金属蛋白质分子的量子理论计算研究

量子力学理论和计算方法在生物大分子领域的应用是当前的研究热点之一。本项目致力于研究如何把量子理论实际应用到金属蛋白的研究领域。由于金属离子与多个氨基酸形成配位键作用，使得原本线性的蛋白质化学键连接变成了网状的结构，并且在动力学过程中（如蛋白质构象变化中），该网状结构是动态变化的。这就使得常用的经典分子力场方法无法正确的描述和处理含有金属的蛋白质内部的相互作用，构象变化和其他动力学性质。本研究项目立足于量子力学基本原理，发展切实可行的计算方法，把蛋白质大分子用分块方法来分开描述，准确计算蛋白－金属成键和断键过程中的电荷转移，发展针对金属配位的可极化电荷，和蛋白质整体的极化电荷组合在一起，用来精确描述金属蛋白的相互作用，构象变化，动力学性质，蛋白质折叠等生物大分子研究中的关键问题。本项目的成功，将为更定量更可靠的了解蛋白质结构、功能和动力学性质，以及预测和设计新的蛋白质提供重要的理论计算工具。

通过对金属蛋白的理论计算和动力学性质的了解和研究，进一步证实了传统经典力场对于描述金属蛋白的重要缺陷，并发展了一套实用和可靠的动态量子计算的方法，对已知的金属蛋白体系，把量化计算fit的极化电荷做动态（随时间变化）的调整，与分子动力学结合，得到动态分子动力学的模拟结果，取得了很好的结果。其次，通过把蛋白质大分子用分块方法来分开描述，准确计算蛋白－金属成键和断键过程中的电荷转移，发展针对金属配位的可极化电荷，和蛋白质整体的极化电荷组合在一起，用来精确描述金属蛋白的相互作用和动力学性质，把金属在蛋白里的电荷转移和极化效应更全面和系统的考虑进来，正确的描述金属配位体系的动态变化以及正确的配位键的能量。目前我们发展的最新方法，结合了新的fluctuating charge的极化和电荷转移效应，以及金属配位键的精确能量表述，对已知的金属-蛋白配位体系能精确的描述它们的结构，动力学性质以及金属蛋白和小分子配体的结合自由能，取得了比较明显的突破，目前对各种不同类型的金属-蛋白体系，包括各种锌指，双锌蛋白以及其他金属蛋白体系的后续工作正在积极开展。现已发表相关SCI论文18篇，其中两篇发表在JACS上，圆满完成了预期研究目标。