水溶液对蛋白质电子结构的等效势

人类对生命现象的认识已达分子水平，但如果我们不能从原子、电子层次上理解生命活动，生命奥秘就不可能得到最终破解。因此不管怎么困难，对生物分子和生物过程的量子力学研究迟早都必须进行。团簇埋入自洽计算法能在保持计算精度的条件下极大地降低计算量。已用它计算了四个孤立蛋白质分子的电子结构，得到了电荷密度分布、生物活性部位等性质。但要可靠计算水溶液中蛋白质分子的电子结构，必须构造一个简单易用、几乎不增加计算量、但又有效的水溶液对蛋白质电子结构的等效势。在前一个项目及后续工作中，得到了水溶液对十三个氨基酸电子结构的等效势。本项目将继续构造水溶液对其余七个氨基酸电子结构的等效势。形成一套完整的蛋白质电子结构计算的水溶液等效势。它与团簇埋入自洽计算法结合，将首次形成一个较可靠的研究水溶液中蛋白质电子结构的量子力学计算方法。也将为判断由核磁共振实验测定的溶液中蛋白质空间结构的测定精度提供一个独立的理论计算检验

电子结构对研究水溶液中蛋白质分子的性质及生物活性有重要意义。但传统计算法无法计算水溶液中蛋白质分子的电子结构，因为其惊人的计算量大大超出了超级计算机的能力。基于密度泛函理论的团簇埋入自洽计算法（SCCE）可在不降低精度的条件下极大地减少计算量。已用SCCE方法计算了数个孤立蛋白质分子的电子结构。但目前SCCE方法仍难以计算水溶液中的蛋白质分子的电子结构：加入大量水分子将增加难以承受的巨大计算量。另一方面，对于蛋白质分子的活性部位（通常位于一个氨基酸侧链的末端，在尺度上与一个水分子相当）及其局域化的分子轨道，现有的、把水分子看成类似导体的、可极化的连续介质显然不是一个可接受的近似。我们必须仔细考虑最近邻水分子对蛋白质电子结构的影响。因此需要构造一个新的水溶液等效势。. 本项目继续了以前的工作，采用第一性原理、全电子、从头计算方法，最终完成了水溶液对20种氨基酸电子结构等效势的构造。主要有二个结果：（1）当氨基酸保持其在溶液中的空间结构不变时，周围有无水分子对氨基酸的电子结构改变不大，水溶液主要使费米面附近的能级产生一些移动。这可被用于简化计算：不需加入水分子或水溶液的等效势，只要计算中采用了蛋白质分子在水溶液中的三维空间结构，就可根据我们的结果，通过对计算得到的蛋白质表面氨基酸残基的电子能级作一些修正而很好地确定水溶液中蛋白质分子的活性部位。（2）用偶极子构建的等效势可很好模拟水溶液对氨基酸电子结构的影响：在偶极子势和水分子势下，氨基酸的费米面以下各分子轨道的组分非常相似，本征值也很接近。由于很容易把偶极子加到SCCE计算中，且几乎不增加计算量，因此我们的等效势能直接加入到水溶液中的蛋白质电子结构计算中。. SCCE方法和等效势的应用将大大促进水溶液中的蛋白质电子结构的计算。在这样的计算中，蛋白质部分的计算是全量子力学的，没有赝势，无可调参数，且使用近乎完备的高斯基函数；只有水溶液对蛋白质表面的电子结构的影响采用了我们构造的等效势。因此它应优于QM/MM 方法和FMO方法，对水溶液中蛋白质活性部位的确定也应更为可靠。