快速预测蛋白质多肽体系中氢键强度及其协同效应的计算化学新方法

快速准确预测蛋白质多肽体系中的氢键强度及其协同效应和快速计算确定高精度氢键作用势能曲线(面)，对正确理解和认识蛋白质多肽大分子的结构和性能间的关系，深入理解蛋白质折叠的基本规律有着重要的科学意义。本项目将以蛋白质多肽体系为研究对象，在我们实验室自己建立的ABEEM方法基础上，建立和发展可用于合理描述和快速预测蛋白质多肽大分子复杂体系中氢键作用的高精度理论模型，编制有自主知识产权的程序软件，模拟蛋白质多肽体系中分子内和分子间氢键形成的局域势能面，研究氢键的局域结构与整体氢键网络间的关系，研究氢键与构象的关系、氢键对化学反应的影响以及溶剂水的作用等，实现对蛋白质多肽大分子复杂体系中氢键作用强度及其协同效应的准确快速度量和预测。建立氢键能数据库。本项目建立的高精度理论模型和方法适用于蛋白质多肽大分子体系，简捷快速且精确度高，其简捷快速可以与分子力场方法相媲美，而其准确度又与高精度MP2方法相当。

氢键在化学、材料科学和生命科学等领域中发挥着重要的作用, 在研究体系性质过程中对氢键相互作用应该给予特殊考虑。在分子模拟过程中包含准确的氢键相互作用对于研究和解释广泛的化学现象是非常重要的。协同性是氢键理论中的一个重要概念，对蛋白质折叠结构的形成和蛋白质二级结构的稳定等性质起着重要作用。氢键协同性的强弱会影响体系中分子的结构、能量，进而影响体系的性质。快速准确预测蛋白质多肽体系中的氢键强度及其协同效应和快速计算确定高精度氢键作用势能曲线，对正确理解和认识蛋白质多肽大分子的结构和性能间的关系，深入理解蛋白质折叠的基本规律有着重要的科学意义。虽然包含有电子相关效应的MP2方法可以较准确地计算氢键作用强度，但是对于诸如多肽、蛋白质等复杂的体系，MP2方法的使用受到限制。建立一种简单便捷的方法来快速准确地计算蛋白质多肽等复杂体系中氢键作用强度和氢键协同效应是十分必要的。.本项目以蛋白质多肽体系为研究对象，建立了有明确物理意义的可用于合理描述和准确快速预测蛋白质多肽大分子复杂体系中N-H•••O=C型氢键作用和C-H•••O=C型氢键作用的高精度理论模型。该理论模型明确包含有化学键偶极-偶极作用和分子间范德华作用。确定了模型中的相关参数。编制了相关程序软件。应用于快速预测含有蛋白质多肽分子的简单氢键二聚体分子间氢键结构和氢键强度；应用于研究由甘氨酸多肽构成的具有反平行结构和平行结构的beta-折叠二聚体结合能；应用于研究多种酰胺氢键链中氢键的协同性；应用于研究蛋白质多肽和核酸碱基形成的氢键复合物的结合能。并将得到结果与高精度从头计算MP2方法以及分子力场AMBER99、OPLSAA/L、CHARMM27方法得到的结果相比较。结果表明，我们方法得到的结果与包含BSSE校正的MP2方法符合的非常好，绝大多数体系的氢键键长误差小于0.5埃，氢键能量误差小于0.5kcal/mol，远优于分子力场方法的结果。.本项目建立的氢键势能函数具有明确的物理意义，适用于蛋白质多肽大分子体系，简捷快速且精确度高，其简捷快速可以与分子力场方法相媲美，而其准确度又与高精度MP2方法相当。本项目所建立的氢键势能函数期望将会在研究氢键作用本质以及在生物体系的分子模拟领域发挥重要作用。