楊忠志，寧方達

（遼寧師范大學化學化工學院，遼寧大連 116029）

應用ab initio方法和ABEEMσπ模型研究含鋁金屬酶＊

楊忠志，寧方達

（遼寧師范大學化學化工學院，遼寧大連 116029）

應用原子－鍵電負性均衡方法中的σπ模型（ABEEMσπ模型），通過大量量子化學計算，擬合確定了含鋁金屬酶體系的ABEEMσπ參數(shù).將這些參數(shù)應用到含鋁金屬酶大分子體系的電荷分布及Fukui函數(shù)的計算，結(jié)果顯示，ABEEMσπ模型計算得到的電荷分布及Fukui函數(shù)與從頭算和實驗結(jié)論均有很好的一致性.還進一步計算分析了1L3R酶與絲氨酸結(jié)合前后的分子各區(qū)域的電荷分布，結(jié)果表明，Al3＋是1L3R酶的活性中心，根據(jù)結(jié)合后分子的Fukui函數(shù)可以得出絲氨酸會使1L3R酶的活性降低.另外，通過比較兩者結(jié)合前后Al3＋的廣義Fukui函數(shù)，證明了廣義Fukui函數(shù)可用于該體系分子間反應活性的比較，同時也說明利用ABEEMσπ模型來預測含鋁金屬酶的抑制劑是可行的.

從頭算方法；ABEEMσπ模型；電荷分布；Fukui函數(shù)

分子的電荷分布對于解釋和預測其結(jié)構和性質(zhì)非常重要［1］.含鋁金屬酶是受人們關注的重要生命物質(zhì)，因體系大，對它的研究較困難.筆者應用ABEEMσπ模型計算了多個含鋁金屬酶的原子、化學鍵和孤對電子區(qū)域的電荷分布，這些分子的ABEEMσπ電荷分布與HF／STO-3G電荷分布的線性相關系數(shù)均在0.96以上，表明ABEEMσπ模型可以用于準確地計算大分子的電荷分布.

Parr和Yang提出的Fukui函數(shù)，使得前線分子軌道（FMO）理論和軟硬酸堿（HSAB）理論聯(lián)系起來.Geerlings等［2］提出應用Fukui函數(shù)研究分子內(nèi)的反應活性.筆者的計算結(jié)果表明，Al3＋均是所研究的含鋁金屬酶的活性中心，這與實驗結(jié)論相一致，說明ABEEMσπ模型可以用于準確地確定含鋁金屬酶的活性中心，此方法可以向其他金屬酶推廣.

生物體內(nèi)的一些小分子可以降低酶的反應活性.筆者計算了當1L3R酶與絲氨酸結(jié)合后的Fukui函數(shù)和電荷變化，也計算了Al3＋的廣義Fukui函數(shù).發(fā)現(xiàn)兩者結(jié)合后，1L3R酶的活性變小，說明ABEEMσπ模型可應用于預測含鋁金屬酶的抑制劑.

1 計算方法

1.1 從頭計算法

利用從頭計算方法，基組的選擇非常重要［3－4］.大的基組在計算能量和優(yōu)化結(jié)構時準確度高，但計算電荷分布時用小的基組更好，因為當較大的基組應用于某原子時，一定程度上也會將與其相鄰的原子包含在內(nèi)，這樣就會對分布在該原子上的Mulliken電荷估計過高.Wilson M S等［5］認為，采用大的基組計算分子的電荷分布時，對分子內(nèi)原子間的電荷轉(zhuǎn)移的計算值會過高.Derouane E G等［6］研究發(fā)現(xiàn)，6-21G基組比STO-3G基組計算的電荷值高.Jakalian A等［7］指出，6-31G＊基組的計算值比STO-3G基組的計算值高10%～15%.筆者利用STO-3G基組計算分子的電荷分布.

1.2 ABEEMσπ模型

由電負性均衡原理和密度泛函理論，Yang等提出并發(fā)展了原子與鍵電負性均衡方法（ABEEM）的σπ模型（ABEEMσπ模型）.在該模型中，雙鍵被劃分為1個σ鍵區(qū)域和4個π鍵區(qū)域，σ鍵區(qū)域的電荷中心選擇在成鍵原子的共價半徑之比處，π鍵區(qū)域的電荷中心選擇在垂直于雙鍵所在的平面并位于雙鍵原子上下兩側(cè).

根據(jù)電負性均衡原理，分子中各區(qū)域的有效電負性與分子的電負性相等.這對于任意包含有i個單鍵原子、j個雙鍵原子、k個單鍵、l個雙鍵中的σ鍵區(qū)域、4l個π鍵區(qū)域和m個孤對電子區(qū)域的分子，就會同時有（i＋j＋k＋l＋4l＋m）個方程.再聯(lián)立分子的總電荷守恒方程，則能夠得到分子的電負性和分子中每一個原子、鍵和孤對電子的電荷分布.

2 結(jié)果與討論

2.1 含鋁金屬酶電荷分布的計算

計算大分子的電荷分布，首先要選擇模型分子，選用HF／STO-3G方法計算電荷，然后利用最小二乘法，運用相關程序，擬合Al3＋等的參數(shù)，即價態(tài)電負性和價態(tài)硬度.該程序中，基點的選擇非常關鍵.基點是指程序中所需要用到的初始電荷.筆者在Yang等的研究基礎上擬合并確定了含鋁金屬酶體系的參數(shù)，部分基點和ABEEMσπ參數(shù)如表1所示.

表1 含鋁金屬酶體系的部分基點和ABEEMσπ參數(shù)

研究發(fā)現(xiàn)，ABEEMσπ模型計算的模型分子的電荷分布可以很好地模擬從頭算的結(jié)果，因此文中所擬合的ABEEMσπ參數(shù)是合理的.ABEEMσπ模型中的原子、化學鍵和孤對電子類型是根據(jù)其周圍的化學環(huán)境恰當定義的，因此它們的參數(shù)是可轉(zhuǎn)移的.運用所擬合的參數(shù)，自編程序，計算PDB代號為1BS1，1L3R，3UKD的含鋁金屬酶的電荷分布［8－10］.1BS1的分子式為C26H48AlF3N9O16P2，共含有105個原子.1L3R的分子式為C26H57AlF3N8O31P5，共含有131個原子.3UKD的分子式為C25H43AlF3N12O20P3，共含有107個原子.對于這3種含鋁金屬酶，ABEEMσπ模型計算的電荷分布與HF／STO-3G方法計算的電荷分布的線性相關如圖1所示.

圖1 ABEEMσπ模型與HF／STO-3G方法計算的含鋁金屬酶的電荷分布的線性相關

圖1表明，利用ABEEMσπ模型計算的3個大分子回歸到原子上的電荷分布，與HF／STO-3G方法計算的電荷分布的線性相關方程的斜率和線性相關系數(shù)均接近于1，截距均接近于0.這說明ABEEMσπ模型可以用于準確計算大分子的電荷分布.

2.2 含鋁金屬酶活性中心的研究

利用本研究所編程序，可計算得到含鋁金屬酶各區(qū)域的Fukui函數(shù).所研究分子的骨架結(jié)構及標號如圖2所示.經(jīng)程序計算所得的其活性區(qū)域的Fukui函數(shù)值列于表2—4.從以表2—4可以看出，所研究的3個酶中，Al3＋的Fukui函數(shù)值均最大，因此這些酶的活性中心均為Al3＋，這與實驗上的結(jié)論相一致［8－10］.由此可見，ABEEMσπ模型可以準確地確定含鋁金屬酶的活性中心.

圖2 含鋁金屬酶的骨架結(jié)構及標號

表2 1BS1的Fukui函數(shù)

表3 1L3R的Fukui函數(shù)

表4 3UKD的Fukui函數(shù)

2.3 含鋁金屬酶的抑制劑的研究

筆者考察了絲氨酸1L3R酶活性的抑制作用.絲氨酸與PDB代號為1L3R的酶結(jié)合后的骨架結(jié)構如圖3所示，表5給出了兩者結(jié)合前后的電荷分布.由表5可知，與絲氨酸結(jié)合后，相比較于兩者結(jié)合之前，Al3＋的電荷減小了0.122e，變化值大于其他位點的電荷變化，所以，絲氨酸與1L3R酶結(jié)合時Al3＋的電荷所受的影響最大，可見，Al3＋確實是1L3R酶的活性中心.

表6給出1L3R酶分子與絲氨酸結(jié)合后的Fukui函數(shù).由表6可以看出，與絲氨酸結(jié)合后，Al3＋的Fukui函數(shù)值不再是最大的，也就是說，1L3R酶的活性中心Al3＋的活性降低.因此，ABEEMσπ模型可以用于預測含鋁金屬酶的抑制劑.

近來，楊忠志等［11］提出應用廣義活性指標作為研究分子間的反應活性指標，并指出，廣義Fukui函數(shù)越大，則反應活性也就越大.筆者改進程序，經(jīng)計算可得，1L3R酶與絲氨酸結(jié)合前后，Al3＋的廣義Fukui函數(shù)分別為1.325 0和0.677 5，可見，結(jié)合絲氨酸以后，1L3R酶的活性明顯變小，也驗證了廣義活性指標可作為研究分子間的反應活性指標.

圖3 1L3R和絲氨酸結(jié)合后的骨架結(jié)構

表5 1L3R和絲氨酸結(jié)合前后的電荷分布

表6 1L3R和絲氨酸結(jié)合后的Fukui函數(shù)

3 結(jié)語

應用ABEEMσπ模型計算了多個含鋁金屬酶的電荷分布，與HF／STO-3G的電荷分布結(jié)果均有很好的一致性，而且該方法更省時.應用ABEEMσπ模型計算的Fukui函數(shù)表明，Al3＋均是所研究的含鋁金屬酶的活性中心，這與實驗結(jié)論相一致，說明ABEEMσπ模型可用于準確地確定含鋁金屬酶的活性中心.此外，計算了當PDB代號為1L3R的含鋁金屬酶與絲氨酸結(jié)合后的Fukui函數(shù)和電荷變化，結(jié)果表明，兩者結(jié)合后1L3R酶的活性變小，同時，驗證了廣義Fukui函數(shù)可用于比較分子間的反應活性，這表明ABEEMσπ模型也適用于預測含鋁金屬酶的抑制劑.該研究為進一步作含鋁金屬酶分子的動力學模擬研究奠定基礎，也為ABEEMσπ模型應用于其他金屬酶開了先例.

［1］ YANG Z Z，WANG C S.Atom-Bond Electronegativity Equalization Method.1.Calculation of the Charge Distribution in Large Molecules［J］.J.Phys.Chem.A，1997，101：6 315－6 321.

［2］ GEERLINGS P，PROFT F D，LANGENAEKER W.Conceptual Density Functional Theory［J］.Chem.Rev.，2003，103：1 793－1 873.

［3］ KANG Y K，SCHERAGA H A.An Efficient Method for Calculating Atomic Charges of Peptides and Proteins from E-lectronic Populations［J］.J.Phys.Chem.B，2008，112：5 470－5 478.

［4］ REED A E，WEINSTOCK R B，WEINHOLD F.Natural Population Analysis［J］.J.Chem.Phys.，1985，83：735－746.

［5］ WILSON M S，ICHIKAWA S.Comparison Between the Geometric and Harmonic Mean Electronegativity Equilibration Techniques［J］.J.Phys.Chem.，1989，93：3 087－3 089.

［6］ DEROUANE E G，F(xiàn)RIPIAT J G，BALLMOOS R V.Quantum Mechanical Calculations on Molecular Sieves.2.Model Cluster Investigation of Sillcoaluminophosphates［J］.J.Phys.Chem.，1990，94：1 687－1 692.

［7］ JAKALIAN A，BUSH B L，JACK D B，et al.Fast，Efficient Generation of High-Quality Atomic Charges.AM1-BCC Model：Ⅰ.Method［J］.J.Comput.Chem.，2000，21（2）：132－146.

［8］ K?CK H，SANDMARK J，GIBSON K J，et al.Crystal Structure of Two Quaternary Complexes of Dethiobiotin Synthetase，Enzyme-MgADP-AlF3－Diaminopelargonic Acid and Enzyme-MgADP-Dethiobiotin-Phosphate；Implications for Catalysis［J］.Protein Science，1998，7：2 560－2 566.

［9］ MADHUSUDAN，AKAMINE P，XUONG N H，et al.Crystal Structure of a Transition State Mimic of the Catalytic Subunit of cAMP-Dependent Protein Kinase［J］.Nature Structural Biology，2002，9（4）：273－277.

［10］ SCHLICHTING I，REINSTEIN J.Structures of Active Conformations of UMP Kinase from Dictyostelium Discoideum Suggest Phosphoryl Transfer is Associative［J］.Biochemistry，1997，36：9 290－9 296.

［11］ 楊忠志，徐珍珍.應用Fukui函數(shù)探討雙苯基－取代的自由基閉環(huán)反應的區(qū)位選擇性［J］.遼寧師范大學學報：自然科學版，2012，35（2）：193－196.

（責任編輯 向陽潔）

Study on Aluminum Metalloenzymes by ab initio Method and ABEEMσπModel

YANG Zhong-zhi，NING Fang-da
（School of Chemistry and Chemical Engineering，Liaoning Normal University，Dalian 116029，Liaoning China）

By applying the atom-bond electronegativity equalizationσπmodel（ABEEMσπmodel），a large number of quantum chemistry calculations were performed to determine the ABEEMσπparameters of aluminum metalloenzymes.Then these parameters were employed to study the charge distributions and Fukui function of aluminum metalloenzymes.Calculated results obtained by ABEEMσπmodel are in good agreement with those by the ab initio method and experimental conclusions.Further analysis of the charge distributions between 1L3Rand 1L3R-serine indicates that Al3＋is the active center of 1L3R，and serine would reduce the activity of 1L3Raccording to Fukui function.In addition，comparing the generalized Fukui function of Al3＋in 1L3Rwith that in 1L3R-serine，generalized Fukui function is proved to be appropriate in this system，and ABEEMσπmodel is feasible to predict the inhibitors of aluminum metalloenzymes.

ab initio method；ABEEMσπmodel；charge distributions；Fukui function

O641

A

10.3969／j.issn.1007－2985.2013.05.018

1007－2985（2013）05－0074－05

2013－04－19

國家自然科學基金資助項目（21133005）

楊忠志（1940－），男，吉林舒蘭人，遼寧師范大學化學化工學院教授，博士，博士生導師，主要從事理論與計算化學及其應用等研究.