气相中疏水氨基酸的单电子氧化还原性质.pdf

27 7 2 Ar t i cle 物理化学学报 Wu li Hu a x u e X u e b a o A ct a P h y s 一 C h i m S in 2 0 1 0 2 6 1 0 2 7 7 2 2 7 7 8 0 ct o b e r 气相中疏水氨基酸的单电子氧化还原性质 李伟伟 侯若冰 孙彦丽 广西师范大学化学化工学院 广西 桂林5 4 1 0 0 4 WWW wh x b p k u e d u c n 摘要 采用密度泛 函理论在 B 3 L Y P D Z P 水平上研究气相 中疏水氨基酸的单 电子氧化还原性质 计算表 明 发生单电子氧化反应时 侧链较小的甘氨酸 丙氨酸 脯氨酸 缬氨酸 亮氨酸 异亮氨酸丢失电子的主要部位是 氨基 一 碳和羧基 对应着相对较大的绝热电离能 8 5 2 9 1 5 e V 而半胱氨酸 甲硫氨酸 苯丙氨酸 酪氨酸 色氨 酸因侧链丢失较多负电荷 其电离能有所降低 气相中疏水氨基酸从外界捕获的电子主要驻留在羧基或氨基的 氢原子外侧以及分子的骨架上 形成具有偶极边界结构和价键结构的混合状态阴离子 绝热电子亲和势在一 0 0 8 至一 0 6 3 e V之间 由于氨基酸的电离能较大且电子亲和势为负值 所以在气相中它们既不容易被氧化也难以被 还原 关键词 疏水氨基酸 电离能 电子亲和势 氧化还原 中图分类号 0 6 4 1 Ch a r a ct e r is t ics o f One Ele ct r o n Re d o x Be h a v io r o f Hy dr o ph o b ic Am ino Acids in Gas Pha s e LI W e i W e i HOU Ru o Bin g S UN Ya n Li C o ll e g e o fC h e mi s t r y a n d C h e mi ca l E n g i n e e r i n g Gu a n g x i N o r m a l v P Gu i li n 5 4 1 0 0 4 Gu a n g x i P r o v i n ce P R C h i n a Abs t r a c t Ch a r a ct e r is t ics o f t he on e e le ct r on r e d o x b e h a vio r of hy d r op ho b ic a min o a cids in g a s ph a s e we r e ca lc u la t e d wit h d e ns it y f un ct io na l t h e o r y a t the B3LYP DZP le v e 1 Fo r glycin e a la n in e p r o lin e v a lin e le ucin e a n d is o le u cin e wit h s ma ll s ide cha ins t h e compu t a t ion a l r e s u lt s in d ie a t e t ha t the ne ga t iv e cha r ge s a r e r e mo v e d f r om the a t o ms o f t h e ir a min o O 一 carb o n a n d carbo x y moie t ie s in o n e e le ct r o n ox id a t io n r e a ct io ns This y ie ld s large a d ia ba t ic io n i z a t io n p o t e n t ia l s AI P o f 8 5 2 9 1 5 e V T h e AI P s o f cy s t e in e me t h i o n in e p h e n y l a l a n i n e t y r o s in e a n d t r y p t o p h a n d e cr e a s e b e ca u s e o f the larg e r a mou n t of n e ga t ive ch arg e r e mov e d f r o m the a t oms in the ir s id e cha ins Th e a t t a chme nt o f o n e e le ct r o n t o t h e mo le cu le s o f h y d r o p h o b ic a min o a cid s le a d s t o a n io n s in wh ich the e x tr a e le ctro n iS b o u n d t o the H a t o ms o f t h e ca r bo x yl o r a mino g r o u ps a n d t o the ir va le n ce o r b imls r e fl e ct in g t he do u ble n a t u r e o f the dipo le bo u nd s t a t e a n d t h e v a le n ce s t a t e T h e e le ctro n a ffi n it ie s f E A f o r t h e a min o a cid s a r e s ma l1 a n d n e g a t iv e r a n g in g fro m 0 0 8 t o一0 6 3 e V Th e mo le cule s o f the h yd r op h ob ic a mino a cid s are o x id iz e d or r e du ce d wit h diffi cult y in g a s ph a s e b e ca us e o f t h e ir h igh VI Ps a n d n e ga t ive EAS Ke y W o r d s Hy d r o p h o b ic a min o a cid I o n iz a t io n p o t e n t ia l Ele ct r o n a ffi n it iy Re d o x 氨基酸是蛋白质的基本组成单位 其氧化还原 特征将直接影响到蛋 白质的稳定性 在表征氨基酸 的氧化还原性质 时 电离能和电子亲和势 的测定具 有重要意义 1 9 9 7 年郭志峰等 l J采用质谱法测定了 l9种天然氨基酸的垂直电离能 C a mp b e ll等 用光 电子能谱法测定了部分氨基酸的绝热电离能 但有 7 种氨基酸绝热电离能因实验条件限制而无法测定 在理论计算方面 D e h a r e n g 等 羽 在 2 0 0 4 年计算了甘 Re ce iv e d M a y 2 6 2 01 0 Re v is e d J u n e 3 0 2 01 0 P u b lis h e d o n W e b Au g us t l 7 2 01 0 Co r r e s p o n d in g a u t h o r E m a il r b h o u 1 6 3 co m Te l 8 6 7 7 3 5 8 4 6 2 7 9 T h e p r o j e ct w a s s u p p o s e d b y t h e I n n o v a t io n P r o j e ct o f G u a n g x i G r a d u a t e E d u ca t i o n C h i n a 2 0 0 9 1 0 6 0 2 0 7 0 3 M4 8 广西研究生创新计划项 目 2 0 0 9 1 0 6 0 2 0 7 0 3 M4 8 资助 E d i t o r ia l o f f i ce o f A ct a P h y s ico C h i m ica S i n i ca NO 1 0 李伟伟等 气相中疏水氨基酸的单电子氧化还原性质 2 7 7 3 氨酸 丙氨酸 天冬酰胺 酪氨酸和色氨酸的两种不 同构象的垂 直电离能 Mille fi o r i 等 则直接采用 了 文献 3 1 中个别氨基酸的的优势构象作为全部氨基 酸的稳定构象形式计算所有氨基酸的垂直 电离能 但遗憾的是其多数计算结果与实验值 1 J 的偏差超过 0 5 e V 而最 大偏 差竞达 2 2 6 e V Kis h o r a等畸 也计 算了 1 9种氨基酸的垂直电离能和绝热电离能 但计 算值与实验值的最大偏差分别达到 2 6和 1 7 6 e V 关于氨基酸的电子亲和势 到 目前为止 未见系统的 研究报道 更重要 的是 上述所有关于氨基酸电离能 的实验和理论研究中 都缺乏 电子转移过程 中分子 的电子结构分析 而本文则对氨基酸的绝热电离能 垂直电离能 绝热电子亲和势 垂直 电子亲和势进行 了更为精确的计算 同时对相关氧化还原过程 中的 电子结构进行 了系统的分析 所有氨基酸中 甘氨酸 Gl y 丙氨酸 Al a 缬氨 酸 Va 1 亮 氨 酸 L e u 异 亮 氨 酸 I le 半 胱 氨 酸 C y s 脯氨酸 P r o 甲硫氨酸 Me t 苯丙氨酸 P h e 酪氨酸 T y r 和色氨酸 T r p 等 1 1 种氨基酸均含有非 极l 生 侧链 为疏水型氨基酸 通常会形成蛋白质的疏 水内核 对维持蛋白质结构稳定有重要作用 尽管天 然氨基酸有 2 0种 但限于篇幅 以及为与实验值对 比 本文仅研究了气相中 l1种疏水氨基酸的单 电子 氧化还原性质 因有研究 指 出气相 中氨基酸的中 性分子比两性离子要稳定 我们只选取具有非两性 离子形式的中性氨基酸分子进行计算和分析 1 计算 方法与细节 经实验检验可靠 的密度泛 函理论 B 3 L Y P方法 与 DZ P 基组 8 1 用于本研究 的全部计算 该方法的 计算结果已被广泛的实验数据嘲 证实能够准确地描 述分子 阴离子 8 j 以及偶极边界态阴离子 1 0 1 2 的结 构与性质 而且该方法在生物分 子的反应机理 1 3 1 4 的研究也是成功的 本文中分子结构的全优化 及结 构优化所得到的局部能量极小点均通过频率分析加 以确认 所有计算都使用 G a u s s i a n 0 3 程序 完成 体 系中各原子的自然电荷布居则使用同样的计算方法 根据 自然键轨道 NB o 6 2 0 分析得到 分子轨道和 自 旋密度图都使用 Ga u s s Vie w软件绘制 分子构象的差异对其氧化还原性质有一定影响 本文用于计算的初始结构来源于文献 2 1 2 9 1 报道的 各个氨基酸分子的全局能量极小点 1 1种疏水氨基 酸 的构象可分为两种类型 G ly A la Va l L e u I le 和 Me t 属构象 I 而 Cy s P r o P h e T y r 和 T r p属构象 I I 图 1 构象I I I 与晶体数据库 R e s e a r ch C o l l a b o r a t o r f o r S t r u ct u r a l B io in f o r ma t ics P r o t e in D a t a B a n k 中氨 基 酸的构象 I I I 不 同 为考查不 同初始构象对氨基 酸性质的影响 本文同时计算了以构象 I I I 为初始结 构时疏水氨基酸的电离能和电子亲和势 垂直 电离能 VI P 绝热 电离 N u AI P 垂直电子 亲和势 V E A 以及绝热电子亲和势 A E A 依据 下列 公式计算 V I P E ca t io n a t o p t imiz e d n e u t r a l g e o me t r y E o p t imiz e d n e u t r a l g e o me t r y AI P E o p t i miz e d ca t io n g e o me t r y E o p t imiz e d n e u t r a l g e o me t r y VEA E o p t imiz e d n e u t r a l g e o me t r y E a n io n a t o p t imiz e d n e u t r a l g e o me t r y AE A E o p t imiz e d n e u t r a l g e o me t r y E o p t imiz e d a n io n g e o me t r y 2 结果与讨论 计算表明 初始结构属于构象 I I 1 的氨基酸分 子的能量比初始结构为构象 I I I 的低 4 5 3 1 6 1 1 k J mo l 0 0 4 7 0 1 6 7 e V 所以 本文的后续讨论除特 别说 明外均针对构象 I I I 进行 2 1 分子结构 优化得到的所有中性氨基酸分子都属 L型 具 有构象 I 形式的氨基酸倾 向于形成 O H N型氢 键 具有构象 I I 的氨基酸倾 向于形 成 一H N型 麟 2 77 4 Act a P s 一 C h i m S i n 2 0 1 0 V0 1 2 6 氢键 而具有构象 I I I 的氨基酸则形成 H O H N 型氢键 图 1 氨基酸分子丢失一个电子后 所产生的多数 阳 离子 自由基 G lv Ala V a l I le L e u 和 P r o 中c 2 一 Nl 键长较 中性分子缩短 6 8 p m 出现这种变化 的 原因在于中性氨基酸分子的最高 占据轨道 H O MO 在 C 2 一Nl 键附近具有 7 r 反键轨道特征 反键电子 的丢失加强了 C 2 N1问的成键作用而使键长缩短 此外 Gl y Al a L e u 和 P r o 的 C 2 一C 3键长 比中性 分子的伸长 8 1 3 p m Va l I le 的 c 2与侧链 R的键 连 C原子间的共价键 c2 c R 伸长了1 7 p m 究其 原因是这些分子的 HO MO在这两个成键位置都具 有 O 成键轨道特征 成键 电子的丢失明显削弱了成 键作用使键长伸长 这种共价键的削弱有可能造成 氨基酸分子脱羧或解体 氨基酸捕获一个电子后 形成 的阴离子 自由基 与中性分子相 比较 两体 系化学键长变化都小于 3 p m 键角变化小于 5 这与多数氨基酸阴离子表现 为偶极边界结构和共价结构的混合结构状态有关 即阴离子捕获的外来 电子只有一部分进入了氨基酸 分子骨架的轨道中 与此同时 还有一部分电子则分 布在分子外侧的某个部位 外来 电子的这种分布方 式对中性氨基酸分子 中电子分布的影响不是很大 所以 形成的阴离子与中性分子相 比 结构变化不明 显 2 2 分子轨道分析 图 2中只绘出了部分具有代表性 的中性分子的 H OMO 最低空轨道 L U MO 以及 阴离子 自由基的 H OMO g P 其单电子占据轨道 S O MO 中性分子中 Va l 图 2 G ly A la P r o I le和 L e u 的 H O MO主要分布在分子的羧基 氨基 C 2 及侧链 第一个 C原子的周 围 由此可以推测 这六种氨基 酸氧化丢失 电子 的部位应主要集 中在这些原子附 近 NB O电荷计算表 明 氧化过程 中 G ly Ala Pro 和 L e u的 N1和 0 4原子丢失电子 0 5 3 e 一 0 6 1 e C 3 原子丢失 0 0 2 e 一 0 0 5 e 而 Va l I le的 N1 原子分别丢 失 0 4 1 e 0 4 0 e 侧链第一个 C原子都约丢失 0 1 ie 这些电荷转移过程与阳离子中 C 2 c 3 或 c 2 c R 键 明显伸长有一定关系 P h e的 H O MO 图 2 分布在 04和侧链芳环上 氧化过程中 P h e的 0 4和芳环上 共丢失电子 0 7 8 e 由于 C y s 图 2 Me t 的 HO MO主 要分布在侧链的 s原子上 T r p 图 2 和 T y r 的HO MO 则是主要分布在侧链的共轭环上 因此 这四种氨基 酸的氧化反应主要发生在侧链上 其中 C y s 和 Me t 的 s原子分别丢失 电子 0 5 6 e 0 5 1 e T r p和 T y r的 共轭环丢失电子 0 8 8 e 0 7 3 e 而这与 V o r s a 等 的 实验结论是一致的 侧 链 中 无 芳 环 的 V a l G ly A la I le L e u C y s 鳓 Cy s HOM O Tr p HOM O 潍 Tr p LUM O 零 繇 0 M e t 一 S OM O Cy s 一 S OM O Tr p S OM O 图 2 氨基酸 中性分子和阴离子的分子轨道 Fig 2 M o le c u la r o r b it a ls f o r t he n e u t r a l m o le cu le s a n d an io n s o f a m in o a cid s NO 1 0 李伟伟等 气相中疏水氨基酸的单电子氧化还原性质 2 7 7 5 P r o和 Me t 其 L U MO都分布在羧基上 T r p和 T y r 的 L UMO则分布在侧链的芳环上 而 P h e的L UMO 在羧基和侧链苯环上都有分布 如前一节所述 在中 性氨基酸分子的单电子还原反应 中 外来 电子并没 有完全进入 中性分 子 的 L U MO 所形 成 阴离子 的 S O MO在分子的外侧和分子骨架上都有分布 形成 兼具偶极边界 阴离子和价键结构 阴离子 的混合结 构 具 有 构 象 I的 Va l一 Gly 一 A la 一 L e u一 I le 一 的 S O MO主要分布在阴离子羧基 H原子的外侧 以及 其它多个原子周围 Me t 一 的 S OMO则主要分布在羧 基上 少量分布在 H 6原子 的外侧 具有构象 I I的 C y s 一 和 P r o 一 的 S O MO主要分布在氨基 H原子 以及 C 2 C 3等多个原子上 T r p T y r 和 P h e 一 的 S O MO在 氨基 H原子外侧 羧基和芳环的多个原子周围都有 分布 而且 P h e 一 的 S O MO在整个分子 中离域程度 最大 目前 已有实验 3 1 表 明 Gl y 一 和 Ala 一 确实具有 一 定的偶极边界离子特征 这种电荷分布形式 的重 要性在于氨基酸阴离子易于把多余的负电荷释放到 外界环境 如溶剂水 中 从而减少外来 电子对蛋 白 质的损伤 2 3 自旋密度 自旋密度可以反映 自由基中单 电子的分布 根 据 自由基 中的自旋密度分布可以推测 自由基的氧化 还原性特征 图 3为部分代表性 的氨基酸离子 自由 基的 自旋密度 图 1 1 种疏水氨基酸阳离子 自由基 的 自旋密度分布在形态上与其 中性分子的 HO MO基 本一致 表 明中性分子 的 电离过程 确实发生 在其 H O MO上 电离形成的阳离子 自由基 的单 电子多驻 留在 电负性较大 的 N 0原子 以及 S原子和侧链芳 环上 对 于侧链无芳环的阳离子 如 Va l C y s 其 自 旋密度分布使得 阳离子具有从外界夺取电子还原为 中性分子 的倾 向 事实上 中性分子较大 的 VI P值 表 1 也是阳离子这种氧化性倾 向的一种反映 氨基 酸阴离子 自由基 的 自旋密度分布都与其 S O MO基本一致 除在分子骨架 中有部分 自旋密度 分布外 图 3显示 多数氨基酸阴离子的单 电子也 明 显地驻 留在电负性较小 的 H原子附近 这种 自旋密 度分布形式不利于阴离子对其电子 的控制 易失去 电子而呈还原性 值得注意 的是 P h e 一 的 自旋密度在 侧链 的芳环上存在非 常明显的离域分布 这种分布 形态显 然有利 于 阴离子 中 电荷 的分散 进而增 强 P h e 一 的稳定性 2 4电离能和 电子亲和势 表 l 列 出了计算 的电离能与 电子亲和势 所有 疏水氨基酸的V I P都大于 A I P V E A的绝对值都比 A E A的大一些 这是合理 的 因为氨基 酸分子在失 去或得 到一个电子后 最初的阳 阴离子随后的结构 松弛将使体系能量下降 形成相对稳定的结构状态 多数氨基酸 VI P的计算结果与实验值 比较接 近 V I P计算值与实验值 的平均偏差为 0 3 4 e V 尽 管 Ala C y s 和 T r p的 V I P计算值与实验值偏差较大 0 4 8 0 6 6 e V 但我们的计算精度仍优于文献的结 果 这些文献报道的 V I P计算值与实验值平均偏 差远大于本文 的 0 3 4 e V 分别达 到了 0 4 9和 0 9 6 e V 而他们对 Ala C y s 和 T r p的计算结果与实验值 的偏差范围则分别为 0 8 2 一 1 1 8 e V和 0 8 3 2 0 5 e V 魄 鲰 零 Cy s P h e M e t 图 3 氨基酸离子阳离子和阴离子自由基的自旋密度图 Fig 3 S p in d e ns it y ma p s o f s e v e r a l c a t io n a n d an io n f r e e r a d ic a ls 2 77 6 Act a P h y s 一 C h i m S i n 2 0 1 0 Vo 1 2 6 表 1 气态中疏水氨基酸的电离能和电子亲和势 Ta b le 1 I o n iz a t io n po t e n t ia ls a n d e le c t r o n a f f i nit ie s in g a s p ha s e VI P v e r t ic a l io n iz a t io n p o t e n t ia l mI P a d ia b a t ic io n iz a t io n p o t e n t ial VEA v e rtic al e le ct r o n a ffin it y AEA a d ia b a t ic e le ct r o n a ffin it y Th e o r l t h ecal cu la t e dr e s u lt sb a s e do nco n f o r ma t io nI o r Th e o r 2 t h e ca lcu la t e dr e s u lt s b a s e do nco n f o rm a t io nI I I t he t h e o r e t ical v a lu e s we r e ca lcu la t e d a t t h e B3 LY DZP 卜 le v e 1 这表明基于 B 3 L Y P D Z P 方法计算的V I P 值更可 靠 本文对疏水 氨基酸 A lP的计算相 当精确 除 C y s 的计算值 比实验值圆 高 出 0 5 6 e V外 整体计算 值与实验值 的平均偏差仅为 0 2 4 e V 文献 f 5 也计 算了疏水氨基酸的 A I P 但其计算值与实验值的平 均偏差却达到了0 6 4 e V 其 C y s 的计算结果比实验 值也高出 O 6 8 e V 所有疏水氨基酸电子亲和势的数值都为负值 这说 明中性分子的能量要 比其 阴离子能量稍低 气 相中阴离子不能稳定存在 这显然与所形成的阴离 子兼具偶极边界结构态和价键结构态 负电荷不能 充分地分散在整个阴离子中有关 仔细观察表 l 还可以发现 氨基酸电离能 的大 小与侧链有密切关系 侧链上 c 原子数越多 其电 离能越小 而 C y s Me t 侧链上 s原子使它们的电离 能 比侧链 中所含有碳原子数相同的氨基酸 的要小 其中 Me t 的电离能甚至比 P h e的还小 这一现象与 氨基酸的结构及其丢失 电子的部位密切相关 正如 前面分子轨道的分析所指出的 含脂肪烃基侧链 的 氨基酸分子丢失 电子的部位是氨基和羧基 但含 s 的氨基酸的电离同时也发生在 s原子附近 而 s的 电负性与 C相当 却比N和0要小得多 因而对电 子的束缚能力较弱 故含 s的氨基酸 C y s 和 Me t 易 失去电子 具有同一构象形式的疏水氨基酸电子亲和势的 数值也会随着侧链碳原子数的增多而减小 究其原 因是 因为氨基酸侧链具有分散 电荷 的作用 随着体 系的增大 其侧链容纳和分散负电荷的能力增强 因 而可以形成相对稳定些的阴离子 2 5 氨基酸分子的初始构象对垂直电离能的影响 仔细分析表 1的电离能数据 可观察到一个有 趣 的现象 使用全局能量极小点分子结构 构象 I I I 作初始结构计算出的 V I P值 数据 T h e o r 1 均大 于初始结构源 于蛋 白质数据库 构象 I I I 的计算值 数据 T h e o r 2 这表明具有不同构象的氨基酸分子 垂直电离时所需的能量是不同的 所有 l1 个疏水氨 基酸分子因初始构象差异而导致的垂直电离能的差 别在 0 0 4 0 5 5 e V范围内 这是具有全局能量极小 点构象的氨基酸分子垂直 电离时环境需要多付出 的能量 当然 发生垂直 电离时环境提供的能量总 是过量的 因此 无论是哪种构象的氨基酸分子 其 电离过程都能进行 另一 方 面 如 果将 气 相氨 基 酸视 为服从 B o lt z r n a n n分布 非简并 可分辨 的分子体系 那么 就能容易地估算出具有不 同能量 不 同构象的氨基 酸分子发生垂直 电离 的分子百分数 进而可利用该 百分数做权重估算 出各氨基酸统计平均的 VI P值 为简便起见 我们假定氨基酸气体中只存在 I I I I 或 I I I I I 两种构象态 这里以两种构象态能量差最大的 L e u 1 6 1 1 k J mo l 和最小 的 A1 a 4 5 3 k J mo l 为 例进行计算 根据 B o lt z ma n n分布关系 式 中 丁 分 别为 B o lt z ma n n常数和绝对温度 e x p 2 E 1 可估算出在文献 1 的实验温度 2 6 0 时 具有能量 构象 I 或 I I 构象 I I I 的两种分子的分子数 z n 之比 L e u和 A la的该 比值分别为 3 7 9 4和 2 7 8 2 N0 1 0 李伟伟等 气相中疏水氨基酸的单电子氧化还原性质 2 7 7 7 也就是说 两种氨基酸的低能量构象的分子百分数 分别 为 9 7 4 3 和 7 3 5 6 以此为权重计算 得到 的 统计平均 V I P值分别为 9 3 l 9 5 4 e V 这两个计算 值与表 l 中的数据对 比可知 由于具有高能量 的构 象 I I I 的分子百分数较小 而且 单独利用构象 I I I 的 结构计算 出的 V I P值又偏小 所以 统计平均的 VI P 值 只是比单独利用构象 I 或 I I 计算出的值略小 我 们将全部氨基酸的 V I P值按这种方式计算 出来 后 进行统计 发现统计平均 的 V I P值 与实验值 的平均 偏差 比全部使 用构象 I I I 结构 的 V I P计算值 的平 均偏差 0 3 4 e V稍小 但如果全部使用构象 I I I的结 构计算 V I P值 则对应的平均偏差较大 0 4 2 e V 由 此 可见 全面考虑各 种可能 的初 始构象计 算 出的 V I P值更为可靠 2 6 蛋白质一 DNA 复合物单电子损伤的分析 任何生物体的生长 发育过程都离不开蛋白质一 D NA间的相互作用 在正常条件下 只有当蛋 白质 与 D NA间的准确识别过程顺利完成后 才能有效 地形成蛋 白质一 D N A 复合 物 随后 进行 D NA的复 制 新蛋 白质 的合成等生命 过程 但在这些复杂 的 过程 中 只要在蛋 白质一 D NA问的相互作用 的环节 上发生一个微小的氧化还原变化 就可能出现蛋 白 质或 D NA损伤 这类 氧化还原损伤如果不能得到 有效的修复 便会对生命体的安全产生严重威胁 比较气相 中 l1种疏水 氨基 酸与 D NA中 4种 单核苷酸的氧化还原性质有助于我们分析和推测蛋 白质一 DN A复合物发生氧化还原损伤时的可能对象 使用相 同的理论方法 我们计算了 D NA中 4种单 核苷酸的氧化还原性质 2 一 腺嘌呤脱氧核苷一 5 一 磷 酸 2 鸟嘌呤脱氧核苷 5 一 磷酸 2 胸腺 嘧啶脱氧 核苷 5 一 磷酸 2 胞嘧啶脱氧核苷 5 磷酸的 A I P和 A E A 分 别 为 7 4 9 7 1 3 7 8 4 7 7 1 e V 和 0 2 4 0 1 7 0 3 8 0 2 3 e V 显然 如果蛋 白质 D NA复合物 中不 同的核苷酸与不同的疏水氨基酸相互作用时遭遇到 氧化还原的威胁 所发生的具体损伤结果是不同的 由于氨基酸 的 A E A均为负值 而 4种脱 氧单核苷 酸的 A E A均为正值 所 以 外界因素所带来 的电子 将只会 引起 D NA损伤 另一方面 由于 4种脱氧单 核苷酸的 A lP几乎都 比疏水氨基 酸的 b T r p除外 为 7 2 e V 所 以当外来 的氧化性微粒 出现在蛋 白 质一 D NA复合物 附近时 也会导致 D N A 出现损伤 只有当蛋白质一 D N A复合物附近恰好存在的氨基酸 残基是 T r p时 损伤的对象才可能是蛋 白质 尽管这 种分析只是建立在气相计算结果 的基础之上 没有 考虑到水 的存在 但在蛋 白质一 DNA复合 物的疏水 相互作用 区域里 这种推测是合理 的 因为在疏水区 域里 完全溶 剂化是不存在 的 至多只是微溶剂化 水分子极少 而 已 因此 这种现象值得实验上的进 一 步研究 3结论 使用可靠的 B 3 L Y P D Z P 理论方法探讨 了气 相中 l 1 种疏水氨基酸的单 电子氧化还原性质 理论 计算表 明 1 氨基酸分子发生单电子氧化反应时 侧链结 构不同 丢失 电子的部位有差异 G ly A la P r o Va l I le 和 L e u主要在 H N C 2 一C 0 0H部位丢失电子 P h e的羰 基 0和侧链部 位都会 丢失 电子 而 C y s Me t T y r 和 T r p的电子丢失则主要发生在侧链 2 轨道分析和 自旋密度分析一致表明 气相 中 疏水氨基酸从外界捕获一个 电子发生单电子还原反 应后 形成了兼具偶极边界结构与价键结构的混合 状态阴离子 单电子主要驻 留在电负性小的 H原子 外侧 以及分子骨架的部分原子周围 3 多数疏水氨基酸电离能 的计算值 与实验值 相当接近 电离能数值较大 电子亲和势数值为较小 的负值 表 明氨基酸在生物体内既不容易被氧化也 难以被还原 由于 D N A 中 4种单核苷酸 的电离能 相对小而电子亲和势却为正值 因而当蛋 白质一 DN A 复合物 的疏水相互作用区域遭遇到氧化性或还原性 微粒时 容易造成损伤 的是 DN A而不是蛋白质 Ref er enc es 1 Gu o Z F A n Q R J o u r n a l o fH e b e i U n i v e r s i t y Na t u r a l S ci e n ce E d i t i o n 1 9 9 7 1 7 7 3 郭志峰 安秋荣 河北大学学报 自然科 学版 1 9 9 7 1 7 7 3 2 Ca mp b e ll S Be a u c h a mp J L Re mp e M Lich t e n b e r g e r D L I n L M a s sS pe ct r o m I o nPr o ce s s e s 1 9 9 2 11 7 8 3 3 De h a r e n g D Div e G I nt Mo1 S ci 2 00 4 5 3 01 4 M ille fi o r i S Alp a r o n e A M ille fi o r i A Va n e lla A Bio p h y s Ch e m 20 0 8 1 32 1 3 9 5 Kis h o r a S Dh a y a lb S M a t h u r c M Ra m a n ia h L M M o 1 P S 20 0 8 1 06 2 2 8 9 6 W r ig h t L R Bo r k ma n R F I Am Ch e m S o c 1 98 0 1 0 2 6 2 07 7 Ra i A K S o n g C Lin Z J S pe ct r o ch im Act a A 20 0 9 7 3 8 6 5 8 Rie n s t r a Kir a c o f e J C Ts ch u mp e r G S Sch a e f e r H F Na nd i S Ellis on G B Ch e m Re v 2 00 2 1 02 2 3 1 27 7 8 Act a Ph y s C h i m S i n 2 0 1 0 Vo1 2 6 9 Ho u R B Gu J D Xie Y M Yi X H S ch a e f e r H F J P s Ch e m B 2 0 05 1 0 9 2 2 0 5 3 1 0 Rich a r d s o n N A Gu J W a n g S Xie Y Sch a e f e r H F Am Ch e m S o c 2 0 0 4 1 2 6 4 4 0 4 1 1 Gu J Xie Y S cha e f e r H F Nu cle icAcid sRe s 2 00 7 3 5 51 6 5 1 2 Gu J Xie Y S ch a e f e r H F y s Ch e m B 2 01 0 1 1 4 1 2 21 1 3 Ba o X G W a n g J Gu J D L e s z c z y n s k i J Pr o c Na t 1 Aca d S ci A 2 0 06 1 03 5 6 5 8 1 4 Ho u R B Li W W S h e n X C Act a尸 一 c S in 2 0 08 2 4 2 6 9 喉 若冰 李伟伟 沈星灿 物理化学学报 2 0 0 8 2 4 2 6 9 1 5 F r is c h M J Tr u c k s G W S c h le g e l H B e t a 1 Gan s s ia n 0 3 R