生物大分子QM/MM反应速率常数的计算

最近十几年，人们广泛的采用QM/MM方法研究生物大分子的反应机理。反应速率常数是化学动力学中一个非常重要的物理量。通常人们采用传统的过渡态理论、变分过渡态理论等方法计算化学反应的速率常数。采用这些方法需要计算体系的Hessian矩阵和频率，因此在研究生物大分子反应时，受计算量和计算存储条件的限制，到目前为止还没有一个合适的方法计算这个物理量。本人曾参与过QM/MM计算程序的开发，并采用多构型分子力学的方法研究过睾丸激素和P450 3A4反应的速率常数。以这些工作为基础，本项目计划发展QM/MM计算生物大分子体系的部分Hessian矩阵和频率的方法，以传统的过渡态理论和变分过渡态理论为基础，发展计算生物大分子反应速率常数和量子隧道效应的方法，开发相应的计算程序。

本项目中，我们采用HF和B3LYP方法及STO-3G、6-31G、6-31G*、6-31++G**基组，全量子和QM/MM计算了两个水分子的势能面，研究了QM/MM计算的分子力学植入和电子植入两种模型的可信度。结果表明基组对QM/MM计算的影响非常大。当两个水分子距离比较远的时候，两个水分之间的相互作用能非常小，可以忽略。在6-31G和6-31G*基组的QM/MM计算中，电子植入的结果要好于分子力学植入的。我们在QM/MM计算中引入CHARMM力场的DRUDE和水分子的SWM4极化力场模型。采用HF和B3LYP方法及STO-3G、6-31G、6-31G*、6-31++G**基组计算了正丁醇QM/MM和全量子的质子亲和势。结果表明目前极化的QM/MM模型计算的质子亲和势比电子统计植入的更接近于全量子的结果，降低了2kcal/mol。此外，为了研究射线对DNA损伤的影响，我们搭建了碱基在30埃的水球中的模型，进行了初始的分子动力学模拟，根据RMSD选出了一些初始构型。目前正在采用QM/MM方法计算它们的电子亲和势和电离能，对于腺嘌呤的QM/MM计算，表明Mulliken电荷分布的结果不准确，ESP电荷分布给出了正确的电荷分布。腺嘌呤在水中展现了厌电子亲电荷特性。在本项目的支持下，我们系统的研究了正庚烷高温下的裂解反应。在原子水平上系统的分析了其裂解反应的中间反应、反应的中间体和动力学行为。正庚烷的整个裂解过程是自由基反应，其裂解主要是分子内反应，单分子解离反应是其主要的反应路径。我们还研究了于4-氨基邻苯二甲酰亚胺（4AP）在水中形成的氢键对其光谱性质的影响，表明当光激发4AP分子时，4AP分子的电子密度从氨基转移到两个羰基上，从而导致水分子与胺基氮原子形成的氢键减弱，水分子与胺基氮原子形成的氢键和水分子与胺基两个氢原子形成的氢键加强，调节其光谱性质。此外，我们提出了一个通用方法计算碰撞时间。验证我们提出的方法的可靠性和合理性。研究了碰撞能和反应物振动能级影响碰撞时间的机理。