尿素與丙氨酸二肽相互作用的量子化學研究

宮利東， 卜聰明， 劉 翠

(遼寧師范大學 化學化工學院，遼寧 大連 116029)

尿素與丙氨酸二肽相互作用的量子化學研究

宮利東， 卜聰明， 劉 翠

(遼寧師范大學 化學化工學院，遼寧 大連 116029)

應用量子化學方法研究尿素與丙氨酸二肽形成復合物[urea-(Ala)2]的穩定結構、氫鍵、電荷分布以及相對穩定性.采用B3LYP/6-311++G(d,p)方法進行結構優化和頻率計算，對獲得的28種穩定結構進一步采用MP2/6-311++G(d,p)方法計算結合能，并進行基組重疊誤差校正.結果表明: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，對應的復合物結合能也較大，而CA—HA…OU型氫鍵較弱.通過Mulliken布局分析，發現復合物中參與形成氫鍵的原子所帶電荷變化明顯，而沒有參與形成氫鍵的原子電荷幾乎不變；而且復合物結合能的大小與形成氫鍵的原子之間的電荷轉移量密切相關，電荷轉移量越大，復合物的結合能越大.

尿素；丙氨酸二肽；分子間相互作用；氫鍵；電荷轉移

通常情況下，蛋白質肽鏈經過卷曲、折疊等方式在水溶液中形成某些特定的折疊形態，不同結構的蛋白質具有不同的性質和功能.蛋白質受到物理或化學因素的影響，有序緊密結構可以變成無序松散結構，會導致生物活性受到影響乃至喪失，這種現象稱為蛋白質變性(protein denaturation).尿素作為公認的蛋白質變性劑[1]，盡管長期以來，無論在實驗上還是理論上都一直在探討其致蛋白質變性的微觀機理，但仍存在爭議[2-12].目前，主要2種理論觀點:間接作用模型[3-4]和直接作用模型[5-10].間接作用模型認為尿素通過改變蛋白質的溶劑環境而使蛋白質變性.Idrissi等人[3]研究發現，不同濃度的尿素會對水的結構產生不同程度的影響.目前，大多數學者支持的是直接作用模型，認為尿素使蛋白質變性分為2步:第一步，尿素取代蛋白質第一溶劑層的水分子，與蛋白質骨架形成氫鍵，使得原來處于蛋白質內部的疏水基團獲得更多的機會暴露在水溶劑中；第二步，尿素和水一起與蛋白質作用，最終導致蛋白質變性[5-10].最近也有研究結果發現，直接作用和間接作用共同完成蛋白質的變性過程[4,12].Das等人[4]通過動力學模擬發現在尿素水溶液中，尿素-蛋白質之間的相互作用強于蛋白質-蛋白質、蛋白質-水之間的相互作用，由此認為蛋白質變性是通過如下過程完成:水離開蛋白質的溶劑層，進而尿素到達蛋白質表面，溶解暴露在溶劑中的帶電側鏈，與骨架的O和—NH通過氫鍵結合，同時與非極性殘基通過范德華力相互作用;最后，水跟隨尿素到達蛋白質表面，溶解新暴露的蛋白質原子，導致蛋白質變性.然而，Hua等人[7]認為尿素使蛋白質變性主要是由于范德華作用.因此他們對Das等人的結論提出了質疑[5].最近，Steinke等人[12]研究發現溶液的離子強度以及pH值也會影響尿素與多肽之間的作用.本文將應用量子化學方法考察尿素與丙氨酸二肽這一常見的疏水基團的相互作用.

1 計算方法與模型分子

1.1 計算方法

應用Gaussian09程序，采用B3LYP/6-311++G(d,p)方法優化尿素-丙氨酸二肽形成的復合物結構，對優化獲得的結構進行頻率以及零點能計算，確保優化得到的結構為穩定結構.進一步對獲得的穩定結構采用MP2/6-311++G(d,p)方法計算能量，并進行基組重疊誤差(BSSE)校正，得到復合物體系的結合能.最后采用HF/STO-3G方法進行Mulliken布局分析，考察體系的電荷分布情況.

1.2 模型分子

丙氨酸是構成蛋白質體系的重要氨基酸之一，也是蛋白質中常見的非極性疏水基團.研究尿素與丙氨酸二肽形成的復合物的結構，可為進一步研究尿素與蛋白質之間的相互作用提供參考.丙氨酸二肽分子結構較簡單，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種穩定構象(C7eq、C7ax、C5、β2、αL、α′)，它們僅是骨架二面角之間存在差異.根據尿素與丙氨酸二肽的相對位置以及形成的氫鍵類型的不同,最終優化得到28個Urea-(Ala)2)穩定結構.

圖1 丙氨酸二肽分子的6個穩定構象Fig.1 The six stable structures of alanine dipeptide

2 結果與討論

2.1 尿素與丙氨酸二肽的幾何構型

C7eq是較穩定的丙氨酸二肽構象，在蛋白質二級結構中易形成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個穩定結構.可以看出丙氨酸二肽分子與尿素的結合位點有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.這些氫鍵也標示在圖2中.

圖2 Urea-C7eq的穩定結構示意圖Fig.2 The stable structures of Urea-C7eq

表1給出了28種Urea-(Ala)2構象的氫鍵長、氫鍵角.

表1 尿素與丙氨酸二肽復合體系氫鍵鍵長r和鍵角θ

表中HB表示成鍵類型，其中的2個原子為形成氫鍵的原子，如C7eq-1 結構中的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，形成的氫鍵強度較大，氫鍵長度在0.20 nm左右，氫鍵角度也接近于170°，該類型氫鍵比較常見.當體系僅存在這一種類型氫鍵時，如結構C7eq-2，尿素的2個H原子(H27、H30)同時與二肽的O原子形成氫鍵:其中1個較強的氫鍵(O2…H27)，氫鍵長為0.200 1 nm，氫鍵角為160.85°;另一個同類型氫鍵(O2…H30)，強度較弱，該氫鍵長為0.261 9 nm，氫鍵角僅為124.07°.C7ax-3、C5-2、αL-5結構也屬于這種情況.當丙氨酸二肽與尿素形成CA—HA…OU類型的氫鍵時，氫鍵強度相對弱一些，氫鍵長度一般在0.23 nm左右，如C7eq-1中H6…O24，氫鍵長為0.236 1 nm，氫鍵角為163.85°；C7eq-3中H13…O24，氫鍵長為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，如結構C7eq-4的氫鍵長分別為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結構中均形成這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.綜上所述，當尿素與丙氨酸二肽分子相互作用時，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型氫鍵的強度較大，是Urea-(Ala)2內的主要氫鍵形式.

2.2 尿素與丙氨酸二肽復合體系的結合能

結合能體現形成復合物的分子間相互作用強弱，反映不同復合物結構間的相對穩定性.本文的結合能計算公式如下:

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合物的能量.結果見表2.結構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，其結合能數值也是各自構象中最大的.當體系內包含CA—HA…OU類型氫鍵時，體系結合能明顯降低，如結構C7eq-1、C7ax-1、C5-1、αL-1、β2-1、α′-1等結合能在各自構象內相對較低，這與氫鍵強弱呈現同樣的趨勢.

表2 丙氨酸二肽與尿素復合體系的結合能

2.3 電荷分析

通過對所有Urea-(Ala)2的電荷分布進行Mulliken布局分析，可以得到丙氨酸二肽的6種構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，加粗數據對應著復合物內形成氫鍵的原子所帶電荷.對比尿素以及C7eq在形成氫鍵前后的原子的電荷變化，可以發現復合物中形成氫鍵的原子所帶電荷變化明顯，如尿素以及C7eq內酰胺O原子，在形成氫鍵后原子所帶電荷數目變大，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)，沒有參與形成氫鍵的原子電荷幾乎不變.形成氫鍵的原子轉移電子數越大，形成的氫鍵越強，如C7eq-1內的2個氫鍵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，氫鍵長和鍵角為0.236 1 nm和163.85°.又如C7eq-4內形成氫鍵的尿素O原子電荷變化也很大(0.038 9e)，因為該氫鍵的供體是與C7eq-4酰胺鍵相連的H原子，形成了較強的NA—HA…OU類型氫鍵.

表3 Urea-C7eq體系中原子所帶電荷(e)

3 結 論

通過量子化學方法MP2/6-311++G(d,p)//B3LYP/6-311++G(d,p)研究Urea-(Ala)2體系，結果表明:6種丙氨酸二肽與尿素形成的復合體系內，由N、H、O3種原子形成的氫鍵NU—HU…OA和NA—HA…OU在復合體系內比較常見，且強度較大，對體系的穩定性貢獻較大.而CA—HA…OU類型氫鍵相對較弱.體系內形成的氫鍵強度越大，結合能越大，原子間電荷轉移量越大.本文的研究以及此前我們對尿素與甘氨酸二肽體系的研究[13]，為進一步發展ABEEM/MM可極化力場方法[14-15]探討尿素致蛋白質變性提供參考.

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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

國家自然科學基金資助項目(20703022;21603091)

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

1000-1735(2017)04-0496-06

10.11679/lsxblk2017040496