改進的鍵耦合路徑模型及其在蛋白質電子轉移中的應用.pdf

1、電子轉移是生命科學中的一個基本問題。許多生命活動過程,比如光合作用、呼吸作用、新陳代謝、酶催化反應以及生物體內的各類信號傳遞等都涉及到電子轉移問題。對于此類電子轉移問題的研究有助于人們了解生命的奧秘,進而推動生命科學、醫(yī)學等相關學科的發(fā)展。
　　 在生物分子中,給體和受體之間往往距離較遠,直接耦合作用很弱,電子轉移過程需要橋體的介導。在理論研究方面,此類電子轉移反應被歸于非絕熱反應范疇,根據量子力學模型和Marcus半經典模型,

2、其轉移速率近似正比于給受體間耦合矩陣元的平方。因此,耦合矩陣元的計算成為生物體系電子轉移理論研究的關鍵。目前常用的耦合矩陣元計算方法有兩態(tài)模型下的變分方法,Koopmans定理下的最小能隙方法,L(o)wdin分割技術方法和廣義Mulliken-Hush方法,它們均存在一個共同的缺陷,那就是只能從整體上得到計算值,但是不能反映電子轉移的細節(jié)過程,也就無法確定橋體結構變化與電子轉移速率常數之間的具體關系。然而,越來越多的研究結果表明生物分

3、子中核構型的熱力學波動將會大大影響電子轉移速率,分子結構與電子轉移速率常數之間的關系成為近年來電子轉移領域研究的熱點。
　　 本文致力于發(fā)展在從頭算水平上研究分子結構與電子轉移速率關系的理論方法,并將之應用于蛋白質電子轉移這一基本生命過程,得到了肽鏈構型轉化中影響電子轉移速率的主要結構要素,加深了人們對生命體系電子轉移過程的理解。本工作主要包含以下兩部分的內容:
　　 一.改進的鍵耦合路徑模型
　　 我們在Ber

4、atan,Miller和Jordan等人工作的基礎上提出了改進的鍵耦合路徑模型,它能夠在從頭算水平上計算電子轉移路徑中每一步的耦合系數,進而將結構參數變化與電子轉移速率常數(主要是耦合矩陣元)真正關聯(lián)起來,其理論背景和基本思想簡述如下:
　　 對于給體D和受體A之間直接耦合作用很弱的非絕熱電子轉移過程,由量子力學模型,其速率常數公式為:其中,TDA為給體D和受體A之間的電子耦合矩陣元,FC為Franck-Condon因子。對于此

5、類由橋體介導的電子轉移過程,Beratan等人從原子軌道理論出發(fā),提出了電子轉移路徑的經典模型。定義電子轉移路徑為對給體D和受體A之間耦合做出貢獻的沿著橋體分布的一系列相互作用的鍵的組合,則單一路徑的耦合矩陣元tDA表達式為:
　　 其中,前因子P表示給體D和受體A與橋體首端原子和末端原子的相互作用,εi表示通過電子轉移路徑上每一個鍵的耦合矩陣元。忽略不同路徑間的相互作用,則有:
　　 至此,總的耦合矩陣元被劃分為一個個

6、εi的組合,而εi值受相應位置分子結構的影響,這就將分子結構與電子轉移速率關聯(lián)到一起。然而,原子軌道方法一方面高估了εl的值,另一方面也無法反映二面角這一重要結構要素的影響。而且,在實際應用中,Beratan等人并未進行真正的從頭算,而是引入了一系列源自實驗的參數擬合出了計算εi的經驗公式,這就導致其精度大大受限于參數的選擇。另外,其經驗公式只考慮了鍵長的變化,不能真正反映構型的波動。后來,Miller和Jordan等人提出了電子轉移的

7、鍵耦合模型,采用自然鍵軌道(NBO)分析得到的Fock矩陣元計算εl的值。此模型解決了原子軌道方法的缺陷,但是忽略了成鍵軌道對電子波函數傳遞的貢獻,而且在實際應用中并未采用Beratan等人路徑分析的思想,無法從細節(jié)上體現分子結構對電子轉移速率的影響。
　　 綜合上述兩種方法的優(yōu)點,我們將鍵耦合模型中計算εi的方法加以改進,引入到Beratan等人的路徑模型,建立了改進的鍵耦合路徑模型,真正實現了在從頭算水平上研究分子構型波動對

8、電子轉移速率的影響。在我們的模型中,電子轉移路徑上每一步的耦合系數都是由自然鍵軌道(NBO)分析結果得到,且同時考慮了成鍵軌道和反鍵軌道對波函數傳遞的貢獻,從而使得耦合系數能夠很好地反映相應位置分子構型的變化。此外,自然鍵軌道(NBO)的圖像如定域的成鍵軌道和孤對電子等等能與具體的分子結構很好地吻合,這就使得路徑分析的結果能夠反映電子在橋體中的運動。對于同一生物分子的不同構型,我們可以根據貢獻大小,一一找出其電子轉移的主要路徑,通過對比

9、分析各結構主要路徑的組成和每一步的耦合系數,就可以得到分子構型轉化中影響電子轉移速率的結構要素。
　　 生物分子中的電子轉移路徑通常由共價鍵和氫鍵組成。對于通過共價鍵的電子轉移,改進的鍵耦合路徑模型中εl的表達式為:式中Feff12為兩共價鍵之間有效耦合系數,可由相應的Fock矩陣元和原子軌道系數得到；Ea和Eb分別為NBO反鍵軌道和成鍵軌道的能量；E為轉移電子的能量,取值(EHOMO+ELUMO)/2。
　　 對于通過

10、氫鍵的電子轉移,孤對電子可能起著關鍵作用。改進的鍵耦合路徑模型中,當電子由共價鍵轉移到孤對電子時,其耦合矩陣元表達式為:當電子由孤對電子轉移到共價鍵時,其電子轉移耦合矩陣元表達式為:我們采用已經獲得實驗數據的四種烴鏈結構對改進的鍵耦合路徑模型進行了測試,結果表明此模型所得結果與原模型相比有了明顯的改進,更貼近實驗數據所體現的趨勢,這也鼓勵著我們將改進的鍵耦合路徑模型應用于生物體系。
　　 二.蛋白質電子轉移的理論研究
　　

11、 本文中,我們所研究的是DNA(脫氧核糖核酸)中8-氧-鳥嘌呤:腺嘌呤(OG:A)錯配識別過程中修復酶MutY內的電子轉移問題。除了少數的RNA病毒以外,絕大多數生物體的遺傳信息都存儲在DNA中,物種特殊的基因編碼表達為特殊的DNA堿基序列。因此,完整穩(wěn)定的DNA序列是物種特征得以保存和延續(xù)的先決條件。然而,在復雜的細胞環(huán)境下,各種甲基化作用、氧化作用、水解作用、輻射以及DNA復制過程中的異常都可能會導致DNA分子結構的損傷,進而改變

12、DNA序列。這種改變可能會有利于物種的多樣性,但是更多的時候會導致各種有害突變和基因疾病。為了維護其特有的遺傳信息,在生命進化過程中,生物體內逐漸形成了一套完整有效的DNA損傷修復機制,其中最常見的是堿基切除修復(BER)。在堿基切除修復過程中,第一步也是最關鍵的一步就是BER酶催化下?lián)p傷堿基的水解脫落。在眾多的BER酶中,MutY是最特殊的一個,它主要識別和修復DNA鏈上的OG:A錯配,其特殊的地方在于它所催化的是未損傷的A堿基從糖環(huán)

13、上的水解脫落。MutY酶的催化活性和催化機制已經得到了廣泛研究,有實驗結果指出酶蛋白中的[Fe4-S4]2+簇對其催化活性起著關鍵作用,盡管[Fe4-S4]2+簇的存在與否對于蛋白質的折疊過程和立體結構并無明顯影響。通過一系列實驗研究,Barton等人提出了一個MutY酶快速探測OG:A錯配的模型,即:當MutY酶與DNA鏈相互靠近綁定的過程中,蛋白質中的[Fe4-S4]2+簇氧化變?yōu)閇Fe4-S4]3+,其失去的電子通過連接鐵硫簇和D

14、NA的多肽鏈進入DNA鏈,如果此綁定位點與相鄰綁定位點之間的DNA鏈上沒有損傷,則DNA介導的電荷轉移將會導致相鄰位點上MutY酶的還原和脫落,形成新的游離酶,而游離MutY酶又會在新的位點與DNA綁定,重復上述探測過程；當兩個相近位點之間存在OG:A損傷時,則DNA介導的電荷轉移不能有效進行,MutY酶就會對就近的損傷進行修復。在此模型中,當MutY酶與DNA鏈綁定時,電子由鐵硫簇進入DNA鏈,當MutY酶從DNA脫落時,電子由DNA

15、鏈進入鐵硫簇,也就是說在同一條多肽鏈中可以發(fā)生雙向電子轉移。MutY酶中的電子轉移過程是OG:A損傷探測的關鍵,其理論研究有助于人們理解DNA損傷的修復機理,進而為針對此類疾病的酶類藥物設計提供理論支持。
　　 具體研究內容與結果概述如下:
　　 1.MutY酶橋體肽鏈電子結構的從頭算理論研究
　　 2.MutY酶關鍵區(qū)域肽鏈上電子轉移耦合矩陣元和主要轉移路徑
　　 3.肽鏈構型變化對電子結構的影響

16、>　　 4.肽鏈結構變化對電子轉移速率的影響
　　 綜上,我們的研究表明:肽鏈中從羰基末端到氨基末端的電子轉移比反方向更有利；肽鏈結構變化對電子轉移速率的影響主要體現在二面角的改變、羰基集團的指向和排布變化以及分子內氫鍵的形成。具體來說,反式結構最有利于電子耦合,越背離反式結構,耦合作用就越弱；肽鏈中羰基集團偶極矩的指向和排布越一致,所形成的靜電場就越強,相應方向上電子轉移就越有利；分子內氫鍵的形成大大減少了耦合步數和有效轉移