气相中亮氨酸、正亮氨酸及甲硫氨酸单电荷离子碎裂机制的MCSCF理论研究

本研究针对氨基酸分子在辐射损伤中的关键问题，采用多构型自洽场（MCSCF）方法系统探究了亮氨酸（Leu）、正亮氨酸（Nle）和甲硫氨酸（Met）单电荷离子的碎裂机制。通过计算分子参数与反应路径，揭示了侧链基团对碎片化通道的影响规律，其能量计算结果与实验数据高度吻合，为生物分子辐射损伤的量子化学研究提供了重要理论依据。

　　

在生命科学领域，氨基酸作为蛋白质的基本组成单元，其稳定性直接关系到生物大分子的功能完整性。然而当这些分子遭遇辐射时，电离过程往往导致分子键断裂和结构破坏——这种现象在太空辐射防护、放射治疗等场景中尤为重要。尽管前人通过光子、电子和离子轰击实验（如Afrosimov等人2013年的工作）发现亮氨酸、正亮氨酸和甲硫氨酸等氨基酸的单电荷离子会呈现特征性碎裂模式，但关于侧链基团如何精确影响碎裂路径的量子化学机制仍不明确。这正是圣彼得堡国立大学的研究团队在《Radiation Physics and Chemistry》发表的最新研究要解决的核心问题。

研究团队采用GAMESS-US(2023)量子化学计算软件包，基于6-311G(d,p)基组开展多构型自洽场（MCSCF）计算。通过构建包含16个活性电子和15个活性轨道的活性空间，系统分析了中性分子与单电荷离子的键长变化（如C_α-N键从1.46?延长至1.52?），并追踪了不同碎裂通道的反应路径。实验数据主要来自团队先前发表的电子捕获实验结果和NIST化学数据库的比对验证。

【量子化学计算】部分显示，MCSCF方法能有效处理电子相关效应，特别针对含硫的甲硫氨酸分子，采用扩展活性空间（18电子/16轨道）以准确描述S5原子的孤对电子。计算中发现的最高占据分子轨道（HOMO）定位特征解释了亮氨酸与正亮氨酸电离能差异（9.71eV vs 9.68eV）。

【参数分析】章节通过对比三种氨基酸的键长变化，揭示电离主要影响氨基N-H键（延长0.08-0.12?）和羧基C=O键（缩短0.03-0.05?）。甲硫氨酸因硫原子存在表现出独特的S-C键极化现象，这与其在m/z=61处强碎片峰的形成直接相关。

【结论】部分强调两个重要发现：一是正亮氨酸直链烷基导致其碎片化能垒比支链亮氨酸低0.3-0.5eV；二是甲硫氨酸中硫原子通过诱导效应使C_α-C_β键断裂概率提升40%。这些发现不仅解释了前期实验观测到的碎片丰度差异，更建立了侧链基团拓扑结构与辐射敏感性的定量关系。

这项研究的理论模型成功预测了实验难以区分的同质异构碎片（如m/z=74的[COOCH₂CH₂]⁺和[NH₂CHCH₃COOH]⁺），为质谱解析提供了可靠的量子化学依据。团队在讨论中指出，未来可将该方法扩展到其他含硫氨基酸（如半胱氨酸）的研究，这对理解蛋白质辐射损伤的"热点"区域形成机制具有重要启示。该工作获得俄罗斯科学院约飞物理技术研究所高性能计算中心支持，相关计算参数已开放索取，为同行研究建立了可复现的基准模型。