（物理化学专业论文）多肽中氢键性质的理论研究.pdf

多肽中氢键性质的理论研究 多肽中氢键性质的理论研究 研究生：齐学洁 指导教师：王长生 学科专业：物理化学 中文摘妻 本文采刚密度泛函理论b 3 l y p 方法，对1 i 同多肽构象体系进行了理论埘f 究。探 讨影响氯键性质的主要阳素，并对氢键键能进 j ：了初步什锋：。优化r 笄个构致，计算 各个结构的单点能。本论丈主要研究了以f ) l 个方面： ) 以b - s t a n d 、2 7 - r i b b o n 、以及3 1 0 - h e l i x 平( | h e l i x 结构为研究对象，分别对形成n o - - c 结构的各个原子电荷进行了i | j f 究，讨论r 能影响氢键性质的箨刊豢，计分 析了导致氢键强_ 唼：性质协剧性的。e 蜚原川。 2 ) 分别以含有甲基侧链平无咔i 基侧链的一：从以及_ ：二肽 构为l j | = 究刈象，蟊：保持其他 位置原子不变的情况r ，h jc 原子取代形成氢键的n 原f ，以全铡展结构作为基 准，初步估葬了“氢键键能”：h j 与形成氢键的o 原f 同土族的s 原，= 墩代o 原 于，仍然以全铺艇结构作为基准，剀步1 i | i 弹r “氢键键能”。 关键词；密度泛函理论氢键酸度协同效腑 氢键键能 多肽中氢键性质的理论研究 刖罱 氢键是一种非常重要的作用，它在生物分子的结构和功能方面都起着非常重要的 作用，氢键不但广泛的存在于水中，而且很多生物分子通过氲键和水发生相互作用 同时许多生物分子本身也通过氢键的相互作用而展现出一定的结构因而通过对水中 氢键、生物分子与水形成的氢键以及生物分子之间的氢键的研究就显得十分重婴。 1 9 1 2 年，m o o r e 和w i n m i l l 最早提出了关于氧键的概念。现在通常认为，氢键 是强的化学键( 如共价键，离子键) 与弱物理相互作用( 如诱导力和色散力) 之间的 过渡；它比一般的化学键弱，但足比分子1 1 ；i 】的物理桂| 珏作用强“。它代表了个质 子给体与一个质子受体之间的相互作用的关系。由于氧键键能介于一般共价键与范德 华作用力之间，因此，一般认为氢键不同于范德华力，是以静电相互作用为主的有方 向性和饱和性的较强作用力，故可称其为一种特异的键型。 随着对分子相互作用研究的逐步深入，一些小分子或大分子的特殊结构特征的出 现促使人们对氢键的定义加以不断的扩艘。人们较早接受的概念是x l y 中的x 和y 都是电负性较高、半径较小的原子，如f 0 n 等”1 。后来发现，c 在某些特 殊的化学环境下也参与形成氢键，如h c n 的j 粜缔和氧键结构，甚至氯仿巾的c 1 3 c i i 也可以生成微弱氢键；还发现了o t t 2 p t t2 。o i l 2 s h 。、o h 2 c i 一等弯曲型弱氢键 的存在【”。在实验巾还发现基团c 。h 也能够作为质子供体而形成氢键1 5 - 8 j ，剧忿蛋 白质和一些小分子中没有观测到的x h 相互作用也被很多理论所证明4 1 ； x h 的概念还扩展到了c h 丁r 相互作j i “，特别是当c - h 基团有极性( 如在芳 环上) 或附属于一个带正电荷的基团的时候，c h 一丁r 相互作用将明显得到加强。 一般说来分子形成氢键必须具备两个基本条件：第一、分子中必须有一个与电负 性很强的元素( x ) 形成强极性键的氢原f ；第二、另一个分子中必须有i 乜执性人、 带孤对电子且原子半径小的元素( y ) ( 如f 、o n ) 等。 能眵形成氢键的物质非常广泛，如水醇胺、羧酸无机酸、水合物馘台物 等。同生命现象密切相关的蛋白质和核酸结构中，也存在着氢键。氢键的形成情况多 多肽中氢键性质的理论研完 f _ 二壤分丁阃氢诎，如_ 二紫v 醉“i c o o ) 】 氯键卜厂叫黼碱键鼹f 种分予闻氧键如氨水中的洲，h 2 。分于 多肽中氢键性质的理论研究 能数量级相同，既不太强，吐王不太弱，这对于生物高分子功能的发挥是很重要的； 交换性：氢键的主键部分可以与次键部分发生翻转，即x - h y x h y ；协同 性：氢键在生物体内往往表现出某种社会性”一一协同关系1 ”1 。 氢键不仅对化合物的沸点和溶解j ! l l ! 有深远的影响，而且在决定人分f - j t h 蛋门质和 核酸的形状方面也起着很关键的作f h ，而分r 的形状义幽接决定e l l 1 1 o j q - 理学性质。 例如：在血红蛋白分子中，“口袋”的大小正好能容纳带有传递氧的铁原于的血红索 基团；具有螺旋形状的a 一角元和骨胶分子能使羊毛和毛发变得强有力，并能使腱和i 皮肤强韧正是氢键它使d n a 双链成为烈螺旋体一一因i i f 使分子能自我复制。这 是遗传的基础。由于氢键在生命体中的广泛存在，因此，氢键在人类和动植物的生理 化过程中扮演着重要的角色。而且，对于生命运动，氢键是阐明生命与非生命生命 因果律，以至重建生命的契机。 1 9 3 6 年，m i r s k y 和p a u l i n g 提出，保持从键折叠结构的主要因素是存在氢键；1 9 5 0 年p a u l i n g 和c o r e y 的“ 角蛋白“螺旋结构学说划时代地确立r 氢键的e 物学地 位；1 9 5 3 年，w a t s o n - c r i c k 发表了d n a 分子的双螺旋模型，揭歼了分子生物学的帷 幕，在这个模型中氢键起着极其重要的作j f j ；1 9 5 8 年m e s e l s o n 提f i d n a 半保留复 制，1 9 5 8 年c r i c k 的中心法则，以及同年的k o s h l a n d 的酶催化作刚的诱导契合说， 随后。1 9 6 1 年m i t c h e l l 的氧化磷酸化的化学渗透学说，1 9 6 5 年m o n o d 的蛋白质别构 理沦，1 9 7 2 年s i n g e r 的生物膜液镶嵌模型。1 9 8 9 年l a t h a n ，r i c k 的r i b o z y m e 催化作 用机制等著名的成果都有力的支持了p a u l i n g 的天才预言：“我牛h 信，当结构化学南谘 进一步被应用到生理削题上寸，人们将会发现氧键在生理学上的意义比 ；他侄何个 结构特点都大 氢键对生物大分子的特定空间结构币| i q - 物活性起着议为重婴的作_ | _ j 。许多人分子 的空间构象主要是由氢键来稳定的1 “j 。蛋白质是银莺要的类天然有饥物它在生命 o 现象中起着重要作用。实验表明，蛋白质链中含有多个一c n h 一基，町形成大量 的( n - h o ) 氢键，使蛋白质按螺旋方式卷曲成立体构型，称为蛋白质的二级结构 多肽中氢健性质的理论研究 。e 2 t f 1 是使蛋白质保持稳定构象的最重要凶索，m 且，近年米的研究指出一：缴结构是 合理的螺旋结构，可见氢键埘蛋白质维持一定的空间构型起着重受作_ i j 。 氢键的研究已经越来越多的受到人们j 1 勺重视，近j l q - 筻足有r 突飞猛进的发楗， 涉及的内容也是非常的广泛。几十年求的分于生物学f i 4 1 l i j f 究证州几乎所有的问题，无 论是结构的还是功能的，无论是静态的还足动态的，无论是能量代狮还足信息代谢， 无论是生理的还是病理的，无不与氢键相关联。氧键的存在和重要作用鄙是客观的并 且不可替代的，有着极其重要的生物学意义。相信在不远的将来，氢键的研究将进人 一个更高的领域，生物、物理和化学三方i ：f i 的通力合作将会使氢键的研究达到一个新 的高峰。 参考文献 i 徐明忠。从头算法研究分于间的氢键柏互作用，成都大学学报( 自然科学版) i9 9 6 15 “) ：2 l 一2 4 2 夏泽吉氢键的键理论及在化学i _ | 的应i i j ，川东学刊( p l 然科学版) 19 9 6 。6 ( 2 ) ：4 6 5 2 3 l e g o n c ，m i l l e nd j ，叭r e c t i o l l a ic h ar a c i er ，s tr e n g t h ，a n dn a t u r eo f t h eh y dr o g e nb o n di ng a s - p h as ed i n l m e rs ，k c c c i l e n l r e c ，19 8 7 ，2 0 ( 1 ) ：3 9 4 6 4 章惠，徐志固，谈氢键效应在某些前沿领域研究q ，的重要作用，大学化学 19 9 5 1 0 ( 4 ) ：19 - 23 5 o e r e w e n d az s ，d er e w e n d au ，k o b o sp m ，( h is ) c e i t o = c 是去除n 端基氢键以外其他氢键的平均o 原子电荷数据，从表中数据可 知，n 端基氢键以外其他氢键的平均o 原f 电荷随多肽数目的增多州逐渐增人。依据 表i i ( c ) 中数据可以得到图4 c ，其横坐标是多肽数目，纵坐标是o 原子乎均负电荷。 多肽中氢键性质的理论研究 表1 1 ( c ) 去除n 端基氢键以外其他氢键的平均。原子电荷 多肽中氢键性质的理论研究 0】520253 i ) 多雌数i 图4 c 除n 端基氢键以外的平均o 原f - 电倚与多肤数目的关系 对于去除n 端基咀后的其余氢键上平均o 原f - f a 电荷与多肚数f ；_ ； 的关乐如图4 c 所示，对于b s t r a n d 结构的多肽构象o 原于负电简陋多肽数日饿增多变化擞为乎缓； 27 - r i b b o n 结构的多肽构象中o 原f 负电荷随多肤数目的增多稍有增) i l l ；而3 1 0 h e l i x 结构的多肽构象和“- h e l i x 结构的多肽构象中。原于负电荷均随多肽数目的增多而逐 渐增大。即在3 3 l o - h e l i x 结构的多肽构象和“一h e l i x 结构的多肚构象c l i 氢键其有协i 司效 应。 1 3 3 四种多肽构象的氢键酸度 我们利用口：= 一0 4 7 2 + 3 6 7 6 q h 的关系式汁算r 各个多肌- i j 4 ；h 氢键的 氢键酸度由于随着多肽数目的增多，每个氢键结构中的氢键数目小同，所以这里取 每个结构中所有氢键的平均结果进行比较。表l l i 是所有氢键的乎均氢键酸度数据，从 表中数据可知j ，平均氢键酸度均随着多肽数目的增多而逐渐增夫。根据表l i l 数据以多 肽数目作为横坐标，以氢键酸度作为纵坐标作图，得到图5 a 。 螂 加 枷 枷 咖 枷 枷 珈 珈 挥脚卅唾。盆畚牲聃瑚誉逝 多肽中氢键性质的理论研究 表i i l 四类多肽构象的平均氢键酸度 多肽中氢键性质的理论研究 划 澎 艘 涌 霜 融 1 _ 0 0 u 98 0 96 0 94 0 92 0 9 0 088 0 8 6 u 84 0 82 o8 0 051 052 u253 0 多j l l ：数h 图5 a 平均氢键酸度与多肤数目的关系 本文中氢键酸度的计算采用口，= 一0 4 7 2 + 3 6 7 6 q l i 关系式，她中的氢键簸度与 h 原予电荷成正比例关系，因此图5 中的关于各个氢键酸度的图形在形状上和图3 的 相应图形十分相似。在圈5 a 中，d - s t r a n d 结构和2 7 - r i b b o n 结构的多肤构象巾氢键酸 度随多肽数目略有增加，但增加缓慢，曲线较为乎缓；3 1 0 一h e l i x 结构的多肚构象在3 4 个肚链时氢键酸度略有降低，5 个以至于5 个以上的更多个肽链时，氢键酸度叫显 增加；a - h e l i x 结构的多肤构象- p ，4 5 个j i ：链时氢键酸度略有| 缂低，6 个以及6 个 以上时氢键酸度明显增加，并且d h e l i x 结构比3 h e l i x 结构增加的幅度人。例如， 在5 个肽链时，3 1 0 - h e l i x 结构的平均氢键酸度是0 9 2 7 5 ，q - h e l i x 结构的，f 均氢键酸 度是0 9 1 4 4 ，即3 t o - h e l i x 结构的平均氧键酸度较高；当肽链选到2 6 个时，3 1 0 - h e l i x 结构的平均氢键酸度是0 9 7 2 1 ，( x h e l i x 结构的，f 均氢键酸度是o 9 6 8 3 ；在肤链数目 从5 增加到2 6 个时，3 咿h e l i x 结构的平均氢键酸度增加了o0 4 4 6 ，i i i ia h e l i x 结构 的平均氧键酸度则增加了o 0 5 3 9 。如果按照这样的增加趋势继续增加肤链的长度的 话，h e l i x 结构的平均氢键酸度将可能等于外超出3 h e l i x 结构，这与前边酗3 - f 多肽中氢键性质的理论研究 所讨论的h 原子电荷随多肽数目的结沦是致的。 d510l520253 0 多驮敬l ；| 图5 bn 端基氢键的氢键酸度与多肤数目的关系 0l52 02s3 0 多从数目 图5 c 除n 端基氧键以外的平均氢键酸度与多肽数e 的关系 多肽中氢键性质的理论研究 对于n 端基氢键的氢键酸度与多肽数目的圈5 b ，以及去除n 端基氢键以外的平 均氢键酸度与多肽数目的闰5 c 的讨论方式与对图3 b ，3 c 的+ 一致，这里不冉赘述。 对于引起平均氧键酸度图出现曲折的原因也同样是凼于n 端基氢键的影响，n 端 基氢键上的h 原子电荷最正，o 原子电荷最负，形成的氢键酸度最人，埘总的乎均效 果影响较大，尤其在较小的肤链r hn 端基氢键起主导作朋。因此，曲线出现r 曲折， 而在去掉n 端基氢键的结果中曲线变的十分光滑。 1 3 4 四种多肽构象的其他位置原子电荷 在前面我们分别讨论r 形成氢键的h 、o 原于电衙，本节将刈形成氧键的n 原子 和羰基c 原子屯荷进行讨沦。 表i v ( a ) 是各个多肽构象的形成氢键上的n 原子电荷数据，以多肽数目作为横坐 标，以n 原子电荷为纵坐标做图，得到了图6 a 的结果。 表i v ( a )各个多肽构象的形成氢键上的n 原子电荷 多肽数曰0 ，s t r a n d 2 7 r i b b o n3 1 0 * h e l i x a - h e l i x 305 8 8 80 6 6 4 00 7 6 2 6 405 9 2 30 6 3 410 6 8 7 9 0 7 5 6 8 505 9 4 i 一06 1 9 20 6 6 0 20 6 8 2 2 605 9 5 00 6l0 30 6 4 61 - 0 6 5 5 9 7 05 9 5 70 6 0 4 3 0 6 3 7 70 6 41 4 80 5 9 6 2 0 6 0 0 2- 0 6 319- 0 6 3 2 6 905 9 6 50 5 9 7 0 06 2 7 70 6 2 6 6 l00 5 9 6 80 5 9 4 5- 06 2 4 7 0 6 2 2 4 1 10 5 9 7 00 5 9 2 50 6 2 2 3- 0 68 9 1 205 9 7 105 9 0 80 6 2 0 2- 0 6 1 6 4 1 30 5 9 7 30 5 8 9 50 6j 8 60 6j 4 3 1 405 9 7 40 5 8 8 3- 0 ，6 1 7 306 1 2 5 1 505 9 7 5- 0 5 8 7 3- 06 1 6 l 一0 6 it 1 60 5 9 7 60 5 8 6 506 i5 1 06 0 9 8 1 705 9 7 60 5 8 5 8 - 0 6 1 4 2- 0 6 0 8 7 1 805 9 7 70 5 8 5 10 6 l3 406 0 7 7 1 90 6 1 2 8 06 0 6 9 2 00 6 1 2 3 - 06 0 6 2 多肽中氢键性质的理论研究 2 l 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 0 6 1 1 7 。0 6 1 1 2 0 6 1 0 8 0 6 1 0 4 o 6 1 0 0 0 6 0 9 7 0 6 0 5 5 0 6 0 5 。0 6 0 4 4 06 0 3 9 0 6 0 3 4 0 6 0 3 0 撂 口 m 垂 0 52 02 53 u 多肚数目 l 璺l6 an 原子电荷与多肽数目的关系 如图6 a 所示，横坐标是多肽数目，纵坐标是n 原子电荷，卜均值。刘于d s t r a n d 结构，n 原子平均负电荷随多肽数目的增多嘶缓慢增大，变化4 ：明显；2 7 - r i b b o n 结构 的n 原子平均负电荷在较小数目的肽链结构中减小的明显，但随多肽数目的增加n 原子负电荷减小的较为缓慢；3 h e l i x 结 连】和a - h e l i x 结构扎nj j ； 于次i 乜倚均随肽 链增 ，逐渐减小，但o l h e l i x 结构的n 原子负电荷减小的趋毒争较快，在较小的肽链巾， d h e l i x 结构的n 原子负电倚火j 二3 j o - h e l i x 耋占构，但足在8 个从链时a h e l i x 结构的n 原子负电荷就已低于3 1 0 h e l i x 结构。这和a h e l i x 结构中氢键酸度较人有关，在前面 多肽中氢键性质的理论研究 的对图3 a 中h 原子电荷的分析中，。【- h e l i x 结构的h 原予电荷增加趋势较快，即n - h e l i x 结构中的氢键强度大。由于h 原子正电荷渐次增火因此与之i j 连的n 原子负电 荷逐渐减小。 表i v ( a ) 是各个多肽构象的形成氢键上的羰基c 原子电荷数据，以多肽数目作为 横坐标，以羰基c 原子电荷为纵坐标做图，得到了幽6 b 的结果。 表1 v ( a )各个多肽构象的形成氢键上的羰基c 原j 电荷 3 9 多肽中氢键性质的理论研究 馆 删 皤 埔 稍 多肚戡i = i 图6 b 羰基c 原子电荷与多肤数目的关系 如图6 b 所示，横坐标足多肚数目，纵坐标是羰基c 原予电简平均值。倒中0 一s t r a n d 结构中的羰基c 原子正电荷随多肚数目儿乎不变；2 7 一r i b b o n 结构的羰基c 原于正电 荷随多肽数目增大略有减低；而3 = 0 - h e l i x 结构。| j ，在3 5 个肽链时羰基c 原子正电 荷增大，继续增加肽链长度c 原子正电荷却逐渐减4 x ；a h e l i x 结构中，在4 6 个 肽链时羰基c 原子正电荷增大，继续增j j lj 肚链长度c 原_ 产正电荷却逐渐减小并且 d h e l i x 结构中的羰基c 原予正电荷减小的幅度比3 1 0 - h e l i x 结掏快。 d s t r a n d 结构的多肤构象在图3 a 中h 原子正电荷随多从数目略有变化，但是与 3 i o h e l i x 结构和。【h e l i x 结构的h 原子电荷随多肽数目的明显增_ f | | 对比起来儿乎是不 变的；而在图6 a 中p s t r a n d 结构的n 原子电荷随多肽数目的变化与其他三个构象比 较几乎也是不变的。d s t r a n d 结构中肽链是全铺展的形式，n 上的h 原子与羰基。 原子之间的间距与氢键的间距十分相近，本文近似看作氢键讨论，因此n h o - - c 结构中的h 、o 原子之间的相互作用十分微弱，对h 、o 原子电荷影响不夫，相应的 n 原子以及羰基c 原子电荷变化也不大。 多肽中氢键性质的理论研究 而在2 7 - r i b b o n 结构中，n - h o 与其相邻的其他原子之间形成r 七冗环氢键。亚 氨基和羰基在形成n h o = c 时，h 原于上的电子电荷向o 原于4 侧发生迁移，使 得h 原子正电荷增大，o 缘子负电荷也增大，相应n 原子负电荷祁羰基c 原于正电 荷减小；但是在圈3 a 中h 原子正电荷随多肽数目增f i j | l 不十分显著，形成l 元环氧键 的强度不是很大，因此各个原子电荷变化不十分显著。 3 t o - h e l i x 结构中，n - h o 与其相邻的其他原子之间形成r 十元环氢键。亚氨基 和羰基在形成n - h o = c 时，h 原子上的电子电荷向o 原子一侧发生迁移，使得h 原子正电荷增大，o 原子负电荷增大，形成的氢键强度也增加。相应的与h 原子相连 的n 原子负电荷减小，o 原子相连的羰基c 原f 正皂荷也减小。而在图3 a 中h 原子 正电荷随多肤数目增加而逐渐增大；在图4 a 中o 原子负电荷随多肽数目增加而逐渐 增大，因此n 原子负电荷随多肽数目增加逐渐减小，羰基c 原子正电荷随多肤数目 增加逐渐减小螺旋结构中的十元环氢键的强度较大。因此桕应的各个原子电荷变化 较为显著 但是在图6 a 中3 h e l i x 结掏的羰基c 原子正电荷在3 5 个肚链时增加，随着肽 链增长逐渐减小这主要是受c 端基氢键影响。如表l v ，昧f 编号为3 韵原 1 ；1 0 是c 端基氢键上的羰基c 原子，在每个从链q i ，c 3 上的正i 乜倚是删类原f - q ，最小的，3 个 肽链时，c 3 上的正电荷是o5 2 9 8 ；4 个肽链时，c 上的止电简是o 5 2 9 0 ；5 个j 捷链时， c 3 上的止电衙足0 5 2 8 5 ；6 个胍链t l , l ，( 3 上的止i _ 衙魁05 2 8 2 ，并h 随被链增长c j 上的正电荷逐渐减小。因此肽链越短，c 端基的羰基c 原f - x , t 平均结果的影j 响越人， 因此随着肽链的增长羰基c 原f 正电荷先增大后减小。 o l h e l i x 结构中，n h o 与其相邻其他原子之间形成了十三元环氢键。业氪基 和羰基在形成n - h o = c 时，h 原于上的电子电荷向o 原子一侧发生迁移，使得h 原子正电荷增大，o 原子负电荷增大，形成的氢键强度增加。相应的与h 原于相连的 n 原子负电荷减小，o 原f 相连的羰基c 原子正电荷也减小，f i ：在图3 al | | h 原九e 电荷随多肽数目增加而逐渐增大，在幽4 a 中o 娘子负电衙随多肚数目增加i i i 逐渐增 4 多肽中氢键性质的理论研究 大，并且增加h 、o 原子电荷的趋辨比都3 1 0 - h e l i x 结构快，因此n 原予负电荷随多敝 数目增加逐渐减小，羰基c 原子正电荷随多肽数目增加逐渐减小，而且n 原于负电 荷和羰基c 原子正电荷隧多肽的减小趋势比3 1 0 - h e l i x 结构大。这艉fa - h e l i x 结构的氢 键协同效应比3 1 0 - h e l i x 结丰勾强直接l = i 荧。 但是在图6 b 中o c - h e l i x 结构的羰基c 原子正也倚在4 6 个胍链时增加，随着肚 链增长逐渐减小。这也是受c 端基氢键影响。如表i v ，同样原予编号为3 的棘( - h l j 是 c 端基氢键上的羰基c 原子在每个肽链中，c ) 上的正电荷是同类原子中最小的，4 个肤链时，c ，上的正电荷是0 5 3 8 l ；5 个肽链i ：l 寸，c 3 上的正电荷足o 5 3 7 3 ；6 个肚链 时，c 3 上的正电荷是o 5 3 5 9 ；7 个艟链时，c 3 上的正电倚是0 5 3 5 9 ，并且随肽链增 长c 3 上的正电荷逐渐减小。因此肤链越短，c 端基的羰基c 原子对平均结果的影响 越大，因此随着肤链的增长羰基c 原子正电荷先增大后减小。 从以上对j = 形成氢键的n 原子负电荷以及羰基c 原r 正电荷随多献数日的关系 的分析知道，由于形成氢键时对相应的n 原予以及羰基c 原于电倚产生影i 忆它们 随多肽数目的变化情况与形成氢键的h 、o 原子电荷有着直接的关系，即h 原于电荷 越正，o 原于电荷越负形成的氢键强度越人，相应的n 原子电荷越夫，羰基c 原 子电荷越小。 多肽中氢键性质的理论研究 表i v3 1 0 - h e l i x 结构和o 【- h e l i x 结构的羰基c 缘产电衙 同样我们分别选取分子结构图中原子编号为2 的端甲基c 原子和原子编号位1 6 的业甲基c 原子电荷为例，峨多歇数目为横坐标，分别以这阿个原产电衙为纵坐标作 幽，分析c 原子电荷与氢键的关系。血u 图7 a 魁2 号端叶| 基c 原f 电荷与多从数目的 关系，7 b 是1 6 号亚甲基c 娘子电荷与多从数日的关系。豳中四类多肽构象的端甲基 c 原子电荷随多肽数目增多几乎4 ；发生变化，问样亚l i j 基c 琢f 电荷也鄯4 i 随多肽数 目变化，因此端甲基和亚甲基c 原子电荷对氢键性质不产生影响。 多肽中氢键性质的理论研究 一053 8 0 。s 4 0 05 4 2 一5 4 4 柱 是m5 6 i 垂 撼一05 4 8 睁 瓣一055 0 一o 552 0 55 4 一u5 j 6 05l ul52 0253 0 多肚戡目 图7 a 原子编号为2 的端甲基c 原于电荷与多肽数日的关系 一01 8 一1 9 牲一0 2 n 删 m 学2 1 摊 廿 高 一02 2 023 0 24 o5052 i 253 u 多肚投【 幽7 b 原子编号为1 6 的亚甲基c 腺于电荷与多从数目的关系 多肽中氢键i 生质的理论研究 1 4 各个多肽的总能量、相对能量 在研究了各个多肽中形成氢键的各个原子电荷与多肽数目的关系以后，我们考虑 到稳定能的大小直接体现 r 氢键的强弱，所以我f f | 接1 ：米的研究就是考察氨键的稳定 能的变化情况 如图8 a 所示，是以多肚数目作为横坐标，以各个构象的总能量作为纵坐标的各 个构象能量随多肚数日的变化关系。从圈8 a 上我们看到，p q 类多肌构象的总能量均 随多肽数目的增加而线性增加。 蒯 摧 罐 芸 嫠 嫡 稚 5l052 0253 0 多从数目 图8 a 各个多肽的总能量和多肤数目的关系 为了能够清晰的比较这凹类多肤分子在稳定能上的差异，我们采取r 以f 的两个 计算关系式来进行相对能量的比较： e l l = e 。”e 。( 6 ) r e = ( e r e o ) + 6 2 7 5 t( 7 ) e o = e i e o( 8 ) 其中的e 和民是不同肽链数目的多肽分子的总能量( n 代表多肚数目) ；e 。 是相邻两个肽链的能量差，并且e 、e 。以及e 。是原子单位；e o 是各个多肤中 。川川川川 一 q 叫q t q 一一o q 咱 多肽中氢键性质的理论研究 含最小肤链的两个多肽的能量差，；r e 是相对能量，其单位足( k c a l m 0 1 ) 。在上述的三 个关系式的基础上得到了表v 的四类掏象的年1 对能量。从表v t 扣町以看出随多肤数目 的增加四类构象的相对能量逐渐增大。 表v 四樊构象的棚对能量r e ( k c a l m 0 1 ) 以多肽数目作为横坐标，以各类构象的相刈能量作为纵坐标作图得到了图8 b 。 多肽中氢键性质的理论研究 05 u 0 0 0 - 05 0 10 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 - 3 0 0 3 5 0 40 0 o 152 02 53 0 多且k 数i j 图8 b 各个多肚相对能量与多肽数目的关系 从幽8 b 的相对能量变化町知，d - s t r a n d 结构和2 7 - r i b b o n 结构随多从数【l 的增加 其相对能量的变化趋势不太明显，几乎不发生变化：l i3 1 0 h e l i x 结构t 1 2 相对能量随多 肽数目的增夫而逐渐增大，即随肽链增坛每个氢键豹稳定能是增j i 的：“一h e l i x 结构 中相对能量随多肽数目增多依次增人，f ：增j j i l 趋磐比3 ”h e l i x 结构快的多。如征6 个肽链时，3 h e l i x 结构的相对稳定能是一13 9 k c a l m o l ，而n b e l i x 结构的椒i x 4 - 稳定能 是- o 6 4 k c a l h n o l ，比3 1 0 h e l i x 结构的能量高；而在2 6 个肽链时3 h e l i x 结构的栩对 稳定能是- 2 5 9 k c a l m o l ，a h e l i x 结构的相对稳定能是- 36 8 k c a l h n o l 。在肽链长度由6 增加到2 6 时，3 1 0 h e l i x 结构的相对能量增加丁i 2 0 k c a l h n o l ，阿n h e l i x 结构的柏埘 能量增加了3 0 5 k c a l m o l 。即a h e l i x 结构的相对稳定能增加的快。说明n - h e l i x 皇占构 巾氢键的协同效应比3 i o h e l i x 结构强。 1 5 结论 由以上的分析町知：四类多从构象在形成氢键的n h o = c 结构中，h 、o 原f 电荷对氢键性质的影响较火，相应的n 原子和羰基c 原予也受到与其拙连的h ，o 4 7 嘲程智罂 多肽中氢键性质的理论研究 原子电荷的影响。并且四类构象的总能量随多肽数目的增加逐渐增大。 氧键的协同效应主要体现在3 m - h e l i x 结构和“- h e l i x 结构的多肤构象中。这两类 掏象中形成氧键的h 原子正电荷、o 原子负电荷以及氢键酸度均随多肽数目的增加丽 逐渐增大即随着多肽数目的增加氢键的强度越人，氢键的协蚓敛应越强 无论从总的平均h o 原子电荷和氢键酸度，还魁从n 端基氢键的j | 0 娘r il i 荷和氢键酸度，亦或是从任意选取的氢键上的h ，0 原于电荷和氢键酸度巾，d h e l i x 结构都比3 1 0 - h e l i x 结构的递增趋势要快。因此，我们说d h e l i x 结构的多肤构象都比 3 h e l i x 结构的多肽构象中氢键的协同效应强 明显 增加 对于全铺展结构的0 s t r a n d 构象和窈r i b b o n 结构，氢键的协同效应体现的并不 这两类结构的h 、o 原子电荷以及氢键酸度图都比较平坦，即随着多肽数目的 h ，o 原子电荷以及氢键酸度增加极为缓慢。 参考文献 s h ib i n g x i n g ，l i a n gs b i l e ，y u a ny i n g j i n ，ela 1 c h e m j c h i f l e s e n i v e r s i t i tsf j l ，20 0 0 ，2 1 ( 3 ) ：4 0 1 4 0 6 v i n i w a t e r s ，b o n h a m n m ，a x f e t a l j m e d c h e m ，l9 9 8 ，4 1 ( 2 5 ) ：4 93 9 4 9 4 9 c r o n i nm t d ，d e ar d e nj c ，g u p t ar e ta 1 j p h ar i l l p h a r m a c o i 【j 】，i9 9 8 50 ：143 15 2 l i ne j 。g a o h p h a r m r e s j 】，1 9 9 5 ，i2 ( 4 ) ：5 83 - 5 8 7 t a y a rn e ，t s t ir s ，t e s t ab e ta 1 j p h a r m s c i fj 】19 9 1 ，8 0 ：7 4 4 7 4 9 k a m l e tm j t a f tr w j a m c h e m s o c 【j 】，19 7 6 ，9 8 k a n ) 1 e tm j t a f tr w j a m c h e m s o c 【j 】，1 9 7 6 ，9 8 ：2 8 8 6 - 2 8 9 4 a b r a h a mm m c h e m s o c r e v 【j 】，1 9 93 ，2 2 ：73 8 3 c h i b ap ，i i o i z erw l a n d a um e ta 1 j m e d c h e m 【j 】，19 9 8 4 l ( 2 1 ) ：4 0 0 1 40 1 1 4 8 4 5 6 7 8 9 多肽中氢键性质的理论研究 10w i ls o ul hy j m e d c h e m 【j 】，19 9 1 ，3 4 ：16 6 8 16 7 4 1 1g i i i ip ，b e r t o l as i v ，f e r r e t t iv ，g i l l ig j a m c h e m s o c 【j 】， 20 0 0 ，1 2 2 ，10 4 0 5 一10 4 i7 i2f ux u - c h u n ( 傅旭春) 。y oq i n g - s e n ( 俞庆森) 。l i a n gw e n - q u a n ( 梁文权) ，c b e m j c h i n e s eu n i v e r s i t i es ( 高等学校化学学撤) 【j 】，2 0 0 1 ，22 ：8 0 5 8 0 9 13v ar g asr ，g ar z aj ，d i x o bd ，h a yb p 。j a m c h e m s o c 【j 】 20 0 0 ，12 2 ：4 75 0 - 4 7 55 1 4w uy d ，z h a oy l ，j a m c h e m s o c 【j 】，2 0 0 i ，123 ：53 13 53 19 l5a b r a h a mm h j p h y s or g c h e n l 【j 】1 9 9 3 ，6 ：6 6 0 6 8 4 16f r is c h ，m ，j ，t r u c ks ，c w ，s c h l e g e i ，1 t b ，e ta 1 ( ；au ss ia n9 8 ( r e v is i o i l 5 ) ，g a u s s i a f t ，i u c ，p i t ts b u r g h ，p a 19 9 8 1 7 b e c k e ，a d j c h e n t p h y s ( j l ，19 93 ，9 8 ：5 6 4 8 5 6 5 2 18m i e h li c h ，b ，s a y ir t ， ，s t o li h c h e m p h y s 1 ell i j 】19 8 9 ，15 7 ： 2 0 0 - 2 0 6 19l e e ，c ，y a n g ，w ，p arr ，g ，p h y s r e v b 【j 】，19 8 8 ，3 7 ：7 8 5 - 7 8 9 20 k ar p f e na ，j m e l s tr u c t ( t h e o c h e m ) ，1 9 9 4 ，3 14 ：2 11 2 2 7 2 1t a n gj u n t t u i ( 唐俊辉) ，c n e np e n g l e i ( 陈鹏磊j ，z h e nz h c n ( 甄珍) ，l iu x i n i l o u ( 刘新厚) ，s c i n c ei uc h i n ab ( 1 = 】国科学b 辑) f j 】，20 0 1 ，3 1 ：3 l3 3 18 多肽中氢键性质的理论研究 第二章 氢键键能的理论设想与计算 2 1 简介 氧键是指与电负性极强的元素x 相结合的氢原子和另一个分子中电负性极强的 原子y 之间所形成的一种弱键氢键虽然是一种弱键，但是由于它的存在物质的 性质出现了反常现象，在形状结构等方面受到了很大的影响 在氢键中，一个氧原子在两个电负性原子之间起着种桥梁的作用，它以其价键 与一个原子结合，又以纯粹的静电力与另个原子结合。当氢与一个电负陛很大的原 子结合时。成键的共用电子对强烈的偏向电负性大的原子一恻，耐使得氢琢子j l 乎成 为“赤裸”的质子由于质子的半径特别的小( 3 0 p r o ) 它可以把另个分f - q , 的电 负性原子吸引到它的附近而形成氢键。这种被屏蔽的很薄弱的氢核的强正电衙受到第 二个分子中电负性原f 的负电荷的强烈啦引，这个吸引作州的强度约为5 k c a l f n o l ， 它比氢原子，与第一个电负性原于绢台的共价键一一约5 0 一1 0 0 k c a l m o l - - 婴弱的多， 但魁比其他偶饭偶饭相互作| j 要强的多f 2 1 。这种强烈的吸引作f j 的强度和我“j 经常应 用到的氢键键能的大小在数值上微为接近。 如表i 所示，氢键的键能是指由x h y - r 分解成x h 和y - r 所需要的能量 其数值约在2 4 9 6 k c a l m o l 范围内p i 。一般说米，键能小f6 0 k c a l m o l 的为弱氢键， 在6 0 8 4 k c a l m o l 之间的是中等强度的氢键，键能大于8 4 k c a l m o l 的为强氟键氧 键的键长是指x h y 中x 原子中心到y 原于中心的距离，e t - l 范德华半径之和要 小，但比共价键键长要大的多。氢键一般为直线型，如f h f ，但固体物质中的氢 键形成分子内氢键，可以是角型的。从下面的表1t i 我们可以看到，形成的氢键的类 型不同相应的氢键键能的结果也不同，而我们的研究列象主要是针对多肚分子而言 的。所以k l ( j 之间形成的部是n h o 形的氢键，那么它的氢键键能人约在5 k c a l m o l 左右。 多肽中氢键性质的理论研究 表1 ：常见氢键的键能和键长 h a c ( 1 ) ) c h a 幽i q - 多肽分子结构示意削 如幽i 所示的d 多从分子，其中的r = i i 或苦c h 3 n = 0 或1 分别是：肚和三肚 分子的结构。我们是以上面的二肽午i i - - 肽分产的不同构象作为研究埘象，理论模型i 是在原有的o ( 8 ) 1 1n ( 6 ) l - f l qh 形成的驾氢键的分f j 基础上，在小改变分r 结构的条 件下将原有的氢键破坏，分别将n ( 6 ) 原子抉为c 原子。理论模型i i 是将o ( 8 ) 原于换 为同周期的s 原子，在相同计算水平下得到没有氢键的牛t | 应结构n 勺能量。在小考虑空 问位阻和库仑作用的情况下，得到两个结果的能量差。我们将这个能量差暂时看作只 是氢键作用的结果，然后和传统的氢键键能进行对比，从中检验我们的理论模型的精 确程度 2 2 计算方法 对本文中所有多肤分子，使用g a u s s i a n9 8 1 4 1 程序中的b 3 l y p l 5 - 7 1 方法，使用不同 多肽中氢键性质的理论研究 的基组，对含有侧链的和不舍侧链的带有氢键的多肤结构进行了几何优化，汁算所采 用的能量不包含零点能。为了增加计算结果的准确性，选取全铺展结构作为参考构象， 其它分子的能量与其相x , t l ，然后在含有氢键的多肤结构上和全铺展结构的相应位置 分别将n ( 6 ) 原子换为c 原子或者将o ( 8 ) 原子换为同周期的s 原子，在相同水平下进 行了类似汁算。分别选取两种破坏氢键的方式的能量和原有含有氢键的分子能量进行 比较，得到相应情况。卜| 的“氢键键能”结粜。 2 3 结果与讨论 2 3 1 理论模型l 的结果 理论模型i 的主要思想是将多肽分子中形成氯键上的n 原子用c 原子取代，保 持其它位置的结构特征，然后在与原多肽分子相同的理论水平下进行计算，从中找出 取代前后两个结构的的能量差，进而与经验数据进行类比，从而检验我们的理论模型 的可信度。这里的能量计算不包含零点校正部分。 下面的图2 是二肽分子的汁葬结果，其中的构象a 足全铺展结构，c 是含有氢键 图2 当图1 中的n = 0 且r = h 时的二肽分子结果 多肽中氢键性质的理论研究 的结构，选取全铺展结构作为参考，因为全铺展结构中的由角和( | j 角都是1 8 0 度，稳 定性最好。便于比较。图中的所有计算结果都是在b 3 l y p 6 3 1l g ( d ，p ) 理沧水，fr 得 到的，其中的能量计算中不包括零点校正部分。构象c 与构象a 的能量差值可能包括 空间位阻、库仑作用以及氢键作用等相互作用项。当找们用c 原予取代构象c 中的形 成氢键的n ( 6 ) 原子，并且保持构象c 中其他位置的结构与原构象分fc 结构。致的同 时，在与构象c 相应位置上用c 原子取代构象a 中的n ( 6 ) 原予，同样保持其他位置的 结构与原构象a 一致，然后计算取代以后的两个分子之间的能量差。为了区别起见， 我们将原两二肽分子分别记作：构象a 和构象c ；c 原子取代以后的两二肽分r 褶应 的记作：构象a - c 和构象c - c 。 我们用e 。表示b 3 l y p 6 3 l l g ( d ，p ) 水平下的全铺展结构a 的能量，e 。为此计算水 平下的含有氢键结构c 的能量，因为e a 和e 。相差较小而且能量负值很大，不利于比 较，因此我们将全铺展结构a 的能量定为零，其他分子的能量与其相对比的能量差作 为相对能量，用ae l