（无机化学专业论文）dft理论研究磷酸与水分子间相互作用.pdf

i 昀+ i 文学硕士学位论文 摘要 分子间相互作用在化学、生物等广泛的领域内起着非常重要的作用，这类作 用的实验和理论研究越来越受到化学家、生物学家、材料学家等的重视。在分子 间相互作用的研究中，氢键作用是人们研究得最早的分子间相互作用，人们对它 的认识过程也普遍反映了人们对分子间相互作用的认识过程。分子间相互作用在 生物中高选择的识别、反应传递和调制过程中扮演重要角色，对其本质的理论研 究可以在一定程度上阐明某些生命现象、生命进化过程乃至生命学等深层次的问 题。 磷酸是磷元素的最高价( + v ) 含氧酸，包括正磷酸( h 3 p 0 4 ) 、焦磷酸( h 4 p 2 0 7 ) 、 三磷酸( h 5 p 3 0 l o ) 、偏磷酸 ( h p 0 3 ) n 】。磷酸是常见的无机含氧酸之一，属于多 元中强酸，其在工业和农业中有着极其广泛的应用。特别是在生物界中磷酸能与 许多有机物结合形成酯，磷脂及其酸酐统治着生物界。遗传物质d n a 和r n a 是 磷酸二酯，磷酸酯基团是连接核酸的桥连基团。三磷酸腺苷a t p 分子由三部分组 成：腺嘌呤，d 一核糖，及以酯键相连的三个正磷酸基团。与a t p 相似的另外两个 化合物是a m p 和a d p ，分别含有一个与两个正磷酸基团。a t p 非常倾向予水解， 水解时磷酸链断裂生成a d p 和一分子正磷酸。尽管磷酸与d n a , r n a 、a t p 在 化学上有明显不同，但磷酸是它们的分子片段，是理解其的理想模型。水是生命 之源，一切生命活动都离不开水，水在生物大分子结构稳定化和实现生物功能方 面有重要作用。磷酸分子中含有p o 及较多的o h 基，根据氢键形成的条件，水 分子与之作用将有很多可能，这些可能包括：磷酸和水何者是质子接受体；水与 磷酸作用的所有可能位置中，哪些占优势；水分子的作用对磷酸分子内氢键是否 有影响。通过对磷酸与水的分子间相互作用研究，也许能对d n a 与水的作用，a t p 水解及高能磷酸键p o p 键的理解提供重要信息。 本论文采用g a u s s i a n 0 3 程序，在p b e p b e 6 3 1 l + + g ”水平上，对h 3 p o a h 2 0 、 h 3 p 0 4 2 h 2 0 、h 4 p 2 0 7 h 2 0 、h s p 3 0 l o h 2 0 氢键复合物的可能构型进行优化， 频率验证，找到复合物的稳定结构，并分析其结构参数，找到水与其作用的优势 位置。在同样的水平下计算了复合物的结合能，同时进i f t 振动频率分析。 对于h 3 p 0 4 h 2 0 ，得到的四种稳定构型总体上看是形成接近于平面的六元环 贵州大学硕士学位论文 状构型。在最稳定构型中，h 3 p 0 4 提供质子，与水形成个强氢键，h 3 p 0 4 中的 o h 与h 2 0 中的o 之间的距离d o h - - - o h 2 为1 7 1 1a ，键角1 1 6 3 。，与单体比较， 此氢键导致了磷酸中与水作用的o h 伸长了o 0 3 4a ，p o 缩短o 0 2 7 a 。h 2 0 中的h 与，p = 0 中的o 原子之间同样存在一个相对弱些的相互作用，所形成的 、。 璐 ho _ h o 氢键中键长为2 7 5 5 ，a ，p o h o h 之间的距离为1 9 1 5a ，键角 1 4 1 1 0 。其结合能为1 4 1 8 4k c a l m o l 。， h 3 p o 。与一个分子h 2 0 作用的基础上又引入第二个水分子，研究正磷酸与两 个水分子的相互作用。得到的四个稳定h 3 p 0 4 2 h 2 0 复合物，在最稳定构型中， 两个水分子形成一个二聚体，同时，再与h 3 p 0 4 相互作用，三个分子围成一个环 形，形成三个氢键，水和磷酸不仅是质子的提供者，也是质子的接受者。从氢键 的参数来看，这三个氢键的强弱顺序是：h 3 p 0 4 提供质子，与水形成一个强的氢键， 其次是二聚水形成的氢键，相对最弱的是另一个- 2 0 中的h 与p o 的o 原子之 间存在的氢键。其结合能为，2 9 6 9 1k c a l m o l ，是h 3 p 0 4 h 2 0 子最稳定复合物的两 倍。j 对于h 4 p 2 0 7 - , - h 2 0 ，得到三个较稳定构型。焦磷酸具有c 2 对称性。其中最稳 定构型的结合能为1 8 7 8 4k c a l m o l ，水的作用位置在跨越两个磷酸基的分子内氢键 的p - - o h o 之间。次稳定构型的复合物结合能为一1 4 4 1 7k c a l m o l ，水的作用 位置在其中一个磷酸基的分子内氢键的p o h 二o 之间。第三个稳定构型的结 合能为一1 0 7 3 6k c a l m o l ，水的作用位置在连接两个磷酸基的桥o 原子和与其相邻 的o h 之间。 对于h 5 p 3 0 1 0 oo h 2 0 体系，总体上看，三聚磷酸与水形成较稳定的氢键复合物。 水的作用优势位置是在分子内氢键上，三磷酸与水既是质子受体，又是质子供体。 最稳定复合物的结合能为一2 0 5 4 6k c a l m o l 。 频率计算分析表明：水中0 h 的伸缩振动频率都发生了红移，比较 h 3 p 0 4 2 h 2 0 和h 3 p 0 4 h 2 0 ，水分子数目增为两个时，红移的幅度也增大。磷酸 提供质子与水作用，o h 伸缩振动频率都下降了，而相应的i r 强度都急剧增强， 这与前面所讨论的键长的变化是一致的。发生红移的原因在于氢键吸引了o 原子 上的电子云，从而大大降低了对h 原子的吸引，使o h 键键长变长，发生红移。 氢键越强，红移幅度越大。由于分子间氢键的形成，与氢键有关的化学键的力常 2 贵州大学硕士学位论文 数减小了；频率发生了红移。 i 。：一，! t ：+ 一o 、0 i 、， j 通过计算分析，总结得到磷酸与水相互作用的规律：磷酸和水都作为质子接 ：受体和提供者，相互作用形成两个较强的氢键：构成多元环状氢键复合物；随着 1 。磷酸基的增加，磷酸与水形成复合枥的结合能也增加氢键也更强：。水与正磷酸 - 作用的优势位置是在。一p 二o 抽键两端的0 原子与h 原子之问的分子内氢键上i 水与焦磷酸、三磷酸作用的优势位置在连接两个相邻磷酸基的分子内氢键上，形 成两个较强的氢键：使得松驰的p o 二p 桥键更易水解断裂。 。、 关键自：氢键p b e 磷酸复合物几何构型结合能 、 -1i - 贵州大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ei n t e r m o l e c u l a ri n t e r a c t i o ni sv e r yi m p o r t a n ti nt h ea r e a ss u c ha sc h e m i s t r y , b i o l o g ya n ds oo i i t h ee x p e r i m e n ta n dt h e o r ys t u d yo nt h es e r i e so fe f f e c ti sa t t r a c t i n g m o r ea n dm o i ：ea t t e n t i o f io f c h e m i s t s b i o l o g i s t sa n ds c i e n t i s t so fm a t e r i a la i e a 1 i nt l l ； r e s e a r c ho ft h e li n t e r a c t i o nb e t w e e nm o l e c u l e s , h y d r o g e f ib o n di st h ee a r l i e s tb i l et h a t p e o p l es t u d i e d ，a n dt h er e s e a r c h i n gp r o c e s s o fi t a l s os t a n df o rt h eu n d e r s i a n d i n g p r o c e s so f t h ei n t e r m o l e c u l a ri n t e r a c t i o no r ic e r t a i ns i d e t os t u d yt h ef u r t h e rr e a l i z a t i o n ； t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nm o l e c u l e si nt e r m so ft h e o r yc a ne x p l a i ns o m ep r o f o u n d e rl e v e l p r o b l e m ss u c ha sb i o l o g i c a lp h e n o m e n a ，p r o c e s so fe v o l u i i o ne v e nl i f es c i e n c et oa c e r t a i n d e g r e e ， ，。 ,-i p h o s p h o r i c a c i di s t h e ：h i g h e s t ：, v a l e n c eo x y a c i d o fp h o s p h o r u s ，一i n c l u d i n g o 吵0 p h 9 s p h o r i ca c i d ( h 3 p 0 4 ) ，p y r o p h o s p h o f i ca c i d ( h 4 p 2 0 7 ) ，t r i p h o s p h o r i ca c i d 。，( h 5 p 3 0 1 0 ) a n d m e t a p h o s p h o r i ca c i d f ( h p 0 3 ) n 】p h o s p h o r i ca c i d i so n eo f t h ec o m m o n i n o r g a n i co x y a c i da n db e l o n gt o m i d d l i n gi n t e n s i t ya c i d i ti sw i d e l yu s e di nt e c h n o l o g y ：a n da g r i c u l t u r e e s p e c i i i l l y , - p h o s p h o r i c ? a c i dc a n f o r me s t e r ，w i t h m a n yo r g 猗c c o m p o u n d s ，a n dp h o s p h a t ee s t e ra n di t sa c i da n h y d r i d ed o m i n a t et h eb i o s p h e r e d n a a n dr n a 缸t h eh e r e d i t ym a t t e r s t h e yb e l o n gt 9 + p h 6 s p h o r i cd i e s t e rt h a ti st h e i rb r i d g e 。l i n k a g eg r o u p a d e n o s i n et r i p h o s p h a t ea t pi sc o m p o s e do fa d e n i n e ，d r i b o s ea n dt h r e e o r t h o p h o s p h o r i ca c i d g r o u p s a m pa n da d ps e p a r a t e l yc o m p r i s e o n ea n dt w o o r h o p h o s p h o r i ca c i dg r o u p s w h e na t ph y d r o l y s i si t sp h o s p h a t ec h a i np a i t sa n dt h e n ：f o r m so n eo rt w oo r t h o p h o s p h a t eg r o u p s a l t h o u g hp h o s p h o r i ca c i di sb i gd i f f e r e n c e s “, ：b e t w e e nd n a ，r n aa n da t po nc h e m i c a lc h a r a c t e r , p h o s p h o r i ca c i di saf r a g m e n to f t h e i rm o l e c u l e s ，a n di ti sa l s oa p r o t o t y p eo f u n d e r s t a n d i n gt h e m ： w a t e ri st h es o u r c eo fl i f e w a t e rp l a y sa ni m p 0 堪a n tr o l ei ns t r u c t u r es t a b i l i z a t i o n o fb i o l o g i ch i g hm o l e c u l e sa n dr u n n i n gi t sb i o l o g i cf u n c t i o n a c c o r d i n gt or e s e a r c ht h e i n t e r a c t i o nb e t w e e np h o s p h o r i ca c i da n dw a t e r , w em a yp r o v i d es o m ei m p o r t a n t i n f o r m a t i o na b o u t h ei n t e r a c t i o no nd n aw i t hi v a t e i ，- a t ph y d r o l y s i sa r i dm e “1 1 i g h e n e r g y ”p h o s p h a t el i n k a g ep o _ p i ”n l i s t h e s i se m p l o y e d g a u s s i a n 0 3p r o g r 赫o r i t h e l e v e lo f p b e p b e 6 ：3 1 1 + + g + 4 t o o p h m i z e a l lt h ep o s s i b l es t - u c t u r e s “o f h 3 p 0 4 h 2 0 ( h 3 p 0 4 2 h 2 0 、h 4 p 2 0 h 2 0a n d 。h 5 p 3 0 i o h 2 0h y d r o g e n - b o n dc o m p l e x e sa n dt ov a l i d a t ef r e q u e n c i e s ，a s 、；v e l la st o ：。j - 、：h ；， 一一：b ：? i 、“- - ，7 ， 4 贵州大学硕士学位论文 a n a l y z et h e i rp a r a m e t e r st of i n d ，o u tt h ep r e d o m i n a n tp l a c e so fi n t e r a c t i o nw i t hw a t e r o nt h es a m et h e o r yl e v e lw ec a l c u l a t e dt h ei n t e r a c t i o ne n e r g y , a n da n a l y z e dt h e i r v i b r a t i o n a lf r e q u e n c i e s ，- “。 、。j + ， 、- 一j 。：、。 。：? t ，o 。h 3 p 0 4 h 2 0 ”g e n e r a l ! ys p e a k i n g , t h e 。s t a b i l e ，s ，t r u c t u r e o f ，i t sf o u r ：i s o m e r i c ：f o m a sa r ea l las i xc y c ! j ef o r mq u i t ec l o s et 9p l a t t e = i n 啦m o s ts t a b l es t r u c t u r ew h i c h ：b i n de n e r g y i s - 1 4 1 8 4k c a l m o ：l ；h 3 p , 0 4s u p p l i e sa p r q t o nt of o r m ，as t r o n g e r ，h y d o g e n b o n d 。w i t h , , w a t e r b e t w e e n o h a n d h 2 0 r j s b o n d d i s t a n c e d o h q h 2 商；- 3 t 1 冬，b o n d a n g l ei s1 1 6 r 3 。c o m p a r e dw i t hh 3 p 0 4m o n o m e r , t h i sh y d r o g e nb o n de f f e c tr e s u l t si n t h ee l o n g a t i o no ft h eo _ hb o n do fp h o s p h o r i ca c i dw h i c h p r o c e s s 、 ，i t l lw a t e rb yo 0 3 4 aa n dl e a d st op 。- ob o n ds h o r t e no 0 2 7a t h e r ei sa l s or e l a t i v ew e a ki n t e r a c t i o n b e t w e e nt h eh y d r o g e na t o mo fw a t e ra n dt h eo x y g e na t o mo ft h e ，p = o , g r o u p ，w h o s e d i s t a n c ei sc a l c u l a t e dt ob e1 9 1 5aa n db o n da n g l ei s1 4 1 1 0 w eh i o u g h ti f i t h es e c o n dw a t e rm o l e c u l eo n + t h e , b a s eo fh 3 p 0 4a n do n ew a t e r m o l e c u l ei n t e r a c t i o nt os t u d yt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nh 3 p 0 4a n d t w ow a t e rm o l e c u l a r i n t e r a c t i o n s t h e nw eo b t a i n e df o r es t a b l ec o m p l e x e s 。i nt h em o s ts t a b l es t r u c t u r e ，t w o w a f e rm o l e c u l e sf o r ma d i m m e r , i nt h em e a n w h i l e i n t e m c tw i mh 3 p o d t h et h r e e m o l e c u l e s g a t h e r ，r o u n d t of o r mc y c l i cf o r mt h r e e h y d r o g e nb o n d s ：r , w a t e ra n d o r t h o p h o s p h o f i ca c i da r en o to n l yt h ep r o v i d e r so fp r o t o nb u ta l s ot h ea c c e p t e r so fi t ? t h es t r o n g - w e a ko r d e ro ft h e s et h r e eh y d r o g e nb o n d si sa sf o l l o w ：t h ef i r s to n ei st h a t h p 0 4p r o v i d e sap r o t o nt o1 f o r mas t r o n gh y d r o g e nb o n d t h es e c o n do n ei st h e h y d r o g e nb o n do ft h ed i m m e ro fw a t e r , a n dt h ew e a k e s t o n ei s t l eh y d r o g e nb o n d t1f o r m e db e t w e e nt h eh y d r o g e na t o m o fw a t e ra n dt h eo x y g e na t o mo ft h ep = o g r o u p t h e ：b i n de n e r g yi s ；= 2 9 1 6 9 1 ，! k c a l m 0 1 ：w h i c hi st w i c e 。a st h em 6 s f i s t a b l ei s o m e ro f h 3 p o d h 2 0 。 。 ， 1、 ，ii l。l in _ _ h ：j 、 一 i nt h ec a s eo fh 4 p 2 0 7 h 2 0t h e r ea r et h r e es t a b l ei s o m e r i cf o r m s ，a n dt h em o s t 1一 、。 i 。1 一t 。 _ j 。s ，t a b l e 、o n e 啤b i n 口e n e r g y - 1 。4 4 1 7 ，：k c a l m 0 1 砷? p r e d o m ! n a t e d ，p 1 畔o f w a t e r 。1 7。 。h - ，一i4。，： 0 一? 毋孵梁翠希鬻两獬i n t r a m 0 7 l e 面c u l a r 。p i = ；“o 一 謦h - - 搿- oh “y d j r 甬o g e 嚣n b 簿o n d 鞲s j i f i ”l d n g ，一 o p p o s i t eo f t h ep y r o p h o s p h a t e ， 一，t o t h es y s t e mo f h s p 3 0 , 0 ：h 2 0 ，h s p 3 00a n d , w a t e r j f o r 。l nr e l a t i v es t a b ! eh y d r o g e n 。b o n dc o m p l e x e s i ng e n e r a l t h ep r o c e s s i o na d v a n t a g eo fw a t e ri s 归nt h ei n 扛a l q , p l e c u l a r ，一：h y d r o g e nb o n d i i 出唱o p p o s i t e o f 婶。p h o s p h ，a t eg i _ , o u p w a t e ra n 、dt r i 吵o j p h j 珥。a c i d a r en o to n l yt h ep r o v i d e r so f p r o t o nb u ta l s ot h ea c c e p t e r so fi t t h eb i n de n e r g yo f t h e 5 塞些查堂堡主兰垡堡兰 二： m o s ts t a b l ee o m p l e xi s - 2 0 5 4 6k c a l m 0 1 t h ec o m p u t a t i o n a la n a l y s i so ff r e q u e n c yp r o v e sa l lt h eo hs t r e t c hv i b r a t i o n f r e q u e n c i e si nw a t e rh a v er e ds h i f t e d c o m p a r e dh 3 p 0 4 2 h 2 0w i t hh 3 p 0 4 h 2 0 ， w h e nt h en u m b e ro fw a t e rm o l e c u l ei n c r e a s e dt ot w o ，t h ea m p l i t u d eo fr e ds h i f to ft h e o hs t r e t c hv i b r a t i o ni nw a t e rt e n d e d ：t or i s et o o i td e c l i n e t l es t r e t c hv i b r g t i o n f r e q u e n c yo fo h i nh 3 p 0 4 w h e nh 3 p 0 4 p r o v i d e dp r o t o nt oe f f e c tw i t hw a t e r i naw o r d ， i tm i n i s h e dt h a tt h ef o r c ec o n s t a n to f c h e m i c a lb o n dr e l a t i v e dt oh y d r o g e nb o n d ，a n dt h e r e ds i l i ro f t h ev i b r a t i o n a lf r e q u e n c yh a p p e n e db e c a u s eo ft h ei n t e r m o l e c u l a r i n t e r a c t i o n a c c o r d i n gt ot h e a b o v ea n a l y s i s w h a ti tc o m e sd o w nt oi st h a tp h o s p h o f i ca c i d 、v a n dw a t e ra r et h ep r o v i d e r sa n da c c e p t e r so fp m t d nw h e nt h e yi n t e r i a c t j 如ho t h e rt o 一，f o r mt w os t r o n g e rr e l a t i v eh y d r o g r n b o n d s a st h en u m b e ro f 曲o s p h o r a t e g r o u p 。i n c i e a s e ，t h e q u a n t i t yo f t h eh y d r o g e nb o n d i sa l s oo nt 1 1 ei n c r e a s e ，t h e b i n de i a e r g y t o o t h ep r e d o m i n a n c ep l a c eo f w a t e ri n t e r a c t i n gi sb e t 、v e 。9t h 8t w ；oi n t 。a m o l e c u l a rp 5 0 h - oh y d r o g e nb o n d sl i n k i n go p p o s i t eo ft h ep h o s p h a t eg r ，o u p i n 。p y r 0 p h o s p h a t e 曲 t r i p h o s p h a t ea n ds h a p et w os t r o n gh y d r o g e nb o n d s ，w r l i e hm a k e st h e 1 。o o s e 卜o _ ；tl-j ： 、 ， ， b r i d g el i n k a g ee a s i e rt oh y d r o l y z ea n dr u p t u r e k e 3 o r d s ：h y d r o g e nb o n d ，p b e ? p h o s p h o r i ca c i d ，c o m p l e x ，g e o m e t r y , b i n de n ，e r g y ：? 也妒， ，0 ， 6 贵州大学硕士学位论文 第一章。：前言 ，一! 。ih ”， l i 鞘：”1 1 磷化譬j 与车命化学0 ? 4 。t1 1 磷花学与生命化学衙介：= 一 。1 “i ? - j 。 _ j - ；一 ，。- - t j t “i 、r - 在生命科学的研究过程中，多学科的融合大大推动了科学的发展，使新的研 究领域不断出现。上个世纪7 0 年代，化学家就曾用化学的方法去研究生命体系中 的_ 些化学反应，如细胞过程等，从而发展出生物无机化学、生物有机化学、生 ，物分析化学筹一些以生命体系为研究对象的化学分支j 到了2 0 年代，以基因重组 技术为基础的分子生物学、结构生物学的发展，人类基因组计划框架图谱的完成、 功能基因学的实施，。对化学产生了很大的影响；化学生物学、化学基因组学相继 。出现。化学融合到生命学的研究为生命科学带来了快速的发展，学科的交叉和融 合越来越受到重视。3 。 、 ，。 化学家在分子的层面上用化学的思路和方法研究生命现象和生命过程，为生 命科学的研究创造了新的技术和理论，从而形成了生命化学这一新兴的学科。生 命化学从分子的基础去研究和了解大分子之间、化学小分子与生物大分子之间的 、相互作用，：以及这些作用对生命体系的调节、：控制等应用化学法则研究生命科 学的原理，揭示生命运动的本质，不但推动了医用生物科技的研究，而且将先进、 尖端的化学科学领域和具生产价值的生物科技工程连接在一起，共同促进生命科 学的发展。 提到生命化学必然涉及磷化学。磷化学涉及的研究领域广泛，目前主要包括 不对称合成、配位化学、生物磷化学、药物化学、农业化学等领域。磷化学不仅 在化学学科中，在其他领域或交叉学科中也占有重要的位置，在2 l 世纪磷化学仍 一_ - - = = = 二二_ _ 一= _ _ _ = 一_ _ = _ 二二一二= 一，_ _ 二_ _ _ 一_ = 一 将是一个充满生机和科学机遇的研究领域。 磷是组成生命活体的至关重要的元素，人体内磷的含量大约占元素总量的 l ，占人脑总重量的o - 3 ，占肝脏总重量的o 2 。目前，尚未发现在生命过程 中不包含磷的生命体。随着科学的发展，人们越来越认识到磷在生命化学中扮演 着十分重要的角色。诺贝尔奖获得者t o d d 教授提出了“哪里有生命，哪里就有磷”、 “只有在有磷的星球上，才能存在生命”i l l 的著名论断，认为磷元素是生命存在的 童塑奎兰堡主兰垡堡兰 ：一一 必要条件。、甚至于考察太空中生命迹象也用磷来作为判断标准【2 】。哈佛大学的 w e s t h e i m e _ r 教授从有机化学的角度阐述了“大自然为什么为生命选择了磷酸酯”【引。 美国加利福尼亚大学的, m c k e m i a 教授在第十五届国际磷化学会议( i c p c1 5 ) 中有 关“生物磷化学在2 1 世纪的前景”的报告中，提出在新的世纪中，磷仍将成为生 物化学重点关注的研究中心，特别是与癌症治疗相关的药物有机磷化学领域中将 会有许多有利于人类健康的发明创造的机遇，预测了这一学科将会有很好的发展 “前景【4 l 。，因此与生命科学相关的磷与生物化学的研究是目前引入注目的研究领域之 一o 。 ：i r j -： 。 jj 1 1 2 磷在生命化学过程中的作用 ：。： 一、磷与蛋白质，v 一、 _ ，t 、 一 蛋白质是生物体中不可缺少的组成部分，磷与蛋白质、多肽等具有极其密切 的关系。早在1 9 3 3 年s c h m i d t 和l e v e n e 等人就从水解酪蛋白中分离得到含磷的肽， 。1 此后许多与磷通过共价键结合的磷酰蛋白、磷酰肽相继被发现，人们逐渐证实了 7 磷在酶的洁性诃节、一蛋白质的生物合成、- 7 开关血浆膜上某些特殊离子的微孔、调 节膜的渗透等主要过程中起着关键作用【5 卅。蛋白质的磷酰化是生物体内普遍存在 ；的过程，各种不同类型的磷酰蛋白在细胞中起着不同的作用，根据其不同的功能 可以将其分为两大类：一类是具有酶活性的磷酰蛋白另一类不具有酶活性。磷 酰酶、糖元合成酶以及丙酮酸激酶等都是催化性磷酰蛋白的典型例子；一细胞有丝 分裂过程也是磷酰化对酶活性调节的事例之一。生命物质的新陈代谢有赖于酶的 调节，已有越来越多的实验事实表明，许多酶的活性是以其磷酰化和去磷酰化来 调控的。 兰j 矗与遗信物质 遗传物质也对磷情有独钟。遗传物质d n a 和r n a 是磷酸二酯，磷酸基团是 连接核酸的桥连基团。为什么大自然选择磷酸基团而不是其他替代基团如柠檬酸、 砷酸、硅酸或者硫酸呢? 我们知道，电离了的分子更容易保留在细胞膜内。磷酸 以及磷酸单酯或二酯的p k 值均约为2 ，在生理p h 条件下能发生电离，从而能够 贵州大学硕士学位论文 使其保留在细胞膜所限定的区域内。磷酸酯的特殊功能也导致了它被选为d n a 和 r n a “的桥连基团。在d n a 和r n a 分子中，核苷相互连接以形成可携带基因密码 - 。的长链，形成的长链又可以发生断裂以保证核苷的重新利用。若要长链发生断裂， _ 、最好的化学方法是水解，这意味着最好的键连方式是酯化反应。? 要将小分子连成 o i i t 长链，其键连基团至少必须是二价的，以保证一端连接- 一个核苷。此外；考虑到 - 一保证最终形成的分子能够电离，键连基团至少必须是三价的。此时最容易想到的 + ? 是磷酸0 而不是二元酸硫酸同时，磷酸二酯的水解速度远低于电中性的羧酸酯 类，磷酸二酯的带电性起了独特的作用。其带电性不仅使其能存在于细胞膜内， 而且所带的负电荷能有效地减少亲核试剂的进攻。正是由于d n a 中磷酸酯基带有 负电荷，使得d n a 不易水解，保证了磷酸基扮演基因长链中的桥连基团角色。而 柠檬酸的三级电离很弱，不足以稳定遗传物质；砷酸可能有毒，且其二酯很容易 水解：硅酸酯也极易水解，且中性p h 条件下不发生电离。 4 一：兰、。磷与新陈代谢过程 。= - j j、- ，：_ ? 、 。 ；。 ： e - i 11 、磷酸及其牮酐缔治着生俞界，鞯墨命体的新障代谢荽翟中也不例外k 磷酸 酯是代谢过程的中间物以及生物体活动的能源。：磷酸基在生物体内发生的化学反 ，应中具有重要的作用，然而长期以来并未受到化学家的足够重视。例如实验室中 ： = 1 常用，“好i 的离去基j 如一c l ，b r ，- i 等，却从未用过磷酰基：但是，在代谢过程 中，最普遍的离去基却是磷酰基或焦磷酰基；在有机化学反应中需要各种基团参 一- 与反应，而在生物体系中，磷酰基却担负着多重使命。正是由于磷酸能与许多有 托：机物结合成酯，可使生物体内有机物的新陈代谢由温和，：高效的生化过程来完成。 j ：。一。j ： 7 ，。“ ： 。；： ：。 ，；。 。、 四、三磷酸腺苷a t p 的作用实质 哩即翟塑鳓藉蔺褥滞襁解灌算丽簸嚣= 鞠瓣于渐j i l 衙萨磐一要寸 l。 构如图： 9 贵州大学硕士学位论文 c - ：；a t p 分子中存在随时可供利用的“高能磷酸键”，是许多生化反应的初级能源， ；：参与了生命化学过程申几乎每_ 个反应：a t p 在生物能学方面的功能与其水解过 程极为相关，a t p 与a d p 可作为磷酸基团转移的供体一受体对，在很多情况下， ，a t p 水解自由能被用于支持另一此热力学上不易发生的反应，通常是将这些反应 中的某一反应物磷酸化而起到支持作用。从这个角度而言，磷酸基可称为生化反 、 。应的催化剂。因此，在磷化学家眼中，a t p 与其说是“生命活动的能量源泉”，不 _i “ 如说是“生化过程的磷酸基源泉”【8 j 。a t p 的水解是一个放能反应，但并不是放能 j 最多的，有些磷酸酯化合物水解放出的能量比a t p 更多，但在许多生物代谢过程 r 中又都有a t p 参加，几乎成为唯一。这是由于它水解自由能g 值比较适宜，若 g 太大，意味着要合成它时需要更多的能量，若a g 值太小，则不能支持其它不 易发生的反应。a t p 在生物代谢循环中如此重要，因此将它称为“能量的货币”， 在代谢过程中传来传去发挥巨大作用。 五、磷与生命起源问题 磷与生命起源问题也有极为密切的联系；地球起源于4 5 亿年前，1 那么地球上 的生命是从何时开始，又是如何产生的呢? 许多实验事实 9 - 2 0 1 证明，磷在前生物条 件下对生命分子，如氨基酸、碱基、核苷、核苷酸、肽、寡聚核苷酸、核酸等的 ：一二 i 合成起着十分重要的作用，这激发了人们去探索在生命漫长的进化过程中，磷是 、， e ，、 怎样与组成生命的基本物质相互作用而逐步进化到现在这样精巧复杂的高等生命 j i 自；j 。“垂苦质裘送亨生物_ 体的结栖与功葩，：而芸交是这传信意的戥傣：髓遵它携带 - 7 + j 、r + j ：；， k ，：11 - ! ： j 、 h ：j0 、- 1 0 贵州大学硕士学位论文 的信息指导蛋白质的合成。长期以来人们常常感到困惑：没有核酸进行编码，蛋 白质酶是怎么来的，j 而没有蛋白质酶的辅助，核酸又怎么能复制呢? 由于氨基酸 在原始条件下比较容易形成f 2 1 1 ；? 生物体内绝大部分反应也都是由蛋白质催化的， 因此较早的时候人们倾向于生命起源于蛋白质的观点。f o x 用热聚合的方法制得了 具有某些催化活性“类蛋白”( p r o t e i n o i d ) ，在水中可以形成类似细胞的微球体 2 2 j 。 一l _ 、 然而，蛋白起源说有一个很大的难题就是无法解释蛋白质如何进行自我复制。c e e h 发现了具有催化功能的r n a 分子卿，这种r n a 能自发地催化其切割和剪接过程， i _ 从而导致自身长度的缩短，其催化机理正是一种在磷酰基作用下发生的自发反应。 。 c h e c h 的发现为生命的起源的认识点亮了又一盏明灯。此后又陆续发现了很多其它 _ 呻的这类分子，。由此g i l b e 矗提出了“吱n a 世界的理论，i 认为生命起源于核酸，原 i 始的核酸可以不仅具有携带遗传信息的功能，而且能够催化必需的化学反应【2 4 】。 ：清华大学化学系教授赵玉芬近十年来始终从事生命化学的研究，基手多年的研究， 一：她提出了“磷是生命化学的调控中心? 的著名观点，认为磷是生命物质核酸、蛋 。 白质的主控因子，t 磷的化学规律控制着糖( 。核糖，核酸) 1 以及氨基酸? ( 蛋白质) 的化学规律：从而控制着生命进化，并又提出了以磷酰化氨基酸为基础的“蛋白 核酸共同起源”假说 2 5 - 2 8 】，认为肽和核酸共同起源手磷酰化氨基酸，n 。即原始地球 上的高能磷化合物与氨基酸反应的产物。由于原始地球火山活动频繁，焦磷酸盐、 镤磷酸酯类化合物很可能在地表积累，这些化合物中的p b p 键含有的能量，通 l 过与氨基酸形成p _ n 键这一中间过程，最终转移到肽键和核苷酸的磷酸二酯键 中，以此来研究生命起源过程中的很多未解之谜。这一观点已经在国际上引起了 广泛地关注【2 9 】。 ：，。，”0 越来越多的事实表明，有必要从磷化学角度研究生命化学过程，一旦从磷化 。 。0 。一” 学角度入手研究，许多在生物化学家眼中被视为捉摸不透的生化过程即可迅速被 、理解或预言，许多复杂的生命现象也可以较容易地找到其化学依据。 ：_ ：= = 二_ _ 一= ：= = _ = = 二二：j 一= ：二二：一_ _ 一= _ = 一二= 一= 二_ _ _ 一_ 一一一= ， = = 二 。_ - 盯12 ：分子间相互作用与氢键 一 ： 。?：i一：，i i ： 1 1， t ： ：jv ：i 分子间f | ! 相乏作用，粤赘