（物理化學(xué)專業(yè)論文）生物分子體系中電子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)理論研究.pdf

四川大學(xué)博士學(xué)位論文 生物/ 幾 弋 系中電子轉(zhuǎn)移二 學(xué)理論研究 物理化學(xué) 研究生劉繼鳳指月教師李象遠(yuǎn)教授 本文共分為兩人都分:第一部分是電子轉(zhuǎn)移理論綜述，在這一部分中，作 者綜述了二十世紀(jì)五十年代發(fā)展起來的電子轉(zhuǎn)移桂 基礎(chǔ)和理論模型，并根據(jù) m a r c u s的非絕熱電子轉(zhuǎn)移速率常數(shù)計(jì)算 i 經(jīng)典公 式討論了影響電 子轉(zhuǎn)移速率 常數(shù)的因 素及其計(jì)算方法: 在第二 部分， 作者在a b i n i t i o 從頭算方法水平上， 對(duì) 一些生物分子 模型休系中的分子間 絕熱電.、 r - 內(nèi)非絕熱電子轉(zhuǎn) 移 反應(yīng)以 及分子秀 導(dǎo)電 子轉(zhuǎn)移反 應(yīng)的 機(jī)理進(jìn)行丁) i - e a i ， 。 . 并計(jì)算了體系中 電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)迷率常數(shù)。 第二章中， 設(shè)計(jì)了 a - 碳中心自 由 基小分、 1 4 2 n c h - c h o ) 被o z 氧化的 模 型反應(yīng)。應(yīng)用外電場誘導(dǎo)方法獲得一組電荷定域的分子軌道，用電荷定域的軌 道再誘導(dǎo)計(jì)算獲得反應(yīng)體系的雙勢(shì)阱曲線。理論計(jì)算表明極性溶劑效應(yīng)對(duì)電荷 分離的電 子轉(zhuǎn)移過程 有很大的 推動(dòng) 作用: ( 1 ) 極性溶劑 波動(dòng)推動(dòng)電子轉(zhuǎn)移過渡 態(tài)在產(chǎn)物平衡態(tài)附 近發(fā)生，水溶液中r , = 1 . 0 1 ; ( 2 )在水溶液中， 反應(yīng)體系的 活化能 壘大大降 低， 僅為氣 相的一 半左右; ( 3 ) 水溶液中的反應(yīng)熱降低至氣相 的一半。 根據(jù)氧化還原反應(yīng)中心之間的 距離大小及電子轉(zhuǎn)移偶合矩陣 元的大 小 判斷出反應(yīng)是絕熱電子轉(zhuǎn)移過程， 用 ma r c u s 的絕熱電子轉(zhuǎn)移理論模型計(jì)算得電 子轉(zhuǎn)移速率常數(shù)為7 .0 8 7 x 1 0 1 2 m i . s 1 。理論 研究表明電 子轉(zhuǎn)移反應(yīng)非常緩慢， 在熱力學(xué)條件下，該電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)發(fā)生的可能性非常小。 在第三章中，作者考慮溶劑效 應(yīng)和不同的去 質(zhì)子化機(jī)理， 研究了 色氨酸與 酪氨酸間的三 種非絕熱電子轉(zhuǎn)移反 應(yīng)機(jī)制。( 1 ) 電子轉(zhuǎn)移給受體的孤立體系之 間的相互作用理論 研究表明無論在 氣相還是 在水溶液中， 未去質(zhì)子的 正離子自 由 基體系電子 轉(zhuǎn)移反 應(yīng)的活 化能壘 很高，反 應(yīng)很難發(fā)生;( 2 ) 雙去質(zhì)子的負(fù) 離 子自由基體系電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)的活化能壘較低，反應(yīng)的過渡態(tài)在反應(yīng)物平衡態(tài)附 四川大學(xué)博士學(xué)位論文 近，是放熱反應(yīng)，在氣相和水次液中都能夠自發(fā)的發(fā)生;( 3 )第三種電子轉(zhuǎn)移 機(jī)制， 0 3 1 噪正離子部分世.不 子 化后形成中 性自 由基， 然后經(jīng)過 質(zhì)子轉(zhuǎn)移/ 電 子轉(zhuǎn) 移或電 子轉(zhuǎn)移/ 質(zhì)子轉(zhuǎn)移的兩 步過程生成產(chǎn)物， 理論計(jì)算表明在水溶 液中 先發(fā)生 質(zhì)子轉(zhuǎn)移，而后發(fā)生電子轉(zhuǎn)稱的反應(yīng)路徑占優(yōu)勢(shì)。對(duì)三種機(jī)理的理論研究探明 了不同去質(zhì)子化機(jī)理對(duì)電于s : 的控制作用，并闡明了溶劑效應(yīng)引起多步反應(yīng) 機(jī)制和雙去質(zhì)子化反應(yīng)機(jī)制的合理性。( 4 )計(jì)算了亞甲基鏈作為叫a rn 和苯酚之 間的橋體的體系亞甲基數(shù)目從 2 到 5 的體系的電子轉(zhuǎn)移偶合矩陣元，考察了電 子轉(zhuǎn)移偶合矩陣元與電子轉(zhuǎn)移給受體的中心之間的距離之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)兩者 之間存在指數(shù)衰減關(guān)系， 根據(jù)擬合指數(shù)曲 線求的的p 值比實(shí) 驗(yàn)預(yù)測(cè)的 值大。( 5 ) lq i *和苯酚之間的氫鍵相互作用的研究表明叫噪環(huán)上的 n - h 鍵在被氧化劑氧化 之后， 在極性溶劑的影響下，很容易去 質(zhì)子化。去 質(zhì)子化后形成的 絡(luò)合物體系 較穩(wěn)定，驅(qū)動(dòng)整體反應(yīng)向前進(jìn)行。理論研究解釋了實(shí)驗(yàn)上為什么氧化劑更容易 氧化a pi i a m 基團(tuán)成為正離子，以及接下來發(fā)生電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力問題。( 6 ) 對(duì)色氨酞酪氨酸二膚體系的 橋體構(gòu)象對(duì)電子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)的影響的理論研究表 明，不同的橋體構(gòu)象體系的反應(yīng)熱、內(nèi)重組能以及電子偶合矩陣元均有較大差 別，橋體構(gòu)象的 變化將影響電子 轉(zhuǎn)移的 動(dòng)力學(xué)因素， 進(jìn)而影響電 子轉(zhuǎn)移速率。 第四章中， 作者嘗試用h f 和全活化空間自 恰場 ( c a s s c f ) 方法考察色氨 酸 和 d n a 堿基與4 - 硝基 哇琳- 1 - 氧 化物 ( 4 n q 0 ) 之間的 相互作用以 及它們之間的 光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移過程， 以期從理論上幫助理解 4 n q 0的致癌性。這些體系的理論 研究就作者所知極少。理論計(jì)算研究表明 ( 1 )色氨酸以及嘿吟堿與 4 n q 0之間 存在兩種氫鍵相互作用， 一種質(zhì)子受體是 4 n q 0 分子中的雜環(huán) n - 0 基， 另一種質(zhì) 子受體是 4 n q 0 分子中的硝基，色氨酸或嚓吟堿分子提供 n - 1 l 鍵作為質(zhì)子給體。 ( 2 ) 色氨酸與 4 陰0 形成的最穩(wěn)定氫鍵絡(luò)合物體系的 c a s s c f 計(jì)算表明， 該體系 的 第一、二單重激發(fā)態(tài)以 及第一激發(fā)三重態(tài)都是電 荷分離態(tài)，說明 在適當(dāng)?shù)?光 照射條件下，該體系可以發(fā)生直接光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)。該體系的最低三重態(tài) 是 4 n q 0 部分的局域激發(fā)態(tài)。( 3 )鳥嗓吟和 4 n q 0的二 一 二 絡(luò)合物體系的 c a s s c f 計(jì) 算，考察了取代基對(duì)體系第一單重激發(fā)能的影響，發(fā)現(xiàn)取代基分別是氫原子、 甲 基、四 氫吠喃及戊糖基時(shí)， 第一單重激發(fā)態(tài)均為電 荷分離態(tài)，體系從基態(tài) 到 第一單重激發(fā)態(tài)的躍遷能依次減小， 該躍 遷能與實(shí)驗(yàn)估計(jì)的電子轉(zhuǎn)移引 起的 光 譜吸收對(duì)應(yīng)的 躍遷能 一 致。理論計(jì)算表明4 n q 0 不 僅能與d n a 堿基 有相互 作用， 四川大學(xué)博士學(xué)位論文 而且與色氨酸之間也有類似的相互作用，因而對(duì)理解含有色氨酸的抗癌性蛋白 質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系有一定的幫 助。 溶劑效應(yīng)是電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。第五章中，作者介紹了給本實(shí) 驗(yàn)室近期發(fā) 展起來的非平衡溶劑化及在光譜位移校正方面的新理論和計(jì)算模 型， 并對(duì)具有溶劑化效應(yīng)探針之稱的香豆素 1 5 3體系在 4 4中溶液中的光譜數(shù)據(jù) 進(jìn)行了 理論擬合。用擬合得到的直線 斜率求出 體系的 溶劑化孔穴 半徑， 新公式 給出3 . 7 - 3 . 9入的半徑， 與用v a n d e r w a a l s 體積計(jì) 算的 孔穴半 徑相一致; 而用 l i p p e r t - m a t a g a 公式給出的孔穴 半徑范圍 是 4 . 6 - 4 . 9 入 。 用實(shí) 驗(yàn)數(shù)據(jù)的 擬合結(jié)果 以及與 l i p p e rt - m a t a g a 公式的比較，表明 新的非 平衡溶劑化公式 在預(yù)測(cè)光譜位 移方面是可靠的。 關(guān) 鍵詞:電 子轉(zhuǎn)移 色氨酸與酪氨酸 速率常 數(shù)反 應(yīng)機(jī)理 溶劑 效應(yīng) 四川大學(xué)博士學(xué)位論文 t h e o r e t i c a l s t u d y o f t h e d y n a m i c s o f e l e c t r o n t r a n s f e r i n b i o mo l e c u l a r s y s t e m ma j o r i n p h y s i c a l c h e mi s t r y ph . d. s t u d e n t j i - f e n g l i u s u p e r v i s o r p r o f x i a n g - y u a n l i t h i s w o r k i n c l u d e s f i v e c h a p t e r s . t h e f u n d a m e n t a l s o f e l e c t r o n t r a n s f e r d e v e l o p e d d u r i n g t h e r e c e n t h a l f - c e n t u r y a r e s u m ma r i z e d i n c h a p t e r 1 , a n d t h e f a c t o r s whi c h a f f e c t t h e r a t e c o n s t a n t o f e l e c t r o n t r a n s f e r r e a c t i o n a r e d i s c u s s e d b a s e d o n t h e c l a s s i c a l ma r c u s s t h e o r y . t h e c o m p u t a t i o n a l a p p r o a c h e s o f t h e s e f a c t o r s a r e a l s o s h o w n i n c h a p t e r l . i n c h a p t e r 2 t o c h a p t e r 5 , t h e e l e c t r o n t r a n s f e r r e a c t i o n s i n s o m e b i o m o l e c u l a r s y s t e m s a r e t h e o r e t i c a l l y i n v e s t i g a t e d . a mo n g t h e s e t h e o r e t i c a l s t u d i e s , t h e m e c h a n i s m s o f b o t h a d i a b a t i c a n d n o n a d i a b a t i c t h e r m a l e l e c t r o n t r a n s f e r r e a c t i o n s a s w e l l a s t h e p h o t o i n d u c e d e l e c t r o n t r a n s f e r r e a c t i o n s a r e d i s c u s s e d b y i n v e s t i g a t i n g t h e e n e r g y r e l a t i o n s h i p , t h e i n t e r a c t i o n b e t w e e n r e a c t i o n m o l e c u l e s , a n d t h e r e a c t i o n r a t e c o n s t a n t . t h e m e c h a n i s m o f t h e o x i d a t i o n o f c c - c a r b o n - c e n t e r e d r a d i c a l b y o z h a s b e e n t h e o r e t i c a l l y p r e s e n t e d i n c h a p t e r 2 . i t h a s b e e n f o u n d t h a t t h e p o l a r s o l v e n t e f f e c t m a k e s t h e a c t i v a t i o n e n e r g y b a r r i e r l o w e r r e m a r k a b l y , a n d t h e r e a c t i o n h e a t o f t h e e n d o t h e r m a l r e a c t i o n i n a q u e o u s s o l u t i o n b e c o m e s n e a r l y h a l f o f t h a t i n t h e g a s p h a s e . t h e e l e c t r o n t r a n s f e r r e a c t i o n i n t h e o x i d a t i o n o f a .- c a r b o n - c e n t e r e d a m i n o r a d i c a l h a s b e e n f o u n d t o b e d i ff i c u l t t o o c c u r i n t h e g a s p h a s e , h o w e v e r t h e p o l a r s o l v e n t fl u c t u a t i o n w i l l p r o p e l t h e r e a c t i o n t o o c c u r a t n e a r t h e p r o d u c t s t a t e w i t h a c e rt a i n p r o b a b i l i t y . t h i s e l e c t r o n t r a n s f e r r e a c t i o n i s j u d g e d a s a n a d i a b a t i c o n e a c c o r d i n t i n g t o t h e v a l u e s o f t h e e l e c t r o n i c c o u p l i n g ma t r i x e l e me n t , a n d t h e r e a c t i o n r a te c o n s ta n t h a s b e e n c a lc u la te d to b e 7 . 1 x 1 0 m - .s 1 in a q u e o u s s o l u t io n u s in g t h e ma r c u s a d i a b a t i c e l e c t r o n t r a n s f e r t h e o r y . t h e t h e o r e t i c a l s t u d y s h o w s t h a t t h i s 四川大學(xué)博士學(xué)位論文 mo d e l e l e c t r o n t r a n s f e r r e a c t i o n c a n o c c u r t h e r m o d y n a m i c a l l y i n p o l a r s o l v e n t , b u t t h e r a t e i s p r e d i c t e d v e ry s l o w . i n t r a m o l e c u l a r a n d i n t e r m o l e c u l a r e le c t r o n t r a n s f e r r e a c t i o n s i n p o l y p e p t i d e i n v o l v i n g t y r o s i n e a n d t r y p t o p h a n h a v e b e e n t h e o r e t i c a l l y i n v e s t i g a t e d a n d p r e s e n t e d i n c h a p t e r 3 . t h r e e d i ff e r e n t m e c h a n i s m s a n d t h e s o l v e n t e ff e c t o f t h e e l e c t r o n t r a n s f e r r e a c t i o n b e t w e e n i n d o l mo i e t y a n d p h e n o l m o i e t y o f t h e mo d e l s y s t e m c o r r e s p o n d i n g t o t h e d i p e p t i d e o f t r y p t o p h a n a n d t y r o s i n e h a v e b e e n s t u d i e d b y e n e r g y c a l c u l a t i o n s . i t h a s b e e n f o u n d t h a t : ( 1 ) t h e e l e c t r o n t r a n s f e r r e a c t i o n c a n h a r d l y o c c u r i n g a s - p h a s e ; ( 2 ) t h e e l e c t r o n t r a n s f e r r e a c t i o n i n t h e d o u b l y d e p r o t o n a t e d r a d i c a l a n i o n s y s t e m c a n o c c u r s p o n t a n e o u s l y w i t h t h e t r a n s i t i o n s t a t e b e i n g n e a r t h e r e a c t i o n s t a t e i n s o l u t i o n , a n d t h i s r e a c t i o n i s e x o t h e r m i c ; ( 3 ) t h e t h i r d m e c h a n i s m f o u n d i s t h e mu l t i - s t e p o n e . t h e th e o r e t i c a l r e s u l t s s h o w t h a t t h e r e a c t i o n p a t h w a y i n w h i c h p r o t o n t r a n s f e r r e a c t io n o c c u r s f i r s t , a n d t h e n e l e c t r o n t r a n s f e r o c c u r s i s p r e d o m i n a n t i n a q u e o u s s o l u t i o n . o n t h e o t h e r h a n d , t h e s t u d y o f c o u p l i n g m a t r i x e l e m e n t o f e l e c t r o n t r a n s f e r i n m o d e l s y s t e m s i n h - ( c h 2 ) p h o h ( n = 2 - 5 ) s h o w s t h a t t h e c o u p l i n g m a t r i x e l e m e n t ( v , ) d e c r e a s e s e x p o n e n t i a l l y w i t h i n c r e a s i n g c e n t r a l s e p a r a t i o n d i s t a n c e o f t h e e l e c t r o n d o n o r a n d a c c e p t o r . t h e c o n f o r m a t i o n a l e ff e c t o f t h e d i p e p t i d e t r p h - t y r o h h a s b e e n a l s o in v e s t i g a t e d i n t h i s c h a p t e r . t h e t h e o r e t i c a l i n v e s t i g a t i o n s r e v e a l t h a t t h e s e p a r a t i o n d i s t a n c e o f d o n o r a n d a c c e p t o r i s d i f f e r e n t i n d i f f e r e n t c o n f o r ma t i o n s , s o a s t o a ff e c t t h e m a g n i t u d e o f t h e c o u p l i n g m a t r i x e l e me n t , a n d t h e s l i g h t l y c h a n g e o f t h e b r i d g e w i l l a l s o a ff e c t t h e r a t e c o n s t a n t o f t h e e l e c t r o n t r a n s f e r r e a c t i o n i n d ip e p t i d e . i n c h a p t e r 4 , t h e t h e p h o t o i n d u c e d e l e c t r o n t r a n s f e r r e a c t i o n s b e t w e e n t r y p t o p h a n a n d 4 - n i t r o q u i n o l i n e 小o x i d e ( 4 n q o ) , a n d t h a t b e t w e e n t h e p u r i n e b a s e s o f d n a a n d 4 n q o h a v e b e e n t h e o r e t i c a l l y i n v e s t i g a t e d u s i n g h a r t r e e - f o r k ( h f ) a n d t h e c o m p l e t e a c t i v e s p a c e s c f ( c a s s c f ) m e t h o d , i n o r d e r t o u n d e r s t a n d t h e c a r c i n o g e n i c i t y o f 4 n q o . t h e r e s u l t s o f t h e o r e t i c a l s t u d y s h o w t h a t ( 1 ) t w o k i n d s o f h y d r o g e n - b o n d i n g in t e r a c t i o n e x i s t i n t h e c o m p l e x e s c o m p o s e d o f 4 n q o a n d t ryp t o p h a n o r p u r i n e b a s e s , o n e i s s t r o n g a n d t h e o t h e r i s w e a k ; ( 2 ) t h e f i r s t a n d t h e s e c o n d s i n g l e t e x c i t e d s t a t e s a n d t h e f i r s t t r i p le t e x c i t e d s t a t e o f t h e m o s t s t a b l e 四川大學(xué)博士 學(xué)位論文 h y d r o g e n - b o n d i n g c o m p l e x o f t r y p t o p h a n a n d 4 n q o a r e c h a r g e s e p a r a t e d , w h i c h i m p l i e s t h a t l i g h t e x c i t a t i o n c a n l e a d t o d i r e c t e l e c t r o n t r a n s f e r p r o c e s s i n t h i s s y s t e m . t h e lo w e s t t r i p l e t s t a t e o f t h i s s y s t e m i s a l o c a l e x c i t e d s t a t e ; ( 3 ) t h e h y d r o g e n - , m e t h y l - , t e t r a h y d r o f u r a n - , a n d p e n t o s - s u b s t i t u t i o n e ff e c t s a t n 9 p o s i t i o n o f g u a n i n e mo i e t y i n t h e n - 7 r s t a c k i n g c o mp l e x o f g u a n in e a n d 4 n q o h a v e b e e n s t u d i e d . t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n s o f c a s s c f s h o w t h a t t h e f i r s t e x c i t e d s i n g l e t s t a t e ( s , ) o f t h e f o u r c o m p l e x e s i s c h a r g e s e p a r a t e d , a n d t h e t r a n s i t i o n e n e r g y f r o m t h e g r o u n d s t a t e t o s , d e c r e a s e s a s t h e s u b s t i t u t e v a r i e s f r o m h y d r o g e n t o p e n t o s e . t h e c a l c u l a t e d t r a n s i t i o n e n e r g y o f s , i s i n a g r e e m e n t w i t h t h a t o b t a i n e d i n e x p e r i m e n t s . s o l v e n t e ff e c t p l a y s i m p o rt a n t r o l e i n e l e c t r o n t r a n s f e r r e a c t io n s . i n c h a p t e r 5 , a n e w t h e o r e t i c a l f o r m o f t h e s o l v a t i o n c o r r e c t f o r m u l a t i o n f o r t h e s p e c t r a l s h i ft i n s o l v e n t s h a s b e e n d e m o n s t r a t e d . t h e n e w f o rmu l a t i o n s o f s p e c t r a l s h i ft s h a v e b e e n u s e d t o p r e d i c t t h e s p e c t r a l s h i ft o f c o u m a r i n 1 5 3 t h e o r e t i c a l l y . u s i n g t h e n e w f o r m u l a t i o n s a n d f it t i n g e x p e r i m e n t a l r e s u l t s , t h e r a d i i o f s a l v a t i o n c a v i t y o f c o u m a r i n 1 5 3 i s f o u n d t o b e i n t h e r a n g e o f 3 .7 - 3 . 9 .4 , w h i c h i s c o n s i s t e n t w i t h t h e r a d i i o b t a i n e d f r o m t h e v a n d e r w a a l s v o l u m e o f c o u m a r i n 1 5 3 . t h i s s t u d y s h o w s t h a t t h e n e w n o n - e q u i l i b r i u m s o l v a t i o n f o r m u l a t i o n e s t a b l i s h e d i n o u r r e s e a r c h g r o u p i s v a l i d a n d r e l i a b l e . k e y w o r d s : e le c t r o n t r a n s f e r , t r y p t o p h a n a n d t y r o s i n e , r e a c t i o n r a t e c o n s t a n t r e a c t i o n m e c h a n i s m, s o l v e n t e ff e c t 四川大 學(xué)博士 學(xué)位論 文 綜 述 電 子轉(zhuǎn)移過程是均相體系最基本的化學(xué)行為，普遍存在于自 然界的 各個(gè)領(lǐng) 域之中，如金屬離子的氧化還原反應(yīng)、自由基親核取代反應(yīng)、以及光合作用和 呼吸等生命過程d l 。電 子轉(zhuǎn)移涉及化學(xué)、 物理、生 命科學(xué)、材料科學(xué)及微電 子 學(xué)等多 學(xué)科，是最基本的 微觀化學(xué)過程，其 研究具有重要的理論意義和廣泛的 應(yīng)用前景。這種過程的研究在化學(xué)、物理、生物、生命、材料及微電子學(xué)科中 都具有非常重要的意義，研究電子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)的影響因素在有機(jī)反應(yīng)、催化機(jī) 理、材料及功能分子的改性、藥理 研究及藥 物設(shè)計(jì)等領(lǐng)域均有重要的理論和實(shí) 際意義 ! 4 。 近幾年來， 電 子轉(zhuǎn)移問 題的研究主要有四個(gè)領(lǐng)域: 理論 研究、 無 機(jī) 體系、有機(jī)體系和生物體系，以電子轉(zhuǎn)移為特征的一些相關(guān)過程的研究以及如 伺對(duì)此類過程實(shí)施人工控制己成為當(dāng)前國際上的焦點(diǎn)課題，是化學(xué)研究的前沿 課題之一 1, 3 -5 1 。 有關(guān)電 子轉(zhuǎn)移反應(yīng)的理論及實(shí)驗(yàn)研究自2 0 世紀(jì)5 0 年代以 來， 在ma r c u s 提出電 子轉(zhuǎn)移的基本 理論 6 1 之 后， 成為自 然 科學(xué)中十分活躍的研究 領(lǐng) 域。尤其是近幾年來隨著實(shí) 驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)水平的 提高以 及計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，對(duì) 電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究越來越成為世界上科研工作者感興趣的研究課 題之一，僅 2 0 0 1 - 2 0 0 4 年期間 s c i 收錄的包含 “ e l e c t r o n t r a n s f e r 這一關(guān)鍵詞的 文章就多達(dá)九千七百多篇，其中有關(guān)生物體系中電子轉(zhuǎn)移的研究約占2 0 %。電 子轉(zhuǎn)移現(xiàn)行的研究手段主要有兩種，實(shí)驗(yàn)方面利用磁共振技術(shù)、激光閃光光解 技術(shù)、電子束脈沖技術(shù)、離子強(qiáng)度檢測(cè)技術(shù)、瞬態(tài)吸收光譜檢測(cè)技術(shù)以及化學(xué) 誘導(dǎo)動(dòng)態(tài)核極化技術(shù)等實(shí) 驗(yàn)手段進(jìn)行電 子轉(zhuǎn)移的 動(dòng)力學(xué)和機(jī)理的 研究;理論 方 面則建立和利用各種動(dòng)力學(xué)模型， 進(jìn)行理論計(jì)算和模擬預(yù)測(cè)。 隨著計(jì) 算機(jī)技術(shù) 的 飛 速發(fā)展，各種動(dòng)力學(xué)模型的建立，電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)的理論研究已取得與實(shí)驗(yàn) 研究同等重要的地位。 用各種方法探討電子轉(zhuǎn)移機(jī)制以及各種外部條件對(duì)電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)過程的影 響等方面的研究，自四十年代后期起一直是國際上極為活躍的課題，但很多工 作尚處于探索性階段。 m a r c u s 在電 子轉(zhuǎn) 移速率 研究方面做出了 突出貢獻(xiàn)1 6 - 1 1 1 他提出的經(jīng)典和半經(jīng)典電子 轉(zhuǎn)移動(dòng) 力學(xué) 模型 奠定了電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)理論的基礎(chǔ)， 把過渡態(tài)理論應(yīng)用于電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)過程中，解釋了放熱反應(yīng)體系電子轉(zhuǎn)移速率 隨自由能差的 絕對(duì)值增加而 減小的反 轉(zhuǎn)現(xiàn)象，并 應(yīng)用連續(xù)介質(zhì)極化經(jīng)典模型解 決了溶劑重組能的計(jì)算問題，這些先驅(qū)工作為電子轉(zhuǎn)移問題研究創(chuàng)造了奠基性 四川大學(xué)博士學(xué)位論文 條件，是實(shí)驗(yàn)工作者廣泛采用的定量動(dòng)力學(xué)模型。電子轉(zhuǎn)移問題的實(shí)驗(yàn)研究已 取得了 很大進(jìn)展 1 2 - 1 4 1 ， 分 子量 較小的 體系的理論計(jì) 算也取得了比 較精確的 結(jié)果， 近年來的電 子轉(zhuǎn)移理論研究體現(xiàn)出 如下趨勢(shì) 1 i - 1 9 1 :從無機(jī)分子向有 機(jī)和生 物大 分子延伸， 從簡單分子軌道的 定性解釋向較高精度的定量結(jié)果延伸， 從絕熱過 程向非絕熱過程延伸，從常規(guī)行為向光、電等外場效應(yīng)延伸。 生命科學(xué)成為二十一世紀(jì)的兩大支柱學(xué)科之一。隨著化學(xué)及相鄰學(xué)科朝著 定量化、推理化、微觀化的方向發(fā)展，現(xiàn)代生物學(xué)的發(fā)展己從傳統(tǒng)生物學(xué)的生 物圈、生態(tài)、組織細(xì)胞等的研究層次深入到量子生物學(xué)的分子、亞分子、電子 結(jié)構(gòu)的層次。生命現(xiàn)象的分子基礎(chǔ)和微觀機(jī)制的研究已成為一個(gè)非?；钴S和具 有挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域。 這一領(lǐng)域的 研究 采用生 物、 物理、 數(shù)學(xué)、 化學(xué)和計(jì) 算機(jī) 科學(xué)等多學(xué)科交叉融合的手段，以及實(shí)驗(yàn)研究和理論研究相結(jié)合的方法，其中 對(duì)復(fù)雜生物大分子體系及其相互作用進(jìn)行理論計(jì)算及計(jì)算機(jī)模擬占有重要的地 位，它對(duì)于在分子、亞分子和電子結(jié)構(gòu)的層次上了解許多生命現(xiàn)象的本質(zhì)與規(guī) 律具有重要意義，在某些方面己 成為實(shí) 驗(yàn)難以 替代的 手段。 生物體內(nèi) 的各種 氧 化還原反應(yīng)都可歸結(jié)到電子從一個(gè)分子到另一個(gè)分子或從一個(gè)大分子的一部分 到另一部分的轉(zhuǎn)移過程。生物體系中的電子傳遞是重要的生物過程，在現(xiàn)代生 物化學(xué)和分子生物學(xué)中， 電子轉(zhuǎn) 移現(xiàn)象由 于在生物過程中的 重要意義而引 起了 越來越高 度的重視。發(fā)生在生 物體系大 分子中的 很多 過程， 例如光合作用、呼 吸作用、細(xì)胞老化、化學(xué)致癌、氧化磷酸化等都涉及到在反應(yīng)過程中起主要作 用的 長程電 子轉(zhuǎn)移過程2 0 -2 9 1 。生 物體系中電 子轉(zhuǎn)移的 研究開 始于對(duì)自 然光合 作 用過程中電子轉(zhuǎn)移方面的研究。自 然界生物體系中電子轉(zhuǎn)移的典型例子是光合 反 應(yīng)中 心的電 子轉(zhuǎn) 移3 0 1 ， 電子在 光合反 應(yīng)中 心穿越光合膜而實(shí)現(xiàn)電 荷分離是 整 個(gè)光合作用過程的基本步驟，考察光誘導(dǎo)條件下電子在給體、受體間傳遞的動(dòng) 力學(xué)行為以及蛋白質(zhì)、多膚等生物分子體系中的長程電子轉(zhuǎn)移機(jī)理，有助于進(jìn) 一 步探明葉 綠體光合作用和蛋白 質(zhì)中的 長程電 子轉(zhuǎn)移機(jī)制。 人們?cè)谧?然光合作 用中電 子轉(zhuǎn)移研究 上的杰出 工作 激發(fā)了 科學(xué)家們對(duì)電 子給受體模型分子以 及 修 飾的 蛋白 質(zhì)體系的 研究。 近年來， 已開展了大量的蛋白 質(zhì)類分子、 膚鏈類分子、 及 d n a等分子內(nèi) 長程電子 轉(zhuǎn)移過程的 研究工作 3 1 - 3 3 1 。 在生物分子電 子轉(zhuǎn)移的 實(shí)驗(yàn)研究方面，為便于模擬體系的合成和電子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)過程的物理控制，已 設(shè)計(jì)了如給體一 受體模型化合物內(nèi)的電子轉(zhuǎn)移， 氧化還原型蛋白質(zhì)內(nèi)、 氧化還原 四川大學(xué)博十學(xué)位論文 型蛋白 質(zhì)一 蛋白質(zhì)復(fù)合物間的電 子轉(zhuǎn)移等類型的實(shí)驗(yàn)， 多采用脈沖 輻解、 激光閃 光光解、離子輻射、化學(xué)誘導(dǎo)核極化 3 4 ,3 5 等手段測(cè)定電 子轉(zhuǎn)移速率常數(shù)， 探討 了生物分子體系電子給體和受體種類、生物分子鏈長度、反應(yīng)溫度、溶劑等因 素對(duì)電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)活性的影響，進(jìn)而用合適的動(dòng)力學(xué)模型擬合電子轉(zhuǎn)移的動(dòng)力 學(xué)參 數(shù) 2 2 -2 5 3 6 -0 7 1 。 在 實(shí) 驗(yàn) 研 究 方 面 ， p rll tz 和f a ra g g i 等是 多 膚 體系 電 子 轉(zhuǎn) 移 動(dòng) 力學(xué)和機(jī)理研究的 先驅(qū), s i m i c , b o b r o w s k i 等在多 膚和蛋白質(zhì)體系的電子 轉(zhuǎn)移實(shí) 驗(yàn)研究 七 也做出了很大的貢獻(xiàn)。對(duì)多膚、蛋白質(zhì)等生物分子體系中的電子轉(zhuǎn)移 動(dòng)力學(xué)研究而言， 實(shí)驗(yàn)研究可能丟失一些重 要的 微觀結(jié)構(gòu)信息。理論 研究從生 物分子的結(jié)構(gòu)和構(gòu)象出發(fā)，用計(jì)算化學(xué)方法，利用不同等級(jí)的電子結(jié)構(gòu)計(jì)算， 可獲得相關(guān)的電子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)參數(shù)，通過計(jì)算還可直接獲得反應(yīng)過渡態(tài)等微觀 結(jié)構(gòu)信息。從理論方面對(duì)多膚體系電子轉(zhuǎn)移進(jìn)行更細(xì)致的研究，從另一個(gè)角度 對(duì)生命現(xiàn)象作出 合理的 解釋具有重大的 意義。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和計(jì)算化 學(xué)、計(jì)算機(jī)模擬等科學(xué)的 發(fā)展， 近幾年來生物分子電 子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)計(jì)算已 是一 個(gè)非常熱門的研究課題，并己取得重大進(jìn)展，這對(duì)于探討某些生命或某些生理 機(jī)制具有重要的意義。 考慮非絕熱效應(yīng)時(shí)的 ma r c u s 半經(jīng)典模型是處理生物大分 子中長程電子轉(zhuǎn)移過程的常用理論模型，以ma r c u s , b e r a t a n , n e w t o n , o n u c h i c 等為代表的 課題組在蛋白 質(zhì)及生物大分子的電 子轉(zhuǎn)移理論研究方面開展了 杰出 的研究工作 3 , 4 , 1 1 , 1 6 , 0 .4 8 - 3 1 。 多膚和蛋白 質(zhì)體系電 子轉(zhuǎn)移反應(yīng)的 速率常數(shù)的 理論計(jì) 算一般根據(jù) m a r c u s 的理論。影響電子轉(zhuǎn)移速率常數(shù)的關(guān)鍵因子是 ( i )給體和 受體之間的電子禍合項(xiàng) ( 2 )產(chǎn)物和反應(yīng)物間的自由能差 ( 3 )重組能，包括給 體和受體分子內(nèi)重 組能及 溶劑重 組能。電 子轉(zhuǎn)移速率和這些量之間 的關(guān)系是大 量實(shí)驗(yàn)和理論 研究的目 標(biāo)， 其中溶劑重組 能更是研究的 焦點(diǎn)。 m a r c u : 的電 子轉(zhuǎn) 移理論模型在所考察的體系滿足 b o r n - o p p e n h e i m e r 近似的情況下適用， 但是在 低溫、核的運(yùn)動(dòng)對(duì)電子的運(yùn)動(dòng)有很大影響的情況下，這一理論便出現(xiàn)很大的偏 差。 j o r t n e r lsi, d o g o n a d z 擴(kuò) 9 于 二 十 世 紀(jì) 七 十 年 代引 入 量子 效 應(yīng) 對(duì)電 子 轉(zhuǎn) 移 速率 的 影響因素， 對(duì)m a r c u s 的電子轉(zhuǎn)移理論公 式加以 修正， m e d e v e d e v , e u n j o o l e e 等 i. s ; 發(fā)展并 應(yīng)用量子效應(yīng)與 經(jīng)典電子轉(zhuǎn) 移相結(jié)合的 理論公 式， 在m a r c u s 反轉(zhuǎn) 區(qū)取得了與經(jīng)典電子轉(zhuǎn)移理論不同的結(jié)果。由于實(shí)際電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)過程的復(fù)雜 性和理論模型及計(jì)算能力的限 制， 生物分子內(nèi)的電 子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)理論研究 進(jìn)展 還比較緩慢。 生物分子體系電 子轉(zhuǎn)移理論 研究存在兩個(gè)基本問題，一是生物體 四川大學(xué)博士學(xué)位論文 系大分子的 計(jì)算量問題，隨著計(jì) 算機(jī)技 術(shù)的 快速發(fā)展， 這 一 問題的 解決已 在一 定程度上取得進(jìn)展，日 前已能結(jié) 合人工智能 等方法在不考慮溶劑效 應(yīng)的 情況下 在 一 定精度水平上實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)中電子轉(zhuǎn)移矩陣元等動(dòng)力學(xué)參數(shù)的計(jì)算。二是電 子轉(zhuǎn)移體系與環(huán)境之間復(fù)雜的相互作用問題，尤其是電子轉(zhuǎn)移溶劑重組能的計(jì) 算，是近年來理論研究的重點(diǎn)之一，但目前仍是理論研究的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。隨 著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，應(yīng)用量子化學(xué)的從頭算及半經(jīng)驗(yàn)算法得到較以往更 精確的結(jié)果，為電子轉(zhuǎn)移理論研究提供了重要途徑。但是對(duì)于原子數(shù)目較多的 生物分子體系，由于分子量的增大而限制了其計(jì)算方法及計(jì)算結(jié)果的精確性， 其計(jì)算仍采用半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法，或在分子力學(xué)或量子力學(xué)的水平上進(jìn)行動(dòng)力學(xué) 模擬， 或者只是采取 ma r c u s 理論模型的基礎(chǔ)上來擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行一些簡單的 探 討 56 j 在 2 0種天然氨基酸中，由于酪氨酸與色氨酸兩種氨基酸含有剛性的芳香 環(huán)側(cè)鏈以及芳香環(huán)上的o - h鍵、 n - h鍵的存在， 使其具有固有的極性、 憎水性 等多種特性 5 7 ,5 8 另外， 己 經(jīng)發(fā) 現(xiàn)生 物體中 許多蛋白 質(zhì)和氧化還原酶中 含有色 氨酸和 / 或酪氨酸殘基， 并且它們?cè)谄渲袚?dān)任著重要的 角色 3 8 , 5 9 - 6 4 。 因 而， 其廣 泛的分子間或分子內(nèi)的各種相互作用以及其作用的微觀機(jī)制成為近三十多年 來比較熱門的 研究課題。 自 二 十世紀(jì)八十年代初期p r u t z 3 6 -3 8 等人首 先較系統(tǒng)地 研究了含有色氨酸和酪氨酸的膚鏈體系和蛋白質(zhì)體系中的電子轉(zhuǎn)移以來， 關(guān)于 這方面的 研究工作正日 益引 起人們廣泛的注意。 在膚鏈中的長 程電 子轉(zhuǎn)移的研 究 方面 ， p r u tz 3 6 -3s , f a r a g g i22 ,2 4 ,2 5,4 1 等 用 脈 沖 輻 解方 法誘 發(fā) 膚 鏈中 的 電 子 轉(zhuǎn) 移 ， 并用吸收光譜跟蹤該反應(yīng)， 研究了 色氨酸、 酪 氨酸 之間的電 子轉(zhuǎn) 移反應(yīng)動(dòng)力學(xué)， 考察了環(huán)境的影響因素， 推測(cè)出色氨酸與酪 氨酸之間電轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移的 可能 機(jī)理。 p r u t z等通過實(shí)驗(yàn)研究 表明 色氨酸和酪氨酸之間的電子轉(zhuǎn)移既可以 通過分子內(nèi) 過程實(shí)現(xiàn)，也可以通過分子間的過程實(shí)現(xiàn)。 對(duì)于分子內(nèi)電子轉(zhuǎn)移過程可能是通 過芳香基團(tuán)之間的直接電子隧穿實(shí)現(xiàn)的， 而不可能通過氫鍵或膚鏈的電荷傳導(dǎo) 實(shí) 現(xiàn)， 或 者 說 前 者占 主 導(dǎo) 地 位。 f a r a g g i 等 在其1 9 8 9 年的 文 章 2 5 中 論 證了 下 面 兩種機(jī)理是不可能的。 1 ) h o 一 t y r 一 x 一 t r p 華ra一 。 一 t 二 一 x 一 t rp + h t y r。 一 x 一 t rp + h ( v ) 。 一 t y r 一 x 一 t rp h 刁 縣 2 ) t y r o h一 x一 t r p + h ( - ) t y r o h一 x一 t r p h 四川大學(xué)博士學(xué)位論文 t y ro h 一 x 一 t rp h ( f t y r。 一 x 一 t rp h + h 并指出剩下可能的簡單的機(jī)理是: ( 1 )電 子轉(zhuǎn)移為控速步驟， 隨后發(fā)生強(qiáng)酸性 自 由基t y r o h 的快速去質(zhì)子化過程和強(qiáng)堿性自 由基t r p 一 的快速質(zhì)子化過程; ( 2 ) 一種質(zhì)子化/ 去質(zhì)子化以及電子轉(zhuǎn)移同