鹽水溶液中離子與丙氨酸極性基團(tuán)間的作用對(duì)丙氨酸締合的影響:密度泛函理論與分子動(dòng)力學(xué)模擬

王 瑩 易海波 李會(huì)吉 代 倩 曹治煒 路 洋

(湖南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,化學(xué)生物傳感與計(jì)量學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn),長(zhǎng)沙410082)

鹽水溶液中離子與丙氨酸極性基團(tuán)間的作用對(duì)丙氨酸締合的影響:密度泛函理論與分子動(dòng)力學(xué)模擬

王 瑩 易海波*李會(huì)吉 代 倩 曹治煒 路 洋

(湖南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,化學(xué)生物傳感與計(jì)量學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn),長(zhǎng)沙410082)

采用密度泛函理論和經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了鹽水溶液中Na+、Cu2+、Zn2+、Cl-與丙氨酸分子間的相互作用對(duì)丙氨酸分子締合的影響.密度泛函理論的計(jì)算結(jié)果顯示丙氨酸分子與Na+、Cu2+、Zn2+、Cl-之間的相互作用可增強(qiáng)其電荷分離.經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果顯示在水溶液中兩性離子形式的丙氨酸存在三種締合結(jié)構(gòu).鹽水溶液中,陽(yáng)離子、陰離子與丙氨酸間的相互作用均能一定程度上減弱丙氨酸分子的締合.但是陽(yáng)離子與丙氨酸間的相互作用明顯受離子水合作用的影響.由于Cu2+水合作用較強(qiáng),雖在氣相中Cu2+與丙氨酸分子之間相互作用明顯比Na+強(qiáng),但是在水溶液中則情況剛好相反.在ZnCl2稀溶液中,Zn2+與丙氨酸間的相互作用被其第一水合殼層隔開(kāi).但這種相互作用仍能明顯影響丙氨酸分子的締合,這與Zn2+的水合殼層特征有關(guān).另外,離子與丙氨酸之間的相互作用,不僅會(huì)削弱丙氨酸的締合,也可導(dǎo)致丙氨酸分子間的締合結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變.離子濃度也會(huì)影響其與丙氨酸分子間的締合形式以及丙氨酸的締合結(jié)構(gòu).

兩性離子;陽(yáng)離子;水合;締合;分子間相互作用

1 引言

在所有已知的蛋白質(zhì)中,幾乎有一半包含金屬輔助因子,其中生理學(xué)情況下鍵合到蛋白質(zhì)上最常見(jiàn)的是Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Zn2+、Cu2+、Fe3+、Co3+和Mn2+等離子.金屬離子廣泛參與生命過(guò)程,發(fā)揮各種重要的生物學(xué)功能.1-5目前臨床上難治愈的疾病大多數(shù)也與氨基酸以及一些金屬離子的異常結(jié)合有關(guān),6-12但是一些藥理作用的機(jī)制問(wèn)題仍然沒(méi)有解決.生命過(guò)程中氨基酸與金屬離子間的作用通常發(fā)生在水環(huán)境中,需考慮水合作用的影響.因此,探討水溶液中氨基酸與金屬離子之間的相互作用對(duì)進(jìn)一步研究多肽、蛋白質(zhì),進(jìn)而解釋生命現(xiàn)象具有重要的意義.另外,有研究也表明,氨基酸溶液中加入電解質(zhì)后其溶解度明顯改變,不同陽(yáng)離子和陰離子對(duì)氨基酸的分離效果有較大影響.13

中性條件下,氨基酸主要有兩性離子和中性分子兩種結(jié)構(gòu)形式,在氣相和水溶液中氨基酸的結(jié)構(gòu)存在明顯差異.氣相中,氨基酸主要以中性結(jié)構(gòu)存在,附近電荷的存在可以穩(wěn)定氨基酸的兩性離子形式.14-17水溶液中,水分子優(yōu)先穩(wěn)定氨基酸的兩性離子形式結(jié)構(gòu).18-20因此,水溶液中電荷分離的氨基酸分子締合與水合易受到陽(yáng)離子、陰離子的影響. Tomé21等以及Carta和Tola22的研究進(jìn)一步表明,不同種類(lèi)的陽(yáng)離子和陰離子對(duì)氨基酸的影響也有所不同.鹽水溶液中陽(yáng)離子、陰離子與氨基酸之間的相互作用雖然得到了較廣泛的研究,23-27但其作用機(jī)理仍沒(méi)有給出較明確的解釋.以往的工作主要側(cè)重于研究鹽水溶液中氨基酸溶解度的變化,但是很少有研究從離子水合、離子與氨基酸各極性基團(tuán)之間相互作用的角度探討溶液中陽(yáng)離子、陰離子對(duì)氨基酸的締合特征和溶解性的影響.氣相中,二價(jià)陽(yáng)離子,如Cu2+、Zn2+與氨基酸羧基間的相互作用很強(qiáng),但水溶液中二價(jià)陽(yáng)離子的水合能力也很強(qiáng).28,29在水溶液中,這兩種作用存在相互競(jìng)爭(zhēng),它們將如何影響氨基酸分子的締合呢?目前,尚無(wú)這方面的具體研究.另外,Harris30和Pye31等的研究表明在ZnCl2稀溶液中,Zn2+與Cl-間可形成較穩(wěn)定的溶劑共享離子對(duì)(SSIP)結(jié)構(gòu),說(shuō)明Zn2+對(duì)處于其第二殼層的Cl-仍存在較明顯的束縛作用.在水溶液中,Zn2+的這種水合以及其與Cl-相互締合的特征是否也會(huì)影響氨基酸分子的締合?因此,有必要在考慮離子水合與締合特征的基礎(chǔ)上討論一些陽(yáng)離子、陰離子對(duì)氨基酸分子間締合作用的影響.

本文采用量子化學(xué)計(jì)算方法研究丙氨酸(Ala)與離子間的相互作用以及離子的水合作用,并采用經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)模擬研究不同濃度的NaCl、CuCl2和ZnCl2鹽水溶液中丙氨酸分子的締合與水合情況.基于水溶液中兩性離子形式的丙氨酸較穩(wěn)定,因而本文中所提丙氨酸分子均為兩性離子形式結(jié)構(gòu).結(jié)合量子化學(xué)計(jì)算與經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果,分別分析在稀、濃鹽水溶液中陽(yáng)離子、陰離子與丙氨酸各極性基團(tuán)之間的相互作用對(duì)丙氨酸分子締合的影響.

2 計(jì)算方法

采用密度泛函理論(DFT)研究丙氨酸與陽(yáng)離子、陰離子間的相互作用和水合作用.考慮到丙氨酸兩性離子的結(jié)構(gòu)形式存在電荷分離,丙氨酸與締合結(jié)構(gòu)以及離子的水合結(jié)構(gòu)的幾何優(yōu)化和能量的計(jì)算均采用長(zhǎng)程校正的雜化交換相關(guān)泛函CAMB3LYP32與aug-cc-pVDZ(縮寫(xiě)為aVDZ)基組.所有優(yōu)化的結(jié)構(gòu)都在同一計(jì)算水平進(jìn)行了振動(dòng)頻率計(jì)算與分析,以確保所得結(jié)構(gòu)為能量極小點(diǎn)的結(jié)構(gòu).相互作用能與離子水合能的計(jì)算都進(jìn)行了基組重疊誤差校正.基組重疊誤差校正和自然鍵軌道(NBO)電荷布居分析也都采用與結(jié)構(gòu)優(yōu)化相一致的方法和基組.所有DFT計(jì)算均采用Gaussian09軟件包.33采用經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)模擬方法研究丙氨酸在鹽水溶液中的締合與水合行為,研究體系為加入NaCl、CuCl2和ZnCl2的三種丙氨酸鹽水溶液.模擬的周期性立方體盒子中包含20個(gè)兩性離子形式的丙氨酸分子,1600個(gè)水分子(丙氨酸的飽和溶解度為1600個(gè)水分子溶解～53個(gè)丙氨酸分子),稀、濃鹽水溶液中無(wú)機(jī)鹽的濃度分別為0.17和6.18mol·kg-1.稀鹽水濃度對(duì)應(yīng)的是生理鹽水濃度.在稀溶液Zn2+與丙氨酸羧基之間無(wú)直接締合,為了研究陽(yáng)離子與羧基間直接締合作用對(duì)丙氨酸分子締合的影響,考慮了較高濃度的濃鹽水溶液.所有經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算均采用DL_POLY_4.03軟件包34完成.模擬選擇CHARMM力場(chǎng),SPCE水分子模型,非鍵截?cái)嗑嚯x設(shè)定為1.20nm.采用Verletvelocity算法35對(duì)每一步的運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行求解,積分步長(zhǎng)設(shè)定為1fs.為確保溶液模擬的收斂,對(duì)一些樣本體系的模擬結(jié)果進(jìn)行了勢(shì)能、溫度與壓力等參數(shù)波動(dòng)變化的分析,并根據(jù)粒子擴(kuò)散系數(shù)估算分子動(dòng)力學(xué)模擬需要的平衡時(shí)間(相關(guān)體系需約0.5ns的平衡).所有模擬均先在等溫等壓(NPT)系綜中進(jìn)行2ns的模擬,模擬溫度為298.15K,壓力為105Pa.通過(guò)Nosé-Hoover方法36-38控制溫度和壓力.然后在正則系綜(NVT)下進(jìn)行6ns模擬,其中后4ns用于數(shù)據(jù)分析.溫度同樣也采用Nosé-Hoover方法控制.溫度和壓力控制的時(shí)間間隔分別為0.5和1ps.

圖1 丙氨酸分子的兩種締合結(jié)構(gòu)Fig.1 Two associated structuresof alanines B:bidentate,D:double

表1 丙氨酸結(jié)構(gòu)的能量參數(shù)aTable1 Energy parametersof alanine structuresa

3 結(jié)果與討論

3.1丙氨酸的結(jié)構(gòu)參數(shù)

采用CAM-B3LYP/aVDZ方法進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化,得到兩種丙氨酸分子的締合結(jié)構(gòu),進(jìn)行頻率分析確保所得到結(jié)構(gòu)為能量局域極小點(diǎn)的結(jié)構(gòu).密度泛函理論(DFT)得到兩種丙氨酸分子間的締合結(jié)構(gòu):兩個(gè)氨酸分子的氨基和羧基以單齒形式兩兩締合(用D表示)、一分子丙氨酸的氨基與另一分子丙氨酸的羧基以雙齒形式單締合(用B表示)(圖1).

由表1列出的結(jié)合能計(jì)算結(jié)果可知,Na+、Cu2+和Zn2+與丙氨酸羧基以雙齒形式締合的結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定,這一結(jié)論與喬龍光等39的結(jié)論相一致.Cl-則是與氨基的氫原子形成離子氫鍵(iHB).在氣相中,丙氨酸分子的氨基與Cl-之間締合為單齒形式(Ala-Cl--M,M代表單齒),這可能是由于氮原子與Cl-之間排斥作用的緣故.表1中數(shù)據(jù)表明,丙氨酸與陽(yáng)離子、陰離子間的相互作用均強(qiáng)于丙氨酸分子間的締合作用,即氣相中丙氨酸分子更傾向于與其周?chē)年?yáng)離子、陰離子發(fā)生相互作用,尤其是與二價(jià)金屬離子Cu2+、Zn2+間的相互作用更為顯著,這與Jensen和Gordon14的結(jié)論相一致.丙氨酸與Cl-間的作用相對(duì)弱一些,但是仍強(qiáng)于丙氨酸分子間的締合作用.綜上所述,離子或分子與丙氨酸相互作用的強(qiáng)弱順序是:X2+＞Na+＞Cl-≈Ala(X2+=Zn2+,Cu2+),這一結(jié)論與El-Dossoki40的實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及Bush等41計(jì)算的紅外光譜結(jié)果相一致.

水溶性的氨基酸在中性水溶液中的結(jié)構(gòu)多為兩性離子形式,這意味著,氨基酸分子的電荷分離形式有利于氨基酸分子的水合作用與氨基酸的溶解.42NBO電荷布居分析結(jié)果顯示,丙氨酸分子間的締合使得其各基團(tuán)上的電荷重新分布,氨基上的正電荷更多,羧基部位負(fù)電荷也相應(yīng)增加,如表2所示.陽(yáng)離子、陰離子與丙氨酸間的結(jié)合也均導(dǎo)致丙氨酸各基團(tuán)的電荷發(fā)生相應(yīng)變化.丙氨酸與Cu2+發(fā)生相互作用,使得其羧基上的負(fù)電荷量明顯減少,而氨基與甲基、亞甲基上的正電荷量則均明顯增加,金屬離子所帶的正電荷量也有所降低.亦即,二價(jià)金屬陽(yáng)離子與羧基之間存在電荷轉(zhuǎn)移,尤其是Cu2+更為明顯.這一作用影響到了氨基、甲基與亞甲基等基團(tuán)上的電荷分布,將會(huì)增強(qiáng)這些基團(tuán)的水合作用.與金屬離子相比,Cl-對(duì)氨基的電荷分布影響較小,氨基上的正電荷量只有輕微的降低,而羧基上負(fù)電荷則明顯增加,這對(duì)羧基與金屬離子之間的相互作用起到一定的促進(jìn)作用.

表2 丙氨酸和各結(jié)構(gòu)中基團(tuán)的電荷(e)aTable2 Charges(e)on somegroupsof alanine and some structuresa

圖2 CAM-B3LYP/aVDZ方法計(jì)算得到的陽(yáng)離子與陰離子的水合能(ΔEb)Fig.2 Hydration energies(ΔEb)of cationsand anion obtained at CAM-B3LYP/aVDZ level

圖3 兩個(gè)丙氨酸分子中兩個(gè)α-C的徑向分布函數(shù)圖Fig.3 Radialdistribution functionsbetween twoα-C of two alaninemolecules

電荷布居分析結(jié)果顯示陽(yáng)離子、陰離子與丙氨酸之間的相互作用均增強(qiáng)了丙氨酸兩性離子結(jié)構(gòu)的電荷分離,這將促進(jìn)丙氨酸各極性基團(tuán)的水合作用.但是溶液中陽(yáng)離子、陰離子與丙氨酸之間的相互作用情況,還需考慮離子水合作用的競(jìng)爭(zhēng),尤其是陽(yáng)離子的水合作用.如圖2所示,CAM-B3LYP/ aVDZ方法的計(jì)算結(jié)果顯示,金屬陽(yáng)離子的水合作用較強(qiáng),二價(jià)陽(yáng)離子尤為顯著.在稀溶液與濃溶液中,陽(yáng)離子、陰離子水合作用的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)氨基酸的締合與水合作用影響應(yīng)有所不同,因此需進(jìn)一步結(jié)合經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)方法研究鹽水溶液中丙氨酸分子的締合情況.

3.2水溶液中丙氨酸的締合結(jié)構(gòu)

由圖3中α-C的徑向分布函數(shù)(RDF)結(jié)果可知,在0.69mol·kg-1丙氨酸水溶液中丙氨酸分子間存在相互締合的現(xiàn)象.RDF圖在0.39-0.64nm范圍內(nèi)有兩個(gè)峰,且峰的寬度較大.結(jié)合CAM-B3LYP/aVDZ方法的計(jì)算結(jié)果可知,在水溶液中,丙氨酸分子間締合結(jié)構(gòu)除了(Ala)2-B和(Ala)2-D兩種形式以外,還存在一種單齒形式的單締合結(jié)構(gòu)(表示為:(Ala)2-M),如圖4所示.在氣相中,因沒(méi)考慮水合作用,陽(yáng)離子與羧基(―COO-)的兩個(gè)氧原子之間可同時(shí)存在較強(qiáng)的相互作用,因而單齒締合結(jié)構(gòu)很不穩(wěn)定.但是在鹽水溶液中由于存在極性基團(tuán)的水合作用以及其與離子之間的相互作用,使得丙氨酸分子間的締合可以存在單齒形式,(Ala)2-M.由RDF中兩個(gè)α-C之間的位置關(guān)系可知,溶液中丙氨酸分子間締合結(jié)構(gòu)以(Ala)2-D、(Ala)2-B形式為主,這與氣相中CAM-B3LYP/aVDZ方法計(jì)算的丙氨酸締合情況基本一致.在經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果中,(Ala)2-B和(Ala)2-D結(jié)構(gòu)的兩個(gè)α-C之間的距離與CAMB3LYP/aVDZ方法的計(jì)算結(jié)果略有不同,這可能是水溶液中丙氨酸的水合作用導(dǎo)致這兩種的締合結(jié)構(gòu)與氣相中的締合結(jié)構(gòu)存在一定程度上的差異.

圖4 由經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果獲得的在水溶液中丙氨酸分子的三種典型締合結(jié)構(gòu)Fig.4 Three typicalassociated structuresof alanine in aqueoussolution obtained from classicalmolecular dynam icssimulation results

表3 鹽水溶液中丙氨酸α-C原子之間徑向分布數(shù)據(jù)Table 3 Data of radialdistribution forα-C atom sof the alanine in saline solutiona

如圖3所示,丙氨酸水溶液中加入少量NaCl、CuCl2或ZnCl2時(shí),丙氨酸分子締合程度均降低,但不同鹽水溶液中,丙氨酸分子的締合方式存在差異.結(jié)合圖4可知,溶液中加入少量NaCl、ZnCl2時(shí),丙氨酸分子間的締合結(jié)構(gòu)更傾向于(Ala)2-M形式.但少量CuCl2存在時(shí),溶液中丙氨酸分子間的締合結(jié)構(gòu)變化并不明顯,這可能是由于Cu2+與羧基間的相互作用較弱.與稀溶液中的情況不同,濃鹽水溶液中丙氨酸分子間的締合程度受到其周?chē)?yáng)離子、陰離子的影響更顯著.三種濃鹽水溶液中,丙氨酸分子間締合結(jié)構(gòu)的選擇性較強(qiáng).在NaCl或CuCl2濃鹽水溶液中,丙氨酸分子的締合結(jié)構(gòu)傾向于(Ala)2-M構(gòu)型,在ZnCl2濃鹽水溶液時(shí),丙氨酸分子的締合結(jié)構(gòu)則是以(Ala)2-B形式為主.表3中列出了與圖3相對(duì)應(yīng)的各體系丙氨酸α-C原子間的相互作用情況.

在稀鹽水溶液中,離子水合與丙氨酸水合之間的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)丙氨酸分子間締合的影響不大,但在濃鹽水溶液中則是不可忽略的因素.不同金屬陽(yáng)離子對(duì)丙氨酸分子締合作用的影響程度各不同,這可能與陽(yáng)離子的水合以及離子的締合強(qiáng)弱有關(guān).以下部分,將具體分析陽(yáng)離子、陰離子水合作用以及其與丙氨酸極性基團(tuán)間的相互作用對(duì)丙氨酸分子締合的影響.

3.3 丙氨酸與陽(yáng)離子間的相互作用

3.3.1 羧基與金屬陽(yáng)離子([COO--Xn+])的相互作用

CAM-B3LYP/aVDZ計(jì)算結(jié)果顯示,氣相中丙氨酸分子與金屬離子均是以雙齒形式相互作用.但在鹽水溶液中,由于陽(yáng)離子的水合作用以及不同陽(yáng)離子的水合作用存在差異,導(dǎo)致其與丙氨酸分子間的相互作用結(jié)構(gòu)有所不同.由圖5顯示,在稀鹽水溶液中,Na+、Cu2+與羧基氧原子發(fā)生直接相互作用,而Zn2+與羧基氧原子之間并不存在直接相互作用.羧基氧原子與Zn2+在0.4275nm處存在較明顯的峰.經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)路徑文件的團(tuán)簇分析結(jié)果顯示,溶液中存在羧基與Zn2+間的溶劑共享離子對(duì)結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖6),這意味著Zn2+與處于其第二殼層的丙氨酸羧基之間仍然存在較明顯相互作用.Mohammed43和Bock44等在其量子力學(xué)/分子力學(xué)(QM/MM)的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究中也提到,Zn2+的第一水殼層比Cu2+緊湊,且在其20ps的模擬時(shí)間內(nèi),Zn2+的第一、二水殼層之間不存在水分子交換,其第二水殼層中氫鍵較規(guī)則,這都間接地證明了Zn2+對(duì)其第二水殼層的束縛仍較明顯.在稀ZnCl2水溶液中,Zn2+與處于其第二殼層的丙氨酸羧基之間的這種間接相互作用仍導(dǎo)致丙氨酸分子締合程度的降低(見(jiàn)圖3).但是在濃ZnCl2水溶液中,丙氨酸分子則是直接與Zn2+發(fā)生相互作用,如圖5所示,這可能是水溶液中丙氨酸與陽(yáng)離子的水合競(jìng)爭(zhēng)使Zn2+水合不完全導(dǎo)致的.團(tuán)簇分析結(jié)果顯示,與丙氨酸水溶液相比,在稀ZnCl2鹽水溶液中,丙氨酸分子締合結(jié)構(gòu)的數(shù)目有所減少,游離丙氨酸分子數(shù)目則明顯增多,如圖7所示.

圖5 丙氨酸羧基氧原子與金屬離子相互作用的徑向分布圖Fig.5 Radialdistribution curves for interaction between oxygen atomsof alanine carboxylandmetal ions

圖6 ZnCl2稀溶液中丙氨酸與Zn2+的相互作用結(jié)構(gòu)(溶劑共享締合形式)Fig.6 Interaction structure(solventshared associated form)between alanine and Zn2+in ZnCl2dilute solution

圖7 丙氨酸純水溶液與丙氨酸-ZnCl2稀溶液中各團(tuán)簇的數(shù)目Fig.7 Number of different typesof clusters in alanine purewater solution and its ZnCl2dilute solution

由圖8可知,稀鹽水溶液中,羧基碳原子與金屬離子間的[C(COO-)-Na+]徑向分布函數(shù)在0.2575和0.3275nm處出現(xiàn)兩個(gè)峰,說(shuō)明Na+與羧基存在單齒、雙齒兩種相互作用形式.由于第一峰更明顯,可知雙齒作用形式更穩(wěn)定,兩種結(jié)構(gòu)如圖9所示.Cu2+與羧基α-C原子間的徑向分布函數(shù)在0.2575nm處的峰較明顯,而與單齒結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的峰則不明顯,由此可知主要以雙齒結(jié)構(gòu)為主.濃鹽水溶液中,三種金屬離子與羧基氧原子之間的相互作用形式則基本趨于一致,兩種相互作用結(jié)構(gòu)都存在,但均以雙齒結(jié)構(gòu)為主.值得一提的是在丙氨酸的ZnCl2濃溶液中,Zn2+與羧基碳原子相互作用的兩個(gè)徑向分布峰較窄且區(qū)分較明顯,說(shuō)明兩者之間形成的單、雙齒結(jié)構(gòu)存在明顯區(qū)別.Zn2+與羧基碳原子的徑向分布圖相互作用在0.4500nm處還存在一個(gè)較明顯的峰,對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)為羧基與Zn2+間的溶劑共享締合結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖6).如圖8所示,在稀ZnCl2與濃ZnCl2溶液中丙氨酸羧基與Zn2+間均存在這種溶劑共享締合結(jié)構(gòu).

圖8 羧基碳原子與金屬離子間相互作用的徑向分布圖Fig.8 Radialdistribution curves for interaction between the carbon atom of carboxyland metal ions

圖9 丙氨酸與Na+的兩種締合結(jié)構(gòu)(單,雙齒結(jié)構(gòu))

Fig.9 Two associated structuresof alanine and Na+(monodentateand bidentate)

3.3.2 金屬離子水合作用的影響

由圖10可知,Na+、Cu2+和Zn2+三種金屬離子水合性質(zhì)存在一定差異.Zn2+的第一、二水殼層徑向分布峰間隔清晰,存在較明顯的第二殼層,說(shuō)明Zn2+對(duì)第二殼層水分子的束縛作用仍較強(qiáng),這也與Mohammed43和Bock44等的結(jié)論相一致.Mohammed等43以及Schwenk與Rode45的研究結(jié)果顯示,Zn2+對(duì)第一水殼層束縛比Cu2+強(qiáng).與Zn2+相同,Na+的水合殼層包含6個(gè)水分子,但其水合作用較Zn2+弱.44由于Jahn-Teller效應(yīng),Cu2+的水合殼層可能包含5個(gè)或6個(gè)水分子.46另外,Zn2+與羧基氧原子的徑向分布峰位于0.4275nm處(見(jiàn)圖5),而Zn2+與水分子中氧原子的徑向分布峰也是在同一位置處出現(xiàn)較強(qiáng)的峰(見(jiàn)圖10).這也進(jìn)一步說(shuō)明,當(dāng)丙氨酸出現(xiàn)在Zn2+的第二殼層時(shí),Zn2+與羧基之間仍存在較強(qiáng)的相互作用.與二價(jià)離子相比,Na+水合作用較弱,因而在稀溶液和濃溶液中Na+與羧基間的相互作用均較強(qiáng).Na+與羧基之間這種較強(qiáng)的相互作用,一方面降低丙氨酸分子間締合結(jié)構(gòu)的締合程度,另一方面也可使得丙氨酸分子間締合結(jié)構(gòu)傾向于締合程度較低(Ala)2-M結(jié)構(gòu).

在水溶液中,離子水合和丙氨酸水合之間是相互競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,金屬陽(yáng)離子與丙氨酸間的相互作用會(huì)受到金屬陽(yáng)離子水合或其他締合作用的制約.稀鹽水溶液中離子的水合與丙氨酸分子水合的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)丙氨酸分子締合的影響較小,因而影響丙氨酸分子締合的主要因素為陽(yáng)離子、陰離子與丙氨酸極性基團(tuán)間的相互作用.溶液中Cu2+的水合能遠(yuǎn)高于Na+(見(jiàn)圖2),這不利于Cu2+與丙氨酸分子間的相互作用,因而稀溶液中Cu2+對(duì)丙氨酸分子間相互作用的影響比Na+小.另外,Xia等46和Marcus47的研究結(jié)果也表明Cu2+與Cl-間存在較強(qiáng)的締合作用,這也會(huì)阻礙Cu2+與丙氨酸的相互作用.與加入CuCl2相比,丙氨酸水溶液中加入NaCl后,Na+與羧基間的相互作用較明顯,丙氨酸分子締合作用也降低更顯著,如圖5和圖8中RDF圖所示.

圖10 鹽水溶液中金屬離子水合作用的徑向分布圖Fig.10 Radialdistribution curves for interaction between m etal ionsand waterm olecule in saline solution OW:oxygen atom inwatermolecules

圖11 氨基氮原子與Cl-相互作用的徑向分布圖Fig.11 Radialdistribution curves for interaction between nitrogen atom of am ino group and Cl-

濃鹽水溶液中必須考慮金屬離子水合作用對(duì)丙氨酸分子間締合以及丙氨酸與離子相互作用的影響.一方面,大量陽(yáng)離子、陰離子的水合作用與丙氨酸極性基團(tuán)的水合作用之間存在明顯的競(jìng)爭(zhēng),這將有利于丙氨酸分子的締合;另一方面,當(dāng)陽(yáng)離子與陰離子的濃度較高時(shí),其與丙氨酸極性基團(tuán)之間的相互作用也隨之增強(qiáng),這又不利于丙氨酸分子的締合,兩方面作用相結(jié)合共同影響水溶液中丙氨酸分子締合.在濃鹽水溶液中,因?yàn)镃u2+水合受限而水合不完全,導(dǎo)致Cu2+與羧基間的相互作用對(duì)丙氨酸分子締合程度的影響不再弱于Na+.因而與NaCl濃溶液相比,CuCl2濃溶液中丙氨酸分子締合減弱程度更高,有別于稀鹽溶液中的情形.同樣地,在ZnCl2濃溶液中,Zn2+的水合作用也受限,Zn2+可與羧基直接相互作用(見(jiàn)圖8和圖10),這也就導(dǎo)致ZnCl2濃溶液中丙氨酸分子的締合程度大為降低,如圖3所示.

3.4 氨基與陰離子(Cl-)的相互作用

水溶液中Cl的水合作用較弱,21,46因此Cl-與氨基的相互作用不可忽略.圖11中的氨基氮原子與Cl-間的徑向分布函數(shù),在0.3125nm處存在明顯的峰,可知Cl-與氨基之間存在明顯的相互作用.圖3和表3的數(shù)據(jù)表明,與NaCl稀溶液相比,ZnCl2稀溶液中丙氨酸分子的締合程度減弱更為明顯.但是稀溶液中Na+與羧基之間存在直接相互作用,而Zn2+與羧基之間只存在間接相互作用(見(jiàn)圖5與圖6).這可能是因?yàn)閆nCl2溶液中Cl-的濃度是NaCl溶液的兩倍,且Cl-與氨基間的相互作用對(duì)丙氨酸分子的締合也起到了一定的阻礙作用.Cl-與氨基的相互作用影響丙氨酸分子締合的觀(guān)點(diǎn)與Tomé等48得出的相關(guān)結(jié)論存在一定分歧,但是其研究側(cè)重于討論Cl-與鏈端疏水甲基的相互作用,而沒(méi)有分析Cl-與氨基的相互作用.丙氨酸分子的疏水鏈較短,鏈端甲基距離兩個(gè)極性基團(tuán)較近,因而影響丙氨酸分子締合程度的主要因素為具有較強(qiáng)親水性的羧基或氨基與離子間的作用.另外,與NaCl稀溶液相比,CuCl2稀溶液中Cl-濃度是NaCl稀溶液中的兩倍,但是在CuCl2溶液中丙氨酸分子間的締合程度減弱仍較小.由此可推知,相對(duì)于金屬陽(yáng)離子與羧基的相互作用而言,Cl-與氨基間的相互作用對(duì)丙氨酸分子締合的影響較小.

4 結(jié)論

結(jié)合DFT方法與經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)模擬,研究了水溶液中丙氨酸分子間的締合以及一些陽(yáng)離子、陰離子的存在對(duì)其締合作用的影響.NBO電荷布居分析結(jié)果顯示陽(yáng)離子、陰離子與丙氨酸之間的相互作用均增強(qiáng)了丙氨酸兩性離子結(jié)構(gòu)的電荷分離,非極性基團(tuán)上的電荷也發(fā)生相應(yīng)的變化,這將增強(qiáng)丙氨酸分子的水合作用.DFT與經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)的研究結(jié)果表明,丙氨酸在水溶液中存在單齒、雙齒形式的締合結(jié)構(gòu).鹽水溶液中的陽(yáng)離子、陰離子均會(huì)影響丙氨酸分子的締合程度與締合結(jié)構(gòu)形式.稀鹽水溶液中,影響丙氨酸分子締合的主要因素是陽(yáng)離子、陰離子與丙氨酸極性基團(tuán)之間相互作用.在丙氨酸溶液中離子濃度較低時(shí),Cu2+與Na+與羧基均存在直接相互作用.但是Cu2+水合作用強(qiáng)而導(dǎo)致其與羧基的相互作用弱,因而與比Na+相比,Cu2+對(duì)丙氨酸分子相互作用程度影響較小.在稀ZnCl2水溶液中,Zn2+與羧基并無(wú)直接相互作用,但是Zn2+與處于其第二殼層的丙氨酸羧基之間仍有較強(qiáng)的相互作用,這一種間接相互作用仍能阻礙丙氨酸分子間的締合.另外,Cl-與氨基的相互作用對(duì)丙氨酸分子間締合的影響相對(duì)較小但也不可忽略.在濃鹽水溶液中,大量陽(yáng)離子的水合與丙氨酸極性基團(tuán)的水合之間存在明顯競(jìng)爭(zhēng),這將有利于丙氨酸分子的締合.但是大量陽(yáng)離子、陰離子與丙氨酸極性基團(tuán)相互作用,又將阻礙丙氨酸分子間的締合.因此,盡管在濃鹽水溶液中離子水合與丙氨酸水合之間的競(jìng)爭(zhēng)不可忽略,但陽(yáng)離子、陰離子與丙氨酸極性基團(tuán)之間的相互作用對(duì)丙氨酸分子締合的影響可能仍起主導(dǎo)作用.

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Effec ts o f In terac tions betw een Ions and A lanine Po lar Groups on A lanine Associations in Saline So lu tion:Density Func tional Theo ry and Mo lecu lar Dynam ics Sim u lation

WANG Ying YIHai-Bo*LIHui-Ji DAIQian CAO Zhi-Wei LU Yang
(State Key Laboratory ofChemo/Biosensing and Chemometrics,College ofChemistry and Chemical Engineering, Hunan University,Changsha 410082,P.R.China)

Density functional theory(DFT)and classicalmolecular dynam ics simulationswere used to study the effects of the interactions between zw itterionic alanine and some ions(Na+,Cu2+,Zn2+,and Cl-)in saline solution on the association of alanine m olecules.The DFT calculation results show that the association of alanine w ith these ions can enhance charge separation ofzw itterionic alanine.Classicalmolecular dynam ics simulation results also show that three associated structures ofzw itterionic alaninemolecules are present in alanine aqueous solution,and the associations can be weakened to a certain extentby the interactions between the cations/anions and alanine polargroups.The interaction between a cation and the carboxylgroup ofalanine can be greatly affected by hydration of the cation in dilute saline solution.The interaction between Cu2+and alanine ismuch stronger than thatbetween Na+and alanine in the gas phase,but the situation is reversed in dilute aqueous solution,because the hydration ofCu2+ismuch stronger than thatofNa+.In dilute ZnCl2aqueous solution,the interaction between Zn2+and the carboxylgroup of the alaninemolecule is less direct,because of the first hydration shell of Zn2+.However,indirect interactions between Zn2+and alanine still lead to adecreased association among alaninemolecules.In addition,the interactions of cations/anions w ith alanine notonly weaken the association between alanine molecules,butalso result in transformation between two typical conformations of associated alanine m olecules.The ion concentration affects the conformations of associated cation/anion-alanine species,and associated alaninem olecules.

Zw itterion;Cation;Hydration;Association;Intermolecular interaction

O641

icle]

10.3866/PKU.WHXB201504031www.whxb.pku.edu.cn

Received:January 22,2015;Revised:April2,2015;Published onWeb:April3,2015.

?Corresponding author.Email:hbyi@hnu.edu.cn;Tel:+86-13574869952.

The projectwas supported by the National Natural Science Foundation of China(21073056,J1210040)and Students Innovation Training Project in Hunan Province,China(2012).

國(guó)家自然科學(xué)基金(21073056,J1210040)與湖南省“大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃”項(xiàng)目(2012)資助

?Editorialofficeof Acta Physico-Chim ica Sinica