绿色溶剂中寡糖分子构象变化的理论模拟

发布时间：2017-12-17 03:07

  本文关键词：绿色溶剂中寡糖分子构象变化的理论模拟

  更多相关文章： 分子模拟 分子动力学模拟 密度泛函理论 海藻糖 纤维素 离子液体 可极化力场 增强抽样方法

【摘要】：糖类物质是自然界存在的最丰富的有机化合物之一,具有高度多样化的物理、化学结构和性质。在过去的几十年来,人们尽管对糖类物质的结构、合成、生物功能等方面已经进行了大量的研究,但是对糖类物质在各种溶液中的分子间相互作用还知之甚少。本论文围绕两类寡糖物质(海藻糖,纤维素),利用量子力学计算和分子动力学模拟为研究手段,从原子尺度上系统研究了它们在不同绿色溶剂体系(纯水,NaCl盐溶液,离子液体和离子液体/水混合溶剂)中的构象变化和溶剂-溶质相互作用及其对生物功能的影响。本论文主要研究内容及结果分述如下:一、海藻糖在各种溶液中的构象变化和极化效应海藻糖是还原性二糖,作为生物分子的稳定剂,它可以在一系列极端环境下保持细胞活力和生物活性。但是,海藻糖在生物体内的"稳定机制"一直悬而未决,这一方面与海藻糖分子自身的物理、化学性质相关,另一方面也必然涉及到海藻糖在溶剂环境下的分子间相互作用。为此,我们首先采用密度泛函理论计算和从头算分子动力学研究了海藻糖在真空中的构象变化,结果表明,在真空中海藻糖的稳定构象是非对称性的,它的吡喃环内、环间形成的分子内氢键可提高它的热力学稳定性。随后,采用经典分子动力学和基于DFT可变电荷的可极化分子动力学模拟,系统地研究了海藻糖在纯水及NaCl盐溶液(质量分数:0～20%)中的构象变化和极化效应。在可极化模型中,海藻糖的电荷通过密度泛函方法计算、拟合获得。我们发现,在纯水体系中,海藻糖依然呈现为非对称性的结构,海藻糖与水分子有很强的结合能力,且大于离子(Na+和Cl-)与水分子的结合能力。通过对高浓度的海藻糖溶液(质量分数6.31%)的动力学模拟发现,两个海藻糖分子会周期性地彼此靠近和分离,彼此之间的平均距离约为8.6 A,这一距离保证了海藻糖可以维持其自身良好的水化环境,结合足够量的水分子。海藻糖的二聚体有两种不同的堆砌方式("肩并肩"和"头对头"),这与二水合海藻糖的晶体结构中的堆砌方式相似。海藻糖分子与水分子之间的"多重"氢键作用是海藻糖具有独特的保湿作用的原因。最后,通过经典分子动力学和可极化分子动力学模拟,研究了海藻糖在离子液体(氯化1,3-二甲基咪唑)、离子液体-水混合溶剂中的构象变化和溶剂-溶剂、溶质-溶剂相互作用。模拟结果显示,海藻糖在离子液体中,它的吡喃环主要呈现为椅式构象。阴离子Cl-在海藻糖分子周围形成明显的溶剂壳层,而阳离子与海藻糖的并未形成溶剂壳层,说明海藻糖-阴离子的相互作用力较大。对于离子液体/水混合溶剂,当水的物质的量分数小于75.0%时,体系中出现非连续的、"孤立"的水分子簇。阴离子Cl-与水分子之间的平均相互作用能(Eint-/NIL)与配位数近似呈线性关系。在离子液体-水的混合溶剂中,溶质-溶剂相互作用能的分析表明海藻糖-阴离子之间的相互作用力大于海藻糖-水之间的相互作用力,海藻糖分子在此混合溶剂中会出现"自聚合"现象。此外,可极化力场使得分子动力学模拟中可在相同时间尺度下比非极化模拟遍历更多的海藻糖构象。二、纤维素在离子液体中的分子动力学研究纤维素是自然界分布最广的天然多糖之一,但是它不溶于水和绝大多数有机溶剂,极大地限制了纤维素的工业利用。令人鼓舞的是,纤维素可溶于许多离子液体。为此,我们利用密度泛函理论、基于DFT可变电荷的可极化力场的分子动力学模拟,结合基于温度积分的增强抽样技术,初步阐明了为什么纤维素易于溶于离子液体而难溶于水的溶解机制。其中,纤维素以寡糖分子(聚合度n=1~～12)作为理论计算的模型。DFT的计算表明,在真空中,纤维素寡糖分子的相邻葡萄糖单元之间通过分子内氢键相互连接,整体上呈现右旋螺旋结构。在固相中,THz的实验结果表明不同纤维素链会通过分子间氢键抑制分子骨架的整体振动。在离子液体中,纤维素寡糖的吡喃环主要呈现为椅式构象;随着寡糖的聚合度的增大,呈现为船式和扭船式构象的吡喃环会越来越多。分子动力学模拟中使用可极化力场和增强抽样方法均可使得在相同时间尺度下,比经典非极化的分子动力学模拟遍历更多的寡糖分子构象。在离子液体中,阴离子易于和寡糖的羟基形成强的分子间氢键,通过氢键计算的配位数与羟基个数近似成正比关系。通过径向分布函数和溶质-离子之间相互作用能的计算,我们发现阴、阳离子对纤维素的溶解都有所贡献,其中阴离子为主要贡献,源于它们之间的静电作用力;阳离子是次要贡献,源于范德华作用力。此外,通过寡糖分子在纯水中的分子动力学模拟表明,虽然寡糖和水分子之间会形成较多的氢键,但寡糖-水之间的相互作用能小于寡糖-离子液体之间的相互作用能,且寡糖分子在水中会处于能量更低的稳定构象。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O645.1

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本文编号：1298490