密度泛函理论研究氨基酸在粘土表面的吸附机制及质子传递过程

【作者】 祝畅； 王谦； 黄笑笑； 贠洁娜； 胡巧利； 杨刚；

【机构】 西南大学资源环境学院/土壤多尺度界面过程与调控重庆市重点实验室；

【摘要】 土壤粘土矿物具有较强的吸附,聚集和催化有机分子聚合的能力,其与氨基酸、白质等生物分子之间亦存在着一系列的生物化学反应过程。研究发现大量微生物存在且仅能存在与于土壤当中,这也充分地证明了土壤粘土矿物在地球生命起源过程中发挥了极其重要的作用。几乎所有粘土矿物都带有表面电荷,可以推测表面电荷对氨基酸、蛋白质吸附以及后续的生物化学反应过程都具有重要影响。本研究以高岭石作为土壤粘土矿物的代表,通过质子化及去质子化过程使其表面带有了不同数量的表面电荷(-0.42～+0.42 C·m～(-2)),并运用密度泛函理论方法系统地研究了土壤粘土矿物表面电荷对氨基酸吸附稳定性及质子传递过程的影响。研究发现表面电荷的变化极大地改变了氨基酸异构体的分布,并且兼性离子结构在较高表面电荷,尤其是负电荷条件下为优势稳定构型。粘土矿物表面上氨基酸的吸附稳定性强烈依赖于表面电荷的量和符号,并且在较高表面电荷下增强的相互作用有利于氨基酸在粘土表面聚集,这将有利于蛋白质片段的形成。同时,不断增加表面电荷可以大大加速氨基酸中性离子通过质子传递形成兼性离子,并使兼性离子几乎可以无障碍的形成;且研究亦发现在相对温和的条件下就可以使氨基酸兼性离子转化成为中性结构,这也将为接下来蛋白质片段的形成做好准备。因此可以推测,粘土矿物也应该是适合生命的发源地,且其中表面电荷发挥着十分重要作用。更多还原