振动频率，反应活性等）用以解释一些具体的化学问题。计算化学是化学、计算机科学、物理学、生命学、材料科学以及药学等多学科交叉融合的产物。早期化学研究主要依靠实验索，被看成是纯实验科学。20 世纪前后到 60 年代，化学家运用物理理论处理学问题，极大地推动了化学的发展。70 年代以后，借助计算机能力的快速提，理论与计算化学如虎添翼，迅速发展。2013 年诺贝尔化学奖授予 Martinarplus、Michael Levitt 和 Arieh Warshel，以表彰他们对“发展复杂化学体系的多度模型”的贡献。诺贝尔化学奖颁奖通告中说 “如今对化学家来说，电脑同试一样重要”。从 1954 年到 2014 年，诺贝尔化学奖 14 次授予理论与计算化学，显出理论与计算化学研究在推动化学发展中的重要作用。当前化学正从纯实验学转向依靠“实验、计算、理论”协同推动前进的科学，进入发展的新阶段。

活化焓,过程,底物,不饱和

自由基的稳定性可以通过 BDE 来量化。图 2-3 给出了 DMDO 氧化一系列烷烃和取代烷烃活化焓和 BDE（或 ΔHrxn）之间的关系。图 2-3 (a) 显示出反应能垒和 BDE 之间的相关性较差，R2=0.73。然后我们将底物分为两类，即饱和组（表 2-1 中的底物 1-12）和不饱和组（表 2-1 中的底物 13-26，包含了直接和-C=C-, -C=O, -CN 及苯环相连的 C-H 键）。分开来看，活化能 vs BDE，饱和组与不饱和组都给出了较好的线性关系，R2分别为 0.95 和 0.92。同时，我们也用 UωB97X-D 方法计算了活化焓和 BDE，其线性关系如图 2-4 (a)和图2-4 (b)所示。UωB97X-D 方法下我们发现了活化焓与 BDE 之间的关系与 UB3LYP的结果具有相似的趋势，所有底物的线性相关性较差（R2= 0.76），分组之后饱和组的线性相关性非常好（R2= 0.95），但不饱和组的相关性较差（R2= 0.75）。两种方法下的计算均表明，DMDO 氧化 sp3C-H 表现出两类线性关系，分别对应于饱和组 C-H 键和非饱和组 C-H 键。后续的所有分析都基于 UB3LYP方法。

活化焓,过程,不饱和

活化焓 (ΔH1 ) 与 C-H BDE (或 ΔHrxn)的比较。(a) 橙 (b) 红色点为非饱和组中的 C-H 键, 蓝色点为饱为 UωB97X-D/6-311++G(d,p)//UωB97X-D/6-31G(d)，示出在 C-H 活化反应过程中反应物被归为了两类分子。对于饱和分子，过渡态和自由基中间体的。对于不饱和分子，共振稳定性对过渡态的影响响。我们研究中得到的结果与 Shaik 教授对细胞色得到的结果不同，根据 Shaik 教授的研究，反应能性关系（斜率为 0.59，R2= 0.90），并且 C-H 邻位含也能很好地被拟合。49,63应稳定（饱和体系）和被共轭效应稳定（不饱和自由基的现象和 Bernasconi 提出的不完美协同效这项理论主要被应用于去质子化反应和碳负离子稳

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