金属离子与生物大分子活性位点相互作用的理论研究

【摘要】： 本文用量子化学从头算方法对金属离子与核酸、糖、蛋白质活性位点的相 互作用及其形成配合物的结构和性质进行较为系统的理论研究，以期预测金属 离子在生物体内的功能。 在C_2对称性下用HF/6-311+G~(**)和B3LYP/6-311+G~(**)优化DMP~-及其金 属离子（Li~+、Na~+，K~+、Cu~+、Mg~(2+)、Be~(2+)、Ca~(2+)、Zn~(2+)）配合物。所有的金属离 子配合物又采用相对论有效芯势（RECP）LanL2DZ基组（除Li~+、Be~(2+)外）做了 对照计算；用HF/6-311G~*和B3LYP/6-311G~*优化鸟嘌呤及其金属离子（Li~+、 Na~+、K~+、Cu~+、Be~(2+)、Mg~(2+)、Ca~(2+)，Zn~(2+)）配合物，且对Cu~+、Ag~+、An~+、Zn~(2+)、 Cd~(2+)、Hg~(2+)配合物用RECP的LanL2DZ基组优化。在RECP计算中所有非金 属元素一律采用全电子6-311＋G(d,p)或6-311G(d)基组。在HF构型基础上用MP2 计算了单点能。所有几何构型经频率分析证明均是势能面上的能量极小点。相 互作用能和自由能计算都做了零点能校正。 计算结果表明：RECP在几何构型优化，总相互作用能计算的定性结论和 变化趋势方面是可靠的。∠OPO和∠COP键角增大将使多核苷酸的螺旋变宽 和伸长，有利于核苷酸的折叠；二价金属离子配合物中∠OPO和∠COP键角 大于一价金属离子，所以二价金属离子比一价金属离子更易使多核苷酸折叠； 金属离子至少在两方面有利于C-O酯键的水解：中和磷膦氧上的负电荷从而促 进亲核阴离子进攻酯C以及改变C-O和P-O的键长；优化的Mg~(2+)配合物中C- O键比Ca~(2+)配合物长，优化的Mg~(2+)配合物中P-O键比Ca~(2+)配合物短，可推测 生物体中Mg~(2+)的催化酯水解能力强于Ca~(2+)。二价金属离子引起配位体的变形较 一价金属离子大。配合物随着同族金属离子的原子序数递增，相互作用能逐渐 增加，即配合物的稳定性逐渐降低；二价金属离子配合物比一价金属离子配合 物不定，且不同族配合物的不定引序为：Ⅱb＞Ⅱa＞Ⅰb＞Ⅰa（除Li~+、Be~(2+)、Mg~(2+)配 合物外）。Li~+、Be~(2+)与配位体主要以库仑力相互作用；同主族的其它金属离子 随着原子序数递增，主要以s、p轨道与配位体中的孤对电子分子轨道形成的 共价键逐渐增强，而Ⅰb族金属离子主要以d轨道同配位体中的孤对电子分子 轨道形成较强的共价键；Ⅱb中既具有Ⅱa族的强库仑相互作用力又具有Ⅰb族 的d-轨道与孤对电子轨道形成的共价键。 用HF／6－3fiG”和B3LTh／6－3fiG“优化和金属离子则a”、K“、Ca‘”、Mg’”） 与p0－核糖不同位点的相互作用；其中最稳定的配位点与系列金属离子相互 作用，再用HF／6－311＋G””和RECP的LanLZDZ基组（除Li“，Be’－外）优化。 在HF构型基础上用WZ计算了单点能。所有几何构型经频率分析证明均是 也 势能面上的能量极小点。相互作用能和自由能计算都做了零点能校正。通过 Mg》、Ca卜、Na＋、K”与00－核糖的不同位点配位的计算和分析可知金属离子 O 更易同羟基氧（相对于p－D－核糖的环氧）相互作用，金属离子同时与p－D－核 糖中的 O6、O7、OIO配位最稳定；二价金属离子配合物比一价金属离子配合 物稳定；同一族中，配合物的稳定性随着金属离子原子序数递增而降低。 用 HF／6．3fiG＊＊优化咪陛、甲酞胺、甲硫醇阴离子、甲醇阴离子及其金属 离子配合物（Mg’”、Ca’”、Zn‘”）的构型；Mg’”、Ca’”、Zn’”、Cd’”配合物用 RECP 的LanLZDZ基组（配合物中所有非金属元素均使用6上 树基组卜用HF沁－ 31G”优化 CH3CONHZ，CH3COO”和 CH3CHZCOO及其金属离子（Mg》、Ca卜、 Zn’刁配合物以及 CH3COO“与六水合金属离子（Mgh、Zn’”）和四水合金属高 子（Mg＼ Zn‘O配合物的结构，且 CH3COO”及其四水合金属离子（Mg’＼ Cd’＼ Z二’”）配合物的构型同时采用田LYP优化：所有的m’”配合物采用RE＊P的 LanlZDZ基组优化。在HF构型基础上用MPZ计算了单点能。所有几何构型 经频率分析证明均是势能面上的能量极小点。相互作用能和自由能计算都做了 零点能校正（除四水合金属离子配合物）。计算结果表明：同种金属离子配合 物稳定顺序为：甲醇阴离子＞甲硫醇阴离子＞眯哩＞甲酚氨；咪哇和甲硫醇阴离 子的金属离子配合物稳定）顺序为：h）＞＊y＞＊）＞＊d：甲酚氨的金属离子配 合物稳定顺序为：Z＞’＞＊’”＞n’》＊／；甲醇阴离子的金属离子配合物稳定 ）’匝序为：Zfl’＼ Mg‘”＞CS‘”Cd’”配合物未找到稳定点卜 金属离子与 思CH3CHZCOO一、CH3COO丁为强相互作用，而与CH3CONHZ的相互作用相对 一 ．较弱：所以金属离子易同氨基酸酸根配位，而与肽基本单元配位相应地较弱；