尿素與丙氨酸二肽相互作用的量子化學(xué)研究

宮利東， 卜聰明， 劉 翠

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

尿素與丙氨酸二肽相互作用的量子化學(xué)研究

宮利東， 卜聰明， 劉 翠

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

應(yīng)用量子化學(xué)方法研究尿素與丙氨酸二肽形成復(fù)合物[urea-(Ala)2]的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)、氫鍵、電荷分布以及相對(duì)穩(wěn)定性.采用B3LYP/6-311++G(d,p)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和頻率計(jì)算，對(duì)獲得的28種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)進(jìn)一步采用MP2/6-311++G(d,p)方法計(jì)算結(jié)合能，并進(jìn)行基組重疊誤差校正.結(jié)果表明:在urea-(Ala)2中主要存在著3種類型的氫鍵:其中,NU—HU…OA型是最主要的氫鍵類型，NU—HU…OA型和NA—HA…OU型氫鍵較強(qiáng)，對(duì)應(yīng)的復(fù)合物結(jié)合能也較大，而CA—HA…OU型氫鍵較弱.通過(guò)Mulliken布局分析，發(fā)現(xiàn)復(fù)合物中參與形成氫鍵的原子所帶電荷變化明顯，而沒(méi)有參與形成氫鍵的原子電荷幾乎不變；而且復(fù)合物結(jié)合能的大小與形成氫鍵的原子之間的電荷轉(zhuǎn)移量密切相關(guān)，電荷轉(zhuǎn)移量越大，復(fù)合物的結(jié)合能越大.

尿素；丙氨酸二肽；分子間相互作用；氫鍵；電荷轉(zhuǎn)移

通常情況下，蛋白質(zhì)肽鏈經(jīng)過(guò)卷曲、折疊等方式在水溶液中形成某些特定的折疊形態(tài)，不同結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)具有不同的性質(zhì)和功能.蛋白質(zhì)受到物理或化學(xué)因素的影響，有序緊密結(jié)構(gòu)可以變成無(wú)序松散結(jié)構(gòu)，會(huì)導(dǎo)致生物活性受到影響乃至喪失，這種現(xiàn)象稱為蛋白質(zhì)變性(protein denaturation).尿素作為公認(rèn)的蛋白質(zhì)變性劑[1]，盡管長(zhǎng)期以來(lái)，無(wú)論在實(shí)驗(yàn)上還是理論上都一直在探討其致蛋白質(zhì)變性的微觀機(jī)理，但仍存在爭(zhēng)議[2-12].目前，主要2種理論觀點(diǎn):間接作用模型[3-4]和直接作用模型[5-10].間接作用模型認(rèn)為尿素通過(guò)改變蛋白質(zhì)的溶劑環(huán)境而使蛋白質(zhì)變性.Idrissi等人[3]研究發(fā)現(xiàn)，不同濃度的尿素會(huì)對(duì)水的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度的影響.目前，大多數(shù)學(xué)者支持的是直接作用模型，認(rèn)為尿素使蛋白質(zhì)變性分為2步:第一步，尿素取代蛋白質(zhì)第一溶劑層的水分子，與蛋白質(zhì)骨架形成氫鍵，使得原來(lái)處于蛋白質(zhì)內(nèi)部的疏水基團(tuán)獲得更多的機(jī)會(huì)暴露在水溶劑中；第二步，尿素和水一起與蛋白質(zhì)作用，最終導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性[5-10].最近也有研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，直接作用和間接作用共同完成蛋白質(zhì)的變性過(guò)程[4,12].Das等人[4]通過(guò)動(dòng)力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)在尿素水溶液中，尿素-蛋白質(zhì)之間的相互作用強(qiáng)于蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-水之間的相互作用，由此認(rèn)為蛋白質(zhì)變性是通過(guò)如下過(guò)程完成:水離開(kāi)蛋白質(zhì)的溶劑層，進(jìn)而尿素到達(dá)蛋白質(zhì)表面，溶解暴露在溶劑中的帶電側(cè)鏈，與骨架的O和—NH通過(guò)氫鍵結(jié)合，同時(shí)與非極性殘基通過(guò)范德華力相互作用;最后，水跟隨尿素到達(dá)蛋白質(zhì)表面，溶解新暴露的蛋白質(zhì)原子，導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性.然而，Hua等人[7]認(rèn)為尿素使蛋白質(zhì)變性主要是由于范德華作用.因此他們對(duì)Das等人的結(jié)論提出了質(zhì)疑[5].最近，Steinke等人[12]研究發(fā)現(xiàn)溶液的離子強(qiáng)度以及pH值也會(huì)影響尿素與多肽之間的作用.本文將應(yīng)用量子化學(xué)方法考察尿素與丙氨酸二肽這一常見(jiàn)的疏水基團(tuán)的相互作用.

1 計(jì)算方法與模型分子

1.1 計(jì)算方法

應(yīng)用Gaussian09程序，采用B3LYP/6-311++G(d,p)方法優(yōu)化尿素-丙氨酸二肽形成的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，對(duì)優(yōu)化獲得的結(jié)構(gòu)進(jìn)行頻率以及零點(diǎn)能計(jì)算，確保優(yōu)化得到的結(jié)構(gòu)為穩(wěn)定結(jié)構(gòu).進(jìn)一步對(duì)獲得的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)采用MP2/6-311++G(d,p)方法計(jì)算能量，并進(jìn)行基組重疊誤差(BSSE)校正，得到復(fù)合物體系的結(jié)合能.最后采用HF/STO-3G方法進(jìn)行Mulliken布局分析，考察體系的電荷分布情況.

1.2 模型分子

丙氨酸是構(gòu)成蛋白質(zhì)體系的重要氨基酸之一，也是蛋白質(zhì)中常見(jiàn)的非極性疏水基團(tuán).研究尿素與丙氨酸二肽形成的復(fù)合物的結(jié)構(gòu)，可為進(jìn)一步研究尿素與蛋白質(zhì)之間的相互作用提供參考.丙氨酸二肽分子結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，本文將丙氨酸二肽分子的端基采取甲基化處理.圖1給出選取的丙氨酸二肽的6種穩(wěn)定構(gòu)象(C7eq、C7ax、C5、β2、αL、α′)，它們僅是骨架二面角之間存在差異.根據(jù)尿素與丙氨酸二肽的相對(duì)位置以及形成的氫鍵類型的不同,最終優(yōu)化得到28個(gè)Urea-(Ala)2)穩(wěn)定結(jié)構(gòu).

圖1 丙氨酸二肽分子的6個(gè)穩(wěn)定構(gòu)象Fig.1 The six stable structures of alanine dipeptide

2 結(jié)果與討論

2.1 尿素與丙氨酸二肽的幾何構(gòu)型

C7eq是較穩(wěn)定的丙氨酸二肽構(gòu)象，在蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)中易形成β折疊.為方便討論，以尿素與C7eq(Urea-C7eq)作用情況為例，分析Urea-(Ala)2的相互作用.圖2 是得到的Urea-C7eq的6個(gè)穩(wěn)定結(jié)構(gòu).可以看出丙氨酸二肽分子與尿素的結(jié)合位點(diǎn)有3處:—C=O、—N—H和—CH3.丙氨酸二肽酰胺O原子(O2和O18)與尿素H原子形成Ⅰ類型氫鍵，表示成OA…HU—NU；丙氨酸二肽中與C原子相連的H原子(—CH3中H原子和H10)與尿素O原子形成Ⅱ類型氫鍵，表示成CA—HA…OU；丙氨酸二肽中—N—H和尿素O原子形成Ⅲ類型氫鍵，表示成NA—HA…OU.這些氫鍵也標(biāo)示在圖2中.

圖2 Urea-C7eq的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The stable structures of Urea-C7eq

表1給出了28種Urea-(Ala)2構(gòu)象的氫鍵長(zhǎng)、氫鍵角.

表1 尿素與丙氨酸二肽復(fù)合體系氫鍵鍵長(zhǎng)r和鍵角θ

表中HB表示成鍵類型，其中的2個(gè)原子為形成氫鍵的原子，如C7eq-1 結(jié)構(gòu)中的O2…H26,表示丙氨酸二肽的酰胺O原子(O2)與尿素的氨基H原子(H26)之間形成的氫鍵.丙氨酸二肽與尿素之間形成NU—HU…OA類型的氫鍵，由于氫鍵受體O原子位于二肽骨架的酰胺鍵上，且尿素中給體原子H與N原子相連，形成的氫鍵強(qiáng)度較大，氫鍵長(zhǎng)度在0.20 nm左右，氫鍵角度也接近于170°，該類型氫鍵比較常見(jiàn).當(dāng)體系僅存在這一種類型氫鍵時(shí)，如結(jié)構(gòu)C7eq-2，尿素的2個(gè)H原子(H27、H30)同時(shí)與二肽的O原子形成氫鍵:其中1個(gè)較強(qiáng)的氫鍵(O2…H27)，氫鍵長(zhǎng)為0.200 1 nm，氫鍵角為160.85°;另一個(gè)同類型氫鍵(O2…H30)，強(qiáng)度較弱，該氫鍵長(zhǎng)為0.261 9 nm，氫鍵角僅為124.07°.C7ax-3、C5-2、αL-5結(jié)構(gòu)也屬于這種情況.當(dāng)丙氨酸二肽與尿素形成CA—HA…OU類型的氫鍵時(shí)，氫鍵強(qiáng)度相對(duì)弱一些，氫鍵長(zhǎng)度一般在0.23 nm左右，如C7eq-1中H6…O24，氫鍵長(zhǎng)為0.236 1 nm，氫鍵角為163.85°；C7eq-3中H13…O24，氫鍵長(zhǎng)為0.236 3 nm，氫鍵角為168.55°.C7eq-5、C7eq-6 、C7ax-1、C5-3中也存在該類型的氫鍵.NA—HA…OU類型的氫鍵與NU—HU…OA類型的氫鍵相似，均為N-H…O型氫鍵，一般情況該氫鍵也較強(qiáng)，如結(jié)構(gòu)C7eq-4的氫鍵長(zhǎng)分別為0.191 6和0.191 1 nm，氫鍵角分別為175.32° 和166.91°，C7ax-4、C5-5、αL-2、β2-4結(jié)構(gòu)中均形成這2種類型的氫鍵.但是由于空間位阻影響，該類型氫鍵并不常見(jiàn).綜上所述，當(dāng)尿素與丙氨酸二肽分子相互作用時(shí)，二肽分子骨架上酰胺O原子與尿素H原子之間形成的NU—HU…OA型氫鍵的強(qiáng)度較大，是Urea-(Ala)2內(nèi)的主要?dú)滏I形式.

2.2 尿素與丙氨酸二肽復(fù)合體系的結(jié)合能

結(jié)合能體現(xiàn)形成復(fù)合物的分子間相互作用強(qiáng)弱，反映不同復(fù)合物結(jié)構(gòu)間的相對(duì)穩(wěn)定性.本文的結(jié)合能計(jì)算公式如下:

ΔE=EU+EA-EUA.

(1)

其中，EU和EA分別為尿素、丙氨酸二肽單體的能量，EUA為尿素與丙氨酸二肽復(fù)合物的能量.結(jié)果見(jiàn)表2.結(jié)構(gòu)C7eq-4、C7ax-4、C5-5、αL-2、β2-4、α′-2中形成的氫鍵均為NU—HU…OA和NA—HA…OU類型氫鍵，其結(jié)合能數(shù)值也是各自構(gòu)象中最大的.當(dāng)體系內(nèi)包含CA—HA…OU類型氫鍵時(shí)，體系結(jié)合能明顯降低，如結(jié)構(gòu)C7eq-1、C7ax-1、C5-1、αL-1、β2-1、α′-1等結(jié)合能在各自構(gòu)象內(nèi)相對(duì)較低，這與氫鍵強(qiáng)弱呈現(xiàn)同樣的趨勢(shì).

表2 丙氨酸二肽與尿素復(fù)合體系的結(jié)合能

2.3 電荷分析

通過(guò)對(duì)所有Urea-(Ala)2的電荷分布進(jìn)行Mulliken布局分析，可以得到丙氨酸二肽的6種構(gòu)象與尿素分子作用前后形成氫鍵的原子的電荷變化.這里同樣僅以Urea-C7eq為例介紹電荷分布的變化情況.

表3列出尿素分子、丙氨酸二肽C7eq以及Urea-C7eq復(fù)合物中形成氫鍵的原子所帶的電荷，其中第2列為單體C7eq及尿素分子的部分電荷分布，第3～8列為形成氫鍵后這些原子的電荷分布，加粗?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)應(yīng)著復(fù)合物內(nèi)形成氫鍵的原子所帶電荷.對(duì)比尿素以及C7eq在形成氫鍵前后的原子的電荷變化，可以發(fā)現(xiàn)復(fù)合物中形成氫鍵的原子所帶電荷變化明顯，如尿素以及C7eq內(nèi)酰胺O原子，在形成氫鍵后原子所帶電荷數(shù)目變大，平均變化-0.022 6e(O24)和-0.020 8e(O2和O18)；H原子形成氫鍵后電荷平均變化為0.042 0e(HU)和0.029 7e(HA)，沒(méi)有參與形成氫鍵的原子電荷幾乎不變.形成氫鍵的原子轉(zhuǎn)移電子數(shù)越大，形成的氫鍵越強(qiáng)，如C7eq-1內(nèi)的2個(gè)氫鍵O2…H26和H6…O24.其中，O2和H26的原子電荷變化分別為0.019 4e和0.035 7e，氫鍵長(zhǎng)和鍵角為0.193 8 nm和172.06°；而H6和O24的原子電荷變化為0.021 1e和0.017 6e，氫鍵長(zhǎng)和鍵角為0.236 1 nm和163.85°.又如C7eq-4內(nèi)形成氫鍵的尿素O原子電荷變化也很大(0.038 9e)，因?yàn)樵摎滏I的供體是與C7eq-4酰胺鍵相連的H原子，形成了較強(qiáng)的NA—HA…OU類型氫鍵.

表3 Urea-C7eq體系中原子所帶電荷(e)

3 結(jié) 論

通過(guò)量子化學(xué)方法MP2/6-311++G(d,p)//B3LYP/6-311++G(d,p)研究Urea-(Ala)2體系，結(jié)果表明:6種丙氨酸二肽與尿素形成的復(fù)合體系內(nèi)，由N、H、O3種原子形成的氫鍵NU—HU…OA和NA—HA…OU在復(fù)合體系內(nèi)比較常見(jiàn)，且強(qiáng)度較大，對(duì)體系的穩(wěn)定性貢獻(xiàn)較大.而CA—HA…OU類型氫鍵相對(duì)較弱.體系內(nèi)形成的氫鍵強(qiáng)度越大，結(jié)合能越大，原子間電荷轉(zhuǎn)移量越大.本文的研究以及此前我們對(duì)尿素與甘氨酸二肽體系的研究[13]，為進(jìn)一步發(fā)展ABEEM/MM可極化力場(chǎng)方法[14-15]探討尿素致蛋白質(zhì)變性提供參考.

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Studiesoftheinteractionsbetweenureaandalaninedipeptidebyquantumchemicalcalculations

GONGLidong,BUCongming，LIUCui

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

The structures，hydrogen bond，charge distributions and relative stability of the complexes formed by urea and alanine dipeptide [urea-(Ala)2] were studied by quantum chemical calculations.The B3LYP/6-311++G(d,p) method was employed to optimize the structures and calculate frequencies，and the binding energies of 28 stable structures were calculated at MP2/6-311++G(d,p) level with the basis set superposition error correction.Results show that there are mainly 3 types of hydrogen bonds in urea-(Ala)2，of which the NU—HU…OAis the most preferable.The bond strengths of NU—HU…OAand NA—HA…OUare stronger than that of CA—HA…OU，and the corresponding binding energies of the formers are bigger than the later ones.According to the Mulliken population analysis，evident charge transfer is observed between the hydrogen-bonding atoms，while almost no charge transfer between the other atoms.Moreover，the amount of binding energy of the complexes is in accordance with that of the charge transfer between the hydrogen-bonding atoms.

urea；alanine dipeptide；intermolecular interaction；hydrogen bond；charge transfer

O641.121

A

2017-08-25

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20703022;21603091)

宮利東(1975- ),男,吉林舒蘭人,遼寧師范大學(xué)教授,博士,博士生導(dǎo)師.

1000-1735(2017)04-0496-06

10.11679/lsxblk2017040496