水溶液中芳香型氨基酸结构与性质的从头计算研究

本项目主要含两方面的研究内容：一是通过溶质-水超分子模型和超分子-连续介质溶液模型并结合QM/MM方法，利用密度泛函理论和MP2方法系统研究芳香型氨基酸分子与水结合及在水溶液中的结构，深入细致地理解水溶液如何使氨基酸分子由气相的中性结构过渡到水溶液中的双电性结构的微观机制，给出溶液中芳香型氨基酸的稳定构型及其热力学平衡分布，并分析其分子内及与水分子间的氢键相互作用；二是利用定态及含时密度泛函理论计算芳香型氨基酸在溶液中的不同物理化学性质如电离能、电子亲和势、质子化/去质子化能、红外振动光谱、紫外吸收光谱和单/双光子圆二色谱等，并通过与其气相中的性质做比较，分析溶液对芳香型氨基酸性质的影响及其机制。该研究对于揭示溶液对生物分子的结构与性质影响的物理机制，对生物分子的化学物理性质研究，有着重要意义。

水溶液中氨基酸的结构与性质是长期以来生物物理和化学研究的重要内容。本项目主要含两方面的研究内容：1. 通过溶质-水超分子模型和超分子-连续介质溶液模型并结合QM/MM方法，利用密度泛函理论和MP2方法系统研究芳香型氨基酸分子与水结合及在水溶液中的结构，深入细致地理解水溶液如何使氨基酸分子由气相的中性结构过渡到水溶液中的双电性结构的微观机制，给出溶液中芳香型氨基酸的稳定构型及其热力学平衡分布，并分析其分子内及与水分子间的氢键相互作用；2. 利用定态及含时密度泛函理论计算芳香型氨基酸在溶液中的不同物理化学性质如电离能、电子亲和势、质子化/去质子化能、红外振动光谱、紫外吸收光谱和单/双光子圆二色谱等，并通过与其气相中的性质做比较，分析溶液对芳香型氨基酸性质的影响及其机制。通过本项目的开展，顺利完成了拟定的研究任务，并取得了如下额外的研究成果：1）发现了氨基酸与近邻水分子形成的氢键结构规律性，且该结构规律性可用杂化轨道理论的语言分类；2）总结出了氨基酸与1-5个水分子结合的结构规律；3）发展了一套搜索氨基酸与水分子结合的高效计算方法，并发现了诸多新低能结构；4）计算发现芳香性氨基酸侧链上的苯环和吲哚环会通过π-π和H-π堆垛效应自发的吸附到碳管表面；5）发现氨基酸十聚物和C20的复合物具有非常稳定的结构。通过本项目的支持，共发表和已接收SCI论文27篇，其他论文1篇。本项目的研究结果对于揭示溶液对生物分子的结构与性质影响的结构基础和物理机制，对建立精确可靠的溶液效应微观模型，建立溶液对芳香型氨基酸光谱性质影响的定量理论和可靠地解释实验观察结果，具有重要意义，也为深刻理解芳香型氨基酸这一“光学”探针在蛋白质环境中的行为变化奠定良好的基础。