水合质子化氨基乙酸和纤维素二糖结构的量子化学研究

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1、QuantumchemicalstudyonthestructureofH20protonatedglycinecomplexandcellobiose一，一ADissertationSubmittedtotheGraduateSchoolofHenanUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofScienceByZhichao耽fSupervisor：Prof．BoLiuandAssociateProf．DongChenMay，2014

2、

3、UllIIIIIIIIIIIUl关于学位论文独创声明

4、和学术诚信承诺心54∞54本人向河南大学提出硕士学位申请。本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立完成的，对所研究的课题有新的见解。据我所知，除文中特别加以说明、标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括其他人为获得任何教育、科研机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。在此本人郑重承诺：所呈交的学位论文不存在舞弊作伪行为，文责自负。学位申请人(学位论文作者)签名：201年年}月／。日关于学位论文著作权使用授权书本人经河南大学审核批准授予硕士学位。作为学位论文的作者，本人

5、完全了解并同意河南大学有关保留、使用学位论文的要求，即河南大学有权向国家图书馆、科研信息机构、数据收集机构和本校图书馆等提供学位论文(纸质文本和电子文本)以供公众检索、查阅。本人授权河南大学出于宣扬、展览学校学术发展和进行学术交流等目的，可以采取影印、缩印、扫描和拷贝等复制手段保存、汇编学位论文(纸质文本和电子文本)。(涉及保密内容的学位论文在解密后适用本授权书)学位获得者(学位论文作者)签名：201仁年石月3-日学位论文指导教师签名：20l争年／月厂日摘要研究生物分子的结构以及影响其结构稳定和转化的外界因素对于理解生命体中的物理化学过程有重要的指导意义。尤其是生物分子的溶剂化作用是生

6、物学过程中最常见的物理化学过程。氨基乙酸作为人体中20种氨基酸中最简单的一种，是实验和理论模拟的理想模型。本论文一方面利用基于力场的全空间构型搜索方法和量子力学的从头算方法，研究了氨基乙酸与水分子的相互作用的机理，并建立了第一水合壳层模型模拟了水溶液的整体效应，而且与连续模型进行了系统的比较。另一方面，应用树研究方法搭建了二糖分子结构并成功找到了低能量结构的分子。论文的内容分为以下五章：第一章：论文的研究背景、研究内容、和研究意义。本章介绍了研究生物分子结构在生物物理化学领域的意义，回顾了实验和理论所做出的贡献并仔细分析了实验上的不足和目前理论方法的工作在确定分子结构和构建模型方面存在

7、的问题和不足。基于这些问题我们提出了我们的解决方案，并简单介绍了其可行性。第二章：简要介绍了论文中使用到的计算方法和软件。包括蒙特卡罗方法、基于力场的分子模拟理论介绍、基组、量子化学计算理论等。第三章：首先使用蒙特卡罗方法的构型搜索高水平量子化学计算，一步步确定了质子化氨基乙酸的一水到饱和的七水合物的第一水合壳层结构。结果表明，首先加上的三个水分子趋于吸附在铵基团附近，第四个并且仅仅此一个水分子连接在羧基基团的羟基上。质子化的氨基乙酸和去质子化的氨基乙酸由于所带电性不同，他们的水合壳层结构迥异。七个水分子能够完全饱和质子化氨基乙酸最低能量构象的第一水合壳层。最后我们发现第一水合壳层模型

8、能够表征水溶液效应对生物分子的影响的趋势，同时能描述特异性水合效应。计算的结果得到如下物理意义：1．不同的水合位点之间的竞争关系随着水合过程的深入发生不断发生改变，而这一改变导致了水分子交替分配在不同水合位点的现象。基于这样的理解，我们提出了可以简化计算的方法。2．即使是在单分子水平，水分子也能够形成“桥”水分子或者小的水分子团簇，进而促进生物分子距离较远的官能团之间的相互作用。3．第一水合壳层模型能够表征特异性水合效应，同时能够描述整体的水合效应对水合能和振动频率的影响的趋势。基于以上的理解，我们不难推出猜想：第一水合壳层模型和连续模型例如CPCM的结合使用可能是能够很好地描述水合效

9、应，同时又节省计算资源的方法。第四章：本章使用树步法分别搭建了苯基纤维素二糖和苯甲基乳糖苷的初始构型，经过后续的量子化学计算最终得到了他们的低能量结构。我们得到的最低能量结构跟文献中报道的理论预测和实验值很好的吻合。并且，我们找到了两个文献中没有报道过的苯甲基乳糖苷的结构。关键词：第一水合壳层，全空间构型搜索，蒙特卡罗，氨基乙酸，树步法IIABSTRACTInformationsofbiomolecularstructureandthekeyi