趙　健, 都　京, 劉　碩, 楊忠志, 趙東霞, 劉　翠

(遼寧師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院, 大連 116029)

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水溶液中氨基酸側(cè)鏈對(duì)G∶C堿基對(duì)間氫鍵影響的理論研究

趙健, 都京, 劉碩, 楊忠志, 趙東霞, 劉翠

(遼寧師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院, 大連 116029)

利用量子化學(xué)方法研究了氣相和水溶液下, 氨基酸側(cè)鏈與鳥(niǎo)嘌呤和胞嘧啶間的氫鍵作用. 應(yīng)用B3LYP/6-31+G(d,p)方法優(yōu)化復(fù)合物幾何結(jié)構(gòu), 使用MP2/aug-cc-pVDZ方法進(jìn)行復(fù)合物能量、 自然鍵軌道(NBO)電荷和二階穩(wěn)定化能的計(jì)算. 結(jié)果表明, 水溶液可使氨基酸側(cè)鏈與堿基或堿基對(duì)之間氫鍵鍵能顯著減小; 帶電復(fù)合物氣相和水溶液氫鍵鍵能之差范圍為50.63～146.48 kJ/mol, 中性為0.17～24.94 kJ/mol; 電荷的轉(zhuǎn)移量與氫鍵鍵能成正比, 電荷轉(zhuǎn)移量越多, 復(fù)合物越穩(wěn)定; 二階穩(wěn)定化能與氫鍵鍵長(zhǎng)成反比, 與電荷轉(zhuǎn)移量成正比, 且氣相與水溶液氫鍵二階穩(wěn)定化能之比約為兩相的電荷轉(zhuǎn)移量之比. 水溶液對(duì)該類(lèi)體系中氫鍵作用具有明顯影響.

氨基酸側(cè)鏈; 鳥(niǎo)嘌呤; 胞嘧啶; 氫鍵; 自然鍵軌道電荷

蛋白質(zhì)和DNA作為生命體中兩種重要的物質(zhì), 前者參與了生命活動(dòng)的所有進(jìn)程, 如催化細(xì)胞中各類(lèi)化學(xué)反應(yīng)的酶, 多數(shù)具有催化功能的酶常作為改變DNA結(jié)構(gòu)的工具[1,2], 后者具有攜帶和傳遞遺傳信息的功能. 蛋白質(zhì)-核酸的相互作用極大地影響著許多細(xì)胞過(guò)程, 如在細(xì)胞的生長(zhǎng)和分裂過(guò)程中為了復(fù)制核酸序列, 蛋白質(zhì)需與核酸相結(jié)合[3]. 可見(jiàn), DNA分子功能的實(shí)現(xiàn)需要大量蛋白質(zhì)分子參與反應(yīng)[1], 而基因表達(dá)也需要特定的蛋白質(zhì)與DNA結(jié)合[4].

氫鍵的概念已經(jīng)提出將近一個(gè)世紀(jì)[5], 但由于實(shí)驗(yàn)的新發(fā)現(xiàn)和高水平理論計(jì)算的結(jié)果, 使氫鍵的概念不斷發(fā)展[6]. 在許多科學(xué)領(lǐng)域, 氫鍵都扮演著重要的角色, 其對(duì)蛋白質(zhì)-DNA復(fù)合物的性質(zhì)有非常大的影響, 能決定它們的結(jié)構(gòu)、 穩(wěn)定性、 變異性和功能性等[7,8]. Jones等[9]和Shelkovsky[10]研究發(fā)現(xiàn), 核酸堿基與蛋白質(zhì)間的氫鍵作用在蛋白質(zhì)-DNA的識(shí)別過(guò)程中起著重要作用. 由于生物分子體系的復(fù)雜性, 現(xiàn)階段單純使用實(shí)驗(yàn)手段難以確定單個(gè)核酸堿基與其它分子間的氫鍵相互作用. 而理論計(jì)算可精確求解相互作用信息、 分子間相互作用的強(qiáng)度、 單個(gè)分子的幾何結(jié)構(gòu)和能量等. Kumar和Govil[11]運(yùn)用二階微擾理論研究了核酸堿基及堿基對(duì)與氨基酸側(cè)鏈的氫鍵作用, 發(fā)現(xiàn)與中性氨基酸側(cè)鏈相比, 帶電氨基酸側(cè)鏈與堿基或堿基對(duì)形成的復(fù)合物更穩(wěn)定. Mandel-Gutfreund等[12]分析了蛋白質(zhì)-DNA復(fù)合物形成氫鍵的方案, 獲得了不同類(lèi)型蛋白質(zhì)與DNA氫鍵的數(shù)量. Deepa等[7]應(yīng)用從頭算和密度泛函理論研究了AT和GC堿基對(duì)與氨基酸側(cè)鏈的相互作用, 發(fā)現(xiàn)氨基酸側(cè)鏈與堿基對(duì)間的氫鍵作用很強(qiáng), 可使堿基對(duì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變. Wang等[13]應(yīng)用密度泛函理論研究了槲皮素與尿嘧啶和胸腺嘧啶的氫鍵結(jié)合位點(diǎn), 通過(guò)結(jié)合能確定了槲皮素不同位點(diǎn)與尿嘧啶和胸腺嘧啶不同位點(diǎn)結(jié)合能力的大小, 并用分子中原子(AIM)和自然鍵軌道(NBO)分析復(fù)合物, 發(fā)現(xiàn)軌道作用在氫鍵中起到十分重要的作用. Rachael等[14]應(yīng)用M06-2X/6-31+G(d,p)研究了帶電和中性氨基酸側(cè)鏈與胞嘧啶之間π-π相互作用, 發(fā)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)單體的相對(duì)取向與單體的組成與電荷具有緊密關(guān)系. Huo等[15]應(yīng)用從頭算和ABEEMσπ研究了N-甲基乙酰胺(NMA)與堿基相互作用, 發(fā)現(xiàn)NMA與DNA堿基相互作用的強(qiáng)度大小依次為鳥(niǎo)嘌呤>胸腺嘧啶>胞嘧啶>腺嘌呤.

以上計(jì)算均在氣相下進(jìn)行. 生物體內(nèi)水的組分約占其重量的70%, 是生物體內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的介質(zhì), 為必需的生化反應(yīng)提供一個(gè)物理環(huán)境, 故水溶液會(huì)對(duì)生物體中氨基酸側(cè)鏈與鳥(niǎo)嘌呤和胞嘧啶間氫鍵作用有一定的影響. 近30年來(lái), 理論計(jì)算中對(duì)溶液體系的研究與日俱增, 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展, 應(yīng)用溶液研究相關(guān)體系已成為可能[16]. 極化連續(xù)介質(zhì)模型(PCM)將溶劑描述為極化的連續(xù)介質(zhì), 并將溶質(zhì)放入溶劑間的空穴中, 能夠用于模擬溶液體系. Takano和Houk[17]利用PCM計(jì)算了70種有機(jī)分子在水溶液中的溶劑化自由能, 并將計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比, 發(fā)現(xiàn)理論計(jì)算所得的自由能數(shù)值與實(shí)驗(yàn)值的平均絕對(duì)偏差為10.87 kJ/mol. Si和Li[18]用二階Mφl(shuí)ler-Plesset微擾理論和導(dǎo)體極化連續(xù)模型研究了堿基對(duì)在氣相和水溶液下, 基態(tài)和最低三重激發(fā)態(tài)下氫鍵的情況, 結(jié)果表明, 基態(tài)時(shí)氫鍵的能量比最低三重激發(fā)態(tài)的能量高約4.18 kJ/mol. Paukku和Hill[19]在PCM模型下, 應(yīng)用M06-2X/6-311++G(d,p)得到了DNA堿基和堿基對(duì)的氧化還原電勢(shì), 這種方法不僅避免了自洽反應(yīng)場(chǎng)的迭代過(guò)程, 而且結(jié)果也與實(shí)驗(yàn)值相吻合[20]. Liu等[21]應(yīng)用PCM模型研究了氧化鳥(niǎo)嘌呤與堿基的氫鍵作用, 結(jié)果表明, 氧化鳥(niǎo)嘌呤可以發(fā)生堿基錯(cuò)配.

為了模擬真實(shí)情況下復(fù)合物的情況, 本文采用連續(xù)介質(zhì)模型模擬水溶液中氨基酸側(cè)鏈與鳥(niǎo)嘌呤和胞嘧啶間的氫鍵作用. 研究了氨基酸側(cè)鏈與G, C堿基和G∶C堿基對(duì)之間的氫鍵作用, 對(duì)所得復(fù)合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化及頻率、 結(jié)合能、 NBO電荷和二階穩(wěn)定化能計(jì)算. 研究結(jié)果為水溶液中多肽與堿基體系的極化力場(chǎng)構(gòu)建和分子動(dòng)力學(xué)模擬提供了參考, 同時(shí)也為蛋白質(zhì)-DNA相互作用的研究奠定了理論基礎(chǔ).

1　研究方法與模型分子

為了研究氨基酸側(cè)鏈(AASC)與堿基及堿基對(duì)間的氫鍵作用, 本文以DNA中常見(jiàn)的鳥(niǎo)嘌呤(G)和胞嘧啶(C)為例, 選取所有能與其作用的AASC作為模型分子. 圖1給出了堿基G, C和堿基對(duì)(G∶C)與AASC類(lèi)似物(AASC)可能形成氫鍵的位點(diǎn). G, C和G∶C分別具有4個(gè)、 3個(gè)和6個(gè)位點(diǎn)可與AASC形成氫鍵復(fù)合物.

Fig.1　Sites of hydrogen bonds of guanine(G), cytosine(C), G∶C and amino acid side chain The sites of hydrogen bonds are labeled by number.

Czyznikowska等[22]對(duì)PDB數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后指出, DNA與蛋白質(zhì)識(shí)別體系中, 至少需形成兩個(gè)氫鍵. 結(jié)果顯示只有Arg, Asn, Asp, Gln, Glu, Lys, Ser和Thr 8種AASC可與G和C作用. 根據(jù)這些單體中氫鍵供體和受體的數(shù)目可知, 它們與G和C最多只能形成兩個(gè)氫鍵. 圖S1(見(jiàn)本文支持信息)給出了應(yīng)用B3LYP/6-31+G(d,p)優(yōu)化得到的29種復(fù)合物(其中AASC與G, C及G∶C形成的復(fù)合物分別有9種, 6種和14種)穩(wěn)定構(gòu)型, 復(fù)合物的命名方式按照堿基或堿基對(duì)與AASC形成氫鍵的位點(diǎn)進(jìn)行, 如當(dāng)G的1位點(diǎn)與Arg的1位點(diǎn)形成復(fù)合物時(shí), 命名為G1∶Arg1, 其它復(fù)合物也按照此方法來(lái)命名. 本文中將G或C與AASC形成的復(fù)合物叫二體復(fù)合物, G∶C與AASC形成的復(fù)合物叫三體復(fù)合物.

AASC與G和C及G∶C堿基對(duì)復(fù)合物的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性質(zhì)計(jì)算均在Gaussian 09軟件包[23]下進(jìn)行. 采用B3LYP/6-31+G(d,p)對(duì)所有的模型分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和頻率計(jì)算, 得到穩(wěn)定的構(gòu)型; 應(yīng)用MP2/aug-cc-pVDZ方法在基組重疊誤差(BSSE)校正條件下計(jì)算體系能量, 進(jìn)行自然鍵軌道(NBO)計(jì)算[24], 獲得體系中各原子的電荷, 統(tǒng)計(jì)了堿基或堿基對(duì)與AASC間電荷轉(zhuǎn)移數(shù)量. 通過(guò)二階穩(wěn)定化能可得到復(fù)合物中每一個(gè)氫鍵的能量, 從而可定性了解復(fù)合物的穩(wěn)定性. 二階穩(wěn)定化能的計(jì)算如下:

(1)

式中:Ej-Ei為電子供體軌道(i)與電子受體軌道(j)之間能量差, Fij為Fock矩陣的矩陣元, qi為電子供體軌道上的電子占據(jù)數(shù).

Fig.2　Snapshot of the first and second regions of hydrogen bond

目前還沒(méi)有明確公式計(jì)算氫鍵能[25],AASC與G,C或G∶C之間主要靠氫鍵作用結(jié)合[26], 本文將結(jié)合能近似認(rèn)為是氫鍵能(為方便討論, 氫鍵能取絕對(duì)值). 將AASC與G,C或G∶C之間的區(qū)域定義為1區(qū), G與C之間的區(qū)域定義為2區(qū), 這2個(gè)區(qū)域的位置見(jiàn)圖2, 它們的氫鍵鍵能分別用EHB1和EHB2表示:

(2)

(3)

式中,EHB1為AASC與G, C或G∶C之間的氫鍵鍵能, 可用來(lái)表征AASC與G, C或G∶C間氫鍵的強(qiáng)度; A代表G, C或G∶C, B代表AASC;EAB為二體或三體復(fù)合物的總能量;EHB2為將三體中AASC去除后G∶C的結(jié)合能, 它可用來(lái)表征AASC對(duì)G∶C之間相互作用影響的程度, 其中,EGC為G∶C的總能量,EG和EC分別為G和C的能量.

2　結(jié)果與討論

2.1幾何結(jié)構(gòu)

通過(guò)計(jì)算獲得了29種復(fù)合物的穩(wěn)定結(jié)構(gòu). 圖S1(見(jiàn)本文支持信息)給出了水溶液下氨基酸側(cè)鏈與胞嘧啶和鳥(niǎo)嘌呤復(fù)合物的結(jié)構(gòu)和受體原子與H之間的距離. 從圖1可見(jiàn), 氫鍵有N—H…N, N—H…O, O—H…N和O—H…O共4種類(lèi)型. 表1給出了氣相和水溶液中復(fù)合物的4類(lèi)氫鍵氫長(zhǎng)與鍵角. 由表1可知, 無(wú)論在氣相還是水溶液中, O—H…O的鍵長(zhǎng)比O—H…N的短, 而N—H…N的鍵長(zhǎng)比N—H…O的長(zhǎng), 因此, G, C和G∶C與AASC之間的氫鍵存在如下規(guī)律:當(dāng)O為供體原子時(shí), O—H…O的鍵長(zhǎng)小于O—H…N的; N為供體原子, N—H…N的鍵長(zhǎng)大于N—H…O的. 圖S2(A)(見(jiàn)本文支持信息)給出了氣相與水溶液1區(qū)復(fù)合物的氫鍵鍵長(zhǎng), 水溶液中復(fù)合物的氫鍵鍵長(zhǎng)要比氣相的長(zhǎng), 表明水的存在使復(fù)合物與AASC之間的氫鍵作用減弱. 而G1∶Asn/Gln2的N6…H27N25, C2∶Ser/Thr1的N12…H22O20, GC2∶Asn/Gln1的N13H15…O40以及GC1∶Asn/Gln2和GC4∶Asn/Gln4的兩個(gè)氫鍵中, 水溶液中的氫鍵鍵長(zhǎng)均比氣相的短, 可能由于它們?cè)跉庀嘀汹呄蛴谛纬蓡蝹€(gè)氫鍵, 而由于水的存在, 它們更傾向于形成2個(gè)氫鍵.

Table 1　Geometry structure of complexes in gas and aqueous solution within region 1

通過(guò)觀察所有復(fù)合物的結(jié)構(gòu), 發(fā)現(xiàn)在正常情況下, G, C和G∶C所有原子皆在同一平面, 而對(duì)AASC與G, C或G∶C所形成的復(fù)合物在一定程度上偏離了平面, 尤其是形成氫鍵的部分, 偏離程度相對(duì)較大, 其中氣相使結(jié)構(gòu)的偏離程度比水溶液的大, 帶電AASC使結(jié)構(gòu)的偏離程度比中性的大.

為了考察AASC對(duì)G∶C間氫鍵的影響, 還計(jì)算了三體中G∶C間的氫鍵鍵長(zhǎng), 列于表2. N作為供體原子, N—H…N的氫鍵鍵長(zhǎng)比N—H…O的要長(zhǎng). 2區(qū)含有的N—H…O(upper), N—H…N(middle)和N—H…O(lower) 3個(gè)氫鍵, 帶電的Arg與G∶C的5,6位點(diǎn)作用的復(fù)合物, 氣相和水溶液upper的氫鍵鍵長(zhǎng)均比孤立的G∶C大, 兩相的middle和lower比孤立的的氫鍵鍵長(zhǎng)都短. 帶電的Lys與G∶C的1位點(diǎn)作用的復(fù)合物, 氫鍵鍵長(zhǎng)的變化規(guī)律與Arg相同. Ser/Thr1與G∶C形成的復(fù)合物與孤立的G∶C相比, upper氫鍵鍵長(zhǎng)增大, middle縮小, lower增大. Asn/Gln形成的復(fù)合物與孤立的G∶C相比則沒(méi)有明顯的規(guī)律.

Table 2　Bond length of hydrogen bond of G∶C in gas and aqueous solution within region 2

2.2能量分析

通過(guò)氫鍵鍵能可知復(fù)合物的穩(wěn)定性, 因此本文計(jì)算了二體和三體及G∶C之間的氫鍵鍵能. 圖3給出了氣相與水溶液中復(fù)合物的氫鍵鍵能. 由圖3可知, 氣相的氫鍵鍵能高于水溶液的氫鍵鍵能, 這是因?yàn)樗芤褐械膹?fù)合物受到水溶液的影響使氫鍵作用減弱, 鍵能降低. 雖然GC4∶Asn/Gln1氣相下的氫鍵鍵能低于水溶液的, 但由于兩者僅相差2.26 kJ/mol, 故可以忽略. 帶電復(fù)合物在氣相與水溶液中氫鍵鍵能的差值較大, 其中, 含Lys復(fù)合物氣相和水溶液的EHB1差值為132.55～148.95 kJ/mol, 這是由于帶1個(gè)正電荷的AASC將電荷僅僅分布在4個(gè)原子上, 電荷相對(duì)較集中, 故EHB1相應(yīng)較大; 帶有1個(gè)正電荷的Arg與G, C和G∶C形成的復(fù)合物兩相EHB1的差值為55.31～103.26 kJ/mol, 這是由于Arg的9個(gè)原子形成大π鍵, 電荷分布比較均勻, 故與Lys的相比,EHB1相對(duì)較小; 在Arg與G, C和G∶C的復(fù)合物中, 在兩相中EHB1順序?yàn)镚C1>GC5>G1>C3>C1>GC6. 當(dāng)G∶C的6位點(diǎn)與Arg結(jié)合時(shí), 兩相EHB1差值為55.31～56.44 kJ/mol, 如圖S1(C)(見(jiàn)本文支持信息)所示, 由于G∶C的6位點(diǎn)與Arg的1和2位點(diǎn)間的氫鍵作用時(shí), 所形成的氫鍵平面與G∶C所在平面有很大偏離, 使G∶C的6位點(diǎn)與Arg的1和2位點(diǎn)結(jié)合較弱. 中性復(fù)合物在氣相和水溶液中EHB1差值較小, 為0.17～24.94 kJ/mol, 與帶電的相比, GC4∶Asn/Gln1兩相間差值很小, 為-2.26 kJ/mol, 這說(shuō)明水溶液對(duì)帶電復(fù)合物的EHB1影響較大, 而對(duì)中性復(fù)合物的影響較小, 水溶液可以減弱堿基或堿基對(duì)與氨基酸側(cè)鏈之間的相互作用.

Fig.3　Hydrogen bond energies of complexes(A) EHB1 of the complexes in gas and aqueous solution. (B) EHB2 of G∶C of complexes in gas and aqueous solution. a. G1∶Arg1; b. G1∶Arg2; c. G1∶Lys1; d. G3∶Asn/Glu1; e. C1∶Arg1; f. C1∶Arg2; g. C3∶Arg1; h. C3∶Arg2; i. GC1∶Arg1; j. GC1∶Arg2; k. GC1∶Arg3; l. GC1∶Arg4; m. GC1∶Lys1; n. GC5∶Arg1; o. GC5∶Arg2; p. GC6∶Arg1; q. GC6∶Arg2; r. G1∶Asn/Gln2; s. G2∶Asn/Gln1; t. G2∶Ser/Thr1; u. G4∶Asn/Gln1; v. G4∶Asn/thr1; w. C2∶Ser/Thr1; x. C2∶Asn/Gln1; y. GC1∶Asn/Gln2; z. GC2∶Asn/Gln1; a1. GC2∶Ser/Thr1; a2. GC3∶Asn/Gln1; a3. GC4∶Asn/Gln1. (B) a. G∶C; b. GC1∶Arg1; c. GC1∶Arg2; d. GC1∶Arg3; e. GC1∶Arg4; f. GC1∶Lys1; g. GC5∶Arg1; h. GC5∶Arg2; i. GC6∶Arg1; j. GC6∶Arg2; k. GC1∶Asn/Gln2; l. GC2∶Asn/Gln1; m. GC2∶Ser/Thr1; n. GC3∶Asn/Gln1; o. GC4∶Asn/Gln1.

表S1(見(jiàn)本文支持信息)列出了電荷轉(zhuǎn)移量與EHB1. 對(duì)于帶電復(fù)合物, 氣相的電荷轉(zhuǎn)移量大于水溶液的, 而對(duì)于中性復(fù)合物, 氣相的電荷轉(zhuǎn)移量小于水溶液的. 對(duì)于氣相復(fù)合物, 電荷轉(zhuǎn)移量越大,EHB1越大, AASC與G, C及G∶C相互作用越強(qiáng). 對(duì)于水溶液的復(fù)合物, 電荷轉(zhuǎn)移量越大,EHB1也越大. 通過(guò)對(duì)AASC相同位點(diǎn)與堿基和堿基對(duì)相同位點(diǎn)形成復(fù)合物的對(duì)比, 發(fā)現(xiàn)帶電三體的EHB1比二體的大, 而中性則相反, G∶C與帶電AASC作用, 由于共軛π鍵的作用, G∶C總體電荷向AASC轉(zhuǎn)移, 而中性AASC與G或C之間本身作用較弱, 當(dāng)另一個(gè)堿基與G或C作用時(shí), 使堿基向中性AASC轉(zhuǎn)移的電荷量更少了.

對(duì)于Arg和Asn/Gln兩種AASC, 其氫鍵復(fù)合物可以形成多種環(huán)數(shù), 如果將所形成的氫鍵連接起來(lái), 將包含氫鍵的原子形成一個(gè)閉合環(huán), 其中對(duì)于帶電的Arg, 無(wú)論是氣相還是水溶液, 其八元環(huán)和九元環(huán)的EHB1均較大, 氣相中為144.72～170.08 kJ/mol, 水溶液中為44.85～46.53 kJ/mol. 六元環(huán)和七元環(huán)次之, 氣相中為101.29～152.46 kJ/mol, 水溶液中為44.85～52.09 kJ/mol. 而對(duì)于中性的Asn/Gln, 無(wú)論氣相還是水溶液, 八元環(huán)的氫鍵鍵能大于七元環(huán), 其中八元環(huán)氫鍵鍵能在氣相中為32.05～78.32 kJ/mol, 水溶液中為34.10～53.39 kJ/mol, 而七元環(huán)氫鍵鍵能在氣相中為38.16～41.97 kJ/mol, 水溶液中為24.60～33.68 kJ/mol, 這可能是由于環(huán)數(shù)大, 形成的氫鍵張力小一些, 結(jié)合能力更強(qiáng)一些.

為了研究AASC對(duì)G∶C之間氫鍵作用的影響, 圖3(B)給出了三體復(fù)合物中G∶C之間的EHB2. 從圖3(B)可以看出, 氣相復(fù)合物的EHB2大于水溶液的, 兩者相差15.02～24.09 kJ/mol. 孤立G∶C在氣相和水溶液中的EHB2分別為108.32和81.21 kJ/mol. 與孤立G∶C相比, 無(wú)論是氣相還是水溶液及AASC帶電與否對(duì)G∶C之間EHB2的影響均不大, 氣相中減小0.96～9.04 kJ/mol, 水溶液中減小0～5.19 kJ/mol. 當(dāng)AASC與G∶C相互作用時(shí), G∶C間的氫鍵鍵長(zhǎng)稍有拉長(zhǎng), 使EHB2稍微減小. 在水溶液中, 對(duì)于AASC和G∶C, 除了它們之間的相互作用, 還有與水溶液中水分子的相互作用, 從而使GC∶AASC之間及G∶C之間的相互作用減弱.

2.3自然鍵軌道分析

為了探究氫鍵的相關(guān)性質(zhì), 本文還對(duì)復(fù)合物做了NBO電荷分析. 圖4給出了水溶液中帶電GC∶Arg1與中性GC2∶Ser/Thr1復(fù)合物的氫鍵原子所帶的NBO電荷. 在氣相和水溶液中, 在堿基或堿基對(duì)與帶電氨基酸側(cè)鏈形成的復(fù)合物中, 由G, C或G∶C轉(zhuǎn)移到AASC的電荷要多于G, C或G∶C與中性AASC形成的復(fù)合物, 其中帶電AASC與G, C或G∶C相互作用后, 電荷轉(zhuǎn)移量為0.06～0.10 e. 大部分電荷轉(zhuǎn)移量接近0.08 e, 說(shuō)明帶電AASC與G, C或G∶C之間發(fā)生了電荷的轉(zhuǎn)移, 它們之間氫鍵作用較強(qiáng), 但Arg的某些位點(diǎn)與G, C或G∶C某些位點(diǎn)結(jié)合時(shí), 電荷小于0.06 e, 這也說(shuō)明G, C或G∶C對(duì)AASC具有選擇性; 而中性AASC與G, C或G∶C相互作用后, 電荷轉(zhuǎn)移量的范圍為0～0.03 e, 因此, 中性AASC與G, C或G∶C結(jié)合時(shí), 電荷轉(zhuǎn)移可以忽略. 未形成氫鍵的原子在氣相和水溶液中, 電荷變化都不大; G∶C復(fù)合物中G∶C之間形成氫鍵的原子的電荷變化不大; 除Asn/Gln的1位點(diǎn)外, 其余堿基或堿基對(duì)與AASC形成復(fù)合物時(shí), 電荷轉(zhuǎn)移的方向是由G, C或G∶C向AASC.

Fig.4　Atomic charges of hydrogen bonds of GC1∶Arg1(A) and GC2∶Ser/Thr1(B) complexes in aqueous solutionValue in parenthesis denotes the atomic charges(e) of forming the triple-body complexes; values without parenthesis are those of G, C and AASC.

此外, 為了研究AASC與G, C或G∶C之間每一個(gè)氫鍵的強(qiáng)度, 還統(tǒng)計(jì)了所有復(fù)合物在氣相和水溶液下的二階穩(wěn)定化能. 圖S3(A)(見(jiàn)本文支持信息)給出了所有復(fù)合物1區(qū)的二階穩(wěn)定化能. 從圖S3(A)可以看出, 帶電AASC與堿基或堿基對(duì)間復(fù)合物氫鍵的二階穩(wěn)定化能比中性的大; C3∶Arg2, GC5∶Arg1, GC5∶Arg2, GC6∶Arg1和GC6∶Arg2二階穩(wěn)定化能小于G, C或G∶C與中性AASC的, 這是由于AASC的兩個(gè)供體H同時(shí)與一個(gè)受體原子形成氫鍵導(dǎo)致的. 復(fù)合物的1區(qū)中, 氣相的二階穩(wěn)定化能大于水溶液的, 但Asn/Gln與堿基或堿基對(duì)形成的復(fù)合物, 氣相的二階穩(wěn)定化能小于水溶液的, 雖然Asn/Gln不符合此規(guī)律, 但其結(jié)果卻與EHB1的結(jié)論一致, 這也說(shuō)明Asn/Gln與其它AASC相比, 其具有特殊性. 在氣相和水溶液中, 帶電的二體復(fù)合物, N—H…N或O—H…O氫鍵的二階穩(wěn)定化能小于N—H…O或O—H…N的, 而中性的二體則相反; 帶電三體復(fù)合物的結(jié)果正好與二體復(fù)合物中的相反, N—H…N或O—H…O氫鍵的二階穩(wěn)定化能大于N—H…O或O—H…N的. 中性三體復(fù)合物中, N—H…O或O—H…N氫鍵的二階穩(wěn)定化能大于N—H…N或O—H…O的. 從表S1可知, 隨著氫鍵鍵長(zhǎng)變大, 二階穩(wěn)定化能卻變小, 可見(jiàn)二階穩(wěn)定化能與氫鍵鍵長(zhǎng)成反比, 與電荷轉(zhuǎn)移量成正比, 且氣相與水溶液的電荷量的比約等于兩相二階穩(wěn)定化能的比, 而Asn/Gln1和Ser/Thr1與G, C和G∶C的復(fù)合物, 不符合這一結(jié)論.

圖S3(B)和表S2(見(jiàn)本文支持信息)給出了氣相與水溶液中復(fù)合物2區(qū)的二階穩(wěn)定化能. 通過(guò)分析可知, 對(duì)于帶電和中性的復(fù)合物, 水溶液中2區(qū)二階穩(wěn)定化能大于氣相的, 這是因?yàn)樵谒芤褐? G∶C與AASC之間的相互作用減弱, 在PCM模型中, 復(fù)合物與水分子之間沒(méi)有電荷轉(zhuǎn)移, 故G與C之間的電荷轉(zhuǎn)移增加了, 因此, G∶C之間的相互作用增強(qiáng)了. 與孤立G∶C相比, 氣相和水溶液中, 除了6位點(diǎn), 2區(qū)的二階穩(wěn)定化能都變小, 即AASC使G∶C之間結(jié)合能力減小, 這是由于與孤立G∶C相比, 在水溶液中, AASC影響了G∶C間的相互作用, 因此, 復(fù)合物中G∶C間相互作用小于孤立G∶C的. 在氣相中, 復(fù)合物中G∶C與孤立G∶C相比, 二階穩(wěn)定化能減小約14.10 kJ/mol, 而對(duì)于G∶C的6位點(diǎn), 其與Arg作用后, G與C之間結(jié)合能力反而增加了約43.72 kJ/mol, 這也充分說(shuō)明了AASC對(duì)不同G∶C位點(diǎn)影響不同. 水溶液中, 二階穩(wěn)定化能減小約6.49 kJ/mol, 但水溶液中AASC使G∶C之間結(jié)合能力增加的復(fù)合物也增多, 但僅數(shù)值增加約5.44 kJ/mol. 分析2區(qū)中二階穩(wěn)定化能可知, 帶電三體G∶C中, 氣相與水溶液中的lower型氫鍵鍵能比孤立G∶C中的平均增加約38.24和6.95 kJ/mol, middle的氫鍵鍵能平均增加約14.02和3.26 kJ/mol, 而upper的氫鍵鍵能平均減小約55.02和9.20 kJ/mol. 中性三體G∶C中, 無(wú)論氣相還是水溶液, 變化趨勢(shì)是一樣的, 但3個(gè)氫鍵變化則無(wú)規(guī)律.

3　結(jié)　　論

應(yīng)用B3LYP/6-31+G(d,p)方法進(jìn)行優(yōu)化， 獲得了氣相與水溶液下的29種氨基酸側(cè)鏈(AASC)與G, C以及G∶C間氫鍵復(fù)合物的穩(wěn)定結(jié)構(gòu). 使用MP2/aug-cc-pVDZ計(jì)算這些復(fù)合物的結(jié)合能， NBO電荷和二階穩(wěn)定化能. 結(jié)果表明, 帶電AASC與G, C以及G∶C形成的復(fù)合物， 氣相和水溶液中氫鍵鍵能差為50.63～146.48 kJ/mol， 中性的為0.17～24.94 kJ/mol. 帶電和中性AASC與G, C或G∶C的復(fù)合物， 電荷轉(zhuǎn)移量的范圍分別為0.06～0.10 e和0～0.03 e， 帶電AASC與G, C或G∶C間電荷轉(zhuǎn)移量大于中性的. 電荷的轉(zhuǎn)移量與氫鍵鍵能成正比， 電荷轉(zhuǎn)移量越多， 氫鍵鍵能越大. 二階穩(wěn)定化能與氫鍵鍵長(zhǎng)成反比， 與電荷轉(zhuǎn)移量成正比， 且氣相與水溶液二階穩(wěn)定化能之比約為兩相下電荷轉(zhuǎn)移量之比. 水溶液對(duì)堿基或堿基對(duì)與AASC之間的氫鍵影響較大.

支持信息見(jiàn)http://www.cjcu.jlu.edu.cn/CN/10.7503/cjcu20160270.

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(Ed.:Y, Z, S)

? Supported by the Key Project of National Natural Science Foundation of China(Nos.21133005, 21473083), the General Project of Education Department of Liaoning Province, China(No.L2014426) and the Laboratory Opening Program of Liaoning Normal University, China(No.cx20160111).

Theoretical Studies on the Effect of Amino Acid Side Chains on Hydrogen Bonding for G∶C in Aqueous Solution?

ZHAO Jian, DU Jing, LIU Shuo, YANG Zhongzhi, ZHAO Dongxia*, LIU Cui*

(School of Chemistry and Chemical Engineering, Liaoning Normal University, Dalian 116029, China)

Quantum chemical method was employed to study the hydrogen bond interaction between the amino acid side chain(AASC) analogues and G, C bases, as well as GC base pair in gas and aqueous solution. B3LYP/6-31+G(d,p) was carried out to optimize the complex structures. Moreover, MP2/aug-cc-pVDZ was performed to calculate the energies, natural bond orbital(NBO) charges and second order stabilization energies of these complexes. It demonstrates that hydrogen bond interaction between AASC analogues and bases or base pair can be dramatically weakened in aqueous solution, compared with in gas. For the complexes of AASC analogues with positive charge along with the base or base pair, the difference of their hydrogen bond energies between in gas and aqueous solution is 50.63—146.48 kJ/mol, whereas 0.17—24.94 kJ/mol for neutral AASC analogues. The value of charge transfer is proportional to the hydrogen bonding energy, the more the charge transfer, the more stable the complex. The second-order stabilization energies are inverse proportional to the hydrogen bonds, and the second-order stabilization energies of gas divide ones of aqueous solution is approximately to the value of charge transfer in two phases. It is explicitly shown that aqueous solution has an extremely large impact on hydrogen bonding in these systems.

Amino acid side chain; Guanine; Cytosine; Hydrogen bond; Natural bond orbital(NBO) charge

10.7503/cjcu20160270

2016-04-22. 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2016-08-23.

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào):21133005, 21473083)、 遼寧省教育廳一般項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào):L2014426)和遼寧師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào):cx20160111)資助.

O641

A

聯(lián)系人簡(jiǎn)介:趙東霞, 女, 博士, 教授, 博士生導(dǎo)師, 主要從事理論與計(jì)算化學(xué)研究. E-mail:zhaodxchem@lnnu.edu.cn

劉翠, 女, 博士, 講師, 主要從事理論與計(jì)算化學(xué)研究. E-mail:liuc@lnnu.edu.cn