电子转移是生命科学中的一个基本问题。许多生命活动过程,比如光合作用、呼吸作用、新陈代谢、酶催化反应以及生物体内的各类信号传递等都涉及到电子转移问题。对于此类电子转移问题的研究有助于人们了解生命的奥秘,进而推动生命科学、医学等相关学科的发展。在生物分子中,给体和受体之间往往距离较远,直接耦合作用很弱,电子转移过程需要桥体的介导。在理论研究方面,此类电子转移反应被归于非绝热反应范畴,根据量子力学模型和Marcus半经典模型,其转移速率近似正比于给受体间耦合矩阵元的平方。因此,耦合矩阵元的计算成为生物体系电子转移理论研究的关键。目前常用的耦合矩阵元计算方法有两态模型下的变分方法,Koopmans定理下的最小能隙方法,Lowdin分割技术方法和广义Mulliken-Hush方法,它们均存在一个共同的缺陷,那就是只能从整体上得到计算值,但是不能反映电子转移的细节过程,也就无法确定桥体结构变化与电子转移速率常数之间的具体关系。然而,越来越多的研究结果表明生物分子中核构型的热力学波动将会大大影响电子转移速率,分子结构与电子转移速率常数之间的关系成为近年来电子转移领域研究的热点。本文致力于发展在从头算水平上研究分子结构与电子转移速率关系的理论方法,并将之应用于蛋白质电子转移这一基本生命过程,得到了肽链构型转化中影响电子转移速率的主要结构要素,加深了人们对生命体系电子转移过程的理解。本工作主要包含以下两部分的内容：一.改进的键耦合路径模型我们在Beratan, Miller和Jordan等人工作的基础上提出了改进的键耦合路径模型,它能够在从头算水平上计算电子转移路径中每一步的耦合系数,进而将结构参数变化与电子转移速率常数(主要是耦合矩阵元)真正关联起来,其理论背景和基本思想简述如下：对于给体D和受体A之间直接耦合作用很弱的非绝热电子转移过程,由量子力学模型,其速率常数公式为：其中,TDA为给体D和受体A之间的电子耦合矩阵元,FC为Franck-Condon因子。对于此类由桥体介导的电子转移过程,Beratan等人从原子轨道理论出发,提出了电子转移路径的经典模型。定义电子转移路径为对给体D和受体A之间耦合做出贡献的沿着桥体分布的一系列相互作用的键的组合,则单一路径的耦合矩阵元tDA的表达式为：其中,前因子P表示给体D和受体A与桥体首端原子和末端原子的相互作用,εi表示通过电子转移路径上每一个键的耦合矩阵元。忽略不同路径间的相互作用,则有：至此,总的耦合矩阵元被划分为一个个εi的组合,而εi值受相应位置分子结构的影响,这就将分子结构与电子转移速率关联到一起。然而,原子轨道方法一方面高估了εi的值,另一方面也无法反映二面角这一重要结构要素的影响。而且,在实际应用中,Beratan等人并未进行真正的从头算,而是引入了一系列源自实验的参数拟合出了计算εi的经验公式,这就导致其精度大大受限于参数的选择。另外,其经验公式只考虑了键长的变化,不能真正反映构型的波动。后来,Miller和Jordan等人提出了电子转移的键耦合模型,采用自然键轨道(NBO)分析得到的Fock矩阵元计算εi的值。此模型解决了原子轨道方法的缺陷,但是忽略了成键轨道对电子波函数传递的贡献,而且在实际应用中并未采用Beratan等人路径分析的思想,无法从细节上体现分子结构对电子转移速率的影响。综合上述两种方法的优点,我们将键耦合模型中计算εi的方法加以改进,引入到Beratan等人的路径模型,建立了改进的键耦合路径模型,真正实现了在从头算水平上研究分子构型波动对电子转移速率的影响。在我们的模型中,电子转移路径上每一步的耦合系数都是由自然键轨道(NBO)分析结果得到,且同时考虑了成键轨道和反键轨道对波函数传递的贡献,从而使得耦合系数能够很好地反映相应位置分子构型的变化。此外,自然键轨道(NBO)的图像如定域的成键轨道和孤对电子等等能与具体的分子结构很好地吻合,这就使得路径分析的结果能够反映电子在桥体中的运动。对于同一生物分子的不同构型,我们可以根据贡献大小,一一找出其电子转移的主要路径,通过对比分析各结构主要路径的组成和每一步的耦合系数,就可以得到分子构型转化中影响电子转移速率的结构要素。生物分子中的电子转移路径通常由共价键和氢键组成。对于通过共价键的电子转移,改进的键耦合路径模型中s,的表达式为：式中F12eff为两共价键之间有效耦合系数,可由相应的Fock矩阵元和原子轨道系数得到；Ea和Eb分别为NBO反键轨道和成键轨道的能量；E为转移电子的能量,取值(EHOMO+ELUMO)／2。对于通过氢键的电子转移,孤对电子可能起着关键作用。改进的键耦合路径模型中,当电子由共价键转移到孤对电子时,其耦合矩阵元表达式为：当电子由孤对电子转移到共价键时,其电子转移耦合矩阵元表达式为：我们采用已经获得实验数据的四种烃链结构对改进的键耦合路径模型进行了测试,结果表明此模型所得结果与原模型相比有了明显的改进,更贴近实验数据所体现的趋势,这也鼓励着我们将改进的键耦合路径模型应用于生物体系。二.蛋白质电子转移的理论研究本文中,我们所研究的是DNA(脱氧核糖核酸)中8-氧-鸟嘌呤：腺嘌呤(OG：A)错配识别过程中修复酶MutY内的电子转移问题。除了少数的RNA病毒以外,绝大多数生物体的遗传信息都存储在DNA中,物种特殊的基因编码表达为特殊的DNA碱基序列。因此,完整稳定的DNA序列是物种特征得以保存和延续的先决条件。然而,在复杂的细胞环境下,各种甲基化作用、氧化作用、水解作用、辐射以及DNA复制过程中的异常都可能会导致DNA分子结构的损伤,进而改变DNA序列。这种改变可能会有利于物种的多样性,但是更多的时候会导致各种有害突变和基因疾病。为了维护其特有的遗传信息,在生命进化过程中,生物体内逐渐形成了一套完整有效的DNA损伤修复机制,其中最常见的是碱基切除修复(BER)。在碱基切除修复过程中,第一步也是最关键的一步就是BER酶催化下损伤碱基的水解脱落。在众多的BER酶中,MutY是最特殊的一个,它主要识别和修复DNA链上的OG：A错配,其特殊的地方在于它所催化的是未损伤的A碱基从糖环上的水解脱落。MutY酶的催化活性和催化机制已经得到了广泛研究,有实验结果指出酶蛋白中的[Fe4-S4]2+簇对其催化活性起着关键作用,尽管[Fe4-S4]2+簇的存在与否对于蛋白质的折叠过程和立体结构并无明显影响。通过一系列实验研究,Barton等人提出了一个MutY酶快速探测OG：A错配的模型,即：当MutY酶与DNA链相互靠近绑定的过程中,蛋白质中的[Fe4-S4]2+簇氧化变为[Fe4-S4]3+,其失去的电子通过连接铁硫簇和DNA的多肽链进入DNA链,如果此绑定位点与相邻绑定位点之间的DNA链上没有损伤,则DNA介导的电荷转移将会导致相邻位点上MutY酶的还原和脱落,形成新的游离酶,而游离MutY酶又会在新的位点与DNA绑定,重复上述探测过程；当两个相近位点之间存在OG：A损伤时,则DNA介导的电荷转移不能有效进行,MutY酶就会对就近的损伤进行修复。在此模型中,当MutY酶与DNA链绑定时,电子由铁硫簇进入DNA链,当MutY酶从DNA脱落时,电子由DNA链进入铁硫簇,也就是说在同一条多肽链中可以发生双向电子转移。MutY酶中的电子转移过程是OG：A损伤探测的关键,其理论研究有助于人们理解DNA损伤的修复机理,进而为针对此类疾病的酶类药物设计提供理论支持。具体研究内容与结果概述如下：1.MutY酶桥体肽链电子结构的从头算理论研究电子在桥体中的传递无疑要受到其电子结构的影响,因此我们首先对MutY酶桥体肽链的电子结构进行了从头算研究。因为整个蛋白体系的从头算大大超出了目前的计算水平,具体工作中我们截取了MutY蛋白晶体结构中与氧化还原中心相连的关键区域的一段肽链构建了计算模型,用自然键轨道(NBO)方法分析了模型肽链上的电子离域情况、集团电荷分布情况、前线轨道能量等。结果表明：(1)肽链中的电子离域可以在两个相反的方向上发生,即：羰基末端(?)氨基末端,而A方向,即从羰基末端到氨基末端的离域作用占支配性地位。分子内氢键在电子离域过程中起着非常重要的作用,尽管通过氢键的离域方向是从氨基末端到羰基末端,但是分子内氢键的形成大大促进了肽链体系从羰基末端到氨基末端的电子离域。主要离域作用中相应轨道的占据数和集团NBO电荷分布为上述结论提供了依据。(2)肽链中各个甘氨酸单元的LUMO轨道,即π*C-O的能量从羰基末端到氨基末端逐渐减小,尤其是分子内氢键形成以后,减小的更加迅速、明显。延伸到DNA损伤探测模型,当酶与DNA结合时,电子是从羰基末端向氨基末端转移；当MutY从DNA链脱离时,电子沿相反方向传递。若将电子转移近似看作沿着各氨基酸单元的LUMO轨道进行,显然从铁硫簇到DNA的电子转移要相对容易,而从DNA到铁硫簇电子转移则相对困难,可能需要相邻位点上MutY酶的热催化,这与Barton等人通过实验提出的DNA损伤探测模型一致。2. MutY酶关键区域肽链上电子转移耦合矩阵元和主要转移路径由改进的键耦合路径模型,我们对MutY酶关键区域肽链的电子转移耦合矩阵元和主要转移路径进行了从头算研究,以探讨分子构型与电子转移速率(耦合矩阵元)之间一些基本关系,结果表明：(1)耦合矩阵元受分子结构的影响很大。首先,通过氨基酸单元的耦合系数随着两个相邻羰基集团O-O距离的增大而减小；其次,耦合矩阵元受相应二面角的影响,越背离反式结构,耦合作用就越弱,衰减系数就越小。(2)对于从羰基末端到氨基末端的电子转移,氨基酸单元的耦合矩阵元逐渐增大；而对于从氨基末端到羰基末端的电子转移,氨基酸单元的耦合矩阵元逐渐减小,也就是说从羰基末端到氨基末端的电子转移更有利,这与前面电子结构分析的结果一致。(3)对于含有分子内氢键的肽链结构,通过氢键的转移是主要路径。尽管通过氢键的耦合系数只有共价键的三分之一左右,但是通过氢键的路径比全共价键路径节省了12步共价耦合,导致总的耦合系数约为共价路径的1011倍。此结论也与电子结构分析的结果一致。3.肽链构型变化对电子结构的影响如前所述,分子构型的变化将大大影响电子转移速率,而电子转移又与桥体电子结构密切相关。因此,我们构建了四种不同的二级结构模型(310-螺旋,α-螺旋,反平行p-折叠和直线型),对其电子离域、集团电荷分布、前线轨道能量等进行了自然键轨道(NBO)分析,以研究构型变化对肽链电子结构的影响。之所以选择平均的二级结构作为研究对象,是因为它们是蛋白质复杂立体结构的基本组成单元,其研究有助于理解整个蛋白体系的电子转移。主要结论简介如下：(1)四种肽链结构中,从羰基末端到氨基末端即A方向上的电子离域作用都占支配性地位。对于α-螺旋和310-螺旋结构,其分子内氢键的形成大大促进了A方向上的电子离域,但是这种促进并没有使得α-螺旋和310-螺旋结构中A方向上的离域强度明显超过直线型和反平行β-折叠肽链。(2)四类二级结构中,各甘氨酸单元的LUMO轨道,即π*C-O的能量从羰基末端到氨基末端明显减小。因此,各肽链A方向上的电子转移机理可能是超交换机理；而B方向上肽链的电子转移,其机理可能是需要外势推动的不连贯跳跃机理。延伸到Barton等人提出的DNA损伤检测模型,说明MutY酶从DNA链上的脱离确实需要相邻位点上蛋白质的推动。(3)各二级结构NBO电荷分布的对比表明,当肽链体系没有分子内氢键时,直线型和反平行β-折叠肽链结构更有利于电子转移；而当肽链中氨基酸单元达到一定数目时,因为分子内氢键的形成,α-螺旋和310-螺旋结构更有利于电子转移。4.肽链结构变化对电子转移速率的影响我们用改进的键耦合路径模型对蛋白质六种二级结构(310-螺旋,α-螺旋,β-折叠,直线型,聚脯氨酸螺旋I和II)的电子转移耦合矩阵元进行了从头算研究,进而探讨了肽链结构变化与电子转移速率之间的关系,结论如下：(1)对于肽链中通过共价键的电子转移,不同二级结构中耦合矩阵元大小次序为：聚脯氨酸螺旋Ⅰ<聚脯氨酸螺旋Ⅱ≈α-螺旋<310-螺旋<β-折叠<直线型。其中,α-螺旋和310-螺旋与β-折叠和直线型结构之间的相对次序与电子结构分析的结果一致。(2)构型转化中,影响通过共价键电子转移速率的关键要素是二面角和分子偶极矩的变化,这两个因素结合起来就能很好地说明六种二级结构的速率次序。首先,与直线型和p-折叠结构相比,聚脯氨酸螺旋Ⅰ、聚脯氨酸螺旋Ⅱ、α-螺旋和310-螺旋的骨架具有更多的顺式结构,这就导致了更多的耦合步数和较小的转移速率；其次,通过共价键的耦合系数大小受相应二面角绝对值的影响,对比拥有相同转移路径的二级结构中相应的二面角值,得到电子转移速率的大小次序为α-螺旋<310-螺旋<(聚脯氨酸螺旋Ⅰ,聚脯氨酸螺旋Ⅱ)<β-折叠<直线型；最后,考虑到聚脯氨酸Ⅰ和聚脯氨酸Ⅱ的分子偶极矩比310-螺旋和α-螺旋要小得多,尤其是聚脯氨酸Ⅰ,其分子偶极矩的方向与另外五种二级结构完全相反,导致最终的速率次序为：聚脯氨酸螺旋Ⅰ<聚脯氨酸螺旋Ⅱ<α-螺旋<310-螺旋<β-折叠<直线型。此外,肽链中分子偶极矩的变化可以直观的表征为羰基集团的指向和排布。(3)α-螺旋长链中的电子转移主要是由氢键网络介导的,而分子内氢键的形成导致其电子转移速率大大超出直线型和p-折叠结构,这与电子结构分析的结果一致。通过氢键的耦合常数εH同样受到分子偶极矩所产生静电场的影响。对于足够长的α-.螺旋链,εH先从羰基末端到氨基末端逐渐增大,直到第14个甘氨酸单元,随后逐渐减小,可能是因为第14个甘氨酸之后,偶极矩所产生的静电场逐渐趋于恒定。综上,我们的研究表明：肽链中从羰基末端到氨基末端的电子转移比反方向更有利；肽链结构变化对电子转移速率的影响主要体现在二面角的改变、羰基集团的指向和排布变化以及分子内氢键的形成。具体来说,反式结构最有利于电子耦合,越背离反式结构,耦合作用就越弱；肽链中羰基集团偶极矩的指向和排布越一致,所形成的静电场就越强,相应方向上电子转移就越有利；分子内氢键的形成大大减少了耦合步数和有效转移距离,使得螺旋结构最有利于长程电子转移。