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  1. NTU Theses and Dissertations Repository
  2. 理學院
  3. 化學系
請用此 Handle URI 來引用此文件: http://tdr.lib.ntu.edu.tw/jspui/handle/123456789/68215
標題: 生物系統中電子與質子傳遞之理論研究:針對環境影響與量子效應作探討
Theoretical Studies on Electron and Proton Transfer in Biological Systems: Environmental Contributions and Quantum Effects
作者: Yu-Fu Wang
王昱夫
指導教授: 鄭原忠(Yuan-Chung Cheng)
關鍵字: 電子傳遞,質子傳遞,光合作用,粒線體,光酸,電子耦合質子傳遞,量子效應,
electron transfer,proton transfer,photosynthesis,mitochondria,photoacid,proton coupled electron transfer,
出版年 : 2017
學位: 博士
摘要: 電子與質子傳遞在許多化學反應及生物系統中均扮演著重要的角色,例如光合作用、綠色螢光蛋白、粒線體膜蛋白引發的代謝反應乃至半導體工業所需的光蝕刻製程,其影響範圍之廣、作用之深,也因此,該如何透過實驗與理論,有效地在定性、定量上分析可能影響電子/質子傳遞機制的因素,無庸置疑地便成為長年來最重要的研究主題之一。本論文中,將運用時變性密度泛函理論(Time-dependent density functional theory)、量子朗之萬方程(quantum Langevin equation)及直接性耦合計算(Direct coupling)等方法,針對不同系統中的電子、質子傳遞反應進行理論計算研究,以期更深入了解此類反應的化學動力學機制。本論文主要分為三個篇章,分別針對不同的電子/質子傳遞問題作探討:(ㄧ)粒線體膜蛋白(細胞色素bc1)中,電子在血基質網絡之間的傳遞機制與速率分析;(二)類光合作用系統中,激發態的質子與電子耦合傳遞反應機制;(三)利用計算分子中特定位置的電位,發展高效率的激發態酸性預測方法。由本論文得出之結果,將有助於揭示生物系統中電子、質子傳遞的動力學過程,了解環境與其他系統自由度是如何透過與電子/質子的耦合來影響粒子傳遞,另一方面確認了以量子力學方法處理相似類型問題的必要性。更進一步,我們期望未來能以此研究為基礎,提高設計仿生功能分子的效率。
Electron and proton transfer are at the heart of many chemical and biological systems, such as photosynthesis, mitochondria, and light-sensitized dyes. Quantitative identification of different factors that affect the electron/proton-transfer dynamics, including quantum effects in biological systems and couplings with environment, remain to be critical issues. In this thesis, we utilize time-dependent density functional theory, quantum Langevin equation, and direct coupling calculations to examine the electron/proton-transfer dynamics in biological systems. Three topics are independently studied: (a) determining the electronic couplings and electron-transfer rates within the heme network in a mitochondria membrane protein, cytochrome bc1 complex (b) examining the mechanism behind excited-state proton-coupled electron transfer in a hydrogen-bonded molecular pair mimicking the key step of light reaction in photosynthesis, and (c) developing an excited-state-acidity descriptor based on strong correlation between photoacidity and local electrostatic potential at the proton-donating atom. From the results, couplings of the electron/proton-transferring motion with environment and other degrees of freedom are demonstrated to play important roles affecting the reaction dynamics. Quantum-mechanical treatments must be applied to achieve qualitatively-correct pictures illustrating the mechanism. Knowledge learned from our results can serve as basis for understanding the dynamical behavior of biological electron/proton transfer, which can be further applied to design artificial compounds mimicking the functionalities of natural species.
URI: http://tdr.lib.ntu.edu.tw/jspui/handle/123456789/68215
DOI: 10.6342/NTU201704320
全文授權: 有償授權
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