（物理化学专业论文）取代法计算多肽中nhoc分子内氢键键能.pdf

取代法计算多肤中n - h 0 = c 分子内氢键键能 取代法计算多肽中n - h 0 ：c 分子内氢键键能 论文摘要 氢键在生命过程中起着非常重要的作用，是化学和生物中最常见的名词之 一。氢键分为分子间氢键和分子内氢键。在理论上，分子间氢键可以利用超分 子方法计算其能量。但超分子方法不能用来计算分子内氢键键能。现在，已有 几种方法用来计算一些特殊体系中的分子内氢键键能，例如c i s - t r a n s 方法、 o r t h o p a r a 方法和i s o d e s m i cr e a c t i o n 方法。但这些方法都不能应用于计算多肽和 蛋白质体系中的n h o = c 分子内氢键键能。 本论文的主要研究任务是设计一种能够计算多肽和蛋白质体系中n h o = c 分子内氢键键能的新方法( 本论文中称为取代法) 。在说明取代法的合理性后 应用此方法计算0 【和d 多肽结构中不同类型的n h o = c 分子内氢键键能。论 文主要内容分为如下几个方面： ( 1 ) 设计一种计算多肽体系中n h o = c 分子内氢键键能的新方法。我们 用c h 2 基团取代多肽构象中形成n h o = c 分子内氢键的n h 基团，因此称此 新方法为取代法。对一些特殊体系，使用取代法，c i s t r a n s 方法和超分子方法计 算了氢键键能，取代法计算得到的氢键键能与c i s t r a n s 方法、超分子方法的计算 结果相符。 ( 2 ) 计算伽多肽和p 一多肽中n h o = c 分子内氢键键能。详细分析了6 个 洳多肽构象和1 4 个p 一多肽构象中n - h o = c 分子内氢键结构特点。应用取代 法估算了这2 0 个a 一和p 多肽构象中不同类型的n h o = c 分子内氢键键能。 计算结果与这些构象中n h o = c 分子内氢键结构特点一致。本文的计算结果 对深入研究洳和p 一多肽构象的空间结构和稳定性有重要参考价值。 取代法计算多肽中n - h 0 = c 分子内氢键键能 ( 3 ) 估算c - h o - - - - - c 分子内氢键键能。为了进一步完善我们所设计的取 代法，需要估算c h o - - c 分子内氢键键能。我们从每一个含有c h o = c 分子内氢键的结构中提取一个乙酰氨和丙醛二聚体，利用超分子方法计算 c h o = c 分子间氢键键能。同时我们也计算了c h o = c 氢键键能在n h o = c 分子内氢键键能中所占的比例。 关键词：0 【- 多肽，p 一多肽，n h o - - c 分子内氢键键能，c h o = c 分子内氢键 键能，取代法 取代法计算多肽中n - h 0 = c 分子内氢键键能 e v a l u a t e db ym e a n so ft h es u b s t i t u t i o nm e t h o d ，c i s t r a n sm e t h o d ，a n ds u p e r m o l e c u l a r a p p r o a c h t h ei n t r a m o l e c u l a rh y d r o g e nb o n d i n ge n e r g i e sp r e d i c t e db y t h e s u b s t i t u t i o nm e t h o da g r e ew e l lw i t ht h ev a l u e so b t a i n e db yt h ec i s t r a n sm e t h o da n d t h es u p e r m o l e c u l a r a p p r o a c h ( 2 ) e v a l u a t i n gt h ei n t r a m o l e c u l a rn h o = ch y d r o g e nb o n d i n ge n e r g i e s f o r 伽a n dp - p e p t i d e s t h es t r u c t u r a lf e a t u r e so ft h ei n t r a m o l e c u l a rh y d r o g e nb o n d s f o rt h es i x a - p e p t i d ec o n f o r m e r sa n dt h ef o u r t e e n1 3 - p e p t i d ec o n f o r m e r sw e r e a n a l y z e dd e t a i l e d t h eh y d r o g e nb o n d i n ge r i e r 百e sf o rt h et w e n t y 僻a n dp - p e p t i d e c o n f o r m e r sw e r ee v a l u a t e db yt h es u b s t i t u t i o nm e t h o d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e i n t r a m o l e c u l a rh y d r o g e nb o n d i n ge n e r g i e so b t a i n e db yt h es u b s t i t u t i o nm e t h o dw e r e i na g r e e m e n t 、析t ht h es t r u c t u r a lf e a t u r e so ft h ei n t r a m o l e c u l a rh y d r o g e nb o n d s t h e v a l u e so b t a i n e di nt h i sp a p e ra r eh e l p f u lf o rd e e p l yu n d e r s t a n d i n gt h es t r u c t u r ea n d s t a b i l i t yo ft h e 仅一a n d1 3 - p e p t i d ec o n f o r m e r s ( 3 ) p r e d i c t i n gt h ei n t r a m o l e c u l a rc - h o = ch y d r o g e nb o n d i n ge n e r g i e s i i lo r d e rt o p e r f e c tt h es u b s t i t u t i o nm e t h o dp r o p o s e db yu s ，t h ei n t r a m o l e c u l a r c h o = ch y d r o g e nb o n d i n ge n e r g i e ss h o u l db ep r e d i c t e d a na c e t a m i d ea n d p r o p a l d e h y d ed i m e rw a se x t r a c t e df r o mt h ee a c ho p t i m a ls t r u c t u r ec o n t a i n i n gt h e i n t r a m o l e c u l a rc h o = ch y d r o g e nb o n d i n g t h es u p e r m o l e c u l a ra p p r o a c hw a s t h e nu s e dt op r e d i c tt h ec h o = ci n t e r m o l e c u l a rh y d r o g e nb o n d i n ge n e r g i e s a t t h es a m et i m e ，t h ep r o p o r t i o n so ft h ec - h o = ch y d r o g e nb o n d i n ge n e r g i e si nt h e n h o = ch y d r o g e nb o n d i n ge n e r g i e sw e r ea l s oc a l c u l a t e d k e y w o r d s ：a - p e p t i d e s ，1 3 - p e p t i d e s ，i n t r a m o l e c u l a rn - h o - - ch y d r o g e nb o n d i n g e n e r g y , i n t r a m o l e c u l a r c h o = c h y d r o g e nb o n d i n ge n e r g y , s u b s t i t u t i o nm e t h o d i v 学位论文独创性声明 本人承诺：所呈交的学位论文是本人在导师指导下所取得的研究成果。论文中除特别加以标注和致谢的地方外， 不包含他人和其他机构已经撰写或发表过的研究成果，其他同志的研究成果对本人的启示和所提供的帮助，均已在论 文中做了明确的声明并表示谢意。 学位论文作者签名：日期：p 学位论文版权的使用授权书 本学位论文作者完全了解辽宁师范大学有关保留、使用学位论文的规定，及学校有权保留并向国家有关部门或机 构送交复印件或磁盘，允许论文被查阅和借阅。本文授权辽宁师范大学，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库并进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后使用本授 权书。 学位论文作者签名：指导教师签名： 日期：泷 取代法计算多肤中n - h 0 一c 分子内氢键键能 1 1 研究背景 第一章前言 众所周知，地球上所有的生命都可以看作是超分子化学物质，弱相互作用 在化学、物理，尤其是生物学科中都扮演着重要的角色。弱相互作用在生物分 子识别、离子载体的选择性、晶体的组装、分子簇的形成等方面都起着决定性 作用。氢键作用是人们研究最早的分子间弱相互作用【1 1 。 氢键作用的范围非常广泛，它影响着物质的存在状态以及其它许多重要的 物理性质如熔点、沸点、溶解度等。氢键作用不仅存在于一些无机和有机分子 之间，它也普遍存在于超分子体系中，如蛋白质、核酸等生物大分子。氢键作 用虽比共价键、离子键等化学键作用弱得多，但却是许多物理、化学和生物现 象发生的主要原因。在生命科学领域，对于许多生物结构和生物反应，氢键起 着关键作用。在蛋白质的多肽主链上的羰基氧和氨基氢之间形成的氢键，便是 维持蛋白质二级结构的主要作用力。而在维持其三级结构的作用力中，氢键也 起着举足轻重的作用。此外，在另一类重要的生物大分子核酸中，也是由于氢 键的作用使四种碱基形成特异的配对关系，从而为核酸包含生物体的遗传信息， 并参与遗传信息在细胞内的表达，促成并控制代谢过程提供了可能。可以说， 氢键是维持生物体系结构的重要作用力之一。由此可见，深入揭示氢键形成的 机制对于生物体系的研究、分子设计和药物设计都会产生重要的影响。 1 1 1 氢键发展的历史 氢键普遍存在于气相、液相和固相中，很早就已经被人们发现。回溯到1 9 世纪末2 0 世纪初，就已经有关于氢键的相应文献报道。早在1 8 9 2 年n o r n s t 研 究发现含有羟基的分子间存在着弱的相互作用力【2 j 。在1 9 0 2 年德国化学家 1 取代法计算多肽中n - i 0 - c 分子内氢键键能 w e r n e r 【3 】提出了n e b e n v a l e n z ( s e c o n d a r yv a l e n c e ) 这一名词来定义氢键现象。不久 之后h a n t z s c h 4 】和p f e i f f e r t 5 】提出了i n n e r ek o m p l e x s a l z b i d u n g 的概念来解释当c = o 基团和n h 基团的位置接近时，会使基团反应活性变小。1 9 1 2 年m o o r e 和 w i n m i l l 6 】在研究氨水溶液的性质时，把a s s o c i a t i o n s 定义为分子间氢键，把 c h e l a t i o n 定义为分子内氢键。1 9 2 0 年l a t i m e r 和r o d e b u s h 7 】研究提出：水分子中 o 原子上的自由电子有足够强的力，可以与另外一个水分子中已经与o 原子键 连的h 原子结合，这样h 原子存在于两个八隅体之间，形成了一种弱的相互作 用。1 9 3 5 年b e m a l 和m e g a w 【8 】提出“h y d r o x y lb o n d s ”的概念用来区别o - h o h 氢键和o h o = c 两种氢键之间的不同。随后p a u l i n g 明通过低温下熵的变化的 研究，结果表明在冰中每一个水分子被其他四个水分子包围形成氢键网络。 1 9 3 6 年，h u g g i n s t l 0 】提出了h y d r o g e nb r i d g e 的概念，并根据o o 之间的距 离描绘出o h o 氢键的静电势曲线。他同时也详细研究了在有机化合物中以 o h 和n h 作为氢键中h 给体，o 和n 原子作为氢键中h 受体所形成的分子间 和分子内氢键，对0 蛋白质和p 蛋白质的稳定结构作出了准确预测，他同时也预 测氢桥理论能够让人们更好的认识自然和复杂有机结构的行为，如蛋白质、淀 粉、纤维、糖、叶绿素、血红蛋白及其他碳水化合物【1 1 】。 1 9 3 9 年，p a u l i n g t l 】明确的提出了氢键的概念，即在一定的条件下，一个氢 原子不是被一个原子所吸引，而是被另外两个原子所吸引，这样可以认为形成 了一个键，称之为氢键。p a u l i n g 另一个核心思想是他认为氢键是一种静电相互 作用。他并解释说明：一个氢原子只有一个稳定的分子轨道，即1 s 轨道，只能 形成一个的纯粹的共价键，氢键只能形成于电负性很大的原子之间。他同时表 明氢键对一些物质的物理和化学性质起着决定性的作用。从此之后氢键的概念 逐渐被人们所接受。对氢键的研究在2 0 世纪6 0 年代达到成熟阶段，在1 9 6 0 年 p i m e n t a l 和m e c l e l l a n 1 2 】以及h a m i l t o n 和i b e r s t l 3 】都对氢键做了详细的研究。 p i m e n t a l 论述到判断氢键形成有两个条件：( 1 ) 确实有一个键形成( 2 ) 在这个键 中包含一个已经成键的h 原子。近些年来随着人们对氢键有的进一步了解， 2 取代法计算多肽中n - h 0 一c 分子内氢键键能 d c s i r a j u 1 4 】又重新提出了氢桥的概念，用来说明一些弱氢键与范德华力的区别。 1 1 2 氢键的本质和类型 通常认为，氢键的本质为静电、色散、电荷极化和转移、共价作用。但实 际上，各种作用在氢键中的地位和所占的比例是怎样的还不清楚。d y k s t r a 认为。 在氢键中静电作用占主要成分【1 5 】。i s a a c s 等人通过研究认为氢键的本质是共价键 1 6 1 。d a n n e n b e r g 通过从头计算分子轨道理论研究给出了一个范围，在这个范围 内氢键的本质主要为共价键静电作用【l 刀。 氢键可根据其性质、特点分为不同的类型： 首先，按照氢键相互作用的h 给体和h 受体的位置不同，氢键可以分为分子 间氢键与分子内氢键。如果形成氢键的h 给体与h 受体来自不同的分子时，称为 分子间氢键；如果形成氢键的h 给体与h 受体来自相同的分子时，称为分子内氢 键。需要指出的是，多数能形成氢键的化合物，既存在分子间氢键，也存在分 子内氢键，只是数量不同而已。与此同时，对于氢键又可以细分为不同的类型。 总之，氢键的形成情况多种多样，图1 1 给出了一个大概的分类情况： ff 二聚体分子间氢键如甲酰胺二聚体 iif 链状结构如晶态n a h c o ，中的h c o ； 分子间叫聊分子问氢1 多聚体分子间氢键譬薹籍翥蓊篓嚣 lll 立体结构如冰 l 异种分子问氢键如氨水q b n h 和h ，0 分子 分子内氢键如在苯酚的邻位上有c h o ，c o o h , - n o 等时可形成分子内氢键 图1 1 氢键分类图 其次，j e 妇眈y 和s a 钮g e r 两人曾把氢键分为强氢键和弱氢键两类。j e f f r e y 1 8 1 又根据氢键相互作用的h 给体与h 受体的类型将氢键详细分类分为强氢键、中等 强度氢键和弱氢键三类：强氢键一般由缺电子基团和富电子基团形成，能量一 3 - 取代法计算多肽中n - h 0 c 分子内氢键键能 般为1 5 4 0k c a l m o l ，一般也称为离子氢键。中等强度的氢键一般由中性原子构 成，h 给体和h 受体为n 或者是o 原子，能量一般为4 1 5k c a l m o l 。弱氢键一般 由电负性比氢原子稍大一点的原子，如c 和s i 原子作为氢键中h 的给体，或者受 体没有孤对电子，只有兀电予，如不饱和的双键、三键和芳环等，能量一般为1 - - 4k c a l m o l 。 1 1 3 氢键的特点和对物质性质的影响 氢键的主要特点在于其方向性和饱和性，其原因在于x 电负性很大，x h 的偶极矩大，h 带部分正电荷，它又没有内层电子，原子半径特别小，可以把另 一个强电负性原子y 吸引到很近的距离而形成氢键。由于h 特别小而x 、y 特 别大，h 与x 、y 接近后，第三个电负性大的z 就难以再接近h ，这就是其具 饱和性的原因。而为了减少x 、y 之间的斥力，键角需尽可能接近1 8 0 0 ，这就 是氢键方向性所在。 p u a l i n g 曾概括过氢键的两个基本特性：( 1 ) 饱和性：氢键是两个原子通过氢 原子而生成的键，h 原子的配位数不超过2 ，表示如h y ) ；( 2 ) 成键对象 的有限性：只有电负性很大的原子才能生成氢键，而且两个成键原子的电负性 越大，氢键的强度也应该越大。但是这一特性在目前看来不具有普遍性。除此 之外，氢键还有其它一些显著的性质：( 1 ) 氢键键能一般为5 3 0k c a l m o l ，这与 理论计算的偶极偶极或偶极离子的静电作用能大致相当。( 2 ) 不同类型氢键键 能，正如静电模型预测的那样，随x 、y 原子电负性的增大或半径的减小而增大。 ( 3 ) 氢键的几何构型一般为使x h y 呈直线型，这同x 、y 间静电斥力最小的 要求相一致。( 4 ) 氢键具有不对称性：在几乎所有的氢键中，氢原子总是比较靠 近两个毗连原子中电负性较大的一个。( 5 ) 氢键的方向性：氢键x - h y 大致可 以看成是直线，当实际上偏离直线时键能就会大大削弱。( 6 ) 氢键的可塑性：氢 键可以发生弯曲、拉长和压缩的运动。( 7 ) 氢键的超长性：氢键键长通常二倍于 取代法计算多肤中n - h 0 - c 分子内氢键键能 普通共价键键长，因此可以增大生物大分子相互作用时的面积。( 8 ) 氢键的交换 性：即氢键的主键部分可以与次键部分发生翻转。( 9 ) 氢键的协同性：氢键群在 生物体内往往表现出某种“社会性 协同关系。 氢键的键能介于共价键和范德华力之间，虽然其键能较小，但对物质性质 的影响却很大，其原因有二：一是由于物质内部趋向于尽可能多的生成氢键以 降低体系的能量，即在具备形成氢键条件的固体、液体甚至气体中都尽可能多 的生成氢键；二是因为氢键键能很小，它的形成和破坏所需要的活化能也小， 加上形成氢键的空间条件比较灵活，在物质内部分子间和分子内部不断运动变 化的条件下，氢键仍能不断地断裂和形成，在物质内部保持一定数量的氢键结 合，特别容易在常温下引起反应和变化。因此，氢键是影响化合物性质的重要 因素 t 9 - 2 2 。 1 1 3 1 对溶沸点的影响 分子间氢键的形成会使物质的溶沸点升高，因为要使固体融化或液体气化， 必须给予额外的能量去破坏由于分子间氢键而增加的结合力。在o 、n 、f 的同 族氢化物中，h 2 0 、n h 3 和h f 的溶沸点反常的高就是这个缘故。应该注意的是， 分子间氢键使物质的溶沸点升高，但分子内氢键的形成却使物质的溶沸点降低 ( 降低分子间力) 。例如邻硝基苯酚的熔点为4 5 3 ，而间位和对位硝基苯酚的熔 点分别为9 7 和1 1 9 9 c 。前者的熔点低是因为形成了分子内氢键，后两者的熔 点高是因为取代基在苯环的问对位，距离较大不能形成分子内氢键，却形成了 分子间氢键。 1 1 3 2 溶解性的影响 在极性溶剂中，如果溶质分子与溶剂分子间可形成氢键，就会促进两种分 子间的结合，导致溶解度增大；如果溶质中的分子形成分子内氢键，则极性溶 取代法计算多肤中n - h 0 c 分子内氢键键能 剂中其溶解度减小，但在非极性溶剂中溶解度增大。例如，n a h c 0 3 晶体在水中 的溶解度比n a z c 0 3 晶体小，是因为n a h c 0 3 晶体中h c 0 3 - 之间存在着氢键，从 而增大了n a h c 0 3 晶体的表观晶格能。 1 1 3 3 对酸性的影响 氢键的形成往往会改变酸根离子的稳定性，从而改变酸的电离常数，所以 氢键对物质的酸度也存在着影响。分子内形成氢键的部位越多，对酸性的影响 就越大。例如：单分子h f ( 即h f 的稀溶液) 为弱酸，而二聚体分子( h f ) 2 的水溶 液( 即h f 的浓溶液) 却是一元强酸，这是因为电离产物中h f 2 因存在氢键而比 f 一更稳定之故。 氢键对各类有机酸酸性的影响也十分明显，分子内形成氢键的部位越多， 对酸度的影响就越大。顺丁烯二酸和反丁烯二酸的p k a l 值，前者为1 8 3 ，后者 为3 0 3 ，这是因为顺丁烯二酸离解出第一个h + 生成羧酸负离子，由于c 0 0 一和 c o o h 处于双键的同侧，它们之间形成了氢键，降低了内能，其稳定性大于不 能形成分子内氢键的反丁烯二酸，故顺丁烯二酸的p k a l 小于反丁烯二酸。 1 1 3 4 对分子结构的影响 对于高分子化合物，氢键可影响其结构，进而影响其性质或性能。例如， 直链淀粉可通过分子内氢键作用而形成螺旋状；多糖中的纤维素通过分子间的 氢键呈现一定的抗拉强度；d n a 和r n a 在蛋白质的合成和遗传密码的储蓄与 复制过程中的碱基也是通过氢键来完成的，还有生物体中具有催化活性的酶， 其活性中心也与氢键有着极为密切的联系。可见，氢键对生命体有重要作用。 1 1 3 5 对密度的影响 能形成分子间氢键的化合物，其密度也随之增大。根据分子间氢键形成的 取代法计算多肽中n - h 0 一c 分子内氨键键能 方向性的要求，在分子聚集态中，往往也会影响分子间的距离，从而影响物质 的密度。水和冰密度的反常变化就是一个突出的例子：由于氢键的形成，冰晶 体是o 、h 四面体为基元的空间网状结构。这种结构特点使其内部空隙较大，故 而冰的密度较小。当冰熔化时，部分地破坏了这种敞空结构，从而使其密度增 大。液态水分子排列趋于紧密故密度更大。 1 1 3 6 对粘度的影响 对液态分子，当分子间形成氢键时，液层之间的切向内摩擦力有可能增大， 分子间作用力加强，从而使其粘度增大，液体的流动性减小，粘滞性变强。醇 和羧酸因为能形成分子间氢键，所以粘度比分子量相当的烷烃、酮、酯等都大。 1 1 3 7 对硬度的影响 晶体的硬度与晶体中质点间的作用力有着密切的关系。分子晶体中质点间 ( 分子间) 以较弱的范德华力结合，质点的排列很容易受外力的破坏，所以分子晶 体的硬度一般都很低。但当分子晶体中有氢键存在时，由于质点的作用力增强， 从而使其硬度增大。如冰的硬度比一般分子晶体的硬度大得多，就是因为冰中 有较多较强的氢键结构。也正是由于冰较大的硬度，世界范围内的冰上竞技运 动，才有广泛开展的可能。 1 1 4 氢键在生物领域的重要意义 氢键不仅对化合物的沸点和溶解度等性质有深远的影响，研究已经表明， 氢键在生命活动过程中起着至关重要的作用。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。下面以蛋白质 和核酸为例来说明氢键在生命活动中的重要作用。 蛋白质是构成生命体最重要的有机物质之一，也是生物学中最基本的功能 取代法计算多肽中l q - h 0 ；c 分子内氢键键能 单元之一。它们能起多种作用，包括物质的运输( 例如血红蛋白载氧) 、生化反应 的催化、生物材料的形成、发生免疫反应或通过与其他蛋白质相结合起调节作 用。虽然蛋白质分子是由氨基酸首尾相连的多肽链组成的，但一个伸展开来或 随机排布的多肽链并无生物学活性。蛋白质的功能来自其特定的构象，即原子 在一个结构中的三维排布方式。每一种天然的蛋白质都有自己特定的空问构象，； 这种构象通常用蛋白质的二级结构来描述。氢键对生物大分子的特定空间结构 和生物活性起着极为重要的作用。许多大分子的空间构象主要是由氢键来稳定 的。蛋白质的二级结构就是指多肽链借助氢键排列成沿一个方向上具有周期性 结构的构象，即蛋白质中的甜螺旋结构、3 1 0 - 螺旋结构和p 折叠结构。0 【螺旋结 构只能由具同手性残基的肽链片段形成。它们只含d 或l 型氨基酸。右手仪螺 旋结构从能量和立体化学角度来看是优势构象。a 螺旋结构是肽链骨架的螺旋状 排布。在仅螺旋结构中，氨基酸残基围绕螺旋轴心盘旋上升，每隔3 6 个氨基酸 残基螺旋上升一圈，在空间位置上，每个氨基酸残基上酰胺基团- n h 基同它相 邻的第四个氨基酸残基上的酰胺基团的c o 基很接近，它们之间形成了一个十三 元环的n h o = c 分子内氢键。因为这种结构允许所有的肽链都能参与链内氢 键的形成，并且氢键的取向几乎与中心轴平行，所以a 螺旋结构相当稳定。在3 l o - 螺旋结构中，每个氨基酸残基上酰胺基团- n h 基同它相邻的第三个氨基酸残基 上的酰胺基团的c o 基很接近，它们之间形成了一个十元环的n h o = c 分子 内氢键氢键。3 1 0 - 螺旋结构也相当稳定。p 折叠结构在丝纤蛋白和其他胶原蛋白 以及球蛋白的几个域中发现它的存在。p 折叠结构是存在于蛋白质二级结构中的 另一个周期性结构的重复单元，它与0 l 螺旋结构不同的是，它是一个片状结构， 而且，d 折叠结构的氢键形式完全不同于螺旋结构，它由在两个邻近的肽链间分 子问氢键所稳定。另外，多肽链还借助氢键等各种次级键在三维空间中沿多个 方向进行卷曲、折叠，盘绕成紧密的近似球状结构的构象，这就是蛋白质的三 级结构。 核酸是另一种最重要的生物大分子，是生物承载和传递信息的载体。按照 8 取代法计算多肽中n - i t 0 一c 分子内氢键键能 所含戊糖种类的不同，核酸可以分为脱氧核糖核酸( d n a ) 和核糖核酸( r n a ) 两大 类。1 9 5 3 年，w a t s o n 和c r i c k 根据d n a 的x 射线衍射数据提出了d n a 的双螺 旋结构模型，揭开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 用。根据这一模型，晶体的d 型d n a 钠盐是由两条反向平行的脱氧多核苷酸通 过他们碱基间的氢键结合在掣起的，一并围绕同一中心轴盘绕，构成双螺旋结构。 这种双螺旋结构相当稳定，维持双螺旋结构的力主要有以下三种：一为互补碱 基对之间的氢键，它是最主要的作用力；二是碱基堆积力，即g - x 堆积力作用， 由芳香族碱基上的冗电子之间的相互作用产生，它是比较主要的力；第三种力 来自磷酸基上的电荷与介质中的阳离子之间的静电作用力。 天然的r n a 的二级结构一般不象d n a 那样都呈螺旋结构，但其中一部分片 断会具有与d n a 类似的双螺旋结构。r n a 为单链分子，通过自身回折使彼此可 以配对的碱基( g 与c ，a 与u ) 相遇并形成氢键，同时形成双螺旋结构。不能配对的 碱基区形成突环( 1 0 0 p ) ，被排斥在双螺旋结构之外。 在遗传信息的传递和表达过程中，氢键也有着不可替代的作用。在此过程 中，首先是d n a 通过半保留复制将遗传信息传给子代细胞，d n a 再通过转录和 翻译将遗传信息经r n a 传递到蛋白质的结构上。d n a 的复制首先是碱基对间的 氢键断裂并使双链解旋，然后每条链都可作为模板为其自身形成一条伙伴链， 最终生成两对互补的链；而转录和翻译的过程，主要是通过碱基配对机理来完 成的，在这其间也伴随着大量氢键的断裂和生成。 1 2 研究现状 1 2 1 氢键的研究方法 氢键代表了一个h 质子给体与受体之间相互作用的关系，所以对氢键的研 究伴随着对质子传递和电子传递现象的探索，丰富的氢键形式对实验手段和理 论方法提出了更高的要求。 9 取代法计算多肤中n h 0 - c 分子内氢键键能 1 2 1 1 统计研究方法 c a m b r i d g es t r u c t u r a ld a t a b a s e ( c s d ) 是晶体结构分析的重要依据。随x 射线 结晶学的发展，对c s d 这样数据库的需要日益迫切，它十分有用而且必要。随 着小的晶体结构数据的不断大量增多，c s d 把人们从繁琐的对已有原始文献的 人工查阅中解放出来，可以很方便的存储和获取晶体结构信息，做研究和比较。 如今，它含有超过1 6 0 ，0 0 0 个表值和一个藏量巨大的精确结晶学数据库，且可 以对这些数据进行处理和分析，最终得出确定的结晶学和化学结论【2 3 1 。 c s d 在晶体工程方面的作用体现在晶体结构分析上的统计意义【2 4 1 ，据保守 估计到2 0 1 0 年，c s d 将会容纳5 0 0 ，0 0 0 个表值，这将对我们研究各种类型氢 键提供极大的方便。 1 2 1 2 实验研究法 a 振动光谱 在氢键研究的历史中，红外光谱一直是最重要的谱学手段之一，为研究工 作提供了大量详实可靠的信息。傅立叶变换红外光谱f i t - m ) 目前普遍应用于多 肽和蛋白质，主要用于估计二级结构元素的含量。振动光谱也可以应用于预测 各种强度的氢键，而且不仅可以研究气相中的氢键，对液相和固相中的氢键也 可以做出准确判断。通常，红外光谱中三种与氢键有关的数据，即： ( 1 ) a h 伸缩振动频率； ( 2 ) a - h 伸缩振动谱带宽度； ( 3 ) 氢键弯曲振动，面内弯曲振动和面外弯曲振动。 拉曼光谱经常与红外光谱同时运用并互为补充。在低频振动光谱区，拉曼 光谱比红外光谱更有优势。目前，对于强氢键人们已经建立了结构和光谱数据 之间的对应关系。 b 中子光谱 1 0 取代法计算多肤中n - h 0 c 分子内氢键键能 中子光源的优势在于中子波长明显短于紫外可见光和红外光波长，可通过 中子散射获得整个布里渊区的振动信息。中子散射对于与质子运动有关的振动 方式特别敏感，因此可作为研究质子动力学的有力工具。另外，中子散射也常 被用于验证红外和拉曼光谱结果。 c x 射线衍射和中子衍射 x 射线衍射晶体学通常不能准确测定氢原子位置，而中子衍射可以做到。 由于中子衍射的普及程度不够以及中子源能力的限制，氢键体系的中子衍射数 据非常有限。尽管如此，中子衍射仍是目前研究氢键体系的重要手段之一。 d 核磁共振( n m r ) 研究 n m r 谱是最广泛应用的结构分析技术之一。已知当氢键x h y 形成时， 通常x - h 的质子共振峰移向低场，而且仅出现一个介于单体和氢键之间的时间 平均化峰。在早期工作中，人们已经用1 h 、2 h 、1 3 c 、1 7 0 、1 、1 9 f n m r 谱研 究了不同类型的氢键体系。近年来，随着脉冲傅立叶变换n m r 技术的发展，大 大促进了n m r 在氢键研究中的应用。 1 2 1 3 理论研究方法 已有多种理论方法，包括量子化学计算、半经验方法、密度泛函、分子力 学和分子动力学方法，被应用于氢键体系的研究【2 5 】。 1 2 2 研究现状 在过去的几十年中，分子间相互作用的研究得到了快速的发展。美国著名 国际杂志化学评论( ( c h e m i c a lr e v i e w s ) ) ) 特此分别在1 9 8 8 年、1 9 9 4 年和 2 0 0 0 年每间隔6 年作了三期分子间相互作用的专题评论【2 蚋。这三卷专题评论 分别适时地反映了实验或者理论方面分子间相互作用的研究动态。在2 0 0 0 年一 期专题评论中，收录了1 5 篇文章，引用的文献就多达4 0 0 0 多篇。这充分反映 取代法计算多肽中n - h 0 一c 分子内氢键键能 了分子间相互作用研究的蓬勃发展。我们知道，氢键作用是人们研究的最早的 分子间弱相互作用，是分子问相互作用研究的一个重要组成部分【2 9 剖】。qa j e f f r e y 和w s a e n g e r 在2 0 世纪9 0 年代初曾经作了一个大概的估计，全球仅仅 有关氢键的文章每隔半个小时就会有一篇被发表【3 2 】。 到目前为止，许多人致力于计算分子间氢键键能。t h o m p s o n 等人研究了铵 和羟铵硝酸盐中烷基取代对质子转移反应的影响【3 3 】。d a n n e n b e r g 等人利用密度 泛函理论和分子轨道理论研究a d e n i n e - t h y m i n e 和g u a n i n e c y t o s i n e 两组碱基对 中氢键的协同效应【3 4 1 。w a l l e n 等人利用拉曼光谱研究乙醛和c 0 2 复合物之间的 c h o 分子间氢键协同作用【3 5 】。d a n n e n b e r g 及其合作者曾使用b 3 l y p d 9 5 * * 方法研究链状氨基酸分子中的氢键，结果表明氢键有很强的协同效应，1 5 个甲 酰氨链状聚合物的氢键键能是二聚体中氢键键能的1 7 到2 9 倍【3 6 1 。f i l e t i 等人研 究氢键团簇中h c n h 2 0 和h 2 0 h c n 之间的同分异构体的平衡问题【3 7 1 。s c h e i n e r 等人研究肽片段之间n h o 和c h o 之间的相对强度和协同作用【3 8 - 4 0 。z h o u 等人使用理论方法研究甲酸和水复合物之间的氢键相互作用【4 1 1 。t a o 等人设计了 一个简单的方法来预测一氯酚和水、氨通过氢键形成的复合物的酸度常数 4 2 】。 r o w 等人利用x 射线衍射方法研究香豆素中c h o 和c h 兀两种弱氢键【4 3 】。 s a t h y a m u r t h y 等人利用从头计算方法、密度泛函方法和拓扑方法来研究苯酚、水 和苯酚水团簇的结构、稳定性和分子间氢键相互作用【删。p i n k e r t o n 等人研究季 戊四醇四硝酸酯中的分子内和分子间氢键【4 5 1 。d a s h n a u 等人利用分子动力学模拟 方法和红外光谱法研究甘油、甘油水溶液中的氢键形式m 】。b r o w n 等人用”n r e f o c u s e di n a d q u a t em a sn m r 方法研究了氢键在改良的d n a 碱基对的自 组装中的作用【4 7 1 。 在理论上，人们用超分子方法计算分子间氢键键能。d i x o n 等人估算了甲酰 胺和m 甲基乙酰氨二聚体中n h o - - c 和c h o = c 分子间氢键键斛4 羽。 、缸g 勰等人利用h f 方法和k s 轨道方法研究了基组重叠校正对氢键键能计算结 果的影响【4 9 1 。s c h e m e r 等人利用d f t 方法研究不同二聚体中的分子间氢键相互 1 2 取代法计算多肽中n - h 0 一c 分子内氢键键能 作用【删。g r a b o w s k i 等人利用从头计算方法研究h 2 c o ( h f ) n 中氢键协同作用 【5 。j o r d a n 等人使用密度泛函理论和m p 2 方法研究水单体和二聚体之间的能量 关裂5 2 1 。“等人用超分子方法计算t ( h f ) 2 、( h 2 0 h 、h 2 0 h f 二聚体中兀类型氢 键【5 3 1 。c h e r t 等人研究在c i s 水甲基甲酰胺多聚体中电荷转移在氢键协同作用中 的作用【! 钔。 近年来，人们对分子内氢键的研究非常广泛。g i l l i 等人结合晶体结构法、墩 光谱法、n m r 光谱法和量子化学法来研究d 烯胺及相关结构中的n h o 分子 内氢键【5 5 5 引。k e n n e d y 等人研究表明氢键的协同效应对0 【螺旋结构的形成起着决 定性作用【5 9 1 。w h 等人研究证实在3 1 0 - 螺旋结构和0 c 螺旋结构中确实存在协同效 应 6 0 , 6 1 】。t o p o i 等人使用h f 6 3 1 ( d ) 方法和b 3 l y p 6 3 1 g ( d ) 方法研究在较大的肽 体系中3 l o 螺旋结构和0 c 螺旋结构之间的转换【6 2 1 。d a a n e n b c r g 等人致力于研究肽 体系中的分子内氢键的特点，例如结构、协同性和键能等特点【6 3 石5 】。l a h t i 等人 利用从头计算方法研究c i s 尿刊酸的中性分子、阴离子、阳离子中分子内氢键。 在m p 2 6 3 1 g ( d ，p ) 水平上，中性分子和阳离子d s 尿刊酸中分子内氢键键能大于 5 0l d m o l ，在c i s 尿刊酸阴离子中分子内氢键键能大于1 0 0k j t o o l l 6 6 1 。g u o 等人 研究一些小体系中氢键协同效应及在溶液中的协同效应【6 7 - 6 9 。k e m p 通过分析 1 3 c = o 的化学位移来研究水中丙氨酸短链螺旋结构的氢键结构特点 7 0 1 。 h o c h s t r a s s e r 等人通过同位素红外光谱法研究丙氨酸所形成的* 螺旋结构【7 1 1 。 虽然分子间的实验数据非常多。但是关于分子内氢键键能的实验数据则聊 聊无几。因为在大多数情况下，提出一种直接计算分子内氢键键能的实验方法 是非常困难的f 7 2 ，7 3 1 。在理论上，分子间氢键可以利用超分子方法计算其能量。 但超分子方法却不能用来计算分子内氢键键能。现在，已有几种方法用来计算 特殊体系中的分子内氢键键能，例如c i s - t r a n s 方法【7 4 8 6 】、o r t h o - p a r a 方法【8 7 。8 9 1 和 i s o d e s m i cr e a c t i o n 方法【捌。我们将以羟基苯酚为例对这三种计算分子内氢键键能 的方法进行详细的介绍。如图1 2 中( a ) 所示，在羟基苯酚的c i s 结构中含有 o - h o 分子内氢键。在羟基苯酚的t r a m 构型中不含有o - h o 分子内氢键。 1 生 取代法计算多肤中n - h 0 一c 分子内氢键键能 c i s t r a n s 方法是利用羟基苯酚的c i s 结构和羟基苯酚的t r a n s 结构之间能量的不同 能量来估算o h o 分子内氢键键能的。o r t h o p a r a 方法般应用于计算芳香烃体 系中的分子内氢键键能。如图1 2 中( b ) 所示，在羟基苯酚的o r t h o 结构中含有 o h o 分子内氢键。在羟基苯酚的p a r a 结构中没有o h o 分子内氧键。 o r t h o p a r a 方法是通过比较羟基苯酚的o r t h o 结构和羟基苯酚的p a r a 结构两个结 构的之间能量的不同来估算o h o 分予内氢键键能。i s o d c s m i cr e a c t i o n 方法是 通过设计等键反应来计算分子内氢键键能。i s o d e s m i cr e a c t i o n 方法应用于计算芳 香烃体系和共轭体系中的分子内氢键键能。如图1 2 中( c ) 所示，反应前后所包 含的键的类型和数量不变，只是反应以前含有o - h o 分子内氢键，反应后没 有o h o 分子内氢键。这样i s o d c s m i cr e a c t i o n 方法利用反应的焓变来估算羟基 苯酚o h o 分子内氢键键能。虽然以上这三种方法能够计算一些体系中的分 子内氢键键能，但它们都不能应用于计算多肽和蛋白质体系中的n h o = c 分 子内氢键键能。到目前为止，还没有一个切实可行的方法来计算多肽和蛋白质 体系中的n h o = c 分子内氢键键能。 n _ ) 旧o ( b ) o 一：o 图1 2c i s - t r a n s 方法、o r t h o - p a r a 方法和i s o d e s m i cr e a c t i o n 方法 计算分子内氢键键能的结构模型 取代法计算多肽中n - h 0 - c 分子内氢键键能 1 3 研究内容的确定 氢键是化学中的基本概念，氢键在生物体系中普遍存在。虽然氢键这个概 念已经提出8 0 余年，但是关于氢键相互作用的本质、氢键对生物分子体系的定 量影响及动态变化等问题还亟待深入探索。2 0 0 5 年j a c s 一文指出，虽然近十 年做出相当大的努力研究水的氢键动力学，这个问题的微观水平的认识还远远 。 没有完成；而这种动力学的微观水平的认识对许多生物化学过程是决定性的； 例如水和生物分子体系中，氢键的局域结构和能量结构与整体氢键网络的关系 及其动态变化，氢键的各种成分的比例和作用问题，都是非常重要的。 至今关于分子内氢键尚未有一个统一的精确定量的定义和计算