水合组氨酸和酪氨酸的结构与性质
本论文主要用密度泛函理论和从头算方法详细探测了气相中性组氨酸及其异构体、气相双电性组氨酸及其异构体的水合性质；以及气相中性酪氨酸及双电性酪氨酸的水合性质；讨论了独立水合过程中，水分子数对反映溶液效应的效果。并详细研究了它们的几何构型、电子结构、分子内作用、振动频率、红外光谱、紫外光谱等重要性质。
第一章中概述了几种量子化学计算的理论和方法。介绍了论文中使用的三种溶液模型：离散模型、自洽反应场模型和混和模型。在本章最后说明了本文的研究目的。
第二章通过气相中性组氨酸结构及其异构体、双电性组氨酸及其异构体的水合结构寻找，系统地探讨了逐步水合的方法；并以多水分子同步水合的方法作为多水分子水合结构寻找的补充，寻找到结构能量更低的构型。随着水分子的增加，在气相中溶液效应逐渐显现，双电性水合结构与中性水合结构的能量间隙也逐渐减小。并且，双电性组氨酸三种异构体之间的能量间隙随着结合水分子的个数而减小。溶液模型下，裸双电性组氨酸就以更低的能量显示出了溶液效应。而气相中需要4个独立水分子才体现出双电性组氨酸有能量优势的溶液效应。气相中水分子的结合使得组氨酸受结合位置的红外振动产生红移。气相中最为稳定的裸组氨酸和一水分子合组氨酸结构，其最高占据态HOMO主要是咪唑环上的两个π轨道；而三种跃迁态主要从HOMO向上跃迁：所以组氨酸的紫外光谱主要从咪唑环向上跃迁。而水合组氨酸使得跃迁态S0－S2和S0－S3跃迁发生态振动加强；水合作用普遍使跃迁能量增加。
第三章用水合方法对酪氨酸结构进行了逐步水合研究。酪氨酸不存在气相中的裸双电性稳定结构，所以对其双电性水合采取了在稳定中性结构基础上，羧基去质子化、同时氨基质子化后，加水分子优化的方法。一水合酪氨酸双电性和中性的能量间隙比一水合组氨酸的双电性和中性能量间隙大；这归于酪氨酸苯环侧链的疏水性质。不过一水合酪氨酸的双电性构型在水溶液中，仍表现出了能量上的优势，尽管并不明显。随着独立水分子的结合，中性和双电性酪氨酸的能量间隙缩小，溶液效应逐渐显现。直到第五个水分子韵结合双电性和中性酪氨酸请五个结构的系综平均能量才持平。苯环侧链末端的羟基的不同取向形成了有趣的“成对”结构-每种无苯上羟基参与的水合结构都有一个成对的结构，这些结构及其相似，能量也相近，唯一的不同在于苯环上羟基的取向相反。但对于多水结合的稳定结构，苯环羟基一旦形成了与水分子的氢键作用，则不存在这种构型的成对结构。水分子在外壳层水合时，结合能明显要低。水分子的结合使得酪氨酸特征峰红移，并产生了一个羧基振动的强峰。酪氨酸最高占据轨道主要是苯环侧链上的两个大π键，参与了主要的跃迁。
第四章简单介绍了组氨酸多功能的咪唑环在不同的酸碱性环境下，组氨酸呈现出多种质子化、去质子化结构。对这些结构的水合性质做了简单的探讨。质子化与去质子化位置是水分子结合的主要位置，只是质子化位置与水分子的质子受体O结合形成氢键，同时排斥水分子的两个质子：而去质子化位置则相反，与水分子的质子形成氢键，同时排斥水分子中负电性的O。水分子的结合使得两种去质子化异构体能量顺序发生逆转。对于组氨酸质子化、去质子化的研究，有待进一步工作展开。
密度泛函;组氨酸;酪氨酸;水合结构;双电性构型
中国科学技术大学
硕士
凝聚态物理
林子敬
2008
中文
O641.121;O492
81
2009-04-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）