量子 生物 学 及 其 应 用 RRA 主编 Lae RH i “ie a 64) 9 : % j J ay" sy 办 2 NA pf oye 各 “\) fs oe | pee para 3 257, 站 f f ‘ 4 Bea ay bed Say y y SS ? a ee Cys m * 站 way” Xe. en ; a Od ee SAPRGAPER 22650 wwii 内 容 提 要 未 书 内 容 丰 富 、 广 泛 ， 反 映 了 近代 量子 生物 学 的 主要 方面 及 最 新 研究 成 果 和 发 展 趋 势 。 全 书 共 12 章 ， 分 别 介绍 了 量子 生物 学 的 基本 原理 和 方法 ， 以 及 应 用 量子 生物 学 方法 对 核酸 结构 与 功能 、 蛋 白质 电子 结构 、 酶 作 用 机 理 、 生 物 分 子 空间 构象 、 金 属 离子 生物 学 功能 、 生 狗 系 统 中 能 量 和 电子 转移 、 化 学 致癌 作用 等 的 研究 ， 并 ， 介绍 了 量子 遗传 学 及 量子 药理 学 。 本 书 适合 生物 学 、 医 学 、 农 学 及 物理 、 化 学 等 专业 的 研究 生 和 大 学 高 年 级 学 生 使 用 ,对 教师 和 有 关 科 研 工 作者 也 是 一 本 有 价值 的 参考 书 和 工具 书 。 编著 者 〈 以 姓氏 笔划 为 序 ) 王 = (中 国 科学 院 昆 明 动 物 研 究 所 ) 王 身 立 (湖南 师范 大 学 ) 白 适 彬 〈 中 国 科 学 院 生 态 研究 中 心 ) Be 洪 (北京 轻工业 学 院 ) 吴 吉 安 〈 中 国 科学 院 上 海 药物 研究 所 ) 刘 次 全 《中国 科 学 院 昆明 动物 研究 所 ) 刘 征 先 〈 中 国 科学 院 上 海 冶金 研究 所 ) 沈 仲 钧 〈 华 东 师 范 大 学 ) BB 〈 上 海 科 学 技术 大 学 ) W RB 〈 云 南大 学 ) MRA RRA) 中 国 科学 院 上 海 生 物化 学 研究 所 生物 大 分 子 构象 组 Tene 田 年 量子 生物 学 及 其 应 用 刘 次 全 ”主编 LAE RE ATKRATSKERMMR 华 书 店 总 店 北京 科技 发 行 所 发 行 人 KK AA « m REN G- EH 开本 7871092 1/16 印张 36.75 字数 ,860 000 1990 年 12 月 第 1 版 1990 年 12 月 第 1 次 印刷 印 数 0001 一 1 220 ISBN 7-04-003216-3/Q.172 证 做” 7.20 7 前 OS 第 1 章 绪 论 1.1 一 门 新 兴 的 边缘 学 科 -一 量子 生物 学 oo G1) ?.2 量子 生物 学 的 研究 内 容 0 (2) 1 ee 量子 生物 学 的 任务 . 和 (2) 1 ”量子 生物 学 与 其 它 学 科 的 联系 Bede dondeWs ds sNcodccsedusoctdecddscecsbdeee’ C5) 15 量子 生物 学 展望 eeeeooeeeeeeeeooeosoos (5) 第 2 章 ”量子 生物 学 的 理论 方法 和 理论 .2.1 量子 化 学 基础 知识 和 (7) 2.1.1 WEBB B ERLE -eeeeeeeeeeeeerrrrreeeceees (7) 2.1.1.1 BEER RZ ooo ec eweeeveee oo Gry 21.1.2 RUTH - cee cenccccevcncceveccccsccccccescccess (<8) 2.1.2 BHP PBB …………: (10) Dede Bak SEATON a 622 eS Tee giee eet. 0e. (10) 2.1.2.2 Born-Oppenheimer j&{IJ--+++------ (10) 2.1.2.3 MUTI] crear ree vee cer scmmmerrseeceress (11) 2 量子 生物 学 方法 和 指数 wo (12) 2.2.1 BASS FB RR ee-eeeescrcececsecesees (12) 2.2.1.1. Hiickel 分 子 轨道 法 (HMO oS eee teeeeeeeeneeseeeeseessesesees (13) 2.2.1.2 微 扰 分 子 轨道 法 (PMO 法 ) coors (20) 2.2.1.3 扩展 的 Hiickel 分 子 轨道 法 (EHMO 法 或 EHT 法 ) ，………… (23) 2.2.2” 半 经 验 自 洽 场 分 子 轨道 法 (26 ) 2.2.2.1 Aiea MBM (CNDO 法 ) «+ (27) 2.2.2.2 (Bic ity 20 We WL UF tks) TE BRE GNNEDO 和 全 二 人 2。 (31) 2.2.3 从头 计算 法 (ab initio 法 ) …… (33) Re (38) De DeB AY F-BR HS FRE nec eccccccscccsccccacssasee (40) 2.2.5.1 从 头 计算 法 的 分 子 静 电势 计算 ……, (41) 2.2.5.2 CNDO 法 分 子 静电 势 计算 …:………. (44) 2.2.5.3 生物 分 子 的 分 子 静电 势 计 算 …………: (46) 2 2s OPC. Fy Wi beet. ease eh, 58 (46) 2.2.6.1 PCILO 法 基本 震 理 oase， (47) 2.2.6.2 PCILO PER YAP HEE cereeceeseeuees (49) 2.2.6.3 PCILO 法 的 适用 范围 以 及 应 站 区 人 有 区 7 区 2 ee 5505 oceanies (50) 2.2.7 .分子 力学 讨 算法， (52) 2.2.7.1.1 分 子 力学 原理 .ee (52) yy BY fey As a 9 B= not yy 28 Cee (56) 2.2.7.3 分 子 力学 在 量子 生物 学 中 的 Bu Fil soese snacvsncssrsvs nas dtm socessaecnes (56 ) 第 3 章 原子 间 相 互 作 用 和 分 子 间 相互 作用 3.1 生物 分 子 中 原子 间 的 相互 作用 weeweeesesseeoossesesseeossosesoosossoesssoe ( 61 ) 3.1.1 相互 作用 力 和 能 量 ,ee ws (61) 3.1.2 “原子 间 相 互 作用 的 分 类 …………… (63 ) 3.1.3 定 域 键 和 离 域 键 … aasssesooso。oo。o。 (63) 125. 1 RN tec D han sthetaenensacde..ss (63) a Le ee BE Sh dat oo (67) 3.2 FZ) TANG AR LYE Fa verre (69) 3.2.1 Van der Waals-London 相 互 作 用 aa (70) 3.2.2 Sp FHA ARAN [eA nee (15) 3.2.3 ”电荷 迁移 相互 作用 .0 (79) 3.3 生物 分 子 的 特异 作用 和 识 别 | 站 人生 全 全 全 和 (84) 3.3.1 特异 作用 和 生物 分 子 识 别 的 物理 、 化 学 基础 .ee (84) 3.3.2 Big Sr yy BE Fy oes eeeeeeteeee = (87) 3.3.2.1 活性 中 心 与 诱导 -契合 学 说 ，……… (87) 3.3.2.2 Mii —tEAR EBB ………- (88) 3.3.2.3 从 轨道 对 称 性 看 酶 的 专 一 性 eee (89 ) 3.3.2.4 ” 酶 与 辅酶 间 的 相互 作用 verre eee (89) 3.3.3 密码 子 与 反 密 码 子 的 识别 和 2, le es ET / 3; : eae te ea (92) 3.3.4 抗原 -抗体 反应 的 专 一 性 ………” (95 ) 第 4 章 ， 核酸 的 结构 与 功能 4.1 核酸 的 化 学 组 成 和 分 子 结 oak ch ake ora are (99) 4.2 ”核酸 及 其 组 分 的 电子 结构 ……” (104) 4.2.1 哇 叭 和 喀 啶 碱 基 的 电子 结构 …… (105) A.2101 HL AESY A AUS veeeseeeeseeeeere (105) 4.2.1.2 碱 性 .9 人 (109) 4.2.1.3 ”分子 轨 道 能 、 电 离 势 和 电子 亲 合 势 (110) 4.2.1.4 电荷 密度 、 自 由 价 、 键 级 和 超 离 域 度 sseooosesazaeo。sesseeeeee (113) 4.2.1.5 碱 基 激发 态 的 电子 结构 rrr (115) A.2.2 BRRER TAS HE PP (118) ve 碱 基 的 分 子 静电 势 5 (121) 4.2.4 核酸 碱 基 的 配对 Wevivwcrsneasssuperds am (121) 4.2.5 多 聚 核 苷 酸 MR covaccccscccscencusteuses (126) Verte We: &: See (126) 420° 5 22 BAR she cdovsscecdeccccsstcvccscssecnesecs (126) 4-3.5.0 SZRBAR ealecapeva scsvcncmpoaneeesase (131) 4.3 DNA WHR BEE 4.4 BRB IED 学 问题 ececccceccccnccccccescosevesscvessseees (136) 4.5 核酸 的 能 带 结 构 本 (139) 4.5 ”核酸 和 和 蛋白质 的 相互 作用 ……” (42) 4.6.1 碱 基 对 与 丝氨酸 的 专 一 识别 …… (142) 4.6.2 B-DNA 与 多 肽 的 相互 作用 ……… (143) 4.6.3 遗传 密码 子 与 氨基 酸 的 相互 作用 (145) AT 核酸 和 水 的 相互 作用 eeeceeeeseeeere (146) 4.8 ”核酸 的 分 子 静 电势 研究 ……… cuss) 4.8.1 核酸 基本 组 成 单元 的 分 子 静 Ye: (149) 4.8.2 较 高 单元 的 分 子 静电 势 eee (150) 4.8.3 ”一段 完 整 的 B-DNA 双 螺 旋 的 分 子 静电 势 pp (151) 4.9 核酸 的 功能 ssoovooososossesyooooooooo， (153) 4.9.1 作为 遗传 信息 载体 的 DNA ……” (153) 4.9.2 核酸 中 电子 激发 能 的 转移 方 了 4.9.3 DNA 的 复制 RN (158) 4.9.4 _ DNA 的 甲 基 化 作用 与 基因 功能 … (160) 第 5 章 蛋白 质 的 电子 结构 5.1 氨基 酸 的 电子 结构 和 氨基 酸 溶液 结构 的 模拟 steneeneneneseceenees (166) 5.2 短 杆 菌 肽 A 离 子 选择 性 的 蒙特 卡 洛 研 究 oo (183) a3 肽 链 构 型 的 能 量 分 析 人 交 生生 (191) 5.3.1 肽 结构 的 描述 到 (191) 5.3.2 规则 多 肽 链 分 子 构 型 的 能 量 AS | eR (193) 5.3.3 3 L-A ARMA ab initio 计 算 .ee (199) 5.4 蛋白 质 分 子 的 量子 化 学 研 0 (203) 5.4.1 胰岛 素 的 量子 化 学 研究 seeeeeceeese (204) 5.4.1.1 胰岛 素 分 子 的 疏水 内 核 和 分 子 的 几何 特征 站 pe (204) 5.4.1.2 PRR TATE verre (208) 5.4.1.3 ”胰岛 素 分 子 相互 作用 能 的 计算 …… (213) 5.4.1.4 胰岛 素 分 子 主 链 的 CNDO/2 计算 ee (219) 5.4.2 木瓜 蛋白 酶 的 量子 化 学 研究 …… (219) 5.5 蛋白 质 的 能 带 结构 ua (231) 第 6 章 酶 作用 机 理 的 量子 生物 学 研究 6.1 模型 和 方法 本 的 下 下 二 于 (242) Galet 酶 反应 模型 人 (243) 6.1.2 ”催化 部 位 的 分 子 轨道 计算 ………” (244) 6.1.3 Fr ere (246) 6.1.4 Pie. Si aE AS 定 能 本 (246) 6.1.5 ”环境 的 横扫 vorvererereeresereeeneteree (250) 6.2， 羧 肽 酶 A 和 其 它 金 属 酶 的 量子 生物 学 研究 Kadanesyecnacsssupsnesse (253) 第 7 章 ”量子 遗传 学 7.1 量子 遗传 学 的 背景 本 (263) 7.1.1 从 经 典 遗 传 学 到 量子 遗传 学 …… (263) 71.2 分子 选 传 学 概要 :本 -天 (267) 7.1.2.1 基因 及 其 复制 ,ee (267) 7.1.2:2 ”基因 及 其 表达 2 (268) 01.2.3 ”基因 表达 的 调控 mv (271) 原子 和 电子 水 平 的 信息 流 ……。(273) 7.2.1 基因 复制 和 突变 的 微观 机 制 : …… (273) 7.2.1.1 遗传 密码 的 基本 结构 .pe (273) 7.2.1.2 DNAY 型 复制 的 复制 平面 模型 …… (275) 7.2.1.3 和 遗 传 密码 的 质子 -电子 对 模型 …… (277) 7.2.154 一 级 微 扰 模型 ee。 (284) 7.2.2 基因 表达 及 其 控制 的 数 站 (290) 7.2.2.1 DNA 转录 的 物理 模型 。……………… (290) 7.2.2.2 密码 子 pp (291) 7.2.2.3 转译 模型 .ee (301) SE S Sidings: + eee (304) 第 8 章 量子 药理 学 CEE Sige) CaS Se ee ee oe (313) 8.2 药物 分 子 构象 nesses isccecsscoseceseeee (315) 8.2.1 构象 对 药物 分 子 药 效 的 重要 性 pe (315) 8.2.2 分 子 轨道 法 在 研究 药物 分 子 Pe 3) a: eee ee eae (318) 8.2.3 APR ER AWARE ……… (323) 8.2.4 多 巴 胺 构象 的 研究 ……………………，(325) 8.2.5 抗生素 类 抗 肿瘤 药物 的 量子 本 (327) 8.2.6 作用 于 中 枢 神 经 系统 药物 药 a) cl ee (332) RF, a ee ee (335) 8.3.1 受 体 学 说 在 药物 研究 中 的 重 要 性 (335) 8.3.2 乙酰 胆 碱 的 量子 药理 学 研究 …… (340) (8.3.3 ee oa a ao | Se (342) 9 (346) 8.3.5 受 体 亚 型 pe (350) 8.4 药物 分 子 的 静电 势 和 电 二 (354) 8.4.1 BFARS PRES AB 密度 的 计算 pp (354) 8.4.2 组 胺 及 其 衍生 物 的 电荷 密度 和 分 子 静 电势 pp (356) 8.4.3 有 受 体 药物 的 分 子 静电 势 研 办 (359) 8.4.4 增 敏 剂 的 量子 药理 学 研究 oo (362) 8.4.5 葵 甲 酰胺 型 D, 受 体 持 抗 剂 的 分 子 静 电势 计算 .0 (366) 8.5 电荷 转移 sannecasboccecessoesasucapeeocsendes (368) 8.5.1 电荷 转移 中 的 量子 药理 学 研 BE cseseereneeeeeseeereececceneceesseeeeeeeres (368) 8.5.2 BATA HY PEAS FE sooete eens (372) 8.5.3 抗 心律 失常 新 药 常 咯 啉 及 其 类 似 物 的 量子 药理 学 研究 ……… (374) 8.5.4 镇 痛 药 中 的 电荷 转移 研究 ……… (376) 8.5.5 有 玛 啡 类 药物 的 电 兴 转 移 复 合 人 (377) 8.6 药物 分 子 设计 ae bo (380) 8.6.1 引言 ee so (380) 8.6.2 QSAR 中 Hansch 途径 的 基 砸 0 (382) 8.6.3 QSAR 研究 中 的 参数 sdvetavabenauie (384) 8.6.4 QSAR 研 究 的 应 用 ee (386) 8.6.5 其 他 药物 分 子 设计 方法 ecoooaoeoeso (388) 第 9 章 生物 分 子 的 空间 构象 9.1 和 蛋白质 和 核酸 分 子 二 级 结 HEAT) FTN oo RIES EAL. .ccncscesceaseee (392) 9.1.1 蛋白 质 分 子 二 级 结构 的 预 Wl] -----eeeveeereeeeeeseeeeeeeceeeeeeeeeeesesens (392) 9.1.1.1 Chou 和 Fasman 方 法 .pe (393) 9.1.1.2 各 种 预测 方法 结果 的 比较 …………… (396) 9.1.1.3 和 蛋白质 二 级 结构 预测 的 计算 机 程序 .ppp (397) 9.1.2 ”核酸 分 子 二 级 结构 的 预测 ……… (404) 9.1.2.1 RNA 大 分 子 的 二 级 结构 预测 方法 ee (405) 9.1.2.2 5. 8StrRNAPQ— BE Foor eeeee evens (409) 9.1.2.3 AKiGtFRRNARAMBIAB FABIA BI EES corre reece eee ee eee ees (413) 9.2 蛋白质 和 核酸 的 构象 和 相 Ck: ee ee eee ee (417) 040.1. RMS -- Bi sige... (417) 9.2.2 分 子 间 相 互 作用 .pp (419) 9.2.2.1， 甲 酰 所 -水 的 相互 作用 PP (420) 9.2.2.2 核酸 碱 基 分 子 的 水 合作 用 …………… (421) 9.2.2.3 PGR SRR ATE (422) 9.2.3 核 苷 酸 和 蛋白 质 空间 构象 和 ye ore 511 os > Re (423) 9.2.3.1 经 验 势 能 法 pp (423) 9.2.3.2 分 子 航道 方法 .pp (430) 9.3 分子 动 态 学 .……… sesssaenenteneneensenes (436) CE Me d=) ep eee (436) 9.3.2 B-Day De .PP (439) 第 10 章 ”金属 离子 生物 学 功能 的 量 子 生 物 学 研究 下 (443) 10.2 金属 离子 生物 学 功能 的 配 6 ui) SR ase (443) 10.2.1 与 金属 离子 相互 作用 的 生物 配 位 体 pp (444) 10.2.2 BOARS aa BRIE veeeeeeeeeee (444) 10.2.3 配合 物 的 分 子 轨 道理 论 ………… (447) 10.2.4 配 位 场 理 论 的 应 用 oveawecedovesenaas (448) 10.3 金属 离子 与 核酸 间 的 相互 0. SSS a 2 (449) 10.3.1 金属 离子 与 核酸 碱 基 相 互 作 用 的 最 优 配 位 模式 PVP (449) 10.3.2 金属 离子 对 核酸 构象 稳定 性 的 影 顺 ee (455) 10.4 金属 离子 与 蛋白 质 的 相互 二 (460) 10.4.1 金属 离子 对 蛋白 质 能 带 结构 的 影 啊 apcgnacctpneddataueedhavesatustds ote (461) 10.4.2 SAMRAT REE A. (464) 10.5 4 JR-Nb ORAL A Diy a 是 (468) 10.5.1 ”中 啉 配合 物 的 分 子 轨道 计算 (一 ) .ee (469) 10.5.1.1 PRADA FARMAN eee (470) 4 e 10.5.1.2 ”能 级 的 排 布 .asssrs esieeoopsaseoass (470) 10.5.1.3 电荷 分 布 pe (472) 10.5.2 IDK A Dia Tiwi A (mr) ee (473) 10.6 金属 离子 生物 学 功能 的 一 些 | eek ES. | - eee eee (477) 10.6.1 金属 离子 与 生物 大 分 子 相互 作用 的 若干 问题 eee (477) 10.6.1.1 半导体 摊 杂 观点 ceereeeeeeeeeeeeeeees (477) 10.6.1.2 ”电子 -构象 相 百 作 用 观点 …… (478) 10.6.2 @RAaTSSAHRA. LF y ， 叙 述 学 科 的 基本 内 容 ， 并 且 介 绍 国际 上 在 该 领域 研 究 的 最 新 进展 与 发 展 趋 势 ， 也 回顾 国内 的 研究 成 果 ， 不 仅 可 应 教学 之 需 而 且 可 供 同行 参考 ， 还 可 帮助 其 他 邻近 学 科 的 从 业 人 员 了 解 该 领域 的 概况 。 当然 ， 生 命 科 学 的 探索 ， 必 须 分 别 从 不 同方 面 、 不 同 角度 、 不 同方 法 进行 研究 ， 其 中 量子 生物 学 仅 是 从 理论 上 进行 数学 运算 ， 只 是 方法 之 一 。 本 书 既 然 专 门 介绍 量子 生物 学 ， 不 免 加 以 强调 ， 旬 这 绝 不 意味 着 排斥 其 他 层次 、 其 他 角度 、 其 他 方法 的 研究 。 相 反 ， 量 子 生 物 学 既是 新 兴学 科 ， 并 非 完满 无 扎 ， 更 必须 与 其 他 学 科 ， 尤 其 实验 性 学 科 配 合 ， 才 能 向 理解 生命 的 深 处 返 进 ! ER ie 运 1987 年 10 月 天 中 国 科学 院 上 海 药物 研究 所 , #9 4, - 5 na ee 2% > ; s is 全 tT i" : aoe AS, | 7? at . 2 * es Luly rt at ¥ a is x re ra * . t - eo om f ‘ 5 rs - ee 有 站 © * ‘ . ys 4 ~ Ir? 1 - 从 | hab? 内 和 +) a , 47 << a on da at ey ia a ' 7s 多 ly 下 【年 - ' 本 s . 2 * bd Pi 5 a rion 人 人 Sea a, a af Rs a Sto 人 4 ~~ a n rye - Comm i ¥ + Ka 5° mt 第 1 章 4 wb 1.1 一 门 新 兴 的 边缘 学 科 一 一 量子 生物 学 一 切 自 然 科学 的 发 展 几 乎 都 要 经 历 观察 .实验 .描述 和 理论 各 阶段 。 作 为 研究 生命 现象 的 生 物 学 ,也 必然 要 经 历 科 学 发 展 的 共同 道路 。 纵 观 生物 学 的 发 展 历史 可 以 看 出 ,近代 生物 学 已 经 从 生物 转生 态 、 和 群落、 种 群 、 个 体 、 系 统 、 器 官 `. 组 织 和 细胞 的 研究 层次 ， 深 入 到 了 分 子 和 电子 的 层次 。 这 有 既是 生物 学 发 展 的 必然 趋势 ,也 是 其 它 自 然 科 学 和 技术 科学 向 生物 学 渗透 的 结果 。 今 天 的 生物 学 已 经 发 展 成 为 多 研究 层次 的 、 具有 “ 横 跨 性 ”的 综合 学 科 ， 它 正 处 于 并 将 继续 处 于 无 比 活跃 和 引 人 注 目的 时 期 。 须要 着 重 强调 的 是 ,在 物理 学 .化 学 .数学 .计算 机 科学 和 实验 技术 飞速 进步 的 形势 下 ， 自 50 年 代 以 来 ， 出 现 了 分 子 生 物 学 急剧 发 展 并 取得 重大 成 果 的 时 期 ， 从 而 推动 了 生命 科学 由 安 观 到 微观 ,由 观察 、 实 验 到 定量 化 、 理 论 化 的 进程 。 在 分 子 生 物 学 发 展 的 同时 ， 有 人 主张 从 更 微观 的 结构 ， 即 从 电子 一 级 水 平 来 解释 生命 现象 和 研究 生命 过 程 , 这 被 称 之 为 量子 生物 学 。 事 实 上 ， 从 50 年 代 起 ， 运 用 电子 理论 来 解释 和 阐明 生物 分 子 微观 结构 和 运动 规律 ,以 及 某 些 生 命 过 程 的 研究 工作 就 已 经 逐步 开展 起 来 了 。 然 而 , 量 子 生 物 学 真正 取得 国际 科学 界 的 重视 还 只 是 十 几 年 前 的 事情 。 在 生物 学 家 的 呼吁 和 量 子 物 理 、 量子 化 学 家 们 的 共同 努力 和 积极 参与 下 ,作为 一 门 学 科 领 域 形成 标志 的 学 科 组 织 也 相继 诞生 了 。 1970 年 ,由 量子 物理 学 家 L5wdin 和 分 子 药理 学 家 Purcell 等 倡议 成 立 了 国际 量子 生物 学 会 ( 简 称 ISQB) 。 量子 生物 学 是 一 门 研究 生命 物质 微观 结构 的 理论 性 学 科 ， 它 是 量子 力学 与 分 子 生 物 学 相 结 合 的 产物 。 它 运用 量子 力学 原理 ,通过 数学 运算 来 研究 生物 分 子 的 电子 结构 、 电 磁性 质 、 能 量 转 移 和 化 学 反应 等 问题 。 量子 生物 学 的 发 展 历 史 不 长 , 尚 处 于 幼年 时 期 。 然 而 , 它 已 经 在 化 学 致癌 机 理 AAR 理 机 制 的 分 子 电 子 基础 .抗原 -抗体 作用 的 分 子 识别 〈 以 及 酶 与 底 物 、 药 物 与 受 体 和 碱 基 配 对 等 的 分 子 识别 ) .金属 离子 在 生命 活动 中 的 作用 ,药物 分 子 作用 的 电子 机 理 .生物 膜 的 研究 以 致 可 以 逐步 实现 “药物 分 子 设 计 等 等 方面 都 已 经 取得 或 正在 取得 一 系列 进展 ,因而 在 客观 上 ,引起 了 人 们 的 日 益 注 视 。 但 是 ,与 此 同时 ,我们 必须 看 到 ,量子 生物 学 还 有 许多 不 完备 的 地 方 ,因而 错误 也 在 所 难免 。 更 何况 量子 力学 本 身 还 存在 着 困难 和 不 足 呢 ! 在 这 点 上 ，Szent-Gy5rgyi 的 下 列 言 论 给 了 我 们 有 益 的 启示 ,“ 只 有 一 条 道路 能 够 避免 错误 , 那 就 是 什么 事情 也 不 做 ,或 者 避 开 一 切 新 事物 。 但 是 , 它 却 是 在 所 有 这 些 错误 中 最 大 的 错误 54。 为 了 减少 和 克服 量子 生物 学 研究 中 迄今 还 存在 的 某 些 不 足 , 使 我 们 的 理论 计算 能 够 直接 与 生物 学 中 的 经 验 事实 相 联系 ,强调 生物 机 体 是 一 个 高 度 有 序 并 与 环境 保持 协调 的 复杂 体系 ， 强 调 在 生物 体 中 分 子 与 分 子 之 间 存在 着 复杂 的 相 e q e 互 作 用 ;强调 生物 分 子 的 多 维 结构 和 动态 特征 ， 强 调 分 析 与 综合 的 研究 思想 和 方法 ; 强调 计算 方 法 和 计算 结果 的 局 限 性 是 十 分 必要 的 。 在 这 样 的 前 提 下 ， 理 论 计 算 才 可 能 是 有 价值 的 。 迄 今 为 止 ， 我 们 已 经 可 以 举 出 若干 例子 来 说 明理 论 计 算 有 时 甚至 可 以 比 实 验 得 出 更 为 精确 细致 的 分 子 性 质 (这 将 会 在 以 后 的 有 关 章 节 中 讲 到 ) ,尤其 是 当 实 验 不 能 进行 时 ， 在 这 样 的 情况 下 ,计算 就 更 为 有 用 。 由 于 量子 生物 学 是 一 门 边缘 性 的 新 兴学 科 , 因而 需要 综合 有 关 学 科 的 知识 ,技术 和 成 就 ， 以 及 实验 和 理论 研究 工作 者 的 密切 配合 , 才 可 望 取得 更 多 的 实质 性 的 进展 。 以 上 我 们 就 量子 生物 学 的 意义 和 发 展 历史 作 了 简略 的 介绍 。 那 末 ， 到 底 什么 是 量子 生物 学 We? (这 也 是 一 些 生物 学 家 经 常 提 到 的 问题 ) 不 同 的 人 给 予 了 不 同 的 定义 。 为 统一 定义 ， 国 际 量 子 生 物 学 会 曾经 讨论 过 这 个 问题 并 作出 了 如 下 结论 ;量子 生物 学 即 是 量子 力学 作为 工具 在 生物 学 问题 上 的 应 用 ”。 由 于 量子 力学 是 处 理 基本 粒子 ,特别 是 电子 行为 的 学 问 , 因 此 , 换 名 话说 量子 ee 1.2 ”量子 生物 学 的 研究 内 容 从 量子 生物 学 当前 的 研究 内 容 看 ， 它 将 过 去 被 称 为 “ 亚 分 子 生物 学 *?“ 电 子 生物 学 ?>“ 电 子 生物 化 学 >“ 量 子 生 物 物理 学 >、“ 量 子 生物 化 学 "、“ 量 子 药理 学 ?以 及 “生物 能 力学 ?等 的 部 分 内 容 ,都 包括 在 其 研究 范围 之 内 。 就 发 展 趋 势 看 ,作者 认为 ， 量 子 生 物 学 可 望 向 着 实验 和 应 用 方向 发 展 , 向 着 与 分 子 生 物 学 ,乃至 细胞 生物 学 紧密 联系 的 方向 发 展 ， 因 而 其 研究 内 容 也 将 会 不 断 更 新 。 目 前 和 今后 的 一 段 时 间 内 ,量子 生物 学 的 研究 内 容 大 致 有 以 下 几 个 方面 ， 生物 分 子 的 电子 结构 与 反应 活性 的 关系 ; 生物 分 子 间 的 相互 作用 生物 大 分 子 的 构象 及 溶剂 对 构象 的 影响 ; 特异 相互 作用 与 识别 ; 致癌 物质 的 结构 与 致癌 活性 ; 生物 体 中 的 电子 转移 、 质 子 转移 .能量 转移 ; 无 机 离子 在 生物 过 程 中 的 作用 ， 遗传 .突变 的 量子 理论 ; 量子 药理 学 等。 1.3 量子 生物 学 的 任务 在 当今 生物 学 中 ,分子 水 平 的 研究 已 经 取得 并 将 继续 取得 重大 成 果 。 然 而 ,分 子 生 物 学 发 展 的 同时 又 告诉 我 们 ,生命 过 程 在 电子 层次 的 研究 也 是 不 可 缺少 的 。 * M. B. Bonpxenwretin 认为 “ 亚 分 子 生 物 学 ”的 说 法 是 毫 无 意义 的 !s1。 2 -5 我 们 知道 ,物质 的 宏观 性 质 是 多 种 多 样 的 ,而 决定 这 些 性 质 的 原因 也 是 多 种 多 样 的 ， 不 可 一 概 而 论 。 可 是 ,通过 科学 实验 ,人 们 已 经 知道 有 一 大 批 性 质 ， 包 括 几乎 全 部 化 学 性 质 . 半 导 性 、 电 磁性 质 和 许多 光学 性 质 , 以 及 与 生命 的 基本 过 程 有 关 的 性 质 或 生物 功能 ,都 跟 物 质 的 分 子 结构 ， 尤其 是 组 成 分 子 的 原子 外 层 电子 的 运动 有 关 。 事 实说 明 ， 诸 如 遗传 、 变 异 、 免 疫 、 细 胞 功能 、 生 长 .发 育 和 繁殖 等 等 生命 现象 ,都 与 生命 的 物质 基础 一 一 蛋白 质 和 核酸 等 生物 分 子 的 特定 结构 《包括 电子 结构 ) 和 运动 规律 有 着 密切 的 关系 .人 们 通过 不 断 地 研究 自然 界 的 生物 机 体 后 认识 到 ， 生命 的 奥秘 部 分 地 存在 于 微观 世界 之 中 。 例 如 某 些 生 命 缺 陷 ( 如 致癌 、 突 变 ) 只 是 从 群体 .个 体 、 系统 .器 官 . 组 织 、 细 胞 乃至 分 子 水 平 上 加 以 认识 ,往往 是 很 不 够 的 ， 而 必须 配合 原子 或 电子 水 平 的 研究 ,才能 真正 弄 清 其 本 质 。 这 可 以 看 成 是 对 生物 大 分 子 进行 量子 力学 处 理 和 计算 的 必要 性 。 今天 ,分 子 生物 学 的 成 就 已 经 显示 ,有 些 基本 生命 现象 需要 在 分 子 水 平 上 予以 描述 。 但 要 回 答 诸如 ， (1) DNA 双 螺 旋 中 ,A 一 T.G 一 C 形成 特异 的 氨 键 ,这 些 氨 键 是 由 怎样 的 力 形成 的 ? (2) 决定 氨基 酸 三 联 体 密 码 的 因子 到 底 是 什么 ? 为 什么 色 氨 酸 只 对 应 于 UGG 而 不 是 其它 的 三 联 体 ? (3) WH B-DNA 或 者 蛋白 质 的 x 螺旋 为 什么 是 右 旋 的 ,而 双 链 Z-DNA 又 是 左旋 的 ? (4) 生物 分 子 〈 酶 与 底 物 ,抗原 与 抗体 ,药物 与 受 体 , DNA 与 解 链 蛋 白 等 等 ) 是 依靠 什么 识 IAI? (5) 为 什么 酶 蛋白 和 其 它 生 物 催化 剂 有 很 高 的 催化 效率 ? (6) 蛋白 质 和 核酸 是 否 具有 半 导 性 ? (7) ATP 为 什么 包含 有 高 能 键 ? (8) 生物 系统 中 能 量 传递 和 电荷 传递 问 的 关系 怎样 (9) 遗传 信息 流 在 电子 水 平 上 的 传递 机 理 ， 等 等 。 以 上 这 些 问题 涉及 到 分 子 中 的 电子 ， 而 分 子 生 物 学 是 无 法 描述 生物 分 子 中 运动 着 的 电子 的 。 可 是 ， 量 子 生 物 学 的 理论 计算 却 能 给 出 有 关 电 子 分 布 的 更 多 的 细节 。 壁 如 了 解 得 最 清楚 的 B-DNA 的 立体 结构 已 经 给 出 了 分 子 中 原子 核 的 空间 位 置 ， 在 Born-Oppenheimer 近似 下 ， 原 子 核 和 电子 可 以 处 理 成 各 自分 离 的 运动 。 这 就 提供 了 进行 生物 大 分 子 电子 结构 的 量子 力学 计算 的 可 能 性 。 迄 今 为 止 , 量 子 生 物 学 在 一 些 问 题 上 所 取得 的 成 就 ,正好 说 明生 命 现 象 在 电子 水 平 上 描述 的 必要 性 和 可 能 性 。 综 上 所 述 可 见 ， 量 子 生 物 学 的 任务 即 是 在 电子 水 平 上 描述 和 探索 生命 现象 。 1.4 ”量子 生物 学 与 其 它 学 科 的 联系 " 既然 量子 生物 学 是 一 门 新 兴 的 边缘 科学 ， 那么 它 与 其 它 一 些 学 科 ( 如 物理 学 、 化 学 和 数学 等 ) 的 关系 无 疑 是 十 分 密切 的 。 量 子 生 物 学 作为 近代 生物 学 的 一 个 新 的 分 支 ， 又 有 它 固 有 的 特 征 ， 在 自然 科学 发 展 的 早期 ， 就 已 经 显示 出 生物 学 与 物理 学 的 联系 以 及 由 于 这 样 的 联系 而 获得 2 全 a e 的 一 系列 成 果 。 从 现代 观点 看 ， 生 命 是 复杂 分 子 系统 通过 跟 其 它 系统 交换 能 量 、 物 质 和 信息 而 发 生 的 特殊 物理 和 化 学 过 程 。 尽管 生物 体 是 形形色色 的 ， 但 构成 他 们 的 化 学 单位 并 不 特殊 。 璧 如 所 有 的 蛋白 质 都 是 由 大 约 20 种 氨基 酸 按 不 同 的 数量 和 排列 顺序 所 组 成 的 多 聚 物 ， 而 DNA 则 是 由 四 种 脱氧 核糖 核 埋 酸 组 成 的 多 聚 物 。 至 于 原子 和 组 成 原子 的 基本 粒子 乃 是 物质 的 基本 要 素 。 为 此 ,我 们 可 以 认为 ， 处 理 非 生命 物质 的 原子 、 分 子 、 分 子 间 的 相互 作用 、 能 量 . 电 子 和 质子 及 其 转移 等 的 量子 力学 、 统 计 物 理学 和 热力 学 方法 (特别 是 非 平衡 态 热力 学 ) ,一 般 地 讲 ， 同 样 可 以 应 用 于 生物 分 子 。 在 量子 理论 中 一 次 计算 波动 方程 的 解 就 能 得 出 有 关 原 子 、 分 子 和 某 些 更 大 体系 的 较 多 的 结 构 性 质 和 与 之 有 关 的 信息 ， 因 而 有 可 能 对 这 些 系统 的 行为 提供 较为 全 面 的 了 解 。 将 量子 力学 应 用 到 生物 学 问题 上 还 有 许多 优点 ， 那 是 因为 量子 力学 能 以 相当 直接 的 方式 告诉 我 们 生物 分 子 内 的 电荷 分 布 。 当 我 们 欲 寻求 一 种 活性 分 子 在 它 起 主要 作用 的 瞬间 ， 所 呈现 的 精确 的 三 维 电 子 密 度 究竟 是 怎样 的 ? 那么 量子 力学 则 是 提供 这 一 答案 的 最 好 手段 。 事实 说 明 ， 在 生物 分 子 功能 的 研究 由 ， 量 子 力学 发 挥 着 重要 的 作用 。 在 光合 作用 和 视觉 原 初 过 程 的 研究 中 ， 在 遗传 突变 和 DNA 分 子 之 间 关系 的 研究 中 ， 在 分 析 酶 反应 中 底 物 的 特异 性 和 反应 的 特异 性 时 ， 量 子 力学 的 处 理 方法 具有 特殊 的 意义 。 作为 量子 生物 学 基础 的 量子 物理 学 并 不 是 一 门 停 省 的 学 科 ， 它 也 正在 经 历 着 变革 与 发 展 。 诚然 ,量子 力学 本 身 直 至 今天 为 止 , 它 的 理论 基础 还 有 许多 可 争论 之 处 ， 如 波 函 数 的 统计 解释 ， 1 应 用 到 场 上 产生 的 发 散 困 难 等 等 。 尽 管 如 此 ， 由 它 所 导出 的 结论 却 与 相当 量 的 实验 事实 符合 得 很 好 ,这 也 正 是 它 所 取得 的 成 功 之 处 。 当 然 ,我 们 必须 认识 到 , Ae REE A 不 同 于 非 生 命 的 特征 。 首 先 ， 生 命运 动 属 于 更 高 一 级 运动 形式 。 生 物体 是 高 度 有 序 的 、 复 杂 的 、 多 相 的 。 同 时 ， 生 物 分 子 之 间 又 存在 相互 作用 。 生物 学 与 化 学 的 联系 也 是 由 来 已 久 的 ， 而 量子 生物 学 与 量子 化 学 的 联系 就 更 为 紧密 。 事 实 上 ， 就 方法 学 而 论 , 量 子 生 物 学 的 理论 计算 方法 大 多 是 沿 柳 量子 化 学 的 方法 (这 里 所 指 的 是 理论 计算 方法 ) 。 但 是 ,不 能 因此 认为 ,量子 化 学 可 以 代替 量子 生物 学 (作者 不 同意 将 量子 生物 学 看 从 是 化 学 学 科 的 一 个 分 支 的 观点 ,其 理由 已 在 上 面 的 讨论 中 强调 过 了 )。 量 子 生 物 学 研究 的 对象 是 远 比 量子 化 学 研究 的 分 子 大 得 多 的 、 且 更 复杂 的 分 子 。 何 况 对 前 者 来 说 ,重要 的 是 要 在 静态 结 构 基础 上 研究 生物 分 子 的 动态 过 程 以 及 生物 分 子 的 结构 与 功能 受 环境 影响 的 程度 ， 因 而 困难 更 大 ， 要 求 在 方法 学 上 作 进 一 步 的 改进 和 发 展 。 在 生物 学 向 定量 化 .理论 化 发 展 的 进程 中 ,一 方面 从 分 析 的 角度 发 展 了 像 分 子 生 牺 学 、 量 子 生物 学 这 样 的 学 科 ， 从 基本 的 和 电子 的 水 平 上 去 研究 生命 现象 中 的 基本 物理 、 化 学 过 程 ; 另 一 方 面 又 从 综合 的 、 系 统 的 角度 发 展 了 生物 控制 论 ` 生 物 信息 论 和 生物 系统 论 这 样 一 些 学 科 ， 从 整体 的 观念 出 发 去 研究 复杂 的 生物 系统 。 今天 ， 大 概 谁 也 不 会 否认 物理 和 化 学 定律 在 研究 生命 现象 中 的 某 些 适用 性 。 大 多 数 科 学 家 认为 ， 制 约 非 生命 系统 的 物理 和 化 学 规律 有 可 能 在 最 终 说 明生 命 的 极其 多 种 多 样 的 表现 .此 外 也 有 些 见 解 认为 ,需要 发 展 新 的 ,迄今 还 没有 建立 的 物理 学 原理 才能 最 终 说 明生 命 的 多 种 表现 。 总 之 ,无 论 这 些 观点 的 正确 性 如 何 , 在 实际 应 用 物理 、 化 学 等 的 理论 和 方法 探讨 生物 分 子 的 运动 9 ve Le ow 规律 时 ,我 们 必须 认识 到 这 些 理论 和 方法 的 局 限 性 。 但 是 , 另 一 方面 ， 如 果 能 够 将 这 些 理论 和 方 法 有 效 地 与 生物 学 问题 结合 起 来 ,充分 发 挥 学 科 间 相 互 渗透 的 威力 , 则 不 仅 能 为 寻找 新 的 生物 学 规律 提供 许多 有 益 的 启示 ， 同 时 还 将 大 大 丰富 和 发 展现 有 的 理论 和 方法 。 即 使 在 应 用 于 生物 学 研究 的 过 程 中 ,发 生 了 现 有 理论 与 生物 学 结果 相 了 矛盾 的 现象 ,这 也 是 很 有 意义 的 。 因 为 科学 发 展 的 重大 突破 口 往往 就 是 在 矛盾 的 最 尖锐 处 。 1.45 量子 生物 学 展望 在 今天 ,我 们 已 经 看 到 了 量子 生物 学 在 一 些 领 域 取得 了 初步 的 ,有 些 甚 至 可 以 认为 是 重大 的 成 就 。 在 推进 量子 生物 学 发 展 的 进程 中 ,我 国 的 科学 工作 者 做 出 了 积极 的 .有 相当 影响 的 贡献 。 如 自 洽 场 琶 代 中 收 剑 问题 的 研究 ,ATP 等 较 大 生物 分 子 的 从 头 计算 (9 , 量子 化 学 的 计算 方法 和 TRE" PAH 致癌 的 双 区 理论 c9 ,生物 分 子 的 溶液 构象 研究 5 等 ,以 及 本 书 部 分 作者 的 研究 工作 在 国内 外 都 占有 一 定 的 地 位 。 总 之 ,量子 生物 学 乃 是 一 个 方兴未艾 、 不 断 创新 的 领域 ,以 致 国内 外 有 不 少 的 物理 学 家 、 化 学 家 和 数学 家 、 药 理学 家 涉足 到 生物 学 的 这 一 领域 中 来 。 有 个 哲学 家 曾经 说 过 ; “在 一 门 科学 与 另 一 门 科学 的 接触 点 上 ,双方 都 宣称 与 已 无 关 , 但 是 属 恰 就 在 这 一 点 上 可 望 取得 最 大 的 成 果 ”。 量 子 生 物 学 正 是 处 在 生物 学 .物理 学、 化 学 和 数学 几 个 方面 的 共同 接触 点 上 ,因此 发 展 十 分 迅速 , 研 究 者 非常 活跃 ， 一 批 基础 较 好 并 有 志 从 事 量 子 生物 学 研究 的 青年 科学 工作 者 正在 成 长 。 随 着 量子 化 学 计算 方法 的 改进 和 发 展 , 以 及 大 容量 高 速 电 子 计 算 机 的 问世 ， 在 量子 生物 学 中 ,那些 过 去 认为 根本 不 可 能 处 理 的 生物 分 子 , 现 在 有 的 已 经 实现 了 较为 准确 的 量子 力学 计算 。 对 于 一 些 目前 无 法 用 从 头 计算 方法 计算 ,而 用 一 般 的 近似 方法 计算 也 还 存在 着 困难 的 生物 分 子 ， 近年 来 ,法 国 的 Pullman 夫妇 发 展 了 一 种 近似 方法 , 即 把 大 分 子 分 成 许多 碎片 ,对 每 个 碎片 用 从 买 计算 方法 ,而 碎片 的 连接 用 一 般 的 近似 计算 方法 。 此 外 ,还 可 像 Clement'e 那样 计算 一 部 分 内 容 , 其 余 用 统计 的 方法 ,或 者 把 大 分 子 结构 与 Thomas-Fermi 模型 结合 起 来 ,计算 这 些 生物 分 子 (参见 后 续 章 节 ) 。 如 前 所 述 , 量 子 生物 学 是 运用 量子 力学 原理 ,通过 数学 运算 来 实现 其 研究 目的 的 。 电 子 计算 机 的 出 现 和 发 展 , 不 仅 使 得 许多 复杂 的 量子 生物 学 计算 得 以 实现 ,而 且 和 凭借 它 的 记忆 、 判 断 和 辑 推理 的 性 能 ， 已 可 直接 用 来 进行 某 些 生物 分 子 和 药物 分 子 的 鉴别 和 合成 路 线 的 设计 。 量子 生物 学 研究 领域 十 分 广泛 , 它 异 军 突起 ,表现 出 很 强 的 生命 力 ， 正 从 一 个 新 的 角度 一 一 电子 水 平 来 研究 生命 过 程 。 在 分 子 生 物 学 急剧 发 展 的 形势 下 ， 对 生命 运动 在 电子 水 平 上 提出 的 问题 的 阐述 ， 将 历史 地 落 在 量子 生物 学 工作 者 的 身上 。 最 后 ,必须 指出 ,量子 生物 学 还 是 一 门 比较 年 青 的 、 不 成 熟 的 和 发 展 中 的 学 科 。 要 使 它 成 为 研究 生物 分 子 和 生命 现象 的 有 效 工 具 , 还 要 走 一 段 崎 赋 的 路 程 ,还 将 会 遇 到 种 种 困难 和 曲折 。 在 结束 本 章 讨论 的 时 候 , 作 者 以 为 着 重 强调 下 述 观点 将 是 有 益 的 , 即 正如 细胞 生物 学 是 细胞 层次 的 生物 学 ,分 子 生 物 学 是 分 子 层次 上 的 生物 学 那样 ,量子 生物 学 乃 是 原子 (电子 ) 层 次 上 的 生 物 学 。 在 这 样 的 意义 上 ， 量 子 生 物 学 实质 是 在 电子 水 平 上 探索 生命 现象 的 、 综 合 性 的 生物 学 学 ~ e 5" 各 -而 屠 种 将 量子 生物 学 之 为 ， 量 子 生物 学 即 是 星子 力学 作为 工具 在 生物 学 问题 上 的 应 用 只 不 过 是 更 多 地 从 方法 学 角度 来 考虑 的 。 ae 参考 文献 i C1] 永田 亲 义 著 ， 陶 宗 晋 、 江 寿 平等 译 ，< 量 子 生物 学 人 门 >， 上 海 科学 技术 出 版 社 (1979)。 mig C2] 刘 若 庄 、 陈 润 生 : 分 子 科 学 与 化 学 研究 ,(2):121(1982)。 C3] M. V. RRB, DME. < 现代 物理 学 与 生物 学 概论 >， 复 旦 大 学 出 版 社 〈1985)。 [ 4] lassigos, A. C.: “Buonorna H KBaHTOBag Mexaunxa”, (Hayxosa Jlymxa, Kues), (1979). [5] SM. 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Eek me r AER SY A A +E. RABY 2th BOWES SRA AR, CAAA PTE AM 所 能 知道 的 全 部 知识 。 对 于 体系 的 一 个 特定 状态 ,只 要 波 函 数 罗 已 知 ,原则 上 就 可 以 运用 下 述 规则 确定 任何 可 观察 物理 a), [esc de 可 观察 量 = 人 (2.5) i Fl WAS OE EA, WI (2. 5) RAKES fusnvar by ta Rad oh SL (2.6) futwar 若 可 观察 量 为 电荷 密度 、 偶 极 矩 等 , 则 用 其 它 算 符 。 必须 说 明 的 是 :区 只 是 一 个 普通 的 数学 函数 ,是 一 个 多 自 变量 的 函数 。 它 的 自 变 量 就 是 这 个 微观 粒子 体系 中 各 个 粒子 的 位 置 坐标 和 自 旋 坐标 。 区 与 它 的 共 配 复数 艺 * 的 乘 积 等 手 各 不 微观 粒子 在 其 坐标 值 规定 的 位 置 附近 出 现 的 几率 密度 , 即 罗 * 风 dz 是 在 空间 dr 体积 元 中 找到 粒子 的 几 率 ,或 | 区 |:dz 是 体积 元 dr 内 粒子 出 现 的 几率 。 在 量子 力学 中 ,因为 涉及 三 维 分 子 体系 的 问题 ,所 以 也 随 着 这 些 坐 标 而 变化 。 通 常 采用 球 坐标 系 来 描述 。 球 坐标 系 (7.6 和 mw) 与 直角 坐标 系 之 间 的 变换 关系 如 下 (图 2-1)， x =rsinOcosp y =rsin@sing 2 =rcosé r=Vatry ta 2.1.1.2 轨道 在 量子 生物 学 中 ， 离 不 开 应 用 原子 轨 道 和 分 子 轨 道 的 概念 ， 但 我 们 最 感 兴趣 的 是 后 者 。 4 B 图 2-1 A. 直角 坐标 zy 和 2z， 五 ， 球 坐标 7`.2 和 9 所 谓 轨道 ， 即 是 指 单 电 子 波 函 数 。 每 个 轨道 都 是 一 个 描 写 单个 电子 行 为 的 三 维 数学 函 数 。 以 一 个 原子 核 (或 原子 实 ) 为 中 心 的 单 电子 波 函 数 称 为 原子 轨道 瑟 ， 它 是 一 个 电子 的 空间 坐 标 ( 球 坐标 r.9 和 mw) 的 函数 。 换 句 话说, 所谓 原子 轨道 就 是 这 样 一 些 单 电 子 波 函 数 ， 它 的 绝对 值 平方 表明 了 电子 的 几率 密度 分 布 。 所 谓 分 子 轨道 ， 即 是 围绕 着 分 子 骨架 分 布 的 多 中 心音 电子 波 函 数 。 它 同样 也 是 单个 电子 的 空间 坐标 的 函数 。 分 子 轨 道 的 概念 是 原子 轨道 的 自然 引伸 , 它 假 设 把 分 子 中 的 电 子 轨道 扩展 到 整个 分 子 。 其 实 , 分 子 轨 道 除 开 电 子 的 运动 所 涉及 的 范围 遍及 分 子 中 所 有 的 原子 外 , 它 与 原子 轨 道 并 无 本 质 上 的 区 别 。 然 而 ， 无 论 是 原子 轨道 还 是 分 子 轨 道 ， 都 只 能 在 一 定 近似 的 基础 上 应 用 。 当 我 们 假定 两 个 或 多 个 原子 相互 作用 形成 分 子 时 ， 原 来 在 各 原子 轨道 上 运动 的 电子 即 转 入 到 整个 分 子 的 分 子 轨 道上 运动 。 原 来 是 在 单 核 多 电子 体系 中 运动 的 电子 ， 现 在 转 和 到 多 核 多 电 子 体系 中 运动 ,而 原来 属于 个 别 原子 的 电子 ,现在 则 属于 整个 分 子 。 在 实际 处 理 分 子 轨 道 时 ,我们 可 以 用 分 子 中 各 原子 的 原子 轨道 的 线性 组 合 来 逼近 分 子 轨道 ， 这 就 是 在 量子 化 学 中 常用 的 原子 轨道 线性 组 合 (LCAO) 近 似 , 其 表示 式 为 W=C,9,+C,0,4+---+C,9, 62:3) 或 v= C.o, (u=1,2,3,+++,n) (2.8) BDFD FAIS FEA FD. AY TR Ay EAE BY. BB J Fs BREA (LCAO 近似 ) 代 表 分 子 轨 道 的 假设 是 合理 的 。 于 是 ,原子 轨道 线性 组 合 方程 为 W=C,9,+C,@, 其 中 ,系数 C; 和 C: 是 衡量 二 个 原子 轨道 的 贡献 。 由 于 原子 轨道 线性 组 合 是 合理 的 ,因此 可 以 认为 分 子 轨 道 是 由 原子 轨道 瑟 和 @, 加 和 而 得 ， 且 与 2 和 9: 结合 的 能 量 大 致 属 于 同一 数量 级 。 2.1.2 量子 化 学 中 的 基本 近似 迄今 为 止 的 事实 说 明 ;对 多 于 二 粒子 的 系统 , Schr5dinger 方程 的 严格 解 是 非常 困难 的 。 所 ” 有 分 子 波 函 数 都 是 近似 的 ,只 是 近似 程度 不 同 而 已 。 在 量子 化 学 中 作 了 三 个 近似 处 理 , 即 引入 了 非 相对 论 近 似 、Born-Oppenheimer 近似 和 轨道 近似 。 由 于 量子 生物 学 处 理 的 分 子 一 一 生物 分 子 和 药物 分 子 , 是 复杂 的 多 粒子 体系 , 因而 必须 采取 各 种 近似 。 2.1.2.1 非 相 对 论 近 似 电子 在 原子 核 附近 运动 但 又 不 被 原子 核 俘获 ,必须 保持 很 高 的 运动 速度 。 依 据 相 对 论 , 此 时 : 电子 的 质量 4 不 是 一 个 常数 ,而 由 电子 运动 速度 、 光 速 c 和 电子 静止 质量 如 决定 Ho I : (2.9) ; | 非 相 对 论 近 似 忽略 这 一 相对 论 效应 ,认为 电子 质量 /= wo, 非 相 对 论 量子 力学 为 研究 微观 粒子 体系 提供 了 运动 方程 , 对 于 我 们 所 感 兴 《 趣 的 分 子 的 电子 结构 , 则 需求 解 一 个 与 时 间 无 关 的 Schr5dinger 方 程 (2.4) 式 。 这 是 一 个 多 粒子 体系 问题 ， 其 中 的 妈 是 与 分 子 中 所 有 电子 和 原子 核 的 坐标 有 关 的 一 个 可 能 稳定 态 的 波 函 数 。Hamilton WAHMs 括 电 子 的 动能 和 排斥 能 (采用 原子 单位 制 ,以 下 同 ) ,原子 核 的 动能 ， 电 子 与 核 的 吸引 以 及 核 的 排 FSG 1 CM it Say 人 eg g UVit> 2 T:; A See (2.10) AP iti, RET ip. gK, 2. U7 MRA AA A, RY RAR 《2.10) 式 所 表示 的 Hamilton 不 仅 描写 电子 绕 核 的 运动 ,而且 也 描述 原子 核 的 相对 运动 以 及 分 子 作 为 一 个 整体 在 空间 的 运动 。 将 (2.10) 式 代入 (2.4) 式 就 得 到 用 原子 单位 表示 的 Schrodin- serie ae urs rR +o \w=ev (2.11) 在 (2.11) 式 中 ， CaS Rh eee erent A RL, 称 为 非 相 对 论 近 似 。 2.1.2.2 Born-Oppenheimer 近 似 由 于 组 成 分 子 体系 的 原子 核 的 质量 比 电子 的 质量 大 10* 至 10” 倍 , 而 电子 的 运动 速度 又 比 核 » 10 。 Ta? + aes Y « p | e ; os 的 运动 速度 大 得 多 ,这 就 允许 把 核 的 运动 和 电子 的 运动 分 离开 来 , 即 在 求解 电子 问题 时 ， 近 似 地 ”认为 原子 核 是 固定 不 动 的 ,这 种 固定 核 的 近似 就 称 为 Born-Oppenheimer 近 似 。 对 于 固定 的 原子 核 ,(2.10) 式 中 第 五 项 核 间 排斥 势 是 常数 。 假 定 分 子 波 函 数 可 以 表示 为 电 。 子 运动 波 函 数 和 核 运 动 波 函 数 的 乘积 , 亦 即 V(r, R)Y CR) , 则 方程 (2.4) 或 (2.11) 通 过 分 离 变 量 而 得 电子 运动 的 Schrodinger 方程 上- 去- Ep Bi Lely, (r,R)=E(R)V.(7r,R) (2.12) ”电子 运动 的 总 能 量 E(R) 是 作为 核 运 动 方程 的 势能 。 以 后 ,我 们 将 只 讨论 方程 (2.12), 仍 记 作 HVY=EV 或 HY (r,R)=E(R)Y¥.(7r,R) (2.13) 其 中 1 ae bees: Zy lear OMEN ree mi pg irae (2.14) 2.1.2.3 轨道 近似 对 于 多 电子 体系 ,按照 式 (2.14) 表 示 的 五 ,方程 (2.13) 仍 不 可 能 严格 求解 。 问 题 在 于 (2.14) th Sh F Hamilton 算 符 包含 了 天 -形式 的 电子 相互 作用 项 , 故 不 能 分 离 变量 。 当 电子 间 相 互 作 用 不 存在 时 ,(2.14) 式 可 约 化 为 单 电子 算 符 的 和 H,= ST hCr) 3 (2.15) i=1 其 中 hr) =—SVi- Do pe (2.16) 卫 人 2 ”为 有 固定 位 置 的 核 存在 时 ,一 个 单 电子 的 Hamilton, H, MATER 数 是 各 称道 ( 单 电子 波 函 数 ) 的 乘积 i(r1) P2(r2)° ++ Py (ry) (2.17) Ms AeA MPR A ATER Be h(r)n(1) =€n9n(r) (2.18) 在 自 旋 和 反对 称 性 加 入 以 后 ,轨道 乘积 式 (2.17) 就 是 该 体系 某 些 状 态 时 的 简单 的 轨道 近似 。 一 般 地 ,轨道 近似 是 一 个 VN 电子 体系 的 模型 ,其 中 各 电子 的 运动 MRA) 是 用 仅 为 该 电子 坐标 的 函数 的 自 旋 -轨道 来 描写 的 。 通 常 ,这 种 自 旋 -轨道 具有 形式 | tn (7,0) =Pnlr)In(o) , (2.19) (2.19) XP ¢, 描述 电子 的 空间 运动 , 自 旋 函数 7 描写 电子 的 自 旋 状 态 。 于 是 ,对 于 一 个 广电 子 体系 的 总 波 函 数 , 就 是 NV 个 自 旋 -轨道 的 反对 称 的 乘积 e jj e 办 (1,2……… ,入 )=M4xv[V 1)0 2) (CVD)] (2.20) oR (= 0, (EF i AA RADR, M 是 归 一 化 常数 ,4v 是 反对 称 算 符 。 这 个 波 函数 是 相应 于 在 W 个 自 旋 -轨道 中 有 N! 种 分 配 电子 方 式 的 W! 个 自 旋 -轨道 乘积 的 线性 组 合 , 它 可 以 写成 Slater 行列 式 的 形式 /s(1) W'1(2) +++) 1 | ¥/2(1)0'2(2) +++ 2) W(1,2,---,N) (2.21) " v(1)W/y(2) +++ y(N) 简 记 为 Y (1,2,+++,V)=TE=D| w/s(1)¥"a(2)+ + Wa) (2.22) Sef HV HH Be Be se A — fA) 一 组 W 个 自 旋 - 雪 道 可 以 唯一 地 确定 (2.21) 式 的 波 函 数 ,但 反 过 来 ,同一 个 波 函 数 到 却 不 目 由 一 组 自 旋 - 软 道 所 确定 ,这 是 由 行列 式 的 某 些 性 质 所 决定 的 。 为 此 ,我 们 可 以 构成 无 限 多 不 可 供 选择 的 组 ,其 中 必 有 一 个 集合 的 自 旋 -轨道 常常 可 以 选 成 正 交 归 一 化 的 ， 人 wswrndar=6w (2.23) 在 轨道 近似 下 讨论 多 电子 体系 的 问题 ,常用 到 原子 轨道 线性 组 合 成 分 子 轨道 和 自 洽 场 的 方 法 ( 见 后 面 ) 。 实践 证 明 , 对 许多 问题 ,只 要 选择 适当 的 原子 轨道 基 函 数 , 采 用 单行 列 式 波 函数 就 能 得 到 对 体系 准确 波 函 数 的 简单 而 又 比较 满意 的 近似 。 2.2 量子 生物 学 方法 和 指数 在 这 一 节 里 ,我 们 仅 限于 讨论 量子 生物 学 的 理论 计算 方法 和 指数 。 大 量 的 实验 和 事实 表明 ,生物 分 子 所 产生 的 生物 学 作用 跟 分 子 本 身 的 物理 ,化 学 性 质 是 密切 相关 的 ,而 且 生物 分 子 的 特异 生物 活性 在 一 定 程度 上 又 是 生物 分 子 电子 结构 的 函数 。 所 谓 电子 结构 ,通常 包括 分 子 的 电子 分 布 ,立体 化 学 ,静态 和 动态 的 能 量 分 布 。 对 于 这 些 结构 特征 的 确定 和 评价 正 是 量子 生物 学 家 探索 生物 分 子 活性 受 电子 结构 影响 的 中 心 课题 。 在 量子 生物 学 中 确定 和 评价 各 个 分 子 的 电子 结构 和 反应 性 能 时 ,根据 研究 对 象 和 目的 ,结合 我 们 的 计算 条 件 ,首先 就 是 要 选择 量子 化 学 计算 方法 和 确定 理论 指数 ,下面 我 们 将 分 别 介绍 常用 的 计算 方法 和 计算 指数 。 2.2.1 简单 分 子 轨道 法 简单 分 子 轨 道 法 的 特点 是 不 明显 地 考虑 电子 间 的 相互 作用 。 e 12 2.2.1.1 Hiickel 分 子 轨道 法 OHMO 法 ) HMO 法 是 由 Hiickel 在 1931 年 提出 的 。 这 是 一 个 经 验 的 处 理 < 电子 体系 的 理 论 近似 方 法 ,主要 用 于 we 电子 体系 , 即 平面 共 斩 分 子 体系 (如 核酸 的 叶 叭 和 喀 啶 碱 基 .芳香 族 氨 基 酸 等 即 是 具有 共 斩 结构 的 生物 分 子 )。 1. 计算 原理 5 a LEA FARIS Xt — PES SEA FFE, AR TSR EA BREED | ATLA, Hickel fF CH), Ay, 五 1 万 Ay, H2**+Ho, , (H)= . (2.24) Ay Hage + Hun aie Hickel 理论 的 假设 , 它 的 矩阵 元 分 别 为 0 ac=0 =38, 8,20 jini mem Be 不 相 邻 原子 均 为 0 1 oe (2.25) (H;;) yea 相 邻 原子 | 5 ij 共振 项 SF 其 中 a= 人 @Be,dr 为 第 ;i 个 原子 的 库仑 积分 , 取 矶 原子 cc=0,8,= 人 GOidzr 为 第 让 个 生子 和 第 ) 个 原子 的 共振 积分 。 在 HMO 理论 中 , 令 不 相 邻 原子 间 共 振 积 DAS. 6 为 第 ?个 杂 蛛 子 库仑 积分 经 验 参 数 ,7i 为 第 ;个 杂 原 子 与 第 J 个 原子 的 共振 积分 经 验 参 数 。 实际 上 ,在 全 碳 原子 的 共 力 体系 (如 葵 . 蔡 ) 中 ,Hiickel 抵 阵 是 一 个 分 子 图 PRP ER 阵 , 亦 称 拓 扑 和 矩阵, 用 0 和 1 表示 不 相连 接 与 相连 接 ,我 们 就 可 以 容易 地 建立 全 碳 原子 共 应 体系 的 Huckel 垂 阵 , 如 葵 ( 图 2-2)， 12345678910 0100010001 1010000000 AY 0101000000 | | 一 0001010000 “\ANZ’ 1000101000 000:0020.1909 0000001010 930000000101 10jj1000000010 图 2-2 Rare 1 2 3 440010100000 5 6 fe 8 e 13 e 在 图 2-2 中, 第; 行 包含 第 ;原子 和 其 它 原子 连接 的 信息 。 如 第 一 行 即 表 示 第 工 个 碳 原子 分 别 与 第 2.6、10 号 碳 原子 相连 。 但 是 ,如 果 在 分 子 中 包含 有 杂 原 子 , 则 可 将 杂 原 子 位 置 宇 的 对 角 元 用 相应 的 6, BEAR OIE 相应 的 共振 积分 参数 1. HR 1。 于 是 ,同样 可 以 容易 地 建立 含 杂 原子 分 子 的 Hiekel 移 阵 。 在 HMO 法 中 , 杂 原 子 积分 参数 的 选择 见 表 2-17), 3) % 2-1 HMO #RFSRR - | oes 结合 形式 库仑 积分 6 结合 形式 共振 积分 7 | 1 Cc =C— 0 —C—=C— I | | 2 N 一 入 一 0.4 一 C 一 入 一 1 | tee 3 一 人 一 1 =C—N— 0.9 | | | 4 =N*— 2 —C=N*— | | | 5 Oo =O 1-2 一 C 一 0O 2 下 6 一 0 一 2 一 C 一 0 一 0.9 7 =N—O— 0.69 8 C: 一 C?* 一 Hes* =C*— 一 0.1 c*—C° 0.7 | 9 =H, —0.2 —C=H; 2 | 10 S 一 S 0 一 C 一 S 1.2 haa 11 一 SS 一 0 一 C 一 AS 一 0.6 Oo 4 ‘No | 13 F —F 3 一 C 一 下 0.7 | ’ 14 Cl 一 Cl 2 一 C 一 Cl 0.4 ? 15 Br —Br 1.5 et 0.3 | ; 16 P —P— —0.2 aay as 0.7 17 B C—B 一 1.0 Cc—i 0.7 * Ci 为 芳香 族 !，C" 为 脂肪 族 ” 现 以 胞 喀 啶 碱 基 为 例 , 按 以 上 所 述 , 我 们 有 ， ey 140 } "NH, fo ss Gene oC | | Cc Co ANNG | GEL 40.9 0 0 0 0.9 0 0 | 0.9 人 1 0 0 0 0 2 ( 0 1 z+0.4 1 0 0 0 0 0 0 和 x 1 0 0.9 0 0 0 0 1 z il 0 0 =0 0.9 0 0 0 1 x 0 0 - 0 0 0 0.9 O 0 TE 1 0 iO 2 0 0 0 0 0 org Nee ae | * 有 了 Hiickel 矩阵 , 即 可 建立 本 征 方程 ， HC=CA (2.26) 其 中 C 是 本 征 向 量 组 成 的 矩阵 ， 它 的 每 一 列 代表 由 原子 轨道 组 成 的 分 子 轨 道 分 量 ¥:=LC,,9, . (2.27) 4 是 本 征 值 4; 组 成 的 对 角 阵 。 由 4; 可 得 分 子 轨 道 能 级 , 它们 可 以 方便 地 依据 线性 代数 中 求解 本 征 值 和 本 征 向 量 的 JACOB 法 或 QL 释 代 法 ,通过 计算 机 获得 。 由 C( 即 波 函 数 ) 可 得 一 系列 量子 化 学 指数 (或 量子 生物 学 指数 ) 。 2. 理论 指数 和 计算 公式 (1) 电荷 密度 和 净 电 和 荷 一 个 电子 在 微 体积 元 dr 内 出 现 的 几率 为 | 克 | "dr。 在 原子 轨道 线性 组 合 的 Hickel 近似 中 ， 对 分 子 轨道 中 的 每 个 原子 轨道 的 波 函 数 作 同 样 的 假定 , 它 对 分 子 轨道 波 函 数 VY 的 贡献 由 系数 C， 来 衡量 。 因 此 ,电子 在 与 原子 轨道 @;, 有 关 的 空间 出 现 的 几率 是 C:。 在 原子 7 附近 ,这 个 电子 出 现 的 几率 为 gj 一 Ci (2.28) WMRAA PA—APIDD FAB v1, 02.03,°°* de, FEAL E An, 个 电子 ， 则 原子 7 的 电荷 密度 是 qd, =7,C?, +n,C2, + +--+ +n, C2, = i oe (2.29) (2.29) 式 对 于 分 子 的 基态 .激发 态 . 离 子 或 游离 基 都 是 适用 的 。 由 于 一 个 分 子 轨 道 最 多 能 填充 两 个 电子 ,因此 ”% 可 以 是 0、1 或 2 。 但 在 通常 情况 下 分 子 在 基态 时 占据 轨道 中 ”%; 都 是 2, 故 原子 7 的 总 的 电荷 密度 是 它 对 所 有 占据 分 子 轨道 的 电荷 密度 之 和 occ* q;= >> 205 (2.30) i=1 但 是 ,有 时 为 了 表示 出 分 子 中 原子 上 实际 的 荷 电 情 况 , 常 用 净 电 荷 Q, 代替 电荷 密度 9， Q,=K,—q, (2.31) (2.31) Rib, K, HH r 个 原子 所 提供 的 电子 数 ,如 果 原子 能 提供 孤 对 电子 , 则 K, =2, 除 电 荷 密度 和 净 电荷 指数 外 ,还 有 所 谓 前 沿 电荷 密度 ， f? 一 0iC nomor (2.32) f¥ =n,C* rumor (2.33) SA, f° LP" SRR AN ARH AR BT BBE. tH HOMO, LUMO 则 分 别 表示 最 高 占据 分 +38 (highest occupied molecular orbital) 和 最 低空 轨 道 (lowest unoccupied molecular orbital), (2) 最 高 占据 轨道 (HOMO ) 和 最 低空 轨道 (LUMO ) 的 能 级 。 HOMO 和 LUMO 在 讨论 分 子 的 反应 性 能 时 有 着 特殊 的 意义 。 当 分 子 间 以 形成 电荷 迁移 络 合 物 的 方式 相互 作用 时 ，HOMSO 能 级 可 以 作为 分 子 给 电子 能 力 的 量度 ， 亦 即 电子 是 从 供 体 的 HOMO 迁移 到 受 体 的 LUMO 。 在 HMO 法 中 能 量 是 以 B8 ( 负 值 ) 为 单位 的 。 因 此 ,HOMSO 的 值 越 大 ， 则 表示 这 一 轨道 中 的 电子 越 稳定 ,该 分 子 给 电子 的 能 力 越 小 。 而 LUMO 值 越 大 , 则 表示 电子 进入 该 轨道 后 体系 能 量 。 降低 得 越 多 ， 即 该 分 子 接受 电子 的 能 力 越 强 。 我 们 知道 ， 用 实验 方法 确定 生物 学 和 药学 中 有 意义 的 化 合 物 的 电离 势 和 电子 亲 合 劳 是 比较 困难 的 。 但 是 ,HOMO 和 LUMS9O 的 能 级 却 与 电离 势 和 电子 亲 合 势 有 着 密切 关系 。 因 此 ,可 以 通 过 计算 分 子 的 HOMO 和 LUMO 能 级 来 近似 地 了 解 分 子 的 电离 势 和 电子 亲 合 势 , 这 在 药物 分 子 等 的 设计 中 是 十 分 重要 的 。 关于 HOMO 和 LUMSO 能 级 的 计算 ,读者 可 参见 计算 实例 。 (3) 超 离 域 度 超 离 域 度 概念 包括 近似 超 离 域 度 (3,) 亲 电 超 离 域 度 (S7)、 亲 核 超 离 域 度 (S* ) 以 及 自由 基 反应 的 超 离 域 度 。 其 中 ， + a sr=2y Le a dB) (2.34) sr=2 oy. - (2.35) occ 2 VAC 2 a par 2 ,ce (2.36) 在 (2.34) 至 (2.36) 式 中 ,Ci 是 第 ;个 分 子 轨道 中 第 7 个 原子 轨道 的 系数 。 实践 表明 , 超 离 域 度 不 仅 是 分 子 内 反应 难 易 程 度 的 尺度 ,同时 也 是 比较 在 分 子 之 间 反 应 性 大 * OCC AH TRIE s VAC 为 空 轨道 。 « 16 。 ’ 和 > yg a! oA 已 小 时 的 一 种 理论 指数 。 由 于 它 与 很 多 实验 结果 相对 应 ， 从 而 扩大 了 人 们 对 于 生物 分 子 的 反应 活 性 以 及 对 各 类 药物 作用 的 认识 。 在 作者 等 6 的 工作 中 ,以 超 离 域 度 为 判 据 探讨 多 环 芳烃 (PAH) 及 其 甲 基 取 代 衍 生物 的 电子 结构 与 致癌 活性 的 关系 ， 取 得 了 与 实验 致癌 活性 相符 的 结果 。 但 在 运用 这 一 指数 时 要 注意 到 它 的 基 些 不 足 和 可 能 出 现 的 问题 。 (4) 键 级 如 果 分 子 中 , 某 一 电子 所 在 的 分 子 轨 道 为 王 ,， 更 ,三 Ci 二 CO。 ， 饰 乘积 CC 可 以 作为 电子 云 分 布 在 1、2 两 个 原子 之 间 的 太 度 ,也 就 是 这 个 电子 贡献 给 原子 1 ”和 :2 的 一 部 分 键 级 。 在 到 ,分 子 轨道 中 ,成 键 原子 7 和 s 之 间 的 部 分 键 级 是 Pi,=C,Ci, (2.37) -而 两 原子 间 的 总 键 级 (简称 键 级 ) 是 所 有 占据 分 子 轨道 贡献 之 和 , 故 有 pS See ae Pe (2.38) WFD FHue nn: =2, 键 级 的 大 小 ， 可 以 认为 是 和 一 个 键 的 成 键 能 力 相 关联 的 。 键 级 的 数值 越 大 , 键 的 强度 亦 大 ， “ 则 键 长 越 得 。 当 所 有 的 系数 都 较 大 ,而 且 符 号 相同 , 则 乘积 为 正 ， 表 示 两 邻接 原子 间 有 较 强 的 成 键 能 力 。 如 果 两 个 系数 中 只 有 一 个 值 比较 大 , 则 说 明 电 子 主要 位 于 一 个 核 的 周围 ,而 不 是 在 两 个 核 之 间 。 如 果 两 个 系数 中 有 一 个 系数 为 零 , 则 部 分 键 级 为 零 。 于 是 ,在 该 原子 本 身 所 处 的 地 方 就 是 一 个 节点 ,说 明 电 子 对 于 成 键 设 有 贡献 。 当 两 原子 间 系 数 的 符号 不 相同 时 , 则 部 分 键 级 为 负 ， 两 原子 之 间 有 一 个 站点， 这 就 是 反 键 的 。 键 级 的 一 个 重要 应 用 就 是 预测 键 长 。 键 级 的 数值 越 大 键 长 则 越 得。 对 简单 分 子 , 碳 - 碳 键 级 与 实验 键 长 有 良好 线性 关系 ， 但 是 对 于 生物 分 子 和 其 它 较 为 复杂 的 分 子 ， 这 种 线性 关系 并 不 存 med, -此 外 ,我 们 也 可 以 运用 下 列 经 验 公 式 来 估算 键 长 ， R(nm) =0.150—0.016 p (2.39) ‘ = as 式 中 > Pp A wu 键 级 。 Coulson #1 Longuet-Higgins' iG $2 i , < 键 键 能 可 以 用 电荷 密度 和 键 级 的 函数 来 表示 ， a E,=)(¢,4+2>, >. 7,8 (2.40) 这 个 公式 在 校正 计算 值 时 很 有 用 ,因为 求 得 系数 C, 以 后 很 容易 求 得 9, 和 Dros Hae 和 Drs 代入 (2.40) 式 即 可 求 得 总 的 = 键 键 能 ， 飞 2.40) 式 表明 了 共 斩 分 子 中 各 个 键 的 键 级 加 和 对 于 总 能 量 的 关系 ;如 果 一 个 原子 与 其 邻近 原子 间 的 键 级 之 和 大 ,对 于 总 能 量 的 贡献 亦 大 ,可 以 设想 该 原子 在 分 子 中 将 受到 较 强 的 制约 而 不 2 * 易 反 应 ,表现 出 较 低 的 反应 活性 。 反 之 , 则 活性 较 高 。 (5) 自由 价 “自由 价 " 是 Coulson’ 定义 的 一 个 反应 活性 指数 。 它 是 指 原子 的 电子 的 残余 键 侣 力 ， 是 原子 最 大 成 键 庶 V。. 和 实际 成 键 度 并 pv。 之 差 ， F,=Niu 2 ee (2.41) 式 中 s 是 与 原子 7 相 邻 接 的 原子 ;Wasx 系 经 验 值 。 按 文献 所 列 并 考虑 从 Pauling 电 负 性 出 发 ， Hit, BAIR SRA al Lb HA Symax==P mex = BT ymax==Crraas Clymax=Nowmex3 Fymax=Ovmax 在 实际 计算 时 ,对 于 不 同 的 原子 , Vs 可 分 别 取 作 V3 (RIF) ile a ihe (对 氛 原 子 ) (2.42) 1 (对 氧 原子 ) i 但 是 ,“ 自 由 价 ? 的 概念 一 般 只 限于 用 在 碳 原子 ,对 于 氛 、 氧 和 毛 等 含有 未 共用 电子 对 的 原子 ， 自由 价 的 概念 就 不 那么 明确 ， 还 有 待 作 进一步 探讨 。 在 一 般 情况 下 ,对 于 我 们 计算 的 分 子 , F, 值 越 大 的 碳 原子 ;其 残余 键 合 能 力也 越 天 ， 预 期 它 的 反应 活性 也 将 会 越 高 。 3. 计算 实例 现在 以 核酸 的 组 分 碱 基 之 一 一 一 胞 喀 啶 (cytosine) 为 例 , 简略 介绍 HMO 法 基础 上 的 理论 指 数 计算 方法 。 依 照 2.2.1.1, 我 们 很 容易 从 胞 喀 啶 的 结构 式 建 立 Hickel 矩阵 ,进而 运用 JACOB 法 (或 其 它 求解 本 征 值 和 本 征 向 量 的 方法 ) 在 计算 机 上 算出 本 征 值 和 本 征 向 量 。 最 后 , 按照 前 面 所 述 的 理论 指数 计算 公式 ， 可 得 胞 喀 啶 的 若干 理论 指数 。 FA HMO 法 计算 得 到 的 胞 喀 啶 的 本 征 值 和 本 征 向 量 如 表 2-2 所 示 。 表 2-2 胞 喀 啶 (内 酰胺 式 ? 的 本 征 值 和 本 征 向 量 * * 本 玫 仅 列 出 占据 分 子 轨道 能 级 和 系数 。 « 18 « 由 表 2-2 和 理论 指数 计算 公式 可 计算 《1) 电荷 密度 (以 Ns 为 例 ) gw, 一 2(0.2765): 十 2(0.2714)2 十 2( 一 0.2215) + 2(0.5243)?+2(0.4950)? . =1.4382 wet Qn, =1—1.4382 = —0.4382 (2) 键 级 (以 Ni 一 C? 键 为 例 ) Pi2=2(0.3146) (0.6037) +2(0.1129) (—0.1267) +2(0.6810)(—0.0454) +. 2(0.2669)(—0.0273) + 2(—0.4158)(—0.1206) ; =0.3751 (3) 自由 价 ( 以 N: 为 例 ) Fy,= V 2 一 (pis+ Piz) = 2 —(0.529+0.3751) =0.510 (4) 亲 电 超 离 域 度 (以 Ni 位 置 为 例 ) (0.3146)? (0.1129)? fi (0.6810)? —3.0682 —2.0077 —1.5920 Si,=2| (0.2669)? (—0.4158)? | — 0.7847 —0.5951 | =—1.4224 (5) 最 高 占据 轨道 和 最 低空 轨道 能 级 HOMO= 一 0.5951 LUMO=~—0,7949 - 通过 理论 计算 概括 起 来 可 以 得 到 两 类 指数 ,一 类 是 能 量 指数 ,一 类 是 结构 指数 。 能 量 指数 可 说 明 体 系 的 能 量 状 态 。 结 构 指 数 可 说 明 体系 中 各 原子 所 在 处 的 电荷 ,结合 能 力 以 及 键 的 性 质 , 从 而 用 以 讨论 生物 分 子 的 性 质 与 行为 。 如 能 量 指数 中 的 HOMO 反 映 电 离 势 ,而 LUMO 反映 电子 亲 合 势 ,用 以 说 明 体系 得 失 电 子 的 能 力 。 结 构 指数 中 的 键 级 .自由 价 、 原 子 净 电 荷 等 又 都 与 化 学 反 应 能 力 有 关 。 研究 的 实践 表明 ,以 上 例 举 的 一 些 理论 指数 (参见 2.2.1.1,2)， 在 说 明和 预言 生物 分 子 或 药 物 分 子 的 电子 结构 和 反应 活性 闻 的 关系 时 ， 是 有 用 的 。 特 别 作为 理论 计算 指数 它们 能 够 提供 由 实验 不 可 能 得 到 的 分 子 内 部 电荷 分 布 的 信息 。 在 量子 生物 学 中 ， 如 果 我 们 对 分 子 体系 之 间 的 差 别 更 感 兴 趣 ， 那 么 理论 指数 会 更 有 意义 。 但 是 ， 这 些 理论 指数 都 是 从 未 受 微 扰 分 子 的 计算 中 推 导出 来 的 。 因 此 ， 在 运用 时 应 慎重 行事 ， 必 须 非 常 仔细 地 检验 它们 作为 反应 活性 参数 的 若干 性 e 19 e 质 ， 以 求 与 实验 结果 相 一 致 。 尤 其 是 由 对 孤立 分 子 的 计算 而 得 到 的 理论 指数 都 是 静态 的 指数 ， 在 这 种 情况 下 ， 它 们 对 于 说 明 动 态 的 生物 分 子 的 反应 活性 显然 存在 着 潜在 的 危险 性 。 再 者 ， 热 力学 的 研究 告诉 我 们 ， 反 应 活性 依赖 于 过 渡 态 而 不 依赖 于 反应 物 。 这 就 使 我 们 更 加 认识 到 上 述 理论 指数 应 是 有 条 件 的 ， 它 还 给 我 们 留 下 了 不 少 尚 待 解决 的 问题 。 必须 指出 ,前 面 已 经 介绍 过 的 理论 指数 ,最 初 都 是 在 HMO 方法 的 基础 上 提出 来 的 ， 现 在 大 都 已 被 推广 到 其 它 更 精确 的 计算 方法 当中 。 因 此 ,在 以 下 讨论 其 它 理 论 方法 时 ， 在 二 般 情况 下 ， 我 们 将 不 再 重复 介绍 这 些 理论 指数 。 2.2.1.2，” 微 扰 分 子 轨道 法 (PMO 法 )e71 量子 化 学 在 处 理 较 大 分 子 时 ,采用 微 扰 法 求解 Schr5dinger 方 程 。 理论 计算 的 研究 表明 ,我 们 在 这 里 讨论 的 微 扰 分 子 轨道 法 (简称 PMO 法 ) ,对 于 分 子 a 定性 和 反应 的 计算 在 实用 上 是 一 个 简单 而 有 力 的 工具 。 这 个 方法 所 作 近 似 的 目的 ， 是 直接 计算 体系 间 的 差异 ,而 不 是 将 体系 分 别处 理 后 再 确定 其 差异 。 微 扰 理 论 可 以 研究 两 个 体系 间 的 静电 作用 、 电荷 转移 和 Van der Waals 力 等 相互 作用 。 1. 计算 原理 在 这 一 节 里 ,我 们 仅 介 绍 定 态 非 简 并 微 扰 (对 于 有 简 并 时 的 微 扰 ， 读 者 可 从 有 关 的 量子 化 学 著作 中 了 解 到 )。 在 量子 力学 中 ， 微 扰 理 论 的 出 发 点 是 Schr5dinger 方程 式 ， 即 当 体系 受到 微 扰 作 用 时 ， 其 Hamilton 算 符 瑟 可 分 解 为 ， H=H,+AH' (2.43) (2.43) 0AA HRM. FE. ANSchrodinger 方程 可 写成 (H, +A’) pn=E Wn (2.44) FOF dn, LA thik FAK ABA EA. HR TaylorRARHWTK, 在 确定 这 些 级 数 展开 是 收敛 的 前 提 下 ,可 将 五 ,和 如 对 4 的 寡 级 数 展开 , 即 ; Pr=Pn + AW? + Arg 十。 。 (2.45) E,=E,+AB YO + ABO ecceee | (2.46) #5 (2.45) (2.46) RA (2.44) RG, HP? + ACM pa + Hops?) + ACM’ pa + Hoban) + o20%° = £,' oe ACE, Py, a EF, v,?) 十 A*( EE, 4%, ay Eo? oy, Hy Cig.) ake ss ban (2.47) 此 方程 要 使 4 ZETA BCE (PA EB SR OT , EER SK PAA HAI FEU AM BAAS 即 , 4=0 项 Hop, = £9, (2.48) 4 的 项 (H,— BA) 9. 一 BY — Hy, (2.49) 20 。 42 的 项 (He = Be + BE, 9, —H’/¥, (2.50) (2.48) BN HCA ANY Schrodinger 方程 ,求解 后 就 可 得 到 零 级 近似 的 能 级 L,'° PB cA Be 疫 叫 ,再 从 (2.49) 式 解 出 一 级 近似 的 能 量 校正 值 瑟 ,和 波 函 数 加 ,由 〈2.50) 式 又 可 解 出 二 级 Be ‘ TE WMRIEA EL, My, “由 (2.48) 式 求 得 一 级 微 扰 体系 的 能 量 和 波 函 数 ， 二 | 交互 第 sidr 二 天 (2.51) fvrOHy, dr i i LiF, fe ”将 (2.51) 和 (2.52) 式 代入 (2.50) 式 ， 可 求 得 二 级 微 扰 项 。 在 量子 化 学 (量子 生 物 学 ) 中 ,最 常 使 ”用 的 是 一 级 和 二 级 微 扰 项 。 其 中 包括 二 级 微 扰 的 本 征 值 和 波 国 数 为 (2.52) / ip ee a eM ce (2.53) pe A Td i, = 1+ Dor te + [DO gg OLEH Sy rhe 2 my eae as #EHMOP: +} , MICRA KZA MIA MIE RTOS B A, BAB a, +5a,, = [0,H',de, ty (2.53), (2.54) RES MEM Fe wT FE TEM ER RF a a we 的 改变 为 * 6E,.=2 >, (C,,)’da, occ UNOCC + 2 ™ ” Ou) (5a, 24 eeeeee (2.55) occ UNOCC ge= 43 vi Car ARR (2.56) esac 同 理 , 体 系 受到 微 扰 后 ,其 共振 积分 B,, 改 变 为 6,.+6p8,.,66,,= fo, H’®,dr, WHF BE 量 改 变 为 ” 按照 不 相 容 原则 ， 每 个 分 子 轨道 最 多 只 能 容纳 两 个 电子 且 自 旋 必 须 相 反 。 若 分 子 中 的 壳 层 不 是 全 满 就 是 全 空 ， 则 称 为 闭 碗 层 分 子 ， 对 应 的 组 态 称 为 闵 党 层 组 态 ; 否则 称 为 开 壳 层 分 子 和 开 壳 层 组 态 。 occ UNOCC 88,=20-.08. +23) 民 OE 8g, )? + eae 了 (2.57) 在 (2.55) 至 (2.57) 中 ,UNOCC 为 未 占据 轨道 数 ,在 (2.57) 式 中 z,。 为 7 原子 与 s 原子 间 的 键 级 。 而 电荷 密度 改变 为 occ UNOCC so 一 4 二 工 人 CC (2.58) €;— 2, 为 使 计算 简洁 ， 兹 定义 ， 原子 -原子 极 化 率 ie 0q, occ UNOCC C; Ope 和 原子 自 极 化 率 0q, 4 occ UNOCC CE sermons hE Oa, i 二 ” &;—&, 原子 - 键 极 化 率 , 键 -原子 极 化 率 Rigas cyowe Ait Bia O80 Rer, = argent (CC +t CiuCus)CisCrr U sis 一 2 和 ” AS TR peat 2 Se eel BLA UERA 2, , = 20157 键 - 键 极 化 率 OCC UNOCC (CirCnst+CisCrr) CiCrut Cun) Treo 一 2 人 do ae Sie aoe mer oS 2, 理论 指数 和 计算 公式 由 上 述 定义 ,我 们 可 以 获得 R 共 入 体 系 中 某 r 原 子 轨 道 c, 发 生 了 6c， 变 化 时 ,能 量 妃 \ 电 荷 & 和 键 级 7 的 变化 ， 6E~q,6a, 十 二 rr(6a (2.59) 6g=1,,,0@, (2.60) OD ery ¢= Mai yr OFy =F Sa, (2.61) 当 键 > 一 s 的 5, 发 生 了 6p8 AEC , HEIL , Hy ty A ERE DAYAR (ty 6 及 大 2026 有 8 二 mre(60) (2.62) O9= Wey OB re = 2% 415708 rs (2.63) Du 二 mr (2.64) ee 7227 。 a ; 上 述 六 个 量子 化 学 理论 指数 即 为 PMO 法 获得 的 结果 。 从 (2.59) 至 (2.64) 式 不 难看 出 ,所 有 的 极 化 率 均 可 从 HMO 法 计算 所 得 到 的 能 级 和 波 国 数 算出 ,而 gc,、.68,, 则 可 以 由 积分 参数 的 变化 中 算出 。 实际 上 ,PMO 法 已 被 人 们 用 于 诸如 亲 电 芳香 取代 、 亲 核 脂肪 族 取 代 、 共 斩 烃 的 芳 香 性 、 周 环 反应 、 共 罗 体 系 中 杂 原 子 的 取代 效应 消除 加 成 反应 和 配合 物 稳定 性 的 处 理 等 方面 。 戴 乾 圆 吕 运用 PMO 靶 以 微 扰 分 子 轨道 的 离 域 能 作 参 数 ,建立 了 PAH 致 癌 的 “ 双 区 理论 。 2.2.1.3 扩展 的 Hickel 分 子 轨道 法 (EHMO 法 或 EHT 法 ) 扩展 的 Huckel 分 子 轨道 法 源 于 1952 年 Wolfsberg 和 Helmhoz 的 工作 ,后 为 Hoffmann 所 完 善 ,在 讨论 烃 类 分 子 方面 获得 成 功 "1。 象 EMO 法 一 样 ,EHMO 法 明显 地 是 经 验 性 的 。 但 EEMO 法 却 是 在 Hickel 近 似 的 基础 上 扩充 到 计算 全 价 电子 的 分 子 轨道 方法 , 即 EHMO 法 可 用 于 计算 非 FERED F-. , . 1. 计算 原理 我 们 知道 , 量子 化 学 分 子 轨道 法 主要 在 于 求解 Hartree-Fock-Roothaan 方程 ， 其 中 最 困难 的 是 求 出 Hartree-Fock 算 符 的 矩阵 元 。 由 于 EHMO 法 只 考虑 Hartree-Fock 算 符 中 的 单 电 子 贡献 ,因而 其 基本 方程 可 表达 为 >) (A,,—2)8,,)C,,=0 (2.65) 它 在 HMO 2 SE GE, MS BARBS S , HY A ME ETE EA PAR A,,=—I, (2.66) pT, EOP ue ya BOM, BT SR. H,, HR RE SATE. Hy =K Hint Ho) Se SOPH, 为 矩阵 非 对 角 元 ,S。 HRABY , KHER, EAE 取 是 1.5“ 键 角 ” ,无 非 是 指 几何 关系 ,不 一 定 要 在 这 些 地 方 存在 着 化 学 键 。 甚至 关系 序号 所 代表 的 也 不 一 定 是 原子 ， 而 可 以 是 所 指 处 的 一 个 位 置 。 这 种 位 置 可 称 为 虚设 原 +, | | 除了 虚设 0 号 的 情况 外 ,第 一 号 原子 3 个 关系 序号 皆 不 存在 ,也 就 不 存在 它 的 坐标 ;第 二 号 原子 只 有 键 长 ;第 三 号 原子 只 有 键 长 和 键 角 而 无 二 面 角 ; 第 四 号 原子 三 者 都 有 。 但 在 虚设 了 0 号 原子 时 ,第 一 号 原子 有 键 长 ,第 二 号 原子 有 键 长 和 键 角 ,第 三 号 三 者 都 有 。 下 面 我 们 仍 以 胞 喀 啶 为 例 说 明 分 子 内 坐标 的 一 种 系统 表示 方法 。 其 中 ， 键 长 和 键 角 数据 取 自 文献 [ 9 ]。 详 见 图 2-4 和 表 2-4 ( 键 长 ,nmi 键 角 : 度 )。 3，IEHT( 电 荷 自 洽 EEMO 法 ) EHMO 法 计算 中 , 互 矩 阵 的 近似 主要 取决 于 参数 1, KREME 1, 选择 不 同 而 显示 出 较 大 的 差异 。 为 了 克服 因 忆 选择 的 不 同 而 造成 的 较 大 差异 ,科学 工作 者 又 作 了 如 下 修正 ， Ai,=—I, I,=I+a,(Qi—Q,) (2.71) 其 中 ,7Tx 系 经 验 参 数 ,Q'? 为 轨道 4 上 原来 的 电子 数 , 而 Q, 则 是 从 波 函 数 系数 C,。 PLINY, a, 是 适当 选取 的 参数 (>>0)。 下 HI 方法 现 已 被 广泛 应 用 于 有 机 化 合 物 和 生物 分 子 的 计算 (on Pullman 等 对 核酸 碱 基 电 子 分 布 和 偶 极 矩 的 计算 ,参见 4.2.1.1)。 对 于 含有 过 渡 金 属 元 素 化 合 物 的 计算 ， 则 尤为 需要 电 荷 自 洽 。 表 2-4 胞 喀 啶 键 长 和 键 角 数据 _ oo oN OO fF® WON 一 ja 加 —-nweowowoonrer awnreye ood a = S'S —& F& WO Ol &® SNH eK SCO OO —_ wn 2.2.2 半 经 验 自 洽 场 分 子 轨 道 法 这 类 方法 的 特点 是 忽略 一 些微 分 重 登 ,并 用 实验 数据 将 积分 参量 化 ,以 简化 计算 ， 节 省 时 间 并 扩大 计算 范围 。 按 照 忽略 微分 重 伍 的 程度 又 分 为 :CNDO 法 (全 略微 分 重 登 ) INDO 法 “〈 间 略 fis} BH). NDDO 法 (只 忽略 双 原 子 微 分 重 登 ) 以 及 PRDDO 法 (部 分 保留 双 原 子 微分 重 登 ) 。 在 自 洽 场 分 子 轨道 理论 中 ,对 于 闭 壳 层 体 系 , 经 LCAO 整理 后 ， 最 终归 结 为 求解 Hartree- Fock-Roothaan 方 程 > (万 一 eigi)Cw 一 0 (2.72) 式 中 iF a» A Hartree-Fock 算 符 矩阵 元 ， F yy =Hyy + Dy, Pao() 的 积分 值 大 得 多 ,因而 采用 ZDO 近 似 方法 只 考虑 第 一 种 积分 P,(1)9,(1)dr=0 (uv) (2.75) Fz BSKAD AH ETHFRO DAT, ShRb, PO AS BA Cur | Ao) fi Ht ae BEA it} AR PU FAS Be (uu | AAD es 26 « 人 (uv ] Ao) ==Tas (2.81) 假设 4441|wx> 只 与 属 什么 原子 有 关 ,而 不 论 它 属 于 什么 轨道 。 于 是 ,我 们 便 可 取 最 简单 的 s 轨道 来 计算 (AA un) =ran=f foa(oax 0. (1), (1)dride, 3 =ff ska) Ask a)aridr, (2.82) IX FE, (2.79), (2.80) TSE Fp =Hyp— Prashant = Pasa ®, RFA (2.83) Pyy=Hyy—> Pastas D, 属于 A ®, 属于 了 B (2.84) 式 (2.83) 中 , Pos 表示 受 B 原子 束缚 的 总 电荷 密度 Pa a Py (2.85) 式 中 求 和 遍及 B 上 全 部 原子 轨道 。 下 一 步 是 应 用 一 系列 有 关 近 似 于 分 子 实 的 Hamilton 矩阵 元 豆 ,。。 对 角 元 妃 ， 可 方便 地 分 离 。 27 。 为 单 中 心 和 双 中 心 贡献 FH ®, RFA 9 则 可 写作 By =U ir (2.86) B(#A) 同 理 ,考虑 原子 A 的 不 同 原子 轨道 2, #0 D, 间 非 对 角 实 矩阵 元 H., 也 可 分 成 两 部 分 H,,=U,,— > 《Vs 办， 本 、 瑟 ,属于 和信 (2.87) B(=+A) FUP Uv 可 以 根据 原子 数据 半 经 验 地 获得 ,后 一 项 计算 所 采取 的 近似 方法 ， 应 与 处 理 双 电 子 积 分 的 近似 一 致 ,于 是 忽略 A 原子 上 的 单 电 子 微 分 重 登 , 亦 即 人 w| Vs|>> 取 为 零 , 则 有 ， (u| Val u>=Vas (2.88) 作为 这 些 近 似 的 结果 ， 可 得 万 内 王 Co 一 oe V ap ®, 属于 A 9 (2.89) H,,=0 ©,+9,, RAWRA (2.90) 在 CNDO iE (UF , BOM PAE Xt 98 SE RM TIE Le A BA 7 >= B ge8ny ®D, 属于 As a, 属于 B (2.91)° | tah AH Po 只 与 A、B 原子 的 本 质 有 关 ，s** 重合 积分 的 计算 跟 EHMO 法 中 重 & 积分 的 计算 相 同 ° 应 用 这 些 近 似 后 ,Fock Sai sc thi ft 4 PW BK (O, 属于 AD, FB) Fp =U ne + (Par PAT ant “器 ( PssTan—V as) (2.92) B(3¢A) Py = B30 Past nn /ssy (2.93) 式 中 BA =+-K(B2+ BB) (2.94) As 51 分 别 为 A 原子 与 B 原子 的 成 键 参量 ,天 是 可 调整 的 常数 。 一 般 , 天 =1, A 和 (或 ) BR 于 第 三 周期 元 素 的 原子 时 ， 玲 =0.75。 由 上 述 可 知 ,一 个 CNDO 计算 的 完成 ,需要 重 登 积分 sw，Uu、FAa, 电子 排斥 积分 Tas. 今 为 止 ， 已 经 建立 了 多 种 方案 来 获得 这 些 参量 。 在 量子 生物 学 研究 中 ,CNDO/2 法 * 已 被 广泛 采用 。 它 是 经 Pople、Segal FA RRM, 在 CNDO/2 方案 中 ,不 再 个 别 地 计算 电子 一 一 实 势 能 积分 了 As，, 而 是 将 B 原子 核实 视 为 点 电荷 ， 借助 下 式 把 了 ws 与 电子 排斥 积分 联系 起 来 。 * 一 个 CNDO 计算 的 完全 确定 ， 需 要 重 登 积分 s,， 实 Hamilton 量 元 素 避 *，FAs， 电子 排 RD rae i Me 键 参量 有 的 数值 。 已 经 建议 了 两 种 方法 来 得 到 它们 ， 称 为 CNDO/1 和 CNDO/2。 第 二 种 方法 更 成 功 一 些 ， 且 已 被 广泛 应 用 。 « 28 « ee se — -" - V ns=ZaPar (2.95) 采用 上 述 经 验 公式 计算 双 中 心 积分 将 大 大 简化 计算 , 且 经 研究 证 实 , 在 一 些 情况 下 给 出 的 结果 与 实验 符合 较 好 。 CNDO/2 方案 中 另 一 个 参量 化 是 or。 在 CNDO/1 方案 中 ,Du 依据 对 应 的 平均 原子 态 的 电离 势 T, 由 关系 式 Ft AK Ba — 1) ricn (2.96) 求 得 ,其 中 原子 轨道 DS, 属于 A 原子 。 另 一 方法 应 用 原子 的 电子 亲 合 势 4,, 相 应 的 关系 式 为 —A,=Uynt ZaTaa (2.97) 在 一 个 概括 性 更 大 的 近似 分 子 轨道 理论 中 ， 项 望 同 时 说 明 一 个 原子 轨道 得 失 电 子 的 两 种 倾 fh], CNDO/2 法 系 将 (2. 和 97) 式 平均 而 得 到 参数 一 去 (有 +4) 一 Dos+( 2 一 去)ra (2.98) 36, + Ay)/2 fe u td dks 性 ,可 由 实验 获得 。 按照 (2.92)、(2.93)、(2.95) 和 (2.98) 式 ,CNDO/2 方法 中 Fock 矩阵 元 可 写成 5 da | reas Py=—z (Aet Ty) +| (Par Zn) — 3 (Poe) |ran 7 (Pss— Zs) Tas (2.99) PP 一 也 K(B2+ B8)8ip—S Past an (2.100) 其 密度 矩阵 和 总 能 量 可 写成 P,,=2 Cue. | (2.101) 人 总 一 2 单 原子 十 2 双 原子 = Se Pr (2.102) A, 包含 一 个 电子 (Pu =1) ， 且 全 部 原子 净 电 荷 为 零 ( 忆 = ZA， ° 29 « Pus= Za)， 则 对 角 元 Pre 简化 为 一 地 (Tv+ Apdo Prov MEH Sor (BR+ AR) Ky BATRA HFR 方程 ,依据 第 一 次 求解 得 到 的 波 函 波 计算 密度 和 矩阵 ,并 用 (2.99)、(2.100) 式 计算 新 的 FocK 矩阵 元 ,如 此 循环 进行 ,直至 释 代 收敛 为 止 。 2，CNDO/2 参数 在 表 2-5 和 表 2-6 中 ,我 们 给 出 了 第 一 至 第 三 周期 元 素 的 CNDO/2 参数 ， 其 它 傅 数 可 从 有 基文 献 中 查 到 ， 这 里 不 再 一 一 列 出 。 表 2-5 第 一 、 二 周期 元 素 CNDO/2 参数 (eV) $(1,+A,) 7.176 3.106 5.946 9.594 14.051 19.316 | 25.390 4(1,+A4,) 1.258 2.563 4.001 5.572 7.275 9.111 17 21 25 原 了 Na | Mg | Al Si | P S | Cl ~+(15,+As,) 10.033 14.033 +(13,+As,) 4.133 5.464 +(154+Asa) 0.337 0.500 一 BA 13.065 15.070 选 好 了 CNDO/2 参数 ,就 使 这 一 方案 得 以 具体 实现 。 在 这 里 ， 和 拖 阵 元 的 准备 工作 比 从 头 计 算 简 单 得 多 ， 它 只 须 计 算 重 倒 积 分 及 少量 排斥 积分 以 构成 Fock 和 矩阵。 这 些 积分 的 计算 量 只 占 全 部 计算 量 中 的 一 小 部 分 。 3. 生物 分 子 的 CNDO/2 计算 CNDO/2 法 已 经 广泛 地 应 用 于 量子 生物 学 研究 。 迄 今 为 止 ， 比较 集中 的 是 用 于 药物 分 子 、 氨基 酸 多 肽 .核酸 碱 基 、 核 苷 酸 ， 甚 至 更 大 的 分 子 的 理论 计算 以 及 结构 活性 相关 的 分 析 。 因 而 ， 我 们 在 这 一 节 里 用 了 较 大 的 篇 幅 予 以 介绍 。 按 照 作者 等 的 经 验 ， 这 样 做 将 是 有 益 的 。 纵 观 这 一 方法 在 上 述 领域 应 用 的 实践 可 以 看 出 , CNDO/2 法 在 量子 生物 学 中 应 用 的 主要 特点 是 ， 计 算 分 子 中 所 含 原子 的 种 类 比较 单一 ( 绝 大 部 分 限于 第 三 周期 以 前 的 元 素 , 对 于 过 滤 金 属 配 位 化 合 物 的 计算 也 有 报导 )5 , 分 子规 模 大 , 计算 与 实验 结果 一 般 比较 吻合 。 从 目前 国内 计算 机 应 用 状况 考虑 ,生物 分 子 的 半 经 验 法 计算 ,着重 是 要 解决 登 代 收 敏和 加 速 收 和 敛 的 问题 。 前 者 是 为 完成 计算 的 自 洽 克 服 和 琶 代 振荡 ， 后 者 是 考虑 减少 释 代 次 数 节 约 机 时 。 从 解决 振荡 问题 看 ， 各 种 实用 程序 大 都 没有 引进 和 登 代 因子 强迫 收敛 的 技术 。 根 据 已 经 计算 过 的 大 分 子 化 合 物 的 分 析 来 看 5 , 若 分 子 中 含 S 一 S .0O 一 0 、N 一 N 键 等 ， 以 及 大 分 子 中 某 一 空间 聚 « 30 « 集 较 多 的 O、S 、N 和 了 等 杂 原 子 时 , 释 代 就 可 能 出 现 振荡 现象 。 尤 其 应 该 注意 的 是 , 上述 这 些 化 合 物 即使 能 量 自 洽 , 且 符 合 程序 给 定 的 收敛 限 (如 丸 至 <10- Hartree) ,这 些 化 合 物 的 杂 原 子 净 电 荷 也 有 可 能 产生 振荡 现象 。 为 克服 振荡 KMART HAR 2 一 3 次 ， 一 般 即 可 获得 满 意 的 结果 。 在 具体 进行 大 分 子 CNDO/2 或 其 它 自 洽 场 计算 时 ,可 将 计算 先进 行 5 次 登 代 ， 并 将 计算 结果 存 人 计算 机 ,再 分 析 打 印 的 5 次 到 代 进程 , 即 可 看 出 能 量 是 否 趋 于 收敛。 若 出 现 振 荡 ， WY We FE ACF, PEARSE AE PRR. UCI RACH AY Fock 和 矩阵 元 等 均 取 自 事先 存 人 计算 机 的 数值 , 即 第 五 次 倒 代 的 结果 。 这 样 一 来 , 既 保证 了 县 代 收敛 ， 又 可 节省 计算 机 时 。 这 里 ， Pe ES ERRATA EN Ta RA A" 对 条 位 移 BK” TARR RUS AIR BARKR. FAKA: ‘ AMS Gg), Am 4 OG-DoeQ. Queps 式 中 A* 为 第 R 一 1 次 登 代 按 简单 登 代 法 得 到 的 Fock AM, C° UAB R-1 kK BARGE AB, CO)" 是 它 的 转 置 矩 阵 ，c' 为 系数 ， XY 为 一 对 角 方 阵 。 利 用 这 一 公式 已 对 AMP, ADP fl ATP 等 分 子 成 功 地 进行 了 CNDO 计算 ,效果 显著 。 2.2.2.2 修改 的 忽略 双 原 子 微分 重 玛 法 (MNDO 法 ) 假如 在 化 简 HFR 方程 时 ,只 对 DO, AO, 属于 不 同 原子 的 原子 轨道 才 使 用 ZDO 近 似 ((2.75) 式 ) ,而 这 一 级 近似 的 主要 特点 是 保留 了 偶 极 - 偶 极 相互 作用 。 因 为 此 时 包含 了 《SA 忆 | SP MB Ate LEME 届 -?( 届 表示 核 间 距 ) 。 像 这 种 只 忽略 双 原子 微分 重 蚕 的 近似 方法 称 为 NDDO 法 。 NDDO 法 虽然 忽略 了 全 部 四 中 心 和 三 中 心 积分 《kz|4c>, 但 是 所 保留 的 单 中 心 和 双 中 心 积 分 数目 仍然 很 多 ， 因 而 这 种 方法 就 比较 难以 过 渡 到 半 经 验 的 水 平 上 去 。 因 为 对 双 中 心 积 分 大 都 需 用 Slater 型 轨道 作 直 接 计算 , 且 程 序 繁杂 ， 因 而 只 能 计算 一 些小 分 子 ,这 就 影响 到 这 种 方法 在 量子 生物 学 研究 中 的 实际 应 用 。 于 是 ,针对 NDDO 法 的 一 些 不 足 之 处 ，Dewar 及 其 合作 者 提出 了 改进 的 忽略 双 原 子 微分 重 亚 法 。 该 方法 采用 半 经 验 模型 处 理 双 中 心 电 子 排斥 积分 ， 这 种 方法 称 作 MNDO 法 。 在 NDDO 法 中 Fock 矩阵 元 为 -A FM =Uyuet 25 Viet D) Pal — (uy | uy] B y B 二 22 Pic (2.105) B Ag i SES ae ae Ppl 3¢ur| wy) — =gw 单 中 心 双 电 子 排斥 积分 ,库仑 积分 。 Cuv|uv>=h,,, ZERRBAD. Bia, MDA TRIAD Fw,A 原子 的 电荷 分 布 P.O, 5B 原子 核实 的 吸引 能 。 CHAVA | 4aoa>， 双 中 心 双 电子 排斥 积分 。 现在 ， 我 们 来 讨论 Dewar 提出 的 MNDO 法 。 访 方法 的 主要 特点 是 ,把 双 原 子 的 电荷 分 布 DLO) GOO? 间 的 相互 作用 看 成 是 两 堆 电荷 分 布 的 多 极 矩 相互 作用 之 和 (Hava| Anon) = 二 至 DiC Mim ‘ Mims) (2.108) 其 7 和 分别 表示 多 极 矩 Mi 的 级 数 和 取向 。 这 种 近似 展开 必须 保证 多 极 矩 -多 极 矩 相互 作用 应 有 好 的 渐 近 行为 。 当 五 ss>c 时 ， 它 们 应 收敛 到 经 典 相互 作用 ; 当 五 ss=0 时， 它们 则 应 当 重 现 相应 单 中 心 积分 的 半 经 验 数值 。Dewar 等 将 多 极 和 矩 -多 极 矩 相互 作用 近似 地 选 为 e2 2'; 2's (Mim. Mum.J=siay Lo fi Ru) -(2.109) =e gy fi( Ri) 表 ARAYA Rize Ris>0 时 的 半 经 验 表 达 式 。 数值 为 了 的 点 电荷 相距 D, BAS & FICE Min] MERE sz 价 壳 层 的 第 二 周期 元 素 的 原子 ， 可 得 gies ( 4f>.C29)°!” (2.110) 37 (Lr, +E29)® ? D.=(3) ae ee (2.111) KB, fo, 和 Sop E28 2 p HiMtR., MPAA fi R.,) Hem f.( Ri) =CRY + (ont h)*7? ee 对 于 sp 基 的 原子 而 言 ， 只 用 三 个 相 加 项 o., WAR l=0,1,2 分 别 表示 单 极 、 偶 极 、 四 极 的 性 质 。 两 个 单 极 相互 作用 给 出 g&,。， 两 个 偶 极 相互 作用 极限 为 ho», PAP MSS HH REA hy. Al 而 Po=e*/2 go 和 Ap 分别 由 数值 计算 给 出 .这 样 ,就 可 根据 公式 (2.109)、(2:110)、(2.112) 用 确定 的 电荷 距离 D, 和 相 加 项 p: 即 可 表示 出 MNDO 法 中 的 电子 排斥 积分 。 综 上 所 述 ,MNDO 法 只 包含 原子 型 参数 加 ,E ,6 和 cs, 它 们 经 过 细致 的 参数 化 后 的 最 优 值 列 于 表 2-7 中 。 于 是 ,利用 这 些 参数 和 上 述 原理 即 可 形成 Fock Sa Rf ,再 利用 计算 机 进行 通常 WAAR AUTRE CH. 由 于 MNDO 法 提供 了 对 完整 的 Hartree-Fock 矩阵 的 最 相近 的 处 理 ,考虑 了 高 级 矩 的 不 同 取向 .对 涉及 化 学 键 方向 性 的 问题 ,方法 中 在 8. 双 中 心 排 斥 积分 、 核 实 一 一 电子 吸引 积分 的 近 似 公式 中 都 作 了 考虑 , 故 它 在 处 理 分 子 中 成 键 方向 性 ,计算 不 饱和 分 子 生 成 热 , 几 何 优化 所 得 的 构象 ,计算 出 的 分 子 轨道 次 序 与 光电 子 能 谱 数据 的 吻合 程度 等 方面 , 均 优 于 修改 的 INDO 法 , Bil MINDO/3 法 。 所 以 尽管 MNDO 法 的 计算 时 间 大 约 比 MINDO/3 法 多 20% ,但 仍旧 被 看 做 是 © 32° 表 2-7 最 优 MNDO 参 数 B C N B oO —11.906276 —34.547130 —52.279745 —71.932122 —99.64309 —131.071548 —23.121690 —39.205558 —67 .172319 —77.797472 | —105.782137 1.331967 1.506801 1.787537 2.255614 2.699905 2.848487 —6.989064 — 8.252054 —18.985044 —20.495758 —32.688082 —48.290460 — 8.252054 —7.934122 —20.495758 —32.688082 —36.508540 2.544134 2.134993 2.546380 2.861342 3.160604 3.419661 ”目前 最 精确 的 半 经 验 分 子 轨道 法 而 被 越 来 越 广泛 的 使 用 。 在 量子 生物 学 研究 中 ，MNDO 法 日 ”次 受 到 重视 , 它 被 科学 工作 者 用 于 化 学 致癌 机 理 、 生 物 分 子 的 电子 结构 和 量子 药理 学 研究 , 取得 了 一 些 有 意义 的 成 果 0 :1。 特 别 是 QCPE( 量 子 化 学 程序 交换 ) 提供 的 几何 优化 的 MNDO 程 序 ,可 以 首先 通过 选 定 的 键 长 、 键 角 、 二 面 角 进 行 儿 何 优化 计算 ,获得 稳定 构象 后 再 进行 最 后 选 代 计 算 。 这 一 方法 可 以 看 作 是 当前 量子 生物 学 中 除了 ab initio( 从 头 计算 法 ) 之 外 , 最 有 前 途 的 理论 方法 。 2.2.3 从 头 计 算法 (ab initio 法 ) MATE (ab initio calculation 法 ) 隶属 于 分 子 轨道 理论 的 计算 方法 . 它 以 三 个 近似 , 即 非 相 对 论 近 似 ，Born-Oppenheimer 近似 和 轨道 近似 (参见 2.1.2) 为 出 发 点 ,不 借助 于 任何 经 验 参数 而 严格 求解 HFR 方 程 。 从 头 计 算法 是 非 经 验 求解 多 电子 体系 问题 的 量子 理论 全 电子 计算 方法 。 由 于 理论 上 的 严格 性 和 计算 结果 的 准确 可 靠 性 ,使 它 在 各 种 量子 化 学 计算 方法 中 居于 主导 地 位 。 由 于 从 头 计算 法 所 获得 的 各 类 体系 (如 原子 离子. 分 子 、 原 子 徐 及 化 学 反应 体系 等 ) 的 电子 微观 运动 状态 及 其 各 种 量子 化 学 指数 ,能 合理 地 解释 与 预测 原子 间 的 键 合 、 分 子 的 结构 、 化 学 反应 的 过 程 、 物 质 的 性 质 、 生 物 分 子 的 活性 及 有 关 实 验 事实 ,因此 , 它 已 成 为 理论 化 学 研究 的 一 种 必 不 可 少 的 理论 工具 ， 并 且 已 经 广泛 地 应 用 于 化 学 的 各 个 分 支 学 科 ， 并 渗透 到 生物 学 和 医学 等 领域 。 1. 计算 原理 悟 " 概括 地 讲 , 从 头 计算 方 法 实质 上 是 以 分 子 轨道 理论 为 基础 的 , 它 以 Hartree-Fock-Roothaan 方程 为 出 发 点 ,在 适当 地 选取 基 函 数 后 ,计算 各 种 所 需要 的 积分 ， 然 后 进入 自 洽 求解 。 按照 三 个 基本 近似 ,可 以 将 单 电子 波 函 数 Y, 写成 某 种 固定 基 国 数 的 线性 组 合 。 在 采用 分 子 GL —— 原子 轨道 线性 组 合 基 函 数 的 情况 下 ,对 体系 的 能 量 表达 式 进行 变 分 处 理 ,就 得 到 著名 的 HER 方程 (详细 推导 可 参考 “量子 化 学 专著) 。 对 闭 壳 层 体系 而 言 ,HER 方程 具有 形式 ， FT=STE (2.113) APT 为 原子 轨道 组 合 系数 矩阵 ,8 HBBBD EM, EL 为 能 级 , F % Fock A 其 矩阵 元 为 一 ji 十 Gi 。33 。 =D, |h|®,> + Pi[2GOJgG) 一 (GOGglGGy] k,l (2.114) Be T AME Hp py A — FADE C, 表示 分 子 轨 道 , 则 可 写成 广义 本 征 方程 人 CR 0) (2.115) 用 求解 广义 本 征 值 的 方法 即 可 获得 本 征 值 se ,而 本 征 向 量 即 为 分 子 轨道 系数 。 由 上 式 解 得 的 每 一 个 分 子 轨道 都 容纳 两 个 自 旋 相 反 的 电子 ,所 以 它 被 称 为 自 旋 限 制 性 方程 。 从 Fock 矩阵 元 中 不 难看 出 , 由 于 它 包含 Pr 这 一 待 求 系数 , 因此 Roothaan HRA A B 洽 场 方法 求解 我们 先 假设 一 组 试探 分 子 雪 道 C ,CC 中 ,-- OD ,定义 出 矩阵 五， 以 形成 密 度 和 矩阵 D> ,而 后 按 式 (2.122) 建 立 Fock 矩阵 FO, RR 玉 0C0 二 e028C4) ,就 可 得 到 广义 本 征 能 量 sf ,ee 多 及 相应 广义 本 征 向 量 Cf CSP ,Co .然后 ,由 这 组 本 征 向 量 组 成 第 二 次 试探 分 子 轨道 ,再 开始 第 二 次 登 代 , 周 而 复 始 直至 相 邻 两 次 到 代 所 求 得 的 轨道 波 函 数 相 一 致 (误差 应 在 给 定 范 围 内 ) 。 以 上 我 们 就 闭 沉 层 体系 作 了 扼要 的 介绍 。 对 于 开 党 层 体 系 ,其 自 旋 限制 性 方程 就 比 较 复 杂 了 。 一 般 常用 自 旋 非 限制 性 的 HER 方程 来 求解 开 党 层 体系 , 它 可 表达 成 联 立 的 矩阵 方程 组 ， 天 4 人 2 人 克 太 和 (2.116) 0 (2.117) 式 中 有 两 个 Fock 矩阵 ,其 元 素 为 18 一 ji+yTCPTI +POGG glGGOy》 Rt : —P 4 (®,| g|O,0,>] _ (2,118) Ff=h,+ DiC(P#.t+ Po, ] (2.119) RC BS Fi BE TR HS Bh AOL EPS BARI, AI _Pe 和 P2 的 一 个 假设 的 初 值 ， 就 可 形 成 两 个 Fock 和 矩阵 F* 和 古 4， 解 出 联 立 矩阵 方程 组 ， 得 两 组 本 征 向 量 ， 分 别 取出 本 征 能 量 最 低 的 m= p Alm? —¢ 个 被 占据 轨道 ， 形 成 一 个 新 的 密度 矩阵 ,循环 重复 以 上 处 理 过 程 , 直 至 c 和 两 组 分 子 轨道 前 后 两 次 登 代 的 误差 分 别 在 允许 的 精度 范围 ， 即 自 洽 为 止 。 无 论 是 限制 性 方程 或 是 非 限制 性 方程 ， 在 求 得 自 洽 后 的 分 子 轨道 系数 后 ， 便 可 依次 而 计算 有 关 分 子 电子 结构 的 一 些 指数 ,如 偶 极 矩 .Mulliken 集 居 数 分 析 和 分 子 静 电势 (参见 后 续 更 节 ) 等 。 (1) Gauss 国 数 (或 Gauss 型 轨道 ,GTO ) 我 们 知道 ， 虽 然 Slater 型 原子 轨道 (STO) 能 较 好 地 反映 原子 或 分 子 中 电子 所 处 的 势 场 , 但 若 把 它 应 用 于 从 头 计算 , 则 将 会 给 分 子 积分 的 计算 带 来 很 大 麻烦 。 因 此 ,在 从 头 计 算法 中 常 以 Gauss 函数 作为 基 函 数 ,以 便 使 各 种 多 中 心 积分 容易 计算 ,从 而 得 到 解析 表达 式 。 Gauss 函数 共有 五 个 参数 。 它 通常 采用 由 Boys 提 出 的 用 归 一 化 Gauss 函 数 作为 径 向 函数 ,由 e 34 e 此 得 到 的 基 函 数 称 为 Gauss 型 要 道 基 国 数 ， 简 称 GTO .在 量子 化 学 计算 中 ,GTO 一 般 都 表示 成 直角 坐标 系 中 的 实 函 数 形式 ， 以 坐标 原点 为 中 心 的 GTO 可 写成 二 (2.120) sth W 是 归 一 化 系数 ,4 指明 坐标 系 原点 ,zA、yA、zA 是 某 一 空间 点 的 笛 卡 尔 坐 标 , r^ 是 原点 到 空间 点 的 距离 ，?,m ,2 分 别 为 相应 原子 轨道 的 轨道 角 量子 数 。 Gauss 函数 集合 是 完全 集合 ， 它 包含 了 Hermite 函数 集合 。 Gauss 函数 彼此 之 间 是 非 正 交 fy, ETA PAIR. @ 两 个 不 同 中 心 的 Gauss 函数 相 乘 可 以 表达 为 另 一 个 单 中 心 的 Gauss 函数 的 线性 组 合 x(A,a,,1,,m,,21)¥(B,az,l2,m2,n2) = D3 Cimnx(P 8 ,l,m,n) (2.121) i,m,n 新 的 Gauss 函数 的 中 心 P 点 定义 为 中 心 4 和 中 心 B 的 质心 坐标 a,A+a,B a,+ a, 展开 系数 Ci 可 以 根据 4 了、 己 三 个 中 心 到 同一 空间 点 的 矢量 关系 求 得 。 @) Gauss 函数 对 笛 卡 尔 坐 标 ty. 的 积分 可 分 离 变量 。 @ Gauss 国 数 积分 变换 公式 ， 对 变量 2 的 需 国 数 积分 ,可 通过 Gauss HRPM HPA RA Gauss PRS oo i n eC Zep H(z) Hermite AR, (2) 多 中 心 积分 的 计算 CHES PARA: © BARD P= (2.122) : . (eS sae= f(A, yli,miym) x(Bya2,l,,ms,n:)de (2,124) 加 动能 积分 KE={x (A,a,,1,,m1,7;) (~jv')x(8 »22,12,m,,n2)dr a =—+fx(A,arhisms, n,) (a + or! or) . x(B,az,1,,m2,N2) (2.125) @ 核 吸引 能 积分 : ; UC 点 为 中 心 的 核对 电子 云 的 吸引 而 产生 的 积分 NAI={x(A,ayl,mi, m1) 二 X(B,asylaymasna)dr (2.126) @ 电子 排斥 能 积分 e 35 e an —————— _ 1 712 BRI={ x(A,ay,l,, m,n) x(Bya25l2,m2,n2) - ¥(C,a3,13,m3,n3)X(D ,a,,1l,,m,,n,) dr dr, t2.127) 在 以 上 各 类 能 量 积分 中 ,动能 积分 是 双 中 心 积分 , 核 吸 引 能 积分 是 三 中 心 积分 ， 而 电子 排斥 能 积分 是 四 中 心 积分 。 现在 ,让 我 们 回忆 前 面 所 讨论 过 的 各 种 半 经 验方 法 ,不 难 归 纳 出 : 在 HMO #1 EHMO 方法 中 ,由 于 引入 了 有 效 单 电子 Hamilton BH, 所 有 能 量 积 分 都 是 单 电 子 积分 ， 并 且 对 这 类 单 电 子 能 量 积分 不 做 具体 计算 ,而 是 近似 为 经 验 参 数 。 在 CNDO 方法 中 , 虽然 对 单 电子 能 量 积分 遇 到 三 中 心 ,对 双 电 子 能 量 积分 遇 到 四 中 心 问题 ,但 在 采取 了 ZDO 近 似 后 , 单 电 子 能 量 积分 代 之 以 经 验 参 数 , 双 电 子 能 量 积 分 转化 为 单 中 心 、 双 中 心 积 分 进行 计算 。 由 此 看 来 , 半 经 验方 法 巡 避 了 计 算 多 中 心 积分 的 问题 。 与 半 经 验 法 不 同 , 从 头 计 算法 不 引入 任何 经 验 参数 ,各 类 积分 都 作 严 格 计算 。 但 是 ， 它 利用 GTO 的 特性 ,将 分 子 积分 中 的 多 中 心 积 分 化 为 单 中 心 积分 的 解析 表达 式 , 使 计算 简化 。 文 献 [18] 给 出 了 采用 GTO 计算 (2.114)、2.118) 和 (2.119) 式 中 各 项 分 子 积分 的 解析 表达 式 。 在 目前 通用 的 从 头 计 算法 电子 计算 机 程序 中 ,往往 采用 STO-GTO ARBR, 这 是 由 于 采 用 GTO 虽然 具有 计算 迅速 、 准 确 度 高 的 优点 ,但 是 直接 作为 基 上 数 线性 组 合成 分 子 轨 道 的 GIO 本 身 与 电子 运动 的 真实 图 象 相差 甚 远 。 在 按照 分 子 轨 道 讨 论 分 子 中 原子 间 成 键 的 性 质 时 ， 又 不 便 将 GTO 与 通常 化 学 概念 中 的 原子 轨道 相 联系 。 为 了 弥补 这 一 不 足 , 因 此 常常 用 GTIO 的 线性 组 合 近似 STO 的 办 法 。 这 种 基 组 ,以 STO % SCF AG IE EB, tes} STO 又 用 若干 个 GTO 来 逼近 (一 般 是 3 一 6 个) 。 解 出 的 分 子 轨道 仍 用 STO 的 线性 组 合 表 示 。 这 样 , GTO 仅 作 为 中 间 数 学 处 理 方法 ,而 不 再 作为 原子 轨道 ,我 们 将 其 称 为 STO-GTO 系 , 其 一 般 表 达 式 为 四 (ET 一 和 (2. 128) K=1 FOB Dasism( 6,7) HA STO, ny im(ans37’) Fy GTO, dy, my Rtas KM. 经 展开 后 可 得 ®,(6,r)=f.(4,9,2) > d,;N,(k Ee baer (2.129) 式 中 du 为 展开 系数 , Ni(R,6) 为 x(Casr WAKA, ES af. SAR Huzinaga05 Pople 等 20 系统 地 研究 了 STO 向 GTO 展开 的 问题 ,先后 发 表 了 至 第 五 周 期 原子 轨道 的 若干 STO-GTO 展开 基 组 的 组 合 系数 4 和 轨道 指数 c,， 已 为 各 国 量子 化 学 工作 者 所 采用 。 我 国际 凯 先 等 52 采用 无 约束 的 多 因素 优化 方法 一 一 Sagent 改进 了 的 Powell 共 斩 方 向 法 德 物 线 拟 合 的 一 维 寻 找 法 ,确定 GTO 组 合 系数 &% 和 轨道 指数 c,, 第 一 次 发 表 了 所 获得 的 第 六 周期 的 STO-GTO 展开 的 全 部 数据 。 2. 大 分 子 的 从 头 计算 由 于 从 头 计算 法 计算 工作 量 很 大 ， 特 别 是 其 中 最 难 计算 的 双 电 子 积分 数目 和 所 用 的 轨道 数 目 (此 数目 和 计算 对 象 的 粒子 数 久 有 关 ) 的 四 次 方 成 正比 。 因 此 一 直到 60 年 代 以 后 , 随 着 计算 机 四 36 © ee ee ee ee 的 发 展 才 很 快 发 展 起 来 。 即 使 是 在 今天 ， 实 际 上 很 难 用 从 头 计算 法 来 计算 包含 成 千 上 万 个 电子 的 药物 和 生物 分 子 ， 对 于 这 类 分 子 (尤其 是 像 蛋白 质 和 核酸 这 样 的 多 聚 物 )， 还 有 待 提出 一 些 新 的 思想 和 建立 一 些 新 的 方法 。 但 是 ,对 于 STO 三 50 的 一 些 “ 大 分 子 ”( 这 里 所 指 当 然 不 包括 通常 所 指 的 生物 大 分 子 ， 如 蛋 和 白质、 核酸 等 ) 的 从 头 计 算 技 术 正 日 益 发 展 。 BE LSE EO?) 对 提高 大 分 子 从 头 计 算 速 度 的 技术 ， 作 了 较 深 入 的 研究 ,并 成 功 地 编制 了 大 分 子 从 头 计算 的 通用 程序 MOM 81 和 模型 势 方法 计算 程 序 MQMMP, 38. 从头 计算 法 的 发 展 尽管 ,从 头 计 算法 是 目前 为 止 最 严格 和 最 精确 的 分 子 轨 道 法 。 然 而 ,正如 前 面 所 述 ， 由 于 它 的 计算 量 庞大 ,占用 计算 机 内 存 多 ,耗费 机 时 长 ,故而 使 人 “ 望 而 生 县 ” ,尤其 是 距离 实现 生物 大 分 子 的 从 头 计算 还 有 相当 长 的 路 程 。 因而 ,对 于 量子 生物 学 的 理论 计算 而 言 ,在 一 定 程度 上 从 头 计 算法 还 只 能 是 纸上谈兵 。 即 便 如 此 ， 人 们 仍旧 在 不 断 地 寻求 和 探索 这 一 理论 计算 方法 的 改进 和 发 展 。 在 这 些 工作 中 值得 指出 的 有 : 盾 势 价 电子 从 头 计 算法 ;浮动 球 Gauss 轨道 法 ;从 头 算 碎 片 间 的 相互 作用 加 和 法 。 (1) RAG HFM ATR | HEH (pseudopotential) X FRM AH (model potential) 价 电子 从 头 计 算法 , 是 近 十 多 年 来 迅 速 发 展 起 来 的 一 种 重要 的 量子 化 学 计算 方法 。 主 要 用 于 较 大 的 分 子 ， 特 别 是 含 重 原子 的 化 合 物 AUR FE 盾 势 法 也 是 一 种 不 依赖 于 任何 经 验 参 数 的 非 经 验方 法 ， 它 与 全 电子 从 头 计 算法 的 差别 在 于 乱 把 变 分 和 自 洽 场 处 理 仅 用 于 价 电子 ,对 于 内 层 电子 的 影响 和 贡献 则 通过 一 组 有 效 势 (effective potential) 算 子 来 模拟 。 这 组 有 效 算 子 是 在 原子 状态 下 通过 拟 合 全 电子 从 头 计 算 的 结果 来 确定 的 ,进而 直接 用 于 分 子 体 系 。 可 见 , 质 势 法 的 计算 量 比 从 头 计算 要 小 得 多 。 璧 如 对 氨 分 子 的 计算 ， 占用 机 时 约 为 从 头 计 算法 的 1/10。 如 果 计 算 的 分 子 含 内 层 电子 愈 多 , 则 节省 的 机 时 也 愈 多 ， 甚 至 可 降 至 1/100。 , 大 量 的 计算 实践 表明 , 厦 势 法 的 计算 结果 可 相当 好 地 逼近 全 电子 从 头 计 算法 。 记 今 为 止 ,已 经 提出 了 多 种 厦 势 法 计算 方案 ， 并 在 配合 物 、 过 渡 金 属 . 有 机 化 合 物 、 原 子 复 化 合 物 和 药物 分 子 的 计算 上 取得 了 成 功 。 我 国 的 科学 工作 者 也 对 厦 势 法 进行 了 深入 的 研究 ,如 陈 凯 先 、 金 络 娄 等 编 制 的 通用 程序 在 若干 研究 课题 中 获得 了 成 功 。 (2) 浮动 球 Gauss HARB? 浮动 球 Gauss 轨道 法 (floating spherical gaussian orbital method， 简 称 FSGO) 是 一 种 简单 的 从 头 计 算 方法 。 它 主要 用 于 讨论 具有 偶数 个 电子 体系 的 闲 壳 层 的 基态 。 该 方法 运用 定位 分 子 轨道 模型 ,并 假定 每 一 个 定位 分 子 轨 道 用 一 个 完全 球 对 称 的 Gauss 函数 表述 , 且 每 一 对 电子 占据 一 个 这 样 的 轨道 。 再 由 这 些 占 据 轨 道 直接 构成 单 Slater 行列 式 波 函数 来 表示 体系 的 状态 ， 进而 采用 非 线性 变 分 法 求解 Schrodinger 方程 。 在 量子 生物 学 研究 中 ,Christofferson 等 提出 的 “分 子 碎 片 法 ?molecular fragment method) 获得 了 较 多 的 应 用 。 由 于 该 方法 采用 浮动 球 Gauss 轨道 ,因此 又 称 为 分 子 碎片 浮动 球 Gauss 轨 e 37 e 道 方法 〈 简 称 MF-FSGO)。 这 一 方法 在 研究 多 环 芳烃 (PAH) 致 癌 机 理 中 ， 对 车 千 反 应 中 间 物 (如 其 中 的 9- 甲 基 鸟 味 聆 与 三 羟基 正 碳 离 子 苯 并 [a] 世 的 复合 物 ) 作 了 量子 化 学 计算 ， 效 果 较 为 满意 已 1。 (3) 从 头 算 碎 片 间 相互 作用 加 和 法 从 头 算 碎 片 间 的 相互 作用 加 和 法 (sum of interactions between fragments computer ab initio 法 ， 简 称 SIBFA) ， 是 近 些 年 由 Pullman 等 人 5*271 建 立 的 计算 生物 大 分 子 的 量子 化 学 方 法 。 由 于 生物 大 分 子 体 系 的 庞大 ,在 现今 整体 从 头 计算 尚 无 法 实现 的 情况 下 ,需要 发 展 可 行 的 有 针对 性 的 方法 。 于 是 ,SIBFA 应 运 而 生 。 它 是 以 局 部 结构 (Fragment) 的 从 头 计算 为 基础 ， 采 用 一 些 经 验 和 半 经 验 性 的 模型 ,计算 比较 复杂 的 庞大 体系 。 已 经 发 表 的 方法 有 SIBFA1 AISIBFA 2。 其 中 ,SIBFA 1 系 由 于 分 子 构象 的 改变 而 引起 分 子 内 部 能 量 的 变化 ,通过 碎片 之 间 相 互 作 用 加 和 的 可 变 部 分 获得 ,用 下 式 表 示 ， NE cont = E wtp + Epo + Even + Beisyp + Brox (2,130) 对 于 SIBFA 2 , 它 适 用 于 Drug-tetranucleotide 分 子 间 的 相互 作用 能 计算 ,其 表达 式 为 AE inter 二 下 二 二 到 本 下 全 (2.131) 在 (2.130) 和 (2.131) 式 中 , 己 。。 生 ,分 别 表示 静电 的 和 极 化 的 能 量 贡献 , 它们 可 通过 碎片 的 自 洽 场 从 头 计算 所 得 的 波 国 数 经 多 极 展 开 而 获得 ,五 ,.。 和 一 si 分 别 是 排斥 和 色散 的 能 量 部 分 ,至 ,。 是 扭转 能 的 贡献 ,已 ., 是 电荷 转移 能 项 。 由 以 上 两 式 可 见 ， 这 两 种 方法 分 别 考 虑 了 分 子 内 和 分 子 间 相 互 作用 能 ,在 理论 和 实践 上 都 可 能 有 广阔 的 应 用 前 景 。 陈 凯 先 等 所 ! 应 用 此 法 计算 了 抗 癌 药 物 Mitoxantrone 与 DNA 的 相互 作用 ， 初 步 显 示 出 这 种 方法 用 于 大 分 子 计算 的 潜力 和 作用 。 2.2.4 Xo FH &k 从 头 计算 法 计算 工作 量 太 大 ,实际 上 仍 无 法 对 生物 大 分 子 进行 计算 ,而 半 经 验方 法 又 过 于 近 似 , 往 往 得 不 到 令 人 满意 的 计算 结果 。 介 于 二 者 之 间 的 有 所 谓 X HE. 1. 计算 原理 X iE Slater 在 1951 年 首先 提出 来 的 ,他 将 电子 交换 作用 能 用 其 统计 平均 来 近似 , 代 A Hartree-Fock 方程 ,得 到 X, HE. 这 种 方法 已 成 为 计算 含 重 原 子 的 一 些 分 子 的 重要 工具 ,并 广泛 地 应 用 在 化 学 、 生 物 学 .固体 物理 和 表面 科学 等 学 科 。 (1) 能 量 表达 式 = Don fur fade t 3 feMUedan + 二 |o(D)Dzx。 (1)¢r, (2.132) 式 中 a, 为 包含 自 旋 的 单 粒子 波 函 数 ( 分 子 轨道 ) ,mi 为 占据 4 雪 道 的 电子 数 (0 或 1 )，, 力 为 单 粒子 算 符 ,p(1) 为 电荷 密度 ,5.(1) 为 库仑 作用 能 ,Dxs(1) 为 交换 作用 能 ,它们 的 表达 式 如 下 : * 38 。 《2.135) 是 自 旋 限 制 的 和 。 HE. ”人 fi=—tvi- oe p “ip (2.133) ] | p(1)= Znixi(1)ur(1) 1 Ux.(I)=—2a(2-0()" | 《2.132) 式 中 的 第 一 项 ,代表 电子 的 动能 及 其 与 核电 荷 的 吸引 能 ,第 二 项 代表 电子 间 的 排斥 能 ,这 两 项 和 从 头 计算 的 表达 式 一 样 ， 除 了 三 个 基本 近似 外 ， 没 有 引进 其 它 近 似 。 第 三 项 是 交换 作用 能 ,在 采用 了 统计 平均 近似 后 ,和 REL, SMe < 则 是 在 大 量 工作 的 基础 上 引入 的 。 (2) X. Wf 将 (2.132) 式 对 w 变 分 , 求 能 量 的 极 小 值 ,利用 分 子 轨道 w 的 正 交 归 一 化 性 质 ， 就 得 到 X。 38 fu;+U.u; + SU x2, = 8.0, (2.134) 系数 了 是 对 w 微分 而 得 ,一 般 文献 中 的 X. HE fu,+V ou, +Vy.u;= eu, (2.135) 式 中 . a! V.=UssVre=2U re = —3.0( 35 0) (2.136) 、 (3) X. 方程 的 性 质 X, 方程 严格 满足 Fermi-Dirac 统计 OE x. = en Sena 分 子 轨道 的 能 量 等 于 总 能 量 对 该 轨道 电子 占有 数 的 偏 微分 。 Xq 方程 校正 了 Koopman 定理 中 包含 的 “冻结 ?近似 ,引入 了 "过滤 态 ”， 电 离 能 等 于 过 渡 态 分 子 轨道 的 能 量 —1,=e(m=+) (2.138) 已 表 示 半 个 电子 拿 走 , 半 个 电子 留 在 几时 的 分 子 轨道 的 能 量 。 X, HRB Viril 定理 2T+V=0 动能 了 与 位 能 了 之 比 等 于 负 1/2. 关于 参数 ¢ 值 的 确定 ,有 三 种 方法 ,运用 三 种 方法 所 得 结果 基本 相同 。 周 期 表 中 从 Z=1 3) 86 的 原子 的 优选 < 值 可 参阅 文献 [30]。 2. 多 重 散 射 X. 方法 es。 39 。 原子 具有 球 对 称 性 ,以 及 晶体 具有 空间 周期 性 时 ,和 <- 方程 易于 求解 。 把 和 e 方程 用 来 计算 分 子 结构 是 在 Johnson5 将 讨论 固体 能 带 的 多 重 散射 技术 改 用 于 计算 多 原子 分 子 的 束 缚 单 电 子 本 征 态 的 基础 上 发 展 起 来 的 。 该 方法 能 给 出 Hartree-Fock 原型 方程 的 较真 实 解 而 无 需 过 于 繁杂 的 计算 ， 这 对 于 处 理 较 大 分 子 尤为 有 利 。 原 则 上 , 它 还 是 一 种 从 头 计 算法 ,但 通过 引入 参数 « 又 具备 了 半 经 验方 法 的 灵活 性 。 它 不 必 把 分 子 实 和 价 电子 (或 o 电子 和 电子) 分开 处 理 , 也 没有 忽略 它们 的 相互 作 用 ,各 部 分 均 在 同一 计算 中 自 洽 解决 。 多 重 散射 Xo 方法 采用 "“ 松 饼 负 头 "(Muffin-tin) 近 似 , 把 整个 分 子 视 为 一 个 大 球 ,每 个 原子 视 为 一 个 小 球 。 于 是 ,整个 分 子 体系 被 分 为 三 个 区 域 (图 2-5) , 即 原子 内 区 域 I， 原子 球 间 区 域 WT 及 分 子 球 外 区 域 II。 在 每 个 区 域 ,对 分 子 轨 道 间 的 交换 作用 能 都 => 采用 Slater 的 统计 平均 近似 ,引入 参数 因子 <。 把 原子 内 区 RIA (fe) 分 子 球 外 区 域 III 的 势能 对 方向 求 平 均 , 近 似 为 只 是 7 的 函数 ,这 些 全 m 区 域 的 Xa 方程 的 解 具 有 中 心力 场 近似 下 Schrodinger 方程 的 解 的 形式 。 把 原子 球 间 区 域 II 的 势能 对 体积 求 平均 ,近似 作为 常数 ， 该 区 域 的 X. 方程 的 解 是 球 Bessl 方程 的 解 的 形式 ,分 为 两 部 分 ， 一 部 分 为 入 射 波 ,一 部 分 为 散射 波 ,各 部 分 均 由 工 个 ( 球 谐 函数 基 的 数目 ) 图 2-5 .分 子 区 域 划分 示意 图 分 波 线 组 合 而 成 。 根据 多 重 散 射 理论 ， 三 个 区 域 的 波 函 数 及 其 一 阶 导数 在 边界 上 应 是 连续 的 。 于 是 可 以 导出 一 系列 迅速 收敛 的 入 期 方程 ， 求 解 这 些 久 期 方程 而 得 到 分 子 轨道 能 量 和 波 函 数 。 整 个 求解 过 程 仍 是 一 个 登 代 自 洽 过 程 : 先 选择 一 套 试 探 分 子 轨道 ,计算 电荷 密度 (1) 而 得 各 区 域 的 势 函 煞 , 随 后 求解 各 区 域 的 和 Xe 方程 ,得 到 组 合 系数 待定 的 各 区 域 的 普遍 解 。 再 通过 求解 前 述 久 期 方程 及 波 国 数 系数 的 代数 方程 组 而 得 到 能 级 和 新 的 波 函 数 ， 由 新 的 波 函 数 去 计算 电 和 密 度 和 新 的 劳 能 进行 下 一 次 登 代 ,直到 自 洽 为 止 。 对 习 。 方法 的 详细 讨论 可 参阅 文献 L[31 一 33]。 目前 ,用 和。 方法 计算 分 子 结构 的 工作 已 逐渐 多 起 来 了 , 一 般 结 果 还 是 比较 好 的 。 近 年 来 ， Karplus 等 应 用 和 。 方法 计算 了 生物 分 子 5 ,有 关 这 一 方法 在 生物 学 中 的 应 用 正在 进行 中 。 2.2.5 分 子 静电 势 法 分 子 静电 势 (molecular electrostatic potentials) 是 分 子 体 系 的 一 项 重要 性 质 。'. 在 量子 化 学 中 ,通常 的 Mulliken 集 居 数 分 析 方 法 在 计算 各 原子 的 净 电 荷 时 ,并 不 考虑 各 自在 电 负 性 上 的 差别 ,而 是 将 两 个 原子 间 的 电子 重 登 集 居 数 平分 给 这 两 个 原子 。 研 究 表明 ,这 一 浅 略 的 处 理 有 时 可 能 会 导致 物理 图 象 的 严重 焉 曲 , 因 此 是 不 够 合理 的 。Kaufman 和 Pullman 等 建立 了 分 子 静 电 势 方法 ,已 经 成 为 量子 学 计算 中 的 一 个 重要 组 成 部 分 二 -1。 wee 分 子 静电 势 的 定义 是 ,空间 某 点 的 静电 势 表 示 荔 与 位 于 该 点 的 单位 正 电 荷 之 间 的 相互 作 用 能 。 sah a4 Hae. Zs p(7r’)dr a (2.139) , | Ra r | |r 7 | 。 40。 > eee 上 式 两 项 具有 明确 的 物理 意义 ,前 一 项 表示 原子 核对 该 点 的 静电 势 ,后 一 项 表示 电子 对 该 点 静电 势 的 贡献 。 从 分 子 静电 势 的 定义 出 发 ， 可 以 看 到 它 的 物理 意义 与 经 典 物理 学 中 的 含义 是 一 致 的。 分 子 静电 势 的 计算 以 及 据 此 绘制 的 分 子 静 电势 图 ,可 提供 在 Hartree-Fock 近 似 下 分 子 静 电 性 质 的 准确 客观 和 直观 的 图 象 , 从 而 避免 Mulliken 方法 的 缺陷 。 分 子 静电 势 法 在 药物 分 子 ， 核 酸 和 蛋白质 等 生物 分 子 的 计算 中 获得 了 广泛 的 应 用 。 按 照 静 . 电势 图 ,我 们 可 以 比较 分 子 的 正 、 负 电势 区 域 ,以 此 来 判断 分 子 间 相 互 作用 的 可 能 的 活性 中 心 ,并 可 对 亲 电 进攻 的 反应 竹 作 出 可 能 的 分 析 。 分 子 静电 瓜 法 为 药物 一 受 体 相 互 作用 机 制 的 探讨 ， 酶 活性 部 位 的 分 析 , 提 供 了 一 种 非常 有 用 的 工具 。 此 外 , 亦 可 借助 对 同 源 化 合 物 分 子 静 申 势 的 计 . 算 , 并 将 活性 部 位 的 负电 势 值 与 生物 活性 进行 相关 分 析 计算 ,从 而 建立 定量 构 效 关系 (QSAR) 方 程式 。 % : 2.2.5.1 MLV RAVSFRSEStR™ 从 头 计算 法 得 到 的 波 函 数 是 迄今 最 精确 的 波 函数 ， 而 建立 在 从 头 计算 法 基础 上 的 分 子 静电 势 计算 已 成 为 目前 应 用 最 广泛 也 是 最 精确 的 分 子 静 电势 法 。 根据 分 子 静 电势 的 定义 ， 空 间 某 一 点 了 的 静电 势 可 以 写成 ， Tap VPS: =| OV Gi) YW» (2.140) 式 中 的 两 项 分 别 表示 原子 核 和 电子 在 己 点 产生 的 电势 ,a,i 标志 各 个 原子 核 和 电子 ,2 eB a BV (i) BRP. 运用 密度 矩阵 理论 知识 ， 上 式 后 一 项 可 推导 为 (到 | 王 F(GD |v» =N<¥|V(1) |) = 人 V(a)drif WW drovers inh ={V(1)-p.(X)dry =T,V(1):p, (2.141) - 式 中 :是 一 级 约 化 密度 矩阵 Pi 一 22 OT) RiP (73)* (2.142) 把 (2.141) 和 (2.142) 代 入 (2.140)， 即 可 得 到 静电 势 计 算 的 普遍 公式 V(P)= 2257 |V|,)-R,, a Ta 这 里 ,@,.@, 是 组 成 分 子 轨道 的 基 函 数 ,R,, 是 分 子 体系 的 密度 矩阵 元 。 (2.143) es 4] 。 a as as aa (,|V |@,) = [AO-P.0) dr (2.144) 在 从 头 计算 法 中 , 当 采 用 GTO SrA KM, (2.144) 式 的 值 可 由 下 式 来 计算 ， (P,|V |®,> = WN, °N ,° onan A ee Lu Ain Aas Aue > BER) (2.145) t.7.8 m,s,e 46 3R(2.145) f, A, BAB HAT GTOMPD, Ni. Ni 分 别 为 归 一 化 系数 ,，Q 为 w%i yw SHRM ”一 中 心 后 的 中 心 点 。 RE 全 本， —1)"-d't*. Po;- 一 27 一 24 riuj(l—2r—2u)! Fills, lar Qs » QB,) B=a,+a,; d=7e y=(l+m+n)—2(r+s+t)—(ut+v+w) PQ? “hg 1 ne _PG stg g rf 46 )=J.s ey: 式 中 的 求 和 范围 是 l, 0o— I, Ta ls 7 和 [+] l—2r ise >|* 2 ed 在 上 述 数学 公式 的 基础 上 ， 即 可 设 计 程 序 进行 计算 。 文 献 [38] 报导 了 用 FORTRAN IV 语言 编制 的 分 子 静电 瘤 计算 程序 ESP， 可 准确 方便 地 计算 分 子 体系 所 在 空间 任 一 平面 上 的 静电 势 ， 也 2-6 反 式 (eg.eg') 异 构 体 ， 分 子 静电 势 图 可 由 空间 曲面 方程 的 控制 计算 某 一 曲 面 上 的 分 子 静电 势 。 它 所 需 的 波 函 数 ， 可 由 程序 自动 读 和 事先 经 从 头 算 自 洽 后 存 人 计算 机 厂 我 的 狐 值 .该 程序 适用 于 计算 生物 天 分 子 : -TO 文献 [39] 报 导 了 应 用 分 子 静电 势 计 算 程 序 ESP 计算 的 二 醇 环 氧化 物 的 模拟 分 子 的 三 种 空 间 构 型 的 分 子 静 电势 ,图 2-6 至 图 2-8 显示 了 这 三 种 构 型 的 静电 势 图 。 在 以 上 三 图 中 ,图 所 在 的 平面 是 *y 平面 ,> 轴 与 这 个 平面 垂直 。 图 中 虚线 表示 负电 势 等 值 线 , 实 线 代表 正 电势 等 值 线 。 图 2-6 和 图 2-8 非常 相似 ,而 它们 与 图 2-7 显然 不 同 。 这 表明 在 两 个 平 伏 键 型 (eg ,eg') 异 构 体 周 围 空 间 , 分 子 静 电场 具有 基本 相同 的 特征 ， 而 直立 键 型 (az a2’) 异 构 体 则 与 它们 有 很 大 差别 。 对 于 平 伏 键 型 异 构 体 ， 分 子 静电 势 的 负 区 域 位 于 *y 平面 以 及 接 © 42 « 5 i I fexX(eq,eq’) II- cis(ax,ax’) III cis(eq,cg’) 图 2-9 垂直 平面 上 的 分 子 静电 势 近 这 一 平面 的 空间 ， 而 对 于 直立 键 型 异 构 体 ， 这 些 负 区 域 主要 地 是 分 布 在 cy 平面 的 上 方 和 下 方 。 这 样 , 对 于 前 者 而 言 , 从 分 子 静电 势 的 负 区 域 到 Cs 原子 的 距离 就 比 后 者 远 。 后 者 的 这 一 特 征 不 利于 亲 核 部 位 从 C, 原子 背 侧 的 进攻 。 进 一 步 对 通过 C: 一 C, 的 联结 线 且 和 zy 平面 垂直 的 平面 上 的 分 子 静 电势 的 计算 , 绘 成 了 图 2-9(I 一 IID .图 中 所 示 的 平面 垂直 于 zy 平面 , 纵 轴 是 > 方 向 。 在 这 样 的 坐标 下 , 亲 核 部 位 从 环 氧 背 侧 进攻 Cs 的 路 线 ,就 是 从 图 的 下 方向 上 指向 Cs 原子 。 这 就 更 清楚 地 表明 直立 键 型 异 构 体 不 利于 亲 核 部 位 从 C: 原 子 背 侧 进攻 .图 中 显示 对 直立 键 型 , 静 电势 图 的 下 方 有 一 负 区 域 阻挡 着 向 C 原子 亲 电 进攻 的 路 径 ,使 得 这 种 进攻 大 为 困难 。 而 对 于 两 个 平 伏 键 型 异 构 体 ,完全 不 存在 这 种 困难 ,这 就 对 多 环 芳烃 的 最 终 致 癌 物 一 -二 醇 环 氧化 物 平 伏 e 43 二 键 型 异 构 体 致癌 活性 明显 高 于 直立 键 型 异 构 体 这 一 实验 事实 给 出 了 一 个 直观 有 说 服 力 的 解释 。 2.2.5.2 CNDO 法 分 子 静 电势 计算 !”) 一 般 而 论 , 分 子 静电 势 的 获得 是 依赖 于 从 头 计算 所 得 到 的 波 函 数 。 但 是 ,由 于 这 种 非 经 验 的 量子 化 学 计算 方法 在 处 理 药物 分 子 特 别 是 生物 大 分 子 时 ,确实 存在 着 很 大 的 困难 。 因而 ，Pull- man 等 又 建立 了 用 CNDO/2 法 获得 的 波 函 数 来 计算 分 子 静电 势 的 方法 。 文 献 [40] 报道 了 CNDO/2 法 分 子 静电 势 计 算 公式 的 推导 及 程序 化 。 在 CNDO/2 近似 下 ,公式 (2.140) 中 ,2。 取 价 电子 数目 ， 而 后 一 项 积分 在 CNDO 法 采用 的 Tih) BLOOD <0, IF|@,> 只 有 当 ;i= ,并 同属 于 同一 原子 的 条 件 下 才 需 计算 (47 | 02) | =5 40,, 的 计算 ,以 下 介绍 两 种 近似 ， 1. 近似 1: 采用 CNDO/2 方法 , 即 (P4|V p| Ot) 一 rip (2.147) 其 中 rae= ff sy 一 有 关 tar 的 计算 已 在 CNDO/2 法 中 论述 。 在 实际 计算 中 ， 由 于 书 点 的 静电 势 事实 上 等 于 位 于 该 点 的 单位 正 电荷 与 电场 的 相互 作用 能 ,所 以 上 式 中 Se 即 可 用 氢 原 子 的 1s RRA, FFA Gz=1, 于 是 静电 势 计 算 公式 可 简化 为 ; V(P) => Zs ) (2.148) 式 中 的 已, 为 密度 矩阵 对 角 元 。 2. 近似 2， 精确 地 计算 CG4| 访 1G4> , 即 计 算 积 分 Jens, ; 心 展 开 ,并 利用 Legendre 按照 CNDO 2 Hy DAM, HED > 多 项 式 的 正 交 性 , 导 得 下 列 计算 公式 (®4|V »| 4) = 站 xs i (26) enter 1 (2n—1)!(t—1) (2)! - ay 2é)) (2n—i+1)! pet |_2 (eter 1) (2.149) rh n Fi € 分别 是 Slater 轨道 的 主 量子 数 和 轨道 指数 ， 王 为 4 原子 到 空间 一 点 书 的 距离 。 在 设 s 44 。 ROE Sa Sa 性 计 程 序 时 .(2.149) 式 进一步 按 交 的 不 同 数值 展开 成 多 项 式 加 和 的 形式 。 双 从 1 一 3 的 展开 式 为 -学 时 —t-e% ZF (e He —1) | (2.150) i Was —eter[ 1 (ogy. pte Leagy P+ S26) | pe eee ae 2.151 pe 1) ( ) 3 1 ES 一 ee (2 5 PP- (2 6)t- Ph+ (2 6)* PP 1 2 5 it ee rf ie +2(26) P+2(2 ¢) | F (ee? —1) | (2.152) 用 上 述 公 式 计 算 积 分 后 静电 势 可 由 下 式 获 得 V(P)= Yt Pay PAP OS) ou COC ae 根据 以 上 两 种 近似 方案 ,文献 [40] 给 出 了 使 用 两 种 公式 计算 分 子 静电 势 的 程序 CMEP。 用 这 一 程序 对 多 环 芳 烃 致 癌 机 理 湾 区 历程 中 最 终 致 癌 物 模拟 分 子 之 一 一 一 反 式 平 伏 键 型 [trans (eq, eq’) 1D Fist Ft T +B, A 2-10,2-11 给 出 了 两 种 近似 的 xy 平面 的 分 子 静 电势 图 。 图 2-10 CNDO/2 法 近似 1 ee AA 2-11 CODO/2 法 近似 2 静电 势 图 将 这 些 图 与 从 头 计算 (STO-3 G) 的 静电 势 图 (图 2-6) 比 较 , 可 以 看 出 它们 的 图 形 相近 , 正 负 区 域 明 显 可 分 。 由 近似 1 获得 的 图 2-9 其 静电 势 凸 凹 线 比 从 头 算 浅 ;而 近似 2 重合 得 较 好 ,差别 仅仅 在 于 所 获得 最 大 负电 势 的 绝对 值 约 为 从 头 计算 值 的 1/3 一 1/2， 与 Pullman 报导 的 结果 一 致 。 这 是 由 于 CNDO 法 数学 模型 较 粗糙 所 致 。 尽 管 如 此 ,由 于 它 的 图 形 与 从 头 算 吻 合 较 好 ， 可 满足 同类 型 化 合 物 相对 比较 研究 的 需要 , 且 易 应 用 于 大 分 子 计 算 。 因 此 ,在 量子 生物 学 研究 中 已 成 为 计算 分 子 静 电势 的 一 种 便利 工具 。 e 45 。 此 外 ， 我 们 可 用 质 势 价 电子 从 头 计算 法 获得 的 波 函 数 来 计算 分 子 静 电势 。 文 献 [47] 报 道 了 硅 势 价 电子 从 头 算 静 电势 计算 程序 ESP-2 ,并 已 成 功 地 应 用 于 顺 、 反 式 二 毛 二 氨 合 铂 [Pt(NHs):] Cl, 和 [Pt(NHs:):]” 阳离子 的 分 子 静电 势 计算 。 使 用 由 其 它 半 经 验 分 子 轨 道 法 获得 的 波 图 数 进行 分 子 静电 势 的 计算 的 报道 也 很 多 ， 通 常 在 生物 学 和 药物 学 中 应 用 的 有 INDO 3:"**), MINDO/3 法 所 1 及 近年 来 报道 的 MNDO 法 上 。 由 于 这 些 半 经 验方 法 都 基于 零 微 分 重 亚 (ZDO) 原 理 ， 因 此 它们 计算 分 子 静电 势 的 方法 一 般 都 基于 (2.153) 式 - 2.2.5.3 生物 分 子 的 分 子 静 电势 计算 由 于 生物 分 子 (包括 药物 分 子 ) 是 一 些 较 大 的 分 子 体系 ， 因 而 使 用 量子 化 学 方法 获得 波 函 数 较为 困难 。 但 是 ,从 近年 来 在 量子 生物 中 有 关 分 子 静电 势 的 研究 论文 看 ， 使 用 从 头 计算 法 (包括 厦 势 价 电子 从 头 算法 ) 计 算 静 电势 的 约 占 243。 纵 观 这 些 文献 , 发 现 它们 都 采用 了 计算 分 子 片断 或 计算 模拟 分 子 的 办 法 ， 来 逾越 由 于 分 子 体系 太 大 而 带 来 无 法 计算 的 障碍 。 在 研究 系列 化 合 物 的 作用 机 制 时 ,往往 计算 这 些 分 子 主要 作用 部 位 的 分 子 片断 ,而 将 侧 链 或 相同 部 位 略 去 ,用 氢 原 子 饱和 。 这 种 片断 计算 也 可 获得 令 人 满意 的 结果 护 -”…: ,模拟 分 子 的 计算 也 是 基于 上 述 原 则 ， 在 单个 分 子 构 型 变化 的 计算 中 常常 采用 此 法 5 。 由 于 它们 是 基于 从 头 算 非 经 验 的 量子 化 学 计算 的 水 平 , A 而 这 些 分 子 静电 势 计 算 结果 优 于 半 经 验 法 (如 CNDO/2) 对 整个 分 子 的 计算 结果 。 甚 至 有 的 CNDO/2 法 计算 静电 势 也 采用 了 这 种 分 子 片断 的 近似 计算 ,也 获得 了 良好 的 结果 一 。 一 般 药 物 均 包 含 芳 香 环 ,早期 的 分 子 静电 势 计 算 常 以 芳 环 为 平面 , 直接 计算 xy 平面 (2=0) 的 分 子 静电 势 。 后 来 发 现 当 z>1.75 ,平行 于 xy 平面 上 计算 静电 势 ， 可 以 较 好 地 考虑 式 电 子 的 静电 作用 ,获得 了 很 好 的 结果 “” ,这 种 处 理 方法 已 逐渐 被 大 家 所 接受 。 我 国 计 算 分 子 静电 势 的 工作 起 步 较 早 ， 其 研究 工作 几乎 与 生物 分 子 从 头 计算 程序 同步 发 表 上 ,可 以 相信 ,分 子 静 电势 的 应 用 将 会 越 来 越 广泛 。 2.2.6 PCILO 计算 法 PCILO 法 亦 即 微 扰 组 态 相 互 作 用 定 域 分 子 轨 道 法 (perturbation configuration interac= tion using localized orbitals) ， 是 由 Diner 和 Malrieu 等 于 1967 年 起 开始 建立 的 半 经 验 的 量 子 化 学 分 子 轨道 法 5 。 这 个 方法 是 以 全 价 电子 半 经 验 的 量子 化 学 方法 为 起 点 ， 计算 分 子 整 个 构象 的 一 种 简便 方法 。 由 于 PCILO 法 考虑 到 组 态 相 互 作用 ,在 相当 程度 上 弥补 了 传统 的 自 ， 洽 场 轨道 所 忽略 的 “相关 能 ”, 因 而 计算 结果 较 好 。 该 法 还 运用 微 扰 理论 ,直接 由 零 级 、 二 级 及 三 级 能 各 项 修正 值 加 合 而 得 ,使 能 量 计 算 避 免 了 自 洽 又 代 的 过 程 ,致使 计算 速度 远 比 一 般 的 半 经 验 分 子 轨 道 法 为 快 。 该 方法 还 采用 了 "二 中 心 一 一 双 电 子 ? 化 学 键 及 孤 对 电子 、 空 轨道 来 组 建 分 子 的 定 域 轨 道 。 其 零 级 近似 对 应 Lewis 结构 式 , 具 有 化 学 的 直观 性 ,在 量子 生物 学 中 的 应 用 尤 具 特 色 。 Pullman 认为 PCILO 计算 法 是 研究 核酸 及 生物 分 子 的 有 效 方法 5 1。Richards 也 在 其 第 二 版 < 量子 药理 学 > 一 书 中 认为 ,PCILO 法 是 药理 学 领域 中 最 广泛 使 用 的 分 子 轨道 方法 之 一 上 .他 * 46 。 lt i 在 小 结 应 用 于 量子 药理 学 计算 的 分 子 轨道 方法 时 ,给 PCILO 法 以 显著 的 地 位 ,认为 它 的 计算 结 果 在 某 种 程度 上 优 于 IEHT( 释 代 的 扩充 Hickel 分 子 轨 道 法 ) ,与 CNDO/2 结果 相近 (图 2-12)。 Hartree-Fock 极 限 从 头 算 ae peer 精确 结果 扩展 基 组 从 头 计 算 ab initio (STO-3G*) 极 小 基 组 从 头 计 算 ab initio (STO-3G) 修改 的 忽略 微分 重 公 (MNDO, MINDO)—SLS #7107 NS fits) BE (INDO) 全 略微 分 重 登 (CNDO) 微 扰 组 坊 相互 作用 定 域 -一 > 分 子 轨 道 法 (PCILO) 登 代 的 扩充 Hiickel 理 论 (IEHT) 扩充 Hiickel 理 论 (EHMO) 图 2-12 各 种 不 同 近似 的 分 子 轨道 法 比较 2.2.6.1 PCILO 法 基本 原理 1. 组 态 相 互 作 用 (cofiguration interaction 一 一 CI) 在 分 子 轨道 理论 中 , 当 用 自 洽 场 的 方法 (SCE) 求 解 Hartree-Fock 方程 时 , 依照 Pauli JRE. 将 具有 不 同 自 旋 ( 自 旋 c 和 自 旋 ) 的 两 个 电子 置 于 同一 轨道 , 即 允 许 同 一 地 点 找到 两 个 电子 ,这 就 与 电子 相关 理论 发 生 了 冲突 。 电 子 相 关 理 论 认为 ,具有 相同 电荷 的 粒子 (如 电子 ) 由 于 Coulomh: 排斥 作用 而 披 此 尽量 避 开 。 由 于 经 典 的 SCE 方法 存在 的 所 谓 相关 误差 ,因而 在 分 子 轨道 理论 中 ， 常 常 使 用 组 态 相 互 作 用 (CD) 的 方法 来 修正 相关 误差 。 在 求解 SCF-LCAO 方程 时 ,可 得 到 组 成 行列 式 波 函数 @x 的 分 子 轨道 , 它 分 为 占据 轨道 和 空 轨道 .在 CI 处 理 中 ,GOzx 的 开头 的 一 些 组 分 ,适当 地 用 空 轨 道 代 替 , 以 使 这 些 行 列 式 @x 相应 于 该 体系 的 激发 组 态 , 这 意味 着 一 个 电子 被 激发 到 较 高 能 量 的 轨道 上 。 组 态 可 以 是 单 重 (singly)、 双重 (doubly) 和 三 重 (triply) 的 。 图 2-13 表示 了 各 个 组 态 的 分 子 轨道 能 级 图 。 组 态 4 ， 称 为 陵 “一 十 ope alee ate ya C D ; -二 十 十 | 图 -2-13 组 态 示意 图 e 47 ie i 壳 层 组 态 , 它 对 应 的 波 函 数 为 单 重 态 。 组 态 C ,含有 单 电子 的 占据 轨道 ， 称 为 开演 层 组 态 。 由 于 @: 中 的 一 个 电子 可 以 取 a 和 有 自 旋 态 中 的 任 一 个 ,因此 C 对 应 一 个 双重 态 。 组 态 吾 具有 二 个 开 壳 层 的 电子 ,其 电子 自 旋 的 组 合 对 应 一 个 单 重 态 和 一 个 三 重 态 。 组 态 忆 有 三 个 不 成 对 电子 ,按照 各 自 的 自 旋 组 合 可 以 组 成 一 个 四 重 态 和 两 个 双重 态 。 显然 ,依照 一 种 适当 的 方式 混合 这 些 组 态 , 可 使 真实 的 波 函 数 成 为 所 有 可 能 组 态 的 线性 和 登 - 加， 亦 即 v= DiC Px (2.154) 式 中 每 一 个 @x 代表 一 个 Slater 行列 式 , 即 一 个 组 态 ，Cx 为 该 组 态 的 权重 系数 ， 可 由 变 分 法 求 得 。 这 样 的 波 函数 就 把 电子 相关 包括 进去 了 ,用 足够 数目 的 不 同 的 @x, 可 以 使 Y 逼近 真实 波 函 数 ,以 达到 预期 的 要 求 。 当 然 , 采 用 组 态 相 互 作 用 ,就 要 求解 很 大 的 组 态 作用 和 矩阵 ,以 便 获 得 系数 Cr。 看 起 来 ,这 样 做 似乎 带 来 了 很 大 的 困难 ,但 事实 上 ,对 基态 而 言 ， 只 有 和 基态 能 量 相 近 的 态 才 有 较 大 的 贡献 ,对 于 激发 态 , 只 有 具有 相同 及 相近 激发 度 的 组 态 才 有 较 大 的 贡献 。 这 样 ， 只 需 采用 有 限 个 组 态 , 就 能 得 到 较 好 的 近似 。 因 此 CI 常常 合并 于 各 种 近似 方法 ,如 P. P. P. 法 ， CNDO/2 法 ,ab initio 法 等 中 ,而 PCILO 法 则 是 以 CI 为 基点 的 方法 。 2. 微 扰 组 态 相互 作用 (perturbation configuration interaction——PClI) 为 寻找 一 个 简便 而 又 准确 地 求解 CI 问题 的 办 法 , 除 变 分 法 外 ,还 可 以 采用 微 扰 技术 。 即 把 ©, 看 作 是 未 微 扰 的 Hamiltonian 五 "的 本 征 向 量 , 它 与 真实 的 Hamiltonian & (已 包括 相关 作 FA) RAPD A AE AV & =H,+AaVv (2.155) Fi, ft Fi Bec A (Ao) =F (2.156) 则 可 以 在 A=0 Abate Se AR A BE Bt ADK EA Bc fF Taylor 展开 e= Be tAE, +a Byteceee (2.157) DT = Det AW +a Wet erccee (2.158) “KAO, L, AY; MH Lo MP 的 一 级 、 二 级 、 三 级 等 的 修正 项 可 利用 Rayleigh-Schrodin- ger 微 扰 理论 经 典 公式 ,依据 邱 的 矩阵 元 和 互 。 的 本 征 值 获得 se E\=Voo (2.159) ae | View’ 2 P 局 一 Lae (2.160) | V xoV wV ox » B= 2 Lay ED (2.161) 在 PCI 计算 中 ， 要 求 & = 了 7 Ix 详 ( 极 化 项 ) 或 ;一 > 和 #( 离 域 项 ) (2) 利用 ZDO 双 键 激发 简化 到 ii—>iti* (BEA HI’) © 49 « ij-——>i*j* (iA AX’) 而 第 三 级 相关 项 (2.161 式 ) 涉 及 前 面 的 组 态 间 的 相互 作用 ， 亦 即 一 一 单 激 发 与 单 激发 ; 一 一 单数 发 与 双 激 发 ; 一 一 双 激 发 与 双 激 发 ; 第 一 个 结合 是 由 极 化 和 (或 ) 非 定 域 相 关 构 成 ， 第 二 和 第 三 结合 涉及 再 “相关 ?”。 以 上 清楚 地 表明 PCILO 法 根据 具有 和 不 具有 从 一 个 键 到 另 一 个 键 的 电子 转移 激发 作用 而 分 类 ， 这 样 分 类 较 充 分 地 体现 了 组 态 激 发 中 所 包含 的 键 特征 性 。 这 样 ， 波 国 数 即 可 对 应 为 xx 单 激发 态 (2.169) D, = |ijiges-- ig teed Fe-iy | 双 激 发 态 (2.170) - 4. 使 用 “组 态 相 互 作 用 矩阵 ?表示 分 子 Hamiltonian 使 用 “组 态 相互 作用 和 扼 阵 >”， 最 低 本 征 值 和 相应 的 本 征 向 量 是 借 Rayleigh-Schrodinger 微 扰 级 数 而 计算 的 ((2.157) 式 和 (2.158) 式 ) ,激发 态 也 可 按 类 似 方法 处 理 。 不 过 在 具 体 实现 以 上 两 式 的 计算 中 ， 由 于 涉及 简 并 而 带 来 计算 的 困难 ， 目 前 的 PCILO 计算 多 采 用 Epstein-Nes- bet 程序 而 将 总 的 分 子 SARA. 这 样 相 当 于 取 相 互 作用 组 态 惩 阵 的 对 角 部 分 作为 未 微 扰 Hamiltonian 量 H, 而 非 对 角 部 分 作为 微 扰 Hamiltonian BV 的 表示 。 2.2.6.3 PCILO 法 的 适用 范围 以 及 应 用 实 便 PCILO 方法 的 实现 ， 在 目前 前 基本 上 是 依据 QCPE( 量 子 化 学 程序 交换 中 心 ) 提 供 的 程序 ti， 在 能 量 上 可 达 三 级 。 第 二 级 修正 仅 在 负 值 上 的 加 和 ((2.160) 式 ) ,并且 值 是 很 大 的 。 因而 它 降 到 由 充分 CI 应 得 到 的 相关 能 以 下 ， 第 三 级 修正 明显 地 小 ， 这 导致 总 的 能 量 修 正 贡献 为 正 ， 从 而 使 能 量 比 较 接 近 真 实 值 。 它 适用 于 互 原子 至 Cl1 原子 的 含 s、2 轨道 的 除 稀有 气体 以 外 的 所 有 原子 。 但 要 求 每 个 原子 不 得 超过 四 配 位 ， 在 组 建 杂 化 轨道 时 ， 不 考虑 3d 轨道 ， 东 要 对 所 计算 的 分 子 必 须 写 出 Lewis 结构 式 ， 以 便 构筑 零 级 波 国 数 。 该 PCILO 程序 计算 的 价 电子 数 可 达 250 个 ， 除 了 这 个 常 用 的 在 CNDO/ 2 近似 基础 上 的 PCILO 程序 以 外 ， 还 可 获得 INDO 近似 的 PCILO 程序 PCILINDO5LC9， 还 有 修改 的 PCILO- GSPCILO 及 包含 过 滤 原 子 的 PCILO 20 。 PCILO 的 计算 通常 以 构象 能 图 的 形式 给 出 ， 如 能 附带 作 图 程序 ， 这 种 构象 能 图 的 获得 是 很 容易 的 。 构 象 能 图 是 两 个 连续 的 扭 角 ( 或 称 两 面 角 ) 的 函数 ， 这 应 是 经 选择 为 主要 影响 构象 的 两 个 扭 角 ， 而 其 他 扭 角 均 按 有 机 化 学 或 生物 化 学 的 惯例 加 以 固定 或 者 直接 引 自 - 衔 射 结晶 数 据 。 Pullman 等 曾 应 用 PCILO 法 计算 二 核 苷 酸 的 构象 "" 1， 具体 计 算 采 用 二 糖 单 磷酸 的 模 型 (图 2-14), 在 实际 计算 中 ， 旋 转 两 个 P 一 9 键 (P 一 0 和 0s' 一 P) 。 这 主要 考虑 到 它们 BERRY 主要 扭曲 轴 。 图 2 -15 是 二 糖 单 磷酸 两 个 扭 角 的 构象 能 图 ， 也 是 PCILO 法 的 典型 的 构象 能 图 。 从 图 2 -15 可 以 看 出 ， 在 -ov= 允 os300” 附 近 ， 有 一 个 总 的 极 小 值 ~ 0 。 这 个 ss 50 。 图 2-14 二 糖 单 砍 酸 模型 分 子 图 图 2-15 二 糖 单 确 酸 PCILO 计算 构象 能 图 kcal/mols 和 值 是 该 点 的 计算 的 构象 能 与 最 小 构象 能 之 差 (kcal/mol) ,在 构象 能 图 上 以 等 高 线形 式 画 出 .300” 附近 的 极 小 点 常 以 g- 8- 标 出 ， 且 构象 的 稳定 性 面积 很 大 ， 它 们 圈 于 1 ~ 2 kcal/mol 的 等 势 曲 线 之 内 。 一 个 局 部 极 小 值 位 于 Dp_o,, =Po,-» HE 60°~90° Zin], A ete. WI, TE Dro, = 古 o -=180 ”表示 了 一 块 高 能 平原 〈 标 以 七 七 )， 大 约 高 出 总 极 小 值 5 kcal/mol。 图 2 -15 上 WARMERS, 它们 由 二 核 背 磷酸 和 三 核 背 磷酸 以 及 二 甲 基础 酸 的 X 射线 结晶 学 构象 分 析 得 到 的 。 从 图 上 看 到 PCILO 计算 预测 值 和 实验 观察 的 数据 符合 得 很 好 。 大 多 数 实验 测 得 构象 落 在 稳定 区 gg- Mets 之 内 或 交界 处 ， 而 无 一 落 在 七 七 高 能 平原 区 。 计算 二 甲 基础 酸 模型 的 ab initio 法 所 获 的 结果 完全 类 似 于 PCILO 法 扩 ]， 两 个 具 有 相同 稳定 性 极 小 值 分 别 位 于 (@G。o,，Go)=(285"，285") 和 (75"，75") 附近 , Me A #E(180°, 180 ) 附 近 区 域 高 出 总 极 小 值 约 7 kcal/mol, 类 似 的 结果 也 为 CNDO/2 法 获得 1。 但 若 采 用 EHT 法 扩 ,可 预测 出 7 个 等 价 的 能 量 极 小 区 域 的 存在 ,但 对 这 些 极 小 的 选择 产生 了 较 大 的 困难 。 这 表明 EAT 法 还 不 如 PCILO 法 和 其 他 较 精 确 的 量子 化 学 方法 的 计算 严谨 可 靠 。 当 然 这 不 是 绝 对 的 ， 也 有 不 少 成 功 的 算 例 。 正 因 为 PCILO 法 是 分 子 轨 道 法 范畴 中 计算 速度 快 ( 按 一 般 估 计 计 算 速 度 比 同 类 分 子 SCF * 按 国家 标准 局 1986 年 发 布 的 * 中 华人 民 共 和 国 国家 标准 >，cal( 卡 ) 属于 应 废除 的 单位 ， 在 使 用 中 应 按 1 cal=4.181 (BH RAM I, « 51 es > +See 100 倍 )、 结 果 较 为 可 靠 的 方法 ， 因 此 ， 记 今 仍 是 量子 生物 学 中 研究 生物 分 子 和 药物 分 子 构象 的 主要 量子 化 学 方法 5 。 我 国运 用 PCILO 法 研究 构象 问题 起 步 较 晚 ，1985 年 才 见 报道 (“"]， 且 仅 限 于 与 X- 衔 射 实 验 相对 比 的 工作 ， 未 涉及 到 生物 大 分 子 和 药物 分 子 . 直 至 第 三 次 全 国 量子 化 学 会 议 上 和 于 有 PC- ILO 运用 于 研究 生物 分 子 的 构象 与 活性 关系 的 研究 工作 问世 5"" 。 但 是 ， 可 以 相信 ， 随 着 量 子 生 物 学 的 普及 和 深入 ，PCILO 法 必 将 获得 进一步 的 发 展 和 应 用 。 2.2.7 .分子 力学 社 算法 分 子 力学 (molecular mechanics) 计 算 目 前 已 发 展 成 为 结构 化 学 的 理论 研究 方 RZ", 这 种 基于 分 子 经 典 力学 的 计算 方法 已 从 早期 的 有 机 化 合 物 的 分 子 结构 和 某 些 热力 学 参数 为 主 ， 深入 到 研究 有 机 化 学 反应 机 理 、 过 渡 态 、 溶 剂 化 作用 ,结构 与 反应 性 ,有 机 高 分 子 结构 ,NMR 中 的 取代 基 效 应 等 。 在 生物 学 领域 中 ,应 用 该 方法 研究 生物 大 分 子 的 构象 ,药物 结构 与 生物 活性 的 关系 ,已 呈 方 兴 未 艾 之 势 。 分 子 力学 计算 是 将 能 量 直 观 地 按 物 理学 中 一 般 力 学 的 原理 考虑 了 伸缩 、 弯 曲 、 非 键 等 能 量 项 。 由 于 应 用 这 些 概念 可 对 分 子 的 空间 位 阻 、 构 象 变化 等 问题 进行 定量 的 描述 ,而 不 涉 及 量子 化 学 中 的 形成 Fock 矩阵 和 自 洽 释 代 计算 ， 因 此 在 生物 化 学 、 药 物化 学 领域 受到 广泛 重视 。 分 子 力学 的 另 一 个 显著 特点 是 计算 速度 快 。 我 们 知道 ,生物 大 分 子 和 药物 分 子 的 结构 活性 关系 中 的 一 个 重要 的 研究 方面 是 分 子 的 构象 。 用 量子 化 学 分 子 轨 道 法 计算 分 子 构象 ， 可 给 出 某 些 分 子 性 质 的 较 准 确 的 结果 。 但 这 种 自 洽 场 的 计算 需 化 费 大 量 的 时 间 ( 计 算 机 时 按 原子 轨道 数 NAS 3 一 4 次 方 的 比例 增加 ) ,这 就 给 实际 计算 带 来 了 很 大 的 障碍 。 但 是 , 若 采用 分 子 力学 计算 方 法 , 则 化 费 的 计算 机 时 就 会 少 得 多 ( 它 仅 与 原子 数目 的 平方 成 正比 ) ,这 就 使 得 分 子 力学 的 计算 在 生物 学 领域 内 研究 大 分 子 构象 中 一 显 身手 。 分 子 力学 计算 还 可 与 经 典 的 量子 化 学 方法 相辅相成 ， 一 方面 可 以 用 分 子 力 学 计算 已 优化 好 的 构象 所 指示 的 分 子 空间 坐标 来 进行 量子 化 学 计算 ， 研 究 分 子 的 电子 结构 信息 。 另 一 方面 分 也 力学 的 一 些 经 验 参 数 除 某 些 可 从 实验 数值 获得 外 , 还 需 用 量子 化 学 从 头 计算 法 来 优化 参数 。 正 因 为 上 述 原因 ,分 子 力 学 计算 在 量子 生物 学 领域 中 愈 来 愈 受到 人 们 的 重视 ,其 计算 程序 可 在 量子 化 学 程序 交换 中 心 (QCPE) 索 取 。 2.2.7.1 分 子 力学 原理 分 子 力学 原理 首先 在 于 考虑 分 子 的 经 典 力 学 的 模型 ,构筑 力 场 (force field) ,把 分 子 处 理 为 由 一 套 经 典 力学 势能 函数 支配 的 原子 的 排列 。 这 个 力 场 的 势能 应 包括 非 键 和 价 键 的 相互 作用 ， 通过 不 同 势 能 函数 的 解析 表达 式 , 它们 之 间 的 总 和 即 为 分 子 的 构象 能 。 这 个 力 场 的 势能 函 数 一 般 包 括 键 的 伸缩 、 键 角 的 弯曲 、 绕 价 键 旋 转 的 内 旋转 、Van der Waals 作用 力 及 静电 和 偶 极 的 相互 作用 。 其 势能 可 写成 Se msn t Do tend + 2, torsion Py Visine: + DV charge + DV vom 271 式 中 了 ,we 是 键 伸缩 势能 ;Fo 是 角 弯 曲 能 ;Fasso。 系 内 旋转 能 :Fu 是 偶 极 相互 作用 能 ; « 52 * rr 是 静电 相互 作用 能 ;vew 是 Van der Waals fe; 每 项 分 别 对 所 有 原子 求 和 。 基于 上 述 经 典 力学 模型 ， 已 有 不 少 采用 不 同 的 势能 函数 表达 式 和 相应 参数 的 不 同 的 力 场 方 案 问 世 ， 各 有 侧重 ,各 有 特长 ,并 各 自 有 其 相应 的 计算 机 程序 。 其 中 应 用 最 广 影 响 最 大 的 首 扒 Allinger 等 建立 并 系列 化 的 MM 1.MMP 1.MM 2.MMP 2 等 方法 中 推演 的 势能 解析 式 和 相应 的 参数 ， 其 计算 机 程序 MM 2 和 MMP 2 也 以 不 同 机 型 的 版 本 在 各 国 广泛 地 应 用 。 以 下 以 Allinger 建立 的 MM 2 方法 中 的 势 函 数 为 主 分 别 就 (2.171) 式 中 的 各 项 具体 解析 式 作 齐 绍 53 ,由 于 势能 的 线性 加 和 性 ,以 及 为 简要 地 令 述 力 场 的 构成 ,有 必要 首先 讨论 两 个 原子 间 的 势能 。 1. 键 伸缩 和 角 弯 曲 势能 键 什 绪 和 角 弯 曲 可 由 一 般 的 Morse 曲线 来 描述 ,我 们 可 以 设想 原子 之 间 用 弹 仁 联 结 起 来 ， 构成 了 分 子 , 在 近 平衡 态 处 ,可 用 Hook 定律 来 表示 键 长 刍 角 偏离 其 “标准 ?时 所 增加 的 能 量 。 Vu = 5K err) (2.472) Ven = K (0-80)? (2.173) 式 中 K, EREDAR. K, 是 键 角 弯曲 力 常数 ,它们 通常 由 拟 合 小 分 子 振动 光谱 的 实验 数据 而 获得 。7 是 键 长 ,7o 为 这 个 力 场 模型 下 的 标准 键 长 或 称 " 本 征 " 键 长 ,9 是 键 角 ,% 是 标准 键 角 。 上 式 应 对 分 子 内 所 有 键 长 、. 键 角 求 和 。 为 了 更 精确 地 计算 ,时 常 对 Fe. 和 es 进行 校正 ,添加 高 次 项 。 表 2-8 和 表 2-9 列 出 了 二 个 力 场 的 参数 。 表 2-8 Vie. 计算 参数 力 场 模型 作者 只 只 yy Allinger 4.60 1.113 2.0 Bartell a 仅 在 二 次 项 时 使 用 ，2 仅 在 三 次 项 中 使 用 表 2-9 Vi 计算 参数 C 一 C 一 C - C—C—H H—C—H 力 场 模型 作者 ee es) oe K, Bo K, 6, K, 6, K’ n Allinger 0.450 109.5 0.360 109.4 0.320 109.4 710? W*.4 110.0 Bartell 0.629 109.47 0.322 109.47 0.350 109.47 0.0 一 so De ,一 本 及,[(r 一 ro 一 天 Cr 一 ro)3] (2.174) 1 Vo=='3.046-10~'- K4(8—8,)? + K’,(0—6,)" (2.175) 为 进一步 改进 分 子 力 学 模型 ,往往 要 引进 伸缩 -弯曲 交叉 项 。 这 是 因为 当 键 伸缩 时 , 常常 伴 随 着 键 角 的 减 小 , 若 分 子 有 较 大 变形 性 ,如 环 烷 ,这 种 互相 影响 就 较 显 著 。 这 种 影响 主要 存 在 于 1,3 原子 间 的 非 键 作用 ,普通 力 场 并 不 包含 这 种 作用 ,故而 必须 考虑 伸缩 -弯曲 交叉 项 , 可 由 下 式 求 得 Vn= AE (rr) + 119) (85-88) (2.176) 式 中 Ky Ses th BS Be, O 和 O° 为 实际 键 角 和 平衡 键 角 ,r; 和 rs 为 键 ; FARES BE, vr? 和 ee i RI 的 键 长 参数 。 2. 扭转 作用 势能 扭转 作用 势能 就 是 围绕 键 转动 而 产生 分 子 能 量 的 变化 。 绕 键 旋转 在 鼻子 力 场 中 是 以 “ 捏 角 ” o 表示 (torsional angle) ， 事 实 上 它 与 量子 化 学 计算 中 确定 分 子 空间 坐标 的 二 面 角 (dihedral angle) 同 义 。 扭转 作用 势能 的 计算 , 常 以 Fourier 级 数 展 开 式 表示 wa:. = 二 Pa +cos@) + +V 2(1—cos 2@) + ZV, (1 +008 3.) + tees (2.177) 对 许多 有 机 和 生物 分 子 而 言 ,前 三 项 展开 已 足够 精确 ,上 式 中 VV. 是 参量 , 它 是 由 事先 选 择 一 个 分 子 使 其 预测 的 构象 符合 实验 结果 而 拟 合 的 常数 。 当 分 子 的 构象 发 生变 化 时 ,往往 扭 角 变化 引起 势能 王 改变 要 比 由 伸 绾 和 角 弯 曲 的 改变 大 得 多 。 在 处 理 生 物 分 子 等 较 大 分 子 时 ,时 常 保持 键 长 . 键 角 不 变 , 仅 改变 扭 角 。 3. 静电 作用 势能 含有 极 性 基 团 的 分 子 中 基 团 的 电荷 相互 影响 产生 静电 作用 势能 。 可 由 下 式 表示 V ics Dee (2.178) 式 中 g, 和 2 分 别 为 原子 或 极 性 基 团 ; A A, DEAR HR. 有 的 力 场 模型 还 考虑 了 分 子 内 氨 键 形成 而 引起 静电 作用 势能 的 变化 0 ,无 疑 这 对 生物 分 子 中 诸如 氨基 酸 、 蛋 白质 的 分 子 力学 计算 是 很 必要 的 。 针对 生物 分 子 的 力 场 模型 ,对 于 多 肽 .蛋白 质 中 一 CO 一 及 一 NH, 一 之 间 的 OFA AAP 式 计 算 Fa Vux4 e|(<) (2) | Meas + (2 cos@,-cos6, —sin6, .singa cosa) (2.179) es 54 。 式 中 0, 是 C—O BENDEL Meo 与 氢 键 方向 的 夹 角 , (图 2-6) ,ba 是 N—H #6 18 th FE va SA 键 方向 的 夹 角 ,c 是 包含 C.O、 瑞 的 平面 与 包含 N.H、O 的 平面 的 二 面 角 。 4. 偶 极 相互 作用 势能 偶 极 相互 作用 考虑 到 静电 - 偶 极 相互 作用 和 偶 极 - 偶 极 相互 作 用 。 其 值 可 由 下 式 获 得 Veta t= Bigs (08x — 3 cosa;-cosa;) (2.180) 式 中 wus ABR, x APR BRA SEPA. aia, rn ee FFA Tis 是 键 中 点 间距 (图 2- Loe st Re 图 2-16 图 2-17 SET 5. Van der Waals 作用 势能 考虑 到 非 键 原子 间 的 作用 ,势能 中 还 必须 包含 Van der Waals 作用 ,在 确定 参数 时 ,假定 分 子 内 与 分 子 间 非 键 原 子 间作 用 遵循 同样 的 规律 。 有 两 种 势 函 数 可 以 描述 Van der Waals 作用 势 Lennard-Jones pA 3 Vron=e[ (22) —2(22) | (2,181) Buckingham Fk # 6 —r/To 0 : Vivom= 18a eat r{re) —(7) | (2. 182) 这 两 种 国 数 吸引 部 分 都 是 1 BLAH Rm) HSL — —#E, L-JA RRA 一, 而 Buckingham 以 指数 形式 的 斜率 增加 方式 表示 。 目前 最 常用 的 还 是 Allinger 基于 Hill 方程 采用 的 Buckingham 函数 解析 式 7)/7<3.311 Vvom=Ky | 2.90 « 10°3.311 | | V vom= 336.176 | K,-(22) | (2.184) AM r,.7 分 别 为 Van der Waals 半径 与 原子 间距 , Ky 为 两 个 原子 硬度 参数 的 几何 平均 K,=¢€#;—£;)'" (2.185) e 55 e 上 述 数 项 势能 之 和 在 分 子 力 场 中 称 为 立体 能 (steric energy)。 求 分 子 稳定 构象 或 稳定 态 就 — 需要 采用 优化 的 方法 ， 使 其 立体 能 最 小 ， 所 以 这 个 优化 过 程 在 数学 中 属 多 因素 最 优化 方法 。 Allinger 采取 其 中 的 Newton-Raphson 优化 法 ， 亦 称 块 对 角 和 拖 阵 NR 优化 法 。 优化 能 量 一般 公 式 为 OF (OR! On, 0 re (2.186) ”在 闪 R 优 化 法 中 ， 计 算 势 能 对 几何 参数 的 一 次 微 商 和 二 次 微 商 ( 力 常数 ) ， 使 坐标 Xt? be (om 更 接近 于 平衡 的 几何 参数 ， 逐 次 计算 2 (2.187) 式 中 有 ze) 是 二 阶 微 商 和 矩阵 | 区 H(x my) = (SOO) (1， 科 学 出 版 社 ,(1981)。 谢 雷 鸣 、 吴 吉安 : 化 学 通报 ，(4):14(1981) 刘 次 全 等 ;分子 科 学 学 报 ,1(2):19(1981). Coulson, C. A. et al.: Proc. Roy. Soc.，A 191,34(1947). Coulson, C. A.: Discussion Faraday Soc., 2:9(1947). Jordan, F. G. et al.: Theor. Chim. Acta, 15:211(1969). AAS: < 量子 有 机 化 学 >( 上 )， 上 海 科 学 技术 出 版 社 ，(1983 ).。 RE: 中 国 科 学 ,(10):964(1979). [ 9 ] Hoffman, R.: J. Chem. Phys., 39:1397(1963). [10] J. A. 波 普尔 著 ， 江 元 生 译 :< 分 子 轨 道 近 似 方法 理论 >， 科 学 出 版 社 ,(1976)。 [11 ] 王 志 忠 等 :分子 科 学 与 化 学 研究 ,2:47(1982). C12] 邵 俊 、 吴 吉安 等 ， 上 海 科 学 技术 大 学 学 报 ,2:45(1985). C13] 宣 建成 、 江 才 平 : 中 国 科 学 (B 辑 ),(7):681(1986). [14] Loew, G. H. et al.: Mol. Pharm., 26:19(1984). [15] Loew, G. H. et al.: Cancer Biochem. Biophys., 7:109(1984). [16 ] Koryekwa, K. et al.: J. Am. Chem. Soc., 107:4273(1985). 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(3.2) USr 的 关系 称 为 势能 曲线 。 图 3-1 为 离子 化 合 物 NaCl 离子 键 的 势能 曲线 。 由 图 可 以 看 出 , 当 距 离 很 近 时 , 斥 力 势能 占 优势 ,7 值 为 正 ,而 由 负 过 渡 到 正 有 一 极 小 值 , 这 是 在 引力 与 斥 力 相 等 时 ,体系 处 于 最 稳定 状态 。 aT NaCl, 此 最 低 势 能 值 约 为 一 120 kcal/mol, 所 谓 键 能 ( 解 离 能 ) ， 即 是 使 两 个 原子 核 从 最 稳定 位 置 (能 量 最 低 的 *) 分 离 到 无 限 远 处 所 需 的 能 量 。 由 于 键 能 可 以 通过 各 种 物理 的 和 化 学 的 方 法 测定 ， 因 而 用 相互 作用 能 来 表示 原子 间 的 相互 (am) 作用 比 用 相互 作用 力 更 有 意义 。 在 实际 处 理 问 题 时 ,为 方便 起 见 , 通 常 把 相互 作用 分 成 两 类 ， 即 强 相互 作用 一 一 强力 (属于 强 相互 作用 的 有 共 价 键 和 离子 键 等 ) 和 弱 相 互 作用 3-1 NaCl 离子 键 的 势能 曲线 一 一 能 力 (属于 弱 相 互 作 用 的 有 Van der Waals U(kcal/ mol) ee eye “=120+----- . 力 和 氢 键 等 ) 。 前 者 通常 维持 着 分 子 的 基本 结构 ;后 者 在 量子 生物 学 中 是 不 可 忽视 的 一 类 力 ， 在 维持 生物 大 分 子 的 构象 和 功能 活性 中 起 着 重要 作用 。 强 相互 作用 是 使 分 子 中 的 原子 之 间 结 合 在 一 起 的 主要 相互 作用 。 这 些 作 用 决定 着 生物 大 分 子 的 一 级 结构 。 由 表 3-1 可 以 看 出 , 强 相互 作用 的 结合 能 ( 键 能 ) 大 大 超过 了 分 子 的 平均 热 运动 能 。 我 们 知道 ,作用 力 的 强 弱 在 这 里 是 相对 于 平均 热能 RT 而 言 的 ,其 中 四 是 通常 的 Boltzmann 常数 ,7 是 绝对 温度 .在 正常 体温 下 ,该 平均 热能 的 数量 级 是 2.5x 10 eV/ 粒 子 , 相 当 于 0.6kcal7 mol, 3-1 一 些 典型 键 的 解 离 能 kcai/mol 8 4.45 100 2.55 58 3.80 86 48 70 4.35 99 6.30 143 5.35 122 | 一 = ~~ w Oo CD I H H=H C—C cH Cc-N 2.13 ¢€=—N Ce=¢ C=O C=C i © 62 ~~ a - 2” 弱 相 互 作 用 在 数值 上 虽然 比 强 相互 作用 小 得 多 ,但 在 维持 生物 大 分 子 的 二 级 ,三 级 、 四 级 结 ” 构 中 却 起 着 相当 重要 的 作用 。 正 因为 这 类 相互 作用 较 弱 ， 因 此 破坏 这 些 相互 作用 所 耗费 的 能 量 也 较 小 。 当 生物 分 子 受 热 时 ,这 些 弱 相互 作用 将 首先 受到 破坏 ,并 以 四 级 、 三 级 和 二 级 结构 这 样 的 顺序 起 失 生物 大 分 子 的 高 级 结构 , 从 而 对 生理 功能 造成 明显 的 影响 。 “3.1.2 原子 间 相 互 作用 的 分 类 正如 3.1.1 中 所 述 ,原子 间 的 相互 作用 力 基 本 上 都 属于 带电 粒子 间 的 静电 作用 力 。 因 此 ,我 们 需要 区 别 以 下 两 种 情况 : (1) 两 个 相互 作用 的 粒子 的 荷 电 状态 如 何 ? 是 中 性 原子 还 是 离子 ? (2) 相互 作用 的 原子 或 离子 的 电子 结构 如 何 ? 即 需要 区 分 它们 的 最 外 电子 层 是 闭 壳 层 (全 满 ) 还 是 开 壳 层 ( 未 满 ) 。 因 为 闭 壳 层 原 子 之 间 的 相互 作用 力 和 开 壳 层 原子 之 间 的 力 差别 甚大 。 研究 表明 , 开 党 层 和 闭 壳 层 体系 的 行为 是 截然 不 同 的 , 据 此 ,我 们 就 可 以 对 原子 间 的 相互 作 用 力作 如 下 的 分 类 : (1) 闭 壳 层 阳 离子 和 闭 壳 层 阴 离子 之 间 的 相互 作用 。 如 Na-* 和 Cl-,Na "和 0 等。 (2) 闭 层 壳 的 中 性 原子 间 的 相互 作用 。 如 He 一 He 等 ( 属 Van der Waals 相互 作用 )。 (3) 开 壳 层 离 子 ( 一 般 是 阳离子 ) 和 一 个 以 上 的 闭 壳 层 离子 (一 般 是 阴离子 ) 之 间 的 相互 作 用 。 如 生物 金属 离子 和 配 位 体 阴 离子 所 形成 的 配合 物 (参见 第 十 二 章 ) 。 (4) 两 个 都 是 开 壳 层 的 中 性 原子 之 间 的 相 五 作用 。 倒 如 互 一 英 ( 属 共 价 键 类 型 ) 等 。 需要 指出 ,这 样 的 分 类 虽然 比较 方便 ,但 并 不 严格 ， 尤 其 在 处 理 生 物 分 子 这 样 的 复杂 体系 村 更 是 如 此 。 不 过 ,尽管 这 样 的 分 类 比较 粗略 ,但 对 我 们 探讨 原子 间 相 互 作用 力 , 仍 是 有 益 的 。 3.1.3 定 域 键 和 离 域 键 正如 前 面 所 述 , 我 们 认为 有 关 分 子 中 原子 间 相 互 作 用 的 问题 主要 是 讨论 化 学 键 的 问题 .具体 地 说 ,在 量子 生物 学 中 ,我 们 关心 的 是 多 原子 分 子 。 然 而 ,多 原子 分 子 中 的 每 一 个 电子 是 在 更 多 的 原子 核 和 其 它 电子 形成 的 场 中 运动 的 ,情况 比较 复杂 。 但 是 ,我 们 可 以 把 这 些 电子 在 分 子 中 的 成 键 情况 分 为 两 类 :一 是 限于 一 对 原子 之 间 的 所 谓 定 域 键 (localized bond), 大 多 数 分 子 属于 这 种 情况 。 二 是 电子 可 以 在 三 个 或 更 多 的 原子 核 之 间 运 动 的 所 谓 离 域 键 (nonlocalized bond), 实 践 说 明 , 这 是 简化 问题 的 一 个 好 的 近似 方法 。 因 为 ,即使 在 离 域 作 用 很 突出 的 分 子 中 (如 苯 等 )， 定 域 键 也 是 在 分 子 形成 中 起 骨架 作用 的 。 因 此 ,下 面 我 们 先 讨 论 定 域 键 的 问题 。 3.1.3.1 TRE 我 们 知道 ,原子 之 间或 分 子 之 间 发 生 相 互 作 用 时 ,分 子 内 和 分 子 间 的 电子 分 布 将 会 发 生疏 变 。 一 些 实验 事实 表明 ,分 子 中 原子 间 相 互 作用 的 某 些 性 质 主要 同 与 键 相连 的 原子 有 关 , 这 说 明 成 键 电子 密度 的 分 布 ,在 一 定 程 度 上 有 定 域 分 布 的 特点 。 每 个 键 相 当 于 在 一 个 键 轨道 中 的 一 对 电子 ,这 时 电子 主要 定 域 在 这 键 的 两 个 原子 之 间 。 然而 ,在 实际 处 理 生 物 分子 中 原子 间 的 相互 作用 时 ,又 不 可 避免 地 要 涉及 到 构成 生物 分 子 的 闪 种 基本 元 素 原 子 的 电子 组 态 问 题 [ 这 六 种 基本 元 素 是 : 氨 (H) HR COC) LCN) , ACO), BECP) e 63 。 和 硫 (` S$)]J。 因 为 电子 组 态 问题 在 生物 分 子 中 是 不 可 忽视 的 。 就 氢 原 子 而 论 ,其 基态 电子 组 态 为 (1 s) 。 碳 原 子 在 基态 时 的 电子 组 态 为 (1 s) (2 s) (2 p)?, FE, 4 个 电子 分 别处 于 1s 和 2 s, 而 且 它们 已 经 配对 故 不 参与 形成 化 学 键 。 但 是 ,有 两 个 未 充满 的 2 p 轨道 各 包含 一 个 未 成 对 电子 .这 似乎 表明 , 当 一 个 矶 原子 跟 其 它 原子 (包括 其 它 碳 原子 ) 发 生 相 互 作用 形成 化 学 键 时 , 它 应 该 是 二 价 的 。 但 实验 事实 却说 明 碳 原子 是 四 价 的 , 且 四 个 化 学 键 是 等 同 的 ,它们 的 键 角 为 109 "28'。 为 了 使 理论 与 实验 结果 相 一 致 ,可 以 假定 一 个 2 s 电子 进入 到 空 的 vp 轨道 ， 从 而 给 出 (1 s)?(2 s)* (2 Z) 组 态 。 如 果 假 定 一 个 键 是 由 2 s 电子 形成 ,三 个 键 是 由 2 2 电子 形成 ,那么 显然 地 与 四 个 键 是 等 同 的 实验 结果 相 冲 突 。 为 此 ，Pauling RUT L 壳 层 中 的 四 个 原子 轨道 线性 组 合 形成 sp’ 杂 化 轨道 ,其 形式 为 b;(C2,) + d;(C2p,) + €;(Cop,) + £;(Cop,) t=1,°++,4 (3.3) A SREBRKH BS. STAR RABLT OATH. A Phe Bl, RATT 以 这 样 来 解释 , 即 如 果 把 四 个 轨道 按照 下 列 方式 进行 线性 组 合 (UREA $26, Gop, Gop, 和 Soe, 的 线性 组 合 在 能 量 上 是 有 利 的 ) ,于 是 可 以 得 到 四 个 等 同 的 轨道 ， :一 = (bas + hop, + Pop, + Pop,) b:—+ ($2. $29, + bon, — $29.) | 4 一 于 (4 十 gz: 一 bp 一 办 2p:) (3.4) b.=>(br— $21, — $20, + $29.) 这 四 个 sp® 杂 化 轨道 间 的 夹 角 等 于 109 “28“， 跟 实验 值 完 全 相符 。 在 甲烷 中 每 个 键 可 以 看 作 是 碳 原子 上 一 个 SP 杂 化 轨道 和 一 个 氨 原 子 的 1s 轨道 重 RM 成 的 。 很 明显 ,形成 四 个 键 而 不 是 二 个 键 所 得 到 的 能 量 足 以 补偿 把 一 个 电子 从 2 s 轨道 激发 到 2 p 孝道 所 需 的 能 量 。 为 了 弄 请 构成 分 子 时 原子 间 的 结合 是 如 何 建立 的 ， 我 们 必须 从 键 合 来 源 于 两 个 珠子 轨道 的 最 大 重 和 到 这 个 原则 出 发 。 下 面 钨 续 讨 论 乙 烯 和 己 执 的 捕 形 。 实验 表明 ,乙烯 分 子 是 平面 型 的 ,所 有 的 键 角 接近 于 120“ ,而且 它 具有 由 分 子 式 CH 一 CH， 中 的 双 键 所 表示 的 不 饱和 性 。 如 果 一 个 2 s 轨道 和 两 个 2 2 轨道 杂 化 形成 三 个 sP 杂 化 轨道 , 则 这 三 个 轨道 可 以 写作 ， 1 1 1 LAVA el EY tet > Hy (3.5) FC BT AHEM 3k = SLI Oe F el Fi ESF Ak 120°, 即 轨道 对 称 轴 指 向 等 边 三 角形 的 三 个 顶点 。 余 下 的 一 个 2 p: 轨道 将 与 三 个 SP 杂 化 轨道 所 组 成 的 平面 垂直 。 在 乙 抉 分 子 中 ,一 个 s 轨道 和 一 个 了 轨道 杂 化 时 ,将 形成 两 个 互 成 180 “的 sp 杂 化 轨道 ,其 佘 三 个 未 杂 化 的 2 py 和 2p. 轨道 都 和 sp 杂 化 轨道 垂直 。 图 3 - 2 给 出 原子 轨道 s 与 2 的 三 种 - 杂 化 示意 图 。 Pr», (3.5) NA 二 ss s 2, Py Pz 本 SS (CE [ec CO Ba 8 |- Mc oS hoo PD RS Re ele ae 37 50?., O2 [o COO & x | 一 一 COI Mase Bs z ieee 3-2 RFR s 与 p HAE 有 关 杂 化 -的 详尽 讨论 不 是 本 书 要 考虑 的 。 但 是 ,必须 指出 , 杂 化 这 个 概念 仅 仅 是 一 种 近 似 ,在 这 里 隐 含 着 假定 来 自 同 一 原子 的 所 有 键 角 都 是 相等 的 。 然 而 ,这 种 近似 对 于 一 个 原子 的 所 有 的 键 在 实际 上 是 相等 的 分 子 ( 如 甲烷 等 ) 才 是 正确 的 。 符合 杂 化 轨道 定义 的 数学 处 理 涉及 到 轨道 的 线性 组 合 。 每 一 个 杂 化 的 sp” 原子 轨道 可 由 线 性 组 合 s+42 来 描述 (其 中 4 是 杂 化 参数 ) 。 如 果 轨 道具 有 一 半 了 成分 (sp), 则 4 =1。 两 个 Sp 轨道 的 轴 间 夹 角 为 180 ,而 90 “的 键 角 则 相应 于 纯 的 2 成 分 (4 = 00), MRR FRAY s ke 分 增加 , 则 会 导致 键 角 增 大 。 记 至 目前 为 止 , 还 仅 只 是 研究 了 A 的 特殊 值 ,例如 4= 3 时 , 则 为 sD 杂 化 轨道 。 由 图 3- 3 5, 2p 轨道 能 以 两 种 不 同 的 形式 相 重 登 。 当 轨道 以 头 - 头 重 侄 (图 3-34) 方式 成 键 时 ,生成 的 键 对 于 键 轴 而 言 为 圆柱 形 对 称 , 这 种 键 称 为 5 键 。 杂 化 轨道 也 能 以 这 种 头 - 头 重 释 方 式 形成 c 键 。 当 轨道 以 侧面 重 登 (图 3 -3) 方 式 成 键 时 ,生成 的 键 对 于 键 轴 而 言 不 是 圆柱 形 对 称 ,这 种 键 称 为 BE. 从 杂 化 轨道 出 发 ,可 以 看 出 ,在 乙烯 分 子 中 当 两 个 s2P- 杂 化 碳 原子 形成 一 个 o 键 和 一 个 < 键 e 65 « A B 图 3-3 卫 轨 道 的 两 种 重 耸 方 式 3-4 时 (图 3- 4 ), 由 于 z 键 不 是 圆柱 形 对 称 的 ,所 以 当 沿 c 键 轴 旋转 时 ,r 键 将 发 生 破 裂 。 这 也 说 明 了 乙烯 分 子 为 平面 构 型 。 氮 原 子 在 基态 时 的 电子 组 态 为 (1s) ( 2 8)?( 2 pz):( 2 py)*( 2 0-)!。 根 据 这 样 的 电子 组 态 , 可 以 推测 氨 分 子 中 所 原子 可 能 有 三 个 正 交 的 c 键 生成 ,其 孤 对 电子 没有 任何 最 优势 的 取向 。 但 是 这 些 推测 与 实验 事实 是 不 相 吻合 的 。 事 实 上 , 氛 原 子 具 有 四 面体 成 键 取向 , 孤 对 电子 占有 着 四 面 体 的 一 角 ( 见 图 3-5). ERAS, R= R’=R"=H, HHH 107°; 在 三 甲 胺 分 子 中 ， 玉 = R’= R’’=(—CHs;) , 键 角 为 108 °7’, 图 3-5 在 氨 分 子 中 , 氛 原 子 的 结构 可 以 通过 假设 其 原子 轨道 为 sp? 杂 化 予以 解释 。 即 ， (1s8)?( 2 sp*)?( 2 sp*)'( 2 sp*)3(.2 sp*)? 其 中 ,有 一 个 杂 化 轨道 [( 2 sp?) ARTES as, CNA —T RE 作用 的 电子 对 (HAI3-5)., 氧 原 子 在 基态 时 的 电子 组 态 为 (1s) (2s) (22) 。 在 8 个 电子 中 有 4 个 电子 在 2 了 轨道 ， 即 ( 2 pz) (2 py)*(2 2:)。 如 果 我 们 假定 ,在 水 分 子 中 氧 原 子 上 的 两 对 扳 对 电子 占据 着 两 个 * 玖 杂 化 轨道 ,余下 的 两 个 杂 化 轨道 各 包含 一 个 未 成 对 电子 ,它们 可 以 跟 其 它 原子 ( 氢 原 子 ) 形 成 两 个 化 学 键 。 于 是 , 当 氧 原子 与 两 个 氨 原 子 结合 形成 水 分 子 时 , 氧 原 子 是 利用 这 两 个 各 包含 一 个 未 成 对 电子 的 杂 化 轨道 和 两 个 所 原子 的 1 s 轨道 重 释 而 形成 较 稳 定 的 化 学 键 , 计 算 的 键 角 为 109 28’, 跟 实 验 测 得 的 数值 105“ 相 比较 , 仍 有 偏差 。 可 以 认为 ,这 种 偏差 的 产生 是 由 于 氧 原子 上 的 扳 对 电子 不 参加 成 键 作 用 ,电子 云 较 密集 于 该 原子 的 周围 ,这 样 才 能 更 有 利于 能 量 的 降低 。 因 此 怕 对 电子 所 占据 的 杂 化 轨道 具有 较 多 的 s 轨道 成 分 ,其 它 杂 化 轨道 则 含有 较 多 的 了 轨道 成 分 。 这 种 由 于 有 扳 对 电子 的 存在 而 造成 的 不 完全 等 同 的 杂 化 轨道 ,叫做 不 等 性 杂 化 轨道 。 或 者 可 以 认为 ， 由 于 怕 对 电子 与 扳 对 电子 间 的 相互 排斥 作用 而 使 孤 对 电子 彼此 离开 ,从 而 使 两 个 氢 原子 靠近 。 这 就 解释 了 为 什么 水 分 子 的 键 角 是 105“, 同 时 也 显示 出 氧 原子 的 sz ” 杂 化 。 跟 氧 原子 同 处 于 第 六 主 族 的 硫 元 素 , 其 基态 原子 参与 原子 间 相 互 作 用 时 的 价 态 类 似 于 氧 原 ws 66 。 子 的 特性 ( 见 表 3 - 2 ) 。 但 在 化 合 物 R 一 S 一 R' 中 ,其 键 角 接近 于 90“( 例 如 在 HLS 中 为 92 )。 在 硫 的 三 元 取代 衍生 物 中 , 硫 原子 成 键 也 是 平面 型 的 。 磷 原 子 比 硫 原 子 少 了 一 个 电子 ,其 基态 时 的 电子 组 态 为 (1s)"(2s) (2D) (3 3)*( 3 pz)! (3 p,)'(3 p.)', EMEA PAT HERAT AO. A, SURF ie — FE, TH 子 占据 着 四 面体 的 一 个 角 。 综 上 所 述 , 碳 、 氮 、 氧 ` 硫 和 磷 等 构成 生物 分 子 的 主要 元 素 , 按 照 杂 化 轨道 概念 它们 往往 是 以 、 四 个 杂 化 轨道 参与 分 子 中 原子 间 的 相互 作用 ,并 决定 着 共 价 键 的 方向 性 。 这 对 于 我 们 探讨 生物 分 子 结构 和 活性 ,无疑 是 有 益 的 。 除 此 而 外 , 氛 . 氧 . 毛 和 硫 等 元 素 还 因 具 有 较 强 的 电 负 性 ,在 一 些 分 子 中 它们 可 以 作为 H+ 的 受 体 而 形成 气 键 ( 见 3.2.2 ) 。 还 须 指出 ,以 上 所 考虑 的 原子 的 价 态 问题 ,是 意味 着 原子 存在 于 分 子 中 的 状态 。 的 > 因此 价 态 概念 仅仅 是 一 种 近似 的 概念 。 3.1.3.2 Bie SK ETERS HE VE PT A, ee a eA ET Be a Pc AK CA RE HED FE 构 时 ,不 仅 能 够 说 明 化 学 键 的 定 域 特 性 ,还 可 以 定性 闻 给 出 分 子 结构 中 的 每 一 个 键 的 图 象 。 但 是 ,这 样 的 可 能 性 并 不 是 普遍 存在 的 。 定 域 键 模型 只 是 对 分 子 结构 的 一 种 近似 描述 。 实 际 上 ,分 子 中 的 电子 并 不 完全 定 域 。 即 使 象 在 饱和 烃 中 ,电子 也 是 离 域 于 整个 分 子 的 。 事 实 已 经 说 明 , 定 域 键 模型 在 描述 大 量 的 其 电子 可 以 离 域 在 两 个 以 上 原子 的 任何 分 子 ( 如 芳香 族 化合 物 、 核 酸 碱 基 等 ) 时 就 变 得 不 适 宜 了 。 典 型 的 芳香 族 化 合 物 分 子 是 茶 (CeHe) 。 苯 是 平面 型 分 子 , 它 的 六 个 碳 原子 占据 着 正 六 边 形 的 六 个 角 。 与 这 些 碳 原子 的 价 态 相应 的 原子 轨道 波 函 数 为 : ES = 办 二 Vea t V2 $2») oh get Tee O2= TV 2 加 Pop, tV 3 Oop,) $3= Fa(V 2 b.— Prp,—-V 3 Prn,) (3.6) $1= 2», (3. a) sth, 前 三 式 碳 原子 的 $1,627 加 相 结合 并 和 和气 原 子 的 1 s 轨道 结合 形 成 分 子平 面 的 定 域 o 键 , 键 角 为 120 (图 3-6a)。4 则 沿 伸 到 分 子平 面 的 上 方 和 下 方 (图 3 -620) 并 相 结 合成 二 键 。 这 个 严 键 为 六 个 碳 原子 所 共有 ,是 离 域 键 。 如 果 按 简单 分 子 轨 道 方法 ,六 个 碳 原 子 的 内 GEA $21,922,923. $21,025 和 O25) BREA Ht oe 分 子 轨道 波 函 数 为 ， 下 y= Voce + $.2+$.3+ brit bist bes) ¢2= 5 (bes or ?:3—P.5— $26) Hag 2 $11 + $22 —G2s— 2 brs—Gis + 26) w= Tr 2 $21— 9:z 一 办 :3 十 2 $:1—$25—:6) Ys=>(b22— $23 + $:5—9.6) LS FE + $:3—$21+ b2s—Gz6) es | yt Ws 4 .三 个 成 键 轨道 中 二 轨道 的 波 相 变 化 和 <3 二 有 , 三 个 成 键 轨 道 的 r 电子 云 在 环 上 下 的 分 布 Ve “ 反 键 轨道 ea ee ee ee eS ¥2 tr Ys C . mizs 0 图 3-6 ” 茶 分 子 的 成 键 图 示 六 个 可 能 的 r 分 子 轨道 中 ， 有 三 个 是 成 键 的 (图 3 - 6c)。 在 基态 时 ,占据 这 三 个 轨道 的 六 个 电 子 将 不 再 属于 某 个 特定 的 碳 原子 ,它们 可 以 在 形 如 "汽车 的 内 胎 "里 运动 。 由 于 每 一 个 电子 有 较 多 的 空间 可 占据 , 正 是 这 种 非 定 域 的 缘故 ,这些 电子 的 能 级 都 比较 低 。 这 个 额外 的 HE ORT AE 是 1.8eV) 增 加 了 键 的 强度 。 如 果 用 虚线 来 描述 离 域 键 的 话 , 则 苯 的 结构 式 如 图 3 - 7 所 示 。 实 际 上 ,在 葵 的 所 有 C 一 C 键 中 电荷 密度 都 是 按 同一 方式 分 布 的 , 且 原 子 间 的 距离 也 都 是 相同 的 ( 0.14 nm)。 但 是 ,在 实际 书 写 茶 分 子 的 结构 时 ,为 简便 起 见 往往 是 用 下 述 形式 来 表示 的 (图 3 -8)， 当然 ,在 沿用 经 典 化 学 结构 理论 的 这 种 描述 方式 时 ,我 们 假定 读者 对 于 离 域 键 的 含意 已 经 是 了 解 的 了 。 同 时 ,对 于 其 它 芳香 族 化 合 物 分子 的 离 域 键 结构 也 是 按 这 种 方式 处 理 的 。 只 不 过 在 « 68 。， ts 3-7 HAAX 图 3-8 ee ee: 例如 ， ee CNN CER CIS AC } EARS SEO RE ee eee 与 单 键 彼此 相间 所 组 成 的 体系 。 例 如 ， CH,—CH— CH=CH, ,CH,=CH—C= CH,O 一 人 0， AX cH=c—c=H,| | 及 其 它 芳香 族 化 合 物 等。 2 在 生命 过 程 中 具有 重要 生物 学 作用 的 共 罗 体 系 常常 含有 氨 、 氧 和 硫 等 杂 原子 ,如 组 成 核酸 的 味 叭 和 喀 喧 碱 基 以 及 组 成 蛋白 质 的 色 氨 酸 和 组 气 酸 等 。 必须 指出 , 自 本 世纪 二 十 年 代 示 由 Heitler, London 和 Pauling 等 人 发 展 起 来 的 价 键 (VB) 理论 和 由 Hund, Mulliken 和 Slater 等 人 发 展 起 来 的 分 子 轨道 (MO) 理 论 ， 已 经 成 为 现代 化 学 键 理论 的 重要 内 容 。 从 图 象 上 看 ,VB 理论 认为 分 子 是 由 定 域 键 将 原子 结合 在 一 起 而 构成 的 ，MO 理论 则 主张 电子 的 离 域 化 ， 即 认为 每 个 分 子 轨 道 都 遍及 于 分 子 整 体 。 由 于 VB 理论 是 与 分 子 结 构 经 典 图 象 的 定 域 键 相 联系 的 ,因此 一 建立 便 得 到 迅速 发 展 ,但 由 于 计算 上 的 困难 普 使 其 一 度 停 济 , 直 至 六 十 年 代 后 才 又 有 了 新 的 发 展 。 可 是 MO 理论 在 五 十 年 代 就 有 了 很 大 的 发 展 , 特 别 是 六 十 年 代 其 离 域 化 的 概念 得 到 了 光电 子 能 谱 实验 的 支持 ,更 促进 了 它 的 发 展 。 当 前 ,这 两 种 理论 都 在 继续 发 展 。 我 们 在 实际 处 理 原子 之 间 和 分 子 之 间 的 相互 作用 时 ， 应 该 充分 注意 到 这 两 种 理论 的 特点 及 其 相互 间 的 联系 。 3.2 “分子 间 的 相互 作用 以 上 我 们 讨论 了 原子 间 的 相互 作用 ， 就 定 域 键 和 离 域 键 作 了 简 述 。 在 生物 分 子 中 ,从 原子 之 间 的 相互 作用 方式 来 看 ,以 形成 牢固 的 共 价 键 为 一 个 极端 ， 相 互 的 « 69 。 排斥 作用 为 另 一 个 极端 ,表现 形式 多 种 多 样 ,作用 范围 十 分 广泛 。 以 蛋白 质 多 肽 链 为 例 ， 主 链 上 的 共 价 键 决 定 着 分 子 的 线 型 结构 , 而 弱 的 相互 作用 ,特别 是 氨基 酸 侧 链 间 的 相互 作用 对 多 肽 分 子 的 形态 有 相当 的 影响 。 这 样 ， 在 生物 大 分 子 ( 如 蛋白 质 和 核酸 ) 中 既 存 在 着 相 邻 原子 间 强 烈 的 吸 引 作 用 (化 学 键 )， 又 存在 着 分 子 间 较 弱 的 吸引 作用 。 这 后 一 种 吸引 作用 是 决定 生物 大 分 子 的 沸 点 ,熔点 ,溶解 度 ,表面 张力 .粘度 等 物理 化 学 性 质 时 的 主要 因素 ;是 决定 碱 基 配 对 ，DNA ARR IE 稳定 性 ,蛋白 质 的 c- 螺 旋 结 构 和 B- 折 和 结 构 的 主要 原因 之 一 ,在 维持 生物 大 分 子 的 构象 中 起 重 要 作用 。 同 时 ， 也 是 决定 生物 分 子 间 专 一 相互 作用 的 因素 。 以 下 我 们 将 讨论 生物 分 子 间 的 这 些 相互 作用 。 3.2.1 Van der Waals-London 相互 作用 早 在 1873 年 ,Van der Waals 就 注意 并 研究 了 分 子 与 分 子 之 间 存 在 着 的 弱 的 吸 引力 一 一 分 子 间 的 Van der Waals 吸引 力 。 关于 这 种 力 的 本 质 ， 直到 1930 年 London 提出 Van der Waals 引力 的 量子 理论 (0 ， 人 们 才 对 这 一 作用 力 的 本 质 有 了 较 深入 的 了 解 。 在 量子 生物 学 的 研究 中 ,讨论 分 子 间 相 互 作用 时 ,按照 量子 力学 的 微 扰 方法 所 得 到 的 能 量 分 解 ,可 将 两 分 子 间 的 相互 作用 能 表达 为 c5 , Ey _2=H yt Egat Easy t+ Eyep (3.8) SP BEM BAD. By 是 极 化 部 分 ,已 s ECHO LE... WHR. 以 下 分 述 之 。 (1) 静电 部 分 (静电 项 ) 分 子 1,2 的 静电 相互 作用 能 作为 一 级 微 扰 项 而 得 到 E =F OF OV [FF 6» (3.9) 式 中 ,到 ,9 是 指 分 子 i(6=1,2) MICRA Hamilton, 的 基态 本 征 函 数 ,而 了 是 类 似 于 双 原 子 分 子 的 Hamilton 中 相互 作用 微 扰 算 符 的 分 子 间 微 扰 ,包含 有 分 子 1 对 分 子 2 (以 及 分 子 2 对 分 子 1) 的 原子 核 间 排斥 ,电子 间 排 斥 以 及 核 与 电子 间 的 吸引 等 。 为 了 处 理 (3.9) 式 的 抢 阵 元 ,按照 静电 理论 ， 可 以 把 电荷 分 布 于 一 个 小 区 域 * 内 的 电荷 体系 在 远 处 所 产生 的 势 表 示 成 很 多 等 效 电极 子 在 远 处 所 产生 的 电势 的 琶 加 。 于 是 可 以 将 势 下 代 之 以 适 于 各 分 子 的 单 中 心 多 极 展开 ,或 者 等 价 地 在 单个 分 子 中 心 进行 每 个 分 子 电荷 密度 的 多 极 展开 。 这 种 多 极 展开 仅 能 准确 地 表达 集中 在 原点 并 包含 全 部 电荷 分 布 的 球 之 外 电荷 分 布 的 势 。 因 此 ， 当 分 子 不 是 球形 时 就 有 所 不 足 '5。 为 此 ,代替 了 的 简化 ,我 们 取 一 种 仅 与 所 涉及 到 的 分 子 电 荷 密度 有 关 的 简化 .实际 上 在 MO- LCAO 范围 内 ,电荷 密度 的 电子 部 分 最 后 简化 为 单 原子 和 双 原 子 基 元 分 布 ge(r)gs(r) 的 和 (qW< 等 是 所 用 基 组 的 原子 轨道 )。 这 些 分 布 有 三 种 类 型 : 单 中 心 “ 对 角 ? 分 布 ( 尼 。?) 和 非 对 角 分 布 (%e” $a ) 以 及 双 中 心 分 布 (%sxgp)( 这 种 分 布 仅 出 现在 原子 间 的 重 倒 积分 不 忽略 的 情形 ， 例 如 在 ab initio 范 围 内 )。 于 是 每 一 个 小 线 度 的 原子 或 键 分 布 可 以 足够 准确 地 用 在 各 自 恰 当中 心 的 多 极 展 开 来 表达 ,结果 总 的 分 子 电 荷 分 布 将 表现 为 与 不 同 中 心 有 关 的 若干 个 多 极 展开 的 和 (也 称 作 多 中 心 多 级 展开 )。 这 种 展开 由 于 定义 明确 尤其 适合 于 通常 的 分 子 有 展 状 。 有 关 多 中 心 多 极 展 开 的 应 用 正在 进一步 发 展 5- 1。 ee 70 。 Rd ’ . > gl eS : 村 关于 单 中 心 分 布 ,有 下 列 特性 :如 果 多 极 展开 是 对 于 这 种 分 布 的 (本 来 ) 原 子 中 心 进行 的 ， 则 仅 有 有 限 数目 的 非 零 多 极 矩 。 更 确切 些 ， 如 果 所 包含 的 两 个 原子 轨 ber) bo (AMAT 太 和 171， 那么 非 零 的 多 极 矩 仅 只 有 Rl [le—la |) +01 —8(a-u)*] (ne) | (3.16) 其 中 cy pak aes }2(a-w)a+ (1—5(a-n)? Ia | (3.16b) 表示 电 四 极 在 电 偶 极 所 在 位 置 产生 的 电场 。 四 极 - 四 极 能 :两 个 轴 向 四 极 (a ,0 ) 和 (az,b:) 的 相互 作用 能 由 下 式 给 出 ， E= aes Os [1—5(a,-a)?+ (a,: a)? + 2(a,- a2)” ee w)(a2-u)(a,-a,) + 35(a,-a)? (a,-u)?] (3.17) (2) 极 化 部 分 ( 极 化 项 ) DF 1 被 分 子 2 所 极 化 的 极 化 能 按 下 式 计算 EX =—5 Lae (3.18) 式 中 的 s; 是 分 子 2 的 多 极 子 在 分 子 1 的 各 个 中 心 ;原子 或 键 的 中 点 ) 所 产生 的 电场 ，a; 则 是 根 Pei 是 一 个 原子 或 是 一 个 化 学 键 的 中 点 而 定义 的 原子 或 键 的 极 化 率 。 电场 s; 的 计算 逻辑 上 由 静电 项 中 所 用 到 的 多 极 展 开 而 引伸 出 ,ci 的 定义 要 与 多 极 子 的 定位 一 致 。 中 心 在 分 子 2 的 J 点 的 电荷 9,, 偶 极 ww, REPRO; 在 分 子 1 的 点 ;所 产生 的 电场 按 公式 (3.132)、(3.1420)、(3.15) 计 算 , 由 于 指标 ;、J 所 表示 的 意义 不 同 , 在 这 里 公式 定 为 ， e,,(i)=—4 ee, we his e(a-n at Ti Slee vet | Fl r;; 是 连结 ?和 7 A, PEM KE. 9. ms 和 0 是 位 于 J 点 的 电荷 , 偶 极 和 轴 疝 四 极 的 强度 ,a 是 所 选 轴 的 方向 , 器 是 沿 着 交 方 向 连结 和 7 的 单位 向 量 。 为 了 减 小 极 化 能 的 绝对 值 ， 实际 上 也 是 为 了 避免 当 7i 趋 于 零 时 极 化 能 无 限 大 ,必须 以 7， 代替 ri Tis=1;;+0.5D( RY + RY) (3.20) 九 的 值 视 (3.18) 式 中 按 原子 或 键 中 点 为 中 心 来 进行 加 和 而 分 别 取 作 0.10 0.45, RY A RPS 别 是 原子 ;、J 的 Van der Waals 半 径 ( 如 果 ;i 或 J 是 一 个 键 的 中 点 , 则 取 该 链 两 端 原子 的 Van der Waals 半径 的 算术 平均 值 )。 BAL a; 的 取 值 是 由 键 极 化 率 张 量 ( 主 轴 之 一 沿 键 方向 ) 的 平均 分 量 a, 和 垂直 分 量 ar 而 得 到 ， 取 其 平均 二 = 本 (ac 二 2ar) (3.21) 键 了 一 了 的 原子 极 化 率 cy 和 av ciate ary 定义 为 = 7 Ny n, \"* 一 一 7 od 3 ( Nyy 十 ae WN ) 1 a, =a 3 (mit a +) (3.22) I “1 el Nyy 十 Hat He) I N J a & ae a 式 (3.22) 中 , Wy FIN, ORT tL RR, a An, 分 别 是 原子 4 和 ;7 的 扳 对 电子 数 ， &.1) 是 键 工 一 了 之 上 的 共 价 电子 数 。 这 个 公式 相当 于 把 各 个 平均 键 极 化 率 z 按照 由 ”成 键 的 和 “不 成 键 的 >( 孤 对 电子 ) 的 价 电子 数 计 算 而 得 到 的 “ 权 ?”， 均 分 为 两 个 原子 分 量 和 一 个 键 分 量 。 于 是 属于 原子 ;的 所 有 a, 求 和 便 得 到 c,。 ) 表 3-2 给 出 了 用 于 上 述 计算 的 某 些 键 极 化 率 (091;， 表 3-3 则 给 出 根据 同系 物 分 子 的 实验 极 化 率 而 得 到 的 最 适宜 静电 原子 极 化 率 , 还 有 电离 势 二 ,它们 常用 于 生物 分 子 间 相 互 作用 的 计算 。 表 3-? 键 极 化 率 键 | a, (x 10-*nm‘) ar(x10- nm ) C 一 C( 脂 肪 ) 1.88 上 多 C 一 C (芳香 ) 2.25 0.48 C=C 2.86 1.06 €=C a ae 1.27 C—H (ABH) 0.79 vise C 一 Cl 3.67 2.08 C 二 Bi 5.04 2.88 C=O(RE) 1.99 ‘ 0.75 C 一 0(CO:) 2.05 0.96 C=S (CS,) 7.57 2.97 C=N(HCN) feu! 1.4 N—H(NH,) 0.58 0.84 S —H(H.S) rv ee 1.72 (3) 色散 和 排斥 部 分 "si api 的 色散 -排斥 能 部 分 ， 在 早期 Kitagorodsky03 公 式 的 基础 上 ， 又 有 了 改 a Nae BG, 5) (3.23) i 指 分 子 1 中 的 原子 ,7 指 分 子 2 中 的 原子 ,每 一 对 原子 -原子 贡献 是 色散 和 排斥 项 的 和 PG, j)=K,K,| 一 条 +C:exp( 一 az)] (3.24) 其 中 Z=R,,/ RB; (3.25) Rt;= Vv CRS) Re (3.26) Ry; UR i,j 间 的 距离 , RY, RY $F i,j 的 Van der Waals 半径 (一 般 取 自 文献 [13]) 。 参 Ba, ALC 与 原子 类 别 让 无 关 , 参 数 K, 则 与 原子 类 别 有 关 。 考虑 到 电子 布 居 的 变化 对 排斥 贡献 会 有 影响 221, 故 对 每 一 原子 -原子 排斥 项 引入 乘 因子 (1—O,/N7)(1—Q,/N}) NY 是 原子 ;的 价 电子 数 ,Q; EHS eh BF HE 下 eoli 放 一 (1 一 QVNY (一 QVNY)KK;C exp( 一 c2) (3.27) ee 73 。 表 3-3 ”最 适宜 原子 静电 极 化 率 和 电离 势 RR F | tt #&® a;( x 107-*nm’) | Ti(eV) tetetete(C1) 1,064 14.57 trtrtrz(C2)@ 1.332 11.22 trtrtrr(C3) 1.230 11.22 trtrtrr(Cd4) 1.529 11.22 didirr(C5) 1.279 11.24 N te*tetete(N1) 1.094 14.31 trtrtrz*(N2) 1.090 12.25 tr°trtrz(N3) 1.030 14.51 dizdirr(N4) 0.852 14.47 re) te*te’tete(O1) 0.664 18.40 tr°tr?tr7z(O2) 0.460 17.25 trztrtrr2(O3) 0.422 14.97 tezteztezte(O4) 1.79 6.31 H a(H) 0.386 13.61 tetetetemr(P) 1.743 MQ Rite: te=Um*,, tr==fi, di=xXtf, o, zx. 脂肪 烃 ， C3 一 一 芳香 烃 ， 》 C4 一 一 缩合 烃 。 回 各 价 态 按 括号 中 符号 标记 ， 其 中 : C2 上 述 校正 多 数 情 形 很 小 , 当 也 原子 与 0 或 N 原子 键 合 时 则 要 注意 ,因为 此 时 有 不 可 忽略 药 正 惠 荷 , 且 Na=1. 对 于 有 氢 键 形成 的 原子 -原子 对 ,由 于 电荷 转移 的 贡献 , (3.27) 式 的 校正 仍然 不 足 。 为 了 表 明 这 一 点 ,在 短 距 离 (对 于 氢 与 重 原子 相互 作用 ) 采 用 一 个 按 下 述 方法 定义 的 降低 了 的 排斥 项 : 选 择 两 个 距离 Rn 尺 w, 用 通常 的 参数 4,C,a; 对 于 RCR,, 用 调整 后 的 参数 A’, C’ ,ca 对 玉生 下 < 已 x, 则 用 内 插值 。 详 见 文 献 L[12]。 与 讨论 分 子 结构 的 量子 化 学 计算 方法 类 似 , 在 分 子 间 相 互 作用 能 的 计算 中 , 选用 不 同 的 近似 等 级 ,相互 作用 势 函 数 就 不 同 。 再 者 ,对 公式 中 参数 的 选择 ,原则 上 以 能 重 现 分 子 唱 体 的 某 些 实 验 数据 为 好 。 因 此 对 不 同 的 化 合 物 系 , 拟 合 的 参数 会 有 差异 .尽管 如 此 , 分 子 间 的 Van der Wa- als-London 相互 作用 确 是 真实 存在 于 分 子 或 原子 之 间 的 一 种 作用 力 。 其 作用 能 虽 比 化 学 键 键 能 小 一 至 二 个 数量 级 ,也 有 一 定 的 范围 ,但 对 于 决定 分 子 (特别 是 生物 分 子 ) 的 结构 和 性 质 仍 是 不 可 忽视 的 因素 ;对 于 量子 生物 学 的 理论 计算 有 着 其 不 寻常 的 作用 ,根据 作者 等 的 经 验 , 尤其 在 讨 论 生物 系统 中 分 子 间 的 相互 作用 (如 专 一 识别 相互 作用 ) 时 ,这 种 作用 力 的 理论 计算 就 显得 更 加 重要 。 因 此 ,在 这 一 节 里 ,我 们 不 惜 用 一 定 的 篇 幅 讨论 这 一 问题 。 作 为 理论 研究 的 例子， 早 在 二 十 多 年 前 ,为 了 了 解 和 预言 溶液 中 核酸 的 性 质 , 需 要 乔 清 是 哪些 力 在 支配 着 多 核 苷 酸 的 分 子 构 型 。 然 而 ,要 从 实验 上 来 判断 溶液 中 双 股 螺旋 多 核 背 酸 相对 于 两 单 链 自由 盘 绕 型 的 稳定 性 时 ,其 中 各 种 力 的 贡献 有 何不 同 ? 是 非常 困难 的 。 在 理论 研究 方面 , Doe Voe 和 Tinoco “计算 了 e 74 0 DNA 的 杂 环 碱 基 对 溶液 中 上 述 两 种 构 型 的 自由 能 的 主要 贡献 。 他 们 采用 碱 基 的 基 团 偶 极 矩 和 极 化 率 , 通 过 计算 表明 ,在 螺旋 的 碱 基 之 间 存 在 着 较 大 的 相互 作用 。 虽 然 计算 的 近似 等 级 IK, A 得 出 了 定性 的 结论 ,概括 起 来 有 : (1) 静电 力 和 色散 力 可 以 影响 DNA 的 碱 基 序列 ,由 此 减少 了 序列 所 可 能 包含 的 信息 量 ， (2) GC 和 AT 多 聚 物 的 相对 解 链 温度 与 溶 州 有 关 (3) 在 极 少 溶剂 存在 下 ,平行 碱 基 间 大 的 色散 力 能 引起 碱 基 按 一 对 一 的 多 核 苷 酸 链 堆积 成 “有 序 的 排列 。 二 十 年 来 , 随 着 高 速 电子 计算 机 的 使 用 , 有 关 分 子 电 子 壳 层 计算 方法 的 精心 设计 以 及 比 级 高 级 的 数学 方法 的 运用 ,使 分 子 间 相 互 作用 的 理论 计算 得 以 迅速 发 展 。 与 此 同时 ,对 DNA 碱 基 间 相互 作用 的 研究 也 越 来 越 深 入 ,其 中 Langlet 和 Claveric 等 对 氢 键 加 合 物 和 堆积 加 合 物 作 了 RHE. RAPE LEAL ARE RAB SOUR RNA 12 中 互补 碱 基 共 平面 配对 的 相 互 作用 能 作 了 计算 ,进而 作 了 较 详 尽 的 分 析 ( 见 3.3.3)。 我 们 也 计算 了 含 甲 基 化 碱 基 的 堆积 相 互 作 用 能 ( 表 3-4). 表 3-4 碱 基 堆积 相互 作用 能 *(kcal/mol) 静电 能 极 化 能 | 色散 能 排斥 能 总 能 量 全 一 0.059 一 0.209 一 3.492 ‘ — 3.406 msC.C 0.063 一 0.279 一 6.951 : — 4.750 C.msC 一 0.035 一 0.218 一 3.572 一 3.470 G:C —0.676 —0.176 —2.227 , 一 2.914 一 G.msC —0.721 — 0.183 —2.270 : — 3.009 C.G 一 0.963 一 0.366 一 9.528 一 8.822 一 msC.G —1.099 —0.432 —13.184 ‘ 一 10.546 一 G:G 1.115 —0.307 —7.631 4 —5.384 C-A 0.132 —0.120 ; 一 8.590 5 一 6.662 msC.A 0.170 一 0.178 一 12.755 一 8.255 一 Am C 2.448 一 0.714 一 3.464 —1.451 T-m°C —1.631 —0.328 一 7.612 一 7.211 msC.T 一 0.192 一 0.168 一 6.935 一 5.072 证 一 0.347 一 0.209 一 11.386 一 7.950 一 A:G — 3.710 — 0.780 —8.685 ite Be —11.498 = T-G 1.773 _ 一 0.469 一 13.956 一 7.882 m°C- “CRA he m5C 3.2.2 AFAR AE ET, RATE T Flay Van der Waals-London 相互 作用 。 现 在 ,我 们 来 讨论 生 命 系统 中 分 子 的 另 一 类 重要 的 相互 作用 一 一 氨 键 。 气 键 相互 作用 是 质子 给 予 体 X—H 和 质子 接受 体 Y 之 间 一 种 特殊 类 型 的 相互 作用 ,是 一 种 在 流动 的 所 原子 和 电 负 性 很 强 的 杂 原 子 (E.O.N.、CI 和 S$) 之 间 起 作用 的 键 6 e 75 。 X—H:--YR FE X LY 代表 FE.ON.CI 和 8S 等 电 负 性 大 而 半径 小 的 原子 。 例如 ,在 吡啶 分 子 中 ， 氨 原 子 有 两 个 自 旋 反 向 的 外 层 电 子 ( 即 孤 对 电子 ) 没 有 参与 直接 的 相互 作用 。 这 种 “游离 的 ?或 “没有 分 开 的 ?电子 对 可 以 吸引 质子 而 形成 键 ( 当 其 中 一 个 吡啶 分 子 转 变 成 离子 状态 时 ) (图 3-9)。 这 时 ,一 个 吡啶 分 子 的 所 原子 便 与 另 一 个 处 于 离子 状态 的 吡啶 《CsNHe) ”的 氮 杂 原子 结合 生成 分 子 间 的 复合 物 。 在 复合 物 中 由 于 氢 键 结合 的 影响 , 质子 BE 可 处 在 靠近 左边 的 氮 原 子 的 位 置 , 也 可 以 处 于 靠近 右边 的 氮 原 子 的 位 置 。 因 而 质子 的 劳 能 应 当 随 着 至 左边 或 至 右边 所 原子 的 距离 形成 具有 两 个 最 小 值 的 曲线 ( 当 距 离 一 定时 ,如 0.31 vom, Rein 等 "对 这 样 的 曲线 作 了 量子 力学 计算 ( 见 图 3-10)。 @ N-H--—-- N 3 si; =... 0 3-9 吡啶 分 子 间 的 气 键 图 3-10 在 两 个 吡啶 分 子 的 氮 原 子 间 随 位 置 改变 的 质子 势能 曲线 氨 键 可 分 为 分 子 间 氨 键 和 分 子 内 所 键 两 大 类 。 一 个 分 子 的 质子 给 予 体 XH 与 另 一 分 子 的 质子 接受 体 立 相 结合 而 成 的 氨 键 叫做 分 子 间 氢 键 。 而 一 个 分 子 的 质子 给 予 体 X 一 互 与 其 内 部 的 质子 接受 体 Y 相 结合 而 成 的 氨 键 叫做 分 子 内 气 键 。 LAP, RRM RTA PAA OH NH, 而 SHE 则 是 很 弱 的 质子 给 予 体 。 质子 接受 体 工 Eat te 2 电子 或 二 电子 ,通常 有 ， OH,OR,C 一 0,COOR , 环 氧化 物 ; NH,,NH 一 R,NR:,N( 芳 香 氮 ) ,NO2; SR,S=O,P+O; PF Cl Bris C=C ,C=C=C ,C=C(3F#) 5 C=N,C=N,N=N 等 。 气 键 的 键 能 是 指 发 生 下 列 过 程 所 需要 的 能 量 : X—H---YR>X—H+Y—R os eb Le Jk OP at 6S, MELE Van der Waals 力 强 。 在 生物 系统 中 , 气 键 键 能 在 通常 情况 下 是 4 一 8 kcal/mol, 其 键 长 为 0.25 一 0.32 nm , 键 角 是 180 "一 125" 。 为 了 与 有 氢 参 与 的 共 价 键 相 区 Sil). 2A Ba Wie 2& Fe AR 我 们 知道 ,通过 氢 键 相互 作用 形成 的 最 简单 的 分 子 间 复 合 物 是 (HF):*。 这 种 HF 的 二 聚 体 具 ° 70 。 下 有 线 型 结构 , 氟 原 子 间 的 距离 为 0.279 nm。 在 HF 极 性 分 子 中 ,原子 间 的 距离 等 于 0.092 nm, 形成 复合 物 时 释放 出 大 约 0.26 eV 的 能 量 。 通 过 氢 键 相互 作用 形成 的 水 的 二 聚 4K —(HLO),, 其 键 能 为 0.2 eV。 这 二 能量 大 约 等 于 20 个 OH 共 价 键 的 能 量 。 在 复合 物 中 ;两 个 氧 原子 间 的 距离 约 等 于 0.276 nm , 氧 原子 的 Van der Waals 半径 为 0.152 nm, Hankins 等 0 对 形成 复合 物 时 氢 原 子 电子 密度 的 改变 作 了 计算 。 他 们 的 计算 说 明 , 当 形成 复合 物 时 反应 分 子 中 所 有 原子 周围 的 电子 密度 分 布 都 发 生 了 变化 ( 见 图 3-11)。 以 上 仅 对 氢 键 作 了 一 般 的 叙述 ， 考 虑 到 它 在 生命 系统 分 子 间 相 互 作用 中 的 重要 性 ， 下 面 我 们 通过 两 个 问题 的 讨论 来 进 一 步 说 明 氢 键 的 性 质 和 作用 。 1) DNA 碱 基 间 的 氢 键 相互 作用 我 们 知道 ， 在 生命 系统 中 氨 刍 决定 着 对 所 有 生命 过 程 具 有 根 示 意义 的 核酸 和 蛋白 质 的 二 级 结构 。 通 常 认为 ,通过 氨 键 相 互 作用 ,DNA 分 子 的 碱 基 才 得 以 配对 ,并 导致 双 螺旋 形成 稳 定 Ns 在 通过 氢 键 形成 的 二 聚 的 结构 。 同 时 , 气 键 对 于 复制 和 转录 过 程 也 起 着 重要 的 作 用 。 | 体 中 ， 原 子 附近 电子 密 诬 的 变化 DNA 的 自身 复制 ,遗传 信息 由 DNA->RNA-~> 蛋 白质 的 传递 都 有 赖 于 氨 键 的 断裂 和 生成 。 : O--H=-N CH; ~H H N Nv roi 3 ag ay N N-H--O X-H:Y X-..ffay SN N e 一 一 一 一 一 -- We。 A B 3-12 RURAL IH A A BE 4.A-T 碱 基 对 ， 图 3-13 B.A st fy 34 e th , 3-12 表示 , 腺 味 怜 (A) 和 胸腺 喀 啶 (T) 在 形成 DNA 45> UW ESE ROT , BS SL A TE 用 的 影响 。 从 图 中 可 以 看 到 ,在 两 个 气 键 中 质子 势能 曲线 的 极 小 值 位 置 的 相互 关系 。L5wdin 提 出 ,每 一 个 气 键 体系 X 一 H.….Y 中 存在 着 二 个 双 势 阱 (图 3-12 孔 ), 由 于 质子 的 隧道 效应 , 质子 从 给 予 体 X- 王 向 接受 体 Y 的 迁移 几率 不 是 零 , 因 而 图 3-12 中 的 体系 可 以 变 成 另 一 种 体 系 , 即 Hy X—H---Y 变 成 X.…H 一 Y (图 3-13)。 璧 如 在 DNA 中 的 A-T( 或 G-C) 碱 基 对 的 第 二 个 氨 键 (上 面 的 一 个 ) ,通过 隧道 效应 ,由 氨基 一 酮 型 氨 键 变 成 亚 氨基 一 烯 醇 型 气 键 ; 结果 便 产生 互 变异 构 碱 基 对 ; A-T—> A*-T* G-C—>G*-C*f ”及 而 导致 错误 复制 和 突变 ( 见 第 七 章 ) 。 作者 曾 运用 (3.28) 式 计算 了 G-C 碱 基 对 中 第 一 个 氢 键 的 质子 沿 氢 键 移动 时 的 势能 变化 , 结 - 果 如 图 3-14 所 示 。 es 77 。 (3.28) ao tis 第 一 个 氢 键 体系 N—H---O (0.100 nm—0.184nm) PAF CEM BE, — TASB ERTL « 等 于 0.130nm 处 ， 且 右边 的 志高 于 左边 。 在 此 情况 下 ， 看 来 质子 向 右 侧 移 HHILRAR 小 的 。 有 人 用 电子 的 SCFMO .法 计算 了 G-C 对 的 三 个 氢 键 中 中 间 一 个 氢 键 的 质子 转移 时 的 势能 变化 " ” "。 计 算 结果 如 图 3-15 所 示 。 EV) 1.10 wo > 4 会 4 刘 3 33 激发 态 | 2 | 2 1 ] 0 AT 0 AZ NN 0.80 0080.10 0.14 0,18 0.22 0,080.10 0.14 0.18 0.22 fam) (am) 0.10 as. FA 3-14 G-C 碱 基 对 第 一 个 氢 刍 CN 一 H…O) 中 ， 图 3-15 基态 、 激 发 态 中 G-C 对 的 氢 刍 互 的 移动 而 得 到 的 势能 曲线 ( 横 坐 标 是 从 HO (中 间 的 N 一 H.…N) 的 质子 的 势能 曲线 wey H 位 置 起 算 的 距离 ) 在 基态 ,左边 的 势 阱 较 深 ， 表 明 质 子 向 右 迁 移 的 几率 极 小 。 反 之 ， 在 激发 态 ， 左 右 势 阱 的 深度 玫 乎 相同 ， 可 以 认为 质子 向 右边 迁移 的 几率 有 显著 增加 。 关于 碱 基 间 的 氨 键 相互 作用 ， 读 者 可 参见 4.2.2,4.2.4,4.9.3 和 3:3.3。 2) 水 中 的 氧 键 我 们 知道 ， 水 是 一 切 生物 体 的 基本 组 分 之 一 ， 没 有 水 就 没有 生命 。 水 是 在 细胞 中 进行 生 物化 学 反应 的 基本 环境 ， 它 参与 形成 血液 和 淋巴 液 。 生 物 聚 合 物 的 功能 和 许多 超 分 子 构造 都 是 以 同 水 发 生 相 互 作 用 为 前 提 的 。 人 们 已 经 研究 过 水 的 某 些 性 质 ， 但 对 于 液态 水 的 结构 仍旧 是 不 太 清楚 的 。 已 经 知道 的 是 : 每 个 水 分 子 具 有 较 大 的 电 矩 。 由 于 氧 原 子 有 高 的 电 负 性 ， 因 而 水 分 子 可 以 跟 一 个 、 两 个 、 三 个 乃至 四 个 其 它 的 水 分 子 生 成 气 键 。 在 液态 水 中 基本 上 保持 了 四 面体 结构 。 而 分 子 间 络 合 物 的 组 成 和 结构 则 与 水 的 结构 有 关 。 在 正常 压力 和 温度 在 零度 以 下 时 ， 水 具有 最 整齐 的 晶体 结 构 ( 冰 )， 如 图 3-16 所 示 。 在 冰 结构 中 ,每 个 中 心 氧 原子 按 正四 面体 方位 与 另外 四 个 氧 原子 连结 , 氧 原 子 间 的 距离 为 0.276nms 每 个 水 分 子 通过 四 个 氨 键 跟 其 它 水 分 子 结合 。 在 这 种 情况 下 ,OH 键 间 的 键 角 接 近 于 “四 面体 ” 的 数值 ， 为 109.1 。 在 游离 水 分 子 中 ，OH 键 间 的 键 角 等 于 105 。 冰 的 结构 类 似 于 金刚 石 结 构 ， 但 在 金刚 石 中 碳 原子 间 是 化 学 力 在 起 作用 。 冰 的 晶体 属于 分 子 晶 体 ， 在 晶体 中 分 子 基本 上 保持 着 自己 的 个 性 和 相互 间 的 氢 键 。 在 分 子 间 相 互 作用 的 全 部 能 量 (11.64kcal/mol) 中 ,所 键 大 约 贡 献 69% 。 由 于 氢 键 的 作用 才 使 水 的 熔点 (0"C) 和 沸点 (100"C) . 78 . a ttt 下 . *e . * . 图 3-16 图 3-17 二 聚 体 的 氢 键 A, B=110°, B. “HAM” AR B=0°) 有 别 于 在 分 子 间 仅 存在 着 Van der Waals 力作 用 的 其 它 液体 分 子 的 熔点 和 沸点 。 水 有 线 型 的 和 环 状 的 二 聚 体 以 及 其 它 含有 3、4.5.6 和 更 多 分 子 的 络 合 物 。 实 际 上 ， 环 状 物 中 分 子 的 数量 取决 于 OH BMAP. WFO RA, BSF 110"， 在 五 环 结构 中 ， 有 近似 于 10"。 但 在 六 环 和 六 方 晶体 结构 中 有 角 接 近 于 零度 (“ 直 线 型 氨 键 )， 见 图 3-17。 自从 对 水 的 二 聚 体 第 一 次 运用 ab initio 法 作 理论 计算 以 来 ， 对 一 些 气 键 系统 先后 作 了 许 多 量子 化 学 计算 ， 并 且 在 复合 物 的 气 键 能 量 与 分 子 成 分 相对 方向 的 预言 方面 给 出 了 比较 可 靠 的 结果 。Yamabe 等 人 59 提出 了 一 种 能 量 分 解 方 法 ， 他 们 把 气 键 的 能 量 分 解 成 四 个 部 分 ， 即 静 电能 ， 交 换 排 斥 能 ， 极 化 能 和 电荷 转移 或 离 域 能 ， 并 在 此 基础 上 进行 了 电子 密度 分 布 分 析 。 能 量 分 解 的 着 眼 点 是 整个 体系 上 的 能 量变 化 ， 而 电子 密度 分 布 分 析 强 调 的 则 是 相互 作用 的 那 一 部 分 ， 它 经 历 了 电子 密度 的 较 大 重新 分 布 。 对 水 的 二 聚 体 的 处 理 ( 见 图 3-18) 表 明 : (1) 在 分 子 闻 的 区 域 肉 ， 交 换 相 互 作用 提高 了 反 键 合 密度 ,这 和 交换 相互 作用 的 负 值 (排斥 ) 是 一 致 的 。(2) 在 质子 给 予 体 的 水 分 子 中 治 着 0 一 也 …O 线 的 氧 轨 道 ， 氨 键 质子 丢失 了 相当 多 的 电子 密度 。 而 在 质子 接受 体 的 分 子 中 ， 电 荷 重新 分 布 却 几 乎 只 归 因 于 极 化 相互 作用 。 这 个 效应 促使 每 一 对 孤 对 电子 和 键 的 极 化 ， 它 的 结果 却 通 过 接受 体 分 子 的 电荷 而 更 迭 。 极 化 的 如 此 重要 作用 ， 反 映 在 偶 极 和 矩 的 大 的 变化 上 。 由 于 质子 末端 的 大 的 极 化 ， 使 它 的 方 向 并 不 和 0…H- 一 0O 轴 相 一 致 .。(3) 电荷 转移 的 作用 从 质子 接受 体 移 动 电荷 至 质子 给 予 体 上 。 以 上 我 们 列举 了 Yamabe 和 Morokuma 等 关于 氨 键 分 子 轨道 研究 的 部 分 工作 。 近 几 年 来 ， 有 关 生 物 大 分 子 (核酸 和 和 蛋白质) 在 水 中 ， 以 及 药物 作用 过 程 中 氨 键 的 性 质 和 作用 的 量子 力 学 计算 发 展 较 快 ， 在 以 后 的 一 些 章节 中 结合 具体 问题 还 将 继续 讨论 氨 键 相互 作用 。 3.2.3 电 符 迁移 相互 作用 在 生物 系统 中 ， 生 物 分 子 还 可 通过 电子 给 予 体 分 子 (D)- 电 子 接受 体 分 子 (A) 的 相互 作用 而 形成 "电荷 迁移 络 合 物 "”。 电 荷 迁移 是 生物 体系 的 重要 作用 方式 和 传 能 方式 之 一 。 很 多 生物 体内 的 反应 以 及 生物 化 学 合成 过 程 都 是 通过 这 种 相互 作用 而 进行 的 。 电 荷 迁 移 在 药物 与 受 体 的 相互 作用 中 也 是 极为 常见 的 。 电荷 迁移 络 合 物 可 以 在 离子 间 形 成 ， 也 可 以 在 分 子 间 形成 。 1) 电子 给 予 体 - 电 子 接受 体 本 79 « 图 3-18 水 二 聚 体 中 电子 密度 变化 和 它 的 成 分 ， ” 实 线 表示 密度 增加 ， 虚 线 表示 密度 减少 电子 易于 流动 的 体系 (如 共 斩 分 子 或 含有 扳 对 电子 的 分 子 )， 才 能 产生 电荷 迁移 。 而 实现 电 PLB, MRAP ACD) HOMO 和 接受 体 (A) 的 LUMO HALES A, BR 有 相同 的 对 称 性 ， 即 前 线 轨道 的 对 称 性 匹配 。 在 生物 体内 ， 生 物 大 分 子 内 部 的 各 种 基 团 之 间 通 过 电荷 迁移 而 形成 络 合 物 时 ， 可 以 分 别 作 为 电子 给 予 体 ， 电 子 接受 体 或 者 既 可 作为 电子 给 予 体 又 可 作为 电子 接受 体 。 以 组 成 蛋 自 质 的 氨 基 酸 为 例 ， 胱 氨 酸 、 和 蛋氨酸 和 酷 氨 酸 (只 限于 芳香 环 ) 一 般 情况 下 是 电子 给 予 体 ， 而 半 胱 氮 酸 ， 或 许 还 有 精 氨 酸 和 赖 氨 酸 是 电子 接受 体 ， 组 氨 酸 、 丝 氨 酸 、 苏 氨 酸 、 酷 氨 酸 (只 限于 羟基 )、 蔡 两 氨 酸 (只 限于 芳香 环 ) 和 色 氨 酸 等 既 可 作为 电子 给 予 体 也 可 作为 电子 接受 体 。 从 芳香 族 氨 基 酸 的 电子 特性 来 看 ， 它 们 的 给 电子 能 力 不 如 接受 电子 的 能 力 。 一 般 地 讲 ， 它 们 都 是 不 良 的 电子 给 予 体 ( 色 氨 酸 在 四 种 芳香 氨基 酸 中 是 最 佳 的 电子 给 予 体 。 在 组 成 核酸 的 碱 基 中 ， 乌 味 怜 表现 出 良好 的 电子 给 予 体 性 质 ， 而 尿 喀 啶 则 是 不 良 的 电子 给 予 体 。 一 个 分 子 在 参与 形成 "电荷 迁移 络 合 物 " 时 ， 它 是 作为 给 予 体 或 是 接受 体 不 仅 跟 本 身 的 性 质 有 关 ， 而 且 也 跟 配 偶 的 性 质 有 关 。 电 荷 迁移 表明 组 成 络 合 物 的 一 个 分 子 D 《电子 给 予 体 ) 的 电 « 80 ，。 子 可 以 享用 另 一 个 分 子 A( 电 子 接受 体 ) 的 轨道 '”)。 一 个 电子 的 迁移 不 一 定 涉及 分 子 的 重 排 。 从 图 3-19 来 看 ， 可 以 将 电荷 迁移 表示 为 一 个 电子 从 给 予 体 分 子 (D) 的 HOMO 向 接受 体 分 子 (A) ”的 LUMO 的 单纯 转移 ， 而 不 发 生 任 何 进一步 的 重 排 。 由 图 3-19 可 以 明显 地 看 出 ， 为 了 使 电子 能 从 D 的 一 个 HOMO 转移 到 A 的 LUMO 上 ， 这 二 个 轨道 必须 是 空间 重 登 ， 才 会 出 现 最 大 的 相互 作用 。 这 就 要 求 二 个 分 子 必须 非常 靠近 ， 因 此 密切 配合 和 可 接近 性 就 成 了 决定 性 因素 。 LUMO => LUMO=—-— ' LUMO a Te sassy OMS HOMO B 2 A 图 3-19 Weta AaB), —PTHASAR-MRE 图 3-20 图 3-19 还 表明 ， 能 级 图 上 二 个 轨道 的 相对 位 置 ， 亦 即 给 予 体 -D 的 电离 势 (T 尸 ) 和 接受 体 A 的 电子 亲 合 势 ( 五 4) 必 定 是 起 主导 的 因素 。 由 图 看 ， 应 区 别 两 种 极端 情况 ， (0D，D 的 HOMO 比 A 的 LUMO 低 得 多 ， 如 图 所 示 ， 因 而 使 电子 由 前 者 上 升 到 后 者 需要 相当 大 的 能 量 ， 即 要 求 T 忆 六 妃 4;， (2), A 的 LUMO 比 D fy HOMO 低 ， 因 而 电子 不 需要 外 加 能 量 就 能 发 生 迁 移 ， 即 五 4>TP， 如 图 3-20 所 示 。 电荷 迁移 相互 作用 的 势能 与 给 予 体 的 电离 势 和 接受 体 的 电子 亲 合 势 的 差 值 成 正比 。 亦 即 ， 从 给 予 体 移 去 电子 或 把 电子 加 给 接受 体 越 容易 ， 则 这 种 相互 作用 的 可 能 性 就 越 大 。 2) 电荷 迁移 相互 作用 的 量子 理论 当 分 子 间 的 作用 力 达 到 一 定 的 程度 ， 但 还 没有 形成 共 价 键 时 ， 生 成 的 是 分 子 间 络 合 物 ， 且 它 的 吸收 光谱 与 原 化 合 物 不 同 。 这 时 ， 我 们 就 不 能 用 Van der Waals-London 相互 作用 等 作 用 力 来 描述 ， 而 需要 用 电荷 迁移 相互 作用 来 予以 讨论 。 Mulliken 首先 对 电荷 迁移 络 合 物 进行 了 量子 力学 处 理 握 1。 他 证 明了 这 些 分 子 络 合 物 的 稳 定性 与 它们 的 特征 电子 吸收 带 两 者 ， 都 可 以 和 它们 的 给 予 体 -接受 体 性 质 联系 起 HK, Mulliken 指出 ， 电 荷 迁 移 络 合 物 (D，, A) 的 状态 由 DS A 相互 作用 的 非 键 态 (D,A) 和 配 键 态 (D+ 一 A-) 的 线性 组 合 而 成 。 用 量子 力学 符号 表示 ， 线 性 组 合 过 程 可 写成 如 下 形式 ; (D+ A)=ay.(D, A) + bp,(Dt—A-) (3.29) 式 (3.29) 中 非 键 波 图 数 vo 指 的 是 D 与 A 在 相互 作用 时 ,只 通过 Van der Waals-London AA SVE ASA; MAC RR Ay, 则 描述 给 予 体 的 一 个 电子 完全 转移 给 接受 体 。 式 中 ，a Mb « gl 是 组 合 系数 ，a 福 9?， 因 第 二 项 在 基态 时 不 能 最 大 限度 地 形成 络 合 物 。 如 果 吸 收 足够 的 能 量 ， 则 分 子 间 发 生 一 个 电子 迁移 ， 此 时 式 (3.29) 中 的 第 二 项 占 优 势 ， 同 时 产生 特殊 的 电子 迁移 谱 而 形 成 电荷 迁移 络 合 物 。 非 键 状 态 与 配 键 状 态 (电荷 迁移 状态 ) 间 的 相互 作用 取决 于 D 的 轨道 与 A 的 轨道 ABS 的 情况 ， 如 果 我 们 取 最 简单 的 情况 ， 即 只 有 一 个 电子 的 体系 ， 就 很 容易 看 到 这 一 点 ， v(D,A)=4%,; y(Dt—A~)=49, (3.30) 式 中 加 是 了 的 给 予 电子 轨道 ( 即 HOMO), ¥, 是 A 的 接受 电子 轨道 ( 即 LUMO), 因此 人 oD, A) Hy (Dt—A-)dr= [pyar | (3.31) AX. (3.31) 可 以 看 出 ， 除 非 轨 道 Was 与 加 RBA, SURO HE: 如 果 在 某 一 点 Ve Ky. 为 零 ， 则 在 空间 该 区 域 加 或 加 对 此 积分 的 贡献 为 SZ. Mullikenf#i}, %D 与 A 相互 趋 近 形成 “电荷 迁移 络 合 物 ” 时 ， 彼 此 间 最 可 能 的 取向 是 要 使 D fy HOMO 与 A 的 LUMO HARD Sa 有 最 大 值 . 因 为 电荷 迁移 络 合 物 (D,A) 的 基态 能 量 Ly 愈 小 , 则 (D.A) MB, RM Se. MWK, Ey 就 愈 小 ， 即 (D.A) 愈 稳定 。 在 Mulliken 提出 电荷 迁移 络 合 物 的 价 键 理论 后 ， 便 有 人 用 分 子 轨道 理论 来 描述 给 予 体 与 接受 体 的 相互 作用 521。 其 中 ，Flurry523 提 出 的 理论 有 可 能 广泛 地 用 来 计算 实际 体系 。 Flurry 假定 ，D 与 A 作用 生成 电荷 迁移 络 合 物 (D.A) 的 能 量 由 两 部 分 所 贡献 : 一 是 形 成 分 子 间 键 时 ，D、A 的 轨道 相互 作用 能 百 *， 作 为 一 级 近似 只 考虑 D 的 HOMO (y,)5 A 的 LUMO(y%。) 的 相互 作用 ;二 是 由 于 电子 由 D 迁移 至 A 而 引起 的 静电 相互 作用 能 Z. 对 于 LE, PERRET, (D-A MRK % RH | p=ayp.+by, (3.32) 在 进一步 假定 办、 办 是 正 交 归 一 的 条 件 下 ， 运 用 线性 变 分 法 解 (3.32) 式 波 函数 v 的 Schrodinger 方程 ， 便 可 得 到 (DA) 的 基态 和 激发 态 的 能 量 Ly 和 已 ? ， 以 及 相应 的 波 函 数 ， dy 和 %z。 在 能 量 表达 式 中 自然 地 引入 了 D 的 电离 势 Tu，A 的 电子 RAH FL. 以 及 DA 交换 积分 Ba FER. ATR EH, Flury 还 假定 ， 当 电荷 迁移 络 合 物 在 平衡 距离 时 ， 若 一 个 电子 完全 从 给 予 体 D 迁移 到 接受 体 A， 则 其 势能 为 V. RAR YO. 对 总 体 波 函数 的 贡献 ，(D'A) 在 基 Alt, @ 0? 个 电子 从 D 迁移 至 A， 而 在 激发 态 时 ， 有 a” 个 电子 迁移 。 所 以 E,=-bV; E,=—a’V (3.33) Flurry 理论 的 能 量 关 系 图 ( 见 图 3-21)， 其 中 量 jer 为 电荷 迁移 跃迁 能 。 除了 上 述 两 种 处 理 方 法 (Mulliken 的 价 键 法 和 Flurry 的 分 子 轨 道 法 ) 外 ,将 电荷 迁移 络 合 物 作为 一 个 整体 ,而 运用 第 二 章 中 所 介绍 的 各 种 量子 化 学 计算 方法 对 (D.A) 进 行 整 体 分 子 轨道 处 理 也 越 来 越 受 到 重视 。 我 们 知道 ,用 实验 方法 测定 生物 学 与 药学 上 有 意义 的 化 合 物 的 电离 势 和 电子 亲 合 势 ,是 比较 困难 的 。 但 是 ,HOMO 和 LUMO 的 能 级 却 与 电离 势 和 电子 亲 合 势 有 着 十 分 密切 的 关系 。 对 一 系 列 给 予 体 与 同一 接受 体 之 间 的 相互 作用 ,可 用 式 (3.34) 表 示 es。 82 。 EE |62(Ea—Id )-2ab8,, -—Ea = 5 习 b?(Ea-Id)—2abB, E N 图 3-21 按 Flurry 理 论 电 子 迁 移 络 合 物 中 各 能 量 图 3-22 芳香 烃 类 的 电荷 迁移 络 合 物 之 间 的 关系 电子 受 体 ;:TNB( 三 硝 基 莱 )TNE (三 硝 基 气 茶 )TCNQ* (四 和 毛 唆 啉 二 甲烷 ) 电子 给 予 体 :1. 28:2. JE;3. £634. 34:5. 四 省 。 同 理 ， 对 一 系列 受 体 与 同一 给 予 体 , 也 有 类 似 的 关系 。 A E¢y= A—a—RyomoB (3.34) AUP, A Bor RAE, 4 是 接受 体 的 LUMO 能 量 ,是 库仑 积分 ,6 是 共振 积分 。 对 一 系列 烃 给 予 体 ,用 了 至 cx 与 Raowo 作 图 可 得 一 直线 (如 图 3-22) 。 同 理 , 对 一 系列 SAG 同一 给 予 体 ,也 有 类 似 的 关系 。 3) 电荷 迁移 相互 作用 的 生物 学 意义 ”如 前 所 述 , 电 闪 迁 移 相互 作用 是 生物 系统 中 的 重要 作用 方式 之 一 。 仅 就 络 合 物 电荷 迁移 在 激发 能 传递 上 的 特点 看 ,这 些 特 点 及 其 对 DNA 传 递 遗 传 信息 的 可 能 意义 包括 50, (1) 电荷 迁移 可 分 为 自发 的 和 光 致 的 两 种 。 前 者 又 叫 强 电荷 迁移 ,后 者 又 叫 弱 电荷 迁移 。 强 电荷 迁 移 不 需要 光 能 激发 就 可 以 自发 地 产生 ,因而 并 不 需要 很 大 的 激活 能 就 可 形成 激发 能 级 525。 自 发 电荷 迁移 络 合 物 能 发 出 相当 于 红外 光量 子 能 量 的 三 线 态 辐射 。 因 此 , 络 合 物 电荷 迁 移 传 能 的 大 小 与 生物 体 所 能 利用 的 能 量子 (例如 ATP 高 能 磷酸 键 的 10 一 12 kcal) 大 小 十 分 一 致 ,DNA 也 就 有 可 能 利 用 这 种 传 能 方式 来 传递 信息 。(2) 络 合 物 电 子 迁 移 使 电子 从 一 物质 向 另 一 物质 迁移 而 能 量 并 无 多 大 损失 ,因为 它 并 不 引起 分 子 结构 或 化 学 键 的 重新 排列 。 这 使 我 们 联想 到 DNA 复制 和 转录 时 ，DNA 模 板 分 子 链 本 身 并 不 发 生化 学 变化 的 事实 〈 指 作为 模板 时 的 一 个 单 链 ) 。 利 用 电荷 转 移 来 传递 信息 ,对 不 发 生化 学 变化 的 模板 是 非常 适合 的 。(3) 电荷 迁移 络 合 物 是 介 于 有 规则 闭 壳 分 子 和 自由 基 之 间 的 一 种 物质 状态 。 络 合 物 经 电荷 迁移 后 ,如 果 离 解 成 电子 给 予 体 和 电子 接 受 体 的 单 分 子 , 就 可 以 形成 两 个 具有 非 偶 电 子 的 自由 基 S] 。 自 由 基 活 性 很 强 , 容易 引 起 许多 化 学 反应 。 除 以 上 所 述 外 ,电荷 迁移 相互 作用 还 为 半导体 性 进入 生物 学 开辟 了 道路 。 同时 也 为 了 解 生 物 氧化 等 生物 学 现象 开 尽 了 可 能 的 途径 。 药 学 的 研究 还 告诉 我 们 ,一 些 药物 的 作用 是 由 于 这 些 药物 在 某 些 关键 步 又 作为 一 个 电子 给 予 体 或 电子 接受 体 , 与 生物 接受 体 分 子 (或 给 予 体 分 子 ) 形 © Rs © 成 电荷 迁移 络 合 物 所 致 。 近年 来 ,由 于 电荷 迁移 络 合 物理 论 的 发 展 , 使 它 已 经 成 为 研究 分 子 间 相 互 作用 中 不 可 缺少 的 理论 基础 。 分 子 轨道 理论 的 运用 和 量子 化 学 计算 的 开展 更 推动 了 电荷 迁移 相互 作 用 研 究 的 发 展 。 3.3 生物 分 子 的 特异 作用 和 识别 生物 体内 反应 的 最 大 特征 之 一 ,是 具有 高 度 的 相互 识别 能 力 , 这 种 能 力 的 来 源 在 于 生物 体内 的 分 子 间 相互 作用 都 是 高 度 特 异 ,高 度 协同 和 高 度 专 一 性 的 。 例 如 DNA 碱 基 间 的 配对 ( 即 A-T， G-C)、 信 息 转 录 、 翻 译 过 程 , 密码 与 反 密码 的 对 应 过 程 都 存在 高 度 的 专 一 性 ………。 生 物体 识别 非 自身 异物 加 以 排除 的 免疫 现象 ,也 是 基于 抗原 -抗体 的 专 一 性 ,而 酶 的 专 一 性 则 表现 在 它们 只 对 一 些 特定 分 子 在 特定 位 置 上 发 生 的 特定 反应 起 作用 ,这 对 于 控制 生物 体内 各 种 反应 过 程 是 极为 重要 的 。 \ 言 而 喻 ,规定 着 这 样 的 生物 体内 相互 作用 专 一 性 的 因子 ,无 疑 是 非常 复杂 的 , HE 为 止 还 没有 获得 令 人 满意 的 解释 。 以 下 我 们 仅 从 量子 生物 学 角度 对 这 样 的 问题 作 一 简 述 。 3.3.1 特异 作用 和 生物 分 子 识别 的 物理 、 化 学 基础 永田 认为 ,生物 现象 所 见 的 高 度 专 一 性 .生物 体 所 进行 的 相互 作用 方式 并 不 和 非 生物 的 截 然 不 同 ,不 过 是 在 物理 的 、 化 学 的 水 平 上 的 专 一 性 ,以 更 复杂 化 、 高 度 化 了 的 形式 表现 而 已 。 在 这 意义 上 ,为 要 理解 生物 的 专 一 性 ,有 必要 弄 清 楚 非 生物 系统 中 相互 作用 的 专 一 性 。 在 此 , 我 们 不 去 评论 永田 的 这 些 观点 的 正确 性 如 何 。 但 研究 的 实践 表明 ,对 物理 的 、 化 学 的 相互 作用 的 专 一 性 的 研究 ,无疑 有 助 于 我 们 对 生物 专 一 性 的 了 解 。 对 生物 分 子 (包括 药物 分 子 在 内 ) 大 小 .分子 间 力 的 作用 和 立体 构 型 作用 等 的 研究 已 经 说 明了 这 一 点 。 其 中 ,有 关 轨 道 对 称 性 和 能 级 的 研究 占据 着 一 定 的 地 位 。 1) 轨道 对 称 性 Woodward-Hoffman 发 现 了 分 子 所 具有 的 电子 轨道 的 对 称 性 ,对 于 规定 化 学 反应 的 专 一 性 是 很 重要 的 。W-H 法 则 的 中 心意 思 是 “考虑 反应 前 后 如 果 保 持 了 轨道 对 称 性 ,对 称 性 容许 (sym- metry-allowed) 则 进行 反应 ,对 称 性 禁止 (symmetry-forbidden) 则 不 起 反应 "。 亦 即 ， 反应 物 的 分 子 轨道 必须 以 对 称 性 守恒 的 方式 转化 为 产物 的 分 子 轨道 。 当 反应 物 的 成 键 轨 道 与 产物 的 成 键 轨道 相关 ,基态 分 子 的 直接 变换 是 可 能 的 ,这 个 途径 的 活化 能 低 ,被 称 为 对 称 性 容许 的 反应 ,如果 反应 物 的 成 键 轨道 与 产物 的 反 键 轨道 相关 ,轨道 对 称 性 抑制 分 子 变换 , 即 反 应 要 遇 到 一 个 反映 激 发 态 能 量 的 势 垒 ,这 个 途径 活化 能 高 ,被 称 为 对 称 性 禁止 的 反应 。 W-H 法 则 不 仅 对 分 子 内 反应 ,对 分 子 间 反 应 也 广泛 适用 ,并 取得 了 很 大 的 成 果 。 41% W- -H 法 则 较 详 尽 的 介绍 可 参见 文献 [3,26].。 现 在 以 最 简单 的 例子 :两 个 乙烯 分 子 生 成 环 丁 烷 的 加 成 反 应 来 说 明 轨 道 对 称 性 守恒 原理 的 处 理 方法 。 二 个 乙烯 分 子 生成 环 丁 烷 的 反应 ,由 HMO 法 得 乙烯 的 分 子 轨 道 为 ， es 84 « © Wea, EP ae ROE FS hey, Fe bo), 2 van gz) 细 为 成 键 轨道 ,轨道 上 有 二 个 电子 ;%: 为 反 键 轨道 ( 空 轨 道 )。 当 二 个 分 子 接近 时 ， 具 有 相同 对 称 性 的 v2 5 yz 能 形成 结合 状态 的 轨道 yz + OE YP — 9. A OG oi WE TE a ERA MRI + WOR —d., 假设 反应 进行 时 二 个 乙烯 分 子 以 相互 平行 的 分 子 面 形状 靠近 , 则 显然 把 它们 整体 视 作 一 个 大 分 子 时 ,这 个 准 分 子 具 有 C* 群 的 对 称 性 。 这 个 简单 的 对 称 群 具有 姬 .Carsar/ 四 个 元 素 , 石 为 全 等 变换 , Cs.ovr\ar" 分 别 对 应 图 3-23 中 的 C2,”z 和 my。 对 照 Cv 群 表示 ,我 们 可 以 得 出 二 个 乙烯 分 子 反应 时 轨道 波 函 数 能 级 分 布 及 其 轨道 对 称 性 。 而 新 形成 的 产物 一 一 环 丁 烷 的 轨道 是 二 个 反应 分 子 的 轨道 变形 融合 而 成 , 即 二 个 轨道 适当 取向 重 全 而 成 。 根据 对 称 性 守恒 ,要 求 新 的 分 子 轨道 保持 原 有 轨道 的 对 称 性 。 作 出 轨道 相关 图 如 图 3-24 所 示 。 C=C C—C = 4 X 型 轨道 . A Lys -ye) ROR R yp He 四 Ys + yf? 9 OW OO - J (1) 2 WP) Ys +y2) oF ( iC) ioe V—VP yP+yP rye) PRES 1) —yP? BBB 8 tbat 5-8 oA RN 图 3-24 =A CMF ART be WS AK 图 3-23 二 个 乙烯 分 子 反应 时 的 对 称 性 示意 图 0 型 轨道 “ 0 到 YY 好) rit WP+YP WP yer 图 中 告诉 我 们 ,反应 对 基态 是 对 称 性 禁止 的 ,只 有 在 激发 态 才 满 足 对 称 性 容许 , 说 明 反应 需 较 大 的 活化 能 才能 进行 ,加 热 不 能 进行 反应 ,实验 结果 也 确实 是 如 此 2) HER ° 研究 表明 ,电子 的 性 质 与 分 子 间 相互 作用 的 专 一 性 密切 相关 。 我 们 可 以 举 长 仓 。 田 位 提出 的 用 电子 能 级 解释 化 学 反应 为 例 。 RE + 田 仲 比较 亲 电 子 、 亲 核 、 自 由 基 的 各 种 试剂 和 被 反应 分 子 的 电子 能 级 ， 发 现 了 一 些 ° ,85 +e CeH6 Cols CoHs CH4 INOL I* Brt Q+ Ht 2 -~OH -NO eV) —— 图 3-25 被 反应 分 子 和 各 种 反应 试剂 的 能 级 图 H.O. 表示 最 高 占据 能 级 ,H.H.O， 为 半 占 据 能 级 , 工 .V. 为 最 低空 能 级 规则 ( 见 图 3-25): (1) 亲 电 子 试剂 的 最 低空 能 级 低 于 被 反应 分 子 的 最 高 被 占 能 级 时 发 生 反应 (如 NO:+，L， Br+,Cl+ 等 对 茉 , 酚 , 硝 基 葵 的 反应 ) ,高 于 被 反应 分 子 的 最 高 被 占 能 级 时 则 不 发 生 反 应 (如 CH 和 NO:+ ,于 等 的 反应 );(2) 亲 核 试剂 的 最 高 被 占 能 级 高 于 或 接近 被 反应 分 子 的 最 低 空 能 级 时 ,发 生 反 应 ;(3) 反应 发 生 时 ,自由 基 试 章 的 最 高 半 被 占 能 级 在 被 反应 分 子 的 最 高 被 占 和 最 低空 能 级 的 中 间 ; (4) 如 Ag+ 和 LI: 那样 ,最 低空 能 级 高 于 被 反应 分 子 的 最 高 占据 能 级 时 ,不 发 生 反 应 ， 而 生 成 分 子 化 合 物 。 这 些 规则 对 于 说 明生 物体 内 发 生 的 特异 相互 作用 和 识别 究竟 能 达到 何等 程度 , 还 难以 作出 结论 。 不 过 ,可 以 预料 分 子 间 相 互 作用 的 专 一 性 ,在 一 定 程度 上 与 电子 能 级 之 间 是 可 能 存在 着 某 种 相关 关系 的 .我们 可 以 通过 分 子 轨道 法 的 计算 得 到 参加 反应 的 分 子 的 电子 能 级 ,进而 探讨 电子 能 级 对 分 子 间 相 互 作用 专 一 性 的 影响 。 3) 空间 构象 _ 分 子 生 有 学 的 研究 成 果 告 诉 我 们 ， 生 物 分 子 间 的 特异 相互 作用 和 识 别 与 分 子 (包括 药物 分 子 ) 本 身 的 空间 构象 有 着 相当 直接 的 关系 (参见 后 续 有 关 章节 ) 。 例 如 药物 分 子 本 身 的 构象 要 与 受 体 的 构象 相 适应 , 才 易于 与 受 体 结合 而 发 挥 作 用 。 遗 传 信息 的 表达 所 受到 的 严格 调控 ， 是 同 DNA 与 其 它 分 子 的 相互 识别 、 相 互 作用 直接 相关 的 ， 是 通过 DNA 的 微妙 构象 变 化 实现 的 等 等 。 量子 化 学 可 以 通过 计算 分 子 的 能 量 来 推测 分 子 的 构象 ,因为 在 不 同 的 构象 中 ,各 个 相互 作用 pp 的 构象 更 为 稳定 ,高 能 量 的 构象 可 能 自动 转化 为 低 稻 重 酌 森 象 。 同 样 ,在 药理 学 的 研究 中 业已 知道 ， 与 药物 分 子 相 作用 的 生物 体 大 分 子 ,也 稳定 在 低能 量 的 构象 ,但 大 分 子 化 合 物 的 结构 更 为 复杂 ， 有 时 几 个 不 同 构象 的 能 量 都 较 低 ,并 且 互 变 的 能 障 也 不 大 , 几 种 构象 就 可 并 在 ， 大 分 子 也 易于 变形 。 药 物 或 内 源 活性 物质 与 这 大 分 子 的 不 同 构象 作用 ， 分 别 产生 不 同 的 效应 : 有 关 空 间 构象 的 分 子 轨道 研究 的 讨论 ， 读 者 可 参考 第 四 、 第 八 和 第 九 章 中 的 有 关 部 分 。 se 86 。 3.3.2“ 酶 与 底 物 的 专 一 作用 我 们 知道 , 酶 依靠 有 组 织 的 , 错 综 的 空间 结构 ,使 得 其 表面 具有 一 些 特殊 区 域 .这 些 区 域 依据 它们 的 三 维 形 状 , 电 荷 特征 及 下 水 与 亲 水 程度 的 不 同 ,而 使 它们 能 与 特定 的 底 物 相 结合 。 底 物 一 般 是 通过 非 共 价 作 用 与 酶 的 这 个 特定 区 域 相 结合 而 成 为 酶 - 底 物 的 复合 物 。 这 个 特定 区 域 的 附 近 或 内 部 还 同时 存在 一 定性 质 的 催化 基 团 ， 这 些 催 化 基 团 被 巧妙 地 安排 在 酶 侧 链 的 一 些 关 键 位 置 。 -本 反 应 专 一 性 的 概念 包括 (1) 反应 专 一 性 , 即 只 催化 一 类 反应 ;(2) 底 物 专 一 性 ， 即 只 催化 一 种 或 几 种 底 物 的 转化 ;(3) 束缚 专 一 性 ， 只 束缚 一 种 底 物 到 酶 的 活性 部 位 上 ;(4) 动力 学 专 一 性 , 即 底 物 束 缚 到 酶 活性 部 位 之 后 ,在 催化 阶段 底 物 反应 性 上 的 差别 。 以 下 我 们 仅 就 酶 对 底 物 专 一 性 的 基础 究竟 是 什么 这 样 的 问题 作 一 初步 讨论 。 3.3.2.1 活性 中 心 与 诱导 -契合 学 说 已 经 知道 ， 参 与 酶 活性 中 心 的 化 学 基 团 实际 上 就 是 酶 蛋白 中 氨基 酸 残 基 的 侧 链 或 肽 链 的 末 端 氨基 与 羧基 。 这 些 基 团 一 般 不 集中 在 肽 链 的 某 一 区 域 , 不 一 定 互相 邻近 , 有 的 甚至 可 分 散在 不 同 的 肽 链 上 。 例 如 胰 凝 乳 蛋 白 酶 活性 中 心 的 五 个 氮 基 酸 残 基 为 异 亮 氛 酸 16 ,组 氮 酸 57， 天 冬 氮 酸 102, 天 冬 所 酸 194 与 丝氨酸 195, 它们 分 别 分 散在 二 条 肽 链 上 ,主要 是 依靠 酶 的 二 级 、 三 级 结 构 才 使 它们 集中 在 医 性 部 位 所 在 区 域 ， 正 是 这 个 区 域 导致 了 胰 凝 乳 蛋 白 酶 的 专 一 性 。 我 们 知道 ,在 胰 凝 乳 蛋 白 酶 的 全 部 氨基 酸 残 基 中 共有 27 个 丝氨酸 ， 但 实验 发 现 只 有 一 个 丝 氨 酸 ， 即 195 号 丝氨酸 存在 于 活性 中 心 。 为 什么 它 会 成 为 活性 中 心 呢 ? 通过 量子 生物 学 研究 了 解 到 ,原来 是 它 所 处 的 环境 ,使 得 周围 的 负电 荷 向 它 移动 ， 使 其 电 负 性 增加 而 成 为 活性 的 亲 核 斌 剂 。 1958 年 ,Koshland 提出 了 “诱导 -契合 ”假说 547 。 他 认为 活性 中 心 是 挠 性 的 而 不 是 “ 锁 与 钥 匙 ?理论 中 认为 酶 分 子 的 结构 是 刚性 的 。 这 个 假说 提出 ;在 底 物 达到 酶 分 子 结合 部 位 之 前 ,并 不 存在 一 个 精确 互补 的 结合 部 位 ， 而 仅仅 是 一 个 相 结合 的 倾向 而 已 。 但 一 旦 由 于 这 种 倾向 而 吸附 了 底 物 之 后 ,这 时 底 物 周围 的 结合 部 位 才 越 来 越 牢固 地 束缚 底 物 并 限制 了 它 的 自由 度 , 直 至 二 者 之 间 的 契合 十 分 贴切 。 对 这 二 者 的 契合 过 程 一 般 有 两 种 解释 ， 一 种 是 酶 分 子 形变 ， 结 合 基 团 的 移动 以 达到 协调 。 另 一 种 是 认为 与 不 精确 互补 的 活性 部 位 结合 的 部 分 内 能 被 用 来 使 底 物 形变 ， 酶 将 会 利用 潜在 的 结合 能 将 底 物 推 向 过 渡 态 结构 。 换 言 之 ， 当 酶 结合 底 物 后 就 会 在 底 物 结构 上 诱导 应 变 以 导向 过 滤 态 结构 ， 这 样 就 促进 了 反应 的 进行 。 这 些 应 变 力 的 确切 本 质 尚 不 能 很 好 地 下 定义 ， 看 来 它们 涉及 酶 与 底 物 间 的 非 共 价 键 的 相互 作用 。 这 种 应 变 理 论 被 归 为 “现代 架子 假 说 ?之 内 呈 有 时 也 有 二 种 情况 同时 发 生 的 ,如 溶菌 酶 即 是 。 溶菌 酶 尤 如 一 只 乌 ,两 只 翅膀 之 间 的 裂 锋 即 为 其 活性 部 位 ， 如 图 3-26。 羧 肽 酶 A 与 甘 氨 酰 酷 氨 酸 的 结合 情况 更 可 说 明 诱导 -契合 在 动态 地 识别 底 物 方面 的 作用 。 这 时 精 氨 酸 145 带 正 电 荷 的 肌 基 移动 0.2nm, 谷 氨 酸 27 的 羧基 也 有 类 似 的 移 位 , 而 最 大 的 构象 改变 为 酷 氨 酸 248 的 羧基 移动 了 1.2nm， 从 亲 水 的 分 子 表面 移 位 到 底 物 肽 链 附近 的 疏水 区 域 。 这 种 种 的 构象 改变 都 是 由 精 氨 酸 145 结合 到 底 物 末端 羧基 时 开始 发 生 的 。 如 果 底 物 中 没有 游离 e 87 e 的 末端 羧基 , 则 酷 氛 酸 248 不 能 移 位 , 底 物 不 能 贴 切 戏 入 ,催化 作用 也 无 法 产生 。 这 说 明 诱 导 - 契 合 在 动态 地 识别 底 物 ， 诀 定 底 物 专 一 性 方面 具有 重 eh 要 的 作用 。 无 数 事实 说 明了 酶 的 活性 部 位 由 于 基 团 特定 结构 及 各 基 团 的 巧妙 配合 ,通过 诱导 -契合 作用 而 构成 了 酶 分 子 的 高 度 专 一 性 ， 活 性 部 位 中 接触 残 基 与 结合 基 困 的 作用 决定 了 底 物 专 一 性 。 又 由 于 酶 至 少 三 点 接触 底 物 才能 辨认 ， 由 此 产生 了 立体 专 一 性 。 3.3.2.2 酶 专 一 性 本 质 的 进一步 探讨 众所周知 ， 酶 对 外 界 反 应 极 灵 敏 。 外 界 条 件 的 细微 改变 ， 都 可 能 造成 酶 侧 链 间 力 的 平衡 遭 到 ats 破坏 ,5| 起 其 构象 的 变化 ,进而 导致 活性 的 变化 。 为 进一步 弄 清 活性 部 位 的 作用 ， 有 必要 对 形成 酶 构象 以 及 引起 构象 变化 的 各 类 作用 因素 加 以 研究 ， eS Se 1) 疏水 性 相互 作用 由 于 水 的 结构 内 没有 容纳 非 极 性 残 基 的 能 力 ， 使 酶 的 非 水 溶性 侧 链 具 有 避 水 倾向 而 育 拢 到 折返 肽 链 的 核心 ,于 是 使 亲 水 性 侧 链 留 于 表面 而 适宜 与 水 性 环境 相互 作用 ;疏水 基 团 与 疏水 侧 链 自动 靠拢 造成 "下 水 键 "。 该 键 对 酶 的 专 一 性 有 一 定 作用 ， 例 如 x- 糜 蛋白酶 作 用 于 底 物 的 氨 基 酸 部 分 的 专 一 性 ,就 取决 于 糜 蛋白 酶 表面 非 极 性 部 分 与 底 物 部 分 所 形成 的 “疏水 键 ?。 可 以 说 , 和 是 造成 朴 水 作用 的 动力 , 酶 的 疏水 侧 链 正 是 通过 形成 非 极 性 的 受 水 包围 的 小 团 来 防止 有 序 性 的 增加 和 凡 的 减少 。 显 而 易 见 ,在 保证 水 的 有 序 结 构 的 温度 范围 内 ,温度 越 高 ， 朴 水 ”作用 将 越 强 。 因 为 由 4B=A 巨 一 ?43 知 , 随 着 了 增加 ,TAR 项 变 得 愈 来 愈 不 利于 非 极 性 基 团 的 溶解 。 Knowles 由 水 解 酶 的 动力 学 数据 得 出 结论 ,认为 高 下 水 性 ,加 上 电荷 条 件 的 满足 ， 会 增加 底 物 的 束缚 和 转化 的 专 一 性 。 根 据 这 种 分 析 ， 胰 凝 乳 蛋白 酶 的 活性 中 心 应 是 非 极 性 的 。 己 酰 胆 碱 酯 酶 和 胰 酶 等 专门 臂 裂 带 正 电 的 分 子 ， 对 具有 大 的 玻 水 残 基 的 底 物 增加 催化 作用 。 2) 静电 相互 作用 静电 力 首 先 可 以 形成 气 键 ,在 肽 的 C 一 9 基 与 各 侧 链 基 团 之 间 ， 其 中 特别 是 一 个 肽 的 CC 一 9 基 与 另 一 个 肽 的 N 一 互 基 之 间 ， 及 侧 链 基 团 本 身 之 间 都 可 形成 气 键 。 如 果 说 酶 的 结 构 以 允许 有 最 大 的 疏水 方式 进行 折 迭 , 则 可 以 说 ,与 此 同时 ， 各 种 侧 链 及 肽 骨架 间 形 成 的 氢 键 与 该 作用 完 全 一 致 。 另 外 , 酶 侧 链 的 带电 基 团 之 间 也 可 能 产生 静电 相互 作用 ,例如 N 末 端 残 基 或 赖 氨 酰 侧 链 的 NH:+ ,或 精 氨 酰 侧 链 上 的 股 基 ,组 氨 酰 残 基 的 咪唑 基 上 的 一 个 正 电 荷 都 可 被 谷 氨 酰 或 天 冬 氨 酰 残 基 侧 链 上 羧基 一 COO- 的 一 个 负电 荷 以 静电 力 所 吸 引 。 如 果 这 些 带电 基 团 都 伸 信 酶 周围 的 水 性 介质 中 去 , 便 可 在 其 周围 形成 稳定 的 水 合 层 。 当 在 酶 溶液 中 加 酸 而 降低 PHT, Bit 醇 盐 一 S 和 羧 酸 盐 基 一 COO -将 逐渐 质子 化 , 变 为 不 带电 的 硫 氨 基 一 SH 和 羧基 一 COOH ,而 氨基 、 咪 唑 基 es 88 e 和 肌 基 将 保持 带 正 电 。 反 之 ,加 碱 前 者 将 保持 其 负电 ,而 氨基 与 号 唑 基 将 逐渐 失去 质子 。 这 些 不 同 的 电荷 特征 都 可 导致 酶 构象 的 变化 或 影响 其 结合 底 物 的 特异 性 ， 这 些 不 同 的 电荷 特征 也 从 一 方面 决定 了 酶 的 专 一 性 。 3) Van der Waals 力 一 对 原子 间 的 Van der Waals 力 是 较 小 的 ,但 当 底 物 的 许多 原子 同时 接近 酶 的 原子 时 ， Van der Waals 力 的 作用 不 可 忽略 。 换 言 之 ; 底 物 与 酶 之 间 有 效 的 Van der Waals PRAY 它们 处 于 立体 互补 时 才能 产生 ,这 就 说 明 虽 然 在 某 单一 的 Van der Waals 力作 用 中 ， 并 不 存在 专 一 性 ， 但 当 同 时 形成 大 量 的 Van der Waals 相互 作用 时 就 必然 出 现 专 一 性 。 酶 与 底 物 的 可 逆 结 合 是 通过 三 种 不 同类 型 的 最 基本 的 键 作 用 来 实现 的 ,这 三 种 键 即 离子 键 ， 氨 键 和 Van der Waals 键 , 它 们 可 以 由 于 水 的 存在 而 受到 各 种 影响 。 同 时 ， 它 们 对 几何 形状 的 要 求 ， 其 强度 及 专 一 性 方面 有 所 不 同 。 正 是 上 述 的 这 些 相互 作用 关系 各 自 起 作用 或 者 重 登 起 作 用 ,使 酶 能 与 底 物 以 最 适当 的 键 结合 ,从 而 把 底 物 稳定 地 固定 在 特定 结构 的 结合 部 位 上， 体现 出 酶 分 子 的 高 度 专 一 性 。 3.3.2.3。” 从 轨道 对 称 性 看 酶 的 专 一 性 由 量子 力学 的 基本 观点 可 知 ,交换 积分 A. 的 值 在 原子 结合 成 分 子 中 起 着 关键 的 作用 。 而 A,, 与 重 登 积分 Su 有 密切 关系 ,具体 地 说 ,要 有 效 地 组 成 分 子 轨道 ， 必 须要 求 S., MAR, 例如 当 一 个 s 轨道 (%.) 与 了 罗 道 (y) 作 用 时 ， 即 使 像 图 3-27 (A) 那样 双方 靠 得 近 ,电子 云 、 重 登 部 分 很 大 ,但 二 者 无 法 成 键 。 这 里 因为 对 任 一 微 体 积 元 dri, 必然 可 以 找到 其 对 应 的 体积 元 dr, AM S. 的 贡献 正好 抵消 ,因而 8 为 零 。 但 如 图 3-27 (B) 所 示 的 二 个 轨道 ， 则 可 以 结 合 。 化 学 反应 在 轨道 对 称 性 方面 的 要 求 对 专 一 性 问题 应 该 说 也 有 一 定 的 影响 。 图 3-27 8s 轨道 和 卫 轨 道 的 重 登 方式 前 面 已 提 及 的 W- 了 法则 由 于 注意 到 了 电子 轨道 的 对 称 性 ,因而 对 于 规定 化 学 反应 的 专 一 性 是 极为 重要 的 。 Ferreira 在 应 用 轨道 对 称 性 的 设想 来 解释 酶 反 应 机 制 时 ,也 提出 了 人 锐 有 兴趣 的 想法 扩 1 。 3.3.2.4 酶 与 辅酶 间 的 相互 作用 广 ' SNAG. SEM EA AS Aa. 酶 离开 辅酶 是 不 能 完成 对 底 物 的 催化 反应 的 。 那么 , 酶 与 辅酶 间 究 竟 通 过 怎样 的 相互 作用 才能 实现 酶 的 催化 功 能 呢 ? 在 这 方面 研究 得 最 多 的 辅酶 是 辅酶 IINAD) 和 辅 梅 IINADP)。 es 89 。 从 图 3-28 可 以 看 到 , NAD 和 NADP 之 间 在 结构 上 只 差 一 个 分 子 磅 酸 ,， 故 两 者 的 作用 类 1, 35 Fe iA Bis AD ae fab Bet P —O—P— BeBe B20210 NAD apn 烟 酰 胺 一 核 精 一 了 mot oe te ee O O 0 一 P 一 0 H | OH NADP 图 3-28 NAD 和 NADP 分 子 示 意图 当 NAD AME ABA. 在 360 nm 附近 出 现 极 大 吸收 (一 条 宽带 叫 Racker Hr), Ai 在 了 解 辅 梅 和 酶 蛋白 相互 作用 形式 方面 非常 重要 。 已 经 知道 , 烟 酰 胺 部 分 是 脱 氢 作用 时 重要 的 氢 的 交接 场所 ( 见 图 3-29) 。 由 图 可 见 , 在 吡啶 核 的 4 位 , 底 物 的 互 以 阴离子 形式 与 之 加 成 ,起 到 了 脱 氢 作用 。 所 以 4 位 对 亲 核 基 团 的 反应 性 要 求 大 。 4 57 和 ONH, shoal +2H Nt | a | R R i 3-29 NAD 的 氧化 型 ( 左 ) 和 还 原型 ( 右 ) 用 了 P-P-P 法 计算 的 NAD-* 烟 酰胺 部 分 全 r 电子 密度 以 及 在 亲 核 反应 时 前 沿 轨道 〈 最 低空 轨道 ) 的 电子 密度 ， 如 图 3-30 所 示 ( 图 中 “为 反应 性 最 大 位 置 ) 。 由 图 3-30 可 见 , 全 电子 密度 和 前 沿 电子 密度 的 值 很 好 地 反映 了 上 述 情况 ,如 4 位 的 全 区 电子 密度 值 最 小 , 另 一 方面 ,最 低空 轨道 的 电子 分 布 , 即 在 亲 核 基 团 前 沿 电子 密度 是 最 大 的 *。 24 O 0.318 | 0.026 ig | 0.029 NH, 0.13 0.182 po H B 图 3-30 NAD+ 烟 酰胺 部 分 全 zx HLF gE (A) Ae I WT ah CS AIR SH DH BE (BY * 对 于 亲 核 试剂 和 反应 性 的 关系 :全 x 电子 密度 小 ， 最 低空 轨道 的 电子 分 布 比较 密 ， 活 性 大 。 90 。 因此 要 很 好 注意 到 ,电子 结构 论 认为 最 具 活 性 的 位 置 正 是 酶 反应 的 活性 位 置 。 实 际 上 ,许多 对 烟 酰 胺 反应 的 亲 核 试剂 全 部 在 4 位 上 起 加 成 反应 。 如 上 所 述 , 当 NAD 和 酶 蛋白 混合 时 , 在 360 nm 附近 出 现 极 天 吸 收 的 宽 吸 收 带 。 HH 止 ,对 于 这 一 吸收 带 的 起 因 仍旧 存在 着 不 同 的 看 法 。 其 一 是 Racker $9) 主张 的 ,他 们 认为 是 酶 蛋白 的 SH 基 和 烟 酰胺 的 吡啶 环 4 位 起 加 成 反应 的 光谱 。 其 根据 是 NAD 和 各 种 亲 核 试剂 (OH-,CN~,SO~,, NHOH” 等 ) 容 易 在 吡啶 环 起 加 成 反应 ,而 且 加 成 物 的 光谱 在 360 nm 有 了 吸 收 。 对 此 ,Kosower 从 吸收 带宽 而 弱 看 来 ,认为 和 加 成 物 相 比 ,考虑 酶 蛋白 和 辅酶 之 间 的 电荷 转移 更 ABB, * Umeyama 等 5” 则 认为 ,NAD 形成 电荷 迁移 复合 物 是 酶 蛋白 的 色 氨 酸 。 那 是 因为 当 NAD 和 色 氮 酸 混合 时 ,在 320 nm 附近 出 现 新 的 吸收 带 , 可 以 认为 这 是 由 于 二 者 相互 作用 的 结果 , 而 其 他 氨基 酸 则 完全 看 不 到 这 种 相互 作用 。 SAR 白 的 色 氨 酸 残 基 相 互 作 用 的 NAD 的 作用 基 团 是 烟 酰胺 的 吡啶 环 , 从 引起 的 光谱 变化 看 来 是 很 清楚 的 ,但 与 色 氛 酸 的 吗 唆 核 以 怎样 的 配置 方式 相互 作用 则 还 不 很 明了 。 不 过 为 了 产生 电荷 转移 ,考虑 吡啶 环 和 SRILA HEAR 形式 相互 作用 最 为 妥当 。 在 各 种 堆积 形式 中 ,最 稳定 的 结构 从 而 且 它 的 最 大 吸收 和 实 验 值 很 好 符合 的 配置 如 图 3-31。 实 线 表 示 烟 酰胺 部 位 , 虚线 表示 中 | 喉 环 。 3-31 最 吹 环 和 烟 酰胺 部 分 的 堆积 Oo equasaseeen = 1 = 一 0 .269 2 一 71 em — ] 735 =-2.172 245 .4nm 244 .Snm ev oh = 8,833 =SCS= = 5 ‘07 -10, 510 —e—o— — 11 018 BR - 烟 酰 胺 复合 物 +H RK 5% 图 3-32 GYR, MAREN ES 3S A AE Ee PR ELA Ny 位 置 上 加 成 HAY 结构 代替 一 一 烟 酰 胺 ，…… WOR 按照 这 种 配置 , 用 P-P-P PETER MRL A), WR EMAC HE BAT | ME EE AG 比较 如 图 3-32 所 示 。 复 合 物 的 电荷 迁移 带 在 316.7 nm (注意 ， 在 接近 293.6 nm 也 有 )， 和 实 验 值 320 nm 大 体 上 一 致 。 因 而 确认 了 NAD 和 色 AR A 作用 出 现在 320 nm 的 吸收 带 是 JETT FE Jae AS SIME Si ea AD 烟 酰胺 电荷 转移 这 一 理论 上 的 。 这 也 强 有 力 地 支持 了 Kosower * 9] 。 Di 的 设想 , 即 NAD 和 酶 蛋白 相互 作用 产 生 的 360 nm 附近 的 光 吸 收 是 基于 从 酶 的 色 氛 酸 残 基 向 - NAD 的 烟 酰 胺 部 分 的 电荷 转移 。 但 是 ,NAD- 酶 蛋白 的 吸收 带 是 在 360 nm, 比 NAD- 色 氨 酸 的 情况 在 长 波 差 40 nm 波长。 这 种 差别 可 能 是 由 于 酶 存在 电离 的 侧 链 , 因而 存在 电场 , 有 可 能 引起 光谱 位 移 。 当 然 ,在 这 种 情况 下 ,电场 引起 移 位 只 是 许多 因素 中 的 一 个 ,也 可 能 还 有 其 它 因 素 引 起 移 位 的 可 能 性 。 以 上 我 们 介绍 了 永田 等 运 用 分 子 轨道 法 对 NAD 的 研 究 。 鉴于 有 关 SAMA MAE SE 用 对 于 体现 酶 的 特异 相互 作用 和 识别 , 以 及 高 效 催化 率 具 有 十 分 重要 的 作用 , 因而 近 些 年 来 ,在 实验 和 理论 研究 两 个 方面 都 取得 了 较 大 的 进展 。 通过 上 述 以 辅酶 中 NAD 为 例子 的 简 述 , 我 们 可 以 看 出 ,分 子 轨道 法 在 分 析 酶 和 辅酶 间 的 相互 作用 中 ,提供 了 某 些 与 实验 结果 很 好 符合 的 理论 计算 结果 , 可 以 预期 分 子 轨道 法 在 这 个 领域 将 获得 更 广泛 的 应 用 。 3.3.3 密码 子 与 反 密 码 子 的 识别 和 相互 作用 我 们 知道 ,在 蛋白 质 生 物 合成 过 程 中 , 密码 子 和 反 密 码 子 的 相互 识别 是 非常 精确 的 【误差 约 为 10” 一 10-) 。 但 是 这 种 高 度 专 一 的 相互 识别 的 机 制 究 竟 是 什么 呢 ? “ 它 与 密码 子 和 反 密 码 子 配对 缔 合 时 碱 基 三 联 体 间 相互 作用 能 的 关系 究竟 如 何 ? 怎样 从 分 子 间 相 互 作用 力 理 论 来 阐明 碱 基 蜡 构 体 参 与 配对 的 可 能 性 ? 等 等 ,这 些 都 是 我 们 所 关心 的 问题 。 近 几 年 来 ,一 些 研 究 者 从 实验 和 理论 两 个 方面 对 这 些 问题 进行 了 探讨 。 例 如 ,我 国 科学 工作 者 江 寿 平等 ”1 根据 经 验 的 多 原子 分 子 间 相 互 作用 势 研究 了 氨基 酸 的 遗传 密码 子 与 反 密 码 子 的 相互 识别 。 他 们 以 RNA12 的 几何 构 型 作为 理论 模型 ,计算 了 RNA12 上 互补 碱 基 间 , 非 互补 碱 基 间 和 碱 基 三 联 体 间 的 相互 作用 能 ， 并 对 碱 基 蜡 构 体 参与 的 非 互 补 碱 基 配 对 的 相互 作用 能 函数 进 行 了 自选 尺度 拟 牛 顿 法 的 最 优化 处 理 , 结 果 表 明 ( 见 表 3-5, 表 3-6) 。 表 3-5 RNA12 中 互补 碱 基 共 面 配 对 的 相互 作用 能 (kcal/mol) oa 总 能 静电 能 极 化 能 | 色散 能 十 排斥 能 十 气 键 能 一 0.40 一 5.07 一 1 .70 一 20.92 一 6.21 — 0.58 (1) RNA12 上 互补 碱 基 共 面 配 对 相互 作用 能 的 贡献 主要 来 自 于 它们 的 静电 相互 作用 ( 表 3- 5) 。 而 非 互补 碱 基 间 配对 的 相互 作用 能 计算 均 大 于 互补 碱 基 间 配对 的 相互 作用 能 至 少 6.49 kcal /mol( 表 3-6)(24 吾 一 允 非 互补 一 五 互补 ,这 是 假 、 真 反 密 码 子 同 密码 子 相 互 识 别 能 力 的 强 弱 度量 因 子 , 其 界限 约 为 5.6 kcal/mol) .因此 ,根据 分 子 识 别 与 其 相互 作用 能 的 关系 ,可 知 在 RNA12 中 位 于 不 同 螺旋 链 的 碱 基 , 其 相互 识别 配对 是 严格 遵循 标准 的 碱 基 配 对 原则 , 即 碱 基 A.U 和 G-"…C 间 的 相互 识别 而 配对 。 这 种 识别 配对 的 本 质 在 于 互补 碱 基 A.U,G:.C 间 高 度 的 专 一 相互 作用 ;在 于 它 们 的 配对 具有 最 负 的 相互 作用 能 。 这 在 一 定 程度 上 也 表明 , 在 生物 分 子 的 识别 过 程 中 ,生物 分 子 间 的 直接 的 物理 相互 作用 起 着 十 分 重要 的 作用 。 * 92 ¢ 表 3-6 RNA12 中 非 互补 碱 基 共 面 配 对 相互 作用 能 (kcal/mol) = ete ny Ap se Tag | 相互 作用 总 能 静 电能 极 化 能 | 色散 能 十 排斥 能 10.496 29.56 11.27 — 4.95 23.24 10.518 9.86 x10" —162.21 —17428.27 9.86 x10" 10.516 1.43 x 10° 35.96 —357.38 1.43 x 10° 10.476 — 0.68 0.39 —0.33 —=0.75 10.498 5152.60 6.31 —6.88 5953.17, 10.476 2.34 3.12 —0.08 —0.70 10.476 7.04 8.41 —0.48 —0.89 10.520 1.76 x 10!” 4.86 —4921.36 1.76 x 10" 10.411 2.53 x 10" 一 49.57 一 6356.60 2.5310"? — 10.400 4821.37 9.49 — 4,54 4816.42 ace 10.400 15-67, = L169 —3.98 0.01 Am _— . O 〇 SA 10.409 6.28 x 10" —147.88 —14902.77 6.28 x 10 pe (2) 在 有 碱 基 异 构 体 参与 的 非 互补 碱 基 间 配对 的 情况 下 (参见 图 3-33 和 表 3-6, 3-7) ,通过 对 相互 作用 能 的 计算 及 优化 处 理 ,结果 表明 , 当 公 许 碱 基 配 对 存在 一 定 自 由 度 时 ， 则 存在 着 某 种 蜡 构 体 参 与 配对 的 可 能 性 。 关于 碱 基 异 构 体 存在 时 的 配对 方式 已 在 4.2.2 中 讨论 过 (参见 7. 2) ,IIonmreB 等 0321 在 用 原子 -原子 劳 函 数 对 包含 两 个 碱 基 和 一 个 水 分 子 的 系统 作 分 子 间 相互 作用 能 的 计算 时 , 列 出 了 29 种 通 过 水 分 子 而 建立 的 碱 基 配 对 方式 (图 3-33)。 由 于 异 构 体 具有 和 正常 型 不 同 的 氢 键 专 一 性 ， 所 以 广 生 正常 型 Watson-Crick 型 以 外 的 氢 键 对 存在 的 几率 ， 如 鸟 味 叭 ， 肌 苷 的 异 构 体 和 尿 喀 喧 配 成 对 , 尿 喀 啶 的 蜡 构 体能 和 鸟 味 叭 . 尿 喀 啶 配 成 对 , 其 结果 得 到 如 表 3-7 所 示 的 配对 ，Crick 从 Wobble 学 说 推导 出 和 密码 子 - 反 密 码 子 的 碱 基 对 的 多 样 性 完全 相同 的 结果 。 以 上 所 述 再 次 提示 我 们 ,对 所 谓 “DNA 复 制 和 转录 时 选择 对 方 的 基础 ,早已 清楚 是 在 于 A 一 IIU),G 一 C 这 些 氢 键 的 专 一 性 .的 见解 似乎 应 该 持 保留 态度 。 我 们 知道 ,DNA 分 子 双 螺旋 结构 稳定 性 是 复杂 的 ， 远 不 能 简单 地 认为 是 氨 键 所 致 。 作 者 认 为 ,所 谓 氢 键 的 专 一 性 ”的 提 波 是 含糊 的 .不够 严格 的 ; 一 种 说 法 是 ， 正 常 型 碱 基 配对 系 依赖 于 所 谓 的 氨 键 专 一 性 ,而 异常 型 的 存在 则 影响 了 碱 基 对 的 氨 键 专 一 性 。 这 里 既然 没有 指出 氨 键 专 一 性 的 实质 , 那 末 正 常 (或 异常 ) 碱 基 的 配对 ,就 难以 用 “ 氢 键 专 一 性 ?来 判断 。 稚 于 迄今 为 止 , 我 们 对 碱 基 配 对 的 氨 键 专 一 性 的 实质 尚 不 其 了 解 这 一 实际 , 因而 以 电子 结构 理论 理解 遗传 的 密码 子 与 反 密 码 子 的 识别 和 相互 作用 的 尝试 ， 就 具有 一 定 的 意义 。 1966 年 Crick 根 据 立 体 化 学 原理 ,提出 了 Wobble 学 说 (参见 7.1.2), 认 为 反 密 码 子 在 识别 密码 子 的 过 程 中 ,密码 子 与 反 密码 子 之 间 的 前 二 对 碱 基 严 格 遵循 标准 的 碱 基 配 对 原则 ,而 它们 的 第 三 对 碱 基 则 公 许 存在 一 定 的 自由 度 。 在 互补 、 非 互补 碱 基 配 对 相互 作用 能 计算 的 基础 上 ,江青 平等 © 93 3 ee ap Rat gt ees . “ay Shed LE Pate, FEN xis ney 0 a PTE aie 请 并 3-33 进一步 计算 了 碱 基 三 联 体 (密码 子 与 反 密 码 子 ) 间 的 相互 作用 ( 见 96 页 表 3-8) ,结果 概括 为 ， C1) 密码 子 的 第 三 个 碱 基 U 能 与 反 密 码 子 中 碱 基 A,G( 醇 ) 及 I( 次 黄 味 叭 , 醇 式 ) 配 对 ， 但 不 能 与 G I 的 酮 式 正 常 型 配对 。 (2) 密码 子 的 第 三 个 碱 基 A( 顺 式 ) 能 与 反 密码 子 中 的 碱 基 I 配 对 。 (3) 碱 基 A.U 和 G:'C 配 对 可 以 在 密码 子 , 反 密码 子 中 的 任何 位 置 进行 。 这 就 在 一 定 程 度 上 反应 了 Crick 的 Wobble 学 说 的 机 制 , 并 从 相互 作用 能 的 角度 说 明了 现 有 的 大 多 数 密码 子 和 反 密 码 子 间 识 别 关 系 的 实验 资料 。 e 94d4 表 3-7 考虑 了 有 异 构 体 结构 时 的 Watson-Crick 型 氢 键 对 的 反 密 码 子 和 密码 子 的 碱 基 对 反 密 码 子 上 的 第 一 个 碱 基 密码 子 上 的 第 三 个 碱 基 c & Am 人 md Am 人 > raqcaaqadcda:c¢ QP * 符号 表示 异 构 体 ， 工 表示 次 黄 枝 叭 3.3.4 抗原 -抗体 反应 的 专 一 性 生物 体 具 有 识别 非 自身 异物 加 以 排除 的 免疫 能 力 。 当 这 种 外 来 异物 作为 抗原 侵入 生 物体 后 ， 生 物体 的 免疫 机 构 就 会 产生 抗体 与 抗原 形成 沉淀 反应 ,达到 免疫 效果 。 每 种 免疫 细胞 在 其 表面 都 具有 抗体 结合 部 位 ， 起 到 识别 的 作用 ， 并 探查 外 来 的 抗原 决定 因 子 , 这 种 情况 即使 在 外 来 抗原 物质 浓度 很 低 时 也 会 发 生 。 然 而 ,它们 并 不 能 识别 自身 抗原 决定 因 子 , 有 时 甚至 浓度 很 高 时 ,也 是 如 此 。 抗 原 决 定 因 子 是 由 不 太 大 的 寡 聚 物 组 成 的 ， 上 述 情况 的 发 生 很 可 能 是 由 于 自身 抗原 决定 因子 的 结构 特点 (蛋白 质 的 内 部 排列 ) 及 其 他 因素 造成 的 。 抗原 是 非 自身 的 多 肽 和 多 糖 类 物质 。 通 常 它 的 分 子 量 最 低 界限 为 4 000~10 000, 偶尔 也 有 1000 左 右 的 抗原 物质 。 抗 体 是 球 蛋 白 类 。 抗 体 结合 部 位 约 有 10~~20 个 氨基 酸 ， 大 小 与 抗原 决定 因子 差不多 。 多 价 抗 原 分 子 抗原 - 抗体 单价 抗 复合 物 体 分 子 - 图 3-34 单价 抗体 与 多 价 抗原 之 间 的 反应 (4)，, 二 价 抗体 与 多 价 抗原 之 间 的 反应 (了 3) ~ eit 反 窗 码 子 ( 真 ， 假 )3/->5/ la 反 密码 子 ( 真 ， 假 )3/->5/ AUG | UAC UCC CUC CCC_ UAU, UAA | GAC |CUG CUI CUU CUC CUA —43.70 一 35.29 一 8.74 一 0.32 强 排斥 一 60.06 一 46.97 一 30.68 一 20.17 一 0.96 GGG | CCC ccCU* CCU CCG CCA CAC CGC -小 GCG GCI*® GCU GCC GCA —94.48 —68.22 oa HE 一 68.17 一 57.68 —40.39 —38.97 —16.33 OGARRCGOTDESSOC CCI CCG CCA CUU CGA’ }.GCcr* -Gcu .. “Gce GCA GCG —62.91 —32.86 强 排斥 一 48.83 一 47.47 一 17.04 强 排 斥 Gac cee. CCA GCC -CCU _ACGCAG CGU . | GCA GCG* GCI GCC GCU —87.92 —32.22 —53.76 —55.79 强 排斥 一 53.93 一 50.71 一 45.96 一 47.56 一 38.24 ECCACOCSEORGCI cCC CAA UAA |AUU- AUC AUG AUA AUI 一 71.55 —71.52 一 54.38 —64.07 强 排斥 > 一 20.43 18.43 强 排斥 GCU |CGA CGI** CGC CGU_ cCGG UAG’ | AUC AUU* AUA AUG AUI 一 57.86 —54.99 —46.12 —48.65 强 排斥 一 37.39 一 19.95 强 排斥 SCC.) CGG. -CGr "eGR. CGU CGC UGG | ACC ACU* AUA AUG AUI —85.92 —72.68 —24.49 —55.03 —41.76 一 71.14 一 44.22 强 排斥 GCA. 1) .GCr* cau... 66¢ CGA CGG UGU | ACA ACG*' ACC ACI** ACU —63.39 —61.27 —18.99 强 排斥 一 47.67 一 45.65 一 41.27 一 39.23 —30.91 UCA | AGI** AGU AGC AGA AGG UGC {| ACG. ACI ACU, ACG. se —41.07 —39.64 1.98 强 排斥 一 61.27 —48.46 一 31.83 —31.45 —8.84 UCU | AGI*®? AGA AGU AGC AGG*! GUU | CAA CAG* CAI** CAC CAU —32.42 —35.61 —26.82 —24.95 —29.94 —46.53 —39.49 —38.83 —37.55 —32.06 UCC | AGG AGI*®* AGU AGC’ AGA GUG =| CAC’ CCC ~GuC CAU, CAG —62.91 —50.58 —33.70 —21.09 —2.75 —66.98 —60.89 —47.42 强 排 斥 AUU |UAA UAI**? UAC UAG*L UAU GUC |CAG CAI** CAC CAU CAA —23.43 —16.06 —15.22 —14.85 —10.14 —60.06 —48.12 —28.13 —33.38 —8.10 AUC |UAG_ UAI*® UAU UAC UAA GUA | CAI** CAU CAC CAA CAG —37.65 —26.54 —12.24 —6.58 14.22 —41.97 —37.18 —2.92 强 排斥 AUA | UAI** 2UAU OAC UAG UAA GAG | CUC CUU CUI CUG CUA —19.84 —19.59 15.10 强 排 斥 一 54.93 强 排 斥 AIGUSAS CUGAE CUI** CUC CUU —37.65 —34.52 —33.25 —27.85 —27.62 * 反 密 码 子 中 碱 基 T 与 密码 子 中 第 三 个 碱 基 为 鸟 嘎 叭 醇 式 异 构 体 的 配对 。 * 1 反 密 码 子 中 碱 基 (5“ 端 ) 为 鸟 嘎 吟 的 醇 式 异 构 体 且 处 于 最 优 配 位 位 置 。 * 2 反 密 码 子 中 碱 基 (5“ 端 ) 为 次 黄 叮 叭 的 醇 式 异 构 体 且 处 于 最 优 配 位 位 置 。 * 3 反 密 码 子 中 碱 基 (5“ 端 ) 为 次 黄 味 聆 的 酮 式 正常 型 且 处 于 最 优 配 位 位 置 。 ae 有 证 据 指出 5 ， 抗 原 分 子 就 象 蛋 白质 一 样 是 多 价 的 ( 亦 即 它 具有 许多 与 相应 抗体 结合 的 结 合 部 位 ) 。 由 于 大 多 数 抗原 -抗体 复合 物 是 不 溶解 的 ,这 似乎 意味 着 ,抗体 之 所 以 发 挥 它 的 功能 ,是 由 于 与 抗原 分 子 交 联 ,产生 出 能 从 溶液 中 沉淀 出 来 的 无 限 大 的 分 子 凡 寸 的 复合 物 。 如 果 抗 体 是 单价 的 ,在 这 种 情况 下 虽然 也 能 形成 小 的 .可 溶性 的 抗原 抗体 复合 物 [ 图 3-3444)]， 但 是 不 可 能 发 生 交 联 。 要 使 抗体 与 抗原 分 子 发 生 交 联 ,抗体 结合 部 位 的 最 小 数值 是 二 。 如 果 我 们 设想 类 棒 表 3-8 部 分 的 密码 子 与 反 密 码 子 相互 作用 能 (kcal/mol) 4 反 密 码 子 中 碱 基 (5“ 端 ) 为 次 黄 味 叭 的 酮 型 且 与 密码 子 中 第 三 个 碱 基 A( 顺 式 构象 ) 配 对 并 处 于 最 优 配 位 位 置 。 状 的 抗体 分 子 正好 在 每 一 端 上 各 有 一 个 结合 部 位 , 则 交 联 是 可 能 发 生 的 [图 3-34( 忆 )。 e。 96 。 < (i, “Yana Peed. ae > oh oe Loe a ‘ er = wfrr ‘ {wees tees. 表 3-9 抗原 -抗体 反应 中 半 抗 原 的 结构 变化 的 效果 制备 抗体 时 所 用 的 马 血 鸟 血 清 抗原 上 的 半 抗 原 清 抗原 上 的 半 抗 原 ee a tee NA NA NA NA NA Nw | | CI 1 cH, ! VAN 全 了 了 NON 六 () CO; 二 MY ¢ 0 HH 年 Ee or sy ae a 0 + \co; | | 1 NA ag 0 0 ‘ 0 0 eet ea SO; 十 “表示 产生 沉降 反应 ， 0 表示 不 产生 。 鉴于 对 抗原 -抗体 反应 专 一 性 的 研究 涉及 到 大 分 子 问题 ,因而 给 量子 力学 计算 带 来 了 很 大 的 困难 。 但 是 ,我 们 已 经 知道 ,生物 大 分 子 间 、 生 物 大 分 子 和 其 它 分 子 间 的 相互 作用 是 明显 地 伴随 着 构象 变化 的 。 在 抗原 -抗体 反应 中 , 专 一 性 的 抗体 既 可 以 引起 作为 抗原 的 蛋白 质 构象 的 变化 ， 也 可 以 稳定 抗原 的 特殊 构象 。 由 此 可 见 ,如 果 能 从 “构象 "的 处 理 和 人 手 ,我 们 就 有 可 能 获得 一 些 有 意义 的 结果 。 再 者 ,从 表 3-9 可 以 看 到 ， 抗 原 -抗体 反应 的 专 一 性 ， 很 大 程度 上 依赖 于 抗原 上 连 结 的 半 抗 原 的 性 质 。 即 ,芳香 环 上 间 位 有 CO: SO,” 基 等 平 抗原 的 马 血清 抗原 所 制作 的 免 抗 血 清 (抗体 ) 和 鸟 血 清 抗 原 上 半 抗 原 反 应 , 则 鸟 血 清 抗原 上 尘 抗 原 ， 同样 也 必需 在 间 位 上 有 CO”, SO， 基 ,这 些 基 团 在 对 位 ,或 者 不 具有 负电 荷 基 团 时 , 则 全 然 不 发 生 反应 。 这 些 事实 表明 :规定 搞 原 - 抗 体 反 应 的 专 一 性 的 因子 ， 是 和 抗原 、 抗 体 分 子 的 某 特 定 部 位 的 立体 条 件 和 电子 性 质 有 密切 的 关系 。 参考 文 献 [1] 区 aapIIoB， 有 A，C.:“BHororHg un KBaHToBag Mexanuxa”, (U3qatensctso , Kues), (1979). C2) L. MHA, AROS. 《化 学 键 的 本 质 >， 上 海 科学 技术 出 版 社 ，(1966) . [3] AORN, MORE. 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W. 普 赖 斯 著 ， 孙 冠 文 等 译 : 《基础 分 子 生 物 学 >， 上 海 科 学 技术 出 版 社 ，(1985) SS *« 98 。 a 第 4 章 ， 核酸 的 结构 与 功能 核酸 是 重要 的 生 有 高 分 子 之 一 ,在 生命 活动 中 起 着 极其 关键 的 作用 。 作 为 遗传 信息 的 载体 ， 尼 参 与 遗传 信息 在 细胞 内 的 传递 和 表达 ,从 而 促成 代谢 过 程 及 其 控制 。 在 一 定 意义 上 ,可 以 说 生 命 的 一 切 过程 都 是 根据 储存 在 DNA (脱氧 核糖 核酸 ) 内 的 程序 进行 的 ， 因 此 要 揭示 生命 过 程 的 奥秘 必须 从 研究 核酸 的 结构 入手 ,进而 探索 其 生物 学 功能 。 关 于 后 者 的 较 详尽 讨论 ,请 读者 参见 第 七 章 一 量子 遗传 学 。 4.1 核酸 的 化 学 组 成 和 分 子 结构 作为 化 学 结构 的 核酸 ， 是 由 许多 称 为 核 苷 酸 的 基本 单位 组 成 的 生物 多 聚 物 。 每 一 个 核 昔 酸 又 是 由 三 种 基本 的 亚 单位 :一 个 含 氨 碱 基 ,一 个 友 糖 环 和 一 个 人 酸 基 团 组 成 的 。 核 背 酸 单 体 则 通 JEJE Or ity BERR — BG BEA EH: a KES IR (A 4-1), 如 果 核 酸 的 糖 基 是 一 个 五 矶 糖 BEE CFR] 4-2 4), 则 该 核酸 称 为 核糖 核酸 (简称 RNA) 。 当 核酸 的 糖 基 是 D-2 脱氧 核糖 时 (图 4-2 B) ,该 核 酸 称 为 脱氧 核糖 核酸 (简称 DNA), 核酸 的 碱 基 共 有 两 类 ; 叶 叭 碱 基 和 喀 啶 碱 基 。 它们 的 结构 和 基本 骨架 的 原子 标号 见 图 4-3。 从 碱 基 的 基本 组 成 原子 来 看 ,具有 明显 的 多 样 性 特点 ,其 中 包括 氨 、 矶 、 氮 和 氧 。 这 种 特点 决定 了 核酸 碱 基 具 有 多 方面 的 反应 性 能 ,事实 上 ,在 碱 基 上 的 确 能 够 发 生 诸 如 烷 化 、 卤 化 、 脱 氨 、 氰 乙 基 化 和 和 氧 的 加 成 等 反应 。 这 不 仅 是 储存 和 传递 信息 的 必要 基础 ， 而 且 也 可 能 是 造成 突变 使 物种 淘 泼 和 进化 ,衰老 或 致癌 的 原因 所 在 。 另 一 方面 , 由 于 碱 基 种 类 的 多 样 化 , 经 过 适当 组 合 会 得 出 足 够 多 的 信息 ， 这 是 这 种 生命 物质 形成 信息 高 分 子 的 可 能 的 和 必要 的 条 件 。 DNA 和 RNA 的 区 别 除 糖 基 趟 同 外 , 碱 基 组 成 也 有 差别 。 在 RNA 中 含有 尿 喀 啶 ,而 DNA 则 含 胸腺 喀 啶 不 含 尿 喀 啶 ， 详 见 表 4-1。 表 4-1 RNA 和 DNA 的 碱 基 和 糖 的 组 分 RNA DNA ae: DBE D -2 脱氧 核 腺 顺 吟 (A) 腺 IE ECA) We i 岛 嘎 叭 (G) & 嘎 聆 (G) 胞 喀 啶 (C) a 喀 啶 (C) We Me Te Fe IRE ( U ) 胸腺 喀 啶 (T) 就 碱 基 的 种 类 而 言 ,除了 在 表 4-1 中 所 列 的 5 种 外 ,在 活 细胞 的 核酸 中 常常 还 包含 一 些 “ 稀 有 了 碱 基 "。 例 如 在 小 麦 的 胚 、 细 菌 和 高 等 生物 中 发 现 有 5- 甲 基 胞 喀 啶 (msC), 在 某 些 细菌 和 鸣 菌 e 99 。 肥 O=P-OH 复 单 / H. 位 2 Bz oie : as ayy ae ee HCé 3 98CH 23 46 ‘98 = 一 Ss NAN Sateen te 鸟 大 只 eg i yee HN 了 1 中 20° Ww H 307 16CH 胞 喀 喧 RR i HN3 43C —CH, ee 1 6 207 NZ H 胸腺 喀 喧 图 4-1 Ht AMR NR RS RETR ; 图 4-3 核酸 的 碱 基 体 中 则 包含 有 N -= 甲 基 腺 嗓 叭 等 等 。 这 些 “ 稀 有 碱 基 ? 在 生命 活动 中 所 起 的 作用 已 经 引起 广泛 的 重视 。 图 4-4 列 出 了 部 分 稀有 碱 基 。 O NH, O | | l Cc CH rae FOR ic flags Sy ‘ if HN C—N CH,— c— HN C—N—CH, | et | es | | C C CH HC CCHE NN aes SN 人 \Z bite Daan daie sect N 了 H H 1- FA SE Ip 7- FAZER N?- FR DE & WR * 100° ‘ CHsCO H SwC N:- 二 甲 基 鸟 叶 叭 C hg GC —CH, 2- 硫 胞 喀 喧 图 4-4 核酸 中 的 部 分 稀有 碱 基 2- 硫 -5- 甲 基 胞 喀 喧 就 核 背 酸 而 言 , 从 图 4-5 可 以 看 出 , 碱 基 附 着 在 脱氧 核糖 的 第 一 位 碳 原子 上 形成 相应 的 脱氧 腺 昔 、 脱 氧 鸟 苷 、 脱 氧 胞 芽 和 脱氧 胸 苷 。 再 连接 上 磷酸 后 即 形成 相应 的 核 苷 酸 。 最 后 , He 形成 多 聚 物 一 一 脱氧 核糖 核酸 。 ° 101° 脱氧 核糖 核酸 是 由 两 条 单 链 构成 的 具有 双 螺 旋 结 构 的 大 分 子 化 合 物 。 在 单 链 结构 中 脱氧 核 Bi o> FS RR F-28 HEA ( ZS 4-1, 图 4-6)。 两 条 单 链 又 通过 嗓 叭 与 喀 啶 之 间 的 氢 键 使 彼 此 对 偶 相 连 。 图 4-7 表示 DNA 螺旋 的 模型 图 ， 虚 线 表 示 连接 碱 基 的 所 键 。 从 图 4-6 中 可 以 看 出 , 两 条 链 由 氢 键 将 碱 基 连接 起 来 :在 腺 味 叭 与 胸腺 喀 啶 之 间 有 二 个 氨 键 , 在 鸟 味 叭 与 胞 喀 啶 之 间 有 三 个 氨 键 。 从 碱 基 看 DNA 序列 , 在 一 条 链 上 是 5'/—> 3’, 男 一 条 链 是 3 一 >5“, 因而 两 条 链 是 反 平 行 的 。 HH 9 y—o oN CN ee Ld gp HCCC gy HS @-OCH, @-OCH, o | 53d 3/ ta 4’ 1 ad H Lf 5’ H H ¥ P OH 3° 7] H 7 2’H A=-===T -一 a an OH HA ets pee _ g é 2 5/ > 37 C===== 6 os" : d ‘NH HC 和 5 T===== A —3 57 HC, J Seti . 中 N So ER ===== Cc tL Cc i XC. 2 5 ‘ON NH 5! ) 5 ®-—OCH 2 (D-OCH, 95 | ee ee ee 4 H 1 H H ; P at " Onn ig si 4-5 BA BERR 图 4-6 ad: seh I O | c—c C~ eo SC” H—C-H V4 ‘ioe RA =e / RY Sa Ca Oe a Ga oe pee \ Y gE HA \ oitt—H / 5¢— > Hf o 5 H- O=p SR “O to- H —H Sie ° ‘c—c 人 N H | By iy C~ce— SC” H WCE NS As 大 9 Li H- FE 区 Ra 4 —N—C et aS Ni ae 六 NB240 一 8 ree en wef : : °C—H OH H pune ng 5 HM | | 0 一 ? 9? lye | 图 4-7 在 DNA 分 子 的 双 螺 旋 结 构 中 ， 从 一 个 磷酸 碱 基 到 下 一 个 大 酸 碱 基 的 距离 大 约 是 0.34 nm 《 指 通过 上 下 碱 基 对 平面 分 子 的 分 子 轴 的 平衡 距离 )。 一 个 DNA 分 子 有 点 象 每 圈 带 有 10 个 环 的 旋转 阶梯 ,每 圈 的 高 度 约 为 3.4nm, 环 的 半径 约 为 1.1 nm( 图 4-8)。 ° 102° ”图 4-8 (#)Watson ff Crick 设计 的 DNA 分 子 示意 图 。 ARH RRR, MARAE REM. ( 右 )DNA 螺旋 的 模型 图 ， 虚 线 表示 连接 碱 基 的 氢 键 。 螺旋 方向 - 每 个 螺旋 的 残 基数 直径 - 表 4-2 B-DNA 和 Z-DNA 的 结构 比较 RX RK C2’endo C2’endo “- Z-DNA :左手 螺旋 :、: 12(6 个 二 聚 体 ) 尺 1.8nm”: 0.370m 4.5nm 7° ek doe —60% BEFORE) - 顺 式 反 式 C3’endo ~ * €2’endo 以 上 所 述 是 对 B-DNA( 右 旋 的 ) 来 讲 的 , 但 是 几 年 前 又 发 现 了 左旋 的 Z-DNA,， 从 而 使 人 们 对 DNA: 绮 构 与 功能 的 认识 更 加 深入 , 亦 更 具 吸 引力 。 有 关 B-DNA fil Z-DNA 的 生物 学 意义 ， 我 们 将 在 以 后 的 有 关 章 节 予 以 简 述 。 在 这 里 , 仅 列 出 表 4-2 来 初步 归纳 B-DNA fl Z-DNA 在 结构 上 的 异同 点 。 与 DNA 分 子 不 同 ,RNA 分 子 一 般 是 单 链 而 不 是 双 链 。 由 于 单 链 分 子 自身 折 和 迭 ,RNA 分 子 。 103。 中 会 出 现 双 链 部 分 和 单 链 部 分 ,从 而 形成 某 种 形式 的 二 级 结构 。 但 是 , 有关 RNA 分 子 二 级 结 梅 的 研究 ,尽管 运用 了 物理 方法 (如 小 角度 X- 射 线 衍 射 . 圆 二 色谱 、 拉 曼 光 谱 、 核 磁 共 振 等 ) ,化 学 修 饰 法 ,部 分 酶 解法 和 寡 核 背 酸 结合 法 等 等 ,但 迄今 为 止 还 没有 得 到 一 致 公认 的 二 级 结构 模型 。 我 国 科 学 工作 者 江 寿 平等 在 建立 5 SrRNA, 5.8 STRNA 等 RNA 分 子 二 级 结构 模型 方面 , 作 了 一 些 有 意义 的 工作 (参见 11.1.2)5)。 此 外 ,作为 规律 ,对 应 于 DNA 分 子 中 胸腺 喀 啶 的 位 置 , 在 RNA 中 都 是 尿 喀 喧 。 然 而 , 无 论 是 DNA 或 是 RNA, 其 线 型 结构 (一 级 结构 ) 中 存在 着 的 重复 单位 , 是 需要 我 们 予以 注意 的 。 在 DNA 中 ,这 样 的 重复 单位 是 指 脱氧 核 糖 -磷酸 ;在 RNA 中 是 指 核糖 -磷酸 。 迄 今 , 有 关 这 样 的 重 复 单 位 在 核酸 功能 中 所 起 的 作用 的 研究 ,还 有 若干 问题 有 待 进一步 深入 探讨 。 在 这 方面 ,量子 生 物 学 的 研究 为 我 们 提供 了 有 意义 的 信息 。 | 4.2 核酸 及 其 组 分 的 电子 结构 我 们 知道 ， 记 今 为 止 ， 对 于 DNA 立体 结构 的 了 解 要 数 B-DNA 了 。 它 的 立体 结 构 ( 在 以 后 的 讨论 中 , 凡 未 加 说 明 的 DNA 分 子 均 系 指 B-DNA) 已 经 给 出 了 分 子 中 原子 核 的 空间 位 置 。 于 是 ， 按 照 第 二 章 所 述 ， 在 Born-Oppenheimer 近似 下 ， 原 子 核 和 电 子 可 以 处 理 成 各 自分 离 的 运动 ， 这 就 为 我 们 提供 了 进行 生物 分 子 电子 结构 量子 力学 计算 的 可 能 性 。 但 是 ， 正 如 已 经 指 出 过 的 那样 ， 要 用 量子 力学 方法 计算 一 个 生物 大 分 子 ( 哪 怕 是 一 个 只 有 120 个 核 苷 酸 的 5 Sr RNA 分 子 ) 的 电子 结构 ,在 实际 上 是 不 可 能 的 。 即 使 是 对 一 个 完整 的 核 苷 酸 分 子 的 理论 计算 , A 洽 场 迁 代 过 程 的 收敛 就 是 一 个 问题 。 然 而 ， 值 得 提出 的 是 ， 我 国 科学 工作 者 克服 了 长 钴 以 来 不 能 解决 的 对 稍 大 一 些 的 分 子 ， 甚 至 小 分 子 在 自 洽 场 和 迭代 过 程 不 能 收敛 的 难题 ， 首 先 成 功 地 应 用 ab initio 方法 计算 了 ATP, cAMP, cGMP 等 这 样 一 些 分 子 的 电子 结构 ， 从 而 使 生物 分 子 的 分 子 轨道 研究 前 进 了 一 步 -9。 在 量子 生物 学 研究 中 ， 由 于 核酸 分 子 的 螺旋 对 称 性 和 重复 单位 的 存在 ， 因 而 使 我 们 有 可 能 通过 简化 和 模型 化 来 近似 计算 一 个 核 苷 酸 或 一 小 段 核 苷 酸 ， 从 而 获得 核酸 分 子 电子 结构 的 某 些 信息 。 运用 量子 力学 原理 和 方法 来 处 理 DNA 或 RNA 分 子 的 电子 结构 ， 首 先是 进行 核 酸 及 其 组 分 分 子 电子 结构 的 量子 力学 计算 ， 然 后 从 计算 所 得 到 的 各 种 参量 来 说 明 这 个 体系 的 结构 、 能 量 状态 及 其 变化 与 生物 活性 和 生命 过 程 的 关系 。 当 然 ， 如 果 因 此 就 说 能 够 由 纯粹 的 量子 力学 ， 因 而 由 纯粹 的 物理 学 原理 来 预言 细胞 以 至 个 体 的 行为 和 提出 全 新 的 生物 学 定律 , 那 是 不 太 适 宜 的 。 尽管 如 此 ， 它 的 必要 性 还 是 自 不 必 说 的 。 在 实际 计算 时 ， 一 般 是 依照 以 下 步骤 从 简 到 繁 一步 一 步 地 完成 的 ， 首先 ， 是 用 量子 力学 处 理 单个 核 苷 酸 的 碱 基 (A、C、G、T 和 1) 的 定 域 < 电子 系 ， 这 一 步 是 容易 做 到 的 。 第 二 步 ， 由 于 DNA 分 子 中 A 一 T、G 一 C 碱 基 对 是 由 氢 键 连接 ， 碱 基 对 的 两 个 部 分 近似 地 位 于 相同 的 平面 内 。 因 此 ， 有 可 能 通过 氢 键 发 生 x 电子 相互 作用 。 这 样 ， 这 一 步 的 主要 任务 。104。 便 是 在 假定 存在 通常 的 < 电子 体系 相互 作用 的 情况 下 处 理 碱 基 对 。 实 际 上 , 计算 的 这 头 两 步 早 已 为 Pullman57 首 先 完成 了 。 现 在 ， 我 们 可 以 很 容易 地 用 HMO 法 来 进行 这 两 步 计算 。 第 三 步 ， 这 一 步 要 着 手 考虑 沿 着 同一 条 链 上 的 堆积 碱 基 之 间 的 不 可 忽视 的 < 电子 重 登 (r- electron overlap)。 为 此 ， 可 以 首先 将 二 聚 体 作 为 通常 的 7 电子 系 来 处 理 (这 里 以 及 下 面 将 要 涉及 到 的 二 聚 体 概念 都 是 指 B-DNA 空间 位 置 中 的 两 个 堆积 碱 基 )。 而 后 ， 假定 所 有 最 邻近 碱 基 之 间 存 在 < 电子 相互 作用 ， 便 可 采用 通常 的 固体 物理 学 方法 获得 单个 同 聚 多 核 背 酸 (homo- polynucleotide) 链 的 能 级 结构 ， 同 时 还 可 引伸 到 计算 具有 周期 结构 (如 ACACAC…) 的 异 聚 多 核 背 酸 (heteropolynucleotide) 的 能 级 结构 。 再 进一步 ， 可 以 用 更 复杂 的 方法 处 理 非 周期 的 一 维 固体 (最 邻近 的 碱 基 出 现 率 不 等 )， 得 到 其 近似 的 能 级 结构 。 最 后 一 步 ， 同 时 考虑 碱 基 对 之 间 的 气 键 和 堆积 碱 基 之 间 的 重 返 相互 作用 与 Van der Waals 相互 作用 ， 用 微 扰 法 和 分 子 轨道 法 等 近似 处 理 非 周期 性 单调 序列 双 链 DNA 和 实际 的 非 周期 性 - 的 DNA 分子， 得 到 其 近似 能 级 结构 ， 再 与 实测 结果 比较 。 到 目前 为 止 ， 以 上 这 几 步 工作 已 被 人 们 完成 了 。 下 面 我 们 就 对 各 步 工作 所 获得 的 主要 结果 予以 较 详 尽 的 叙述 。 4.2.1 味 叭 和 喀 啶 碱 基 的 电子 结构 [9 科学 研究 和 教学 的 实践 表明 ， 将 嗓 叭 和 喀 啶 碱 基 看 作 平 面 共 斩 体 系 ， 有 利于 对 某 些 问题 的 理解 和 实际 的 计算 。 但 同时 ， 我 们 也 必须 清楚 地 认识 到 核酸 分 子 结构 的 复杂 性 以 及 其 组 分 间 的 相互 作用 和 溶液 环境 的 影响 等 等 。 因 此 ， 在 模型 的 建立 和 方法 的 选择 等 环节 上 ， 我 们 必须 注意 到 这 些 特点 。 4.2.1.1 电荷 分 布 和 偶 极 和 矩 自 50 年 代 开 始 ， 已 经 先后 应 用 各 种 分 子 轨道 法 计算 了 碱 基 的 电荷 分 布 ， 到 60 年 代 这 些 计 算 达 到 了 高 潮 。 表 4-2 列 出 了 用 EHMO #% JEHMO(3& fifty EHMO)}: ,CNDO 法 、a+SCF-、 o0+HMO, 以 及 后 来 用 ab initio 方法 对 腺 嗓 叭 、 鸟 味 哈 、 胞 喀 啶 、 尿 喀 喧 和 脑 腺 喀 啶 碱 基 总 净 Hm IRR. ab initio 法 计算 结果 可 参见 图 4-9。 从 对 表 4-2 的 分 析 可 以 看 出 ， 尽 管用 不 同方 法 所 计算 出 的 数值 有 所 不 同 ， 但 显示 出 碱 基 各 个 原子 上 净 电 荷 的 相对 大 小 基本 上 是 平行 的 ， 且 碱 基 的 电子 结构 在 许多 方面 ， 其 主要 特征 是 相 同 的 。 如 氧 、 氮 原子 的 净 电 荷 值 都 是 负 的 (EHMO E+ RAR No 为 正 值 ， 是 个 例外 )， 而 嗓 叭 碱 基 的 所 有 碳 原子 的 净 电 荷 值 都 是 正 的 〈 用 CNDO 法 和 ab initio 法 计算 的 味 叭 C5 和 ab initio Kit SY C8 是 例外 )， 在 喀 喧 中 C5 一 C6 键 的 两 个 碳 原子 C5 和 C6 的 原子 净 电 “ 桨 值 则 正好 相反 〈 但 ab initio 法 计算 的 C5 和 Co 原子 净 电荷 值 都 是 负 的 )。 此 外 ， 就 一 般 而 论 ， 与 其 它 几 种 方法 得 到 的 结果 相 比 较 ， 用 EHMO 法 计算 得 到 的 杂 原 子 ( 所 和 氧 原子 ) 的 净 电 荷 值 都 很 大 (无 论 是 正 的 或 是 负 的 )。 由 此 可 见 ， 该 方法 跟 其 它 方 法 之 间 的 差异 是 比较 大 的 ， 或 许 这 也 正 是 EHMO 法 固有 的 缺点 。 © 105° 表 4-3 ”核酸 碱 基 U、C.G、A 和 T 的 原子 净 电 荷 总 净 电 荷 碱 基 原子 EHMO IEHMO | CNDO o+SCF, o+HMO, | ab initio Nl —0.291 —0.021 一 0.180 一 0.175 一 0.283 一 0.460 C2 +1.389 +0.168 +0.447 +0.478 +0.461 +0.484 -t N3 —0.348 —0.038 一 0.240 一 0.182 一 0.324 一 0.463 c4 十 1.157 十 0.093 十 0.374 十 0.370 十 0.339 十 0.335 OG.) ae —0.228 —0.012 —0.171 —0.122 —0.187 —0.078 = Cé +0.343 +0.056 +0.175 +0.080 +0.192 —0.057 O7 —1.408 —0.468 —0.358 —0.451 —0.353 —0.363 ‘ 08 —1.395 —0.451 —0.373 —0.504 —0.350 —0.406 Nl —0.336 —0.071 —0.175 —0.133 —0.245 —0.463 C2 +1.402 +0.055 +0.422 +0.509 +0.455 +0.432 N 3 - ' 一 1.024 - 一 0.296 一 0.344 一 0.584 一 0.663 —0.335 c4 +0.776 +0.062 +0.324 +0.326 +0.401 +0.240 se Si oi ta —0.335 —0.049 —0.163 —0.164 —0.155 —0.300 C6 +0.290 +0.022 +0.190 +0.113 十 0.259 |- —0.018~ N7 —0.661 —0.134 —0.222 —0.324 —0.431 —0.598 O 8 一 1.418 一 0.519 一 0.419 一 0.512 一 0.388 一 0.407 N1 三 0.364 —0:055 —0.210. 一 0.145 一 0.254 一 0.472 C 2 十 0.975 十 0.138 十 0.400 | +0.418 十 0.547 十 0.392 N 3 一 1.019 一 0.265 一 0.373 一 0.667 一 0.626 一 0.361 ne CA, +0.624 +0.067 +0.221 十 0.227 十 0.308 十 0.193 CB +0.117 0 —0.095 +0.098 +0.029 | ”一 0.050 bys SS ANCE +1.089 +0.067 0.355 +0.408 +0.342 +0.359 ig ENE. 一 1.045 一 0:283 . —0.172 —0.568 —0.540 _ —0.239 C8 +0.613 +0.016 +0.119 十 0.214 十 0.239 一 0.000 N 9 一 0.277 一 0.050 一 0.103 一 0.048 一 0.183 —0.447 010 —1.409 —0.494 —0.379 一 0.493 .| —0.371 © 一 0.368 wee pens WII —0.647 一 0.102 一 0.245. 一 0.370 —0.417. —0.613 Ni —0.949 —0.277 —0.264 —0.550 —0.518 —0.309 fi C 2 十 0.636 一 0.017 十 0.207 十 0.369 “十 0.313 十 0.018 \ ‘ N 3 —0.930 © —0.266 —0.257 —0.556 ~ —0.510 —0.307 ¢ 局 C4 +0.593 +0.070 +0.197 | : +0.287 |, - +0.334 +0.194 . oo a +0.154 +0.014 —0.039 +0.098 | +0.115 —0.024 Sis 2g +0.711 +0.077 +0.266 +0.352 +0.343 +0.234 ; N7 —1.049 —0.277 —0.223 —0.617 —0.557 —0.268 C 8 十 0.618 十 0.025 十 0.170 十 0.250 士 0.317 十 0.025 N9 十 0.283 一 0.044 一 0.123 一 0.066 一 0.192 一 0.456 N10 —0.648 —0.125 —0.286 —0.361 —0.439 —0.602 Pullman 等 对 表 4-3 所 列 六 种 方法 中 前 四 种 方法 的 计算 结果 作 了 形象 的 对 比 ( 见 图 4-10、- 图 4-11). 表 4-4 总结 了 五 种 近似 方法 计算 的 四 种 碱 基 的 偶 极 和 矩 。 * 106° 1 一 .40615 +.33406 +.32803 0.122nm H4 6.100nm 7 ; ah 0.100nm + .36778 + 48441 + 36648 > 60234 H2 0.1000m, “7! 0.138nm ~ . 0.134nm 0.100nm 0.138nm + Pa 1 No -一 .26798 Rae ce ear co ages 0.135n = 30944 0.133nm\ 0.1360 0.110nm 5 Hi 2 | ~.45554 22182 4.493578 — 07822 — .36348 : 0.100 . 38591 0.154nm A n fee +, 19056 十 .22760 二 bis 6 十 .20483 B 4.31158 04 sain ~.36836 ~ 0.100nm 0.138nm 十 .24122 0.135 0.135nm /一 .47206 ep RE. 可 一 .46281 十 ,43218 py een EE Tainan ie 0.122nm 人 ores C 图 4-9 ab initio 方法 计算 得 到 的 原子 净 电 荷 (A) 腺 嘎 哈 ， (3) Kame, (C) amen, (D) Sw, 1A 一 0.1nm WH 4-4 中 可 以 看 到 ， 用 EHMO 法 计算 的 偶 极 矩 值 最 大 ， 这 种 情况 类 似 于 上 述 用 EHMO 法 计算 的 净 电 荷 值 的 情况 。 与 EHMO 法 的 计算 结果 相 比 ， 用 CNDO 法 计算 得 到 的 是 中 等 大 小 的 偶 极 矩 值 ， 它 跟 用 包含 o 分 布 的 Hickel 法 或 PPP 法 的 计算 结 果 较 接近 ， 而 且 从 仅 有 的 实验 数据 来 判断 ， 它 们 较 其 它 方 法 都 好 。 从 数据 上 看 ， 鸟 味 吟 和 胞 喀 啶 的 值 大 于 尿 喀 啶 的 值 ， 最 小 的 值 为 腺 味 叭 。 从 图 4-12 中 可 以 看 出 ， 各 种 方法 所 预示 的 四 种 碱 基 的 偶 极 矩 的 方向 也 是 相似 的 。 se。 IO7。 10-3e1 4-10 RGIS RYH BT: verses » EHT,; -—e—-, IEHT; ----, CNDO; ——, o+SCF,. Pr ， in3 ica? cs C6 07 08 Ni : C2 See : +1000 2 ; 33 3 10-3e f, 图 4-11 HOPPE A AS, HE Taf eevee es p) BEE senor , 图 4-12 RMA ADAG ABBA. | IEHT,----, CNDO,; ——, o+SCF,. IEHT, EHMO, CNDO, o+SCF,) ; ¢ 108° i - > E -— ws oe 】 表 4-4 四 种 碱 基 的 偶 极 矩 * o+HMO, | o-+-PPP, EHMO | IEHMO CNDO | 实验 值 RRS (A) 3.2 77 2.0 73 6.1 65 4.4 104 2.9 3.0 尿 喀 啶 (U) 3.6 39 3.3 96. £12.22 & 7.6 36 4.6 3.9 SER (G) 6.8 一 36 | 7.2 一 35 | 17.2 一 16.5| 13.6 一 33 7.5 一 胞 喀 啶 (C) 7.2 OF J}. Soke 210 FTA? D 35106 12.9 125 7.6 一- * 表 中 第 一 列 数据 是 偶 极 矩 ， 第 二 列 数据 是 角度 (在 喀 啶 中 以 N1 一 C4 为 轴 ， 在 味 叭 中 以 C4 一 C5 为 轴 ， 逆 时 针 测 量 ) 。 4.2.1.2 mie”! 通常 以 DK 值 表 示 杂 环 的 碱 性 ,而 且 似 乎 应 当 平行 于 喀 啶 环 上 最 负 的 人 的 < 电荷 07， 然 而 并 未 发 现 这 种 规律 。 仅 管 如 此 ，Pullman 等 还 是 建立 了 一 个 反映 p 开 值 与 pz 关系 的 式 fe 可 pK=B+ LU Dita (4.1) AY, BAGK.7.. 为 孤 对 电子 vn 和 原子 P 上 的 x 电子 电荷 间 的 排斥 积分 。 这 个 关系 式 反映 了 各 原子 的 扳 对 电子 与 杂 环 中 所 有 原子 的 < 电子 电荷 pz 间 的 相互 作用 ,能 正确 预 测 碱 性 较 强 NAF, (4.1) 式 还 告诉 我 们 估计 杂 环 上 的 质子 化 以 及 涉及 环 N 孤 对 电子 的 其 它 反 应 的 难 易 程 度 ， 不 仅 与 N 原 子 电 荷 有 关 , 而 且 与 这 个 原子 上 的 孤 对 电子 和 分 子 的 其 它 电子 间 的 Coulomb 积分 值 有 关 。 在 量子 生物 学 的 研究 实践 中 , (4.1) 式 曾 被 用 于 研究 若干 味 叭 衍生 物 的 抗 肿瘤 活性 与 碱 性 的 关系 。 表 4-5 总 结 了 若干 计算 结果 和 由 实验 得 到 的 p 玉 . (A. HH pz 是 用 HMO 法 得 到 的 相应 杂 环 最 碱 原 子 的 x 电子 电荷 ，p& 是 同一 原子 4 上 的 总 电荷 。 数 据 表明 ， OT 不 与 最 负 N 原子 电荷 减少 相 一 致 。 表 中 列举 的 2, 6-— SIMS , 6- FA EI , ,6- 琉 基 嗓 叭 ， 8- 氨 杂 鸟 味 叭 等 都 是 具有 抗 肿瘤 活 表 4-5 若干 味 叭 代 谢 持 抗 物 的 碱 性 性 的 化 合 物 ,在 结构 上 类 似 于 天 然 的 味 叭 ,因而 具有 竞争 能 力 , 这 是 抗 癌 的 依据 。 分 析 表 4-5 的 数 据 可 以 看 到 ,显示 抗 肿瘤 活性 的 化 合 物 通常 比 无 活性 的 化 合 物 碱 性 要 强 , 而 且 活 性 的 抗 代 谢 物 往 往 比 无 活性 的 抗 代谢 物 在 碱 性 上 更 接近 天 然 的 碱 基 。 从 理论 上 可 以 预言 最 碱 的 活性 代谢 物 的 环 氮 或 是 在 N7 或 是 在 N9, 这 对 于 腺 味 叭 与 鸟 味 叭 均 如 此 。 4.2.1.3 ”分子 轨道 能 、 电 离 势 和 电子 亲 合 势 在 表 4-5 中 ,我 们 给 出 了 核酸 组 分 中 五 种 碱 基 的 所 有 占据 分 子 轨道 能 量 ， 这 些 数据 采用 CN_ DO 法 考虑 全 价 电子 的 计算 结果 。 表 4-7 的 数据 是 由 一 种 电子 SCF 程序 获 得 的 五 种 碱 基 x 电子 轨道 能 。 表 4-8 则 总 结 了 用 HMO 法 计算 的 前 线 分 子 轨道 (BN) HOMO 和 LUMO) 能 量 . 实 际 上 ,在 量子 生物 学 中 以 HOMO 和 LUMO 能 量 作为 指数 〈 参 见 第 二 章 ), 在 预示 分 子 或 离子 相 对 的 电子 给 予 和 接受 性 质 等 等 方面 ,取得 了 跟 活性 实验 相符 合 的 效果 。 福 井 谦 一 在 < 化 学 反应 与 电子 轨道 > 一 书 中 后, 对 “HOMO-LUMO" 相 互 作 用 等 概念 作 了 精辟 盖 述 ， babeliniie ti 表 4-6 CNDO 法 计算 的 碱 基 占 据 轨 道 能 量 *(ev) 0 | r | c | G A * FEMMAR PSHM. Pex Riis, HEA o Hille = e110 + ee EEO eeooee.e usu uuu rr 表 4-7 PPP-SCEF 法 计算 的 占据 分 子 轨 道 能 量 (eV) HSH 表 4-8 HMO 法 计算 的 前 线 分 子 轨道 能 量 (8 单 位 ) 化 合 物 HOMO LUMO Res 0.49 —0.87 Bet 0.31 —1.05 1- FE wR / 0.30 —1.06 9- FA 0.30 —0.07 Heo a 0.51 1 一 0.96 ea a 0.60 —0.80 5= 甲 基 胞 喀 啶 0.53 一 0.80 A-T 碱 基 对 0.43 一 0.87 G-C 碱 基 对 (二 个 气 键 ) 0.31 一 0.78 G=-C 碱 基 对 (三 个 气 键 ) 0.29 一 0.78 从 表 4-8 中 可 以 看 出 , 胞 喀 喧 和 5- 甲 基 胞 喀 喧 的 HOMO 能量 分 别 为 0.60 和 0.53 6, 但 LUMO 能 量 却 完 全 相同 。 这 对 于 讨论 5- 甲 基 胞 喀 啶 的 生物 学 作用 是 有 一 定 意义 的 ( 见 4.9.4) 。 此 表 还 告诉 我 们 ，A-TI 碱 基 对 HOMO 能 量 低 于 G-C 碱 基 对 ，LUMGO 能 量 高 于 G-C 碱 基 对 。 与 所 有 全 价 电子 程序 一 样 ,CNDO 法 的 最 显著 的 特点 是 表明 了 c 与 能 级 的 混合 而 不 出 现 在 工 电 子 计 算 中 暗暗 假定 的 表面 的 “zx 沉 ?。 尽 管 在 细节 上 可 能 有 所 不 同 , 但 在 < 碌 道 中 间 散 布 o 能 级 这 一 特点 对 全 电子 程序 是 一 致 的 。 考虑 到 各 种 分 子 轨 道 法 对 分 子 轨 道 能 量 计算 的 差异 ,我 们 在 表 4-10 中 列 出 了 RES 、 胞 喀 喧 和 胸腺 喀 喧 碱 基 用 ab initio 法 计算 得 到 的 分 子 轨道 能 量 9223 , 供 读者 分 析 比较 时 参考 。 如 果 同 时 再 考虑 到 核酸 碱 基 的 电离 势 和 电子 亲 合 势 ， 则 更 有 利于 对 碱 基 反 应 性 能 的 了 解 。 表 4-9 总 结 了 用 EHMO, IEHMO,CNDO, PPP 和 SCF, 等 方法 计算 五 种 碱 基 的 电离 势 值 。 =m 4-9 BRA CV) ‘“ & & EHMO | IEHMO | CNDO SCF, oe SEK 11.84 Rae 11.95 Ha 5 hae 12.50 10.31 10.43 10.39 11.08 9.06 10.08 10.78 11.88 8.91 8.90 e lille 表 4-10 ab initio 法 计算 的 碱 基 分 子 轨道 能 量 C(eV)* C T A 565.42 567.00 . 432.55 429.28 566.78 "429.70 428.79 431.87 429.66 428.35 431.07 429.21 315.09 316.69 429.14 314.55 315.07 314.43 313.73 313.28 313.91 311.55 310.87 313.37 39.46 309.81 313.00 36.84 41.37 311.91 35.48 40.18 ; 40.60 32.63 37.80 38.33 31.24 36.00 36.10 26.55 31.77 34.79 25.71 28.11 33.76 23.37 26.91 30.44 x 22.58 25.95 26.57 21.78 23.02 25.54 20.31 22.58 te 25.13 19.09 20.99 23.22 ate CP ] +19.57 21.79 < 18.51 19.13 20.64 Ze RGAE $7.72 20.36 16.17 = 17.55 = 19.34 ax 14.44 17.52 18.85 11.89 16.80 18.30 x 1.45 x 16.52 17.83 _ 11.40 16.28 = 16.99 ne Oge 15.09 ™ 14.93 13.30 “14.11 6 12.11 12.98 PALBE ™ 12.79 x 10.16 11.67 , 11.27 = 9.41 x* 2.20 x* 2.29 . «* 2.69 x* 4.60 x* 4.71 «* “Stee x* 9.77 8.52 7 5a % 10.26 x* 9.09 \ 9.11 10.80 10.67 9.93 12.35 10.75 10.75 12.87 x* 10.97 * “未 标明 的 轨道 是 轨道 ， 上 面部 分 包括 占据 轨道 〈 符 号 改变 )， 下 面部 分 包括 第 一 虚 轨道 。 e 112° 在 CNDO 法 中 ,最 高 占据 分 子 轨道 (HOMO) % o Hi, EHMO 法 也 系 如 此 , 但 对 IEHMO 法 则 不 然 ,最 高 占据 轨道 为 c 轨道 。 这 种 情况 的 出 现 可 能 是 IEHMO 参数 化 的 人 为 结果 。 假 如 我 们 认为 < 分 子 轨 道 是 分 子 第 一 电离 势 的 一 种 测量 ,那么 在 EHMO fl TEHMO 程序 中 ,能量 增 加 的 顺序 为 G 的 跃迁 MR, MP ia=n*Al fHn*+1 的 情形 ,计算 得 到 的 跃迁 矩 巡 见 图 4-13。 由 图 4-13 可 见 , 喀 啶 碱 基 的 跃迁 和 托 近 似 于 平行 , 嘎 叭 碱 基 也 是 如 此 。 根据 跃迁 矩 ,我 们 又 可 以 计算 振子 强度 ( 刀 ) , 它 表 示 电 子 跃迁 强度 f:=8 x? mev| R,,|?3 kh =1.085= 107° | R,;|? (4.4) 其 中 ， 5 = AS 5 ye Me, A 为 波长 , 为 Plank 常数 ,e 为 光速 。 i 1 ‘ R,=-0.849%-J R= -0,865 K--] R= - 0,465 4 - R, = -0.9297 O R,=-0,889 R,=—1. 104 Wl fig PE Bee | 尿 喀 喧 Kang i wo 一 个 人 | ae ea wis —HC--C—-cH— 一 一 —CH— 证 INNA 入 NINNN > -\H R,=0, 673 R,= — 1,185 R,=0, 875 R,= -0.818 Bg GR Sey 图 4-13 BRR MRIE AD RR 振子 强度 的 实验 值 可 根据 下 式 求 得 2 fax 一- 0) (4.5) 式 中 和 m 为 电子 质量 ,e 为 基本 电荷 ,N 为 Avogadro 数 ,6(y) 为 克 分 子 消 光 KB, vi Al v2 HH 率 。 表 4-13 和 表 4-14 分 别 给 出 了 由 EHMO 法 和 了 PPP 法 计算 所 得 到 的 核酸 碱 基 的 明 收 光谱 理 论 值 并 和 实验 值 作 了 比较 ,其 中 包括 跃迁 能 和 振子 强度 。 表 4-13 ”核酸 碱 基 吸 收 光 谱 的 实验 值 和 计算 值 (EHMO) 理 论 ff x & 值 0.25 0.21 0.17 0.30 Qa? a BG 0.40(0.27) 从 这 两 个 表 中 可 以 看 出 ,无 论 是 那 种 方法 ,计算 得 到 的 振子 强度 与 实验 值 都 不 一 致 , 其 中 EHMO 法 的 结果 更 差 。Pullman 等 用 包括 组 态 相互 作用 的 SCF 法 计算 过 碱 基 的 激 发 态 ,使 结 果 有 一 定 的 改进 ,尤其 是 第 二 跃迁 位 置 和 带 的 强度 , 与 实验 值 符合 得 较 好 。 但 并 非 所 有 的 SCF 法 都 能 得 到 满意 的 结果 , 可 能 的 原因 在 于 参数 化 或 其 它 计 算 上 的 缺陷 。 除 了 这 些 工作 以 外 ,还 有 一 些 人 对 核酸 碱 基 的 激发 态 作 过 分 子 轨道 计算 。 但 是 ,由 于 在 %r* 和 zx* 中 有 许多 低能 级 ,因而 ° 116° 表 4-14 ”核酸 碱 基 吸收 光谱 的 实验 值 和 计算 值 (PPP) | 理 论 值 实 验 值 碱 基 nm | eV | f nm eV f U 251 4.948 0.267 260 4.776 0.175 F 253 4.895 0.374 265 4.686 0.183 Cc 312 3.976 0.102 267 4.642 0.116 A pets 4.533 0.089 269 4.6 0.049 269 4.616 0.288 261 4.758 0.249 .G 318 3.895 0.277 275 4.507 0.123 一 些 工作 未 能 得 到 可 靠 的 结果 。 值得 指出 的 是 ,Savin 等 … 用 全 价 电子 近似 CNDO/S, 对 中 性 的 以 及 离子 型 的 核酸 碱 基 在 基态 和 较 低 激发 单 态 和 三 重 态 xx* 以 及 xz* 的 电子 跃迁 能 和 电子 结构 进行 了 分 子 轨 道 计算 。 计算 的 结果 使 得 我 们 能 够 找 出 这 些 分 子 的 最 有 利 的 光 反 应 活性 位 置 以 及 考虑 在 这 些 分 子 的 离子 态 上 活性 位 置 定 域 化 的 依赖 性 。 同 时 还 指出 ， 中 性 的 喀 喧 碱 基 ,其 分 子 片 断 C 5 一 C 6 是 最 易 发 生 光 化 学 反应 的 位 置 ,尤其 是 在 3: 态 的 光 水 合作 用 和 在 Ti: 态 的 光 二 聚合 作用 与 这 一 分 子 片 断 密切 相关 *。 如 果 取 在 Si 态 该 双 键 减弱 的 程度 作为 光 水 合 有 效力 的 判 据 , 那 么 尿 喀 喧 和 胸腺 喀 啶 (Pss = 一 0.56) 将 是 最 佳 的 光 反 应 物 。 在 较 低 的 "r* 态 , 尿 喀 啶 和 胸腺 喀 啶 中 性 分 子 的 电子 激发 定 域 在 C 4 一 0 7 键 ,Borodavkin 等 ”的 工作 较 详 细 地 讨论 了 这 些 问 题 。 #E SS; SAT, 态 的 胞 喀 啶 阴离子 ,其 C 5 一 C 6 的 键 级 基本 上 没 有 变化 (Pie= 一 0.1) ,而 N 1—C 6 的 键 级 表现 出 明显 地 减弱 (Pile= 一 0.28)。 当 胞 喀 啶 激发 时 ,片断 N 3 一 C 4 一 N 7 的 电子 结构 出 现 明显 的 变化 。 对 于 嗓 叭 碱 基 的 离子 型 而 言 ,一 般 C 4 一 C 5 键 在 激发 时 减弱 。 由 于 在 嗓 叭 中 这 个 键 是 整个 地 被 替换 ,从 而 可 以 排除 光 水 合作 用 类 型 的 反应 。 另 一 方面 , 因为 在 Ti & C4, CS 原子 的 自 旋 密 度 低 于 喀 啶 中 C 5、C 6 , 故 可 以 推测 沿 着 这 个 键 光 二 聚合 的 可 能 性 低 。 除 以 上 所 述 外 ,还 可 以 举 出 许多 人 的 工作 ,如 Maly, Snyder 等 0 用 Gauss 2 oR Bic xt a NRE We AIBA SF 1-HT 与 3-HT- 的 基态 和 低位 激发 态 进行 的 全 电子 的 全 积分 LCAO SCF 计算 。 图 e 117 * 4-14 则 列 出 了 胸腺 喀 啶 、 尿 喀 喧 和 胞 喀 啶 的 基态 、 激 发 单线 态 和 激发 三 重 态 的 键 级 (用 人 SCF CI 法 )G7。 基态 se 激发 三 重 态 oO H 10,22 alt ee 0C% 63) asl Ce 0.34 Non 225 CL ae | 0. 0,316 0.817 0 nt 0.255 0. dl 和 0.375 0%. 423N0. 567 00. 384 ee. flo. fo, a 9o 632 —_ NG 3es — 2 os 0.775 ngs | wisi 0.717 yee | 0.216 “ange Jas 06,301 0.378 0.597 Oo,393N0.369 Oe o!? pe 0.4 365 RAE 0. 1g) an 0. ra 90 0.7291" 0.381 0.444 0.397 N 0.383 ae ie ”图 4-14 基态 、 激 发 单线 态 、 激 发 三 重 态 的 键 级 (ASMO， SCF, Me %) . 从 图 4-14 中 可 以 看 到 ，1) 任何 喀 啶 碱 基 分 子 成 为 激发 状态 时 ,5， 6 位 置 的 键 级 较 之 基态 显著 为 小 ,容易 形成 环 丁 烷 型 的 二 聚 体 。2) 这 种 倾向 明显 地 表现 在 胸腺 喀 啶 是 激发 三 重 态 ， 尿 、 喀 啶 是 激发 单线 态 。3) 胞 喀 啶 激发 状态 的 5， © SS Ee 胞 喀 啶 二 聚 体 的 生成 能 为 何 是 小 的 。 -如 前 所 述 ,由 于 核 糖 和 磷酸 根 在 近 紫外 线 不 吸收 ， ima oh peace 应 的 核 苷 酸 非常 相似 的 特性 。 如 果 碱 基 与 糖 结合 的 位 置 上 是 质子 化 或 甲 基 化 (此 位 ERS 喀 啶 而 言 ,分 别 是 N 9 AN 1), 且 碱 基 与 核 苷 酸 又 具有 相同 的 质子 化 ,那么 情况 确实 是 这 样 的 。 了 解 这 点 对 我 们 研究 核酸 的 激发 态 是 有 益 的 。 我 们 知道 ， sty 3) Me SHS Th FP teh ch RG EAHA. MARK RAW ADD +4 HikRKMAKAW BERRA. SURAT URALCR Atty T Wie 4 LGB LARGE, ESE LA, 酸 、 蛋 白质 等 生物 分 子 激 发 态 的 研究 已 经 十 分 引 人 注 目 , 这 无 疑 会 促进 人 们 对 碱 基 激发 态 电 子 结 构 的 了 解 ,进而 逐步 认识 生物 大 分 子 激发 态 的 更 多 方面 。 4,2.2 碱 基 的 互 变异 构 体 业已 知道 ,在 核酸 分 子 中 含 氧 的 碱 基 有 乌 嘎 叭 .胸腺 喀 啶 、 胞 喀 喧 和 尿 喀 啶 , 它们 在 一 定 条 件 下 存在 着 酮 式 构 型 和 醇 式 构 型 的 互 变 。 不 含 氧 的 腺 嗓 叭 碱 基 存 在 着 胺 型 和 亚 胺 型 互 变 。 胞 喀 啶 碱 基 除 了 存在 酮 式 和 醇 式 构 型 互 变 外 ,还 存在 着 胺 型 和 亚 胺 型 互 变 。 然 而 ,研究 表明 , 在 生理 条 件 下 , 酮 式 (内 酰胺 ) 是 优势 结构 ,含量 比 醇 式 ( 内 酰 亚 胺 ) 要 多 得 多 , 故 一 般 将 前 者 看 作 正 常 型 ,将 ° 118° ve cs 3% 后 者 看 作 蜡 常 型 。 但 事实 说 明 , 当 互 变异 构 体 和 蛋白 质 、 酶 或 受 体 结 合 时 ,优势 结构 取 何 种 形式 及 其 量 如 何 , 还 决定 于 局 部 环境 .由 此 看 来 ,所 谓 正 常 型 和 异常 型 的 划分 是 有 条 件 的 ,是 相对 的 。 分 子 遗 传 学 告诉 我 们 ,对 遗传 物质 而 言 , 重 要 的 是 能 够 精确 无 误 地 复制 自身 , 碱 基 配 对 则 提 供 了 这 种 自我 复制 的 手段 。 因 为 倘若 所 形成 的 两 链 分 子 完全 有 规则 ,那么 碱 基 配 对 就 保证 了 新 链 的 片 序 对 亲本 链 的 顺序 是 精确 无 误 地 互补 的 。 同 时 , 碱 基 配 对 也 使 一 条 多 核 背 酸 链 同 另 一 条 多 核 苷 酸 链 互补 顺序 之 间 进 行 特异 性 的 连接 成 为 可 能 。 一 般 认 为 , 碱 基 的 互补 是 由 于 SR Bie 喀 喧 、 腺 味 叭 与 胸腺 喀 啶 (在 RNA 中 是 鸟 味 叭 与 胞 喀 喧 或 尿 喀 啶 , 腺 叶 叭 与 尿 喀 啶 ) 间 存在 着 所 键 的 专 一 性 。 有 关 嗓 叭 与 喀 啶 碱 基 唱 体 X 射 线 衍射 分 析 已 经 证 明 , SRE She 腺 喀 啶 通过 两 个 氨 键 配对 , 鸟 味 叭 与 胞 喀 啶 通过 三 个 氢 键 配对 时 ,上 述 碱 基 的 准确 配合 才 会 出 现 。 碱 基 对 的 这 种 精确 性 反映 了 DNA 复制 的 精确 无 误 。 然而 , 碱 基 异 构 体 的 存在 可 能 对 G-C 和 A-T 配对 的 精确 互补 产生 不 可 忽视 的 影响 ， 从 而 对 上 述 分 子 遗 传 学 的 一 些 基本 概念 和 由 此 而 导出 的 结果 提出 疑义 。 在 正常 细胞 中 , 碱 基 异 构 体 的 存在 使 已 经 建立 起 来 的 一 些 有 关 遗 传 物质 和 遗传 信息 传递 的 概念 和 假设 变 得 更 加 复杂 了 。 至 少 ， 从 量子 生物 学 的 一 些 研究 结果 中 可 以 看 出 这 点 。 永田 亲 义 曾 用 CNDO 法 研究 过 碱 基 蜡 构 体 。 他 的 理论 计算 表明 ， 在 RNA 中 , 鸟 味 叭 和 次 黄 叶 叭 的 正常 型 和 异常 型 的 分 子 总 能 量 很 接近 ,而 异常 型 ( 醇 式 构 型 ) 的 分 子 总 能 量 更 低 些 , 碱 基 工 C、U 的 正常 型 分 子 总 能 量 低 于 异 构 体 分 子 的 总 能 量 ( 参 见 图 4-15, 表 4-15 和 表 4-16)。 作 者 等 的 计算 也 得 到 了 类 似 的 结果 。 NH, NH aide Ko N . N | | I A | | | H H O OH | | SS HN {-——N N- | N ee Gee renee ee fe a a CRA 2 H 2 H 1 if 1 get ae ‘CH, | pape | Pues F072 H H ? OH \ A HN N ae Teen | Pe A\n/ * 119 « eb NH mH NH NH aN fe) om oon ea aN i, eA hy oxen vag of YN of SN CCD cap) -CGID CIV) 图 4-15 ”核酸 碱 基 的 部 分 正常 型 和 异常 型 表 4-15 碱 基 异 构 体 分 子 总 能 量 的 CNDO/72 计 算 碱 基 总 能 量 ( 单 位 :Hatree) 6, WMS (Mash) —93.5512 1 EM (AEX) —94.0004 胸腺 喀 啶 ( 酮 式 ) 一 86.3246 胸腺 喀 啶 ( 醇 式 ) 一 76.3793 表 4-16 碱 基 异 构 体 共振 能 的 HMO 计 算 (C8 单 位 ) 碱 基 He ote 能 酮 式 醇 式 B&W 3.84 4.16 FREE 1.92 2.14 胸腺 喀 啶 2.05 2.27 胺 型 亚 胺 型 BR eM 3.89 3.62 胞 喀 啶 =I 2.28 胞 喀 啶 II 2.15 胞 喀 啶 III 2.69 胞 喀 啶 IV 2.41 由 图 4-16 看 到 ， 胞 喀 啶 有 四 种 互 变异 构 体 。 然 而 ， 由 于 胞 喀 啶 分 子 中 含有 可 移动 的 气 原 子 ， 可 以 形成 六 种 互 变异 构 体 ， 除 图 4-15 中 的 四 种 (I 一 IV) 外 ， 其 余 两 种 互 变异 构 体 为 ; NH, he | | fs aS HN N | an eee (Vv) (VI) 实验 表明 ， 在 晶体 中 胞 喀 啶 只 以 (D) 式 出 现 。 在 水 溶液 中 (IT) 式 为 主要 形式 。 在 理论 上 ,Dew- ar 用 半 经 验 的 MINDO 方法 计算 了 (II、II AV ) 的 生成 热 ， 表 明 (J) 式 最 稳定 。 而 Goddard 则 应 用 STO-3G 最 小 基 组 从 头 计 算 研 究 了 (TD 至 (VI) 式 的 稳定 性 ， 表 明 (II) 式 最 稳定 。 Mezey 用 ab initio SCF 方法 也 作 了 类 似 的 计算 咏 ) 。 结 果 表 明 , 对 于 鸟 味 叭 其 醇 式 异 构 体 分 es 120° 子 的 总 能 量 低 。 由 于 鸟 味 吟 和 次 黄 味 叭 的 醇 式 异 构 体 较 它 们 的 正常 型 更 稳定 ， 因此 可 以 预料 ， 在 鸟 味 吟 和 次 黄 味 叭 中 会 混 有 相当 量 的 醇 式 异 构 体 ， 而 这 些 异 构 体 具有 和 正常 型 不 同 的 气 键 专 一 性 。 由 于 异 构 体 的 存在 ， 我 们 还 可 以 列 出 更 多 的 碱 基 配对 方式 ， 例 如 H、_K -----HO Hy tafe mene Hy al G Oe T )-H DH G Ne HN T D-H od H H N N—H--- be ‘ re --O \ | va H 正常 型 © 异常 型 异常 型 正常 型 HON OH H a 习 :: N— G NH----: T)}H Nx AON=-H—NT cy Se sen "sum 正常 型 RH 等 等 。 但 是 ， 在 正常 细胞 中 ， 这 些 “ 异 常 ?配对 存在 的 可 能 性 如 何 ? 我 们 仍旧 不 得 而 知 。 不过， 根据 量子 化 学 计算 所 提示 的 结果 来 看 ( 见 表 4-15 和 表 4-16) ， 可 以 推测 在 正常 生理 条 件 下 ， 在 DNA 的 双 链 结 构 ( 或 RNA 单 链 因 回 折 而 形成 的 双 链 结构 ) 中 ， 可 能 存在 着 鸟 嗓 叭 的 醇 式 构 型 与 胸腺 喀 啶 的 酮 式 构 型 通过 三 个 氨 键 的 专 一 配对 。 如 果 事 实 果 真如 此 ， 那 么 这 样 的 碱 基 配 对 的 存在 将 会 影响 到 碱 基 配 对 的 性 质 ， 从 而 可 能 导致 DNA 复制 和 转录 的 错误 。 4.2.3 碱 基 的 分 子 静电 势 "…” 通过 对 核酸 碱 基 的 分 子 静电 势 计 算 ， 我 们 可 以 获得 那些 信息 呢 ? 从 图 4-16 中 可 以 看 出 ， 这 样 的 计算 可 以 很 好 地 解释 核酸 碱 基 对 于 许多 亲 电 试剂 (如 质子 、 烷 化 剂 等 等 ) 的 反应 活性 和 这 些 碱 基 间 势 能 极 小 值 的 差别 。 从 图 4-16 中 ， 可 以 明显 地 看 到 ， 鸟 味 叭 环 上 的 N 7 位 置 (一 91 kcal/mol) ， 胞 喀 啶 的 O8 位 置 ( 一 83.1 kcal/mol)、 腺 叮 吟 环 上 的 N7 、N 3 位置 (一 66kcal/mol 和 一 71 kcal/mol), & meme hy O 4 位 置 (一 57.8 kcal/mol) ， 在 反应 中 都 是 较 活 泼 的 位 置 。 号 4.2.4 核酸 碱 基 的 配对 碱 基 配对 问题 是 核酸 电子 结构 中 研究 得 较 多 的 一 个 问题 。 在 4.2.2 中 我 们 已 经 提 及 核酸 碱 基 相 互 间 的 配对 ,对 于 DNA 的 自身 复制 以 及 转录 和 RNA 转译 的 重要 性 。 在 这 一 节 里 ， 我 们 将 着 重 讨论 碱 基 配 对 时 ， 两 种 碱 基 分 子 是 如 何 配对 的 ? 能 否 找到 形成 这 些 碱 基 对 的 力 的 作用 以 及 对 这 些 力 的 作用 的 解释 ? 这 正 是 我 们 力图 回答 的 问题 。 在 4.2.1.1 里 ， 讨 论 并 给 出 了 计算 的 腺 嗓 叭 、 鸟 味 叭 、 胞 喀 喧 和 尿 喀 啶 偶 极 矩 的 相对 大 小 和 方向 。 由 于 分 子 中 正 电 荷 分 布 中 心 与 负电 荷 分 布 中 心 并 不 总 是 重合 的 ， 这 样 就 产生 了 一 e JJ21。 图 4-16 核酸 碱 基 在 平面 上 的 等 静电 势 线 图 , (A) SIR, (B) 胞 喀 啶 ，(C) MRM, (D) 尿 喀 啶 (ft; kcal/mol， 实 线 表示 负 势 ， 虚 线 表 示 正 势 )。 对 偶 极 子 及 偶 极 子 间 的 相互 作用 。 实 验 和 计算 结果 指出 ， 碱 基 对 的 偶 极 矩 是 显著 的 ， 碱 基 对 之 间 的 力 比 起 沿 螺旋 而 堆积 的 碱 基 之 间 的 力 具 有 更 大 的 极 性 相互 作用 。 图 4-17 给 出 了 由 Pullman 计 算得 到 的 偶 极 矩 与 碱 基 的 关系 ， 有 助 子 说 明 腺 喷 叭 与 尿 喀 啶 、 鸟 味 叭 与 胞 喀 啶 相互 配对 的 事实 。 | 一 般 说 来 ， 计 算 碱 基 对 之 间 的 偶 极 相互 作用 有 两 种 方法 。 一 种 方法 是 把 相互 作用 能 当 作 三 种 不 同 来 源 的 总 贡献 ， 即 偶 极 一 偶 极 相互 作用 ， 偶 极 一 诱导 偶 极 相互 作用 和 London 力 。 若 以 4 和 4 分 别 表示 偶 极 矩 与 极 化 率 ， 当 距离 是 R, RAH, WAS BRT MES 间 的 偶 极 相互 作用 能 的 各 项 贡献 可 写作 © 122° J/mol : GC (-80,3) GG (-60.7) 8 6 (—31.0) (31 4) 4 GA G 2 AT (-29.3) 1 1 ig jk AU Io G (-21.8) A 工 G C 4-17 WIESE KR 图 4-18 DNA 碱 基 间 的 结合 能 1 3 : Bup=r| Maths —pr (Hat R) (us: BR) (4.6) a | -R 7 -R Eya=—-~ 二 | 3 (485 )+1 | +a,|3(45%)4 1} (4.7) 2 ett ae Tnls Aras meee oe WES EM 782 S Sr 第 二 种 方法 是 将 碱 基 对 之 间 的 偶 极 相互 作 用 作为 由 分 开 的 正 电 荷 与 负电 荷 之 间 的 相互 作用 再 加 上 电荷 诱导 偶 极 相互 作用 与 London 力 的 贡献 。 其 中 London 能 与 (4.8) 式 相同 ， 其 它 cA 项 贡献 为 : 0 (4.9) i€A SEB 7 Epa= —+| Hast Hast Mpa’ Epa | = — | an( Ban)? + an( Bon)? | (4.10) 其 中 ,pi 分别 是 碱 基 A、B 中 原子 的 净 电 荷 。Ass 是 A 碱 基 上 的 电荷 作用 在 B 碱 基 上 的 诱导 偶 极 ;至 As 是 A 上 的 电荷 作用 在 B ESAS. ur Eos 有 同样 意义 。 通过 3.2 节 对 分 子 间 相 互 作用 的 “ 偶 极 ? 近 似 和 ”“ 单 极 ? 近 似 的 讨论 ,我们 不 难 理 解 (4.6) 至 《4.10) 式 的 意义 。 在 两 种 常用 的 计算 碱 基 对 之 间 的 偶 极 相互 作用 的 方法 中 ,已 有 研究 表明 ,第 二 种 方法 较 第 一 种 方法 给 出 的 结果 更 精确 。Pullman 用 第 二 种 方法 计算 出 了 碱 基 对 的 各 种 结合 的 能 量 ,指出 能 量 的 最 低 处 是 发 生气 键 的 结合 处 。 能 量 越 负 , 碱 基 间 的 结合 越 紧 密 , 越 有 利 于 相 互 作用 。 计 算 结 果 见 图 4-18。 从 图 中 可 以 看 到 ,在 两 条 曲线 中 结合 能 最 负 的 也 即 是 最 强 的 结合 。 每 条 曲线 上 最 稳 定 的 碱 基 对 都 是 迄今 为 止 已 知 实 际 存在 于 DNA 双 螺旋 中 的 , 即 G-C( 一 19.2kcal/mol) #1A-T (—7.0 kcal/mol) , 实际 观察 DNA 碱 基 对 的 结果 与 计算 结果 符合 得 很 好 。 不 仅 如 此 ， 计 算 结果 还 显示 出 G-C 对 的 稳定 性 ( 负 能 值 ) 要 比 A-T 对 大 ,这 有 助 于 说 明 凡是 含 G-C 对 较 多 的 DNA， 其 热 变性 温度 也 较 高 这 一 事实 。 然 而 ,我 们 也 不 得 不 注意 到 ,除了 G-C、A-T 等 配对 外 ,还 有 5 123° £ WY BE HH BL BT a“ Ie A Ae E RNA 回 折 结 构 和 DNA 在 转录 "过程 中 的 G-U、A-U 配对 等 。 表 4-17 和 表 4-18 分 别 给 出 了 各 种 可 能 的 AU 配对 和 G.C 配 对 的 相互 作用 能 吕 。 表 4-17 各 种 可 能 的 A.U 对 的 相互 作用 能 (kcal/mol) 构 型 全” 克基 Ey Eg Watson — Crick ah es ne Hoy —H — 4.64 —0.25 —0.69 —5.58 ih, nae ae fo RR ney RR Watson — Crick Nv CL —3.98 . 一 0.25 —0.71 — 4.94, Yen he S Ly ace 一 5.86 一 0.22 一 0.88 一 6.96 Noe H 一 一 5.63 ==). 17, —0.94 —6.74 # 4-17 告诉 了 我 们 有 趣 的 计算 结果 , 即 Hoogstee 及 反 Hoogsteen 构 型 的 A.U 对 , H Lg 明显 低 于 Watson-Crick 及 反 Watson-Crick 构 型 的 A.U 对 的 相互 作用 能 ,而 G.C 对 的 相互 作 FARE, 则 以 Watson-Crick 构 型 为 最 低 ( 见 表 4-18)。 由 此 可 见 ,A.U 配 对 的 最 稳定 构 型 是 Hoogsteen 型 ，G.C 配 对 的 最 稳定 构 型 是 Watson-Crick 型 。 这 些 结果 与 共 唱 现 象 中 的 观察 是 一 致 的 。 由 表 4-19 的 数据 可 以 进一步 看 出 ,就 Watson-Crick 意义 上 的 碱 基 互补 专 一 性 的 理论 依 据 。 表 中 第 一 列 数据 相应 于 各 种 碱 基 氢 键 自 身 缔 合 相互 作用 能 的 极 大 值 ， 第 二 列 相应 于 交叉 缔 合 的 碱 基 相 互 作用 能 。 当 然 ， 这 些 计算 包括 了 一 些 可 能 是 并 不 存在 的 缔 合 形式 。 就 自身 缔 合 而 言 ,/G.G 和 C.C 是 相对 较 强 的 ,而 A.A 与 T.T 是 较 弱 的 。 对 于 交叉 缔 合 ,AT 和 G'C 作 © 124。 表 4-18 各 种 可 能 的 G.C 对 的 相互 作用 能 (kcal/mol) 构 型 | £,, E 4. £, E i. Watson — Crick H | .. —15.91 —2.02 一 1.25 一 19.18 N 2 上 ‘$2 Watson — Crick = 一 10.24 一 1.99 一 0.62 一 12.85 i, ©, een ma —3.98 一 1.33 一 0.44 —5.75 SS N ny 区 Eee H HN . ett 《 2 一 2.42 一 0.91 一 0.34 一 3.67 用 能 分 别 大 于 它们 两 组 分 自身 缔 合 作用 能 。 现在 回 到 这 一 节 开 始 时 ,我们 力图 想 要 回答 的 问题 上 进行 讨论 。 其 实 , 迄 今 为 止 ,我 们 仍旧 没有 能 够 从 量子 生物 学 的 角度 ， 就 核酸 碱 基 的 配对 问题 作出 令 人 满意 的 确切 回答 。 但 是 , 从 两 个 碱 基 之 间 的 偶 极 相互 作用 入 手 ， 通 过 理论 计算 已 经 获得 了 与 实验 值 和 实际 观察 在 若干 方面 相 符合 的 结果 。 不 仅 如 此 ,我 们 还 介绍 了 有 关 碱 基 异 构 体 和 非 Watson-Crick 碱 基 配 对 的 量 子 化 © II25。 表 4-19 形成 氢 键 的 碱 基 对 的 相互 作用 能 (kcal/mol) A'.A 一 5.8 A.T 一 7.0 ‘oe ee 一 5.2 G:G —14.5 G:C —19.2 Gc 一 13 A-A —5.8 A-C 一 7.8 c-c —13 G:G 一 14.5 G:T 一 7.4 oe ay 一 5.2 oC 一 13 C:-T —6.5 5 a 一 5.2 A.A 一 5.8 A:G —7.5 G:G —14.5 A-T > 1G+G on A:C << wierd G:T i? Sie te C-T < A.G Ke 学 计算 。 然 而 ,对 于 那些 在 活 细胞 DNA 中 ,或 在 由 DNA 一 人 RNA 一 人 蛋白质 的 遗传 信息 传递 过 程 中 实际 存在 的 某 些 碱 基 配对 ， 则 还 没有 或 者 还 无 法 作出 较为 确切 的 回答 。 有 关 碱 基 间 的 相 互 识 别 ， 读 者 可 通过 第 三 章 有 关内 容 的 回顾 而 加 以 了 解 。 4.2.5 BREAR 在 这 一 节 里 ,我 们 试图 遵循 这 样 的 途径 , 即 从 核酸 的 基本 组 分 一 一 碱 基 、 核糖 或 脱 氧 核糖 和 磷酸 开始 ,经 过 核 背 一 人 核 苷 酸 一 ~ 多 聚 核 苷 酸 , 最 后 讨论 DNA 或 RNA 分 子 的 量子 化 学 计算 ， 从 而 探讨 核酸 的 结构 与 功能 ,这 一 揽 子 的 .十 分 困难 的 问题 。 对 于 第 一 部 分 ,在 4.2.1 至 4.2.4 .4 里 已 经 作 了 讨论 ， 至 于 其 中 的 核糖 或 脱氧 核糖 和 磷酸 将 在 第 二 部 分 的 叙述 中 予以 讨论 。 4.2.5.1 KE | | 对 于 核 苷 的 电子 结构 已 经 作 过 一 些 研 究 。 这 里 ， 我 们 仅 LA Kwiatkowski #7 Pullman 等 的 工作 为 例 作 一 简 述 。 他 们 首先 运用 从 头 计算 法 对 核 背 的 电子 结构 作 了 计算 王 ] ， 其 中 腺 戎 净 原 子 电荷 分 布 的 计算 结果 如 图 4-19 所 示 。 人 从 图 中 可 以 看 出 , 腺 嗓 叭 碱 基 与 核糖 结合 成 为 腺 背后 ,其 净 电 子 电荷 除 腺 嗓 叭 的 N 7 位 和 核 糖 的 C 1/ 位 外 ,其 余 位 置 无 明显 改变 。 从 N 原子 电荷 分 布 看 ,在 腺 嗓 叭 和顺 式 - 腺 苷 中 为 N 1> _N3>N7, 在 反 式 - 腺 苷 中 则 为 N3>N 1>N 7, 而 核糖 的 电荷 在 图 4-19 所 示 的 几 种 情形 里 均 为 0 2'>0 5'>>0 3'>>0 1', 这 些 结果 向 我 们 提示 了 腺 苷 在 参与 反应 时 的 若干 反应 部 位 。 4.2.5.2 HEB 3 我 们 知道 ,核酸 是 由 核 苷 酸 组 成 的 多 聚 物 。 因 而 核 苷 酸 的 量子 生物 学 研究 ,就 成 了 探索 核酸 电子 结构 的 基础 。 现在 ,我 们 以 腺 苷 三 磷酸 (ATP ) 为 例 (分 子 结构 如 图 4-20 所 示 ) ,试看 通过 分 子 轨道 研究 ,对 其 电子 结构 与 功能 的 认识 上 ， 获 得 了 哪些 有 益 的 信息 。 腺 背 三 磷酸 分 子 是 大 家 熟知 的 重要 生物 分 子 ( 系 核酸 组 分 核 背 酸 的 结构 类 似 物 ), 它 在 有 机 体 代 谢 中 起 着 重要 的 作用 ,是 许多 生理 过 程 的 主要 能 源 。 当 ATP 水 解 成 腺 苷 二 磷酸 (ADP) 时 ， "126…。 341 333 Tae H — 508 214 sos N= 622 5 Sr 21 — 366 236 C-254 wie a eet ae 一 -34 210 C- -H C2739 2HC— Bee yes ae a VEY she, ei ye 2s 230 mn he oe 221 5 C_ 69 213 aff 69 a ia ~s01Q 9-325 on me H _ 355 348 352 “347 4 B 3 334 336 a 338 Pi NZ 622 ~ 621 ~262 258 —270 C255 7 Feet Pein N38 和 age 223 5 201 一 6 wie a meet Eee ae eet H Sea. Wena -309 223 5 29 223 百 一 C<245 Wee 11360 i eae H-},,215 -34C226 22gC 96 | 24S\ —40 O_sis H \H 8/、 -65¢ ‘H 228 C Cae a5 kp eee = 250 Pa 0-523 351-920 gf — 48214 H 233 —496~\ 等 H7-494 216 He 360 353 D E 图 4-19 BREF AR AT o> Ai (10-Se). (A) RIM, (B) gt 3/- 端 核糖 , (C) gg 3“- 端 核糖 ，( 刀 ) 反 式 - 腺 苷 和 (五 ) 顺 式 - 腺 苷 自由 能 天 约 变 化 一 9 kcal/mol 左右 。 由 于 这 个 水 解 过 程 放出 这 样 大 的 自由 能 是 随 着 ATP 的 P—O 键 切断 而 产生 ”HihNfE2 gy, 9x A, PRUE BE “AE” BERR BE. Ob TPR EA DHE, oe a ek it 早 在 1960 年 就 有 人 应 用 HMO 法 对 其 进行 研究 ?271。 后 来 ， 【 一 7 03 Oh 和 4 Boyd 和 Lipscomb 用 EHMO 方法 对 此 分 子 进 行 了 详细 BY ER 的 研究 551。 为 了 得 到 更 好 的 结果 ， 一 些 人 试图 通过 用 Hae ee CNDO 法 对 ATP 分 子 进行 研究 07'23 (ELSE, PL PEEL sty ne 酸 大 的 多 磷酸 时 不 能 收 化 而 失败 。 我 国 科学 工作 者 江 寿 平 a 等 解决 了 不 收敛 这 个 困难 问题 ,并 用 CNDO 法 和 ab initio 图 4-20 “ATP 分 子 结构 法 计算 了 ATP 和 ADP, AMP 等 分 子 [4-*23。 表 4-20 一 4-22 分 别 给 出 了 ATP、ADP 和 AMP 分 子 的 总 能 量 . 本 征 值 和 偶 极 矩 以 及 原子 净 电荷 。 为 了 便于 比较 , 表 4-21 中 也 列 出 了 Boyd 和 Lipscombt20 ,Alving 和 Lakic25 等 人 的 计算 结果 。 而 ATP 分 子 磷酸 链 部 分 的 电荷 分 布 则 示 计 图 4-21 中 , 它 的 键 级 表示 于 图 4-22 中 。 由 表 4-20 一 4-22 和 图 4-21、4-22 可 以 归纳 出 ， (1) 在 ATP.ADP 和 AMP 分 子 中 , IR 叭 部 分 同 分 子 的 其 它 部 分 的 相互 作用 非常 小 。(2) 磷酸 链 上 的 原子 电荷 分 布 是 正 负 交替 的 。 于 是 ,一 直 认为 “高 能 ? 键 是 由 于 磷酸 链 内 存在 静电 排斥 的 结果 的 说 法 是 不 成 立 的 。(3) ATP, ADP esSE27 刘 y | e。 128° | ATP ADP | AMP 最 高 占据 轨道 (au) CNDO 从 头 计算 法 CNDO 丛 头 计算 法 一 0.3636 0.1091 10.3810 一 0.3626 0.0732 12.9601 一 0.3580 表 4-20 ATP,ADP 和 AMP 分 子 的 总 能 量 (a.u) CNDO 从 头 计 算法 CNDO | CNDO —2545.92676 —398.81090 —337.06186 —274.87254 表 4-21 本 征 值 和 偶 极 矩 最 低空 轨道 (a，u) 偶 极 矩 (D ) CNDO 从 头 计算 法 0.0790 11.2122 -0.65 -0.66 ~0.65 -0,58 -0.58 -0.64 Oo O | 138 -0.61 fe -0,63 liz -0.53 0.26 1.40 -0:55 |1:38 -057 |1.62 -0°52 0.23 =a OE P2——_O0——-P3—_-O——--H -0.54 i | ~0.53 he 52: 0-05; 0 -0.52 — 40.21 | : | ey See 图 4-21 BEAR BEE RAD Bef (上 为 CNDO 结果 ,下 为 从 头 计 算法 结果 ) 0.6! 0.620.400 09 35 H HC ,9 OP.) 380 61 2 0.33 Dag 0.66 NO” 区 "10.83 0.53 md 0.0.75 0.43 NOS 9 Se Oa 0.50 ogm SY 0.84 0.98 ate 0.77 0.38 Cc Cir 图 4-22 ATP 分 子 的 键 级 《上 为 从 头 计算 法 结果 ， 下 为 CNDO 结果 ) 表 4-22 ATP，ADP 和 AMP 的 原子 净 电 荷 分 子 AMP ADP ATP 方 法 CNDO CNDO"? CNDO CNDO EHMO?? | 从 头 计算 法 原子 Nl —0.30 —0.29 —0.31 —0.31 —0.86 — —0.27 ce 0.19 0.20 0.19 0.19 0.51 0.09 N3 —0.23 —0.25 —0.23 —0.22 —0.76 一 0.25 C4 0.22 0.19 0.23 0.23 0.45 0.16 C5 —0.07 一 0.05 一 0.08 一 0.08 0.08 一 0.01 C6 0.24 0.26 ‘A C26 0.24 0.60 0.23 N7 一 0.24 一 0.18 一 0.25 一 0.27 一 0.83 一 0.26 C 8 0.16 0.13 0.16 0.17 0.40 0.14 N9 —0.07 —0.14 —0.06 —0.06 —0.10 —0.19 N10 —0.21 —0.21 —0.21 —0.21 一 0.34 一 0.33 HI11 0.11 0.11 0.11 0.11 0.21 0.18 . H12 0.11 _ 0.10 0.11 0.10 0.24 0.17 . H13 —0.01 —0.01 —0.01 —0.01 0.08 0.05 H14 —0.01 0.02 —0.01 ， —0.01 0.09 0.06 Cl’ 0.19 0.22 0.19 0.20 0.59 0.12 cr 0.12 0.10 0.12 0.12 0.36 0.05 os! 0.13 0.13 0.13 0.13 0.38 0.07 C4’ 0.10 0.12 0.10 0.10 0.39 —0.02 C5’ 0.16 0.14 0.16 0.16 0.32 0.00 Ol’ —0.23 一 0.24 一 0.23 一 0.24 一 0.85 一 0.07 02’ —0.26 —0.26 —0.26 —0.26 —0.83 —0.24 03’ 一 0.29 一 0.28 一 0.30 一 0.29 一 0.84 一 0.30 05’ —0.43 —0.25 一 0.42 一 0.42 一 0.39 | 一 0.32 HI’ —0.01 0.00 —0.01 —0.02 0.05 0.05 H2’ 0.00 0.00 0.00 0.01 0.04 0.06 H3’ 0.15 0.15 ~ 0.15 0.15 0.43 0.16 H4’ 0.17 0.16 0.17 0.16 0.44 0.19 H5’ 0.00 0.00 0.00 0.02 | 0.03 0.06 H51 —0.02 —0.03 —0.03 0.07 0.03 H52 —0.05 —0.05 —0.05 0.07 0.02 和 AMP 分 子 的 最 高 占据 分 子 轨道 (HOMO) 的 本 征 值 是 相同 的 ,也 即 它们 的 电离 势 也 相同 ,在 化 学 反应 中 具有 相近 的 给 电子 能 力 。(4) 在 磷酸 链 周 围 的 氧 原子 带 有 较 负 的 电荷 。 因 而 有 很 大 表 电 排斥 力 ， 这 就 有 利于 磷酸 键 的 水 解 断 裂 。 REP ATP 分 子 在 生命 系统 中 的 重要 作用 ， 以 下 我 们 将 围绕 着 对 它 所 进行 的 分 子 轨道 研究 ， 讨论 几 个 问题 。 1) 高 能 磷酸 键 的 本 质 和 电子 结构 | (1) 静电 排 打 “Pullman 等 29 曾 强烈 主张 ，P 一 0 一 P 键 由 于 正 电 荷 相 邻 排列 着 ,所 以 | 们 相互 排斥 发 生 键 的 不 稳定 。 但 是 ,在 P 一 0 一 P 上 排列 着 正 电 荷 , 是 因为 Hickel 法 基于 仅 考 | 碟 工 电子 的 限制 (图 4-23), 如 果 按照 考虑 全 价 电子 的 推广 的 Hiickel 法 和 CNDO 法 .从 头 计算 法 。129。 | ( 见 图 4-21) 的 计算 结果 ,就 不 出 现 相 邻 的 正 电 荷 电子 结构 ,而 是 正 负电 荷 交 替 的 电子 结构 。 因 此 ,AIP 的 高 能 键 的 本 质 ,基于 在 P 一 0 一 P 上 存在 相 邻 的 正 电荷 相互 排斥 ,这 二 想法 当然 被 否 定 : (2) ATP 是 不 是 高 能 键 ? ”这 个 问题 在 文献 [17] 中 已 作 过 简单 讨论 ,但 没 有 获得 明确 的 结 论 。 通 过 CNDO 法 和 从 头 计 算法 的 计算 ， 使 我 们 有 可 能 在 更 精确 的 计算 结果 的 基础 上 来 讨论 这 一 问题 。 . . —0.809 —0.805 —0.821 ake O O +0.153 | +0.393 | +0.397 | +0.364 核 糖 一 CH 一 0 一 一 P 一 一 0 一 PP 一 0 一 P—_O | +0.208 | +0.204 | —0.821 O O O 一 0.809 一 0.805 —0.821 图 4-23 3Hickcl MO 法 计算 得 到 的 ATP 的 电荷 分 布 高 能 磷酸 键 是 指 水 解 自由 能 ， 而 不 是 能 量 贮存 在 P 一 0 键 。 如 前 所 述 , 当 ATP 水 解 成 ADP 时 ， 自由 能 大 约 变 化 一 9 kcal/mol AA, 早期 那 种 以 磷酸 键 骨架 内 存在 静电 排斥 的 假设 来 说 BY “高 能 键 的 存在 是 不 成 立 的 。 但 在 磷酸 键 周围 的 氧 原子 带 有 较 负 的 电荷 ， 因 而 相互 排斥 ， 这 是 有 利于 磷酸 键 水 解 断裂 的 。 至 于 ATP 的 水 解 位 置 ， 按 江 寿 平等 的 计算 ， 键 级 是 键 能 的 表 示 ， 它 可 比较 同类 型 的 键 "“] ， 可 提供 键 强度 的 倾向 。 在 ATP 分 子 的 磷酸 链 上 ， 键 级 最 小 的 即 意味 着 这 个 键 最 弱 ， 最 易 断 裂 。 由 图 4-22 可 见 ,磷酸 链 上 键 级 最 小 的 是 0 7' 一 P 3 键 (0.39) ,此 键 在 水 解 时 趋 向 于 最 易 断 裂 ,实验 研究 也 证 实 ATP 分 子 水 解 时 正 是 此 键 断 裂 避 1。 2) 在 生物 体 反 应 中 ATP 的 专 一 性 一 般 认 为 ,高 能 键 的 化 合 物 , 除 AIP 外 ,还 有 ADP、 磷 酸 烯 醇 丙酮 酸 、 乙 酰 磷酸 等 ,虽然 是 很 多 ,但 为 何在 生物 体内 只 有 ATP 被 作为 能 源 利 用 呢 ? 这 一 问题 至 今 尚 未 得 到 充分 的 解答 。 与 这 一 问题 相 联系 而 被 广 意 的 是 生物 体内 ATP 的 利用 ， 为 何 离 不 开 二 价 金 属 离子 〈 如 Mg ) 的 存在 ? Szent-Gy5rgyi AH"), ATP AN Mg 离子 生成 的 配合 物 帮 助 了 AITP 在 生物 体 内 专 一 性 的 利用 。 实 验 上 也 得 到 了 支持 这 种 想法 的 结果 。 例 如 ,按照 EPP SO WER, ATP 与 Mg+ 的 配合 物 的 红外 吸收 检测 了 Mg 六 和 腺 嘎 叭 或 磁 酸 等 部 分 的 相互 作用 。 但 是 ,这 种 相互 作用 是 存在 于 分 子 内 还 是 分 子 间 尚未 肯定 ， 故 明确 的 结合 体 结 构 也 未 能 确定 。 在 此 意义 上 上 ， 考 虐 各 种 可 能 的 配合 物 模 型 ,并且 研 究 模型 的 妥当 性 ,无 疑 是 有 意义 的 。 迄今 ,已 经 用 核磁 共振 , 拉 曼 光谱 及 其 它 实 验方 法 对 金属 离子 和 ATP 结合 进行 了 广泛 的 研 究 。 由 表 4-21 可 见 ,磷酸 链 上 O1,0 2 和 0 3 是 很 负 的 原子 ,因而 它们 和 金属 离子 有 很 强 的 相互 作 用 。 所 以 当 ATP 分 子 处 于 折 登 构象 时 ,二 价 的 金属 离子 是 可 能 和 O 1,0 2 和 0O 3 又 和 了 碱 基部 分 N 7 等 原子 相 结合 。 这 个 ATP 和 二 价 金属 离子 形成 的 配合 物 (ATP 一 M2 ) 在 一 些 酶 反应 中 , 是 作为 底 物 结合 在 酶 分 子 的 活性 中 心 的 。 而 且 ATP 分 子 碱 基部 分 的 N 1 原子 可 能 和 酶 分 子 中 带 正 电 的 基 团 产生 静电 的 或 氢 键 键 合 的 作用 。 这 和 NI 附近 基 团 有 关 。 一 个 可 能 的 结合 模型 示 于 图 4-24 中 ,这些 结合 位 置 和 实验 结果 是 一 致 的 :。 总 之 , AITP 和 M2+ 形 成 配合 物 获 得 与 游离 ATP 不 同 的 反应 能 力 ,暗示 着 被 生物 体 反 应 利 © 130° 用 的 可 能 性 是 很 有 意义 的 。 ”4.2.5.3 多 聚 核 苷 酸 关于 多 聚 核 苷 酸 ,已 经 作 了 一 些 富有 启发 性 的 理论 计算 。 其 中 ,有 关 B-DNA 分 子 的 四 种 同 聚 多 核 背 酸 ( 聚 A. 聚 GR CAI 了 ) 以 及 考虑 到 RNA WR U 的 能 级 结构 ,在 考虑 了 最 邻近 碱 基 间 的 相互 作用 下 已 经 算出 。 其 办 法 是 ， 将 多 聚 链 作 为 一 维 固体 ,采用 通常 的 固体 物理 学 方法 ,就 容易 将 所 需 处 理 的 分 子 的 问题 化 为 求 复杂 的 Hamilton 怎 阵 的 特征 值 问 题 。 移 阵 的 阶 等 于 分 子 中 r 轨 道 的 数目 。 这 些 特 征 值 问题 还 可 进 一 步 化 为 阶 数 是 原来 复杂 系统 阶 数 两 倍 的 一 个 对 称 矩 阵 的 特 ”图 4-24 AIP 一 M 和 酶 分 子 的 结合 模型 征 值 问题 .当然 ,后 一 步 只 是 一 个 量子 力学 的 技巧 .这 里 ,我 们 并 不 讨论 具体 方法 。 表 4-23 列 出 了 由 此 获得 的 多 聚 A 的 能 级 结构 。 表 4-23 多 聚 A 的 能 级 (8 单位 ) 能 级 E, Yo AE Fs 1 2.964 2.593 0.37 2.770 2 2.265 1.993 0.27 2.131 3 1.805 1.707 0.10 1.754 占据 能 级 4 1.167 1.143 0.03 1.146 5. 1.026 1.000 0.03 1.028 6 0.576 0.480 0.10 0.530 I —0.749 — 0.823 0.07 —0.786 空 能 级 | 工 一 0.984 一 1.023 0.04 一 1.003 III 一 1.367 一 1.006 0.04 二 1.386 IV —2.008 — 2.005 0.02 —2.016 表 中 Bain, Ems THAR PL ER, AF BEMNWA. Eu 是 单个 腺 味 叭 分 子 用 同 一 参数 获得 的 近似 值 。 占 据 能 级 用 阿拉 伯 数 字 表 示 , 空 能 级 用 罗马 数字 表 示 。 在 堆积 碱 基 之 间 可 分 别 采 用 重 叙 相互 作用 和 Van der Waals 型 相互 作用 进行 计算 。YVan der Waals 相互 作用 给 出 的 是 稳定 能 量 ,但 不 能 给 出 HG DNA 螺旋 铀 的 电子 传导 的 信息 。 相 反 ， 重 登 相互 作用 给 出 的 不 是 稳定 能 ,但 能 给 出 DNA 分 子 中 电子 传导 的 信息 。 不 过 , 两 种 相互 作用 ”的 计算 结果 都 能 解释 减 色 现 象 。 如 果 同 时 考虑 两 种 相互 作用 ,计算 结果 将 使 理论 图 象 更 符合 实 际 。 近年 来 ,Ladik 等 "对 B-DNA 结构 中 所 有 16 种 可 能 堆积 形式 的 堆积 能 作 了 计算 , 他 们 采 用 SIO-3 G 基 集 合 实行 超 分 子 计算 。 色 散 能 系 用 以 下 London 公式 确定 的 : AW e200 aes ad It; ho Re 一 1 s=l # 4-24 列 出 了 B-DNA 结构 中 ，16 种 可 能 堆积 形式 中 的 8 种 的 堆积 能 和 DNA 的 Z 构象 © 131e 表 4-24 HM iH HABE (kcal/mol) * xX, ea ne Wee Mee SC MANGE » MRM HE BR x #G,G;G,C;T,A AT, T 堆积 的 堆积 能 的 计算 结果 。 有 趣 的 是 ,多 聚 A 最 高 占据 轨道 能 量 的 上 限 和 最 低空 轨道 能 量 的 下 限 小 于 单个 腺 嗓 叭 分 子 相应 的 差 值 。 由 于 被 光照 引起 的 电子 转移 受阻 ,因此 这 一 事实 显 不 出 大 的 分 立 光 谱 实 验 结果 来 ， 但 它 有 助 于 支持 电子 的 热 激发 观点 。 表 4-23 告诉 我 们 ,在 B-DNA 中 oat SEAR A TRS HER G 能 , 故 推测 a 堆积 最 稳定 ， 下 堆积 在 8 种 堆 积 中 最 不 稳定 .有 赵 的 是 在 Z-DNA 中 ,堆积 具有 最 负 的 堆积 能 ( 仅 对 4 种 堆积 情形 而 言 )。 理 论 计 算 的 结果 与 活 细胞 中 DNA 碱 基 堆 积 对 其 构象 稳 定性 的 影响 在 实际 上 符合 得 如 何 , 无 疑 还 须 作 更 进一步 的 研究 。 但 是 ， wield he >, ae fea] AS RE Oe as HT A A EB PRAY EF (2 4. 3) | 虽然 对 于 实际 存在 的 DNA 分 子 , 我 们 知道 的 东西 并 不 算 多 ,理论 计算 又 困难 重重 。 但 是 ， 我 们 毕竟 在 DNA 分 子 某 些 局 部 性 质 的 理论 计算 方面 取得 了 进展 ， medi 些 半 定 量 的 结果 。 从 理论 研究 的 角度 ， 我 们 可 以 首先 处 理 一 个 周期 性 无 限 序列 1 有 I ll | i 这 个 模型 系统 向 我 们 表明 了 碱 基 间 的 相互 作用 ,其 中 既 有 配对 碱 基 中 两 个 组 分 间 的 共 平 面 ken 作用 ,又 存在 着 堆积 碱 基 间 的 相互 作用 。 如 果 将 堆积 碱 基 之 间 的 相互 作用 的 影响 假定 为 一 个 平 均 能 级 差 , 取 作 0.70 8。 由 此 而 得 到 的 一 些 结果 列 于 表 4-25 中 。 表 中 ,左右 两 栏 是 A-T.G-C 碱 基 对 的 MD 值 。 第 二 栏 是 两 对 相互 作用 碱 基 对 的 近似 值 , 这 些 值 由 于 碱 基 对 之 间 的 相互 作用 有 时 发 生 扰 动 。 如 果 假 定 能 级 差 为 0.10 5 , 便 可 获 得 9 个 占据 能 级 和 3 个 空 能 级 ,如 表 中 第 三 栏 所 示 。 在 最 高 占据 能 级 和 最 低空 能 级 之 间 的 能 量 差 为 : AE(- 0.803—0.355+0.10) B= —1.058 B 正如 处 理 杂 环 分 子 Hickel 近似 下 的 第 一 激发 态 的 能 量 那样 ， 为 了 与 实验 数据 符合 须 将 积分 值 取得 较 大 一 些 , 如 取 作 B = 一 3.33 eV。 这 时 HOMO #1 LUMO fy fie 2% 4 HE =3.52 eV, 这 样 得 到 的 能 量 值 能 够 较 好 地 符合 实验 测定 的 最 大 吸收 光谱 值 。 由 此 看 来 ， 即 使 在 多 核 背 酸 的 es 132。 表 4-25 A-T 和 G-C 碱 基 堆 积 的 MO 能 量 (B) 情况 下 ， 仍 然 可 以 进行 有 效 的 量子 力学 计算 。 以 上 对 多 聚 核 背 酸 的 理论 计算 大 多 基于 r 电子 结构 ， 由 此 而 进行 的 讨论 就 不 可 能 是 十 分 令 人 满意 的 。 近 来 ,Otto, Clementi 4°!) 运用 ab initio Hartree-Fock 晶体 轨道 方法 ， 对 四 种 PARA PA TRAE HEAR (poly C.poly T,.poly A fil poly G)， 两 种 聚 碱 基 对 poly(A-T) 和 poly (G-C) ,以 及 具有 腺 苷 、 胸 腺 苷 作为 重复 单位 的 两 种 多 聚 核 苷 酸 poly(ASP) 和 poly(TSP) 进 行 了 周期 性 B-DNA 模 型 的 能 带 结构 计算 (有 关 核 酸 的 能 带 结 构 见 4.5) 。 结 果 显 示 ， 对 聚 碱 基 堆 积 ， 有 重要 物理 意义 的 价 带 和 导 带 非常 宽 , 分 别 为 0.440~0.789 和 0 .260~0.820 eV。 然 而 ，poly (A-T) il poly(G-C) , 带 的 样子 ,位 置 以 及 带宽 都 和 生成 它们 的 相应 碱 基 的 带 有 关 。 对 于 聚 碱 基 对 最 小 的 近似 激发 能 的 分 析 指 出 ,在 聚 A-T 对 中 ,HOMO Ail LUMO 能 级 分 别 来 自 polyA 和 * 133 5 poly 工 , 因此 第 一 跃迁 是 碱 基 间 型 (interbase type); 对 于 poly(G-C) 的 分 析 也 得 到 了 类 似 的 结果 。 此 外 ,采用 Mulliken 集 居 数 分 析 , 并 按照 poly(ASP) 和 poly(TSP) 能 级 ，Otto 等 计算 了 从 糖 磁 酸 酯 单位 到 腺 味 叭 以 及 到 胸腺 喀 啶 转移 的 电荷 量 分 别 为 0.212 和 0.190e。 这 种 情形 在 更 大 的 B-DNA 片断 (由 三 个 糖 单位 ,两 个 磷酸 根 和 两 个 碱 基 GC 组 成 ) 的 研究 中 亦 得 到 。 象 这 种 由 单位 到 单位 的 电荷 转移 在 生物 化 学 过 程 中 担负 着 重要 作用 ， 因 此 当 我 们 采用 某 些 方法 〈 如 分 子 静 电势 方法 ) 来 研究 生物 大 分 子 的 这 种 作用 时 ,应 当 予 以 注意 。 4.3 DNA 双 虹 旋 构 象 的 稳定 性 现在 ， 我 们 从 上 一 节 对 多 核 昔 酸 的 讨论 转 入 到 对 DNA 双 螺旋 构象 的 讨论 。 正如 我 们 所 反复 强调 的 那样 ， 进 行 生物 分 子 (最 具 意 义 的 当然 是 生物 大 分 子 ) 量 子 力学 计算 的 最 终 目 的 ,就 是 要 从 计算 结果 即 包含 这 些 生物 分 子 理化 信息 的 分 子 波 函数 ， 推导 和 解释 尽 可 能 多 的 有 关 生 物 分 子 已 知 和 未 知 的 物理 和 化 学 性 质 ， 进 而 推测 其 生物 学 功能 。 研究 提示 ， 造 成 DNA 分 子 双 螺旋 稳定 构 象 的 主要 因素 可 能 是 碱 基 对 间 的 氨 键 和 堆积 碱 基 之 间 的 堆积 相互 作用 与 Van der Waals 型 相互 作用 。 同 时 ， 这 些 相 互 作 用 不 单 决定 螺旋 构 象 的 稳定 性 ， 而 且 和 多 聚 核 昔 酸 形成 螺旋 时 的 专 一 性 以 及 DNA" 转 录 "为 mRNA 时 的 碱 基 专 一 性 都 有 着 密切 关系 。 因 而 人 们 尝试 着 用 分 子 轨道 法 和 微 扰 法 来 处 理 碱 基 间 的 相互 作用 , 如 诱 导 力 或 色散 力 . 电 离 势 或 极 化 率 ,重大 与 交换 积分 等 , 进行 高 度 近 似 的 量子 力学 计算 ， 以 期 推测 和 阐明 这 些 相互 作用 的 本 质 以 及 氨 键 能 和 堆积 能 是 怎样 造成 核酸 的 稳定 性 和 构 型 的 。 首先 ， 作 为 核酸 稳定 性 尺度 之 一 的 实验 值 是 它 的 熔融 温度 To. Me 4-26 可 以 看 到 堆积 能 (83 ) 与 所 键 能 ( 妃 ) 之 和 与 实测 的 P。 有 极 好 的 对 应 关系 。 表 4-26 各 种 聚合 物 的 碱 基 间 相互 作用 能 和 T。 的 比较 (eV) Rm 合 物 HERR GE CS) 气 键 能 (五 ) (S)+(4) T. (G-C)-(G-C) 一 0.201 一 0.484 一 0.685 95 (G)-(C) —0.134 —0.484 —0.618 82 (T-G)-(C-A) —0.163 一 0.280 一 0.443 73 (T-C)-(G-A) 一 0.142 一 0.280 一 0.422 67 (A).(T) 一 0.131 一 0.076 一 0.208 48 (A-T)+(A-T) 一 0.121 —0.076 一 0.197 39 由 于 碱 基 组 成 不 同 的 各 种 DNA AON, RBA ABCA, A Ts 中 的 热 熔 项 KA S + 丈 对 应 是 可 以 说 明 问题 的 。 由 表 4-26 还 可 以 看 出 ,G-C 对 和 它 之 外 的 Ae 对 的 稳定 性 之 差 是 由 克 决 定 的 ，G-C 对 彼此 之 间或 者 在 其 它 气 键 对 之 间 的 大 小 关系 是 由 咏 决定 的 。 有 关 堆 积 能 的 讨论 ,在 4.2.5.2 中 已 经 初步 接触 和 到了， 以 下 还 将 继续 讨论 到 它 。 KF DNA 双 螺 旋 构 象 问题 。 首 先 应 当 注 意 的 一 个 事实 是 : 据 X 射线 衍射 研究 ， B-DNA a 134° 1 al — == : 碱 基 间 的 平衡 距离 为 0.34 nm。 那 么 ,相应 于 这 一 距离 的 碱 基 间 的 相互 作 用 能 是 不 是 最 大 稳定 能 呢 ? 量子 力学 计算 结果 给 出 的 答案 是 比较 肯定 的 .从 表 4-27 中 可 以 看 到 ,对 大 部 分 碱 基 而 言 ， 最 大 稳定 能 (能 量 最 负 ) 时 算得 的 平衡 距离 和 实验 值 0.34 nm 相近 , 偏差 在 0.05 nm 以 内 。 有 趣 的 是 ,在 C LHR G 或 者 工时 ,平衡 距离 为 0.280 ~0.285 nm, 与 实验 值 偏 差 较 大 。 此 外 ， 相 同 碱 基 彼 此 之 间 重 登 时 的 堆积 能 都 很 小 ,特别 是 G、C 的 场合 成 为 排斥 能 2 。 我 们 的 计算 也 得 到 类 似 的 结果 。 这 似乎 提示 我 们 ， 在 相同 碱 基 披 此 重 登 的 地 方 很 难 生成 螺旋 或 者 即使 形成 了 螺旋 也 不 稳定 。 如 果 事 实 确 系 如 此 ， 那 么 又 使 我 们 对 于 建立 RNA 二 级 结构 模型 在 能 量 处 理 上 产生 RE, RAMA? 目前 还 难以 下 结论 。 有 人 认为 ， 相 同 碱 基 重 侄 之 处 所 造 成 的 曙 旋 的 不 稳定 ， 也 许 正 是 基因 中 容易 发 生 突变 的 位 点 。 表 4-27 碱 基 重 倒 的 平衡 距离 和 堆积 能 (eV)” Wk He HH 平衡 距离 (nm) 在 平衡 距离 的 堆积 能 0.280 一 0.182 0.285 —0.187 0.305 —0.087 0.315 —0.091 0.325 —0.115 0.328 —0.147 0.328 —0.082 0.352 0.010 0.368 0.020 "0.368 一 0.028 OO OS SiO > Co mono * i a 二 4-25 是 G ELBE C 时 的 能 量 对 距离 所 作 的 曲线 。 根 据 这 些 曲线 分 析 , UB HE RE (三 次 交换 能 )、 吾 : (四 次 交换 能 ) 和 吸引 能 CRS FA EA 五 "( 静 电能 ) ， 它 们 汇合 之 处 ,得 到 了 获得 最 大 稳定 能 时 的 平衡 位 置 为 0.328 nm。 这 也 说 明了 B-DNA 中 ， 堆积 碱 基 间 的 “平衡 距离 为 0.34 nm 的 合理 性 。 在 这 一 距离 内 ,其 相互 作用 使 得 DNA 分 子 构 象 最 稳定 , 而 相应 的 能 量 值 又 是 所 有 相互 作用 的 极 小 值 , 这 符合 能 量 极 小 值 原理 ， 即 :凡是 现实 发 生 的 都 有 向 能 量 极 小 值 处 靠近 的 趋势 。 B-DNA 双 蝶 旋 构 象 的 另 一 个 显著 特征 是 : 每 个 碱 基 按 旋转 36 堆积 。10 个 碱 基 组 成 一 个 螺 距 。 这 样 ， 又 给 碱 基 的 堆积 和 几 个 碱 基 对 堆积 之 间 的 关系 带 来 了 新 的 内 洱 。 图 4-26 给 出 了 随 相 邻 碱 基 间 旋转 角 角 度 变 化 的 堆积 能 和 聚合 物 的 稳定 性 。 由 图 4-26 可 见 ,A-TI 共 聚 物 堆积 的 碱 基 间 的 旋转 角 和 天 然 B-DNA 相同 , 为 36" 时 ,能 量 有 极 小 值 , 是 最 稳定 的 。 这 就 再 一 次 支持 了 B-DNA 双 螺 旋 构 象 是 符合 能 量 极 小 值 原理 的 稳定 构 象 。 并 且 , 这 种 A-T HR His X 射线 图 和 DNA 的 图 象 儿 乎 相同 ,理论 与 实验 符合 得 很 好 。 另 一 方面 ,AT 均 聚 物 的 螺旋 结构 和 DNA 的 X 射线 分 析 结 果 不 同 , 这 跟 这 类 均 聚 物 能 量 计算 结果 极 小 值 在 54 附近 并 不 矛盾 ,倒是 从 另 一 个 侧面 验证 了 能 量 极 小 值 原理 。 此 外 ,从 图 中 还 可 以 看 © 135 ¢ a 108 一 一 相 邻 碱 基 间 的 旋转 角度 4-25 推 积 能 和 碱 基 间 距离 4-26 随 相 邻 碱 基 间 旋转 角 角 度 变化 的 堆积 能 和 聚合 物 的 稳定 性 ——A-THERW, ——A, THR -…-"G-C 共 聚 物 ，……G，C 均 聚 物 到 ,G、C 均 聚 物 在 36 一 72 附近 没有 极 小 值 , 在 160 表现 异常 值 。 根 据 能 量 极 小 值 原 理 ， 这 类 聚合 物 将 不 具有 螺旋 结构 ， 但 事实 如 何 ? 至 少 在 目前 还 不 能 给 出 确切 的 解答 。 根据 以 上 讨论 ,我们 可 以 看 到 , 从 量子 化 学 对 碱 基 堆 积 能 的 计算 ， 在 一 定 程度 上 很 好 地 说 明 了 B-DNA 双 螺 旋 构 象 的 稳定 性 满足 堆积 能 的 极 小 值 原 理 。 但 是 , 仅 限于 对 了 碱 基 堆 积 能 的 计算 无 疑 是 远 远 不 够 的 。 其 中 , 有 关 碱 基 对 间 的 共 平 面相 互 作用 以 及 构象 能 的 计算 ,读者 可 参阅 本 章 的 后 续 部 分 和 第 十 一 章 “生物 分 子 的 空间 构象 和 分 子 设计 ?。 4.4， 核 酸 的 辐射 效应 和 光 生 物 学 问题 ” 生物 体 受 到 紫外 线 照 射 后 会 造成 各 种 各 样 的 损伤 ,如 失 活 、 突 变 、 致 癌 等 等 。 而 与 此 相关 的 大 多 数 生 物 效应 与 DNA 在 分 子 水 平 上 的 物理 的 、 化 学 的 变化 有 关 , 由 于 这 样 的 联系 ， 促 使 核酸 了 的 光 生物 学 飞速 发 展 起 来 。 其 中 ,研究 在 辐射 的 影响 下 由 核酸 碱 基 生 成 的 自 由 基 结 构 与 性 质 以 及 在 光照 下 胸腺 喀 啶 二 聚 体 的 生成 机 制 已 成 为 重要 课题 。 以 下 我 们 仅 就 在 光照 下 胸腺 喀 啶 三 聚 体 的 生成 机 制 方面 的 问题 ,从 量子 生物 学 的 角度 进行 分 析 讨论 。 实验 发 现 ,经 紫外 线 照 射 后 ,DNA 结构 中 的 两 个 胸腺 喀 啶 可 以 结合 成 二 聚 体 。 这 种 三 聚 体 是 正常 细胞 内 DNA 合成 的 障碍 。 如 果 在 细胞 内 DNA 复制 前 这 种 障碍 不 被 清除 ， 就 会 产生 突 变 55。 现 在 ,不 仅 胸腺 喀 啶 二 聚 体 的 生成 已 经 基本 搞 清 ,而 且 也 观察 到 尿 喀 啶 、 胞 喀 啶 三 聚 体 的 生成 。 更 甚 者 ,是 胸腺 喀 啶 - 尿 喀 啶 .胸腺 喀 啶 - 胞 喀 啶 、 胞 喀 啶 - 尿 喀 啶 二 聚 体 的 生成 也 有 不 少 研 究 报 导 。 但 是 ,一 般 认 为 喀 啶 二 聚 体 中 ,又 以 胸腺 喀 啶 二 聚 体 的 生物 学 作用 最 为 重要 ta-59, 获 我 们 将 重点 放 在 对 胸腺 喀 啶 二 聚 体 的 讨论 。 对 于 胸腺 喀 啶 二 聚 体 的 生成 在 280 nm 附近 照射 效率 最 高 。 这 种 生成 物 在 240 nm 的 波长 光 *。 136 。 的 照射 下 还 原 为 原来 的 单 体 ， iim 3 TT ate 240 nm 下 面 几 个 例子 可 以 很 好 地 说 明 胸腺 喀 啶 二 聚 体 的 生成 与 生物 活性 的 关系 : (1) 在 UV 照射 下 , 某 些 细菌 容易 死亡 ,而 其 他 的 却 有 很 强 的 抵抗 力 。 这 是 因为 后 者 具有 所 谓 “ 修 复 ? 能 力 ,把 胸腺 喀 啶 二 聚 体 从 DNA 上 切除 后 修复 ,对 前 者 而 言 , 由 于 没有 这 种 修复 能 力 ， 因而 死亡 。 (2) A-T 含量 越 多 ,对 UV 的 敏感 性 越 高 。 (3) Haemoplilus 流感 转化 DNA 在 280 nm 辐射 线 照 射 下 失 活 ， 而 在 240 nm 辐射 线 照 身 下 活性 恢复 ,这 与 胸腺 喀 啶 二 涌 体 有 相同 的 波长 依存 性 。 已 经 知道 ,在 这 种 情况 下 ,50% 失 活 是 基于 二 聚 体 的 生成 。 (4) 二 聚 体 的 生成 与 光照 胸腺 喀 啶 二 聚 体 产生 的 示 成 对 电子 密度 成 正比 ， 与 基态 分 子 T 和 激发 态 分 子 T* 结合 而 成 的 所 谓 过 渡 态 的 离 域 能 成 正比 。 离 域 能 越 大 ,反应 活化 能 越 小 ,就 越 容 易 生 成 二 聚 体 。 (5) 胸腺 喀 啶 分 子 成 为 激发 三 重 态 时 ,5.6 位 置 (二 聚 体 的 生成 位 置 ,如 图 4-27 Pitas) A oe 级 比 之 基态 最 小 。 因 此 ， 胸 腺 喀 啶 二 聚 体 大 部 分 是 经 过 激发 三 重 态 而 不 是 激发 单线 态 生成 。 oe ps s8 —— 人 bo: o cS 一 0 一 -一 (一 一 0 一 0 一 一 人- 一 一 一 图 4-27 4-28 光照 射 下 电子 的 激发 Pullman 等 认为 ,由 于 光照 ,胸腺 喀 啶 被 激发 , 其 分 子 内 电子 分 布 变 成 容易 生成 二 聚 体 的 状态 。 如 图 4-28 所 示 , 由 于 光照 射 激发 一 个 电子 ， 生 成 两 个 不 成 对 电子 。 由 于 不 成 对 电子 的 分 Ai 5.6 键 的 值 非常 大 ,因而 容易 形成 二 聚 体 ( 见 表 4-28), 对 胸腺 喀 啶 二 育 体 的 生成 ,就 量子 生物 学 的 研究 看 ,Pullman Setlow, 福井 和 永田 等 许多 人 已 经 做 了 很 好 的 工作 。 例 如 ,Pullman 等 用 简单 分 子 轨道 法 (HMO 法 ) 首 先 研 究 了 第 一 激发 态 未 偶合 的 电子 分 布 (图 4-29) 。 从 图 4-29 可 见 ,鉴于 不 成 对 电子 的 分 布 ， 键 5.6 的 值 非常 大 。 可 以 认为 这 些 不 成 对 的 电子 参与 二 聚 体 的 生成 。 实 际 上 ,二 聚 体 的 生成 能 与 不 成 对 的 电子 密度 有 很 好 的 对 应 关系 ( 表 4-29)。 二 聚 化 的 产 率 与 C 5 一 C 6 键 电子 总 浓度 平行 。 唯 一 的 例外 是 6- 氛 胸腺 喀 啶 。 如 此 ， 我 们 可 以 把 不 成 对 的 电子 密度 作为 激发 状态 反应 性 的 尺度 。 其 次 ， 作 为 激发 态 的 第 二 个 特征 是 C5 一 C6 键 上 键 级 的 减 小 并 且 二 聚 化 与 这 种 减 小 近乎 直 接 相 关 ( 见 表 4-29 ) 。 由 上 述 讨 论 可 以 看 出 , 在 这 些 喀 吓 之 中 电子 的 激发 看 来 是 局 限 在 C5 一 C 6 双 键 ， 并 且 激 发 的 特点 明显 地 与 光 二 聚 化 作用 的 速度 和 机 制 有 关 。 e II37。 表 4-28 激发 状态 下 两 个 不 成 对 电子 的 5 .6 键 位 置 的 分 布 和 二 聚 体 生 成 能 的 比较 二 聚 体 生成 能 | t Ff && | 5,.6 位 置 的 两 个 不 成 对 电子 分 布 之 和 * 胸腺 喀 喧 1.21 大 PRB ME 1.25 6 - FA SE bi i at 1.21 | 乳 清 酸 ie eee | Nl, N2 PSEA MEE 1.16 中 Se Hea ee 1.16 5 - SADE Fie MR hE 1.05 5- 甲 基 胞 喀 喧 0.83 小 Jia a ie 0.86 2- Fe He Ha A BE 0.71 FS FE - 6- fH AER RE 0.64 6 ~ 5a Fh RE nae 1.14 0.162 0.063 、 O H, 、 0.098 0.234 HN0.035 0.641 N0.379 }0.350 0.015- J0.611 0.017 _J0.507 NT37 Oo N N0.372 o95 o2% RR E ui: 图 4-29 第 一 激发 态 未 偶合 的 电子 分 布 表 4-29 C5 一 C6 键 级 Er 胸腺 喀 啶 0.811 0.287 0.524 FREE 0.819 0.298 0.521 S- 甲 基 尿 喀 啶 0.790 0.296 0.494 乳 清 酸 0.809 0.323 0.486 va N1,N2-—2 SER MEME 0.811 0.348 0.463 ee ee 0.817 0.319 0.498 5- 氮 基 尿 喀 啶 0.806 0.300 0.506 5- 甲 基 胞 喀 啶 0.749 0.430 0.319 胞 喀 啶 0.758 0.459 0.299 2- 琉 基 胸 腺 喀 啶 0.804 0.474 0.330 让 6- 硝 基 尿 喀 喧 0.733. 0.578 0.155 6- 氮 胸腺 喀 啶 0.831 0.295 0.536 JTJ38。 1 § Hn, CUBS ;分子 轨 道 的 第 ” 原子 轨道 的 系数 ,ep7 是 ;分 子 2 进而 永田 等 根据 福井 等 提出 的 芳香 族 化 合 物 激 发 状态 的 反应 性 理论 ， 有 具体 地 处 理 了 胸腺 喀 ee tt eee fa Oe dive wd Ch, ieee AA ,a 是 限制 反应 速度 的 阶段 。 可 以 预料 在 和 基态 相同 的 情况 下 ,过 滤 态 的 离 域 能 越 大 则 活化 能 越 小 , 则 容易 ?| 起 反应 。 这 种 情况 的 离 域 能 如 图 4-30 所 示 ; 并 根据 微 扰 理论 按 下 式 计 算 了 胸腺 喀 吓 和 其 他 一 些 化 合 物 的 离 域 能 : sB=7 rds (Oras) 要 全 体 占有 全 体 ] (cic)? 点 paps vyi~ 2 Da (2%) 2(e,—e€;) vy? (4,12) HPL AREA oe HL PA, HE FR AE RR PED 在 计算 中 已 略 去 "的 二 次 项 。 计算 结果 与 实验 值 基本 符合 ( 表 4_30)。 从 表 中 可 以 看 出 ， oan coailicrs stale We Hebb , See RE AR A A: BLE A RA, EB AS BY 也 和 基态 一 样 , 底 物 和 试剂 间 (此 时 基态 .激发 态 两 分 子 之 间 ) 的 电子 流动 是 稳定 化 的 重要 因子 。 有 趣 的 是 胸腺 喀 啶 、 尿 喀 啶 等 PMI ERATE 值 来 和 其 它 共 入 化 合 物 的 二 ;人 . 聚 体 相 比较 。 与 容易 起 光 二 聚 化 反应 的 化 合 物 草 比较 ， 胸 腺 喀 “ 图 4-30 基态 分 子 A, 激 发 分 子 As 啶 或 尿 喀 啶 的 反应 性 更 大 。 的 分 子 轨道 除 以 上 列举 的 工作 外 ,还 可 以 列 出 其 它 一 些 研究 工作 ,尤其 是 运用 较 精确 的 分 子 轨道 法 所 作 的 王 作 。 但 是 ,关于 胸腺 喀 喧 二 聚 体 的 生成 机 制 , 迄 今 仍 有 许多 不 清楚 的 地 方 。 例 如 ， 胸 腺 喀 啶 三 聚 体 的 生成 到 底 是 基于 怎样 的 力 ? 联结 在 C5 位 的 甲 基 ， 在 生成 二 聚 体 时 其 空间 位 阻 和 电子 效应 如 何 ? 等 等 ,还 有 待 作出 量子 生物 学 研究 的 回答 。 当 然 , 核酸 的 辐射 效应 和 光 生 物 学 问题 的 研究 就 更 加 复杂 和 需要 更 长 的 时 间 了 。 4.5 核酸 的 能 带 结构 ” 核酸 与 蛋白 质 分 子 一 样 也 具有 能 带 结构 。 自 60 年 代 以 来 , 曾 用 CNDO/2 法 .MINDO/2 法 和 了 -P-P 法 等 分 子 轨 道 法 计算 过 DNA 的 能 带 结构 。 有 实验 报导 ,DNA 具 有 半 导 性 !“] 。 这 可 能 是 由 于 DNA 分 子 中 的 共 斩 结 构 和 大 量 相 互 作用 的 非 偶 电 子 云 , 为 半 导 性 的 出 现 提供 了 条 件 的 缘故 ,这 也 正 是 一 般 的 有 机 半导体 的 特征 。 非 偶 电 子 的 能 级 相互 影 8 响 形成 宽阔 的 能 带 ， 并 且 扩展 到 整个 大 分 子 的 范围 。 激 发 这 些 非 偶 电 子 所 需 克 服 的 能 垒 (激发 能 ) 较 小 ， 因此 非 偶 电 子 容易 被 激发， 激发 后 ,就 在 整个 大 分 子 上 形成 一 个 传导 带 ， 这 就 出 现 了 半 导 性 。 ° 139 * 表 4-30 各 种 共 姨 化 合 物 的 生成 能 和 离 域 能 的 比较 = RE wh A (ie 离 域 能 Cy AM) 二 聚 体 生 成 能 * 2- FA 1,2-—*## ZAM : 9- Fee 9,10-— FRE * +,-—KRORAERMAE, +R. RH, (AE MAI Wek RAS — Rie (excimer), Ladik 等 40440401 J] HMO-LCAO 方法 对 DNA 中 的 能 带 结构 进行 了 计算 。 结 果 表 明 ，DNA 中 的 能 带 结 构 是 以 ([A-T) 和 (G-C) 碱 基 对 的 周期 交互 堆积 而 成 , 价 带 和 导 带 〈 最 低空 带 ) 之 间 的 禁 带 宽度 是 Fo=3.52 6V mm 2.69 eV 这 取决 于 碱 基 间 氢 键 上 的 氢 原 子 是 否定 位 于 碱 上 面 而 不 同 。Ladik 等 认为 ,PNA 分 子 中 的 电子 也 可 通过 由 杂质 或 结构 缺陷 而 产生 的 中 间 能 级 达到 导 带 。 Suhai 用 CNDO/2 CO 法 计算 了 DNA Bi-BEAR AAR IE Le Be TB BABE iE GE SP) SIAR +5 WR (polyA, polyT 和 polyC) 价 带 和 导 带 的 位 置 及 宽度 ,结果 见 表 4-31。 其 中 emi 表示 带 的 下 限 ,e。。 表示 带 的 上 限 Oe 表示 带 的 宽度 。 从 表 4-31 所 列 数据 可 以 看 到 ,poly SP 的 价 带 和 导 带 2 JI40。 表 4-31 RA. RT, RCHRSPHKPSSH ft # (eV) 导 带 (eV) *k 、 Emin Cmax Ge 人 mi omen 、 de poly A —9.749 一 9.575 3: 732 3.951 0.239 poly T —10.160 —9.642 1,810 2.022 0.211 poly C —10.692 —10.527 2.875 2.966 0.09 —12.644 一 上 25397 宽度 (分 别 为 0.053 eV 和 0.141 eV ) 并 不 比 同 聚 核 背 酸 的 小 多 少 。 因 此 ,可 以 设想 它们 和 同 聚 核 苷 酸 有 相近 的 导电 性 质 。 此 外 ,Suhai 等 还 计算 了 由 PO, 部 分 和 K+ 离 子 形成 双 层 引起 的 不 均匀 电场 对 核 背 酸 能 带 结 构 的 影响 。 表 4-32 给 出 了 在 有 无 电 双 层 时 CNDO/2 和 MINDO/2* 法 计算 所 得 到 的 四 种 多 核 FERS tr POT ar AY HEE 表 4-32 四 种 多 核 苷 酸 的 导 带 和 价 带 (eV)* de, de, AE de, de, AE wt 系 : (无 电场 ) (有 电场 ) poly A 0.26 0.11 13.97 0.28 0.36 13.83 poly T 0.05 0.13 14.19 0.11 0.44 14.00 poly G 0.26 0.01 12.19 0.32 0.43 11.94 poly C 0.06 0.23 13.26 _ 0.10 0.75 12.75 * 6s,( 价 带宽 ),6ee( 导 带宽 ),A 五 ( 价 带 与 导 带 之 间 的 距离 ) 从 表 中 可 以 看 到 , 导 带 和 价 带 的 宽度 增 大 了 。 由 此 可 见 ,PO4-K+ i Cail 的 带 结 构 有 重要 作用 ;所 以 在 处 理 DNA 电子 结构 时 必须 考虑 这 一 点 。 用 整个 核 苷 酸 作为 重复 单元 的 能 带 结 构 计算 给 出 了 从 糖 到 核 苷 酸 碱 基 有 ~0.2e 的 电荷 转 移 , 转 移 的 电荷 量 与 核 苷 酸 的 碱 基 类 型 无 关 。 研究 表明 ,多 核 苷 酸 的 价 带 (2*) 和 导 带 (zx+1) 是 碱 基 堆积 "型 ,而 2# 一 1 带 和 xm* + 2 带 是 “ 糖 -磷酸 根 链 ? 型 。 就 这 些 情 况 而 言 ,简单 的 HOMO( 给 FH) 一 >LUMO( 接 受 体 ) 的 电荷 转移 图 象 并 不 成 立 。 通过 对 n* +1 和 2%# 一 1( 即 最 高 充满 糖 - 磷酸 根 型 带 ) 能 量 间 隔 的 计算 。 Ladik Otto 等 指出 ， 由 于 较 大 的 能 量 间隔 (大 于 13 eV), 在 Hartree-Fock 水 平 上 能 够 排 Be B-DNA 中 生成 自由 电荷 载体 的 可 能 性 。 因 此 ,如 果 堆 积 碱 基 是 周期 性 的 ,B-DNA 将 成 为 固 AERO’, * # 4-31 4 CNDO/2 CO 法 计算 所 得 数据 ,用 MINDO/2 法 计算 结果 类 似 。 e。T41 。 4.6， 核 酸 和 蛋白 质 的 相互 作用 在 生物 系统 中 ,核酸 和 蛋白 质 的 相互 作用 是 最 重要 的 相互 作用 , 它 决定 和 联系 着 多 种 重要 的 反应 ,如 在 遗传 信息 传递 过 程 中 的 核酸 和 和 蛋白质 的 相互 作用 。 二 们 将 分 作 汪 人 和 仆人 这 种 相互 作用 的 量子 生物 学 研究 4.6.1 碱 基 对 与 丝氨酸 的 专 一 识别 这 方面 ,Hosur 等 (9 在 进行 了 聚 L -丝氨酸 与 聚 U、 聚 A 以 及 聚 A- 聚 口 复合 物 键 合 的 NMR 和 UV 实验 之 后 ,对 聚 工 -丝氨酸 与 A-U、.G-C 碱 基 对 相互 作用 作 了 理论 计算 和 讨论 。 阐 明了 聚 L- 丝 氮 酸 与 碱 基 对 结合 的 专 一 识别 中 蛋白 质 骨架 的 作用 。 从 计算 结果 看 , 他们 对 多 肽 骨架 和 核 酸 碱 基 间 的 相互 作用 模型 (图 4-31 ) 作 了 详尽 的 分 析 ,强调 了 碱 基 序 列 专 一 识别 的 重要 性 。 定 性 的 结论 是 :相互 作用 模式 对 专 一 识别 的 贡献 取决 于 这 些 模式 是 否 能 在 任 一 片 列 中 识别 A-U(T), U(T)-A,G-C 和 C-G 碱 基 对 。 考 查 这 些 碱 基 对 和 多 肽 骨架 之 间 在 大 沟 中 的 氢 键 (图 4-32) 显 示 出 :A-U(T) 和 C-G 碱 基 对 具有 相同 的 氢 键 方向 (IN~> 0 ) ,而 A-U(T) 和 G-C 则 显示 出 相反 的 氨 键 方向 。 这 说 明 在 成 键 位 置 具有 固定 几何 模型 的 蛋白 质 肽 骨架 由 于 不 同 的 氢 键 方向 使 之 能 容易 地 根据 G-C 辨别 A-U(T) 或 根据 C-G 辨别 U(T)-A 蛋白 质 ( 主 沟 ) 蛋白 质 ( 主 沟 ) Ct oe ; 32S 蛋白 质 (主流 ) 蛋白 质 ( 主 沟 ) 之 sft | 5 os Cae — poet : Uy) 图 4-31， 肽 链 通过 H- 键 桥 跨 越 至 碱 基 对 ， 并 产生 两 种 : 图 4-32 不 同 的 图 形 一 一 八 元 环 和 九 元 环 。 Be 4-32 给 出 了 对 不 同 的 空间 允许 的 多 肽 骨架 构象 , 肽 和 碱 基 对 之 间 的 相互 作用 能 。 必 须 壹 意 ,关于 相互 作用 能 的 这 些 结果 反映 的 是 在 真空 中 的 情形 。 而 在 水 溶液 中 肽 与 碱 基 对 结合 会 寻 ick AD 2A BA AAS , ATT LS FATA FAC RE ARG Ag IG APH , 这 些 贡献 目前 还 未 给 予 充分 的 考虑 。 从 表 4-33 可 以 看 出 ,A-U 和 G-C 对 具有 极 不 同 的 相互 作 用 能 。 这 些 结果 将 有 助 于 聚 工 -丝氨酸 结合 碱 基 对 的 大 多 数 实 验 结果 的 解释 。 现 有 的 实验 表明 , HEL 丝 氨 酸 跟 聚 A,. 聚 U 和 聚 A- 聚 口 结 合 是 通过 涉及 肽 链 和 核 苷 酸 ( 或 碱 基 对 ) 的 五 键 实现 的 。 © 142 。 ¥ 碱 基 对 | 环 大 小 相互 作用 能 “| 构象 能 | 。 稳定 化 能 “| A nm) | AR uw) A-U 8 | 200 330 300 0 —6.7 6 0.7 0.303 13.8 0.322 8.4 G-C 8 210 320 98 130 —13.2 7 —6.2 0.306 3.0 0.295 0.3 A-U 9 80 150 50 270 一 8.5 2 —6.5 0.285 13.4 0.286 3.2 A-U 9 72 210 340 270 —6.7 4 2.7 0.287 6.7 0.287 0.7 A-U 9 60 230 330 270 6.1 6 —0.1 0.287 6.7 0.287 1.6 G-C 9 20 200 0 330 apa 4 TO 0.288 16.3 nee 0.286 35.4 G-C 9 60 70 180 270 —9:5 4 —5.0 0.293 6.0 0.285 BA @ 有 和 % 角 定义 当 取 反 式 位 置 时 作为 零 : ~=N—C*—C’—NAld=C’—N—C*—C’, 不 难看 出 , 肽 链 跟 G-C 对 的 相互 作用 强 于 A-U 对 的 相互 作用 ,这 是 由 于 A-U 对 和 G-C 碱 基 对 电荷 分 布 不 同 所 致 。 4.6.2 B-DNA 与 多 肽 的 相互 作用 为 了 研究 与 DNA 结合 的 蛋白 质 骨 架 的 成 键 性 质 ,Otto .Clementi UZ 照 由 实验 得 到 的 结构 数据 ,建立 了 一 种 B-DNA 与 多 肽 相互 作用 的 模型 。 在 处 理 时 ,对 于 周期 性 单 股 DNA 螺旋 仍 用 聚 C98 T.3R A, 3 OG Fil 3B (Asp) AR (Tsp) FE 示 , 而 Watson-Crick 碱 基 对 G-C 和 A-T 以 及 二 核 苷 酸 Asp-Tsp 则 选择 来 作为 DNA 双 螺 旋 模型 大 分 子 的 基本 单位 。 对 于 多 肽 则 选取 聚 甘氨酸 并 采用 六 种 构象 ,它们 是 : 充 分 伸展 的 B- 折 友 形 式 的 聚 甘氨酸 (PGFE) ,w- 螺 旋 (PGcH) ,以 及 螺旋 轴 与 DNA 一 致 ,螺旋 半径 约 为 1.5 nm， 螺 距 分 别 为 B-DNA 螺 距 的 三 倍 ,两 倍 、 等 长 和 四 分 之 一 的 聚 甘氨酸 螺 旋 ( 记 作 PG 101,PG 67, PG 33,PG8 ) 。 首先 ,对 聚 甘氨酸 的 上 述 六 种 构象 进行 能 带 结 构 计算 ,根据 每 单 位 ( 含 二 个 甘氨酸 ) 的 总 能 量 ,推测 出 稳定 性 由 大 到 小 的 次 序 是 PGFE,PGwxH ,PG 33,PG 8,PG 101, 依据 分 子 间 相 互 作 用 的 一 般 理论 ,运用 相互 自 洽 场 (the mutually consistent field) 方 法 523] 和 微 扰 理论 表达 ,对 B-DNA 多 肽 相互 作用 模型 的 理论 计算 结果 归纳 在 表 4-34 和 4-35。 表 中 第 二 列 给 出 静电 、 极 化 ,交换 .电荷 转移 四 种 能 量 ,第 三 列 为 色散 能 ,最 后 一 列 为 相互 作用 能 的 总 分 析 理 论 计 算 所 获得 的 结果 ,再 根据 有 关 核 酸 组 蛋白 复合 物 的 分 子 亚 单 位 计算 研究 以 及 阻 过 物 蛋 白 的 实验 迹象 ,Otto 等 推断 出 适合 于 实际 体系 的 一 般 结 论 。 ” 143 » 表 4-34 充分 伸展 构象 的 聚 甘 氨 酸 和 周期 性 单 . 双 股 DNA 螺 旋 间 相互 作用 能 贡献 〈kcal/mol) ~ 充分 伸展 的 聚 甘氨酸 (PGFE) B-DNA 模型 E .1+po1 cT Bai yf poly A — oa ak 523 poly G a HL —Z.0 oe poly T yeas —4.4 — eo poly C ou = ae Tae poly (ASP) 一 24.6 =—1.7 —26.3 poly (TSP) —21 2 — ey. me! poly (A—T) 4-6 6.9 —16.5 poly (G—C) a es hh: 8 —i3.5° { poly (ASP—TSP) 一 24.4 =2.8 Bie 4-35 B-DNAS WH, RCASP) HE CASP-TSP) 53) 与 不 同 螺旋 构象 的 聚 甘 和 氨 酸 的 相互 作用 能 (kcal/mol) B_DNA 模 型 聚 甘氨酸 螺旋 poly (ASP) poly(ASP-TSP) EB ois pottextet | Bais | EF EE itp vexttt Bais EF | | —14.4 —4.8 (1) 充分 伸展 的 B 多 肽 骨架 是 最 稳定 的 , 且 按照 相互 作用 模型 ,每 隔 一 个 就 有 另 一 个 氨基 酸 残 基 指 向 DNA 螺旋 并 将 与 磷酸 根 的 邻接 碱 基 相 互 作用 。 不 过 这 种 可 能 性 相当 小 ,因为 PGFE 与 DNA 仅 在 两 链 准确 配合 在 一 起 时 才 形成 强 有 力 的 定 域 键 ,而 一 旦 这 种 情形 发 生 ,属于 充分 伸 展 构象 并 且 有 中 性 或 亲 水 性 侧 链 的 肽 单位 将 会 有 关于 转动 的 高 度 灵活 性 。 显 然 维持 蛋白 质 功能 的 结构 不 能 归 因 于 这 些 松 弛 相 联 的 区 域 和 可 流动 的 多 肽 序列 。 (2) 对 c- 螺 旋 构 象 , 每 个 DNA 螺 距 的 独自 相互 作用 能 仍 小 于 PGFE。 呈 这 种 构象 形式 的 | 一 个 较 长 的 多 肽 序列 相对 于 DNA 而 言 会 使 这 一 区 域 变 得 更 易 为 化 学 反应 攻击 。 此 外 ,每 隔 4/5 | 个 氨基 酸 侧 链 就 与 DNA 亚 单位 的 合适 的 成 键 位 置 相 冲 突 。 于 是 较 好 的 成 键 性 质 可 以 通过 导入 一 种 形变 为 线性 多 肽 链 而 获得 ,结果 c- 螺 旋 服 从 于 某 种 程度 的 DNA 螺旋 而 伸展 。 (3) PG 33 与 DNA 间 的 最 大 相互 作用 能 有 力 地 支持 了 DNA 能 够 在 多 肽 链 的 构象 上 引入 下 它 的 螺旋 对 称 性 的 假设 。 这 一 假设 是 由 肽 和 核 苷 酸 碱 基 间 存在 的 化 学 计量 法 提议 的 ， 符 合 于 在 “合成 的 基本 同 聚 肽 -DNA 复合 物 中 所 得 到 的 1:1 关系 。 当 然 , 由 于 PG 33 的 半径 大 于 DNA 螺 旋 的 半径 ,为 构成 PG 33 螺旋 , 比 核 苷 酸 单位 多 两 个 甘氨酸 是 必要 的 。 其 它 多 肽 螺 距 不 同 于 B- * 1446 > r “ae 5 ea ‘al “ 5 DNA 参数 的 情形 ,其 可 能 构 型 的 稳定 性 来 自 侧 链 与 DNA HAE, Ai ER we AA 两 氨 酸 的 序列 将 再 次 成 为 不 稳定 的 复合 物 区 域 。PG 33 则 不 同 ,即便 缺乏 合适 的 氨基 酸 残 基 ,多 肽 骨架 对 整个 复合 物 的 稳定 化 仍 能 作出 最 基本 的 贡献 ,而 两 链 亚 基 间 的 相互 作 用 则 是 使 键 强度 增加。 然而 ,必须 指 册 ,上 述 三 点 结论 仍旧 存在 着 明显 的 不 足 之 处 。 究 其 原因 , 除 其 它 因素 外 ,就 理论 计算 本 身 而 言 ,是 由 于 作 了 几 点 近似 , 即 某 些 亚 基 间 可 能 存在 的 相互 作用 的 忽略 ,多 肽 骨架 完全 周期 性 的 假定 以 及 周围 水 合 离子 效应 的 忽略 。 4.6.3 遗传 密码 子 与 氨基 酸 的 相互 作用 在 本 书 中 ,有 关 遗 传 密码 子 的 叙述 可 参见 7.2.1.1、7.2.1.3 和 7.2.2.2、7.2.2.3。 这 里 ， 我 们 仅 就 遗传 密码 子 与 氨基 酸 相互 作用 的 理论 计算 作 一 简 述 。 首先 ,需要 指出 的 是 ,我 国 科学 工作 者 乐 树 云 . 江 寿 平 已 经 对 密码 子 与 反 密 码 子 的 识别 和 相 互 作用 进行 了 理论 计算 。 作者 等 在 如 图 4-33 所 示 的 模型 的 基础 上 ,根据 (4.13) 式 作 了 计算 ， 1。 图 4-33 ”密码 子 -氨基 酸 相互 作用 模型 (A) 丙 氨 酸 -密码 子 ， 图 中 仅 示 出 第 一 碱 基 G。 (B3) 精 氨 酸 -密码 子 ，I. 羧基 c- 矶 平面 ，II. 碳 链 平面 ， TT. 版 基 平面 ，IV。 第 一 碱 基 C 平面， V. 第 二 碱 基 G 平面 。 Ey=E 5+ Ese + By (4.13) AP, 2,, 表示 单 极 子 - 单 极 子 相 互 作用 ; 瑟 ,s 表示 单 极 子 -诱导 偶 极 子 相互 作 用 ; B. 表示 色散 相 互 作 用 能 。 它 们 分 别 为 : PiP; 要 (4.14) 1 ， E,a=— Bass Esse + Bes saa | == Fan (Exse)? + 04(Ensa)?] (4.15) 因为 到 二 CQ5E242p 635,—a,E,,, Pi 下 ,pp 一 LTP eR: AB UR) Bs Ps RP qa ies BA (Ry A ‘Pine Se Pt Tl, + BeRSS (4.16) ag iss 结果 如 表 4-36 所 示 。 表 4-36 密码 子 -氨基 酸 相互 作用 能 相对 值 比较 (kecal/mol) 密 码 子 精 Rm 密 码 + 两 me CGU 7 GCA —6.889 CGC 一 1.492 GCG 一 8.392 CGG 一 8.436 GCC 一 3.912 CGA —5.479 GCU 一 3.190 分 析 表 4-36 中 的 能 量 值 可 以 看 到 ,虽然 遗传 密码 是 简 并 的 , 即 一 个 氮 基 酸 能 被 多 个 密码 子 所 限定 ,但 其 中 可 能 存在 着 一 个 最 优势 密码 , 它 的 转译 能 力 最 强 。 璧 如 由 确定 精 氨 酸 的 六 个 简 并 : 密码 中 所 计算 的 四 个 密码 子 来 看 ,CGG 最 占 优势 ,但 是 它 的 反 密 码 子 GCC 在 确定 ARMY. At FF 0S PAA 4 HEH (— 3.912 kcal/mol) ,在 丙 氨 酸 密码 中 ，GCG 占 优 势 〈 一 8.392 kcal/ mol), 4.7 ”核酸 和 水 的 相互 作用 在 量子 生物 学 研究 领域 ， 人 们 日 益 重视 溶液 介质 对 生物 大 分 子 结构 与 功能 的 影响 。 毫 无疑 旺 问 ， 最 有 意义 和 最 有 价值 的 理论 计算 ， 是 对 最 接近 活 细胞 中 实际 存在 的 大 分 子 结构 和 反应 活性 “ 部 位 直至 这 些 大 分 子 与 其 它 分 子 相 互 作 用 的 计算 。 诚 然 ， 这 样 的 计算 在 目前 尚 存 在 着 某 些 实际 上 的 不 可 行 性 。 但 是 整个 量子 生物 学 的 研究 ， 从 认识 论 到 方法 学 都 在 朝 着 解决 这 些 问 题 的 方向 发 展 。 像 核酸 和 蛋白 质 这 样 一 些 生 物 大 分 子 在 活 细胞 中 的 存在 形式 ， 过 去 给 人 的 印象 似乎 总 是 相 当 坚固 的 。 这 也 并 非 没 有 一 点 道理 ,因为 磷酸 基 团 对 核 苷 酸 的 坚固 性 是 有 力 的 说 明 , 而 且 任何 功 能 运动 都 可 以 通过 围绕 磷酸 二 酯 键 的 旋转 而 产生 。 因 而 根据 单 核 苷 酸 是 坚固 的 见解 ， 就 得 出 了 核酸 的 功能 单位 一 一 多 核 苷 酸 也 是 刚性 的 和 坚固 的 结论 。 可 是 ， 实 际 存在 的 核酸 或 蛋白 质 总 是 处 于 一 定 的 溶液 介质 之 中 。 事 实 上 ， 来 自 各 方面 的 证 据 都 指出 处 于 真实 溶液 状态 下 的 核酸 和 和 蛋 白质 是 柔性 的 ， 即 所 谓 柔 性 分 子 。 因 此 ， 研 究 核酸 和 水 的 相互 作用 就 成 了 量子 生物 学 的 重要 课 题 ， 尽 管 这 样 的 研究 在 电子 水 平 尚未 取得 令 人 鼓舞 的 成 果 ， 但 进展 却 是 迅速 的 。 © 146 “9 e 例如 ，Pullman 等 5 通过 量子 力学 计算 获得 了 核酸 中 单个 碱 基 Tel AE 用 产生 的 围绕 碱 基 周 围 的 第 一 (也 是 唯一 ) 水 合 层 (first hydration shell) 的 最 稳定 状态 ， 如 图 4-34 所 示 的 水 合 状态 图 。 在 仔细 地 讨论 这 些 水 合 层 的 结构 之 前 ， 我 们 不 妨 先 来 看 一 看 水 本 身 相 互 作用 的 情形 。 在 理 想 的 H;O-H:O 二 育 体 中 。 水 分 子 间 的 相互 作用 能 是 一 6.7 kcal/mol, 而 在 中 心 水 分 子 周围 有 4 个 水 分 子 包 围 的 情况 下 , 水 分 子 间 的 相互 作用 能 是 一 5.1 kcal/mol。 我 们 可 以 分 别 用 这 两 个 能 量 值 作 为 区 别 水 分 子 是 否 和 “了 碱 基 ? 结 合 的 界限 。 从 图 4-34 可 以 看 到 ,其 中 的 相互 作用 能 都 大 于 一 5.1 kcal/mol, 因此 这 些 水 分 子 都 属于 碱 基 水 合 层 之 内 ， 而 用 一 6.7 kcal/mol 作 为 界限 ,一些 小 于 这 一 数值 的 水 分 子 就 将 不 属于 碱 基 的 水 合 层 之 内 。 ate 10 > -10. at mre 一 9.32 o HY ¥ N he ne See Oe a ne N H > H 一 8. 让 “31 — 10,45 A T ae ~12.89 i H ee H Ze \—n Lek — 6.93 Pace : nee oN H bye 下 人 ee AN — 11,25 一 7.60 Fiat - C 图 4-34 核酸 碱 基 的 水 合 状 态 Pullman 同时 采用 了 一 5.1 和 一 6.7 kcal/mol 这 两 个 数值 来 作为 “结合 "水 分 子 的 最 低下 限 , 获 得 了 大 致 相同 的 结果 。 不 同 之 点 也 只 是 由 于 计算 标准 的 选取 不 一 样 引起 的 。 因 此 ,我 们 只 介绍 接 第 一 个 标准 获得 的 结果 。 有 关 碱 基 - 水 相互 作用 的 必要 参数 收集 在 表 4-37 中 。 它 们 是 水 侣 层 内 的 水 分 子 数 、 碱 基 - 水 相互 作用 能 以 及 为 建立 碱 基 -水 相互 作用 而 断 开 水 -水 相互 作用 所 需 要 的 水 合 能 。 由 表 4-36 可 见 ，A-T 和 G-C 碱 基 对 与 它们 的 二 聚 体 A+T 和 G+C 相 比 ， 水 合 能 分 别 减少 了 5.8 kcal/mol 和 18.8 kcal/mol， 与 水 合 层 内 减少 的 水 分 子 数 成 对 应 关系 。 减 少 的 水 分 子 数 分 别 为 一 个 和 四 个 。 此 外 ，A-T 碱 基 对 较 G-C 碱 基 对 在 水 合 层 内 多 含 一 个 水 分 子 。 江 寿 平等 555 利 用 分 子 间 相 互 作用 的 势能 函数 研究 了 核酸 碱 基 CA 与 水 的 相互 作用 。 结 果 表明 , 碱 基 C.、A 与 水 相互 作用 能 的 极 小 值 及 其 最 优 的 水 合作 用 位 置 (图 4-35 和 4-36) 与 Pullman 了 147。 表 4-37” 碱 基 和 碱 基 对 水 合 状态 能 Ckcal/mol) wk 基 水 合 层 内 水 分 子 数 与 水 相互 作用 能 水 A 能 A 4 一 38.8 一 18.4 T 3 —26.7 一 11.4 G 5 一 49.5 一 24.1 C 4 一 33.1 一 12.7 A-T 6. 一 54.6 一 24.0 G-C 5 一 43.5 一 18.0 A+T 7 —65.5 —29.8 G+C 9 —82.6 、 —36.8 (A+T)-(A-T) 一 5.8 (G+C)-(G-C) —18.8 等 人 所 获得 的 结果 接近 ， 但 在 方法 上 作 了 很 大 简化 (参见 9.2.2.1)。 研究 表明 ,为 了 使 形成 的 互补 碱 基 对 总 体 运 动 更 趋 平 衡 , 也 必须 考虑 由 于 碱 基 间 氢 键 引起 的 相互 作用 能 。Puillman 等 5 对 此 也 作 了 计算 ， 其 结果 是 : 碱 基 内 相互 作 用 能 A- 工 碱 基 对 为 —14.6 kcal/mol, G-C 对 为 一 22.9 kcal/mol。 这 个 数值 与 从 质 谱 仪 测定 的 真空 状态 下 碱 基 结 合 能 (A-T 对 是 一 13.0 kcal/mol, G-C 对 是 一 21 kcal/mol) 的 实验 值 十 分 接近 5 。 由 此 可 以 概括 为 Peta (1) 水 合 G- C 对 较 水 合 A-TH EB, 它们 的 总 相互 作用 能 (REA + KA) 分 别 为 —40.9 和 一 38.6 kcal/mol, (2) 7 A-T HA G-C 对 相对 于 它们 的 共聚 物 (A+I) 和 (G+C) 更 稳 定 ,稳定 能 分 别 是 一 8.8 和 一 4.1 kcal/mol, 从 这 里 可 以 看 到 ,水 合作 用 使 共聚 物 相 对 于 碱 基 对 起 失 了 部 分 稳定 性 ,对 于 G-C 对 更 是 如 此 。 不 过 碱 基 对 之 间 的 氨 键 和 堆积 碱 基 间 的 相互 作用 使 水 溶液 中 的 核酸 仍然 保持 构象 的 稳定 。 其 实 ,实际 状态 的 核酸 并 不 象 我 们 想象 的 那么 坚固 ,而 是 由 于 水 合作 用 而 具有 一 定 的 柔性 。 无 疑 ,有 关 溶 剂 效应 的 理论 计算 对 于 核酸 与 水 相互 作用 的 研究 是 重要 的 。 过 去 在 处 理 溶剂 效应 时 ,是 采用 所 谓 “ 连 续 ? 模 型 的 方法 ,而 用 量子 力学 方法 处 理 是 “分 离 2 的 所 谓 - 超 分 子 模型 处 理 , 即 把 溶质 和 邻近 同 它 相 互 作用 的 溶剂 分 子 作为 一 个 整体 进行 处 理 。 这 种 方法 是 由 Pullman 提出 的 。 运 用 “ 超 分 子 模型 ?法 可 处 理 溶 剂 分 子 , 如 水 在 生物 分 子 上 最 可 能 的 结合 位 置 , 从 而 帮助 我 们 了 解 溶剂 对 生物 分 子 的 影响 。 研 究 表明 , 腺 味 哈 和 鸟 嘎 叭 最 适 的 水 合 位 置 有 三 个 ,而 胞 喀 喧 和 胸腺 喀 喧 有 三 个 (图 4-35、 图 4-36) 图 4-36 表示 胞 喀 了 啶 的 水 合 情 况 . 从 图 中 可 见 ,在 胞 喀 啶 中 N 3 位 提供 了 最 有 利 的 水 合 位 置 。 ， 江 考 平 等 的 计算 还 提示 5 ， 核 酸 碱 基 ( 如 胞 喀 啶 和 腺 嗓 怜 ) 的 水 合作 用 最 优 位 置 和 水 合作 用 能 的 分 布 是 与 碱 基 分 子 中 各 原子 的 净 电 荷 分 布 紧密 相连 。 在 胞 喀 喧 中 因 N 3 原子 的 净 电 荷 最 负 ( 一 0.663) 而 胞 喀 啶 水 合作 用 的 第 一 最 佳 位 置 就 是 在 N 3 附近 的 最 小 值 位 置 I。 在 腺 ERI 带 负电 荷 的 各 原子 的 净 电 荷 按 其 绝对 值 大 小 排列 的 顺序 A, N 7( 一 0.557),N 1(—0.518),N3 ”148 ， z | -408 ~$36 aN b" iin \-4.14 必 + \ -6.11 we ive -6D ae | ‘ls | bs \ ? 一 8.02 ? il “i Po 《 po | | 4 一 :一 NT1- (ia -11,50 I-11, 67 oe LH | | 8C——H at ate wa a. 一 7.67 79.81 C2 1 od. ? ¢d &H， HSN | eo aoe ¢ hy ae ed H H’” 一 3.53 6 = — 6.30 由 -二 | SN 7). peri at cp i - 5.35 一 10. 10 . Sane | 图 4-35 改进 势能 法 计算 的 腺 顺 叭 的 水 合作 用 图 4-36 改进 势能 法 计算 的 胞 喀 啶 水 合作 用 图 中 实 图 中 粗 线 表示 其 最 佳 的 水 合 位 置 , 实 线 表示 与 线 表示 与 胞 喀 啶 共 面 ， 虚 线 表示 不 与 胞 喀 啶 共 面 ， MRIS SET, MEA eR ARS WRENS SE 粗 实 线 表示 其 最 佳 的 水 合作 用 位 置 ， 能 量 单位 : kcal/mol( 详 细 数据 见 [52J) 。 (一 0.510),N6( 一 0.439),N9( 一 0.192)。 而 由 改进 势能 法 计算 的 腺 味 叭 水 合作 用 的 最 佳 位 置 的 排列 顺序 是 与 之 对 应 的 , 即 N7 一 C=N6,N3 一 N9H,N1I 区 域 (参见 图 4-35 和 图 4-36), 由 此 可 见 ， 由 改进 势能 法 计算 的 碱 基 的 水 合作 用 能 是 与 它们 的 原子 净 电 荷 分 布 紧密 相连 的 。 因 此 可 以 期 望 利用 现 有 非 经 验 ab initio 或 CNDO 等 方法 计算 的 生物 分 子 的 电子 结构 资料 而 进行 生物 分 子 相互 作用 的 研究 。 4.8 核酸 的 分 子 静 电势 研究 在 这 一 节 里 ,我 们 将 转 而 讨论 运用 分 子 静 电势 (参见 2.2.6) 来 研究 核 酸 分 子 的 静电 整体 特 征 , 进 而 帮助 读者 理解 分 子 整体 结构 对 其 反应 位 置 和 反应 活性 的 影 我 们 知道 ,在 分 子 间 的 相互 作用 中 ,静电 相互 作用 是 最 基本 ,最 重要 的 相互 作用 。 由 此 可 见 ， 对 静电 因素 的 充分 了 解 无 疑 将 会 给 我 们 提供 关于 生物 分 子 的 许多 性 质 。 这 或 许 就 是 分 子 静 电势 这 一 量子 化 学 概念 和 方法 近 几 年 来 在 国际 上 日 益 受 到 量子 生物 学 普遍 重视 的 一 个 重要 原因 。 以 下 我 们 将 从 简单 的 组 成 单元 逐步 过 滤 到 复杂 的 生物 分 子 本 身 这 一 研究 程序 来 予以 叙述 ， 4.8.1 核酸 基本 组 成 单元 的 分 子 静 电势 在 具体 计算 核酸 基本 组 成 单元 ( 碱 基 、 糖 和 磷酸 基 ) 的 分 子 静电 势 时 , 可 根据 我 们 的 计算 目的 和 已 经 具备 的 计算 条 件 , 按 第 二 章 中 有 关 分 子 静电 势 的 计算 原理 和 方法 分 别 采 用 CNDO/2 法 或 从 头 计算 法 来 获得 分 子 波 国 数 ,进而 计算 分 子 静 电势 。 149 图 4-16 是 用 等 势 线 表 示 的 碱 基 平 面 内 的 计算 结果 。 在 4.2.3 中 我 们 已 经 简介 了 核酸 碱 基 的 分 子 静 电势 ,对 于 磷酸 二 酯 单元 和 糖 等 基本 单元 也 可 按 同 样 的 ab initio 法 或 CNDO/2 法 等 进行 处 理 , 并 可 把 计算 扩 RA 各 种 构象 和 稀有 碱 基 554-60T 4.8.2 较 高 单元 的 分 子 静电 势 i 作为 第 二 步 , 是 计算 由 上 述 基 本 单元 复合 而 成 的 核 昔 等 核酸 的 高 一 级 单元 的 分 子 静电 势 。 但 是 ,正如 第 二 章 中 已 经 讨论 过 的 那样 ,要 想 对 整个 核酸 分 子 进行 严格 的 CNDO/2 或 ab initio 计算 ,至 少 在 目前 是 不 可 能 的 ,或 者 是 极端 困难 的 。 近 几 年 来 , Pullman “81-19 pe 7 — 种 近似 方法 , 即 用 各 个 个 别 小 单元 的 势能 的 迭 加 来 构成 整个 系统 的 势 的 方法 。 对 离 原点 距离 不 AULA, 采用 电子 密度 的 重 稚 多 级 展开 (overlap multipole expansionyOMTP) 方 法 , 可 以 天 大 简化 计算 ,降低 计算 机 费用 (ss 。 理 论 研究 和 计算 实践 均 表明 ,OMTP 可 以 相当 满意 屯 计 算出 有 关 组 分 单元 的 任何 原子 在 0.2 nm 以 外 的 势能 的 精确 值 。 当 然 ,在 0.2 nm 以 内 的 各 点 ; 视 情况 其 势能 一 般 可 由 ab initio 法 直接 得 到 。 OMTP 方法 的 要 点 是 用 多 中 心 多 级 展开 来 代替 严格 的 电子 密度 分 布 函数 (由 ab initio 法 所 得 ), 对 任 一 由 m 个 原子 组 成 的 单元 ,展开 点 为 %(a+1)/2 个 。 最 简单 的 例子 就 是 如 图 4-37 所 示 的 A—T #1 G 一 C 在 其 碱 基 平面 上 的 分 子 静电 势 。 不 难看 出 , 碱 基 对 与 在 单个 天 基 中 的 芝 能 极 小 值 的 位 置 改变 非常 小 ,它们 的 吸引 力 最 强 的 位 置 顺序 是 ， G-C ¥#fH, N7(G)>N3(G)~06(G) >02(C) A-T#H, N3(A)>N7(A)>02(T)>04(T) Jot, BS N7 位 置 的 负电 势 最 大 ,其 吸引 力 最 强 ( 指 对 于 亲 电 试剂 的 进攻 )。 在 形成 气 键 的 碱 基 对 所 在 区 域 中 ( 胞 喀 啶 的 N3, 腺 味 叭 N1， 鸟 味 叭 的 06 及 胸腺 喀 啶 的 O4), 孤立 碱 基 中 的 负 电势 基本 上 (或 几乎 ) 被 对 面 位 置 的 强 排斥 势 抵消 了 。 -55 -60 peer [Z-65 -710 B-» palo Le eek; Pe AA FN 本 re Le SN 02 -50 9 -58 zee ot tae) / N H 下 “55 kee-& 70. fs -70.8) 图 4-37 DNA 了 碱 基 平面 上 的 分 子 静电 势 (4)A-T 对 ，( 了 3)G-C 对 s 150° 4.8.3 一 段 完 整 的 B-DNA 双 螺 旋 的 分 子 静电 势 作为 处 理 一 段 完 整 的 B-DNA 双 螺 旋 模型 的 第 一 步 ,是 先 研究 一 小 段 螺旋 。 以 G-C 作为 中 心 碱 基 对 的 情形 为 例 (图 4-38) ,首先 考虑 螺旋 的 两 条 糖 -磷酸 根 主 链 对 中 心 G-C 碱 基 对 周围 电 势 的 影响 ( 表 4-38)， 然 后 再 与 上 、 下 碱 基 对 的 影响 欠 加 ( 表 4-39)， 便 可 得 到 势能 极 小 值 的 总 数 值 .再 次 适 加 这 些小 段 螺 旋 基 本 单元 的 静电 势 , 就 可 得 到 一 段 完整 的 双 螺 旋 单 位 在 空间 任何 一 点 的 分 子 静电 势 。 表 4-38 G-C 碱 基 对 在 不 同情 况 时 各 个 位 置 上 的 静电 势 极 小 值 Ckcal/mol) 单个 碱 基 配 对 碱 基 n—w—n—"— 270 Bm 424m 图 4-38 小 段 DNA 螺 旋 模 型 图 4-39 由 糖 -= 磷酸 根 主 链 产生 的 双 螺 旋 在 平面 己 上 的 等 势 线 ¢ 151 。 根据 这 一 思想 ， 作 者 等 5 ”1 首先 计算 了 仅 由 螺旋 内 外 的 糖 -磷酸 双 螺 旋 主 链 所 产生 的 分 子 静电 势 。 计 算 时 考虑 了 所 有 的 磷酸 根 ,但 只 考虑 与 各 个 计算 平面 相距 最 近 的 4 个 糖 , 计 算 范围 是 离 螺 旋 轴 0.4nm 至 1.6nm。 图 4-39 是 平面 己 的 计算 结果 ,其 中 有 几 点 是 值得 注意 的 ， (1) 由 于 磷酸 根 影响 的 总 和 效应 , 势 的 数值 比 单个 磷酸 根 要 大 得 多 。 (2) 主 链 势 在 空间 上 扩展 很 远 , 递减 较 慢 , 数量 上 似乎 与 距离 成 反比 , 形状 上 有 具有 明显 的 外 Tal A Hh HE (3) 势能 极 小 值 的 二 个 地 方 ( 一 580 和 一 590 kcal/mol) 出 现在 大 沟 中 部 的 两 边 。 很 清楚 这 是 由 于 面向 该 沟 的 最 邻近 磷酸 根 上 的 氧 阴离子 所 造成 的 。 离 轴 等 距离 时 ， 由 于 指向 小 沟 的 糖 氧 原子 的 影响 ， 使 丈 方向 电势 优 于 允 方 向 电势 (4) 相距 0.084 nm 平行 于 平面 已 的 一 系列 平面 已 /、 忆 和 书 / /上 的 等 势 曲线 与 平面 书 非 常 相似 。 只 是 大 沟 中 的 势能 极 小 值 略 有 差别 .分 析 上 述 各 平面 和 各 方向 的 电势 ,可 以 外 推出 由 糖 - Tole PGS AA REP AE Se SH a TIE. 图 4-40(B) 2 B-DNA 边界 区 域 等 势 面 的 形状 ( 包 含 了 四 小 段 完整 的 双 螺 旋 ) ， 它 清楚 地 表现 了 分 子 的 双 螺 旋 特 征 。 在 上 述 主 链 势 计 算 的 基础 上 ， 进 而 考虑 引进 G-C 或 A-I 碱 基 对 所 引起 的 变化 。 在 实际 计算 ， 时 ， 可 以 只 考虑 影响 力 最 强 的 碱 基 对 (平面 尸 两边 各 二 对 ) 。 图 4-41 是 聚 (4G。dC) 的 大 沟 和 小 沟 以 及 在 平面 已 上 等 势 线 的 轮廓 。 从 图 中 可 以 看 出 ,大 沟 含 N4(C)N7(G).O6(G) 而 小 沟 含 N2 (G)、.N3(G) 和 0O2(C)。 最 引 人 注 目的 特征 是 聚 (dG“。dC) 中 的 大 沟 有 最 强 的 势 .与 主 链 势 相 比 ， 只 是 在 距离 螺旋 轴 较 近 的 地 方 ， 等 势 线 的 形状 和 数值 才 因 引入 聚 (4G。dC) 而 有 所 变化 。 表 4-40 列 出 了 碱 基 对 上 特别 重要 的 几 个 活性 位 置 的 劳 极 小 值 ， 并 与 自由 碱 基 、 核 背 、 核 背 酸 、 单 股 螺旋 和 双 股 螺旋 相应 位 置 上 的 势 值 作 比 较 。 4, WR ERD B. B-DNA 外 边界 等 势 面 的 透视 图 图 4-40 从 表 中 可 以 看 出 ， 势 极 小 值 主要 出 现在 碱 基 平面 环 所 和 闻 基 氧 附 近 , 势 能 最 小 值 通常 在 N7 (G) 。 在 碱 基 平 面 外 ,静电 势 极 小 值 则 出 现在 碱 基 的 氨基 、 味 叭 的 C8 和 喀 啶 的 C5 一 C6 键 等 处 .从 表 中 可 看 出 一 个 极其 显著 的 特点 是 ， 随 着 体系 的 复杂 化 ， 静 电势 最 小 值 的 绝对 值 ( 深 度 ) 逐 渐 加 大 。 当 核 苷 酸 经 单 螺 旋 时 ,增加 尤为 显著 ,这 是 由 于 磷酸 根 在 碱 基 周 围 产 生 的 强势 及 碱 基 本 身 电 。 152 。 图 4-41 聚 (dG.dC) 中 的 主 沟 与 小 询 ” 聚 (dG'dC) 在 了 平面 上 的 等 势 线 势 迭 加 所 致 。 从 单 螺旋 过 渡 为 双 螺 旋 时 ， 暴 露 于 分 子 表面 形成 气 键 的 NI1(A) 和 2(C) 是 上 述 电势 深度 变化 规则 的 一 个 例外 。 同 时 ， 亲 核 中 心 的 相对 次 序 也 往往 会 发 生 一 些 变化 。 综 土 所 述 ， 有 关 核 酸 分 子 静 电 劳 的 所 有 这 些 计 算 结 果 ， 在 一 定 程 度 上 ， 对 于 阐明 生物 分 子 的 反应 性 等 一 些 问 题 上 ,都 有 着 重要 的 生物 学 意义 。 在 本 书后 面 的 某 些 章节 中 还 将 予以 讨论 。 不 过 ， 分 子 静电 势 法 的 一 些 不 足 之 处 ， 是 应 该 予以 注意 的 。 4.9 ”核酸 的 功能 核酸 (尤其 是 脱氧 核糖 核酸 ) 在 生物 系统 中 起 着 信息 功能 分 子 的 重要 作用 。 人 们 普遍 认为 ， DNA 是 绝 大 多 数 生物 的 原初 遗传 信息 载体 , 不 但 通过 复制 .转录 和 转译 过 程 可 使 其 载 有 的 遗传 信息 得 到 传递 与 表达 , 而 且 经 过 严格 调控 可 使 之 有 不 同 的 表达 ,以 致 指令 同一 个 受精 卵 严格 有 序 地 分 化 为 不 同类 型 的 细胞 ， 组 成 各 种 组 织 和 器 官 ， 构 成 完整 的 生物 个 体 。 读 者 可 从 “量子 遗传 学 一 章 ， 了 解 到 核酸 作为 信息 高 分 子 ， 在 电子 水 平 上 对 其 功能 所 作 的 研究 。 在 这 一 节 里 ， 仅 对 以 下 四 个 问题 作 简要 的 介绍 仍旧 是 必要 的 。 当 然 ,我 们 将 极力 避免 与 第 七 章 在 内 容 上 重复 。 4.9.1 作为 遗传 信息 载体 的 DNASE DNA 作为 遗传 信息 载体 具有 哪些 特征 呢 ? 如 何 从 电子 水 平 上 来 看 这 些 特征 ? 下 面 我 们 就 153 表 4-40 核酸 碱 基 上 各 亲 核 位 置 在 不 同情 况 下 的 静电 势 极 小 值 (kcal/ mol) 位 置 单个 碱 基 | ee: | BR 酸 单 股 螺旋 | 双 股 螺旋 N7(G) 一 88.2 一 88.0 一 146.8 一 420.6 一 682.6 N3(G) —55.6 —58.9 —100.9 —373.3 —670.0 N3(A) --62.6 —65.8 一 107.1 一 390.5 一 668.8 0 2(T) —56.2 一 75.4 一 110.5 一 367.9 一 662.8 O6(G) 一 75.0 一 74.4 一 115.2 一 387.7 一 654.4 N7(A) 一 67.1 一 66.9 一 127.2 —385.2 -一 650.2 0 2(C) —82.3 一 84.7 一 122.6 一 410.4 一 645.1 C8(G)5/ 一 8.0 —9.6 —73.3 —350.7 —630.3 C 8(G)3’ —8.0 —5.5 一 68.2 一 366.5 —623.4 © N 2(G)3’ 3.3 eA 一 29.5 —302.1 —623.1 N 2(G)5’ aw. 3.3 0.8 —31.6 —260.1 —622.6 04(T) —55.0 —55.3 —97.2 —353.2 —611.7 C 8(A)5’ 0.9 —5.1 —69.2 —341.9 —610.5 N 4(C)3’ —8.3 —8.2 一 51.4 一 299.6 一 601.9 N 6(A)5’ —12.9 —14.0 —52.2 —313.3 —600.4 N 6(A)3’ —12.9 —13.0 —50.9 —302.7 —597.7 C 8(A)3’ 0.9 1.3 —60.0 _ —337.3 —597.2 N 4(A)3/ —8.3 —9.3 —52.9 —322.2 一 593.1 C5—C6(T)3’ 1.0 一 1.6 一 69.3 一 325.7 一 591.6 C5—C6(C)5’ 一 3.2 一 5.6 一 70.8 — 349.0 一 584.1 - C5—C6(T)5’ 1.0 2.8 一 61.1 一 325.7 一 583.6 C5—C6(C)3’ —3.2 一 1.7 一 64.2 一 311.0 —569.0 N 3(C) 一 85.7 一 85.2 一 126.7 一 404.4 一 N1(A) 一 70.4 — CLs -一 104.0 — 367.4 — CE 来 简略 地 讨论 这 些 问 题 。 (1) 我 们 可 以 从 Wiener 所 著 的 < 控制 论 > 一 书 中 得 到 启发 。Wiener 指出 : “许多 存储 信 息 的 方法 ,共同 具有 一 个 重要 的 物理 要 素 ,这 就 是 它们 似乎 都 是 高 度量 子 简 并 系统 。 换 句 话说， 都 是 振动 方式 很 多 但 频率 相同 的 系统 。 铁 磁性 物质 的 情况 就 是 这 样 ， 具 有 很 高 介 电 党 数 的 物质 也 是 这 样 。 因 此 这 些 物 质 特 别 适 合用 来 作为 储存 信息 的 电容 器 。 磷 光 现 象 也 是 高 度量 子 简 并 性 fy”. Wiener 还 指出 ,“ 新 陈 代谢 和 生殖 作用 的 许多 问题 都 与 量子 简 并 性 有 关 。 PO (2) 研究 表明 ,DNA 是 具有 很 高 介 电 常数 的 物质 ， 它 的 介 电 常 数 甚 至 超过 目前 所 知 最 好 的 铁 电 材料 一 一 钛 酸 铀 。 在 相 变 点 附近 钛 酸 钢 的 介 电 常数 约 为 18 000 ,而 DNA 的 介 电 常数 则 高 达 120 000 以 上 5 。 是 已 知 的 介 电 和 常数 最 高 的 物质 。 如 果 按 照 Wiener 的 上 述 观 点 , 则 DNA 分 子 即 是 一 种 高 度量 子 简 并 性 物质 。 (3) 在 天 然 的 DNA 分 子 及 其 与 蛋白 质 的 络 合 物 中 , 已 证 实 有 巨 量 的 、 强 大 相互 作用 的 非 偶 电子 云 存 在 。 根据 实验 测定 的 结果 ， 每 一 DNA 分 子 含有 约 10 000~50 000 个 非 偶 电子 , 约 相当 于 平均 每 克 DNA 含有 107 个 非 偶 电子 。 然 而 , 正 是 由 于 DNA 中 大 量 非 偶 电子 的 存在 ， 从 而 使 之 有 可 能 * 154° -* 4 eg HPL = BR AS (= BAS) 。 我 们 知道 , =BRLARA RE E-H Ae wR. —M, 三 重 态 的 寿命 比 单线 态 增加 约 一 百 万 倍 , 而 单线 态 的 能 量 相当 于 光谱 的 可 见 波段 。 这 种 能 量 的 光量 子 为 生物 系统 所 利用 似 嫌 太 大 。 但 是 , 当 电 子 激发 到 三 重 态 时 ,由 于 有 一 部 分 能 量 消 耗 在 使 电子 自 旋 反 向 上 ,因而 能 量 降低 ， 磷 光 波段 较 长 ,接近 红外 线 。 这 就 为 DNA 大 分 子 利用 电子 激发 能 来 传递 遗传 信息 提供 了 能 量 条 件 。 我 们 知道 ,生物 分 子 中 的 高 能 磷酸 键 的 键 能 约 为 10~12 kcal/mol (4.2.5.2) ,相当 于 红外 区 2~3 nm 的 光量 子 , 氢 键 键 能 则 相当 于 2.7 nm 的 光量 子 , 也 在 这 个 范围 内 ,而 DNA 双 螺 旋 结 构 中 正 是 含有 大 量 的 氢 键 。 在 2~3 hm 的 红外 波段 中 ,容易 产生 频率 相同 而 方式 又 是 多 种 多 样 的 激发 ,这 就 是 量子 简 并 性 。 它 使 得 DNA 有 可 能 进行 多 种 多 样 、 灵 活 而 精确 调谐 的 能 量 转 移 ， 并 利用 很 少 的 能 量 来 精确 地 ,高 效 地 储存 和 传递 极其 丰富 的 信息 。 (4) DNA 具有 一 定 的 产生 共振 转移 的 条 件 。 共 振 转 移 是 电子 激发 能 的 转移 方式 之 一 ,又 称 感应 转移 或 电磁 偶 联 。 产 生 共 振 转 移 的 可 能 性 (几率 ) 取 决 于 电子 激发 态 的 寿命 。 一 个 简 并 态 被 激发 的 寿命 越 长 ,激发 能 进行 共振 转移 的 几率 也 越 大 。 如 前 所 述 ,DNA 最 重要 和 最 可 能 出 现 的 电子 激发 态 是 长 寿命 的 三 重 态 。 根 据 量子 力学 的 解 释 可 设想 :在 DNA 进行 复制 或 转录 时 ,很 可 能 以 进行 共振 转移 的 红外 波段 的 三 重 态 电子 激发 能 作为 "信道 "向 介质 中 的 三 磷酸 核 背 单 体 的 原料 发 送信 息 , 且 DNA 分 子 中 特定 的 核 苷 酸 也 可 能 以 特定 频率 的 电子 激发 能 发 送信 息 ,， 从 而 吸引 与 它 配对 的 核 背 酸 单 体 , 如 A 吸 引 工 (或 U)、G 吸 BIC, 共振 转移 的 特点 是 仅仅 依靠 两 个 分 子 之 间 的 电磁 相互 作用 而 产生 偶 联 。 共 振 转 移 是 一 种 长 fete, 当 分 子 间 距离 为 50 人 ~10 nm 时 , 它 是 传递 电子 激发 能 的 主要 方式 。 电 子 激 发 能 可 以 通过 电磁 偶 联 在 同一 个 大 分 子 的 各 原子 团 之 间 进 行 转移 ,联想 到 DNA 分 子 中 的 重复 单位 (脱氧 核糖 -磷酸 ) 和 了 碱 基 的 共 辆 结构 等 等 ,很 可 能 在 DNA 分 子 中 所 有 基 团 都 是 如 此 ,因而 给 予 其 中 一 个 基 团 的 能 量 ,就 可 以 被 其 它 基 团 所 吸收 ,整个 高 聚 物 分 子 形成 一 个 统一 的 系统 。DNA 在 复制 或 转 录 时 ,复制 的 起 点 或 转录 的 起 动 子 一 旦 被 启动 ,整个 DNA 模 板 就 被 活化 ,复制 或 转录 就 一 直 进行 到 终止 信号 为 止 。 (5) DNA 分 子 所 能 存储 的 信息 量 是 极其 巨大 的 。 例 如 大 肠 杆菌 (L.coli) 一 个 基因 组 所 含有 的 DNA , 卷 缩 盘 绕 起 来 只 有 针尖 的 万 分 之 一 那样 大 ,但 其 中 所 记载 的 遗传 密码 就 大 约 相当 于 一 部 中 篇 小 说 。 然而 ,在 理论 上 ， 一 个 由 1000 个 碱 基 对 组 成 的 DNA 分 子 片 断 ， 就 可 以 有 4 “种 不 同 的 排列 方式 ， 这 是 一 个 极其 巨大 的 天 文 数 字 ， 是 电子 计算 机 的 存储 材料 所 无 法 比拟 的 。 此 外 ， 有 实验 报道 称 DNA 具有 半 导 性 ( 见 4.5)， 这 也 是 它 作 为 信息 载体 所 具有 的 特征 之 以 上 我 们 概括 地 讨论 了 DNA 作为 信息 载体 所 具有 的 “重要 物理 要 素 ”。 从 生物 系统 的 角度 看 ,作为 遗传 信息 载体 的 DNA 分 子 , 除 了 自我 复制 以 外 ,还 具有 以 下 一 些 特 征 ; (1) 细胞 核 中 的 DNA 含量 是 恒定 的 。 细 胞 中 DNA 含量 分 析 结果 表明 ， 任 何 一 种 生物 的 体 细胞 ,其 DNA 含量 都 是 固定 的 ,不 受 外 界 环境 .营养 条 件 和 细胞 本 身 代 谢 状态 的 影响 ,这 是 符 合作 为 遗传 物质 的 要 求 的 。 此 外 ,每 个 细胞 中 DNA 含量 与 生物 体 的 复杂 性 有 近似 的 平行 关系 。 可 以 想象 ,生物 体 越 复杂 ,遗传 信息 量 越 大 ,这 就 需要 有 越 多 的 遗传 物质 作为 基础 。 (2) 作为 遗传 信息 载体 必需 在 代谢 上 具有 稳定 性 及 其 在 细胞 分 裂 中 的 完整 传递 。 遗 传 学 的 研究 表明 ,在 遗传 过 程 中 ,基因 能 保持 独立 性 和 稳定 性 。 然 而 ,一 般 人 所 认为 的 组 成 基因 的 DNA 在 代谢 上 是 否 是 稳定 的 ? 应 用 同位 素 标记 的 DNA ,证 明了 细胞 在 分 裂 过 程 中 DNA 还 经 过 分 解 和 重新 合成 ,就 能 完整 地 传 于 子 代 。 因 此 ,人 们 认为 DNA 很 可 能 是 构成 基因 的 物质 。 (3) 研究 表明 , 当 受 到 一 些 物理 和 化 学 因素 作用 时 ,可 能 增加 有 机 体 的 突变 率 。 一 般 说 来 ， 一 些 物理 和 化 学 因素 能 够 引起 DNA 结构 的 改变 ,生成 异常 的 DNA 而 引起 突变 率 的 增加 。 4.9.2 ”核酸 中 电子 激发 能 的 转移 方式 ca] 以 上 我 们 从 电子 水 平 简要 地 概括 了 DNA 作为 遗传 信息 载体 所 具有 的 一 些 特征 。 须 要 注意 的 是 ,这 些 特征 不 是 各 自 孤 立地 出 现 的 ， 而 是 互 为 条 件 、 ar Spi ae -的 特性 。 这 FE ,就 使 得 核酸 有 可 能 进行 电子 激发 能 的 转移 ,并 且 利用 电子 激发 能 来 传递 信息， 关于 生物 活 细胞 内 电子 激发 能 转移 (包括 激发 电子 本 身 直 接 转移 ) 的 可 能 方式 ,目前 一 般 认 AA: 共振 转移 (电磁 偶 联 )、 重 迭 转 移 、 络 合 物 电荷 转移 、. 半 导 性 能 带 的 电子 转移 ` 激 子 转移 、 自 由 基 、 质 子 转移 和 氢 键 ,等 等 。 以 下 我 们 就 简 述 遗传 物质 中 电子 激发 能 的 转移 方式 与 信息 传递 的 关系 (有 关 生物 系统 中 的 能 量 转移 ” ,我 们 还 将 较 详尽 地 在 第 11 章 中 讨论 )。 (1) 共振 转移 是 一 种 相同 分 子 或 不 同 分 子 之 间 的 长 距离 的 能 量 转移 ， 是 一 种 长 程 作用 。 电 “ 隆 激发 能 本 身 可 以 看 成 是 一 种 振动 ， 只 要 吸收 能 量 的 分 子 ( 受 体 ) 的 振动 电场 是 在 激发 分 子 ( 供 体 ) 的 振动 电场 之 中 ,而 且 供 体 的 荧光 光谱 与 受 体 的 吸收 光谱 有 重 倒 部 分 ,激发 分 子 的 电磁 振动 就 会 引起 吸收 分 子 的 同 频 共振 ,从 而 转移 电子 激发 能 。 由 于 核酸 具有 高 度量 子 简 并 性 ,所 以 其 中 存在 着 大 量 的 简 并 状态 一 一 内 部 共振 。 用 结构 化 学 的 术语 来 说 ,核酸 分 子 有 着 大 量 的 共振 结构 式 。 它 的 电子 离 域 性 极 强 ,分 子 的 键 型 变异 很 大 。 由 量子 力学 中 变 分 法 所 取 的 波 函 数 少 值 , 对 于 核酸 分 子 来 说 ,是 极其 大 量 的 。 因 此 共振 能 很 大 ， 亦 即 能 量 降低 很 多 , 使 分 子 趋 向 于 很 稳定 的 状态 。 这 与 作为 遗传 物质 基础 的 核酸 分 子 在 世代 传 递 中 和 代谢 活动 中 所 表现 的 稳定 性 是 一 致 的 。 从 电子 水 平 来 看 ,这 是 一 个 很 有 意义 的 事实 。 核酸 分 子 中 各 种 原子 团 能 象 那样 摆动 ,振动 和 转动 。 由 于 它 的 原子 团 是 由 磷酸 酯 键 和 氢 键 偶 联 起 来 的 ,它们 能 进行 偶 联 振动 子 那样 的 动作 ,因此 电子 激发 能 就 可 以 通过 电磁 偶 联 在 同一 个 大 分 子 的 各 原子 团 之 间 以 及 相 邻 的 分 子 之 间 进 行 迁 移 ( 参 见 4.9.1)。 “由 于 核酸 分 子 中 最 重要 的 电子 激发 态 是 三 线 态 ， 这 对 产生 电子 激发 能 的 共振 转移 是 十 分 有 利 的 。 因而 核酸 分 子 能 量 的 共振 转移 很 可 能 是 由 一个 三 线 态 转移 到 另 -个 三 线 态 ， 以 及 它们 之 间 的 来 回转 移 ; A 十 B 十 三 线 态 Ch+ A+ HBA B*+Ce 三 线 态 A* 十 B 十 C。。。 * 156。 (2) 重 又 转移 是 电子 激发 能 的 一 种 近 程 作用 ， 当 分 子 间 的 距离 在 0.2 一 0.5 nm 以 下 时 ( 定 于 电子 轨道 的 大 小 )， 这 种 传 能 方式 较 易 产 生 。 重 登 转移 现象 也 特别 明显 地 表现 在 具有 共 斩 双 键 系统 的 大 分 子 内 部 的 基 团 之 间 ， 前 面 已 提 RDNA 具有 广义 共 斩 系 统 的 性 质 ,分 子 中 的 碱 基 都 含有 共 力 双 键 系 统 ， 其 中 的 < 电子 为 整个 系统 所 有 ， 它 们 容易 被 激发 并 进行 重 释 转 移 形式 的 传 能 。 (3) 在 生物 学 过 程 中 意义 更 为 普遍 的 传 能 方式 可 能 是 络 合 物 的 电荷 转移 (参见 第 3 章 “ 电 荷 转移 相互 作用 ?一 节 ) 。 在 DNA 分 子 的 双 螺 旋 结 构 中 ， 以 特殊 定向 排列 原子 团 是 一 个 很 重要 的 事实 ， 其 中 的 碱 基 基 团 可 能 发 生 电 荷 转移 。 在 味 吟 和 喀 啶 的 平行 排列 架 中 ， 实 现 电 荷 转移 的 条 件 比 溶液 中 优越 得 多 ， 而 且 电 荷 转移 过 程 可 沿 这 种 分 子 架 反复 进行 。1962 年 张 华 就 曾 建 议 53， 用 一 种 形成 电荷 迁移 络 合 牺 的 正 负 电荷 有 序 交 错 的 双 螺旋 模型 来 解释 DNA 分 子 中 大 量 非 偶 电子 的 产生 ， 即 Ener BT ie elt 3 (4.17) —Pm~—Pr*—Pr 其 中 Pr ARIS, Pm KAM, M DNA 分 子 碱 基 对 的 数目 。 (4) 由 于 电荷 转移 是 单 电子 转移 的 过 程 。 所 以 ， 络 合 物 中 若 有 一 种 物质 具有 晶体 结构 或 者 是 分 子 集合 体 时 ， 转 移 结果 可 以 导致 电子 导电 ， 亦 即 出 现 半 导 性 。 因 此 络 合 物 电 荷 转移 为 半 导 性 进入 生物 学 开辟 了 道路 。 关 于 DNA 的 半 导 性 问题 ， 可 参见 4.5。 (5) 自由 基 是 处 于 电子 激发 态 的 分 子 或 分 子 的 碎片 。 它 们 具有 自由 价 ， 一 般 都 有 大 的 化 学 活性 和 特殊 的 电磁 性 质 。DNA 分 子 中 有 着 大 量 的 相互 作用 的 非 偶 电子 云 ， 处 于 三 线 态 的 电子 自 旋 方 向 ， 就 成 为 非 偶 电 子 。 许 多 研究 表明 ， 处 于 三 线 态 的 分 子 往往 是 带 有 两 个 非 偶 电 子 的 自 册 基 。 自 由 基 在 生命 活动 过 程 中 具有 相当 重要 的 地 位 ， 是 因为 它 的 非 偶 电子 与 激发 能 的 传递 有 密切 关系 。 实验 表明 ,由 自由 基调 节 的 反应 能 使 某 些 致癌 物质 与 DNA 结合 , 且 这 种 结合 跟 致癌 活性 有 关 。 经 化 学 诱 变 的 核酸 比 通 过 加 热 或 变性 剂 作用 的 核酸 自由 基 增 加 较 多 。 变 性 DNA 甚至 更 具 ARMED. EF AIL, BAAD AMET DNA 的 改变 和 自由 基 的 形成 .转变 间 的 KA, 一 种 可 能 的 情形 是 ,在 生活 状态 下 活 细 胞 及 其 中 的 DNA 大 分 子 有 可 能 利用 某 种 稳定 的 、 长 寿命 的 复杂 自由 基 来 转移 能 量 和 传递 信息 [ee1 。 (6) 核酸 具有 很 高 的 介 电 常数 ， 这 对 能 量 和 信息 传递 也 有 重要 意义 。 在 具有 高 介 电 常 数 的 晶体 中 ， 激 发 电子 的 轨道 可 以 笼罩 许多 分 子 ， 因 此 能 量 沿 晶 格 的 迁移 表现 为 一 种 “ 正 穴 ”( 空 穴 ) 传递 ， 而 与 正 穴 相 应 的 激发 电子 则 离 正 穴 尚 有 一 定 距 离 ， 它 们 共同 组 成 一 个 中 性 激发 单位 ， 叫 做 激 子 (exciton)( 见 第 11 B), Reid 曾 指出 ， 在 生物 体内 普遍 存在 大 分 子 的 有 序 但 非 均 质 的 系统 , 激 子 转移 可 能 有 相当 的 重要 性 。DNA 分 子 本 身 具 有 高 度 有 序 的 结构 ， 而 且 DNA 的 介 电 常数 高 达 120 000 以 上 ,这 就 为 激 子 转移 创造 了 条 件 ， 并 且 可 以 使 激 子 保存 较 久 。 (7) 研究 表明 ， 生 物 学 的 许多 基本 过 程 不 仅 与 电子 的 转移 相 联系 ， 而 且 也 与 质子 的 转移 有 关 。Kirkwood 指出 ， 生 物 高 分 子 如 核酸 和 蛋白 质 等 ， 分 子 表面 上 有 大 量 的 质子 。 这 些 质子 不 157 断 地 运动 着 ,质子 转移 的 同时 也 就 伴随 着 激发 能 的 传递 。DNA 大 分 子 与 周围 分 子 的 相互 作 用 ， 也 可 能 受到 质子 运动 的 影响 。 质 子 运 动 可 以 与 邻近 类 似 的 分 子 相 呼应 ， 构 成 能 量 转化 和 传递 的 系统 ， 使 DNA 能 够 利用 这 种 传 能 方式 来 传递 信息 。 我 们 知道 ， 以 质子 相互 联系 而 形成 的 化 学 键 即 氢 键 。DNA 分 子 的 两 条 单 链 以 氢 键 维系 着 而 形成 严格 有 序 的 双 螺 旋 结 构 。 氢 键 中 质子 的 摆动 也 能 转移 能 量 . 在 DNA 复制 和 转录 过 程 中 ， 作为 反应 原料 的 三 磷酸 核 背 中 高 能 磷酸 键 的 能 量 就 很 容易 转移 到 气 键 上 而 与 模板 链 上 的 核 背 酸 进行 配对 ， 形 成 新 的 DNA KR mRNA, WI, ARMM «ER Ae BBB, oe - 子 可 以 横越 氢 桥 而 实现 非 定 域 化 ， 有 助 于 实现 激发 能 的 共振 转移 和 半 导 性 能 带 的 电子 转移 。 Lowdin 曾 提出 DNA 分 子 中 构成 气 键 的 质子 具有 隧道 效应 。 形 成 氢 键 时 ， 质 子 REA . 供 体 的 旁边 ， 是 一 种 较 稳 定 的 状态 ， 而 转移 到 对 称 的 氢 受 体 旁 边 时 ， 也 是 一 种 较 稳 定 的 状态 。 用 量子 力学 的 术语 来 说 ， 就 是 氨 键 具有 对 称 的 双 势 阱 (参见 3.2.2)。 ”有 关 质 子 隧道 效应 引起 基因 突变 的 问题 ,在 3.2.2 中 已 经 作 过 较 详 尽 的 讨论 ,这 里 不 再 叙述 。 4.9.3 DNA 的 复制 DNA 必须 通过 自我 复制 才能 把 遗传 信息 传递 给 子 细胞 和 后 代 个 体 。 前 面 ; 我 们 讨论 了 DNA 作为 遗传 信息 载体 所 具有 的 一 些 特征 。 那 么 ,DNA 具有 信息 结构 的 基础 究竟 是 什 委 ? 根据 迄今 为 止 的 研究 结果 看 ,显然 多 聚 磷酸 和 糖 的 结合 体 不 带 有 信息 ,那么 信息 可 能 就 是 来 源 于 碱 基部 分 。 大 量 的 事实 确实 支持 了 这 样 的 推测 ， 即 核酸 的 自我 复制 就 是 以 专 二 的 碱 基 对 的 互补 性 为 基础 的 。 如 果 说 DNA 的 复制 是 基于 专 一 的 破 基 的 互补 性 , 那 么 ,DNA 复制 中 硫 基 的 这 种 互补 性 又 是 由 什么 因素 控制 的 呢 ? 人 们 曾 提出 过 氢 键 控制 说 , 酶 控制 说 等 。Rein SECT 对 形成 互补 链 的 各 种 物理 因素 进行 了 量子 力学 计算 。 结 果 显 示 , 构 象 能 在 碱 基 对 的 互补 性 上 起 着 决定 作用 。 计算 时 采用 的 模型 是 ， 先 有 一 股 母 链 ,然后 产生 出 一 条 互补 的 子 链 。 由 于 计算 量 很 大 ,因而 在 实际 计算 时 ,只 计算 了 在 母 链 上 有 了 两 个 相 邻 的 核 昔 酸 (各 带 有 特定 的 碱 基 1 和 2 , 见 图 三 -12) 子 链 上 已 有 了 一 个 与 母 链 上 碱 基 1 互补 的 碱 基 3 的 情况 下 , 当 再 加 上 第 四 个 碱 基 时 ;形成 DNA 双 螺旋 结构 的 构象 适应 能 。 为 说 明 问题 起 见 ,Rein 等 作 了 回 -@ 碱 基 对 是 正 常 的 ( 即 互补 的 ) 和 图 4-42 | 图 4-43 SBA RRM ERMA © 158 « 非 互补 的 这 两 类 不 同情 况 的 构象 能 计算 ,结果 见 表 4 -41, 表 中 有 关 的 各 个 扭转 角 , 可 见 图 4 -43。 由 表 4 -41 可 以 看 出 ,互补 构 型 比 非 互补 构 型 (如 G-U) 的 构象 能 要 低 得 多 。 表 4-41 构象 能 Ckcal/mol)( 高 于 最 低 值 ) 正 党 U-U G-U Xc-n/ 4.5 4.5 6.0 Xc-n/o! ~ 4.5 3.6 13.0 e/a! 3.0 3.0 3.0 o/¢d 0.5 1.0 1.0 é/p 0.5 2.0 | 1.0 总 | 13.0 | 14.1 | 24.0 用 计算 构象 能 的 上 述 模型 ,进一步 考虑 在 “复制 络 合体 -形成 过 程 中 ,在 已 有 一 对 互补 碱 基 的 基础 上 ,再 形成 一 对 GREATS HEA AE AM 与 自由 能 改变 AG, AH= Exat 五 党 剂 效应 + Eee t+ Eye (4.18) AG=AH—TAS (ASo3t RRR AS) 由 表 4-42 可 以 看 到 , 非 互 补 的 错误 排列 构 型 的 AG 很 大 ,互补 性 的 决定 因素 是 形成 "复制 络 合体 -的 AG。 组 成 不 同 的 DNA 的 AS ,一 般 而 言 ,具有 大 致 相同 的 值 ,故而 影响 AG 的 是 AX, if fe AH 所 包含 的 诸 因 素 中 ,构象 能 又 是 决定 因素 ,这 就 是 Rein 等 人 的 结论 。 表 4-42 “复制 络 合体 ?的 热力 学 量 (kcal) 构 型 | AHi% | AH: | AC 计 算 | AGx Porat —10.8 —13.7 —2.0 a feat —3.6 —5.9 +0.1 一 2.1 1? gt 一 5.1 一 5.9 一 1.4 一 2.1 $e Tt 二 206 +1.3 ah G ah +1.1 +11.0 ant +1.4 +11.4 | rece | 一 2.3 | +7.6 Poet 十 8.3 十 10.2 按照 气 键 控制 说 ,在 DNA 的 碱 基 配 对 中 起 着 决定 性 作用 的 应 是 氨 键 。 然 而 ,实际 上 当 碱 基 发 生 有 异 构 化 作用 时 ,也 同样 可 以 配对 ,但 这 时 已 不 再 符合 原来 A-T.G-C 的 配对 规律 。 如 果 根 据 异 构 化 作用 所 需要 的 不 很 大 的 能 量 计算 ， 则 产生 错误 配对 从 而 产生 突变 的 几率 为 10 一 10“。 但 实际 上 自然 突变 的 几率 仅 为 10-* 一 10 于 , 远 远 小 于 计算 结果 。 由 此 可 见 ,在 碱 基 。 159 配对 中 不 能 把 气 键 看 作 是 唯一 的 因素 , 甚至 并 不 是 主要 因素 ) 。 4.9.4 DNA 的 甲 基 化 作用 与 基因 功能 DNA 甲 基 化 问题 的 研究 可 能 对 深入 了 解 基因 表达 的 分 子 基 础 是 有 价值 的 。 关于 DNA 甲 基 化 作用 的 生物 学 意义 ,若干 年 来 ,不 少 人 认为 DNA 的 甲 基 化 与 基因 调控 有 关 , 并 十 分 引信 注目 ,但 实验 事实 却 捉 摸 不 定 "“:。 大 量 的 观察 和 研究 提示 : EAA, DNA 的 甲 基 化 以 这 样 或 那样 的 方式 贯穿 于 重要 的 生命 过 程 ,而 且 甲 基 化 模式 具有 遗传 连续 性 、 种 属 和 组 织 特异 性 。 总 之 ,一 般 认 为 ,在 真 核 生 物 中 DNA 的 甲 基 化 具有 多 种 生物 学 功能 ,如 对 转 录 的 控制 ,染色 体 结构 的 维持 ,DNA 的 修复 ,癌变 ， 以 及 在 某 些 系统 中 还 可 防止 DNA 的 酶 促 降 ghia 我 们 知道 ,正常 碱 基 的 配对 是 A 和 T、`G 和 C。 但 是 , 当 DNA 双 螺旋 结构 中 两 条 互补 的 多 聚 脱氧 核 苷 酸 链 上 的 胞 喀 啶 碱 基 在 甲 基 化 酶 的 催化 下 ， 经 甲 基 化 反应 转换 成 5- 甲 基 胞 连 啶 后 , 在 DNA 大 沟 的 暴露 部 位 引入 了 甲 基 基 团 , 由 于 甲 基 基 团 的 立体 效应 和 电子 效应 的 影响 ， 使 乳糖 阻 遏 物 , 组 蛋白 和 激 崇 受 体 等 等 蛋白 与 DNA 的 结合 受到 大 沟 变化 的 影响 "… 。 研 究 事 实 已 经 说 明 ， 5- 甲 基 胞 喀 喧 能够 深刻 地 影响 蛋白 质 与 DNA 的 结合 。 一 些 人 认为 ,在 一 定 条 件 下 ,5- 甲 基 胞 喀 喧 能够 发 生 脱 氨基 反应 生成 胸腺 喀 啶 (图 4-44)， 从 而 有 可 能 导致 G-C~ 和 A-T 的 转变 引起 基 Fe etd NH OH, Ba ay ape oy +H, ee he | H s-F ieee 5-H E-4—- aed Fi Bik PE 图 4-44 Coulondre 等 人 [as 根据 在 原核 生物 中 的 某 些 实验 结果 指出 ,DNA 中 胞 喀 啶 C 5 位 的 甲 基 化 与 高 的 基因 突变 率直 接 相 关 , 突变 的 “热点 ?就 在 5- 甲 基 胞 喀 啶 。 可 是 ,根据 作者 用 分 子 轨道 法 所 作 的 理论 计算 , 却 得 到 了 一 些 可 争议 的 结果 5", 2 。 首先 ,计算 结果 显示 : 胞 喀 啶 甲 基 变 成 5= 甲 基 胞 喀 啶 后 , 除 C5 位 的 电荷 密度 、 自 由 价 等 数值 有 所 减少 ,C6 和 C4 位 则 有 所 增加 外 ， 其 余 相 应 位 置 的 净 电 荷 、 自 由 价 等 指数 并 未 发 生 明 显 的 改变 ( 表 4-43), 且 G-C 碱 基 对 与 G-m C 碱 基 对 氢 键 的 键 级 完全 相同 ,前 者 为 0.035,0.037， 0.035, 后 者 亦 是 0.035,0.037,0.037。 在 msC 水 解脱 氛 基 反应 的 中 间 物 一 一 5- 甲 基 -4- 羟 基 胞 喀 喧 中 ，C4 一 N7 键 的 键 级 为 - 0.502, 明 显 地 大 于 C4 一 0 9 键 的 键 级 0.344。 mChy & S?7—-LST 大 于 C( 表 4-44)。 在 碱 基 配 对 (G-m' C ) 的 情形 下 尤为 明显 。 计算 结果 还 提示 了 以 下 的 可 能 性 ， (1D) C 和 msC 两 者 有 着 十 分 相近 的 反应 性 ， 即 胞 喀 啶 C5 位 引入 甲 基 基 团 后 对 其 分 子 的 行 为 不 致 产生 明显 的 影 * JI60。 HMO EHMO CNDO/2 | gt 级 自 由 ft S* S* 净 电 - 荷 A 电荷 净 电荷 1 一 2 0.375 1 0.511 1.422 —0.357 0.361 11 |... 1.422"). —O.557..|. -.0,a61..|.. —0.898 .| . —0.174.. 胞 "SE te 2 一 3 0.433 2 0.146 0.307 —0.643 0.204 1.784 0.425 HOMO: 0.595 3 一 4 0.636 3 0.346 1.709 —0.474 —0.438 —1.466 —0.344 LUMO: —0.795 4—5 ”0.525 4 0.101 0.467 —1.009 0.172 1.228 0.329 5—6 0.758 5 0.449 1.435 —0.572 —0.169 —0.246 —0.165 6 一 1 0.529 6 0.445 0.700 —1.242 0.165 0.626 0.189 2—8 0.778 7 0.944 1.758 —0.197 0.197 —1.089 —0.229 eee sa? 0.470 | 8 0.222 |” 1,016 —0.283 一 0.492 一 1.332 —0.411 ee ee | is 60.377. | 2 0.5171) 1.479 —0.354 0.358 —0.901 —0.172 5- 甲 基 胞 喀 啶 2 一 3 80.433 2. 0.145 0.315 —0.642 0.203 1.774 0.423 HOMO: 0.530 3—4 0.637 3 0.344 1.722 —0.475 —0.436 —1.465 —0.340 LUMO: —0.796 4—5 0.515 4 0.111 0.489 —1.011 0.166 1.205 0.321 5—6 0.759 5 0.257 1.479 —0.567 —0.123 —0.076 —0.125 6 0.464 0.813 —1.217 0.138 0.574 0.171 6—1 0.520 7 0.945 1.776 —0.199 0.198 —1.103 一 0.232 2 一 8 0.776 8 0.224 1.043 一 0.283 一 0.493 一 1.333 一 0.410 4 一 7 0.470 9 1.520 0.542 一 0.441 一 0.047 —0.267 —0.003 5 一 9 0.212 10 0.932 0.632 一 0.520 0.953 1 一 2 0.370 1 0.527 1.499 —0.333 0.348 5- 甲 基 =4 产 基 胞 喀 喧 | 2 一 3 0.372 2 0.181 0.278 —0.674 0.231 HOMO: 0.567 3—4 0.483 3 0.559 1.374 一 0.269 0.313 LUMO: 一 0.774 4—5 0.503 4—0.100 0.398 —1.082 0.252 5—6 0.751 5 0.266 1.500 —0.555 —0.143 6—1 0.517 6 0.464 0.723 —1.294 0.167 2—8 0.810 7 0.912 1.660 —0.214 0.211 4—7 0.502 0.190 0.866 —0.302 —0..463 4—9 0.344 0.656 0.955 —0.094 0.097 5—10 0.212 1 1,520 0.542 一 0.441 一 0.047 TERE 0.634 —0.519 03: 1—2 0.383 1 0.504 1.418 —0.358 0.363 —0.896 —0.142 G-C 对 (三 个 氨 键 ) 2 一 3 0.437 2 0.150 0.296 一 0.678 0.232 1.793 0.426 HOMO: 0.288 3 一 4 0.588 3 0.351 1.596 一 0.413 一 0.509 一 1.479 一 0.349 LUMO: 一 0.782 4—5 ”0.524 4 0.094 0.442 —1.033 0.184 1.252 0.317 5—6 0.759 5 0.449 1.433 —0.574 —0.169 —0.241 —0.174 6—1 0.527 6 0.446 0.677 一 1.267 0.173 0.592 0.195 2 一 8 0.762 7 0.852 2.063 一 0.254 0.249 一 1.065 —0.229 4—7 0.526 8 0.204 0.925 —0.270 —0.524 —1.358 —0.459 9—10 0-410 9 0.472 1.668 —0.264 0.358 —0.951 一 0.188 10—11 0.386 10 0.171] - 0.376 一 0.704 0.219 1.285 0.371 1i—12 0.624 11 0.219 1.793 —0.492 一 0.180 0.288 一 0.110 12 一 13 0.486 12 0.137 0.999 —0.731 0.025 1.063 0.232 13—14 0.627 13 0.302 2.345 一 0.376 —0.432 一 1.453 一 0.333 14—9 0.495 14 0.102 0.662 —0.936 0.169 1.654 0.386 10—19 0.764 15 0.164 . 1,322 —0.550 —0.289 —1.503 —0.252 14—18 0.508 16 0.463 1.519 —0.852 0.010 1.181 0.156 11—15 -0.502 17 0.407 1.289 —0.335 0.404 —0.901 0.082 15—16 0.478 ie. 0 S71 2.389 —0.189 0.227 — 1.083 —0.259 16—17 0.522 19 0.201 1.090 —0.309 —0.509 —1.331 —0.420 1—2 0.386 1 0.510 —0.355 0.360 一 0.898 一 0.105 G-msC 对 2 一 3 0.437 2 0.149 —0.676 0.230 1.781 0.442 (=A et) 3 一 4 0.589 3 0.350 —0.414 —0.507 —1.477 —0.359 HOMO: 0.287 4—5 0.514 0.104 0.177 1.230 0.308 LUMO: —0.78 5—6 0.749 0.257 —0.068 —0.131 6 一 1 0.5 2—8 0. 4 一 7 0. 9 一 10 0. 19—11 0. 11—12 0. 12—13 0. 13—14 0. 14—9 0. 10—19 0. 14—18 0. 11—15 0. 15—16 0. 16—17 0. 5—20 0. 表 4-43 i % 4-44 化 合 物 ZSz 一 ZSX G-m°C 碱 基 对 14.261 G.C 碱 基 对 13.715 G ; 8.754 5- 甲 基 -4- 羟 基 胞 喀 啶 4.653 A 4.600 m°C 4.582 ‘ai 3 4.324 c 4.307 (2) m C 水 解脱 氨基 成 从 而 引起 G-C 向 A-T 转化 的 反应 是 不 大 可 能 进行 的 ( 表 4-43 和 表 4-45) ,水 解脱 氨基 的 反应 速度 随 胞 喀 啶 C5 位 的 甲 基 化 而 降低 。 有 实验 证 明 , 脱 氧 胞 苷 水 解 脱 抠 基 的 反应 速度 大 于 5- 甲 基 脱 氧 胞 背 ; 胞 喀 喧 和 5- 甲 基 胞 喀 啶 两 者 都 是 胞 喀 啶 脱 氨 基 酶 的 底 , BAAN Ke, 表 4-45 氨基 的 电子 特征 氨基 N 原 子 跟 氨 基 相 联 的 C 原 子 化 & wb Ps bE Ee AO ee ae gee 3 电 荷 A om tf 电 (om A ow Ot G 1.803 0.933 0.807 0.124 Cc 1.803 0.944 0.828 0.101 msC 1.802 0.945 0.834 -0.111 5- 甲 基 -4- 羟 基 胞 喀 啶 1.789 0.912 0.748 0.100 G( 在 G 一 C 对 中 ) 1.773 0.906 0.831 0.102 G( 在 G 一 msC 对 中 ) 1.773 0.906 0.831 0.102 C( 在 G 一 C 对 中 ) 1.751 0.888 0.816 0.094 C( 在 G 一 msC 对 中 ) 1.750 0.888 | 0.823 0.104 不 仅 如 此 ,作者 还 计算 了 胞 喀 啶 C5 位 甲 基 化 作用 的 势能 变化 以 及 G-m C 碱 基 对 第 一 个 气 键 体系 中 质子 移动 的 势能 。 结 果 显 示 , C 和 了 mm"C 之 间 没 有 明显 差别 ; G-m C 对 第 一 个 气 键 体系 与 G-C 对 一 样 ,不 存在 双 势 阱 。 为 了 探讨 甲 基 化 作用 对 DNA 双 螺 旋 结 构 稳 定性 的 影响 ,作者 计算 了 m* C 对 碱 基 堆 积 相互 ， 作用 的 影响 。 按 照 分 子 间 相 互 作用 理论 ,在 计算 时 ,无 论 堆积 相互 作用 还 是 共 平面 相互 作用 ， 静 电 项 和 极 化 项 均 按 同样 公式 计算 ,而 对 色散 -排斥 项 则 分 别 采 用 Lennard-Jones 的 “6-12 势 公式 和 经 改进 的 Kitagorodsky 公式 (参见 3.2.1)。 计 算 的 碱 基 堆积 相互 作用 能 见 表 3-4， 而 邻接 碱 基 对 的 相互 作用 能 列 于 表 4-46。 计算 结果 表明 ,在 单 股 核 苷 酸 链 的 情形 下 , 碱 基 堆 积 相互 作用 能 中 色散 能 的 贡献 是 重要 的 。 胞 喀 啶 经 甲 基 化 作用 成 为 5- 甲 基 胞 喀 喧 后, 一般 说 来 ,对 DNA 双 螺 旋 结 构 起 着 稳定 的 作用 ,如 | es 162° 表 4-46 ”六 接 碱 基 对 的 相互 作用 能 Ckcal/moD _ | 静 电 能 极 化 能 色散 能 | He FR fe | 总 能 量 全 | 一 8.704 一 2.572 一 8.407 5.186 一 14.497 m°C-G —8. — 2.590 一 8.442 5.186 一 14.622 2 8.776 Rented 一 8.822 一 2.619 .一 10.248 6.253 一 15.436 eee — 8.894 —2.636 —10.281 6.251 一 15.560 Se 一 7.356 一 2.559 一 8.091 4.983 一 13.023 Fe eed 一 7.394 一 2.578 一 8.144 4.983 一 13.133 G:C Ns 党 a: a te. cal 7.406 2.607 9.833 6.015 13.881 he > 7S. Se AME AH —8.822 降低 至 一 10.546 kcal/mol, ZENE RAT REND EF m®C 取代 C J EE BR HE HE, ne TG" S| ~ 人 G.8.c | ,其 总 能 量 由 一 14.497 降低 至 一 15.436 kcal/mol, 由 上 述 计算 结果 可 以 看 到 ，DNA 的 甲 基 化 作用 对 DNA 双 螺 旋 结构 起 着 一 定 的 稳定 作用 ， 这 与 其 它 一 些 人 的 研究 结果 相 一 致 05-79。 ”业已 知道 ， 原 核 生 物 的 基因 具有 连续 的 编码 序列 ， 而 高 等 真 核 生 物 基因 则 是 以 复杂 的 内 含 子 - 外 显 子 结构 为 特征 的 。 在 动物 细胞 中 , 甲 基 化 的 胞 喀 啶 常常 相对 大 量 地 存在 于 不 转录 的 随 体 DNA 顺序 中 。 这 些 随 体 DNA 的 重复 数目 在 不 同 的 细胞 类 型 中 的 波动 ,常常 拖 蕾 了 DNA 甲 基 化 中 较 有 意义 的 变化 。 概括 地 , 由 于 DNA 双 螺 旋 结 构 中 某 些 区 域 的 胞 喀 啶 碱 基 被 甲 基 化 为 5- 甲 基 胞 哮 啶 后 ,增加 了 这 些 区 域 双 螺旋 结构 的 稳定 性 。 从 这 个 意义 上 讲 ,DNA 的 甲 基 化 也 许 是 导致 不 转录 的 间隔 序 列 产生 的 原因 之 一 。 如 前 所 述 ,尽管 有 实验 表明 ,在 一 些 细菌 和 噬菌体 中 碱 基 取 代 的 热点 出 现在 mC, 进而 认为 由 于 碱 基 甲 基 化 成 稀有 碱 基 ( 如 msC) 后 ,细菌 限制 性 内 切 酶 不 能 识别 和 排除 DNA 中 甲 基 化 了 的 这 些 碱 基 ， 从 而 可 能 引起 G-C>A-T 的 转化 ,导致 基因 突变 率 的 上 升 。 但 是 ， 在 高 等 生 牺 的 DNA 中 ,m'*C 作 为 一 种 稀有 碱 基 的 存在 却 是 它们 的 一 个 特点 ,至 于 G-C>A_T 的 转化 (由 msC 导 致 的 转化 ) 能 否 发 生 ， 则 是 一 个 有 待 作 进一步 研究 的 问题 〈 从 我 们 初步 的 理论 计算 结果 看 ， 由 msC 引 起 的 G-C>A-T 转化 的 可 能 性 是 不 太 大 的 ) 在 一 些 实验 事实 仍旧 是 捉摸 不 定 的 情形 下 , 从 量子 生物 学 的 角度 就 “DNA 的 甲 基 化 作用 与 基因 功能 " 作 些 理论 计算 和 研究 , 在 作者 看 来 是 必要 的 和 有 益 的 。 我 们 获得 的 初步 结果 也 支持 了 这 一 点 。 参考 文 献 [1] Ra, WA. 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H(A2) 2 —1.194 2.587 — 3.213 0.30 — H(02) 4 2.607 1.920 3.160 0.32 O(1) 10 8.302 1.971 6.866 —0.42 0.38 O(2) 9 5.076 4.360 8.391 —0.55 0.52 N 11 7.473 3.218 2.030 —0.55 0.91 i old 5 6.389 3.299 6.575 0.50 1.36 C(A) 8 5.434 3.765 3.884 —0.13 1.11 C(B) 6 3.131 2.137 3.306 —0.59 1.01 H(A) 2 4.967 5.767 3.690 0.21 0.28 H(1) 1 8.101 1.384 2.190 0.26 0.29 2 H(2) 1 8.939 4.472 2.307 0.25 0.28 H(B1) 3 3.635 0.157 3.342 0.20 0.28 H(B2) 3 1.663 2.449 4.695 0.20 0.29 H(B3) 3 2.394 2.579 1.453 0.22 0.29 ! H(O2) 4 5.851 3.929 9.952 0.41 0.32 ’ a 所 了 RR ~ z= Ta tes. ot ee ve ~ ~~ ~ Yan atom | class | 5 | y | 2 | charge | MOVS SS O(1) 10 15.972 10.125 8.384 —0.40 0,38 0 (2) 9 14.534 6.355 7.448 一 0.55 0.52 N 11 11.462 12.281 9.221 —0.50 0.91 e* 5 14.249 8.734 8.085 0.50 1,38 C(A) 8 11.653 9.897 7.716 —0.13 1.08 C(B) 7 10.963 10.369 4.916 —0.17 1.06 C(G2) 6 9.956 7.969 3.640 —0.60 1.99 C(G1) 6 13.289 11.478 3.454 二 0.57 1.01 H(1) 1 11.952 11.900 11.165 0.24 10.28 H(2) 1 9.552 12.994 9.129 0.23 0.27 H(G11) 3 12.779 11.796 1.503 0.19 0.29 H(G12) 3 14.842 10.155 3.544 0.18 0.28 H(G13) 3 13.851 13.245 4.308 0.21 0.29 H(G21) 3 10.225 6.690 2.072 0.21 0.30 H (G22) 3 8.091 8.795 3.531 0.19 : 0.26 H (G23) 3 10.144 6.943 5.394 0.19 0.26 H(B) 2 9.477 11.768 4.870 0.19 0.26 H(A) 2 10.282 8.587 8.471 0.17 0.26 H(O2) 4 16.257 5.920 7.708 0.42 0.32 LA? SR FE Daly SS) Soda , ( ° 170° SA RM KH atom | class | * | y | 3 | charge | MOVS Cc! 5 14.907 8.505 7.153 0.49 1.39 C(A) 8 12.424 9.768 6.085 —0.12 1.12 C(B) 7 10.348 774 5.953 —0.38 1.03 c(G) 7 11.005 5.518 4.306 —0.42 1.01 C(D) 5 9.016 3.475 4.365 0.42 1.40 N 11 12.809 11.001 3.571 一 0.55 0.91 N(E) 13 9.246 1.704 2.593 —0.63 1.02 O(1) 10 16.648 8.273 5.480 —0.40 0.36 O(2) 9 14.897 7.866 9.548 一 0.54 0.53 O(E) 10 7.323 3.450 5.952 —0.42 0.37 H(1) 1 13.853 9.851 2.366 0.25 0.28 H(2) 1 11.120 11.353 2.704 0.24 0.28 H(A) 2 11.870 11.262 7.398 0.21 0.28 H(B1) 2 9.987 7.129 7.899 0.21 0.29 H(B2) 2 8.607 8.660 5.266 0.19 0.28 H(G1) 2 11.335 6.070 2.346 0.19 0.28 H(G2) 2 12.739 4.648 4.966 0.20 0.28 H(E 2) 1 10.726 1.702 1.391 0.30 0.31 \ H(E1) 1 8.080 0.216 2.553 0.32 0.32 H(O2) 4 16.494 7.40 9.929 0.42 0.33 谷 BR R 和 atom | class | = | y | z | charge | MOVS O(2) 9 4.253 10.307 23.389 一 0.53 0.52 O(1) 10 2.042 6 744 23.932 一 0.41 0.39 O(E1) id 4.083 9.984 13.747 —0.41 0.38 O(E2) 9 6.75 406 11.764 一 0.54 0.54 N 11 5.450 3.981 22.250 —0.53 0.90 c/ 5 3.763 7.943 22.970 0.52 1.41 C(A) 8 5.539 6.769 21.000 —0.12 1.10 C(B) 7 4.679 7.687 18.379 —0.39 1.03 C(G) 7 6.443 7.054 16.186 —0.42 1.02 c(D) 5 5.630 8.264 13.810 0.52 1:44 H(O2) 4 2.338 11.089 24.429 0.39 0.28 H(E2) 4 6.279 8.279 10.197 0.40 0.28 H(1) 1 5.651 3.476 23.129 0.25 0.28 H(2) 1 6.992 6.195 20.258 0.23 0.27 H(A) 2 7.452 7.388 21.399 0.18 0.27 H(B1) 2 4.453 9.716 18.465 0.22 0.28 H(B2) 2 2.855 6.914 18.003 0.22 0.29 H(G1) 2 6.357 7.709 16.668 0.21 0.28 H(G2) 2 6.633 4.980 15.871 0.22 0.29 KR* A MR atom class | x | y | 2 | charge | MOVS O(1) 10 7.577 —0.524 11.055 —0.41 0.37 O(2) 9 9.104 —2.528 7.547 —0.54 0.52 O(D1) 10 — 0.522 — 2.436 6.969 —0.42 0.38 O(D2) 9 —1.277 — 4.754 10.387 —0.55 0.54 N 11 4.615 一 2.827 5.277 —0.65 0.86 Cc’ 5 7.298 —1.616 8.980 0.52 1.41 C(A) 8 4.583 —1.854 7.972 —0.16 1.07 C(B) a 2.939 —3.474 9.678 一 0.57 0.88 C(G) 5 0.214 一 3.512 8.866 0.55 1.55 H(1) 1 3.004 — 2.887 4.708 0.32 0.30 H(2) 1 5.350 — 4.444 5.207 0.29 0.29 H(A) 2 3.903 —0.121 7.868 0.26 0.30 H(B1) 2 3.013 — 2.850 11.361 0.29 0.31 H(B2) 2 3.531 —5.196 9.713 0.26 0.30 H(D2) 4 —3.016 — 4.687 9.898 0.42 0.33 H(O2) 4 10.669 一 2.212 8.369 0.42 0.32 。 171° ww A 酸 atom | class | £ | y | 2 | charge | MOVS O(1) 10 7.091 9.353 21.244 —0.41 0.38 O(2) 9 7.398 13.432 20.046 —0.55 0.52 N 11 11.568 7.995 19.198 —0.58 0.87 N(E) 11 4.744 8.355 11.515 一 0.45 1.06 N(H1) ll 2.102 11.319 9.426 —0.61 1.04 N(H2) 12 1.290 7.388 8.700 —0.50 0.82 < 5 8.182 11.079 20.096 0.51 1.38 C(A) 8 10.564 10.521 18.587 一 0.12 - 1.10 C(B) 7 9.997 10.757 15.761 — 0.37 = 1.04 C(G) 7 7.939 8.995 14.792 —0.41 1.02 Cc(D) 7 6.570 10.108 12.596 —0.28 1.09 GCZ) 5 2.701 9.143 9.823 0.34 1.43 H(A) 2 11.926 12.900 19.090 0.18 ji 0.27 H(1) 1 11.454 7.718 21.081 0.27 0.28 H(2) 1 13.402 7.978 18.810 0.26 0.28 H(B1) 2 9.539 12.727 15.397 0.19 ,天 H(B2) 2 11.743 10.425 14.772 0.20 0.28 H(G1) 2 8.762 7.230 14.212 0.21 0.28 H(G2) 2 6.654 8.506 16.208 0.22 0.29 H(D1) 2 5.567 11.728 13.305 0.19 0.27 H(D2) 2 7.808 10.841 11.226 0.19 0.27. H(E) 1 5.215 6.481 11.429 0.31 0.31 H(H2) 1 3.111 13.239 10.196 0.28 0.31 H(H12) 1 0.608 12.290 8.297 0.28 0.31 H(H11) 1 一 0.023 7.950 7.423 0.22 0.29 H( O02) 4 5.896 13.529 21.024 0.42 0.32 mM BR mR atom | class | x | y | 2 | charge | MOVS O(1) 10 1.457 3.059 —3.412 —0.39 0.38 O(2) 9 5.084 1.476 一 5.108 一 0.54 0.55 N 11 2.778 2.150 1.345 一 0.55 0.91 N(Z) 11 3.923 —10.137 4.074 —0.56 0.91 7 5 3.507 1.925 —3.248 0.50 1.36 * C(A) 8 4.265 0.858 —0.659 —0.15 1.08 C(B) 7 3.826 —1.990 —0.638 —0.37 1.05 C(G) 7 4.400 一 3.255 1.897 一 0.36 1.06 c(D) 7 4.100 —6.110 1.736 —0.38 1.03 C(E) 8 4.260 —7.360 4.305 —0.28 1.09 H(1) 1 2.880 4.083 1.069 0.26 0.28 H(2) 1 0.918 1.591 1.315 0.26 0.29 H(A) 2 6.256 1.259 —0.325 0.18 0.27 H(B1) 2 1.863 — 2.388 —1.136 0.19 0.28 H(B2) 2 5.070 —2.791 —2.089 0.17 0.27 H(G1) 2 6.333 =—2.788 2.514 0.18 0.28 H(G2) 2 3.145 —2.557 3.369 0.20 0.28. H(D1) 2 2.273 — 6.566 0.911 0.18 0.27 H(D2) 2 5.567 —6.889 0.506 0.17 0.27 H(E1) 2 6.067 —7.012 5.198 0.19 0.28 H(E2) 2 2.739 —6.685 5.519 0.19 0.28 H(Z1) 1 2.335 —10.525 3.068 0.25 0.28 H(Z2) 1 5.499 —10.913 3.262 0.24 0.28 H(02) 4 6.486 0.580 — 4.434 0.41 0.31 SER 亮 HR MR atom | class | x 和 2 charge | MOVS O(1) 10 10.418 5.759 一 1.406 一 0.41 0.38 O(2) 9 13.771 7.422 0.510 一 0.53 0.57 N 11 7.538 9.774 —0.638 —0.57 0.90 Gf 5 11.430 7.392 —0.101 0.53 1.44 C(A) 8 9.911 9.583 0.872 —0.17 1.05 C(B) “ 9.175 9.376 3.666 —0.47 0.94 C(G) 7 11.308 9.443 5.589 一 0.21 1.05 c(D1) 6 10.187 9.039 8.217 —0.69 0.92 C(D2) 6 12.710 11.956 5.490 —0.68 0.92 H(A) 2 10.905 11.090 0.648 0.21 0.27 H(B1) 2 8.044 10.761 4.042 0.23 0.29 H(B2) 2 8.291 7.782 3.896 0.25 0.29 H(G) 2 12.497 8.106 5.222 0.23 0.29 H(D11) 3 9.240 7.417 8.277 0.23 0.30 H(D12) 3 11.526 9.118 9.524 0.23 0.30 H(D13) 3 8.911 10.427 8.654 0.22 0.29 H(D21) 3 13.397 12.269 3.766 0.23 0.29 H(D22) 3 14.059 12.019 6.794 0.23 0.30 H(D23) 3 11.524 13.445 5.870 0.22 0.29 H(1) 1 6.493 1i.213 一 0.041 0.26 0.29 H(2) 1 7.929 9.913 一 2.473 0.27 0.29 H(02) 4 14.950 5.820 0.255 0.39 0.33 A atom | class | x yy z | charge | MOVS O(2) 9 11.414 5.430 9.769 一 0.54 0.53 O(1) 10 12.923 9.392 8.907 =9-21 0.37 N ll 16.254 3.561 8.916 —0.50 0.91 人 5 13.103 6.999 8.857 0.50 1.38 C(A) 8 15.369 5.839 7.445 —0.12 1.10 C(B) 4 14.634 5.076 4.741 —0.18 1.08 C(G1) 7 16.932 3.888 3.294 —0.37 1.06 C(D) 6 16.344 3.200 0.539 —0.58 1.02 C(G2) 6 13.594 7.367 3.315 —0.58 1.00 H(1) 1 16.764 4.129 10.809 0.23 0.27 H(2) 1 17.880 2.744 7.990 0.23 0.27 H(D1) 3 18.006 2.397 一 0.332 0.20 0.29 H(D2) 3 15.788 4.880 —0.478 0.19 0.28 H(D3) 3 14.824 1.840 0.487 0.20 0.29 H(G21) 3 13.083 6.813 1.419 0.19 0.28 H(G22) 3 15.020 8.825 3.237 0.19 0.28 H(G23) 3 11.944 8.081 4.284 0.20 0.28 H(G11) 2 17.511 2.195 4.276 0.18 0.27 H(G12) 2 18.472 5.227 3.314 0.18 0.27 H(B) 2 13.156 3.672 4.854 0.20 0.28 H(A) 2 16.879 7.210 7.363 0.18 0.27 H(O2) 4 10.071 6.405 10.453 0.42 0.32 ° 173 。 Ke RM IK atom | class | s y 3 | charge | MOVS 0 (2) 9 —0.027 0.889 0.007 —0.56 0.51 O(1) 10 —1.257 —s.220 —0.149 一 0.39 0.38 O(D) 10 1.208 —1.967 SH ak2 —0.42 0.36 N(D) 13 1.128 1.187 8.217 —0.63 1.02 N 11 — 4,388 — 2.893 3.830 0.54 0.92 ce 5 —1.313 —1.075 0.802 0.52 1.42 CCA) 8 Sy yA 一 0.540 2.889 一 0.11 1.20 Cc(G) 5 0.174 —0.035 6.190 0.41 1.39 C(B) 7 一 2.219 1.042 5.071 一 0.43 0.99 H(1) 1 —3.277 —3.746 5.212 0.26 0.28 H(1) 1 —6.172 一 2.540 4.576 0.24 0.28 H(D1) 1 2.643 0.512 9.079 0.33 0.32 H(D2) 1 0.301 2.785 8.801 0.31 0.31 H(A) 2 一 4.741 0.643 2.055 0.20 0.28 H(B1) 2 —1.767 2.959 4.327 0.21 0.28 H(B2) 2 —3.571 1.391 6.538 0.20 0.28 H(02) 4 0.942 0.372 —1.413 0.41 0.32 HAW OCOCwWRMAANNARONWSHH ¢ . . . . . . . . * . . . . . . . e . . . . oo wo x 2.002 we wre OhWWHOCOFONF REN HF OONWOS . . . . . . . . ~ . . . . . . 二 . . . . . . . . . . J i) on coooooceceocs . i) an oo md Nw Ph bet ek bet fl fet ft et he et et OH OO . . . . . . . . . . . * WNWNHWNHNH WOW WWW BOO Ree ee ee et oe wo) BONOCMCOBRKOCOSOOSOFR CRS OUCON KP RE RU Wow 续 表 mM A Mm atom | class | x | 学 2 | charge | MOVS O(1) 10 2.183 13.293 6.896 —0.42 0.38 O(2) 9 5.659 11.372 8.565 —0.55 0.52 O(E) 9 6.280 23.914 5.176 一 0.51 0.54 C/ 5 4.237 12.175 6.700 0.50 | 1.36 C(A) 8 5.222 11.701 4.024 一 0:12 eat C(B) 7 7.511 13.396 3.438 —0.38 1.06 Cc(G) 19 7.070 16.180 3.899 一 0.04 1.15 c(D1) 18 5.994 17.731 2.050 —0.19 1.14 cC(D2) 18 7.799 17.289 6.175 —0.19 1.13 C(E1) 18 5.665 20.311 2.454 —0.26 1.10 C(E2) 18 7.500 19.867 6.602 一 0.24 | C(Z) 17 6.460 21.377 4.726 0.21 1.29 N 11 3.158 12.135 2.164 一 0.56 0.90 H(1) 1 2.425 13.901 2.304 0.27 0.29 H(2) 1 1.684 10.879 2.452 0.25 0.28 H(A) 2 5.796 9.722 3.851 0.21 0.28 H(B1) 2 9.066 12.752 4.621 0.20 0.28 H(B2) 2 8.082 13.070 1.477 0.21 0.29 H(D1) 16 5.458 16.934 0.237 0.21 0.30 H(D2) 16 8.666 16.127 7.635 0.20 0.30 H(E1) 16 4.837 21.484 0.994 0.18 0.30 H(E2) 16 8.120 20.721 8.362 0.22 0.31 H(E) 4 5.583 24.805 3.707 0.39 0.31 H(02) 4 4.837 11.798 10.104 0.41 0.32 苏 BR R atom | class | x | ¥ z | charge | MOVS O(1) 10 14.342 3.170 4.536 一 0.42 0.38 O(2) 9 12.936 3.109 0.464 一 0.55 0.51 O(G) 9 6.086 2.147 5.125 —0.41 0.42 N 11 10.626. 0.203 6.234 —0.49 0.90 e 5 12.748 2.685 2.900 0.50 1.35 CCA) 8 10.263 1.571 3.797 —0.15 1.07 C(B) 17 8.174 3.562 4.188 0.00 1.18 C(G) 6 7.472 4.893 1.773 —0.60 0.97 H(A) 2 9.954 0.102 2.526 0.23 0.29 H(B) 2 8.540 5.162 5.393 0.18 0.27 H(G1) 3 6.006 6.263 2.152 0.18 0.28 H(G2) 3 - 6.793 3.527 0.417 0.21 0.29 H(G3) 3 9.113 5.843 1.018 0.20 0.28 H(1) 1 11.320 1.502 7.645 0.24 0.28 H(2) 1 11.976 —1.304 5.973 0.23 0.27 H(G) 4 3.987 3.305 5.199 0.24 0.26 H(02) 4 14.535 3.867 0.161 0.41 0.32 wA mR atom class | x | y 4 | charge | MOVS O(1) 10 3.189 6.944 —1.571 一 0.41 0.38 O(2) 9 6.521 8.809 0.419 —0.55 0.52 O(G) 9 8.385 2.913 一 0.373 一 0.52 0.45 N 11 2.961 2.935 1.358 一 0.54 0.89 Cc’ 5 4.853 7.003 0.099 0.52 1.41 C(A) 8 4.953 4.814 1.988 —0.14 1.08 C(B) 17 7.556 3.614 2.068 —0.18 1.13 H(A) 2 4.499 5.562 3.875 0.17 0.26 H(2) 1 1.245 3.878 1.314 0.26 0.28 H(1) 1 2.881 1.591 2.791 0.23 0.27 H(B1) 2 8.887 5.012 2.811 0.21 0.29 H(B2) 2 7.558 1.993 3.354 0.17 0.27 H(G) 4 7.790 1.198 —0.754 0.36 0.30 H(02) 4 6.233 10.053 —0.842 0.42 0.32 $475 ¢ Cc’ C(A) C(B) S(G) H(2) H(1) H(A) H(B1) H(B2) H(O2) O(CO1) 0(02) N(N) cto") C(CA) C(CB) S(SG) H(H2) H(H1) H(HA) H(HB1) H(HB2) H(HO2) atom Cc’ 5 10.362 12.748 2.204 0.52 1.41 C(A) 8 9.759 10.011 2.835 —0.13 1.06 C(B) 7 9.521 . - 9.528 5.700 —0.38 1.03 C(G) 7 7.942 7.161 5.710 一 0.40 1.01 C(D) 7 6.493 6.989 3.272 —0.30 1.06 N 11 7.353 9.214 1.683 —0.39 0.90 O(1) 10 9.175 13.964 0.594 —0.41 0.38 _ O(2) 9 12.209 13.670 3.578 一 0.55 0.51 H(1) 1 7.631 8.652 —0.259 0.25 0.28 H(D1) 2 4.486 7.100 3.625 0.20 0.28 H(D2) 2 6.906 5.232 2.320 0.18 0.27 H(G1) 2 6.640 Grol 7.281 0.21 0.28 H(G2) 2 9.153 5.530 5.904 0.20 0.28 H(B1) 2 11.342 9.225 6.569 0.21 0.29 H(B2) 2 8.579 11.069 6.651 0.20 0.29 H(A) 2 11.253 8.831 2.099 0.18 0.27 H(O2) 4 12.439 15.386 3.106 0.41 0.32 © 176° i BM EES Rs i. ae SS ea en Ee ENS SS ee ee ne oe atom | class | x | y | 2 | charge | MOVS O(2) 9 9.460 8.278 21.723 —0.54 0.52 O(1) i0 6.828 4.966 22.454 —0.42 0.37 : O(D) 9 3.818 7.431 13.469 —0.53 0.45 N 11 6.848 9.892 17.686 一 0.40 0.91 Cc’ 5 7.483 6.864 21.236 0.51 1.39 C(A) 8 5.878 7.540 18.928 —0.13 1.08 C(B) 7 6.037 5.501 16.894 一 0.41 1.00 C(G) 17 6.246 6.883 14.384 0.00 1.14 C(D) 7 7.689 9.274 15.078 一 0.31 1.04 H(1) 1 5.393 11.229 17.695 0.26 0.28 H(A) 2 3.952 7.895 19.525 0.21 0.28 H(B1) 2 7.657 4.349 17.190 0.20 0.28 H(B2) 2 4.417 4,293 16.927 0.23 0.30 H(G) 2 7.300 5.788 12.983 0.17 0.27 H(D1) 4 3.966 7.703 11.661 0.36 0.30 H(B1) 2 9.700 8.918 15.147 0.20 0.28 H(B2) 2 7.310 10.812 13.841 0.20 0.29 H(O2) 4 10.286 7.590 23.160 0.41 0.32 0 0 N 11 4031 一 2.474 11.080 一 0.70 0.83 N(D) 12 B-215 一 0.837 15.940 一 0.29 0.83 N(E) 15 652 一 0.007 19.734 一 0.46 1.14 C/ 5 0 一 0.235 8.783 0.52 1.41 C(A) 45614 一 1.059 11.400 1.08 C(B) anes 1.255 13.101 —0.52 0.95 C(G) 14 +.015 0.551 15.680 0.07 1.15 C(CE) 14 5.507 一 1.129 18.411 —0.03 1.09 Cc(D) 14 2.047 1.071 18.008 —0.15 1.07 H(1) 1 a. TGA 一 2.574 12.588 0.34 0.30 H(2) 1 vey 一 1.702 10.020 0.31 0.30 H(E2) 16 peal’ 000 21.503 0.39 0.35 H(A) 2 pate 一 2.242 12.196 0.24 0.29 H(B1) 2 pie, 103 13.230 0.25 0.29 | H(B2) 2 3 2.546 12.303 0.24 0.29 H(E1) 16 alah 一 2.020 19.114 0.25 0.33 H(D) 16 0-519 020 18.436 0.23 0.33 H(02) 4 re 0.691 6.947 0.42 0.32 | ce Lv :| ~ e177 RR 半 De Rm atom | class | & | 学 | z | charge | -MOVS $(G) 22 0.008 4.954 1.926 0.06 =| 0.22 0 (1) 10 6.623 2.652 4.243 —0.41 0.40 0 (2) 9 4.099 4.782 6.862 —0.54 0.51 N 11 6.049 5.961 0.467 cet ea | 0.90 C’ 5 5.326 4.448 4.744 0.53 1.41 C(A) 8 4.946 6.659 2.950 —0.13 1.09 C(B) 21 2.191 7.437 | 2.730 —0.50 0.95 H(2) 1 5.698 7.391 —0.849 0.24 0.28 H(1) 1 7.970 5.727 0.535 0.26 0.29 H(A) 2 6.048 8.245 3.703 0.18 0.27 H(B1) 2 1.560 8.184 4.567 0.20 — 0.27 H(B2) 2 1.993 9.013 1.369 0.19 0.28 H( $0) 23 0.019 4.954 4.477 0.06 0.22 H(02) 4 4.421 3.369 8.062 0.40 0.32 atom | class | x | ¥ | 站 | charge | MOVS S 22 0.306 1.528 3.633 0.21 0.20 O(2) 9 — 4.937 1.726 13.260 一 0.55 0.52 O(1) 10 一 1.638 一 0.693 14.122 —0.43 0.38 N 11 1.782 2.718 12.282 —0.51 0.91 Cc’ 5 —2.556 1.084 - 13.007 0.51 1.37 C(A) —0.882 2.718 11.309 —0.13 1.11 C(B) 7 —0.918 1.501 8.542 —0.38 1.05 c(G) 21 0.684 2.984 6.676 —0.51 0.97 4 C(E) 21 2.718 3.109 1.904 一 0.74 0.94 4 H(G1) 2 2.644 2.934 7.240 0.21 0.28 H(G2) 2 0.063 4.927 6.609 0.20 0.28 H(B1) 2 一 2.844 1.454 7.867 0.20 0.28 H(B2) 2 —0.205 —0.409 8.652 0.20 0.28 H(A) 2 一 1.604 4.626 11.246 0.21 0.29 H(1) 1 2.502 0.808 12.294 0.24 0.28 H(2) 1 1.813 3.470 14.179 0.23 0.28 H(E1) 3 3.676 4.433 3.127 0.21 0.29 H(E2) 3 1.885 4.112 0.334 0.21 0.29 H(E3) 3 4.059 1.740 1.201 0.21 0.29 H(02) 4 —5.696 0.578 14.414 0.41 0.32 + a;[exp(—b3-rys) + exp(—b3°1r25) 十 exp( 一 ps.73s5) +exp( —b3-145) | —a,(exp(—by- rig) t+exp(—by- 126) +exp(—ba- 735) + exp(—ba- ras) J (5.1) 式 中 gg、ai、 42,43, at、Di、 5、D Di 是 拟 合 系数 ,距离 ri 的 定义 见 图 5-3。 图 中 的 M 点 在 水 分 子 的 Coy 对 称 轴 上 离 氧 原子 0.02677 nm 处 。 MALBA 点 电荷 一 2 9。 图 中 下 部 还 列 出 了 忆 7 水 -水 公式 中 各 拟 合 参 数值 。 q a a: as a, 0.565117 1864.271482 0.662712 2.684452 0.675342 by b, by b, 2.753110 1.299982 1.439787 1.141494 5-3 水 -水 相互 作用 势 中 距离 的 定义 和 参数 值 气 基 酸 -水 相互 作用 势 采用 Clementi 等 人 由 从 头 计算 法 计算 结果 拟 合 得 到 的 1-6-12 势 ， Un-w= 24 LiL —A3s/r8, + BY /1}? + O28q.qi/tii] (5.2) KEP ABC RUA B17 分 别 表示 氨基 酸 和 水 分 子 中 的 原子 ;指标 a 表示 氨基 酸 中 下 标 为 的 原子 所 属 的 类 (class); 指标 2 表示 水 分 FPP RA I 的 原子 所 属 的 类 〈 因 为 水 分 子 中 只 有 氢 、 氧 二 类 原子 ,所 以 忆 实际 上 是 起 了 区 分 水 分 子 中 氨 、 氧 原子 的 作用 )，9i、 9 是 原子 1 (AER 中 的 ) 和 原子 ) (水 分 子 中 的 ) 的 净 电 荷 。 表 5-3 a 和 2 是 氨基 酸 -水 相互 作用 势 的 参数 表 〈 距 离 单 位 , A ,能 量 单位 ,kcal/mol) 。 注 意 , 该 表 需 与 表 5-2 联合 使 用 。 在 300 玉 ， 用 芝 特 卡 洛 方法 模拟 了 中 性 和 两 性 的 丝氨酸 分 子 的 溶液 结构 。 模拟 系统 采用 立 方 元 胞 ,内 含 250 个 水 分 子 和 一 个 丝氨酸 分 子 ,元 胞 边 长 由 实验 值 (密度 测定 ) 确 定 。 计 算 中 采用 了 周期 性 边界 条 件 。 模拟 计算 表明 ,在 图 5-4 中 的 S1、S2 和 $3 这 三 种 溶液 中 , 水 -水 相互 作用 能 为 一 731.34 土 2.39、 一 726.56 土 2.39 和 一 736.12 土 2.39 kcal/mol, 丝 氨 酸 -水 相互 作用 能 为 一 4206.4 十 71.7、 —10205.34119.5 和 一 8460.6 士 95.6 kcal/mol, 图 5-5 给 出 了 S1.S2 和 S3 溶液 中 N 原子 和 C' 原子 的 径 向 分 布 国 数 RDF 和 偶 极 抢 取向 关 联 函 数 OCF。 径 向 分 布 范 数 , 简单 地 讲 , 它 相 当 于 在 一 个 粒子 周围 距离 为 7 的 地 方 出 现 另 一 个 粒子 的 几率 相对 于 随机 分 布 的 比值 。 由 于 随机 分 布 的 径 向 分 布 函数 为 1 ， 所 以 径 向 分 布 函数 可 以 理解 为 在 距离 7 处 找到 另 一 粒子 的 几率 。 介 极 矩 取向 关联 函数 可 理解 如 下 , 求 出 分 子 偶 极 矩 方向 的 单位 矢量 以 及 从 中 心 原子 到 分 子 中 茶 一 指定 原子 连 线 方向 上 的 单位 矢量 ,上 述 单位 矢量 间 的 内 积 称 为 偶 极 矩 取 向 关联 函数 。 。 179。 万 5-30 氨基 酸 和 水 分 子 中 氧 原子 相互 作用 参数 0.207 521 847 十 01 0.173 850 511 十 04 0.100088759 十 01 2 0.824 252 534 十 01 0.145 269 011 十 04 0.100 000 000 十 01 3 0.130720 375+01 0.280 374 992 十 03 0.998704 314 十 00 4 0.159769 344+01 0.463 124774+04 0.100 093 982+01 5 0.356 004 411+01 0.184 585 125 十 06/ 0.999759 927 十 00 6 0.356 004 411 十 01 0.389 186 260 十 05 0.100 027 880 十 01 7 0.190 353 591+02 0.618 960 681+ 04 0.100 000 000+01 8 0.117 872 994403 0.235 846 649+04 0.100 101 370+01 9 0.845 311 871+ 02 0.870 600 693+03 0.100 005 104+01 10 0.163 284 536+03 0.762 464 880 +04 0.999 389 425+00 11 0.141 507 664+03 0.277 916 666+04 0.100 009 498+01 12 | 0.491 524 463+02 0.486 883 081+04 0.998 375 371+00 13 0.347 660 562 十 01 0.682 350 397 十 04 0.100 299 819 十 01 14 0.968 582 392 十 01 0.130 161777 十 06 0.100 080 614 十 01 15 0.441 930 092 十 03 0.127 116 438 十 05 0.100 051 089 十 01 16 0.356 528 398 十 01 0.104377 336 十 04 0.998747 133 十 00 17 0.356 004 411+01 0.121598 151+-06 0.992 949 978+00 18 0.356 004 411+01 0.404 495 615 十 05 0.100 236 642 十 01 19 0.356 004 411 十 01 0.157 257 820 十 06 0.874 550 834 十 00 20 0.385 323 176 十 02 0.177 231 436 十 06 0.981 899 209 十 00 21 0.604173 851 十 01 0.545 685 400 十 05 0.100 149776 十 01 22 0.259 413 876 十 03 0.918 035 120 十 04 0.101107 869 十 01 23 0.102 959 207 十 03 0.776 556 488 十 04 0.102 515 377 十 01 S1 ,中 性 丝氨酸 分 子 S2, 两 性 丝氨酸 离子 S3, 两 性 丝氨酸 离子 图 5-4 ”丝氨酸 分 子 沿 : 轴 的 投影 图 S2、S3 是 两 种 不 同 构象 的 两 性 丝氨酸 离子 从 能 量 结果 中 可 以 看 到 ,无 论 是 S1,S2 还 是 S3， 它 们 的 Bx xd BH 200 个 水 分 子 包 围 一 个 甘氨酸 中 性 分 子 或 一 个 两 性 甘氨酸 分 子 离子 所 构成 的 立方 元 胞 ,其 五 #k-# 的 模拟 结果 也 分 别 为 一 724.17 土 2.39 和 一 719.39 土 2.39 kcal/mol) 。 这 表明 模拟 中 所 用 的 水 分 子 数目 已 能 满意 反映 真实 体系 中 溶质 -溶剂 (这 里 实 为 氨基 酸 -水 ) 相 互 作用 。 两 性 离子 和 水 相互 作用 比 中 性 分 子 A, 这 主要 是 由 于 两 性 离子 氨 端 水 化 区 的 溶质 -溶剂 相互 作用 比 中 心 分 子 大 得 多 造成 的 。S 2 和 « 180° 表 5-35 和 氮 基 酸 与 水 分 子 中 氢 原 子 相互 作用 参数 class 4 B C 1 0.227 048 409+ 03 0.319 285 464+04 0.998 202 369+00 2 0.344 879 279+01 0.332 071 268+04 0.999 966 606+00 3 0.344 879 279+01 0.704 513 690+-04 0.998 410 933+00 4 0.389 675 373+03 0.307 583 102+04 0.100 093 916+01 5 0.242 698 627+03 0.570 163 312+04 0.999 941 483+00 6 0.102 073 144+ 02 0.294 559 020+06 0.999 955 520+00 7 0.110.689 075+ 03 0.276 483 570+06 0.999 073 327+00 8 0.102 073 144+02 0.3459 47762+06 0.100 345 021+01 9 0.112 916 672+02 0.305 269 293+ 06 0.999 645 844+00 10 0.102 073 144+02 0.261569 141+06 0.100 092 629+01 11 0.124076 189 十 02 0.6318286125 十 06 0.999 096 863 十 00 12 0.220 215 490 十 02 0.200 655 234 十 06 0.996 603 809 十 00 13 0.318 320 038+-03 0.615 968 625+06 0.100 005 582+01 14 0.126 181 3034-03 0.130 406 0144-06 0.101 622795+01 15 0.161787 306+-04 0.626 337 617+06 0.100 060 296+01 16 0.233 495 670+03 0.792 550 488+04 0.100 239 015401 17 0.102 073 144+02 0.102 467 840+06 0.993 570 738+-00 18 0.102 073 144+02 0.520 450 148+06 0.999 982 8044-00 19 0.199 325 260+ 03 0.136718 561+05 0.109 999 999+01 20 0.655 663 666+-03 0.911 956 562+06 0.101 060 666+01 21 0.229 295 538+03 0.155 507 061+ 05 0.100 122 450+01 22 0.139 064 225+02 0.174 304 908+07 0.995 094 240+00 23 0.254 667 215+03 0.369 866 099+ 05 0.105 506 256+ 01 $3 的 Bux fa 2 AI AE 1B ak SCH, 和 两 个 亲 水 性 基 团 空间 取向 的 不 同 而 造成 的 。 此 外 ,S2 在 氨 端 水 化 区 域 中 的 溶质 -溶剂 相互 作用 范围 比 S3 的 要 更 大 些 。 以 下 再 简略 讨论 每 一 水 化 区 域 的 结构 特点 。 S1 #9 N/HCAN 原子 为 中 心 , 考察 也 原子 的 情况 )RDF 在 0.3 nm 和 0.35 nm 有 两 个 峰 ; N/O ff) RDF 峰 在 0.3 nm 处 ; 在 0.4 一 0.6 nm 存在 NVO fj RDF 宽 峰 ;N/VDIP OCF 显示 出 取 向 有 序 , 且 一 直 延 伸 到 0.45 nm。 和 甘氨酸 水 溶液 相 比 , 丝氨酸 水 溶液 中 该 区 的 有 序 性 大 得 多 。 在 甘 握 酸 溶液 中 与 甘氨酸 中 N 原子 最 接近 的 水 分 子 取向 是 水 分 子 中 的 再 原子 指向 N 原子 ， 但 在 S1 中 却 不 是 如 此 ,这 是 因为 S1 存在 一 OH 羟基 的 缘故 。 S2 的 N/ 也 之 RDF 在 0.3nm 和 0.35 nm 处 各 有 一 个 峰 ,，NVO fy RDF 在 0.28 nm 有 一 尖 Bil, N/DIP OCF 表现 出 该 区 已 存在 高 度 的 取向 有 序 性 。 S3 的 情况 与 S2 类 似 , 所 不 同 的 是 N/H fy RDF i # 0.3—0.35 nm 之 间 , N/O fy RDF 峰 在 0.27 nm,C’/O AYRDF 峰 在 0.35 nm 处 。 Si fy C’/H RDEF 在 0.35 nm 有 一 宽 峰 ,C'/O RDF 在 0.32nm 有 一 主峰 ,在 0.35 一 0.5 nm 有 一 较 低 的 宽 峰 , 0.5 nm 以 外 仍 显示 取向 有 序 。 * 181° 3D0 ddqv/gD Aga -5 丝氨酸 的 RDF: 和 OCF:[ 横 坐标 为 R(nm)] A, S1 中 人 #1 C’ 区 域 的 RDF。 和 OCF,， B. S2 + N fC’ [Kitty RDF; #1 OCF,, C. S3 中 N 和 C KR RDF, fi OCF,, D. S1(#) MS 2 (4) Cy ff RDF; fil OCF,, 070- ddD0 ddq7D SG 079 图 5 09'0 ， 00- doD0 did/o ¢ 182 S 2 fy C’/H RDEF 在 0.27nm 和 0.37nm、C'/O 的 RDEF 在 0.35 nm 处 均 有 主峰 。 Rina 序 延伸 到 0.4 nm, S 3 的 情况 与 S 2 类 似 。 丝氨酸 模拟 结果 的 总 图 象 与 甘氨酸 水 溶液 模拟 结果 定性 相符 。 模拟 结果 的 进一步 分 析 还 告诉 我 们 ,在 丝氨酸 溶液 中 ， everett ett en 接 化 学 水 化 ;溶液 中 存在 着 由 氢 键 键 合 的 复杂 水 分 子 网 络 , 这 些 网 络 结构 单元 有 的 就 在 溶质 分 子 周围 ,有 的 直接 与 亲 水 的 氨基 和 羧基 水 化 ;在 溶质 分 子 亲 水 区 中 往往 存在 “水 化 氛 "。 值 得 指出 的 是 ， 模拟 计算 表明 在 丝氨酸 溶液 中 不 存在 与 一 OH 羟基 直接 键 合 的 强度 较 大 的 氢 键 ， 这 很 可 能 是 由 于 疏水 性 DCH, 基 团 的 存在 及 更 为 强烈 的 亲 水 性 基 团 竞争 的 结果 。 蒙特 卡 洛 模拟 最 终 给 出 系统 进入 平衡 态 后 的 结构 状态 , 故 除了 上 面 所 提 到 的 信息 外 ,还 可 以 抽 提 出 每 个 溶剂 分 子 ,特别 是 溶质 分 子 周 围 溶剂 分 子 的 地 位 等 精细 微 环 境 信息 ,在 此 基础 上 还 能 得 到 系统 的 平衡 热力 学 性 质 、 结构 动力 学 性 质 。 下 面 要 介绍 的 就 是 这 方面 工作 的 一 个 典型 例 x. 5.2 短 杆菌 肽 A 离 子 选择 性 的 蒙特 卡 洛 研 究 生物 膜 的 离子 选择 性 在 许多 生物 机 制 中 起 着 重要 的 作用 。 短 杆菌 肽 A 通 道 是 目前 为 数 不 多 的 确定 了 空间 结构 的 离子 选择 性 跨 膜 之 一 。 该 膜 对 阴离子 和 二 价 阳 离子 是 不 渗透 的 , 对 单价 阳 离子 有 明显 的 离子 选择 性 。 若 以 对 Nat 的 渗透 性 为 标准 (1) 的 话 ,那么 有 : SONS (8.9) >Cs*(5.8) >Rb*(5.5) >K*(3.9) >Nat(1) >Li* (0.33) 溶剂 化 短 杆菌 肽 A 跨 膜 通道 离子 选择 性 的 蒙特 卡 治 计算 的 主要 目 的 是 比较 Nat. K* 阳离子 -水 分 子 - 短 杆菌 肽 A 体 系 的 能 量 .能 量 组 成 ,分 析 它 们 对 离子 选择 性 造成 的 影响 ,研究 Na* KY 存在 时 ， 短 杆菌 肽 A 通 道 的 水 化 结构 。 短 杆菌 肽 A 是 由 世 -氨基 酸 和 D- 氮 基 酸 交替 组 成 的 C 端 和 N 端 均 被 保护 的 15 肽 .一 级 结构 为 HCO—L. Val'—Gly’?—L. Ala*—D.Leu‘—L. Ala®—D. Val’—L. Val’—D. Val’—L.Trp’—D. Leu'°—L.Trp"—D.Leu”—L.Trp'*—D.Leu'‘—L.Trp'*—NHCH,CH,OH, 图 5-6 是 短 杆菌 肽 入 膜 通 道 。 模拟 的 能 量 结果 如 下 ， 水 -水 相互 作用 能 S1.S2 和 S$S3 分 别 为 一 30.6 士 0.1、 一 30.4 士 0.1 #il—30.8+0,1 kJ/mol, 5-7 是 半径 为 0.35 nm 时 短 杆 菌 肽 A 的 圆柱 形 图 以 及 它们 在 R-Z 面 上 的 投影 。 从 图 中 可 以 看 出 短 杆菌 肽 A 跨 膜 由 短 杆 菌 肽 A 双 体 组 成 ,每 个 单 体 都 是 一 个 B 螺旋 结构 ,每 6.3 个 残 基 构 成 螺旋 的 一 圈 。 肽 的 C 一 O 部 分 交替 地 指向 工 残 基 的 闪 基 端 和 D 残 基 的 氨 端 , A、 B 两 个 单 体 相 对 而 立 。 在 对 Na+'-K-*-H:O- 短 杆菌 肽 A 系 统 进行 蒙特 卡 洛 模拟 时 ， 水 -水 .水 -阳离子 ,阳离子 - 短 杆 菌 肽 A ,水 - 短 杆菌 肽 入 的 相互 作用 势 函 数 均 由 量子 化 学 从 头 计算 法 得 出 .模拟 温度 为 300K ,模拟 体积 为 半径 0.55 nm .长度 4.8 nm 的 圆柱 体 .圆柱 体内 包含 一 个 短 杆菌 肽 A 通 道 ,一 个 阳离子 和 ¢ 183。 *，T84。 磷脂 腊 短 杆菌 肽 通道 Rew 图 5-7 AT RAK A 的 投影 图 Pui 图 5-8 z=0.0.2,0.4,0.6,-++++- 1.4 nm 时 ,等 能 面 在 习 - 工 面 上 的 投影 左 图 表示 2—0.3 nm Mz +093 nm 范围 内 短 杆 菌 肽 入 的 组 成 部 分 。 第 二 、 三、 四 列 分 别 是 HO, K+ 和 Nat 与 短 杆 菌 肽 入 相 与 作用 的 等 能 图 ,其 中 每 幅 图 左下 方 的 数值 表示 等 能 图 中 最 小 能 量 值 (kcal/mol)。 第 一 列 的 范围 为 <= 土 0.6nm,y 三 土 0.6nm, 其 余 的 缘 为 zx= 土 6 原子 单位 ,y 一 土 6 原子 单位 。 © JS85。 3 、 § J Fa 图 5-9 在 短 杆菌 肽 A 通 道内 H.O,K* 和 Nat 与 短 杆菌 肽 入 相互 作用 能 的 极 小 值 与 z 的 关系 及 其 在 X-2 平面 上 的 投影 ”TI86。 81 个 水 分 子 。 在 上 述 条 件 下 ,水 的 密度 为 1 。 水 分 子 和 阳离子 可 在 圆柱 体内 自由 运动 ,对 水 分 子 加 了 z 方向 平移 对 称 性 条 件 。 每 一 系统 计算 了 一 百 万 步 , 其 中 的 后 五 十 万 步 用 于 统计 分 析 。 从 图 5-7 中 可 以 看 到 , 闻 基 氧 处 在 短 杆菌 肽 入 螺旋 两 条 相 邻 的 螺 线 之 间 ,但 离 氧 与 之 键 连 的 那 条 螺 线 更 近 。 可 以 想象 ,阳离子 的 位 置 也 应 如 此 。 另 外 ,构成 螺旋 的 原子 会 对 离子 产生 近 程 排 斥 作 用 ， 因 此 阳离子 也 必 落 在 两 条 螺旋 之 间 。 图 5-8 至 图 5-10 是 Na* K-` -HzO- 短 杆菌 肽 入 系统 能 量 的 各 种 关系 示意 。 从 图 中 可 以 清楚 地 看 出 ,Na+*/( 短 杆菌 肽 ) 比 K+/( 短 杆菌 肽 ) 要 大 ,这 是 由 于 Na+ 与 短 杆菌 肽 A 的 原子 的 相互 作用 比 K* 的 要 强 。 由 此 可 以 推断 ,在 短 杆菌 肽 A 中 ,Na-* 比 K* 要 更 容易 进入 能 量 适宜 的 位 置 , 也 就 是 说 ,K- 偏离 ? 轴 运 动 的 倾向 比 Na 要 小 。 E=kJ/mol 图 5-10 K* Al Na* 阳离子 与 溶剂 化 的 短 杆 菌 肽 A 相 互 作 用 能 曲线 。 4 表示 阳离子 贡献 部 分 , 瑟 表 示 通 道中 9 个 水 分 子 的 贡献 , C 表示 K+ 和 Na* 系统 的 总 能 量 。 Na+/( 短 杆菌 肽 A)、K+/( 短 杆菌 肽 A ) 所 构成 的 势能 . 兰 基 氧 所 造成 的 深 势 阱 、 链 上 原子 对 阳离子 所 必然 产生 的 近 程 排斥 作用 以 及 短 杆菌 肽 A 的 结构 特征 ,决定 了 阳离子 Na+ 、K+ 在 膜 通 道中 的 运动 途径 ,如 图 5-11 所 示 。 5-12 和 图 5-13 是 Na*,K* 存在 时 , 短 杆 菌 肽 入 通道 中 水 分 子 的 键 合 结构 状态 。 分 析 上 述 两 图 可 以 看 出 ,无 论 是 Nat 还 是 K+ ,在 通道 内 (一 1.2 nm 至 1.2nm) 存在 9 个 水 分 子 。 渗 透 和 扩散 实验 值 为 6 一 7 个 水 分 子 ,电极 动力 学 实验 值 为 12 个 水 分 子 。 理 论 计算 值 介 于 两 类 实验 值 之 间 。 通道 中 的 水 成 链 状 束 。 通 道中 的 阳离子 在 每 一 水 化 层 中 被 2 个 水 分 子 溶 剂 化 。 当 阳离子 运 se。 187 e =。 188。 FF Fah: 图 5-11 EMP RIKAAA Kt 和 Na* 的 运动 途径 。 图 中 也 画 出 了 短 杆菌 肽 A 骨 架 的 螺旋 型 模式 。 -25.0 12.0 2 12.0 25.0 -25.0 -12.0 z le OS, AL wept tg 图 5 12 K°#EtE RCIA WLAN OO. 顶部 两 ; 架 基 团 。 其 余 的 图 表示 K+ 的 平均 位 置 处 于 a.z=—0.08,6;z=0.27,c: z=0.61, d.z2=0.79,e:2= 张 图 只 画 出 短 盾 菌 肽 A 的 骨 1.14,f:2=1.50 nm a 二 下 -250 -12.0 z 12.0 25.0 -25.0 12.0 z 12.0 25.0 _ oe a cay 4 ALLS gao on ¥ 2 5-13 Na 存在 时 , 溶剂 化 短 杆 菌 肽 A 通道 内 的 键 合 结构 图 。 顶部 两 张 只 夯 时 骨架 基 团 ,其余 的 图表 示 Nat 的 平均 位 置 处 于 az 一 Shy os “Soha ee lp €:2=1.18,f:z=1.54nm ; 动 到 通道 口 时 ,它们 的 溶剂 化 水 分 子 个 数 便 增加 。K+ 离子 在 z=0.79 nm 时 , 阳 离子 的 两 个 水 化 层 内 均 有 3 个 水 分 子 , 当 Kt 运动 至 1.14 nm 时 ,第 一 水 化 层 仍 含 3 个 水 分 子 , 第 二 水 化 层 变 为 7 个 水 分 子 了 。 A 从 计算 中 可 进一步 分 析 溶 剂 化 和 水 化 的 能 量 PRL. 表 5-4 总 结 了 这 方面 的 数据。 它 给 出 ° 189 « 表 5-4 数值 分 析 结 果 1/GA | 1/T Tot * ”未 确定 (1) 溶剂 化 离子 第 一 (W 1) 和 第 二 (W 2) 配 位 层 中 水 分 子 的 数目 ， (2) 离子 到 第 一 和 第 二 配 位 层 的 水 分 子 的 平均 距离 WD 1.WD 2， (3) 第 一 .第 二 配 位 层 溶剂 化 能 量 S1、S2，S1 和 S2 的 加 和 :S12, 总 溶剂 化 能 也 到 ;单位 kJ/mol, . (4) 离子 与 短 杆菌 肽 A 的 相互 作用 能 I/GA; (5) 总 的 离子 相互 作用 能 T/T; = (6) 系统 的 总 能 量 Tot ,每 摩尔 水 时 的 系统 总 能 Tot/+s (7) 离子 配 位 的 标准 偏差 STD, 系统 的 总 能 量 Tot 可 分 解 为 阳离子 贡献 部 分 IIT 和 水 分 子 贡 献 部 分 W/T, 即 Tot= T+ W/T;1/T 可 表 为 I/T=1/W +1/GA; W/T HRA W/T=W/W + 去 W/I +W/GA 其 中 W/I=1/W, 如 上 简 述 ,无 论 是 Na+ 还 是 K+ ,在 2= 一 1.2nm 和 2z=1.2nm 之 间 , 短 杆菌 肽 A 的 通道 内 有 9 个 水 分 子 ,这 些 水 分 子 处 于 线性 链 状 构 象 。 短 杆菌 肽 A 的 膜 通道 是 非常 窗 的 ,在 某 一 瞬间, 对 某 一 截面 来 讲 , 只 能 通过 一 个 阳离子 或 水 分 子 。 一 个 阳离子 要 穿 过 通道 ,必须 推 开 通道 内 所 有 的 AE, 41.1 nm>|2|>0.3 nm 时 ， 从 能 量 允 许 的 区 域 中 来 看 ， 横 截面 的 半径 对 H:O 和 KK+ 约 为 0.7 au ,对 Nat+, 约 为 1.0 au.。 位 能 图 中 ,能 量 最 低 点 位 于 螺旋 短 杆菌 肽 A 的 骨架 原子 之 间 。 阳 离子 和 水 分 子 是 沿 着 螺旋 途径 在 短 杆 菌 肽 A 骨 架 原 子 的 两 链 之 间 前 进 运动 的 。 其 轴 半 径 对 K+ 为 0.05 土 0.0Lnm, 对 Nat 为 0.08 土 0.02 nm。 这 跟 K+ 离子 穿 过 通道 比 Nat 快 的 结果 是 一 致 的 ,因为 由 于 Nat 运动 路 程 比 K+ 要 长 1.4 倍 ,并 且 Nat 更 易 停留 在 炭 基 氧 附 近 。 由 此 可 以 推断 ，Li+ 的 运动 途径 将 更 长 ， 而 Cs+ 很 可 能 是 直线 运动 。 因 此 Cs* 比 K+ 能 更 快 通过 通道 ， L 计 比 Nat+ 更 慢 。 如 此 很 好 地 解释 了 短 杆菌 肽 入 跨 膜 的 离子 选择 性 大 小 的 问题 。 5.3 肽 链 构 型 的 能 量 分 析 从 结构 上 看 , 肽 链 是 蛋白 质 的 骨架 基础 ,多 肽 的 构象 研究 对 理解 蛋白 质 的 立体 结构 是 非常 重 要 的 。 下 面 我 们 介绍 肽 结构 的 描述 和 对 规则 多 肽 链 进行 研究 的 一 些 结果 。 5.3.1， 肽 结构 的 描述 从 化 学 家 的 观点 来 看 ,蛋白 质 是 由 氨基 酸 残 基 以 一 NH 一 CHR 一 CO 一 形式 线性 连接 形成 的 。 对 理解 多 肽 链 的 立体 构象 来 讲 ， 以 氨基 酸 残 基 为 单位 的 描述 往往 不 够 好 。 这 是 因为 第 一 个 氨基 酸 的 CO 与 第 二 个 氨基 酸 的 NH 之 间 的 相互 作用 所 形成 的 C 一 互 键 , 即 肽 键 , 具 有 双 键 的 特征 。 图 5- 芭 画 出 了 导致 产生 C 一 N 键 双 键 特征 的 二 个 共振 结构 式 。 由 于 共振 的 结果 ,从 一 个 < 碳 原 子 出 发 至 另 一 个 x 碳 原子 ,整个 (C" 一 CO 一 NH 一 C") 原 子 集合 ,全 部 落 在 一 个 平面 上 。 该 集合 具有 相当 的 牢固 性 , 它 是 研究 蛋白 质 结构 的 最 重要 的 基本 结构 单元 , 称 为 肽 单位 。 Cs H 0. 153nm 114° Day 100nm 121 ° Cc’ 0.132nm N114° 125° 123° ei pn/ 0.147nm 10) > 图 5-15 A fi Ay An RY 图 5-16 肽 单位 的 标准 结构 数据 ° 191° 肽 单位 所 在 平面 ， 又 称 酰胺 平面 。 晶 体 结 构 分 析 表 明 ， 和 蛋白 质 中 的 绝 大 多 数 酰胺 平面 都 为 平面 结构 ， 只 有 少数 情形 酰胺 面 受到 扭 折 。 肽 单位 有 顺 式 和 反 式 两 种 〈 图 5-15)。 BR 个 别 例外 ， 和 蛋白 质 中 的 肽 单位 全 是 反 式 的 。 反 式 肽 单位 通常 采 用 的 结构 数 据 是 Corey 和 Pauling 提出 的 ,如 图 5-15 Bra. 肽 链 可 以 看 作 是 由 许多 肽 单位 在 K 碳 原子 上 相互 连接 而 成 的 。 在 a 碳 处 连接 两 个 肽 的 两 个 键 C°—N 和 C" 一 C 是 可 以 自由 旋转 的 ， 从 这 两 个 键 的 键 长 数据 可 以 看 出 ,它们 都 是 单 键 。 这 样 , 抓 住 两 个 相 邻 的 酰胺 平面 ,以 共用 的 'C” 为 定点 旋转 ,如 图 5-17， 两 个 酰胺 平面 间 可 以 有 无 数 个 位 置 。 这 两 个 肽 的 位 置 可 用 一 对 担 角 , 又 称 二 面 角 来 描述 , 记 为 (4%, 切 )。 假如 一 条 肽 链 上 所 有 的 酰胺 平面 都 作 这 种 旋转 , 肽 链 就 会 象 一 条 柔软 的 链条 ;构成 各 种 不 同 的 结构 .此 时 ,整个 肽 链 的 位 置 ,就 可 用 一 组 二 面 角 的 集合 {(g%i,%)} 来 描述 .也 就 是 说 ， 多 肽 链 的 特征 构象 是 肽 链 基 团 绕 共 价 单 键 C“ 一 N,C" 一 C 旋 转 而 形成 的 ,它们 又 称 为 多 肽 链 的 折叠。 给 出 了 一 个 肽 段 的 {(9g;,%)》， 就 完全 定量 地 给 出 了 这 个 肽 段 的 构象 。 对 第 款 个 氨基 酸 残 基 ， 它 的 多 . 光 各 自 包含 的 原子 及 顺序 如 下 : NG uCN CCi Ni+r1) @;(C?7,C;,Ni+1,CH1) 其 中 第 二 、 第 三 两 个 原子 间 的 共 价 键 就 是 旋转 的 中 心 键 。 理想 的 肽 单位 ,如 前 所 述 , 是 平面 结构 。 但 实际 上 , 并 非 所 有 原子 全 在 一 个 平面 上 。 这 种 非 平面 性 用 二 面 角 o 来 表示 。 它 是 Cz ,Cj Ni+i 构 成 的 平面 与 Ci, Ni+t,C8: 构 成 的 平面 之 间 的 夹 角 ， Ci; 一 Ni+: 是 旋转 的 中 心 键 。 由 于 肽 键 具 有 双 键 特征 ,所 以 © 值 接近 180 。 goi 全 为 零 , 称 为 全 伸展 构象 ,对 应 下 列 结构 状态 ; ¢;=0,N,—C,_.5 c7—C 成 顺 式 或 Cl 5 N;—C,RRHK; y,=0,C7—N, 与 Ci 一 Ni+l 成 顺 式 或 C8 一 Ni 与 CI 一 Ni+l 成 反 式 @,=0,C%-—C, 5Niii:—CH OMAR 肽 单元 相互 旋转 ， 使 主 链 出 现 各 种 构象 。 主 链 构 象 不 同 ， 侧 链 R 就 出 现在 不 同 的 空间 位 置 上 。 侧 链 有 大 有 小 ,相互 间或 者 吸引 ,或 者 排斥 。 和 蛋白 质 分 子 因 侧 链 的 这 种 作用 ， 使 得 主 链 与 侧 链 相互 影响 、. 相 下 制约 ,达到 某 一 最 稳定 状态 。 为 了 适应 侧 链 构 象 的 要 求 ， 有 时 要 破坏 主 链 构象 的 安排 。 然 而 ， 侧 链 构 象 的 形成 又 将 巩固 主 链 的 构象 。 因 此 ， 一 个 蛋白 质 分 子 的 比较 完全 的 描 。192 。 图 5-17 ”多肽 链 的 构象 述 , 除 了 主 链 的 {(g,,%,o)} 外 ,还 必须 对 侧 链 的 构象 有 一 个 定量 的 描述 。 侧 链 中 原子 的 构象 可 用 一 系列 二 面 角 yl!,X2?,，………' 来 描述 。X :表示 绕 键 1, 即 C°—C? 键 的 旋 转 ,x: 表 示 绕 键 2, 即 C’—C’ 键 的 旋转 ,如 图 5-17 。 对 Val 这 类 与 C2 有 C”"、C" 连接 的 , 则 可 另 加 数 符 标记 , Bmx". 二 面 角 又 叫 捏 角 或 构象 角 。 利 用 它 , 可 将 包括 主 、 侧 链 在 内 的 整个 蛋白 质 分 子 的 构象 定量 地 表达 出 来 。 当 然 ， 对 蛋白 质 分 子 主 链 和 侧 链 的 完备 的 精细 的 描述 , 仅 有 主 链 的 一 套 二 面 角 {(%i， ,oo,) 和 侧 链 的 一 套 二 面 角 {x 人 是 不 够 的 ， 必 须 还 有 其 它 的 一 些 参 数 ， 如 各 键 键 长 ， 肽 单位 Cr 一 C, 一 Ni 一 Cx5, 中 ， 与 C, 键 合 的 氧 原 子 偏离 酰胺 平面 的 程度 (往往 用 > 表示 ， 即 ”表示 Cz 一 Ni 一 C: 一 0; 的 非 平面 性 ) ， 肽 单位 中 与 Ni+l 键 合 的 气 偏 离 酰胺 平面 的 程度 〈 它 用 六 表 示 , 即 旭 反 映 了 C? 一 C; 一 Ni 一 也 的 非 平面 性 ) ， 等 等 。 但 毫 无 疑问 ， 描 述 蛋白 质 空间 结构 最 主要 的 参数 是 肽 链 的 一 组 二 面 角 {(4 0 op)} 和 侧 链 的 二 面 角 {X 个。 为 了 描述 蛋白 质 多 肽 链 的 性 质 ，Ramachandran 以 构象 角 4 为 横 坐 标 ,构象 角 % 为 纵 坐 标 ， 作出 一 直方 图 ,其 中 的 一 点 对 应 一 对 (%,%) 。 将 一 个 蛋白 质 所 有 肽 段 的 (g,%) 画 在 图 上 ， 一 条 肽 链 的 构象 就 鲜明 地 显示 在 一 张 图 上 ,这 种 (4, 力 图 就 称 为 Ramachandran 图 (195 页 图 5- 18), 简 称 拉 氏 图 。 从 拉 氏 图 中 ， 能 得 到 蛋白 质 多 肽 链 的 折 县 特 征 ( 图 5-17) 。 表 5-5 蛋白 质 中 非 键 原子 的 允许 距离 om) 第 一 行 是 一 般 可 接受 的 范 氏 距离 ， 括 号 中 是 拉 氏 在 小 分 子 结构 中 发 现 的 最 小 允许 距离 | Cc N | O H C 0.320 0.290 0.280 0.240 (0.300) (0.280) (0.270) (0.220) 0.270 0.270 (0.260) (0.260) 0.240 (0.220) 0.270 (0.260) 0.240 (0.220) 5.3.2 规则 多 肽 链 分 子 构 型 的 能 量 分 析 肽 链 中 构 型 能 量 的 计算 一 般 取 Momany 等 提出 的 势 函数 和 参数 值 。 两 个 单 体 间 的 相互 作用 能 包括 静电 作用 、 色 散 吸 引 和 非 键 排斥 。 氢 原子 (羟基 和 胱 所 上 的 所 和 氧 原子 以 及 毛 基 氨 原 子 之 间 的 非 键 作 用 采用 广义 的 氨 键 函数 。 AE 了 iG A SEB +[ Aj, /e7i Bi frit} a mee ui, ate eeeR: 193 - 表 5-6 蛋白 质 二 级 结构 及 一 些 规则 结构 的 特征 (%,y*) 值 WET PRE 结 构 ¢( HE) v (BE) . AF a Mik | —57 一 47 3 Bie | 一 49 | 一 26 4 BRBREB | —119 | +113 | 3H AR II —80 ' +150 EL - WER I 一 83 -十 158 II 一 78 +149 . 总 的 构 型 能 包括 不 同 单 体 间 的 相互 作用 能 、 侧 链 与 骨架 间 的 相互 作用 能 和 转角 势能 ， = Dae, +0.8/2{2—cos 3¢+3 cos »} 十 五 ,on 侧 链 跟 骨 架 的 作用 能 Bon RHI ER. Sr Ha HS BERET IR PLA 4, 势能 参数 ALC 由 下 式 给 出 ， A=1/2-C-R§ pee anata! (aa Na)? + (ay/Ns)'7] 其 中 A、B 表 示 两 个 原子 ,e hm ABLARK, NHB BTR. 势能 参数 列表 5-7 和 表 5-8 中 。 表 5-7” 肽 链 构 型 能 量 参数 C=3/2: 饱和 C 羟基 C 羟基 O 羟基 O | BtRN 0.59 “- 0.93 0.93 0.93 6.10 5.20 5.20 3.24 4.12 3.74 3.10 3.40 3.40 0.0 - 0.45 — 0.30 表 5-8 和 氢 键 函数 能 量 参数 (单位 : kcal/mol) Zt oe 气 | | Basch 3° a 图 5-20 2m T AEE 6 Fd Asia Pk 链 螺旋 参数 多 (以 实 线 表示 ) 和 步 高 (以 虚线 表示 ) 的 变化 曲线 。 这 些 曲线 表示 了 肽 链 螺旋 结构 的 如 下 特点 : 1. 构 型 空间 具有 中 心 对 称 性 。 这 是 肽 OF 面 几 何 构 型 的 反映 ; 2. 肽 链 所 能 形成 的 螺旋 构 型 比较 有 限 , 它 不 能 生成 每 圈 螺 旋 中 单 体 数目 大 于 5 的 松散 缠 纸 螺 旋 , 只 能 形成 比较 小 的 紧凑 螺旋; - “80° = : 0° = 一 180° 多 5-18 Ramachandran 构象 图 图 5-19 13 个 蛋白 质 2500 个 残 基 构 象 在 拉 反 实 线 范 围 是 一 般 允 许 区 ， 虚 线 范 围 是 最 大 人 允许 区 。 图 上 的 分 布 A. 是 对 甘氨酸 的 结果 ， 五 . RAC 的 结果 ， 有 空 间 陈 碍 的 原子 也 标 在 图 上 的 相应 位 置 。cr- 左 手 c 螺旋 ; A-A HBA; x-x Wie; 一 胶原 三 股 螺旋 。 3 螺旋 构 型 区 域 和 伸展 构 型 区 域 分 布 得 比较 规则 , 它们 几乎 分 布 在 相互 平行 的 区 间 内 。 图 5-21 是 根据 上 述 表 中 所 示 势 参数 算得 的 聚 甘氨酸 构 型 能 量 图 。 粗略 观察 给 人 的 印象 是 图 5-20 与 图 5-21 有 一 定 的 对 应 关系 。 螺 旋 参 数 曲 线 以 及 它们 的 适 © 958 3 180 \ \ \ @= 150° ; NAN, sale. 140 6=150° | } 4 AN 0= 10 i ey, TAN N\ =3,0 J8=100) NA ba ] ‘ \ 8=80° = a“ oa | ity 0-140 = 100-60. 22020 60 100140180 y 180[ 一 - 140 / 2 . AR 9 Y 60 5 5 is 1 2 2~、、 和 20 1 ~ 2 aN 1 he SS s =n en SS, =~ 1407 2: ! 一 180|- 9 = 180 -140 -100 -60 -20 20 00 100 140 180 one 图 5-21 聚 甘 氛 酸 的 构 型 能 量 图 es。 196° ape - 当 交 叉 在 一 定 程度 上 勾 划 了 构 型 能 量 曲线 最 外 部 的 轮廓 线 。 其 中 最 明显 的 是 下 面 四 个 区 域 : 1. 左上 角 和 右 下 角 , h=2.0 和 由 = 一 2.0 两 条 曲线 近似 地 描述 出 折叠 构 型 低能 量 区 的 轮 WBE 2. 6=100" 和 6=150" 两 条 曲线 近似 地 描绘 出 螺旋 构 型 区 最 外 部 的 轮廓 ; 3. Fe PFA h=0 的 曲线 限制 了 伸展 折叠 区 域 的 轮廓 4. 9 三 80" 的 两 个 半 闲 合 曲线 恰好 是 一 个 高 能 量 区 的 轮廓 。 这 种 整齐 和 有 规则 的 构 型 在 其 它 类 型 的 聚 分 子 构 型 中 是 少见 的 。 聚 甘氨酸 构 型 能 量 图 中 有 三 对 对 称 的 能 量 极 小 点 。 其 中 最 深 的 能 量 极 小 值 点 的 4 与 标准 ca- 螺旋 结构 的 4= 土 48",%= 土 57" 基 本 一 致 。 另 一 能 量 极 小 值 点 对 应 于 肽 链 的 伸展 构 型 ， 两 个 相 邻 肽 单位 相对 捏 曲 180°, 但 不 完全 伸展 。 决 定 这 个 能 量 极 小 值 点 的 主要 贡献 是 相 邻 单位 的 相 互 作用 。 这 个 构 型 是 二 肽 最 稳定 的 构 型 。 第 三 个 能 量 极 小 点 是 肽 链 形成 最 宽 股 螺旋 的 构 型 ， 能 量 较 低 的 原因 是 单 体 间 的 色散 吸引 能 造成 。 B- 折 又 没有 出 现在 构 型 能 量 极 小 值 区 域 , 这 是 因为 使 BF- 折 登 结构 稳定 的 原因 是 肽 链 间 的 相 TYE. GEAR, 孤立 肽 链 构 型 不 包括 这 一 部 分 能 量 贡献 。 从 单 链 构 型 能 量 考虑 ，B- 折 释 的 台 量 比 <- 螺 旋 构 型 能 量 要 高 6 kcal/mol AL. MR EAA oe A A ADI BB REE 互 作用 能 约 为 kcal/mol 残 基 时 ,B- 折 登 结 构 才 有 可 能 与 -螺旋 构 型 相 竞争 。 图 5-22 是 根据 构 型 能 量 图 5-21 中 静电 作用 和 和 氢 键 作用 绘制 的 肽 链 构 型 空间 中 氢 键 生成 的 区 域 。 图 5-22 与 图 5-21 最 值得 注意 的 差别 是 它们 的 能 量 极 小 值 位 置 不 同 。 最 强 的 氨 键 所 对 应 的 构 型 区 为 3 螺旋 构 型 。 氨 键 是 在 1>3 两 个 肽 单位 间 生 成 。 但 在 总 的 构 型 能 量 图 中 ,没有 这 个 能 量 极 小 值 点 ,原因 是 在 这 个 构 型 中 , 相 邻 单 体 处 于 非 键 排斥 构 型 。 ca- 螺 旋 构 型 是 第 二 个 氨 键 生成 区 域 。 氨 键 是 在 1>4 单 体 间 生 成 。 由 于 在 ac- 螺 旋 构 型 中 原 子 间 非 键 作用 也 比较 有 利 , 所 以 在 总 构 型 能 量 中 ,cx- 螺 旋 也 是 最 低能 量 的 构 型 。 第 三 个 气 键 生成 区 是 2; 带 结构 。 气 键 是 在 1>2 PAR TAA 量 图 中 一 个 能 量 极 小 值 点 ， 但 总 构 型 能 量 图 中 第 三 个 能 量 极 小 值 点 没有 氨 键 生成 。 为 了 区 分 肽 链 中 气 键 作用 区 域 与 静电 作用 的 差别 ,图 5-23 绘 出 了 肽 链 中 的 静电 能 构 型 图 。 静电 作用 能 主要 是 肽 单 体 中 的 偶 极 子 相 互 作用 而 产生 的 , 它 的 分 布 比较 平缓 , 一 般 形 成 二 1 Kkcal/ mol 残 基 的 能 量 差别 。 可 以 注意 到 的 是 c- 螺 旋 构 型 和 3 螺旋 构 型 都 是 静电 作用 比较 有 利 的 构 型 。 当 不 考虑 侧 链 时 , 肽 单位 具有 平面 对 称 性 , 因而 肽 链 骨 架 的 构 型 能 量 图 具有 中 心 对 称 性 。 若 有 了 侧 链 , 肽 单 体 失去 了 对 称 性 ,分 为 D- 和 L- 两 种 异 构 体 。 自 然 界 中 的 氨基 或 多 为 工 - 异 构 体 。 侧 链 对 骨架 构 型 能 量 的 影响 相当 大 , 当 L 位 的 氨 原 子 被 甲 基 取 代 时 ,不 仅 低能 区 大 大 减 小 ， 而 且 左手 和 右手 螺旋 区 形成 了 较 深 的 相对 能 量 极 小 值 点 。 图 5-24 是 聚 L- 丙 氛 酸 构 型 能 量 图 ( 侧 链 二 面 角 固定 ) 。 从 图 中 可 以 看 到 , 左手 螺旋 能 量 极 小 点 与 标准 e -螺旋 构 型 基本 一 致 ,右手 螺 法 能 量 极 小 点 稍稍 偏离 标准 <- 螺 旋 。 堪 手 螺 旋 和 右手 螺旋 中 侧 链 与 骨架 的 相对 位 置 不 同 , 造 成 了 侧 链 与 骨架 的 相互 作用 能 不 同 , 但 是 对 于 仅仅 手 性 相反 的 两 种 螺旋 ,其 侧 链 间 的 相互 作用 必然 相同 。 从 图 中 本 8 ~ OSS a ee 一 140 一 180 — 180-140 -100 -60 -20 20 6 100 140 180 —14 -100 -0 -20 20 60 100 140 180 ———¢ 图 5-23 Ak RE Hy ip a PE AE 5-24 聚 工 - 丙 氨 酸 构 型 能 量 图 可 以 看 到 ， 骨 架 与 侧 链 的 非 键 作 用 对 右手 螺旋 更 为 有 利 些 ， 它 的 能 量 要 低 2 kcal/mol 残 基 左 右 。 考察 聚 世 - 门 冬 氨 酸 的 构 型 能 量 图 可 讨论 侧 链 与 骨架 的 静电 作用 ,这 里 就 不 再 详细 讨论 了 。 综 上 所 述 , 可 得 多 肽 规则 螺旋 结构 的 如 下 特点 ， 1. 只 能 形成 较为 紧凑 的 螺旋 ,最 稳定 的 螺旋 构 型 是 左手 和 右手 < -螺旋 ， 2. 氢 键 和 静电 作用 的 能 量 极 小 值 点 并 不 与 非 键 作 用 的 能 量 极 小 点 完全 重合 ,这 种 偏离 对 螺 旋 结 构 的 稳定 性 是 不 利 的 ; 3. 对 于 所 有 的 聚 -L -氨基 酸 , 侧 链 与 骨架 的 非 键 作 用 更 有 利于 右手 x -螺旋 ; mA 。 —180 ET 4. 侧 链 与 骨架 的 静电 作用 可 能 有 利于 左手 @ -螺旋 ,也 可 能 有 利于 右手 c -螺旋 。 5.3.3 BL-AABMMab initio 计算 怎样 表示 生物 大 分 子 和 底 物 分 子 周围 空间 各 处 的 分 子 静电 势 是 很 重要 的 。 如 果 某 种 表达 方 式 有 利 的 话 , 就 便于 我 们 认识 生物 分 子 的 结构 和 反应 活性 。 对 于 核酸 碱 基 和 碱 基 对 ,这 种 静电 势 可 表达 在 这 种 平板 状 分 子 的 平面 上 以 及 另 一 些 与 之 平行 的 平面 上 。 在 螺旋 状 的 B-DNA 分 子 中 ,可 以 用 平行 于 碱 基 对 的 平面 和 垂直 于 螺旋 轴 的 平面 来 表示 。 然 而 ,对 于 任何 缺乏 对 称 性 的 生 物 大 分 子 , 可 用 计算 其 “外 壳 ? 上 的 静电 势 ， 即 分 子 表面 静电 势 ,从 静电 场 角度 来 了 解 一 个 反应 物 分 子 和 底 物 分 子 是 如 何 接近 的 。 图 5-25 4 表示 了 如 何 定义 “外 壳 ? 并 计算 其 上 的 静电 势 。 我 们 计算 了 有 5.10.15, 20, 25 个 丙 氛 酸 基 的 聚 世 - 丙 氨 酸 多肽 c -螺旋 的 N 端 和 C 端 的 静 HH, SRA , 随 着 螺旋 长 度 的 增加 ,围绕 N 端 的 静电 势 变 得 更 正 ,而 C 端 的 静电 势 变 得 更 负 。 此 外 ， 还 可 见 不 同 螺旋 长 度 时 N 端 表面 静电 劳 的 最 大 值 和 C 端 表面 静电 势 的 最 小 值 。 应 该 注意 到 ,这 两 个 极 值 在 量 值 上 随 着 螺旋 长 度 增加 得 非常 类 似 。 这 和 有 人 认为 的 ，c -螺旋 可 以 看 成 是 一 个 单个 偶 极 , 它 由 许多 小 偶 极 组 成 ,每 个 小 偶 极 是 一 个 肽 基 ， 并 几乎 正好 和 螺旋 轴 在 同一 条 线 上 ,是 相 一 致 的 。 如 图 5-25 所 示 。 图 5-254 中 是 15 个 基 组 成 的 中 等 长 度 螺旋 的 静电 势 。 六 种 用 交叉 格 画 成 的 阴影 格 表示 了 六 种 从 最 正 值 排列 到 最 负 值 的 静电 势 大 小 ， 旁 边 并 附 有 其 keal/mol 单位 的 值 。 在 这 种 表面 上 ,静电 势 的 分 布 大致 上 是 辐射 形 的 ,在 量 值 上 是 随 着 距离 从 一 个 最 大 值 点 逐渐 减 小 .对 于 (ala)isc- 螺 旋 这 个 最 大 值 是 53.5kcal/mol, 最 小 值 是 一 12.2kcal/ mol, SAX MUA, TBA. A 5-254 表 面 上 可 以 分 成 44 个 小 区 域 ， 每 一 个 这 样 的 区 域 ”表示 大 分 子 中 贡献 于 这 个 表面 外 过 的 一 个 原子 球 表面 的 可 见 位 置 。 因 此 ， 在 外 党 上 任何 点 上 的 静电 势 可 以 和 这 点 相应 的 某 个 原子 相 联系 ,这 个 原子 最 接近 这 点 。 例 如 ,用 这 种 方式 我 们 就 可 以 知道 , N 端 表面 的 最 大 值 在 最 接近 螺旋 端 部 的 第 三 个 氨 原 子 即 质子 上 。 KP AREER 5-258 中 用 箭头 指示 出 。 图 5-25 瑟 是 从 和 端 看 到 的 c -螺旋 分 子 图 (为 了 更 清楚 地 看 到 c -螺旋 的 形式 ， 在 这 里 仅 包括 了 头 五 个 丙 氨 酸 基 )。 那 些 用 小 圈 及 字母 H、C 、N 或 0 表示 的 原子 是 那些 从 窗口 所 见 贡 献 于 这 个 表面 分 子 外 壳 的 原子 球 , 其 围绕 的 界限 相应 于 图 5-25 4 中 所 见 的 N 端 的 表面 外 | 老 。 图 5-25C 是 N 端 表面 外 壳 的 一 种 三 维 表示 ,箭头 标 出 了 图 5-25 4 中 看 到 的 最 大 值 位 置 。 可 以 看 出 ,图 5-25C 中 的 表面 是 由 二 维 图 畸变 而 形成 ,这 套 “ 网 眼 ” 大 小 相应 于 用 于 计算 表面 外 壳 苯 电 势 时 皮 的 密度 ， 它 也 解释 了 外 壳 边界 线 或 原子 边界 线 不 是 平滑 的 。 表面 外 党 形状 的 分 辩 率 有 各。 四 5-264 表 示 了 (a | a )is 聚 丙 氨 酸 多 肽 c -螺旋 C 端 表面 的 静电 势 。 如 前 所 讨论 ， 图 5- «26 BAIA 5-26 C 分 别 表示 了 C 端 的 分 子 图 和 其 外 壳 表 面 的 三 维 表示 。C 端 表面 静电 势 的 分 布 和 玉 端 类 似 , 大 致 上 是 辐射 形 的 。 但 这 时 的 静电 势 从 居中 的 最 小 值 随 着 距离 越 来 越 正 ,这 和 N 端 的 中 心 最 大 值 正好 相反 。C 端 表面 的 最 小 值 为 一 61.3 kcal/mol, 而 最 大 值 则 为 21.0 kcal/mol, 图 5-26 4 中 亦 分 别 用 和 开标 出 。C 端 静电 势 最 小 ( 负 ) 值 位 于 分 子 端 部 起 第 三 个 兰 基 的 氧 原子 的 表面 。 图 5-26 瑟 中 用 箭头 指出 了 这 个 原子 ,图 5-26 C 中 则 标 出 了 三 维 表面 上 的 这 个 最 小 值 位 置 。 人 人 Ra os \ ae 8 6 XK RX RX KKK Ses 四 ORAM, . tetas + ox 全 a B 5 : | 5-25 A. 聚 工 - 丙 氨 酸 多 肽 c- 螺 旋 N 端 表面 静电 势 ，1. 54.00 B) 43.00, 2. 43.00 到 34.00, 3. 34.00 到 24.00，4。24.00 到 15.00，5. 15.00 到 5.00，6. 5.00 到 一 5.00。 B， 聚 工 - 丙 氨 酸 多 肽 c- 螺 旋 N 端 表面 分 子 结构 图 示 。 C. 聚 工 - 丙 氨 酸 多 肤 -螺旋 端 表 面 外 克 的 三 维 图 示 。 。200。 LOSSES {] CROC ROST PSN AN SS AX .\ Cx «KY Sing ~~ CS ~~ o> SS Se 一 SO a SAX 24, sz OO SO ee EO 4, 4 TO 1 “i 图 5-26 A R-L-HARSK , Yo, Ys y Za 图 5-28 R-L-ARMSKR FT 8- 片 层 中 心 链 中 心 丙 氨 酸 基 的 表面 静电 势 。 1.16.00 到 10.00 .2.10.00 到 6.00 3.6.00 到 1.00 4.1.00 到 一 2.00， 5. 一 2.00 到 一 7.00 6. 一 7.00 到 一 12.00 的 链 。 计 算 结 果 表 明 , 链 长 超过 10 个 两 氨 酸 基 时 其 表面 静电 势 就 几乎 没有 什么 变化 了 .。 图 5-27 玫 是 一 个 有 10 个 丙 氨 酸 基 的 链 的 中 心 部 位 的 静电 势 分 布 。 如 前 一 伴 ， 图 5-27 BAIA 5-270 则 分 别 是 这 个 部 位 的 分 子 图 和 其 分 子 外 壳 表 面 的 三 维 表示 。 5-274 和 图 5-27 瑟 的 比较 表明 ,表面 静电 势 极 小 值 (一 11.9 kcal/mol) 位 于 中 心气 原子 表面 ,而 极 大 值 (15.4kcal/mol) 则 位 于 邻近 肽 键 的 NH 的 质子 上 。 这 个 表面 的 其 余部 分 主要 由 C,CO 中 的 C 和 两 氛 酸 的 甲 基 等 原子 所 占据 。 朝 上 方向 的 甲 基 在 图 5-27 C 中 非常 明显 ， 和 静电 势 在 这 些 区 域 相 当 弱 ,大 致 变化 在 一 5 一 10 kal/mol 的 范围 内 。 我 们 现在 讨论 真正 的 聚 丙 所 酸 多 肽 反 平 行 8- 片 层 。 假 设 它 由 10 个 丙 氨 酸 基 的 链 组 成 ， 因 为 从 前 面 讨论 中 可 见 它 也 能 代表 更 长 的 链 了 。 我 们 计算 了 由 3、5 、7 和 9 条 链 组 成 的 8 - 片 层 ”的 申 心 链 中 心 丙 氛 酸 基 上 的 表面 静电 势 。 这 个 计算 中 所 用 的 窗口 加 宽 了 一 些 , 以 使 我 们 不 仅 能 “ 看 到 中 心 链 而 且 还 能 看 到 邻近 的 链 , 因而 更 能 看 清楚 8 - 片 层 的 结构 。 5-28 列 出 了 其 中 最 大 一 个 片 层 中 心 丙 氮 酸 基 上 的 表面 静电 势 。 我 们 发 现 ， 在 片 层 中 邻 近 链 的 效应 是 在 量 值 上 减 小 了 丙 氛 酸 基 氧 原子 附近 的 负 静 电势 ， 同 时 也 减 小 了 NH 质子 上 的 正 静电 势 . 因此 ,单个 (Ala)io 链 中 所 得 的 最 大 和 最 小 静电 势 15.4kcal/mol 和 一 11.9kcal/mol， 在 9 个 链 的 片 层 中 则 分 别 减 小 至 5.7 kcal/mol 和 一 5.6 kcal/mol， 片 层 中 的 最 小 值 位 置 和 在 单个 链 中 一 样 ， 位 于 中 心 巍 基 氧 上 ， 但 最 大 值 位 置 却 移 至 中 心 围 基 的 一 个 质子 上 。 5-4 和 蛋白质 分 子 的 量子 化 学 研究 和 蛋 自 质 分 子 的 分 子 量 一 般 在 10' 以 上 ,要 对 它们 进行 哪怕 是 最 简单 的 量子 化 学 或 分 子 力学 计 算 在 目前 都 是 不 现实 的 。 蛋 白质 分 子 的 量子 化 学 研究 方法 有 两 种 ,一 是 “分 割 法 ? ,将 蛋白 质 分 子 按 一 定 的 方式 分 割 为 “碎片 ,把 对 蛋白 质 分 子 的 量化 计算 变换 为 对 “碎片 ”的 计算 ;二 是 模型 法 ， 抽象 所 研究 体系 的 特点 ,构造 模型 ,把 对 蛋白 质 分 子 的 计算 化 为 对 模型 分 子 的 计算 。 木 瓜 蛋白 本 。 203。 ¢ 和 胰岛 素 的 量子 化 学 研究 属于 第 一 种 研究 方法 ， 下 一 剖 介 绍 的 酶 催化 机 制 的 量化 研究 采用 的 则 是 模型 法 。 5.4.1 胰岛 素 的 量子 化 学 研究 胰岛 素 是 第 一 个 被 阐明 化 学 结构 的 蛋白 质 。 1955 年 ,Singer 等 利用 酶 和 化 学 相 结合 的 方法 成 功 地 搞 清 了 牛 胰岛 素 的 全 部 化 学 结构 。 后 胰岛 素 是 由 两 条 肽 链 组 成 的 ,一 条 叫 A 链 , 另 一 条 叫 B 链 。A 链 由 21 个 氨基 酸 组 成 ，B 链 由 30 个 氨基 酸 组 成 。A、B 两 条 肽 链 通 过 两 个 双 硫 键 连接 起 来 。 另 外 ,A 链 本 身 还 有 一 个 链 内 双 硫 键 。 它 的 分 子 量 为 5734。 其 化 学 结构 如 图 5-29。 S= 一 一 S H-Gly Ileus Val -GlueGineCyseCyse saath Sonepat ese ciate i Asn OH 5 10 15 20 S$ / S 、 HePhesVal- Asn-Gin- His- a a Leue Val»Glus Alas Leu+Tyr+Leue ValeCyseGlysGlueArgs Gly Phes Phe» Tyr « Thre Prov Lys« Alas OH 5 10 15 20 25 ; 30 图 5-29 “FR Rt Se 此 后 ，Sanger 以 及 其 它 科 学 工作 者 又 测定 了 不 同 动物 来 源 的 胰岛 素 的 化 学 结构 。 虽 然 它 们 都 具有 相同 的 连接 方式 ， EIS SERED ET eA IOS 约 有 一 半 以 上 的 氨基 酸 残 基 是 可 以 改变 的 ( 表 5-9)。 1926 年 ，Abel 首先 制 得 了 结晶 的 纯 胰 岛 素 样 品 ， 为 胰岛 素 的 研究 工作 提供 了 有 利 条 件 .60 年 代 末 一 70 年 代 初 ，Hodgkin 和 我 国 科学 工作 者 分 别 独立 地 用 X 光 衍 射 方 法 完成 了 高 分 辩 率 的 胰岛 素 结构 分 析 工 作 ， 使 人 们 对 结构 复杂 的 胰岛 素 分 子 的 各 个 基 团 甚至 某 些 原 子 在 空间 所 处 的 位 置 有 了 比较 全 面 的 了 解 。 近 几 年 来 ， 更 高 分 辨 率 的 报告 不 断 出 现 。 各 国 科 学 家 还 对 胰岛 素 的 全 合成 、 生 物 合 成 、 分 泌 、 贮 存 、 生 理 功 能 、 结 构 与 性 能 、 化 学 修饰 、 作 用 原理 等 方面 进行 了 大 量 的 研究 ， 以 胰岛 素 为 主题 的 国际 会 议 已 举办 过 多 次 。 在 这 节 里 ， 我 们 主要 讨论 如 何 利用 计算 机 和 量子 化 学 方法 对 胰岛 素 分 子 进 行 研究 。 5.4.1.1 胰岛 素 分 子 的 疏水 内 核 和 分 子 的 几何 特征 实验 表明 ， 几 乎 所 有 的 球 蛋白 分 子 都 有 一 个 疏水 内 核 ， 而 亲 水 性 的 基 团 往往 暴露 在 分 子 表 面 。 若 蛋白 质 分 子 比较 小 ， 本 身 难 于 满足 这 一 规则 时 ， 可 以 形成 二 聚 体 等 缔 合 物 ， 使 缔 合 物 的 核 成 为 玻 水 核 。 要 弄 清 一 个 由 成 千 上 万 个 原子 组 成 的 蛋白 质 分 子 的 疏水 和 亲 水 基 团 的 分 布 状 况 ， 除 了 根据 结构 数据 搭建 分 子 模型 外 ， 目 前 尚 无 其 它 方 法 。 我 们 定义 分 子 表面 为 该 分 子 中 的 每 一 个 原子 球面 的 集合 体 所 形成 的 几何 曲面 。 显 然 ， 对 构 成 分 子 表面 有 “贡献 的 原子 应 处 于 分 子 的 表面 部 分 ， 而 无 “贡献 ?者 则 处 于 分 子 内 部 。 这 种 定义 方法 是 和 用 于 计算 大 分 子 原子 空间 装配 性 的 CPK 模型 相当 的 。 上 述 定义 并 没有 指明 原子 半径 的 取 靶 。 在 具体 计算 时 ， 根 据 需要 ， 原 子 的 球面 半径 可 以 取 ， 。 204。 MAM WMAS SS +) REA SLO, eIV TIV fh ME AF is I3S USY dsy dsV (old'old'eIV)19N | (11 Uslj peoL)H SN usy dsy dsV (ord'oid'elV)iaN | (Lusty peoL)e “ (usV) (dsy) (dsy) (UID ery) ord PIV TeA BBB WL sy 19S PIV BITV V4 f/ dsy net dsy dsy UID I98 IL usy 3IV 19S pi Y 19 2 SA WW ¥ 19S sk} 1 W¥ (3IeUAA 19S) 8 sty SAT oid JUL IAL aqd aqd AID 3IV NID AID SAD TPA NOT IAL NOT PIV NID IPA N97 SIH I98 AID SAD N27] SIH UID USV IPA Od ay 2 4 tog set Ga BE 证 iD 国生 gotOOrteoeeG@FT &€ ZT. 0 | 性 HHLHABES 9 £SHNRCrEY BFE ARMAS AE CD AH VEU Cn 一 {/ sg “UD dsy od (SAT dsy) Og B81y si (II UsIJ peoL) we mg Ul dsy eq (nay dsy) Old 8IV SIH (1 ysis peol) iy yL USV sip me 125 si 31y TUL yL AIO dsy wo ff . nell IL dsy s we AID UL 次 AID fq 3M old uUsy nD i ME OF IU 工 (alIeUA 19S) Bg nell UL WEB H H Oh REV usy skp IT wsy nip neq wo shy nay sg SO IPA TS BY SfQ SK UID, KID IRA nalI AIO 中 一 @ 3 wy Uo HMiEHARES VESMUMEEY 6-6 ¥ a eee) 8 SO 38 原子 的 共 价 半径 (RC)、 Van der Waals 半径 (RV) 或 Van der Waals 半径 的 若 于 倍 ( 了 RV=K)。 可 以 预计 ， 球 面 半 径 取 值 不 同 ， 所 得 分 子 的 表面 和 内 核 情况 也 不 会 相同 。 这 是 因为 不 同 的 半径 反映 了 不 同 种 类 的 相互 作用 范围 。 也 就 是 说 ， 对 不 同 的 相互 作用 来 讲 ， 分 子 的 表面 和 内 核 是 应 有 所 区 别 的 。 根据 作者 自行 设计 的 生物 大 分 子 表面 和 内 核 分 析 程 序 ， 分 别 以 RC, RV, RV-1.7 为 原子 的 球面 半径 ， 对 三 方 二 名 GT) 胰岛 素 晶 胞 不 对 称 单位 中 的 两 个 单 体 : 单 体 分 子 工 和 单 体 分 子 II 及 其 二 聚 体 进行 了 计算 ， 并 分 析 了 内 核 和 表面 的 组 成 情况 。 m 计算 中 所 用 胰岛 素 分 子 的 坐标 数据 取 自 Hodgkin 分 辩 率 为 0.19nm 的 晶体 结构 测定 。 表 5-10 是 胰岛 素 两 个 单 体 分 子 和 二 聚 体 在 各 种 半径 值 下 分 子 内 核 的 组 成 情况 。 表 5-10 胰岛 素 分 子 的 内 核 组 成 RC AF 1 RC 4>% Ul | 5 RC 二 聚 体 RV 分 子 I A.(CA C,H 4)A;.(CD 2.H9,H 10,H 11)B;,(CB,CD 2,H 6,H 7,H 8) RV 分 子 II Ai(SG .O) A‘.(H 4,H 7)Bi,(C ,H 3H 4,H 5) RV 二 聚 体 A.(CA,C, H 4)A;.(CD 2.H9, H10,H Pla (CG 1, H4,H5)B,,(CD2 .H7, H8) B,,(H 2H 5.H 6)B..(CY ,OH CE 2,CD 2,0 Ai(SG 0) A‘.(N ,H4 \H 7)Bi,(CD1,H 3 Le (CG 1,C,H6,H7,H8) Bi;(C ,H 3)Bi,(H 2)B;,(O,H 2)Bi.(OH,H 1,H 7,H9 ) RV-1.7 分 子 了 As Ai:(CA,H 2)Ai6,Be(CD 1,H 2,H7,H 8)B,,,B,5,Bi.(C,O,H 2) RV-1.7 AFI Aj Ag Aj(SG,O)A{,(H2)A{e Aj.(O,H4 )B,(CD 2,H 2,H 10,H 11)Bj; Bis Bjo(C,O RV-1.7 — tk A. Ai, (CA,H 2) Ay. Be(CD1,H2,H7,H8)B;; Bi Bis Bi(CD、H2)B:s Bi,T2.(OH, CE 23H 7) A; Ag Aj(SG,O)A{,(H2 )Aje A2.(O,H 4)Bi(CD 2,H 2,H 10,H11)Bj, Bj: Bis Bi(C,O)Bzs Tz, T2e(OH). iE: 括号 内 的 原子 为 在 分 子 表面 者 。 从 表 中 可 以 清楚 地 看 到 ， 当 原子 半径 取 不 同 值 时 ， 胰 岛 素 单 体 及 二 聚 体 的 分 子 内 核 和 表面 组 成 ， 正 如 所 预料 的 那样 ， 有 很 大 的 差异 。 当 球面 半径 为 RC 时 ,几乎 所 有 的 所 原子 和 绝 大 部 分 的 非 气 原子 都 参加 了 分 子 表面 的 构造 。 因此 ,对 RC 面 来 讲 , 不 存在 分 子 内 核 问题 。 当 球面 半径 为 RV 时 ， 有 若干 残 基 , 它们 的 许多 组 成 原子 都 隐藏 了 起 来 。 这 些 残 基 是 两 个 单 体 中 的 At- 胱 氨 酸 ，Ake- 亮 氨 酸 和 Bis FEM. 当 球面 半径 为 RV-1.7 时 ,上 述 氨 基 酸 的 全 部 原子 以 及 Bi:- 亮 氨 酸 的 EE, Bis Mth MR, A4- 胱 氨 酸 、A'- 胱 氮 酸 、Be- 胱 氨 酸 、B ,- 胱 氨 酸 ，B 1- 胱 氨 酸 的 大 部 分 原 子 均 不 在 分 子 表 面 ( 不 带 “'” 的 为 单 体 分 子 IL, 带 “的 为 单 体 分 子 ID), 注意 到 上 述 残 基 的 疏水 性 ,可 以 看 到 ,胰岛 “ 素 与 其 它 球 蛋白 分 子 一 样 ,存在 着 疏水 内 核 , 其 核心 部 分 为 单 体 的 As- 胱 氨 酸 、Ais- 亮 氮 酸 Bi- 亮 氨 酸 。 而 Bis- 亮 氨 酸 .Aii- 胱 氨 酸 、Be- 亮 氨 酸 和 Bu- 胱 氨 酸 也 部 分 参与 。 这 与 基于 搭建 分 子 模型 而 得 到 的 结论 相 一 致 。 两 个 单 体形 成 二 聚 体 后 ， 对 RC 面 来 讲 ， 情 况 没 有 发 生 多 大 变化 。 * 206° 对 RV RUE, B.-A Bis FORM. Boo HAR, Boi- KAAM,B 5- TEAM B os HR AB’ ..- AAR B :- 酷 氨 酸 的 不 少 原子 都 不 在 分 子 表 面 了 。 和 聚合 前 的 情况 相 比 ， 我 们 再 次 注意 到 了 这 些 氨基 酸 的 朴 水 性 。 可 以 断言 ， 两 个 单 体 分 子 是 在 各 自 B 链 的 第 12、 第 23、 第 24 和 第 26 SREMMEKRMRERAH. RAIA KHREM 自然 成 为 二 聚 体 的 收 水 内 核 。 这 是 球 蛋白 缔 合 产生 缔 合 体 疏 水 内 核 的 一 个 具体 例子 。 蛋白 质 分 子 表面 经 常会 出 现 一 些 “ 洞 穴 ”。 这 些 “ 洞 穴 ? 常 常 是 其 活性 中 心 所 在 的 地 方 。 例 如 许多 水 解 酶 ,它们 的 医 性 中 心 所 在 的 地 方 多 为 “洞穴 结构。 车 水 解 酶 作用 的 底 物 是 大 分 子 ， 这 种 “洞穴 ? 便 成 为 一 种 凹 槽 。 因 此 了 解 大 分 子 表面 的 几何 特征 , 即 其 表面 的 形 貌 ,对 认识 活性 部 位 和 其 环境 是 有 意义 的 。 根据 分 子 表面 的 定义 ， 从 任何 方向 观察 到 的 生物 大 分 子 的 表面 形 貌 ， 我 们 都 可 以 方便 地 用 计算 机 画 出， 并 且 能 够 标明 表面 是 由 哪些 残 基 的 何 种 原子 所 组 成 的 。 为 了 细致 了 解 分 子 表面 形 狐 的 变化 情况 ， 还 可 作出 等 高 线 图 (图 5-30 一 32)。 Al 5-30 膜 岛 素 单 体 分子 I 逆 Z 轴 方 向 观察 到 的 图 5-31 胰岛 素 单 体 分 子 II Wt Z Hh MBP ay 分 子 表面 形 貌 示意 图 (数值 意义 见 图 5-32) RATE Kia RAS 0:-15.3 5:-0.5 0:-22.4 5:-9.4 1:-12.3, pe ae 1:-19.6 6:-6.9 2:-9.4 7: 5.4 2:-17.0 7:-4.3 3:-6.4 8: 8.3 3:-14.5 8:-1.9 4:-3.5 9: 11.3 4:-12.0 9: 0.9 5-31 fet Z 轴 方 向 观察 到 的 胰岛 素 分 子 的 RV-1.7 RESERV RRA. 从 图 中 可 知 ， 对 胰岛 素 分 子 来 讲 , 看 不 出 其 表面 有 鲜明 的 “洞穴 ?或 “小 峰 ?。 气 键 网 络 和 微 环 境 分 析 是 蛋白 质 分 子 结构 研究 的 又 一 重要 方面 。 气 键 网 络 协同 疏水 作用 ,是 稳定 蛋白 质 分 子 高 级 结构 的 重要 因素 。 越 来 越 多 的 事实 表明 , 螺 旋 气 键 的 作用 主要 是 结构 性 的 ,而 非 螺旋 氢 键 的 作用 既 有 结构 性 的 又 有 功能 性 的 。 蛋白 质 分 子 的 活性 部 位 ,往往 有 复杂 的 氢 键 网 络 ,这些 氢 键 网 络 不 仅 是 维持 这 一 部 位 特征 所 必需 的 ， 而 且 作 。207。 图 5-32 ”胰岛素 双 体 逆 2 轴 方 向 观察 到 的 分 子 表面 形 貌 示意 图 (图 中 阿拉 伯 数 字 表 示 所 在 区 域 地 势 的 高 度 ， 其 值 如 下 : 0:-22.1; 1:-18.5; 2:-15.0; 3:-11.4; 4:-7.8; 5:-4.3; 6:-0.7; 7:2.9; 8:6.4; 9:10.0) 为 一 种 次 级 相互 作用 , SBME — ABP SAT A REE HER TR SE 微 环 境 , 特 别 是 活性 部 位 的 微 环境 ,是 研究 分 子 反应 所 不 可 少 的 。 蛋 白质 分 子 活性 部 位 的 微 环境 通常 是 复杂 的 ,有 其 几何 .物理 和 化 学 的 特征 。 实 际 上 这 些 特征 的 加 强 和 前 弱 以 至 丧失 ， 对 结构 功能 的 影响 以 及 经 化 学 修饰 后 分 子 性 能 的 预测 等 等 ,都 是 和 微 环境 的 研究 分 不 开 的 。 我 们 建立 了 氢 刍 网络 和 微 环境 搜索 程序 。 图 5-33 是 胰岛 素 二 聚 体 中 氢 刍 网 络 的 情况 。 由 于 气 键 的 存在 强烈 地 依赖 于 气 键 键 长 和 键 角 ,所 以 在 最 终 判断 时 ,我 们 略 去 了 所 有 那些 全 长 大 于 0.32nm, 键 角 小 于 120" 的 可 能 氢 刍 。 从 图 中 可 以 看 到 ,胰岛 素 分 子 主 链 内 富 含 氢 键 , 它们 主要 是 肽 键 自身 的 NH 和 CO al fa 合 。A、. 了 两 链 之 间 和 二 素 体 两 个 单 体 之 间 都 有 若干 气 键 相连 。 微 环境 搜索 表明 ,A 链 的 情况 要 比 B 链 的 复杂 。A 链 的 Au- 天 冬 氨 酸 是 微 环境 最 复 素 的 二 ARAL. En RIM AVE fe 0.5nm 范围 内 就 包括 了 3 个 残 基 的 33 个 原子 。 正 是 它 的 微 环 境 的 复杂 性 ,使 得 Asi- 天 冬 氨 酸 不 仅 在 保持 胰岛 素 三 维 结构 的 稳定 性 方面 ， 而 且 在 其 发 挥 腊 久 素 的 功能 方面 都 占有 重要 的 地 位 。 5.4.1.2 胰岛 素 分 子 静电 势 的 计算 在 第 2 章 中 ， 我 们 已 经 介绍 了 分 子 静电 势 方法 。 ARH CNDO/2 中 的 基本 近 似 0,0, = 6 那么 在 CNDO/2 Hiker, AFL VF) WA AN V(F)= Lo (Z,/r,)— LP, f Po a2, 式 中 Z, 为 原子 a 的 价 层 电子 数 ,7n 和 712 分 别 是 原子 核 a 和 点 T 2 至 Ty 的 距离 。 若 分 子 表面 点 取 RV= 王 1.7, 则 可 证 明 V(7;) as Sis Q,/Tie 此 时 Q, 是 分 子 中 原子 a 所 携带 的 净 电 荷 数 。 。208。 1 a raha 图 5-34 分 子 I ZX-DOWN 面 的 静电 势 s 209。 aor 6G ae S| bi a at Lae Lf Os EA 万 FEB ie ah Cue shies [pee ise 1a by, is 加 3 人 EN : 作者 曾 采 用 肽 分 割 法 , 求 出 了 胰岛 素 分 子 中 的 所 有 Q.， 然 后 按 上 式 便 可 得 所 需 结果 。 全 部 数值 计算 结果 在 此 只 能 采用 图 示 法 。 我 们 给 出 其 中 的 几 幅 (图 5-34 一 39)。 图 5-34.35、36 分 别 是 洛 x 轴 方 向 观察 胰岛 素 分 子 I、 胰 岛 素 分 子 I 及 胰岛 素 双 体 分 子 时 所 见 到 的 分 子 表面 静电 势 。 该 面 记 为 ZX-DOWN fi. 图 5-37、38、39 分 别 是 逆 « 轴 方 向 所 见 的 分 子 表面 静电 势 ， 该 面 记 为 ZX-UP 面 。 -图 中 阿拉 伯 数 字 表 示 电 势 的 大 小 , 0 表示 最 负 值 ,9 表示 最 大 正 值 。 具 体 数值 范围 按 下 述 方 法 确定 :电势 最 负 值 的 绝对 值 加 上 电势 的 最 大 正 值 ,将 其 分 成 十 个 等 分 ,每 一 个 等 分 用 一 个 阿拉 伯 数 字 表 示 。 最 大 正 区 用 9 表示 ， 最 小 负 区 用 0 HA. 从 图 中 可 以 清楚 地 看 到 ,胰岛素 分 子 ,无 论 是 分 子 工 还 是 分 子 II, 它们 的 分 子 表面 静电 势 都 呈现 鲜明 的 偶 极 型 分 布 。 负 端 为 A 链 羧 端 ,特别 是 Aio- 平 胱 氨 酸 和 As- 门 冬 酰 所 所 在 区 域 。 正 端 为 B 链 的 Bs- 甘 氨 酸 ;7Bs= 丝 氨 酸 和 Bio- 组 氨 酸 所 在 区 域 。 QF RHA —188.28kJ/mol, BIE HH +159kI/mol, PFUKRH HY —167.36kJ/mol, iE #4 +150.62kI/mol, PAA Bt SY FYB oo Ht SAAR, Bos AE PG CART A By Ha AB ZE + 41.84kI/mol 之 内 , 是 分 子 中 最 电 中 性 的 区 域 。 SFI MAU 的 分 子 表面 静电 势 的 显著 差别 主要 表现 在 A 链 的 氨 端 。 胰 岛 素 单 体 分 子 I 在 Ai- 谷 氮 酸 及 其 邻 区 有 一 个 较 强 的 正 势 区 ,使 得 单 体 分 子 工 的 电势 有 类 偶 极 型 分 布 的 特点 。 但 是 单 体 分 子 开 在 A,- 谷 氨 酸 处 没有 这 种 特点 。 相 反 , 它 具有 中 等 强度 的 负 势 。 从 图 5-34 和 图 5- 35 及 表 5-11、12 可 以 看 到 这 种 差别 。 表 5-11 分 子 I 和 分 子 IIA 链 氢 端 若干 原子 所 在 区 域 的 电势 深度 (kJ/mol) 原 三 YF 1 | 分 子 II 原 二 分 子 I | 分 子 II | A3CG1* 94.56 35.48 | A5CA 10.54 一 34.52 A3H5 103.34 一 43.01 A5CG 一 77.19 36.44 A4CB 59.29 54.81 A5CD ~21.59 —36.94 A4CG 96.98 61.76 A5OE1 —85.98 —118.37 A4OE1 8.41 —111.21 A5NE2 63.51 —34.69 A4H3 50.84 45.65 A5H2 —31.59 一 31.05 A4H4 1 31.46 32.18 A5H5 35.52 18.20 A4H5 106.40 19.29 A5H8 42.51 一 44.56 A4H6 80.29 50.71 胰岛 素 分 子 A 链 第 三 个 氨基 酸 上 的 CGI 原子 ， 原 子 名 称 按 IUPAC 规则 命名 。 另外 ,在 B,;- 精 氨 酸 处 ,电势 深度 有 较 大 的 不 同 。 单 体 分 子 工 在 该 处 的 分 子 静电 势 落 在 十 41.84kJ/mol 7A. in BAF II 都 高 达 土 133.89kJ/mol。 从 表 5-12 可 以 看 到 ， 在 B 链 的 B:s- 葵 内 氨 酸 、Bx- 栈 氮 酸 所 在 区 域 , 单 体 分 子 I 要 比 单 体 分 Fl Ae. 从 图 5-34.35 ,图 5-37 及 图 5-38.39 的 比较 中 ,可 以 看 到 单 体形 成 双 体 后 ,静电 势 的 变化 趋 © 212° 5-12 单 体 和 双 体 B 链 若 干 原子 所 在 区 域 的 电势 深度 (kJ/ mol) - 28 体 中 双 体 中 原 $f 分 子 1 Til DEY 分 子 开 B25CB 一 24.48 一 41.80 一 21.97 B25CG 一 30.17 一 31.51 一 31.25 一 40.92 B25CD1 一 80.37 一 15.02 一 66.82 —28.82 | B25CE1 一 104.81 一 20.92 一 87.99 — 32.98 B25CZ —50.84 —91.13 一 40.17 —91.76 | B25CE2 一 22.22 一 99.08 一 36.98 一 96.57 B25CD2 —25.82 —99.45 —29.71 一 98.20 B25H2 17.07 49.12 B25H3 一 5.61 一 66.02 一 6.99 B25H4 —70.42 40.92 —59.16 . B25H6 —89.24 18.58 —72.55 B25H7 一 19.46 —70.71 —34.69 一 72.97 B25H8 8.03 一 163.34 —82.84 —160.21 B26CB 62.80 77.74 图 B26CZ 102.42 106.11 B260H 86.06 82.89 88.28 65.06 B260 —19.29 45.06 B26H1 46.19 60.25 | B26H3 52.97 60.80 4 B26H7 117.15 120.08 ; 137.70 85.19 ’ B27GA 28.45 136.19 7.15 | B27CB 32.13 118.37 一 14.90 68.12 B270G1 —29.54 14.90 —30.84 —26.82 : B27CG2 ° 41.84 93.14 —17.95 二 15.02 --B27H2 38.62 100.04 31.13 : B27H3 27.99 98.49 —17.23 55.02 B27H5 18.54 42.47 B27H6 31.59 76.44 15.69 36.94 | | B27H7 bob 12.47 —21.34 | 11.59 势 计算 结果 表明 , 单 体 的 正 、 负 端 在 双 体 中 得 到 了 保证 ,原来 的 最 负 势 和 最 强 正 势 在 集聚 后 仍 分 别 为 最 负 势 和 最 强 正 势 ,但 电势 深度 略 有 变化 (图 5-36 和 图 5-39)。 单 体 集聚 后 ,在 其 结合 部 位 ,分 子 表 面 情况 发 生 了 很 大 的 变化 ,原来 暴露 在 表面 的 Bu- 甘 氨 酸 和 B.,- 灯 丙 氨 酸 在 双 体 中 都 成 为 双 体 的 朴 水 内 核 ， 但 其 分 子 表面 静电 劳 除 单 体 分 子 II 的 Bo- 精 亿 酸 急 剧 下 降 外 ,其 余 变化 不 大 ( 表 5-12) ,这 可 能 是 由 于 单 体 在 该 区 域 的 表面 构成 在 集聚 eS er 过 程 中 变化 较 大 。 值得 一 提 的 是 ， 表 中 所 示 原 子 电势 深度 是 指 由 这 些 原子 所 形成 的 那 部 分 分 子 表面 的 电势 深 度 , 反 映 的 是 分 子 整体 的 电势 特征 。 5.4.1.3 胰岛 素 分 子 相互 作用 能 的 计算 。213 。 | SSIS IS a ee ae 莱 岛 素 分 子 间 的 相互 作用 是 人 们 所 关心 的 。 它 对 探讨 胰岛 素 A、B 链 的 重组 ,胰岛 素 及 其 类 似 物 与 受 体 的 相互 作用 以 及 它们 在 溶液 中 的 行为 有 着 重要 的 意义 。 下 面 我 们 以 两 个 胰岛 素 分 子 在 不 同 距离 和 不 同 取向 时 的 相互 作用 能 的 计算 为 例 作 一 初步 分 析 。 根据 量子 力学 微 扰 理论 ,在 零 微 分 重 倒 近 似 的 基础 上 ,采用 点 电荷 模型 ,分 子 A 和 分子 BZ 间 的 相互 作用 能 可 以 分 解 为 静电 能 Bs 、 极 化 能 Lo. AE 妞 s. 和 近 程 排斥 能 Beep, 五 王石。 十 五 .十 五 sa 十 五 其 中 Nes Ea. = -+ PsPv/Tav A a=1 b=1 - Na NB E yo. = >> pos (a,p% 2 yp.) /Tis a=1 b=1 而 E ais. 五 ,.。. 通 常 表示 成 Buckinham 势 的 形式 ， = 五 ai 者 Tt sep. =K,K,[—A/Z*+ (1—p,/N™)U—p,./ Ni")-C-errg 以 上 诸 式 中 ,po 表示 分 子 中 原子 所 携带 的 净 电 荷 数 ,c 表示 分 子 中 原子 的 平 均 极 化 率 ,7 表示 距 - 离 , "表示 分 子 中 原子 的 价 电子 数 ,其 余 均 为 常数 。 在 对 胰岛 素 分 子 间 相 互 作 用 能 进行 计算 时 ,我 们 从 胰岛 素 两 聚 体 的 晶体 结构 数据 出 发 , 先 找 出 两 个 单 体 分 子 相距 最 近 的 三 对 点 , 求 其 中 点 坐标 。 在 过 该 三 点 的 平面 上 作 一 条 垂 线 ， 作 为 分 子 间 平 移 和 转动 的 参考 轴 。 固 定 分 子 L, 沿 参考 轴 平 移 .旋转 分 子 IL， 就 可 以 得 到 两 个 分 子 相距 不 局 距离 4 和 采取 不 同 取向 6 时 的 全 坐标 。 6=0" 同 时 d= 0 表示 两 聚 体 取 晶 体 结构 数据 ,， 即 一 般 ? 认 为 的 平衡 点 位 置 ,4 之 0 表示 彼此 远 离 ;4<<0 表 示 比 4 一 0 更 为 接近 。98 的 取 值 范围 为 0" 一 360"。 有 了 根据 上 述 方法 所 确定 的 两 个 胰岛 素 分 子 的 全 坐标 ,就 能 够 计算 分 子 间 的 相 互 作用 并 分 析 它 随 分 子 间距 离 4 和 分 子 间 相 对 取向 6 的 关系 。 表 5-13 给 出 了 分 子 工 和 分 子 工 在 4 之 0.10nm 的 不 同 距离 和 不 同 取向 O 时 的 静电 能 2 A 非 键 原 子 间 的 近 程 排斥 能 妃 ,. 的 部 分 计算 结果 。 从 表 5-13 中 可 以 看 到 , 当 吕 一 定时 , 殖 .. 和 一 ,。。. 随 0 变化 趋势 大 致 相同 。 在 30 一 210 ,两 分 子 表 现 出 强烈 的 静电 互 斥 , 即 妞 ..+ 瑟 ,六 0, 且 往往 在 60 时 达到 最 大 。 在 210°—320°, Ba, 和 刀 ,。*. 的 量 级 基本 相同 ,两 分 子 间 的 静电 作用 能 妃 .. 十 吾 :。. 约 为 10 一 10 kJ/mols。 在 0 附近 ， 上 述 二 项 之 和 迅速 下 降 , 召 .. + Beep HARA, HE 0 达到 最小。 例如, 90=0 ,=0.16nm 和 d=0.11nmi}, Ba. + By. 292 —20kI/mol 和 一 26kJ/mol。 因此 , 若 仅 考虑 两 个 分 子 间 的 静电 和 近 程 互 斥 ,就 可 以 说 ， 当 两 个 胰岛 素 分 子 沿 我 们 指定 的 那 根 参考 轴 相 互 接 近 时 , 它们 的 相对 取 换 角 度 将 落 在 0 附近。 因为 只 有 在 这 范围 中 ,分 子 彼此 靠 扰 时 仅 需 克服 很 低 的 能 障 BEAN 服 任何 能 障 就 能 使 整个 体系 进一步 稳定 。 从 图 5-40 的 总 相互 作用 能 与 4 .6 的 关系 图 中 可 以 清楚 地 看 到 这 一 点 。 s 214° ——— eee SS * 表 5-13 ”静电 能 E.,. 和 非 键 原子 近 程 排斥 能 无 ,-。( 单 位 ，kJ/mol) | 0° | 60° 120° | 210° 300° 0.11nm —34.49 68.49 31.88 —41.29 —27 .52 8.32 ~2« 10‘ ~2x10° 245.99 40.58 0.13nm —30.40 83.31 32.25 —39.96 —26.19 5.32 ~2x10* ~2x 10° 161.07 22.60 0.16nm 一 25.41 56.35 51.05 一 24.46 一 18.03 2.63 ~1x10* ~5 x 10 118.56 18.94 0.30nm 51.25 22.63 ~3x 10° ~2 x 10° 网 每 项 中 第 一 行 表示 允 。. ? 第 二 行 表示 一.-。. d (nm) — 669 — 627 — 585— 543-502-460 —293-251-209 E£,(k5/mol) A E,{kJ/mol) ear . 7 OL 1 q ! ' 1 ! el -_ — — je S 2 2S oR Sees R pa 之 =) ~1 wa LU GGL.) Sip aN pe ee ee 0 一 .01 —0,02 -0.03 -90.05-0,06 -G6.08 4d (nm) B 图 5=40 ”总 相互 作用 能 与 d 的 关系 A, 4 一 0 时 ,五 总 与 604 的 关系 吾 ，0d<<0 时 , 歹 总 与 4 的 关系 © 215° LO it REN ee ee pb=0。 6=300"。 6=210。， 也 ,。 (kJ /mol) 5-41 Rite LL. SAWKK dm) 0.16 @xo 0.14 e @=0° , xo @ x9=210°" 0.12 ax’ © @=300°- Ew. (kJ/mol) 图 5-42 ”色散 能 Ba, 5d 的 关系 图 5-41 和 图 5-42 画 出 了 0 ”、210 "300 "时 分 子 工 和 分 子 II 在 g>0.10nm 时 的 极 化 能 五 ,。 .和 和 色散 能 Fai. 5 d 的 关系 。 - 从 计算 结果 可 以 发 现 , 当 4 固定 时 ,色散 能 五 。.. 随 0 变化 不 大 。4q MK, ABE Mh. 这 是 因为 色散 能 跟 Z 的 负 六 次 方 成 正比 之 故 。 当 9 从 300 "变化 到 360 时 , 极 化 能 五 .是 逐渐 下 降 的 。 从 五。 和 Brey, 有 利于 分 子 相互 靠近 、 体 系 能 量 降低 的 区 域 中 , AEBS, Bais, + Byes, 也 恰 在 0 "时 达到 最 小 。 Soyo 综 上 所 述 ,我 们 可 以 得 出 如 下 结论 不论 分 子 相距 多 远 , 从 相互 作用 能 的 观点 来 看 , 它们 将 沿 着 某 一 方向 相互 靠近 。 在 我 们 所 选 定 的 参考 轴 、 参 照 系 中 ,分 子 开 是 沿 9 为 零 的 方 向 靠近 分 子 I 直 至 平衡 位 置 的 。 在 此 整个 过 程 中 ,体系 能 量 不 断 下降 。 为 寻求 平衡 点 ,我们 还 计算 了 0=0,d0.05nmit, SAE 作用 能 迅速 上 升 , 当 d = 一 0.08nm 时 ,总 相互 作用 能 为 一 999kJ/mol 左 右 。 当 4 = 一 0.10nm 了 有 时， 总 相互 作用 能 就 成 正 值 , 即 两 分 子 互 斥 了 。 由 此 可 见 , 我 们 的 理论 计算 得 出 的 稳定 平衡 点 位 置 是 © 216° r mh” ; §=0°,d=—0.05nm, 考虑 到 我 们 的 计算 没有 计 及 晶体 中 多 个 胰岛 素 分 子 间 的 相互 作用 ,特别 是 没有 计 及 环境 水 的 影响 ,再 加 上 计算 模型 的 近似 性 , 可 以 认为 ,我 们 的 计算 和 晶体 结构 测定 所 得 出 的 关于 稳定 平衡 点 的 结论 是 相当 吻合 的 。 表 5-14 给 出 了 0=0,d 取 不 同 值 时 相互 作用 能 的 组 成 状况 。 从 表 中 可 以 看 到, Kh CHEZ). 总 是 占 总 相互 作用 能 中 的 绝 大 部 分 ,色散 能 Fai KZ, 近 程 排斥 能 最 小 。 这 和 生 物 大 分 子 在 相 互 接近 过 程 中 相互 作用 的 本 质 是 一 致 的 。 下 面 着 重 讨论 0=0 时 ,胰岛 素 分 子 中 各 氨基 酸 残 基 在 分 子 间 相 互 作用 能 的 贡献 和 意义 。 表 5-14 列 出 了 9=0" ,dg 分 别 为 0.05nm .0.1l1nm、0.13nm 、 和 0.16nm 时 ,分 子 工 分 子 I 中 A 链 闻 端的 Ais Anil Bt AY Bi. Bis, Bai, Bo, Bos, B, 5 FNB2. 与 分 子 II 及 分 子 II 中 人 A 链 、 了 链 的 上 述 残 基 的 相互 作用 能 。 表 5-14 ”相互 作用 能 的 组 成 (O=—0°) (Str. kJ/mol) 一 1046.94 一 606.78 502.56 一 1261.69 3320 —360.71 123.16 —1109.54 —654.00 —461.64 一 597.61 —415.27 | — 497.00 —130.86 8.31 — 525.13 4 从 表 中 可 以 看 到 :分子 1k U1) 9 By. Bis Bis Bos Bes Bos PROF (RK > FD) 的 相 «Af ARR, Rp PB, 5A—-D FAA REE 4 取 0.16.0.13.0.11 和 0.05nm Pet fs — 53kJ/mol, —63.5kJ/mol, —71kJ/mol#f—103.6kJ/mol, BAO LKR A ERR 基 间 的 作用 也 很 强烈 。 例 如 ,一 个 分 子 的 B:e 与 另 一 个 分 子 的 B:4 间 的 相互 作用 在 4 取 0.16.0.13、 0.11 和 0.05nm 时 可 达到 一 13.5kJ/mol 一 17.2kJ/mol 一 20.6KkKJ/]mol 和 一 35.3 kJ/mol。 由 于 这 些 残 基 又 是 非 极 性 的 (B:* 除 外 ) ,因此 ,从 该 表 就 可 以 看 出 :在 胰岛 素 分 子 的 集 Rit BP, bw 残 基 是 两 聚 体 的 结合 部 位 ,它们 之 间 的 相互 作用 对 两 聚 体 的 稳定 有 着 重要 的 作用 。 晶 体 结构 测 定 和 胰岛 素 结构 数据 的 计算 机 处 理 也 均 指明 了 Bi*、Bie、.B;、Bze REDS I MOF II 的 结合 部 位 ,特别 是 其 中 一 分 子 B 、Bxe 与 另 一 分 子 的 B/x、B“:4 间 的 两 对 氢 键 在 两 聚 体 的 稳定 化 中 起 着 极 为 重要 的 作用 。 我 们 的 计算 不 仅 定性 而 且 定 量 地 对 这 些 残 基 在 结合 部 位 中 的 作用 给 出 了 评价 。 其 次 ,从 表 中 还 可 以 看 到 A PEP ALK. EOF GE. AAI A 链 中 最 为 突出 的 一 个 残 基 ,在 整个 分 子 中 也 是 较为 显著 的 。 这 种 现象 跟 A: 的 极 性 和 复杂 的 微 环 境 有 着 密切 的 关系 。 实 验 表 明 :A: 对 胰岛 素 的 分 子 构象 和 生 愧 活力 是 极其 敏感 的 。 我 们 的 计算 对 实验 的 理解 是 有 启发 意义 的 。 值 得 一 提 的 是 在 不 同 种 属 的 胰岛 素 分 子 中 , 仅 作 保守 替换 ( 恒 为 酸性 ) 的 Bis 比 具有 与 A: 相 类 似 的 性 质 。 最 后 ,从 表 5-15 的 非 对 称 性 可 以 断定 分 子 工 和 分 子 II 的 构象 是 不 同 的 。 从 表格 非 对 称 性 的 # 4 ° 217 TRUBS? io SE See ee ee ea ; 0.1inm : ; 一 0.176| —0.217 .222| 一 0.631 一 6.830 0.13nm 一 0.125 一 0.196| 一 0.146| 一 0.167| 一 0.213| 一 0.213| 一 0.589 —6.508 0.16nm —0.117 一 0.184| 一 0.138| 一 0.159| —0.201| —0.196} —0.531 一 6.061 0.05nm —0.150 —0.230] 一 0.163| 一 0.192| 一 0.247| 一 0.255| —0.790 一 7.938 3 Au —0.510 276| 一 0.079| 一 0.159| 十 0.063| 一 0.079| —0.828 一 27.709 ， 一 0.485 083| 一 0.268| 一 0.075| 一 0.155| 十 0.063| 一 0.075| 一 0.807 一 25.423 一 0.447 113} 一 0.255| 一 0.075| 一 0.150| 0.063| —0.071| —C.773 一 22.518 | 一 0.600 一 0.305| 一 0.088| 一 1.705| ”0.063| 一 0.088| 一 0.890 一 36.930 Yo Bs —0.209 一 8.368| 一 4.999| 一 4.698| —0.263] —0.226| —4.356 一 36.604 一 0.201 一 7.248| 一 4.565| 一 4:092| —0.259] 一 0.217| —3.90 一 33.210 —0.188 一 5.601| 一 3.992| 一 3.352| —0.251] 一 0.203| —3.185 一 28.125 一 0.234 460| 一 12.866| 一 6.684| 一 7.230| 一 0.284| 一 0.255| 一 5.484 一 49.044 | B,; —0.166 588| 一 4.427| 一 25.352| 一 1.542| 一 0.201| 一 0.146| 一 0.869 —53.395. —0.159 588| 一 4.092| 一 22.095| 一 1.480| 一 0.196| —0.142) —0.436 一 48.170 一 0.155 063| 一 3.645| 一 17.945| 一 1.392| 一 0.192| 一 0.142| —0.786 一 41.420 一 0.184 053| 一 5.668| 一 37.143| 一 1.747| 一 0.209| 一 0.150| 一 0.982 一 72.469 Bis —0.209 一 5.137| 一 0.983| 一 0.268| 一 0.063| 一 0.079| —0.631 一 44.450 —0.201 一 4.431| 一 0.936| 一 0.259| 一 0.063| 一 0.079| —0.602 一 40.178 一 0.192 一 3.658| 一 0.869| 一 0.242| 一 0.063| 一 0.075| —0.564 一 34.811 一 0.234 一 8.021| 一 1.150| 一 0.301| 一 0.069| 一 0.088| 一 0.720 一 41.517 Bi, —0.205 一 0.506| 一 0.309| —0.142 一 0.054 一 0.075 一 0.297 一 34.238 : 一 0.196 一 0.493| —0.305) 一 0.138| —0.054) —0.075) —0.293 一 31.847 一 0.192 一 0.472| 一 0.297| 一 0.138| 一 0.050| 一 0.071| —0.284] 一 0: =25.435 | —0.230 029] 一 0.552| 一 0.326| 一 0.146| 一 0.054| 一 0:079| 一 0.314| 一 0. 一 42.954 B., —0.234 050| 一 0.209| 一 0.050| 一 0.067| 一 0.029| 一 0.054| .一 0.389| 一 0. 一 22.203- 一 0.226 一 0.2 叫 | 一 0.050| 一 0.067| 一 0.029| 一 0.054| 一 0.372| —0. 一 20.511 一 0.209 一 0.192| 一 0.046| 一 0.067| —0.025} 一 0.050| 一 0.351| 一 0. 二 二 2277 M 带 —0.272 一 0.234| 一 0.051| —0.071] 一 0.029| 一 0.054| 一 0.431| —1. 一 28.570 By, —0.510 一 3.102| 一 0.819| 一 0.535| 一 0.334| —0.355| 一 5.948| 一 9 一 55.623 —0.472 385| —2.725| 一 0.786| 一 0.514| 一 0.326| 一 0.342| 一 5.242| —8. 一 49.709 一 0.426 359| 三 2.274| 二 0.736| 一 0.481| 一 0.314| 一 0.326| —4.364] —6. 一 42.030 一 0.640 460| —4.744| 一 0.936| 一 0.614| 一 0.355| 一 0.337| —8.891|/—13. 一 82.166 Bi. —1.062 一 0.702| 一 0.418| 一 0.564| 一 0.489| —0.911/—10.308] —9. —43.071 一 0.986 二 0.677| 一 0.410| 一 0.539| 一 0.485| 一 0.874| 一 9:213| 一 8. 二 39.129 一 0.890 一 0.640| 一 0.401| 一 0.506| 一 0.472| 一 0.815| 一 7.833| —6. 一 34.038 一 1.325 一 0.786| 一 0.443| 一 0.640| 一 0.506| —1.035|—14.730/—14. 一 57.680 Be —0.564 一 1.137| 一 1.087| 一 6.048| 一 2.238| 一 2.546| 一 20.612| —3. 一 71.478 二 0.518 一 1.078| —1.041) —5.396] 一 2.065| 一 2.345| 一 17.251| 一 2. 一 63.452 一 0.468 646| 一 0.995| 一 0.982| 一 4.636| 一 1.843| 一 2.073| 一 13.276| 一 2. 一 53.496 一 0.715| 一 11.140| —1.329] 一 1.225| 一 8.519| 一 2.780| 一 3.277| 一 35.367| —4. 一 104.053 分 子 II 一 6.071| 一 30.748| 一 34.080| 一 59.059| 一 43.639| 一 24.320| 一 14.981| 一 58.382| 一 33. 4 一 654.003 一 6.379| 一 28.219| 一 30.890| 一 53.262| 一 39.284| 一 22.526| 一 13.940| 一 51.849| 一 30.092| —64.397| —597.615 一 5.931| 一 24.946| 一 26.836| 一 45.746| 一 33.766| 一 20.068| 一 12.565| 一 43.700| 一 26.037| —54.319| —525.733 一 7.821| 一 40.487| 一 46.703| 一 80.118| 一 60.740| 一 31.751| 一 18. 一 871.948 es 218。 ihc ated 一 45.240| —105.160 本 大 小 可 以 初步 估计 构象 偏差 的 程度 。 5.4.1.4 胰岛 素 分 子 主 链 的 CNDO/2 计 算 要 对 整个 生物 大 分 子 进行 哪怕 是 最 简单 的 量子 化 学 计算 , 例如 EHMO 法 ,至 少 在 目前 还 是 不 可 能 的 。 寻 找 能 对 生物 大 分 子 进行 量子 化 学 计算 的 方法 和 技巧 是 人 们 所 关注 的 一 个 课题 。 分 割 法 ,即将 大 分 子 分 成 几 块 碎片 ,是 比较 可 行 的 方法 。 例 如 ,Pullman,A. 等 在 对 核酸 进行 量子 化 学 计算 时 ,把 碱 基 、 糖 和 磷酸 根 作为 最 基本 的 计算 单元 ,采用 分 割 法 ,使 对 核酸 的 计算 降级 为 对 于 述 基 本 单元 的 计算 。 在 对 蛋白 质 进行 量子 化 学 计算 时 , 则 可 以 肽 . 残 基 为 基本 it 算 单元 ， 还 原 蛋 白质 的 量子 化 学 计算 为 对 各 肽 、 残 基 的 计算 。 木 瓜 蛋 白 酶 和 胰岛 素 的 量子 化 学 研 究 采用 的 便 是 分 割 法 。 分 割 法 的 最 主要 缺陷 是 不 能 全 面 反映 分 子 的 二 级 结构 。 而 大 分 子 的 二 级 结构 , 即 主 链 构象 ， 恰恰 是 决定 分 子 三 维 折合 和 决定 分 子 生 物 功能 最 重要 的 结构 层次 。 为 此 ,我 们 提出 了 蛋白 质 分 子 非 肽 分 割 的 量子 化 学 计算 方案 ,如 图 5-43 Pray, 其 中 (4) 是 肽 分 割 示意 , (B) 是 我 们 提出 的 非 肽 分 割 示 意 。 非 肤 分割 法 在 计算 时 考虑 了 所 有 主 链 原子 的 位 置 ,自然 地 包含 了 主 链 的 全 部 构象 信息 , 因此 能 比较 满意 地 表现 出 蛋白 质 分 子 三 级 结构 对 计算 的 影响 ,这 是 非 肽 分 割 法 最 突出 的 优点 之 一 。 对 半 经 验 的 量子 化 学 计算 方法 , 非 肽 分 割 法 尤为 适用 。 侧 链 的 构象 可 以 通过 以 肽 为 基 本 单位 的 计 算 加 以 补充 ,甚至 可 以 采用 标准 数据 予以 补充 。 从 化 学 或 生物 学 意义 上 来 说 , 非 肽 分 割 方案 显然 优 于 肽 分 割 法 。 该 思想 可 自然 推广 至 其 它 生 物 高 分 子 的 计算 。 该 方法 还 可 用 于 链 内 小 环 或 链 间 桥 键 的 计算 。 在 对 胰岛 素 分 子 进行 CNDO/2 计算 时 ,根据 胰岛 素 的 结构 特点 和 计算 机 容量 , 我 们 将 胰岛 素 A 链 的 主 链 分 成 三 段 ,B 链 之 主 链 也 分 成 三 段 , 具 体 情 况 如 下 : 各 肽 段 结构 肽 段 原 子 数 价 电子 数 Bra it Be HH OF OR Ai 一 A。 65 200 173 螺旋 结构 Al 一 An 65 - 200 173 Al 人 ~Ai 为 3u 螺旋 4 Ai 一 Ai 24 74 63 四 Bi 一 Bi 72 222 192 Bu 一 B:。 为 a- 螺旋 -一 B:: 一 Ba。 73 228 196 B.u~Bs. AA Ai ¥ Av—Ai 46 146 124 双 硫 键 此 外 ,我 们 还 计算 了 包括 As 一 Au 间 双 硫 键 在 内 的 A 链 小 环 。 5.4.2 木瓜 蛋白 酶 的 量子 化 学 研究 木瓜 蛋 白 酶 是 一 种 半 胱 氛 酸 蛋白 酶 ,分 子 量 23 000。 它 是 由 212 个 氨基 酸 联 结 成 的 一 条 多 ike, Drenth 和 其 合作 者 于 1976 年 用 X- 射 线 衍射 法 测定 了 木瓜 蛋白 酶 的 晶体 结构 和 原子 坐标 。 ° 219° oS Pa aa 7 Bae pes eK ose RR So AS yan i Gi ii AU Ni is 由 + 0 e* er, SN Seis iR, R | R, S hie UA 4-t--2 ea rps | xe aaa nie oe oe A yy i i _ : a 1H H IO H O il: jal ae 学 Ome R ae R, | “| if vi i | > Wyo Neon con & Lees pe abauds nh Ne iL 5-43 图 5-44 AMEAMOFEXZF RA LAY Til ff 5) F 28 i Sb FE 图 5-44 BM TAM RAMOS XZ 平面 方向 上 朝 了 面 的 分 子 表面 外 党 图 5-45 画 出 了 木瓜 蛋白 酶 分 子 在 XY 平面 方向 上 朝 乡 面 的 分 子 表面 外 这 图 5-46 是 活 性 中 心 区域 在 XT 平 面 方向 上 朝 2Z 面 的 分 子 表面 外 壳 。 从 这 些 图 中 , 可 以 发 现 木 瓜 蛋 白 酶 分 子 , 尤 其 是 其 活性 中 心 区 域 有 以 下 几何 特征 ; 1) 整个 木瓜 蛋白 酶 分 子 由 二 部 分 或 二 必 构 成 ,从 图 5-47 仅 由 CA 原子 构成 的 蛋白 质 分 子 主 链 结 构图 可 以 看 得 更 清楚 些 。 其 中 11 一 110，207 一 212 号 氮 基 酸 组 成 一 愤 ,1 一 10, 111 一 207 号 AERAKA—R. ME 5-44 和 图 5-45 也 能 看 到 这 一 特征 .整个 分 子 形状 好 像 一 个 动物 大 脑 ， 由 二 个 半球 组 成 ,在 此 二 半球 之 间 有 一 条 相当 深 的 沟 缝 。 2) 活性 中 心 区 位 于 这 条 沟 颖 的 深 处 底部 ,其 中 半 胱 氛 酸 25 和 组 所 酸 159 各 位 于 一 边 , 隔 过 ED OD. Li it o.* Pere e iN 从 图 5-45 “木瓜 蛋白 酶 分 子 在 和 了 平面 方向 上 朝 G 面 的 分 子 表面 外 壳 ° 220° 7 5A A Pea ANT 5 ERS ER» HPs Be Me A ED BE HH LE 道 沟 经 深 处 的 几何 特征 。 3) 在 活性 中 心 区 ,关键 性 的 残 基 组 氨 酸 159 和 半 胱 氨 酸 25 都 暴露 在 分 子 表面 。 若 我 们 从 2 方向 看 木瓜 蛋白 酶 的 XY 平 面 时 ,就 可 以 看 到 沟 狂 中 的 组 氨 酸 159 和 平 胱 氨 酸 25, 它们 不 被 其 它 氨基 酸 肽 链 或 侧 链 所 遮盖 。 这 样 ， 底 物 BEA AE BOF AK (intercalation) (JH 而 插入 沟 颖 与 之 反应 。 这 种 特殊 的 分 子 几何 学 是 生物 大 分 子 反应 、 分 子 识别 时 所 必需 之 特 征 。 | BLL T Dh tt Zt RAR AE I 3 De SH De at 25 ` 组 氨 酸 159 或 天 冬 酰胺 175 的 相对 位 置 有 匠 变 动 时 ， 或 者 其 它 侧 链 的 构象 稍 有 变动 时 ,木瓜 蛋白 酶 就 可 能 改变 甚至 失去 其 反应 活性 。 活性 中 心 沟 乡 212 | 3 a 图 5-47 AUN ARF DERE CCA IRF) Sy 未 捅 蛋 自 酶 分 子 的 活性 中 心 主要 由 半 胱 氨 酸 25、 组 氨 酸 159 和 天 冬 酰胺 175 组 成 (图 5- 名)。 这 是 一 个 “电荷 转 接 系统 ”(charge relay system),Drenth 认 为 其 催化 机 制 可 简 述 如 下 : PERE ME Dye, PANE SERIE OE EAA 25 和 组 氨 酸 159 之 间 发 生 质 子 转移 , 形成 离子 对 Is+………S-。 硫 原子 位 于 组 氨 酸 159 咪 唑 环 的 同一 平面 .离子 对 的 形成 将 有 利于 在 咪唑 环 和 天 。 221° AWE 175 之 间 形 成 氨 键 。 当 一 种 肽 型 底 物 与 酶 结合 时 ， 易 断裂 肽 的 尝 基 C—O 和 谷 氛 酰 胺 19 的 氨基 之 间 所 形成 的 氢 键 。 巍 基 的 极 化 有 利于 硫 原 子 进攻 碳 原子 而 形成 四 面体 中 介 物 .在 该 结构 中 , 易 断 裂 肽 的 NH 基 指向 天 冬 氨 酸 158 的 C—O, 而 N 的 孤 对 电子 指向 咪唑 环 。 从 初始 位 置 旋 转 30" , 环 就 能 把 质子 给 予 NH, 肽 键 就 断裂 ,形成 一 个 胺 和 一 个 共 价 络 合 物 ( 酰 基 酶 ) 。 然后 发 生 脱 酰基 作用 。 水 分 子 用 一 种 类 似 但 方向 相反 的 方向 把 质子 给 予 咪唑 环 , 形 成 第 二 个 四 面 体 中 介 物 , 断 裂 C 一 S 键 ;形成 一 种 酸 式 产物 而 使 酶 恢复 到 锋 性 状态 ( 见 图 5-49)。- a | eros s-HINe] 斑 人 $ 0.26nm) 44 | a Hi C+C-x Er ee C0 X—-O-H Beer yc H peers spy ih. Al H H H ‘ oh as Sa N N ‘| cy His159 H 上 H 5 一 0.24nm 图 5-48 木瓜 蛋白 酶 分 子 的 活性 中 心 , “电荷 转 接 系统 ”。 图 5-49 木瓜 蛋 所 酶 的 催化 机 理 在 对 木瓜 蛋白 酶 进行 量子 化 学 研究 时 ,我 们 采用 了 Pullman 等 发 展 的 一 套 方法 , 即 首先 把 蛋 -白质 分 子 ( 或 核酸 ) 分 成 许多 次 单元 ,也 就 是 主 链 中 的 各 个 肽 单位 和 各 种 侧 链 ,对 这 些 次 单元 作 量 子 化 学 从 头 计 算 ,进行 电子 密度 的 多 极 多 中 心 展 开 。 最 后 迭 加 各 个 次 单元 的 静电 势 便 可 以 得 到 整个 分 子 的 分 子 静 电势 。 这 种 方案 我 们 称 为 “ 肽 分 割 ?方案 。 下 面 我 们 首先 讨论 木瓜 蛋白 酶 的 组 分 、. 肽 基 和 各 种 不 同类 型 侧 链 的 分 子 静电 势 ,然后 考察 各 种 肽 基 和 侧 链 对 整个 床 瓜 蛋白 酶 分子 和 其 活性 中 心 的 静电 势 分 布 的 影响 。 蛋白 质 分 子 是 一 种 多 肽 , 肽 基 是 蛋白 质 结构 中 最 基本 的 单元 。 在 肽 单元 中 ,酰胺 键 是 平面 状 fy, BUSI C—O 和 N 一 英 键 在 同一 平面 上 。 在 这 个 平面 上 , 氧 原子 带 部 分 负电 荷 ( 图 5-50) ,所 原子 带 部 分 正 电 荷 。 每 个 肽 单元 就 变 成 一 个 偶 极 矩 约 为 3.5D 的 小 偶 极 。 木 瓜 蛋白 酶 中 两 氛 酸 136 一 丙 氮 酸 137 间 肢 基 的 分 子 静 电势 如 图 5-51 所 示 。 从 图 中 可 以 看 到 明显 的 偶 极 静电 势 分 布 “ 特点 。 显 然 ,在 蛋白 质 分 子 的 某 个 部 位 , 若 存在 一 个 xc- 螺 旋 结 构 , 且 c- 螺 旋 结 构 中 所 AE BA 指向 同一 方向 (螺旋 的 轴 ) ,那么 每 一 个 小 偶 极 就 会 合成 一 个 整体 的 大 偶 极 , 而 形成 一 个 较 强 的 静 电势 场 。 如 此 ,c- 螺 旋 在 蛋白 质 折 释 和 反应 中 常常 会 起 着 十 分 重要 的 作用 。 木瓜 蛋白 酶 分 子 经 过 分 割 产 生 212 个 肽 基 。 这 些 肽 基 的 构象 各 不 相同 。 用 标准 构象 角 计 算 程序 ,算出 了 这 些 肽 基 中 N-CA 和 CA-C 间 的 二 面 角 , 并 作 构 象 图 (图 5-52) 。 根 据 构象 图 将 这 212 个 肽 基 分 成 十 组 ,分 别 取 16.52.61.86.90.109、136、182、201 和 202 号 肽 基 作 为 每 一 组 的 代表 点 。 对 这 些 代表 点 进行 从 头 计 算 ,这 样 便 完成 了 212 个 肽 基 单 元 的 计算 工作 。 非 极 性 侧 链 ”在 氨基 酸 中 , 非 极 性 侧 链 是 指 那些 带 脂肪 烃 链 的 甘氨酸 、 纺 氨 酸 、 亮 氮 酸 、 蜡 亮 氨 酸 和 膊 氨 酸 、 一 个 芳香 环 侧 链 葵 丙 氨 酸 和 一 个 申 硫 氨 酸 。 ° 222 + (£025) ™ H + 子 静 电势 (kJ/mol) 5 元 d 一 Al 137 b w(K mo 5-50 MTR MIC AM =3.7D. (24) 图 5-51 Bea 7 Alaiag——Ae197 鬼 合 366 © 082 °163° 107 ee 154 7 712180, 142 191° < 22-9 le, 2179 13 173 TO sa32 | joer! tl —_ 180 120 120 180 图 5-52 AMMAR Es 2: BEE 19 9 & SA 60 图 5-53 RAM Ile 34 残 基 的 分 子 静电 势 图 5-54 XAAM Phe 28 侧 链 的 分 子 静 电势 (kcal/mol) (kcal/mol) 5-53 和 图 5-54 分 别 画 出 了 异 亮 所 酸 34 残 基 和 葵 丙 氨 酸 侧 链 的 分 子 静 电势 。 从 图 5-53 可 知 , 对 蜡 亮 氨 酸 34 来 说 ,仅仅 在 肽 基部 分 由 于 兰 基 C—O HA N—-H 键 间 的 偶 极 , 才 在 空间 有 ee ee ee ee 一 般 在 土 21 kJ/mol 以 下 。 图 5-54 是 茶 两 氨 酸 侧 链 所 产生 的 分 子 静 电势 ,与 肽 基部 分 相 比 也 是 非常 小 的 。 FARR FEAR Fh SPE i SP UE FH 3 39 A a FE RPA PSAP SIL, — 般 也 在 土 21 kJ/mol 以 下 。 甘 氨 酸 没有 侧 链 ,本 身 就 是 多 肽 链 的 一 部 分 。 由 此 可 见 , 非 极 性 侧 链 在 静电 上 即 化 学 上 是 不 活泼 的 ,因而 也 是 惜 水 性 的 。 众 所 周知 ， 在 溶 液 中 , 非 极 性 侧 链 往往 分 布 在 蛋白 质 分 子 的 内 部 , 很 少 在 分 子 表面 ， 这 就 是 蛋白 质 分 子 结构 所 谓 的 “ 非 极 性 ( 惜 水 结构 ) 在 里 , 极 性 ( 亲 水 结构 ) 在 外 ?的 规则 。 极 性 但 不 带电 荷 的 侧 链 ” 极 性 但 不 带电 荷 的 侧 链 包括 二 个 含有 羟基 的 氨基 酸 丝 氛 酸 和 苏 所 酸 ,二 个 含 酰胺 基 的 氨基 酸 天 冬 酰 胺 和 谷 氮 酰 胺 ,二 个 带 芳香 环 的 氨基 酸 酷 氛 酸 和 色 所 酸 及 一 个 带 有 硫 的 氨基 酸 半 胱 氨 酸 。 这 一 组 带 极 性 侧 链 的 氨基 酸 在 酶 反应 和 催化 中 常常 扮演 重要 角色 。 图 5-55.56、.57 和 58 分 别 表 示 了 天 冬 酰 胺 175. 4A 176 、. 半 胱 氛 酸 25 PAB 177 侧 链 的 分 子 静电 势 。 从 这 些 图 中 可 以 看 出 , 侧 链 中 的 氧 原子 能 产生 相当 强 的 负 静电 势 场 , 关 基 氧 (一 167 kJ/mol 堪 右 ) 比 羟基 氧 (一 105 kJ/mol 堪 右 ) 更 强 ,这 就 导致 这 些 侧 链 在 化 学 上 较 活 泼 ,并 易于 形成 气 键 。 在 许多 蛋 和 白质 分 子 , 如 木瓜 蛋白 酶 (papain)、 胰 蛋白 酶 (trypsin)、 胰 凝 乳 蛋白 酶 (xc-chymotrypsin)、 相 草 杆菌 蛋白 酶 (subtrlisin) .核糖 核酸 酶 (ribonuclease) 和 弹性 蛋白 酶 (elastase) 等 的 活性 中 心中 ,天 冬 酰 腕 和 丝氨酸 等 常常 是 活性 中 心 组 成 部 分 。 半 胱 氨 酸 Cys 侧 链 产生 的 分 子 静电 势 不 大 (图 5-60), 但 其 琉 基 上 的 硫 原子 对 于 金属 阳离子 和 其 它 反 应 物 则 是 一 个 很 强 的 电子 授 体 , 它 还 有 与 另 一 个 半 胱 氨 酸 形成 交 联 性 二 硫 键 的 趋势 , 故 © 224。 人 = nb = nig_gosea7S-2-1.0,,1 213 4576 78.9 x 图 5-55 ARERR Asn 175 侧 链 的 分 子 静 电势 图 5-56 “丝氨酸 Ser 176 侧 链 的 分 子 静 电势 (kcal/mol) (kcal/mol) X xX 5-57 半 胱 氨 酸 Cys 25 侧 链 的 分 子 静电 势 图 5-58 色 氨 酸 Trp 177 侧 链 的 分 子 静 电势 (kcal/mol) (kcal/mol) ee ABM BE Ze ES WR SH A BEE. 带电 荷 的 侧 链 ”带电 荷 的 侧 链 包 括 2 个 酸性 的 天 冬 氨 酸 和 谷 氨 酸 ，2 PEN MARR 和 组 氨 酸 。 这 些 带 电荷 的 酸性 或 碱 性 侧 链 ,在 溶液 中 既 可 以 以 带电 荷 的 形式 存在 ,也 可 以 以 不 带电 荷 的 形式 存在 ,这 取决 于 溶液 环境 的 pH 值 。 在 酸性 条 件 下 ,天 冬 氨 酸 、 谷 氨 酸 有 不 带电 荷 的 基 。 225。 基 团 ,而 组 氨 酸 、 赖 氨 酸 和 精 氛 酸 则 会 被 质子 化 而 带 正 电 荷 。 在 碱 性 条 件 下 ， 天 冬 所 酸 和 谷 氮 酸 的 羟基 会 电离 而 带 负 电 , 组 氨 酸 、 赖 氨 酸 和 精 氨 酸 则 保持 不 带电 荷 , 这 些 氨 基 酸 的 DK 值 如 下 :天 ABR 3.86; FAR 4.25, 组 氨 酸 6.00, RMR 10.53; 精 氮 酸 12.48。 在 正常 的 生理 条 件 王 即 pH 等 于 7 左右 时 ,天 冬 氮 酸 和 谷 氮 酸 将 电离 成 带 负 电荷 的 离子 型 形式 ， 而 赖 氨 酸 和 精 氨 酸 则 电 离 成 带 正 电荷 的 离子 形式 ,这 时 组 氨 酸 则 大 部 分 不 电离 而 保持 中 性 。 作者 计算 了 精 氨 酸 、 天 冬 氨 酸 153、 赖 氨 酸 174 MRAM 50 带电 荷 形式 残 基 或 侧 链 的 分 子 ”静电 势 ,其 结果 如 图 5-59,60,61 和 62, 5-59 FRIAR Are 41 残 基 的 分 子 静 电势 图 5-60 KAA Asp 158 残 基 的 分 子 静电 势 (keal/mol) (keal/mol) 2 个 碱 性 侧 链 由 于 带 有 羧基 基 团 COO- , 故 产 生 很 强 的 负 静 电势 场 (一 110 一 一 130kcalymol;: “天 冬 氨 酸 负离子 比 谷 氮 酸 负离子 产生 更 强 的 负 静电 势 是 由 于 其 侧 链 较 短 。 在 蛋白 质 的 多 肽 链 中 ,其 溶液 状态 还 有 另 两 个 带电 荷 的 单元 , 即 其 头 部 的 所 端 (N 端 ) 和 尾 部 的 羧 端 (C 端 ) 。 作者 还 计算 了 木瓜 蛋白 酶 中 头 部 氨基 酸 异 亮 氨 酸 Ile 1 和 尾部 氨基 酸 天 冬 WE Me Asn212 2 个 残 基 的 分 子 静电 势 ,其 结果 分 别 列 于 图 5-63 和 64。 氨基 和 羧基 能 分 别 产生 一 全 相当 强 的 正 静电 势 场 或 负 静 电势 场 , 因而 它们 在 化 学 上 也 是 活泼 的 ,可 以 用 某 种 化 学 反应 如 2.4- 二 硝 基 氟 苯 法 和 腓 解法 等 来 测定 它们 。 在 某 些 蛋白 质 分 子 中 ,如 胰岛 素 , 其 端 部 氨基 酸 的 取代 ,尤其 是 其 酸 碱 性 的 改变 ,可 导致 其 生 物 活性 有 很 大 的 变化 ,这 也 可 从 其 静电 势 场 强度 变化 影响 了 其 反应 性 这 个 角度 来 理解 。 再 考察 二 下 组 氨 酸 的 分 子 静电 势 是 很 有 意义 的 ， 因 为 组 氨 酸 在 蛋白 质 的 结构 尤其 是 在 反应 中 经 常 起 着 重要 作用 ,或 者 是 活性 中 心 组 成 部 分 ;或 者 作为 金属 离子 的 配 位 体 。 图 5-65 是 组 氨 酸 159 残 基 的 分 子 静电 势 。 可 以 看 出 ,在 咪唑 环 上 NE 2 氮 原 子 上 的 孤 对 电子 产生 一 个 很 强 的 负 “226。 EEE 图 5-61 km Lys 174 残 基 的 分 子 静 电势 图 5-62 谷 气 酸 Glu 50 残 基 的 分 子 静电 势 (kcal/mol) (kcal/mol) 图 5-63 RAMA le 1 残 基 的 分 子 静 电势 图 5-64 (kcal/mol) ARERR Asn 212 残 基 的 分 子 静 电势 (kcal/mol) WS, CRB Ai ie PRE ART RE EM AREA, KELERABA 质 结 Fa AP He ee oa HEB OL, WE, PD RK be Be Ze OE A OF RM—HRRA— MBA DMS RAC. TERA. Mee MWe c 等 蛋白 质 中 , NE 2 处 的 负 势 和 同一 个 咪唑 环 上 ND 1 Ab Ay TE, HS AE AN, AI “227。 图 5-65 ”组 所 酸 His 159 侧 链 的 分 子 静 电势 (kcal/mol) 肽 蛋白 酶 中 “电荷 转移 系统 ?型 活性 中 心 实现 质子 转移 的 主体 组 成 之 一 。 考虑 到 带电 荷 的 侧 链 的 重要 性 ， 我 们 对 它们 进行 了 类 似 肽 基 的 构象 角 处 理 。 所 有 的 精 气 酸 侧 链 被 分 成 二 组 ,以 精 氨 酸 41 和 精 氨 酸 191 为 代表 ( 共 10 个 精 氨 酸 ), 谷 氮 酸 ( 共 ? 个 ) 以 谷 氨 酸 50 FIA AMR 89 代表 。 完成 了 上 述 计 算 后 ， 便 可 开始 讨论 各 种 次 单元 对 整个 木瓜 蛋白 酶 分 子 和 其 活性 中 心 的 静电 势 分 布 的 影响 。 作者 计算 了 木瓜 蛋白 酶 中 所 有 带电 荷 的 侧 链 加 上 头 、 尾 离 解 后 (带电 荷 ) 的 氨基 酸 残 基 在 习 ”平面 方向 朝 了 面 分 子 表面 外 党 上 所 产生 的 分 子 静电 势 , 其 结果 列 于 图 5-66 中 。 其 中 最 大 值 为 241.4 kcal/mol, 最 小 值 为 30.7 kcal/mol, 当 加 上 212 个 肽 基 单 位 时 ， 结 果 表 明 ， 最 大 值 电 (238.2 kcal/mol) 和 最 小 值 (28.2 kcal/mol) 和 其 相对 位 置 几乎 都 没有 什么 变化 。 为 了 了 解 在 话 性 中 心 周围 哪 些 氨基 酸 最 靠近 以 及 它们 可 能 产生 的 影响 ,我们 计算 了 活性 中 心 点 (活性 中 心 假 设 为 半 胱 氨 酸 25、 组 氨 酸 159 和 天 冬 酰 胺 175 这 三 个 残 基 所 在 原子 坐标 的 几何 平均 ,该 点 坐标 为 xz=19.002,y=30.624,2 王 17.698) 和 所 有 氨基 酸 CA 原子 间 的 距离 ， 离 活性 中 心 点 最 近邻 的 24 个 中 性 氨基 酸 及 它们 和 活性 中 心 点 的 距离 列 于 表 5-16。 我 们 可 以 发 现 ， 在 距离 活性 中 心 半 径 为 0.8 nm 的 球体 范围 内 没有 一 个 带电 荷 的 侧 链 ,最 近 的 二 个 带电 荷 侧 链 所 基 酸 赖 气 酸 174 AIA AMR 158 分 别 距 活性 中 心 点 0.8545 nm 和 0.8344 nm。 换 言 之 ， 在 以 活性 中 心 点 为 中 心 直 径 为 1.6 nm 的 球体 范围 内 没有 一 个 带电 荷 的 侧 链 , 全 为 中 性 的 氨基 酸 。 因此 ,我 们 选取 了 离 活 性 中 心 点 1.0 nm 以 内 的 24 个 中 性 氨基 酸 BY 2 个 甘氨酸 ( 甘 氛 酸 20， HAR 23), 4 个 丙 氛 酸 ( 丙 氨 酸 27、 丙 氛 酸 136、 丙 氨 酸 160, ARM 162)， 3 PRAM 132, 4G AR133, AA IAAR161), Tt 个 亮 氨 酸 ( 亮 氨 酸 134),，1 PETER (FFE RMIT), 3 PAR ° 228 © oo S = a 2 8 z 5 Ss ND fm _ Sg S$ 3 8 SS 最 小 值 TO 171.00 TO 136.00 TO 100.00 TO 65.00 | | 241.00 TO || 206.00 TO RAE 24136847 . SY \ YY SS tis A SN LINN NS ES SN SES SWS SS AS N Nis CASRN WY SANG aN WSSEIHSN SS / “AYES SS Nh N SASS NS | WANS S ' NG N CRA 个 谷 氮 栈 胺 1 。229 。 酸 141)， 1 邻近 氨基 酸 侧 链 对 活 此 — 16.0) 上 的 静电 势 计算 结 果 表 明 ( 图 :5-67) :在 活 性 中 心 区 个 天 冬 酰胺 (天 冬 酰 胺 18 ,天 冬 酰 腕 175)， 氮 酸 25)，2 个 葵 丙 氮 酸 EARM2, KA 产生 的 分 子 静电 势 ，(kcal/mol) 色 氨 酸 177, 色 氨 酸 181)，, 以 及 试验 这 2 ate ’ 荷 侧 链 对 木瓜 蛋白 酶 分 子 XZ 平面 方向 朝 了 面 分 子 表面 外 丝氨酸 29, 丝 氮 酸 176 ) > -66 带电 响 。 影 Ay XY iki (Z 的 5 1 个 半 胱 氨 酸 CEM 》 企 组 氨 酸 , 3 个 色 氨 酸 ( 色 氨 酸 26 对 活性 中 心 和 一 性 中 心 区 域 静电 势 分 布 酸 ( 丝 氛 酸 24 ( 谷 氨 酰胺 19)， 表 5-16 木瓜 蛋白 酶 活性 中 心 的 相 邻 氨基 酸 (CA 原 子 ) 与 活性 中 心间 的 距离 a kc mM 距离 (nm) His 159 0.3227 Ala 160 0.3680 Cys 25 0.4423 Ser 176 0.4452 Vali161 0.4481 Asn 175 0.4994 Trp 177 0.5481 Gln 10 0.7115 Leu134 0.7345 Ala 136 0.7601 Ser 29 0.7606 Ser 24 0.7885 域 有 一 种 偶 极 型 的 分 子 静电 势 分 布 . 图 5-67 中 没有 数据 点 的 地 点 说 明 在 距离 某 一 原子 0.2nm 范围 内 。 在 天 冬 酰 胺 175 周围 有 一 个 相当 强 的 负电 场 , 一 86.4kcal/mol, 该 数值 比 一 般 闪 基 氧 周围 的 静电 势 要 强 一 倍 多 。 它 将 吸引 质子 〈 气 原子 ) 以 形成 气 键 EK EAR 25 周围 则 有 一 正 静 电势 场 ,35.1kcal/mol, 这 也 比 任何 一 个 孤立 氨基 酸 中 原子 能 产生 的 正 静电 势 要 大 得 多 。 它 将 排斥 质子 并 帮助 质子 从 半 胱 拓 酸 25 的 SH 上 转移 到 组 氨 酸 159 的 咪唑 环 上 。 对 活 性 中 心 区 域 分 子 表面 外 壳 静 电势 的 计算 也 表明 了 静电 势 最 大 值 确 是 在 半 胱 氨 酸 的 SH 周围 。 这 就 从 理论 上 进一步 证 明了 电荷 转 接 的 催化 机 制 。 在 计算 过 程 中 我 们 还 发 现在 木瓜 蛋白 酶 的 wae oP, 活性 中 心 区 域 的 组 氨 酸 159 中 咪 姓 环 的 位 置 是 NE2( 不 带 氨 ) 指 向 天 冬 酰 腕 175 中 的 ADI 氧 原子 , 而 ND1 ( 带 氢 原子 ) 指 向 半 a 基 RM | Fa (nm) Ala 162 0.7125 Phe 28 0.8937 Val 132 0.8800 Val 133 0.8327 Phe 141 0.8813 Gly 23 0.8999 e173 0.9027 Trp 181 0.9344 Trp 26 0.9560 Ala 27 ; 0.9605 . Asn 18 0.9637 Gly 20 1.0004 21 NE2 x H CD2 CEI Cys25 ‘ie NDS H SG H His159 14 35.1 ne 33 .231.5 31.6 34,0 31.0 32,6 28,9 28,1 28.0 30.9 30,8" ha a as ee Y 图 5-67 ARIAT A ARTE HEP DAFA EM 侧 链 对 活性 中 心 区 域 产 生 的 分 子 静电 源 (keal/mol) Z=16.0 We PR 25 的 SHE. 显然 ,从 我 们 所 算得 的 静电 势 分 布 可 知 ,在 溶液 中 实际 发 生 反应 时 ， nF RFX. 酰胺 175 区 域 对 NE2( 产 生 负 静电 势 ) 及 半 胱 氨 酸 25 处 正 电 场 对 ND1 ( 氢 产 生 正 静 电 劳 ) 的 双 重 排斥 作用 ,很 容易 使 组 氨 酸 159 或 者 转动 单 键 ,如 CA-CB 间 的 碳 - 碳 单 键 , 或 者 因 咪唑 环 上 的 Jt He He Fp NE 2 和 ND1 交换 气 原子 而 达到 图 5-65.5-67 所 示 的 能 起 催化 作用 的 位 置 。 我 们 还 必须 注意 到 的 是 ,在 木 政 蛋白 酶 中 ,活性 中 心 区 连结 着 一 段 相当 长 的 zx- 螺 旋 , 即 从 丝 4 .230。 ey q RR 24 一 直到 异 亮 氨 酸 40 , Dujnnen 等 曾 非 常 强调 这 段 c- 螺 旋 对 酶 催化 所 起 的 作用 。 如 前 所 述 , c- 螺 旋 的 作用 好 象 一 个 大 偶 极 , 其 C 端 带 负 电 而 N 端 带 正 电 ,我 们 计算 了 这 段 c- 螺旋 对 整个 木瓜 蛋白 酶 分 子 静电 势 分 布 的 影响 .计算 结果 表明 ,这 段 长 17 个 肽 基 的 c- 螺 旋 对 分 子 表面 外 党 层 大 约 贡献 63 kJ/mol 左 右 的 静电 势 场 强度 。 由 于 这 段 ec- 螺旋 是 以 其 N- 端 连 结 活 性 中 心 区 域 半 胱 氨 酸 25 一 头 的 正 电场 区 域 ,因此 它 就 加 强 了 这 个 电荷 转 接 系统 的 JE 电场 ,有 利 于 推动 SH 上 的 质子 转移 过 程 。 总 之 ,木瓜 蛋白 酶 存在 着 活性 中 心 区 域 ,该 区 域 的 几何 特征 为 :活性 中 心 位 于 分 子 表面 但 又 位 于 玫 面 一 条 很 深 的 沟 颖 的 底部 , 底 物 通过 艇 插 作 用 与 之 反应 。 该 区 域 的 电荷 分 布 特征 为 :质子 转移 是 在 一 个 电荷 转 接 系 统 中 进行 的 ,而 活性 中 心 的 环境 , 肽 基 链 , 侧 链 和 cx- 螺 旋 的 构象 造成 了 一 个 偶 极 型 的 静电 势 分 布 以 利用 这 种 质子 转移 而 实现 酶 催化 过 程 。 5.5 蛋白质 的 能 带 结 构 早 在 40 年 代 , 就 发 现 了 在 蛋白 质 内 似乎 存在 着 高 效率 输送 能 量 的 某 种 装置 。 例 如 ， 在 肌 红 蛋 自 (Mb) 的 正 铁血 红 素 部 分 结合 了 一 氧化 碳 的 复合 体 ,用 对 应 于 这 个 复合 体 的 最 大 吸收 位 置 的 546 nm 光照 射 时 , 若 量子 产 额 ( 即 生成 物质 的 分 子 数 /被 吸收 的 光量 子 数 ) 为 1 ,一 氧化 碳 就 能 游 离 。 这 表明 ,复合 体 所 吸收 的 光 毫 无 保留 、 毫 无 损失 地 把 肌 红 蛋白 的 Fe 一 CO 键 切断 : hv ~ Mb—CO—>Mb+ CO 车 以 280 nm 的 光照 射 该 复合 体 ,量子 产 额 亦 为 1 ,一 氧化 碳 也 能 游离 。 由 于 在 肌 红 蛋白 部 分 中 酷 氨 酸 和 色 氨 酸 残 基 吸 收 280 nm 的 光 , 在 正 铁血 红 素 部 分 理应 不 吸收 。 上 述 事实 暗示 着 远离 正 铁 血红 素 的 蛋白 质 部 分 所 吸收 的 光 能 , 可 能 没有 丝毫 损失 地 输 运 到 了 正 铁血 红 素 部 分 。 此 外 ， 若 以 CN 基 作 用 于 具有 四 个 正 铁 血红 素 的 过 氧化 氨 酶 ,恰好 一 个 正 铁血 红 素 被 CN 基 结 合 。 如 此 ,不 仅 结合 CN 基 的 血红 素 , 连 其 他 的 正 铁 血红 素 也 全 部 失去 活性 。 这 个 现象 称 之 协同 性 (co- operativity) 或 变 构 性 (allostericity) 。 它 也 暗示 着 正 铁血 红 素 之 间 存 在 着 某 种 能 量 传递 机 构 。 又 如 ,金属 离子 或 ATP 作用 于 肌肉 蛋白 时 , 仅 由 于 1 一 2 个 小 分 子 的 作用 ,就 能 使 蛋白 质 的 时 “整个 行为 发 生变 化 。 它 也 表明 在 蛋白 质 内 某 一 位 置 的 相互 作用 的 能 量 非常 有 效 地 在 蛋白 质 中 传 Se 为 了 说 明 这 些 实验 事实 , Szent-Gy5rgyi 预言 蛋白 质 存在 能 带 结构 。 Evans 和 .Gergely 考虑 到 蛋白 质 主 链 间 肽 键 往 往 通过 氢 键 相互 作用 ,存在 如 图 5-68 所 示 的 以 一 CO 一 NH 一 为 单位 [ 肽 单位 ] 的 重复 结构 , 故 有 组 成 能 带 的 可 能 性 。 根据 上 述 模型 ,他 们 用 Hiickel 方法 进行 了 计算 。 由 于 Hiickel 方法 只 涉及 体系 的 = 电子 , 故 在 计算 时 ,定义 。 单 位 肽 中 ,C 有 1 个 电子 ,O 有 1 个 ,N 有 2 个 ,形成 了 轨道 4 x 电子 系统 ,它们 的 能 级 图 如 图 5-69 4 所 示 。 2 个 肽 单位 聚集 起 来 的 能 级 如 图 5-69 B。 非 常 多 的 能 级 聚集 起 来 的 系统 就 形成 图 5-69 C 那样 的 带 结 构 。 对 应 于 被 占 轨 道 、 空 轨道 各 产生 被 占 带 、 空 带 。 * 231 ° ， 的 Ra Nt om fs Sa was Prey Nite 2° O= 4 nd RCH RCH RCH | C 一 0 ……HN EN / \ / \ leans: HN C 一 0 …-HN Ce 机 \ / \ / 图 5-68 和 蛋白质 主 链 间 氢 键 OE Eo ER pees eae geen eee - > sa ——_o——_9—— Sg ee a ara —_ —— 被 oe 被 占 带 id head Ot a ae ee ee 一 —9—9-— A B C 图 5-69 能 级 聚集 成 带 A. 一 个 单位 ; B. 二 个 单位 ; C. 多 个 单位 Evans 等 计算 表明 最 高 被 占 带 和 空 带 的 能 量 差 约 为 3 eV。Eley 等 关于 干燥 蛋白 求 得 的 能 带 ”间隔 , 肌 红 蛋白 是 2.75 eV, 聚 甘 氛 酸 是 3.12 eV, 均 在 3 eV 附近 。 这 似乎 表明 Evans 的 结构 是 ”正确 的 。 但 是 根据 Evans 的 计算 ,蛋白 质 分 子 在 410 nm 附近 必须 有 吸收 带 , 然 后 实验 却 观 察 不 «BY, ea) Evans 等 ,包括 yomosa 所 用 的 计算 方法 缺乏 一 般 性 ,渐渐 地 被 建立 在 固体 理论 基础 之 上 的 唱 体 轨道 法 (crystal orbital mothod) 所 代替 。 下 面 我 们 用 CNDO/2 晶体 轨道 法 研究 氨基 酸 残 基 侧 链 对 蛋白 质 能 带 结构 的 影响 ， 然后 证 二 - 论 蛋 白质 构象 变化 对 蛋白 质 能 带 结 构 的 影响 ,最 后 讨论 水 对 蛋白 质 能 带 结构 的 影响 。 AKER 离子 的 影响 见 12.4.7, 由 于 周期 的 poly(Gly) 最 接近 蛋白 质 分 子 的 骨架 ， clita maligne 结构 影响 时 一 般 均 取 它 为 参考 系 。 图 5-70 是 蛋白 质 cc- 螺旋 示 意图 :图 5-71 是 聚 甘 氨 酸 能 带 示 意图 。 图 5-72 是 周期 蛋白 质 模型 poly(Ala) poly(Asp), poly(Gin) il poly (His) 在 与 螺旋 铀 重 直 的 平面 上 的 投影 。 表 5-17 FZ 5-18 分 别 给 出 了 计算 所 得 的 价 带 . 导 带 和 禁 带 。 5-73 是 所 有 模型 系统 的 价 带 和 导 带 的 色散 曲线 。 从 表 中 可 以 看 出 ， 与 poly(Gly) MLE, BRT poly(Ala) 和 poly(Asp) 的 价 带 外 ， 所 有 其 它 系统 的 导 带 和 价 带 都 变 窗 了 。 对 于 导 带 ，poly(Ala)、poly(Gln) 和 poly(His) 的 带宽 都 只 有 poly(Gly) 导 带宽 的 大 约 1/2 。 价 带 的 变化 则 不 统一 ，poly(Asp) 和 poly(Ala) 的 价 带宽 分 别 比 e 232 N NA AN NI ‘ N N * -se 一 SS *, ral as So. eae | 示意 图 5-71 聚 甘氨酸 能 带 ie | =< 图 5-70 蛋白 质 的 -螺旋 图 5-72 A. poly(Ala), B. poly(Asp)、C. poly(Gln) 和 D. poly(His) 在 与 螺旋 轴 垂 直 的 平面 的 投影 图 。233。 系 统 带 型 Bais W ax AE poly(Gly) n*+1 —1.143 —0.653 0.490 n* —11.945 —11.564 0.381 poly(Ala) i n* +1 1639 —\.A15 0.218 n* —12.435 —11.755 0.680 poly(Asp) ~ n*41 — 2.531 — 2.286 0.245 n* —12.925 —12.489 0.436 poly(Gln) n*+1 — 2.122 —1.877 0.245 n* —11.945 —11.673 0.272 poly(His) n*+1 一 1.497 =1.273 0.218 n*Ain* +1 SWRA Ses 和 媚 。. 和 召 。i* 分 别 为 能 带 的 上 边 和 下 边 的 能 量 值 ，4 瑟 为 带宽 。 表 5-18 poly(Gly) .poly(Ala) .poly(Asp) .poly(Glul 和 poly(His) 的 禁 带 宽度 (单位 ，eV) 系 统 林带 宽度 poly(Gly) ‘ 10.421 poly(Ala) 10.122 poly(Asp) 9.958 poly(Gin) 9.551" poly(His) 9.197 poly(Gly) 增加 了 0.055 eV 和 0.299 eV， 后 者 约 增加 了 78% ;poly(Gln) 和 poly(His) 的 价 带 MILE poly(Gly) 分 别 减 小 了 0.109 eV 和 0.245 eV， 后 者 约 减 小 了 64% 。 除 poly(His) 外 ， 其 它 系 统 的 价 带 都 比 导 带宽 , poly(Ala) 的 导 带 宽 只 有 价 带 的 1/3 。 但 我 们 还 可 以 看 到 ， 随 着 侧 链 结构 复杂 性 的 增加 ， 导 带宽 从 小 于 价 带宽 变 到 大 于 价 带宽 。 这 可 以 从 导 带 和 价 带 宽 的 比值 看 这 Hi, poly(Ala)~0.32, poly(Asp)~0.56,poly(Gln)~0.90, poly(His)~1.60, {Amr faj MAS ”poly(GIy) 是 例外 ， 这 个 比值 约 为 1.29 。 ant 关于 价 导 和 导 带 之 间 的 禁 带 宽度 ， 所 有 系统 都 比 poly(Gly) 窗 ， 减 小 量 从 约 0.3 eV 到 1.2eV。 而 且 禁 带宽 度 减 小 的 程度 和 侧 链 结构 的 复杂 性 有 很 好 的 对 应 关系 。 侧 链 结构 越 复杂 ， 禁 带 宽度 越 小 。 例 如 与 poly(G1y) 的 禁 带 宽度 相 比 ， 具 有 最 简单 侧 链 结构 的 poly(Ala) 的 禁 带 宽度 只 减 小 了 ~0.3 eV ,而 具有 最 复杂 侧 链 的 poly(His) 则 减 小 了 ~1.2eV。 一 般 说 来 ,CNDO 近似 的 缺点 是 计算 的 激发 能 过 大 ，Beveridge 等 人 曾 用 MINDO 近似 计算 poly(Gly) 的 禁 带 宽 度 ， 得 到 其 值 为 5.7 eV。 若 MINDO 近似 计算 的 能 带 结 构 也 按 这 样 的 方式 变化 ， 禁 带 宽度 将 减 小 到 4 eV 左右 ， 这 已 接近 半导体 的 范围 了 。 根据 Brillouin 提出 的 蛋白 质 理论 模型 ， 氨 基 酸 残 基 的 侧 链 对 主 链 起 着 杂质 的 作用 。 侧 链 可 以 作为 电子 受 体 或 供 体 , 主 链 和 例 链 间 的 电荷 转移 使 主 链 产生 空 穴 或 多 余 电子 ,从 而 增加 主 链 ? 234 。 图 5-73 A, poly(Ala), B. polp(Asp), C. poly(Gln)、 45 Z 2,286 » -1e a pT y 之 E — 2,531 4_ > = =11,755 Se Zz [3 & Z < — 12.489 人 4 = 4 My Z ~ 12.435 Z = eth Z B. 1 i) 9 i = 4 WW + 4 > i ~~ oe 人 ee | 人 | ” * m/2a t/a ik . : : - 0.653 | 世 -1.143 i ~ > . 一 s ty" — 11,564 = | y 11.945 7 | 0 7/2a t/a k | E D. poly(His)@£. poly(Gly) 价 带 和 导 带 的 色散 曲线 的 电导 性 。 根 据 Mulliken 集 居 数 分 析 ， 可 以 计算 出 主 链 亚 单位 (由 肽 平面 上 的 四 个 原子 和 CA- HA 组 成 ) 与 侧 链 间 的 电荷 转移 。 与 poly(Gly) 相 比 ，poly(Ala)、poly(Asp) 和 poly(Gln)、 poly(His) 的 氨基 酸 残 基 的 侧 链 都 是 作为 电子 受 体 ， 大 约 有 0.17 个 电子 从 主 链 转 移 到 侧 链 。 这 里 电荷 转移 的 量 虽然 是 个 分 数 ， 但 几 个 侧 链 的 总 和 就 能 够 转移 一 整个 电子 ， 整 个 蛋白 质 就 可 以 产生 许多 带 正 电 荷 空 穴 ， 从 而 增加 其 电导 性 。 总 之 ， 侧 链 结构 越 复杂 ， 和 蛋白 质 分 子 的 禁 带 宽度 越 小 。 这 样 复杂 侧 链 结 构 的 蛋白 质 分 子 比 ” 具有 较 简单 侧 链 结构 的 蛋白 质 分 子 更 接近 半导体 的 性 质 。 另 一 方面 ， 由 于 主 链 和 侧 链 间 的 电荷 转移 ， 将 会 增加 蛋白 质 主 链 的 电导 性 。 但 是 ， 侧 链 复杂 性 增加 使 带宽 变 窗 ， 使 电子 (或 空 穴 ) 的 。 235。 | ES Oe ea 有 效 质量 变 大 ， 不 易 迁 移 。 下 面 讨论 蛋白 质 构 象 变化 对 其 能 带 结构 的 影响 。 蛋白 质 构象 变化 是 丰富 的 ， 例 如 <- 螺 旋 的 螺 距 往往 容易 改变 ， 可 形成 3.0- 螺 旋 、3. cs. (c) -螺旋 、3.8- 螺 旋 、4.4ls(r) -螺旋 和 5.210 RES a - WR Me REE HY ENT ABA 3 .612- 螺旋 被 拉 伸 或 压缩 后 对 应 于 不 同 螺 距 的 结构 。 PR 3. 3- 螺旋 外 ， 其 它 四 种 螺旋 体 的 氨基 酸 残 基 间 区 1 5-74 HE 3.010-, 3.612-, 3.8-, 4.416- AS. 219 HAE poly(Gly) 在 垂直 于 螺旋 轴 平 面 上 的 投影 图 。 Be 5-19 给 出 了 它们 的 螺 距 、 相 邻 两 氨基 酸 残 基 的 跑 离 和 每 晶 胞 总 能 量 。 表 5-20 给 出 了 它们 价 带 和 导 带 位 置 、 带 宽 的 比较 。 5-74 A. 3.0t- 螺 旋 体 ， 刀 3.8- 螺 旋 体 ，C。，4.4i- 螺 旋 体 ， 刀 .5.2io- 螺 旋 体 和 至 ， 3.5- 螺旋 体 poly(Gly) 在 与 螺旋 轴 垂 直 的 平面 的 投影 图 。 * 236 ° i YY 二 表 5-19 320,0-33-6;.—,3.8- 404,0-55-2,,-, Rie poly (Gly MRE ARRRAB, 每 唱 胞 总 能 重 有 螺 距 (nm) 相 邻 残 基 间 距 (nm) 单位 唱 胞 总 能 量 (au) 3.0,。- 螺 旋 体 0.600 0.200 一 46.539 3.6:- 螺 旋 体 0.540 0.150 一 46.222 3.8- 螺 旋 体 0.532 0.140 一 46.177 4.4i- 螺 旋 体 0.506 0.115 — 46.234 5.2i- 螺 旋 体 0.594 0.095 一 46.284 表 5-20 3.0,,-,3.6,-,3.8-,4.4,o-， 和 5.2,,- 螺 旋 构 象 poly(Gly) 的 导 带 和 价 带 (单位 ， eV) R 统 带 型 3.0,- 螺 旋 体 n*¥+1 2.503 3.428 0.925 n* —13.278 —11.945 1.333 3.6- 螺 旋 体 n*+1 —1.524 —1.143 0.381 n* —11.755 —11.319 0.436 3.8-SR le n*+1 — 2.503 —1.660 0.843 n* —10.966 —10.421 0.545 4.41- 螺 旋 体 n*+1 —0.707 —0.544 0.136 n* —12.299 —10.530 1.769 5.2io- 螺 旋 体 n*+1 —0.490 0.327 0.817 n*] —12.680 —10.367 2.313 iE: n*Aln*+1 ARAM SH. FE 5-21 3.0,,-,3.6,:-,3.8-,4.4,-,， 和 5.2,,- 螺 旋 构 象 poly(Gly) 的 禁 带 宽度 (单位 ，eV) 未 统 林带 宽度 3.0:,- BR ie 14.448 3.6i:- 螺 旋 体 9.795 3.8-He ek 7.918 44:6 ER he 9.823 5.210- ee lie 9.877 He 5421 是 它们 的 禁 带 比较 。 图 5-75 是 价 导 和 导 带 的 色散 曲线 。 图 5-76 是 它们 的 原子 净 电 荷 。 从 能 带 结 构 表 中 可 以 看 到 ， 与 3.6::- 螺 旋 体 相 比 ,其它 螺 旋 体 的 占有 带 平均 来 说 都 变 宽 了 ， 空 带 则 无 明显 改变 。 这 里 最 引 人 注 意 的 是 价 带 的 变化 。 对 于 5.2,- 螺 旋 ， 价 带宽 比 3 .6,:- 螺 旋 体 增 加 了 1.877eV。 其 它 几 种 价 带 也 有 相当 显著 的 增 宽 ，3.01o-、 3.8- 和 4.41- 螺 旋 体 比 3.6::- ° 237 e 螺旋 体 分 别 增加 了 ~0.897 eV, ~0.109 eVAI~0.1333 eV。 导 带 变化 比较 小 ， 约 改变 0.218 一 0.544eV。 除 3.8- 螺 旋 体 外 ， 其 它 四 种 螺旋 体 的 价 带 都 比 导 带 要 宽 。 从 3.0i- 到 5.2:s- 螺 旋 体 ， 导 带 和 价 带 之 比分 别 约 为 0.69、0.87、1.55、0.35。 因 此 ， 不 管 螺 距 变 大 还 是 变 小 ， 能 带 都 有 显著 的 改变 ， 特 别 是 价 带 。 改 变 后 的 价 带宽 要 比 3.6::- 螺 旋 体 的 约 大 一 个 数量 级 。 因 此 在 价 带 产生 空 穴 时 ， 其 有 效 质 量 也 要 减 小 一 个 数量 ， 这 就 更 易 迁 移 。 这 里 给 出 的 结果 也 说 明 蛋 白质 与 电子 受 体 相互 作用 ， 在 价 带 内 产生 空 穴 ， 能 使 能 量 和 电荷 长 距离 迁移 。 从 表 5-21 可 以 看 出 ， 当 螺 中 增 大 时 (相对 3.6::- 螺 旋 体 而 言 ) ， 禁 带宽 度 变 大 。 当 螺 距 减 小 不 多 时 ， 即 3.8- 螺 旋 体 时 ， 禁 带宽 度 约 减 小 1.877 eV。 这 个 变化 是 相当 大 的 。 但 当 继续 减 小 时 ， 禁 带 宽度 反而 增加 ， 不 过 与 3.6:2- 螺 旋 体 很 接近 ， 仅 相差 0.05 eV, _ E, kk), eV E, (k) eV 一 0 544 UO 一 0 .707 一 10 .530 | a 0 t/2a 1 * 238 * — — le _ —. =“ | AEP ELON POE ee kr 一 -一 | 9 .877cV SEN 图 5-75 4. 3.010-BRiE, B. 3.6:.-Bie, C. 3,.8- 螺 旋 、 D. 4.4:0- Bie ML. 5.21.-Bie poly (Gly) 的 价 带 和 导 带 的 色散 曲线 0 -0.333 Tay: Bi pe ee Bins 2 ge grow lhe A we Dae 0-0.327 048 四 上 Oe 0.384 110.026 > Pe a toe eo Bee i Te \ note H-0.007 HO0.111 Se H 0.116 B GC: © -0.326 O -0,328 | . ~~ €0,328 ee an Er H 0.075 H 0,129 ，H 0.090 H 0.121 D pe . Fal 5-76 A, 3.010- REE B. 36. 2- HR ie C. 3.8 DP jie , D, 4.4.0 Rie ML. 5.2- 螺 旋 poly(Gly) 唱 胞 中 的 原子 净 电 荷 (单位 :au) ° 239 ® 在 五 种 螺旋 体 中 ， 原 子 净 电 荷 都 基本 相同 。 这 表明 它 与 螺 距 的 改变 没有 多 大 关系 。 综 上 所 述 ， 一 方面 螺 距 变化 不 大 时 ， 带 宽 变 化 不 大 ， 但 禁 带 宽度 大 大 减 小 ， 有 可 能 使 蛋白 质 趋向 半导体 ， 另 一 方面 ， 虽 然 螺 距 增 大 或 减 小 很 多 时 ， 禁 带宽 度 都 是 增 大 ， 但 价 带 的 显著 变 宽 使 得 蛋白 质 与 电子 受 体 作 用 时 ， 产 生 的 空 穴 的 迁移 率 可 能 很 大 。 最 后 ， 我 们 讨论 水 对 蛋白 质 能 带 结构 的 影响 。 我 们 只 研究 水 与 肽 平面 上 的 原子 的 相互 作用 ， 而 不 考虑 与 侧 链 原 子 的 相互 作用 ， 并 且 只 研究 水 结合 到 肽 平面 上 不 同 原子 对 蛋白 质 能 带 结构 的 影响 。 计 算 针 对 两 种 水 和 poly(Gly) 作 用 的 复合 体 。 每 个 晶 胞 中 包括 一 个 甘氨酸 残 基 和 一 个 水 分 子 。 水 分 子 与 甘氨酸 残 基 的 相对 位 置 如 图 5-77、5-78 所 示 。 Nat | 0. 2nml 图 5-77 A. poly(Gly-Nat)I, B. poly(Gly-Nat)II, C. poly(Gly-H,0O)I, D. poly(G1y-H:O)II 中 的 离子 或 水 分 子 与 肽 平面 的 几何 关系 -0,250 0.1200 0.1340 ~ 9-112 | I, ne . i cee j 0.08 0.107 oa S670 ine 4 Ho0.132 yy 0.185 B 40.078 | ose -0,344 . Be O 0.0420_0 392 [bo | ao 1008 | 0.129 oo C 0.023 H Hoi 2 Hoo4 Hoo93 图 5-78 A. poly(Gly-Nat)I, B. poly(Gly-Na*)II, C. poly(Gly-H,O)I, D. poly(Gly-H:O)II 的 原子 净 电 荷 ( 单 位 ，a.u.,) 表 5-22 是 它们 的 价 带 和 导 带 的 位 置 、 带 宽 的 比较 。 表 5-23 是 它们 禁 带 宽度 的 比较 。 从 表 中 可 以 看 到 ， 水 与 poly(Gly) 作 用 时 ,与 Nat 的 作用 相 比 ， 对 能 带 的 位 置 影响 不 大 。 as 240。 表 5-22 boly(CGly-Na+)I，poly(Gly-Nat+)II，poly(CGly-H,O)I，poly(CGly-H:O)7II 的 价 带 和 导 带 (分 别 用 nx 和 nm# 十 1 表示 ) (Mfr: eV) ‘3 系 _ poly(Gly-Na*)I n*+1 一 14.884 —14,775 0.109 n* —26.013 —25.305 0.708 poly(Gly-Na*)II n*41 16.516 —16.054 0.462 n* —26.747 一 26.040 0.707 poly(Gly-H,0)I n*+41 0.735 —0.272 0.463 ee he —11.428 —11.129 0.299 poly(Gly-H,O)II n*41 —0.544 0.000 0.544 n* —11.238 —10.612 0.626 表 5-23 poly(Gly-Na‘)I, poly(Gly-Na‘)II, poly(Gly-H.0)I,poly (Gly-H,O) II 禁 带 宽度 (单位 ， eV) 系 poly(Gly-Nat)I poly(Gly-H,O)I poly(Gly-Na*)II poly(Gly-H,0)II 和 Nat 离子 一 样 ， 能 带 结构 的 变化 程度 是 和 水 结合 部 位 有 关 的 。 当 水 结合 到 NH 原子 上 时 ,与 poly(Gly) 相 比 ， 能 带 和 禁 带 的 宽度 改变 都 很 小 ， 价 带宽 减 小 了 21%， 导 带 宽 增加 了 5.5 %， 林带 宽 仅 减 小 了 0.027 eV。 当 水 分 子 与 肽 平面 上 妾 基 的 碳 原子 结合 时 ,改变 要 大 。 与 poly(Gly) 相 比 ， 价 带宽 约 增加 了 一 倍 ， 导 带宽 约 增 加 了 10% ， 楚 带 宽 则 减 小 了 0.353 eV, BALE Ort aS, 此 外 ，poly(Gly-H:O)I 和 poly(Gly-H:O)II Ay BIE LL poly(Gly) 极 性 要 强 。 ARIES 键 形成 。 在 这 两 种 模型 中 ， 主 链 和 水 分 子 之 间 的 电荷 转移 都 很 小 ， 只 有 约 0.015 电 子 电荷 。 综 上 所 述 ， 水 与 poly(Gly) 作 用 在 不 同 程度 上 使 禁 带 变 罕 , 使 蛋白 质 向 半导体 的 范围 变化 . 间 时 。 水 分 子 与 poly(Gly) 作 用 大 都 使 价 带 增 宽 ， 且 价 带 比 导 带宽 。 这 就 表明 蛋白 质 分 子 中 的 空 穴 有 较 大 的 迁移 率 。 这 有 利于 能 量 和 电荷 在 蛋白 质 分 子 中 的 迁移 。 (参考 文献 见 第 6 章 。) e 241° a a 6 酶 作用 机 理 的 量子 生物 学 研究 ” 酶 作为 一 种 蛋白 质 , 具 有 一 般 蛋白 质 的 物理 化 学 性 质 ,特别 是 它 具 有 一 级 结构 .二 级 结构 .三 级 结构 和 四 级 结构 。 然 而 , 酶 又 是 一 类 具有 生物 催化 功能 的 特殊 的 蛋白 质 。 作 为 催化 剂 , 酶 有 下 面 两 个 显著 特点 :1. 具有 很 高 的 催化 效率 。 在 相同 的 条 件 下 , 酶 的 存在 可 以 使 一 个 反应 的 反应 速 度 大 大 加 快 。 拿 一 个 最 简单 的 二 氧化 碳水 合 反 应 来 讲 ,H:O + CO,=H.CO;, 在 生物 体内 该 反应 是 由 碳酸 酝 酶 催化 进行 的 。 如 果 没 有 碳酸 酬 酶 存在 ， 二 氧化 碳 从 生物 体 组 织 到 血液 然后 再 到 肺 泡 的 空气 中 的 反应 ,就 会 很 不 完全 。 碳 酸 酝 酶 的 催化 反应 ,是 目前 已 知 的 最 快 的 酶 的 催化 反应 之 一 。 每 个 酶 分 子 ,在 一 秒 钟 内 可 以 使 十 万 个 二 氧化 碳 分 子 发 生 水 合 反 应 , 酶 的 催化 反应 比 非 酶 反 ”应 要 快 千 万 倍 。 尿 素 被 脲酶 催化 水 解 反 应 比 非 酶 反应 要 快 10 倍 。 表 6-1 是 另外 的 一 些 例 子 。 2. 具有 高 度 的 专 一 性 。 一 般 地 讲 , 酶 具有 两 方面 的 专 一 性 ， 对 于 被 作用 的 反应 物 (又 称 底 物 ) 的 专 一 性 和 对 于 被 催化 反应 的 专 一 性 。 不 同 的 酶 ， 其 专 一 性 程度 颇 不 相同 。 表 6-1 酶 反应 和 非 酶 反应 的 速度 比 | fay 1 但/2 非 栈 TE be 2x 10° EE A Bs 4x 10° 有 -淀粉 酶 3x10" RT Mi — hs 2x10" om, vm 分 别 是 酶 反应 、 非 酶 反应 的 速度 ， 后 者 指 用 酸 、 碱 催化 时 的 值 。 几 十 年 来 ,伴随 着 X 衍射 等 各 种 谱 仪 在 酶 学 中 的 应 用 ,人 们 已 经 积累 了 丰富 的 资料 , 其 中 最 重要 的 结果 是 对 酶 的 活性 部 位 有 了 更 深入 细致 的 了 解 。 在 蛋白 质数 据 库 中 ， 已 贮存 有 几 个 极 其 复杂 的 酶 蛋白 晶体 结构 数据 ， 从 中 我 们 可 以 得 到 活性 部 位 的 几何 构 型 和 其 它 精 细 结 构 信 息 。 ” 另 一 方面 ,量子 化 学 已 发 展 成 为 理解 化 学 反应 机 理 的 有 力 工 具 , 用 半 经 验 的 或 极 小 基 的 从 头 ” 算法 对 20 一 30 个 第 二 周期 元 素 原 子 组 成 的 分 子 进行 量子 化 学 计算 已 是 很 方便 的 事情 了 。 在 研 究 基 元 过 程 时 还 发 展 了 考虑 溶剂 等 环境 效应 在 内 的 种 种 方法 。 作 为 分 子 轨道 法 的 一 种 补充 ， 分 子 力学 亦 获得 了 成 功 。 实验 和 理论 的 进步 使 得 深入 了 解 酶 过 程 成 为 可 能 。 酶 的 量子 生物 学 研究 的 目的 就 是 要 从 电 子 水 平 上 来 说 明 上 述 问题 。 6.1 ”模型 和 方法 化 学 现象 的 理论 研究 需要 适当 的 模型 ， 而 模型 又 必须 建立 在 大 量 的 实验 事实 的 基础 之 上 。 酶 反应 是 一 个 极其 复杂 的 过 程 ， 因 此 构造 一 个 合适 的 模型 所 需要 的 实验 资料 要 比 构造 一 个 化 学 。 242。 了 al Se ee all s-4 SS ee eS ee Se a 到 应 的 模型 多 得 多 。 下 面 ， 我 们 从 方法 论 的 观点 来 讨论 这 个 问题 。 6.1.1 酶 反应 模型 EA, 酶 反应 通常 都 是 用 过 滤 态 理论 来 解释 的 。 这 类 反应 沿 着 反应 途径 的 标准 Gibbs 自由 能 AG" 的 典型 变化 如 图 6-1 所 示 。 酶 反应 的 一 个 重要 特征 是 在 反应 的 第 一 阶段 生 成 酶 - 底 物 配 售 物 。 这 个 配合 物 的 稳定 性 是 由 于 酶 和 底 物 间 的 非 共 价 相互 作用 ( 氢 键 、 范 德 华 力 等 ) 所 造成 的 。 酶 - 底 物 配合 物 的 生成 已 由 实验 证 实 ,但 在 绝 大 多 数 情 形 ， 最 终 反 应 产物 并 不 是 经 过 一 个 简 单 的 基 元 反应 步骤 由 酶 - 底 物 配合 物 生成 的 。 例 如 ,丝氨酸 酶 对 肽 键 的 裂解 要 经 过 几 个 相对 稳定 的 中 间 产 物 , 这 些 中 间 产 物 将 加 速 整 个 酶 反应 过 程 。 动 力学 实验 .X 衍射 和 其 它 结构 研 究 都 证 实 了 这 些 中 间 物 的 存在 。 图 6-1 沿 着 反应 途径 标准 Gibbs 自由 能 变化 实 线 为 丝氨酸 蛋白 酶 的 反应 途径 ， 虚 线 表 示 气 相 中 相似 反应 酶 蛋白 一 般 由 200 个 以 上 的 氨基 酸 残 基 构 成 。 也 就 是 说 ， 每 个 酶 蛋 白 由 约 3 500 个 原子 和 药 15000 个 电子 组 成 。 并 已 知道 , 酶 的 催化 作用 仅 发 生 在 酶 分 子 上 的 一 小 部 分 区 域 ， 且 只 有 极 少数 原子 直接 参与 催化 过 程 。. 这 个 一 小 部 分 区 域 就 叫做 话 性 部 位 。 活 性 部 位 是 有 三 维 结构 的 。 没 有 酶 的 二 级 、 三 级 结构 就 不 可 能 构成 有 效 的 医 性 部 位 ,因为 活性 部 位 起 作用 的 基 团 并 不 是 由 一 级 结构 相近 邻 的 氨基 酸 提 供 , 如 c- 糜 蛋白酶 ,丝氨酸 -189, 丝 氨 酸 -190, FE A B-191, PRA -192 ,甘氨酸 -193 ,天 冬 氨 酸 -194, 纺 氨 酸 -213, 丝 氨 酸 -214, 色 氛 . 酸 -215, 甘 氨 酸 -216 ， 丝 氢 酸 -217, 丝 氨 酸 -218 , 苏 氨 酸 -219, 半 胱 氨 酸 -220, 它 们 在 一 级 结构 中 并 不 紧 挨 ， 然 而 由 于 多 肽 链 的 折 和 县 ,它们 在 三 维 空间 中 靠 得 很 紧 , 并 作为 一 个 整体 起 作用 ,构成 了 c- 麻 蛋白 酶 的 活性 部 位 。 活 性 部 位 处 在 酶 分 子 表面 的 一 个 裂 钴 内 ， 在 那里 存在 着 可 以 和 底 物 结合 、 使 底 物 起 催化 反应 的 基 图 。 结 合 基 团 的 总 和 叫 结合 部 位 ,催化 基 团 的 总 和 叫 催化 部 位 。 在 c- 订 蛋白酶 中 , 丝 氮 酸 -195 的 羟基 .组 氨 酸 -57 的 咪唑 基 和 天 冬 氨 酸 -102 的 羧基 形成 了 催化 部 位 , 称 为 催化 三 价 基 (catalyt- ic triad), 它 是 活性 部 位 的 中 心机 构 。 而 其 它 侧 链 在 酶 - 底 物 配合 物 的 稳定 和 甚 它 中 间 态 的 稳定 申 起 了 很 大 的 作用 。 活 性 部 位 是 高 度 水 化 的 ,在 其 周围 可 以 找到 离子 对 。 应 该 指出 ,活性 部 位 、 ”243。 用 结合 部 位 、 催 化 部 位 是 为 讨论 酶 的 作用 机 制 的 方便 才 把 它们 抽象 出 来 的 。 实 际 上 ,它们 是 和 整个 酶 分 子 不 可 分 的 。 酶 的 其 它 部 位 对 催化 作用 和 调节 作用 、 免 疫 作用 、 维 持 一 定 空间 结构 等 方面 都 有 很 重要 的 作用 。 研究 实践 表明 ,要 用 理论 计算 来 定量 描述 酶 的 催化 过 程 ,恰当 设计 活性 部 位 模型 是 第 一 重要 的 。 为 此 ,必须 要 有 民 衍 射 结 构 数据 。 另 外 ,必须 将 催化 部 位 从 活性 部 位 中 抽 提 出 来 。 最 流行 的 方法 是 把 活性 部 位 分 成 两 部 分 ,第 一 部 分 为 直接 参与 催化 过 程 的 中 心机 构 , 它 们 参与 键 的 生成 和 断裂 。 例 如 ,在 c- 麻 蛋白 酶 中 ， 这 些 原子 就 是 前 面 提 到 过 的 催化 三 价 基 。 在 量子 化 学 从 头 计 算 中 为 使 计算 更 为 方便 ,又 用 乙醇 或 甲醇 代替 丝氨酸 ,用 咪唑 代替 组 氨 酸 ， 用 乙酸 或 甲酸 代替 天 冬 氨 酸 。 活 性 部 位 或 酶 的 其 它 部 分 可 考虑 为 环境 。 环 境 可 用 分 子 力学 或 简单 的 量子 化 学 方法 来 处 理 。 早 期 的 工作 只 独立 考察 中 心机 构 的 作用 ， 而 对 在 催化 过 程 中 对 酶 与 底 物 结合 的 位 置 和 取向 起 作用 的 环境 的 影响 仅 通 过 间接 方式 引入 。 水 化 可 以 通过 结构 模型 或 连续 模型 来 模拟 ， 离 子 对 则 可 用 点 电荷 模型 。 水 化 效应 和 离子 对 效应 模拟 的 关键 是 活性 部 位 水 分 子 和 离子 对 的 个 数 及 位 置 的 确定 。 由 于 实验 对 水 化 只 能 提供 有 限 的 信息 ,必须 从 理论 角度 来 构造 水 化 层 。 最 简单 的 是 仅 应 用 化 学 知识 , 即 带 有 孤 对 电子 的 原子 (N, Off S) 和 水 分 子 中 的 O—H BES ,酸性 的 和 一 H(X=N、.O.S 和 C) 和 氧 的 孤 对 电子 相互 作 用 。 虽 然 键 合 作用 强烈 的 离子 对 的 位 置 用 X 衍 射 可 以 定 出 ,但 酶 在 发 挥 催化 功能 时 ,这 些 离子 对 是 否 仍然 在 生物 系统 中 、 它 们 的 变化 情况 等 还 没有 最 后 从 实验 上 得 到 证 实 。 为 了 查 明 酶 环境 的 作用 ， 通 常 要 把 酶 反应 和 溶液 中 相似 的 化 学 反应 比较 。 但 对 酶 催化 部 位 的 中 心机 构 进行 量子 化 学 计算 所 用 的 模型 是 气相 中 的 情形 ( 即 气相 模型 ) ， 因 此 简单 对 比 会 引出 错误 的 结论 。 为 了 避免 这 类 错误 ， 必 须 同时 对 酶 反应 和 溶液 中 化 学 反应 的 环境 影响 都 进行 模拟 计算 。 在 计算 时 ,要 保持 模型 的 一 致 性 。 也 就 是 说 ,车 酶 只 考虑 第 一 水 化 层 ， 相 应 的 化 学 反应 也 只 要 考虑 第 一 水 化 层 就 够 了 。 6.1.2 催化 部 位 的 分 子 轨道 计算 前 面 提 及 的 催化 部 位 的 中 心机 构 指 的 是 酶 骨架 和 侧 链 中 这 样 一 些 原子 的 集合 ， 它 们 在 反应 。 过 程 中 直接 参与 键 的 生成 和 断裂 。 这 个 原子 集合 可 以 用 象 水 、 甲 酸 和 咪唑 这 样 一 类 极其 简单 的 “ 分 子 作为 模型 。 即 使 如 此 ,这 样 的 模型 至 少 也 得 包含 15~20 个 原子 或 60 一 80 个 电子 。 由 于 计 算 机 的 发 展 ， 已 有 不 少 人 用 从 头 计 算法 来 处 理 它 们 了 。 表 6-2 总 结 了 这 方面 的 一 些 工 作 。 前 面 已 经 说 过 , 酶 催化 过 程 一 般 用 过 渡 态 理论 来 描述 ,因此 必须 对 反应 体系 的 位 能 面 有 所 了 解 。 也 就 是 说 ,至 少 要 对 反应 体系 的 几何 构 型 进行 优化 。 为 控制 工作 量 , 对 不 同 的 对 象 所 需 优 化 的 几何 构 型 参数 是 不 同 的， 优化 参数 需 精心 选择 。 特别 值得 一 提 的 是 ,模型 和 方法 必须 匹配 。 例 如 ,车 不 考虑 环境 效应 ， 那 么 即使 对 催化 部 位 中 心机 构 的 气相 模型 作 最 精确 的 从 头 算 , 对 酶 的 催化 过 程 也 是 得 不 出 什么 深刻 结论 的 。 另 外 ,还 必须 考虑 从 某 种 分 子 轨 道理 论 所 算得 的 物理 量 是 否 精确 到 能 取代 或 解释 实验 事实 。 理 论 描 述 酶 反应 最 常用 并 且 也 是 最 重要 的 性 质 是 :1. 过 滤 态 (位 能 面 中 的 局 部 极 小 值 ) 之 间 的 能 量 差 ;2， 决 定 基 元 反应 步骤 速率 的 活化 能 ;3. 为 考察 环境 效应 和 反应 性 所 需 的 电荷 分 布 情况 ;4. 分 子 构 ° 2446 > 1 表 6-2 ”用 分 子 轨道 理论 研究 酶 的 例子 方 法 基 组 蛋 A OR 模 型 ab initio ME AINE BBs MeSH. .Im...HCHO5I3 ab initio 4-31G 丝氨酸 和 蛋白酶 MeOH: --Im--»HCOOH*!# ab initio STO-4G ”羧基 肽 酶 对 Zn 取 STO-4G +3@& 二 4D | Zn(OH)(NH,),*?” ab initio STO-3G Z— RMI MeCOCH(OH)SMe**23 PRDDO 极 小 基 ”丝氨酸 蛋白 酶 HNCHO...MeOH...Im:..HCOOHc24 MINDO/3 极 小 基 Mis P 450 ' CH, 或 C, H,+0%*#? CNDO/2 极 小 基 a- 靡 蛋白酶 MeOH: --S-++Me+++Im++»-MeCOOH"3 象 。 反应 中 间 态 和 产物 之 间 的 能 量 差 的 计算 是 计算 量子 化 学 的 中 心 问题 。 若 原子 环境 和 电子 对 的 数目 在 反应 过 程 中 是 守恒 的 ,例如 质子 化 ,相关 能 效应 是 很 小 的 。 双 上 加 极 化 基 组 所 产生 的 Hartree-Fock 极限 为 5 一 10kJ/mol, 而 4-31G 基 组 的 误差 在 土 80kJ/mol。 例 如 ,甲酸 阴离子 的 实验 质子 化 能 是 一 1430kJ/mol, 用 4-31G 得 到 的 值 为 一 1488kJ/mol。 遗 城 的 是 在 酶 反应 中 ,对 质子 转移 反应 ,要 想 获得 如 上 所 述 的 好 结果 是 很 困难 的 ,除非 用 双 上 加 极 化 基 。 然 而 酶 催化 中 心 机 构 模型 含有 50~60 个 电子 ,要 做 如 此 复杂 的 计算 并 不 是 件 容 易 的 事情 。 如 果 用 4-31G 基 的 ” 话 , 那 么 由 于 电荷 分 布 的 计算 不 够 正确 ,所 获得 的 相互 作用 能 就 不 可 靠 。 为 了 得 到 正确 的 质子 转 ” 移 能 ,必须 根据 实验 数据 对 计算 值 作 适 当 的 修正 。 例 如 ,对 丝氨酸 类 蛋白 酶 中 心机 构 中 的 质子 化 咪唑 基 - 甲 酸 阴离子 部 分 ,就 是 采用 4-31G 基 来 计算 其 质子 化 能 而 用 STO-3G 极 小 基 结 合 基于 实验 数据 的 适当 修正 来 估计 咪唑 和 甲酸 间 的 相互 作用 能 的 。 者 在 反应 过 程 中 ,电子 对 的 数目 和 环境 发 生 了 变化 ,例如 :HCN +3H:>CH,+NH: 或 H:O> OH + 互 " ,相关 能 就 极其 重要 了 。 由 于 催化 部 位 的 中 心机 构 还 是 比较 大 的 ， 目 前 要 对 它们 做 相 关 能 计算 还 是 不 现实 的 。 在 这 种 情形 下 ,可 做 MINDO 系 列 的 计算 (MINDO/3, MNDO,MND- OC)。 尽 管 这 些 方法 的 近似 性 和 适应 性 尚 在 讨论 之 中 ,它们 毕竟 已 在 几 个 酶 的 研 究 中 获得 了 成 功 。 极 小 基 的 从 头 算 和 各 种 半 经 验 量 子 化 学 方法 (CNDO/2、EHMO 等 ) 有 它们 的 缺点 , 但 是 只 要 我 们 把 计算 结果 跟 恰当 的 实验 联系 起 来 ， 还 是 能 从 理论 和 实验 的 对 比 中 得 到 一 些 基本 的 靠 得 住 的 信息 的 。 最 典型 的 例子 之 一 是 Kitayama 和 Fukutome 对 丝氨酸 蛋白酶 中 组 氨 酸 碱 性 的 讨 or Pt. “活化 能 定量 的 计算 需要 考虑 相关 效应 和 用 大 基 组 。 这 只 对 不 超过 15~20 个 电子 的 模型 是 可 实现 的 ,在 某 些 情 形 MINDO 可 获 成 功 。 由 于 酶 反应 的 复杂 性 ， 基 元 反应 步骤 (系统 从 其 势能 面 的 一 个 极 小 点 运动 到 另 一 极 小 点 ) ,只 有 在 极 少数 情形 下 才 被 研究 过 。 一 般 ， 实 验 测 得 的 反应 是 速率 涉及 到 若干 个 基 元 反应 ， 因 此 要 将 理论 活化 能 和 实验 结果 比较 是 很 困难 的 。 从 这 种 意义 上 来 讲 ， 酶 反应 理论 研究 中 活化 能 的 计算 还 不 算 最 棘手 的 问题 。 电荷 分 布 最 好 从 CNDO/2 和 从 头 算 STO-3G 基 获得 ,而 4-31G 虽 然 基 组 比 STO-3G 大 ， 但 © 245。 an Bl 在 电荷 分 布 上 的 结果 却 不 好 。 分 子 构 型 用 STO-3G 也 能 得 到 满意 的 结果 ， 只 是 与 所 键 合 的 键 长 不 够 理想 。CNDO/2 也 能 得 到 分 子 构 型 较 好 的 结果 , 但 气 键 键 长 的 计算 值 也 不 理想 ( 偏 短 ) 。 总 之 ,对 分 子 不 同 的 性 质 ,为 了 得 到 同等 程度 的 可 靠 性 ， 需 用 不 同 的 方法 。 在 酶 反应 理论 研 究 中 为 了 得 到 最 大 的 成 功 , 在 对 理论 和 实验 进行 细致 的 比较 和 分 析 时 ,往往 需 采 用 各 种 不 同 的 计 算 方 法 。 6.1.3 分 子 力学 计算 分 子 力学 的 基础 是 该 方法 认为 化 学 键 性 质 在 某 些 类 型 的 分 子 内 具有 迁移 性 。 在 分 子 位 能 面 局 部 极 小 点 附近 ， 势 能 函数 总 可 以 近似 地 表 为 一 些 简单 的 解析 函 数 的 和 的 形式 。 函 数 的 形式 及 其 中 的 参数 可 根据 与 实验 数据 ,如 平衡 键 长 . 键 角 、 振 动 频率 、 旋 转 势 垒 等 的 拟 合 而 得 到 。 分 子 力 学 可 以 看 作 是 一 种 内 插 靶 。 只 要 用 得 适当 ， 分 子 力 学 可 以 对 象 酶 反应 这 样 大 的 系统 获得 相当 精 确 的 结果 。 目 前 ， 已 经 有 了 几 套 用 于 计算 酶 的 结构 和 酶 - 底 物 配合 物 结构 的 分 子 力学 参数 。 表 6-3 是 将 分 子 力 学 方法 用 于 酶 的 研究 的 部 分 工作 。 表 6-3 分子 力 学 在 酶 学 中 的 应 用 例子 | it 算 目的 a - 靡 蛋白 酶 底 物 专 一 性 5 木瓜 蛋白 本 环境 对 催化 反应 的 影响 ci ie 抑制 剂 和 底 物 与 活性 部 位 结合 的 优势 构象 carea7bz 水 化 53,74 委 反应 中 间 物 稳定 性 研究 2 分 子 力学 研究 能 帮助 我 们 回答 酶 和 底 物 如 何 相 对 取向 、 酶 和 底 物 构象 如 何 变化 其 间 的 相互 作用 最 大 等 问题 。 分 子 力 学 方法 还 可 跟 量 子 化 学 方法 结合 来 研 究 蛋白 质 环 境 对 酶 催化 过 程 的 影响 。 分 子 力学 计算 的 最 大 优点 是 它 的 简单 性 和 有 效 性 。 用 该 方法 能 对 所 研究 对 象 作 整体 优化 。 势 参数 选择 好 的 话 ， 该 方法 可 达 2kJ/mol 的 精度 。 其 缺点 是 势 参数 确定 有 任意 性 ,对 同一 问题 往往 有 多 套 参 数 可 供用 ， 因 此 用 不 同 参数 对 同一 系统 的 计算 ,是 很 难 加 以 比较 的 。 6.1.4 轨道 取 吕 、 轨 道 对 称 性 和 稳定 能 继 提 出 酶 反应 中 邻近 效应 和 定向 效应 (orientation effort) 的 重要 性 ，Koshland 又 提出 . 了 轨道 取向 (orbital steering) 的 概念 。 就 是 说 ,从 图 6-2 (1) 的 邻近 效 应 和 定向 效应 都 没有 的 状态 变化 为 具有 邻近 效应 但 无 定向 效应 的 状态 ， 只 有 进一步 到 达 具 备 邻 近 效 应 和 定向 效应 时 才 能 起 反应 。 图 6-3 表示 了 图 6-2 (3) 的 状态 中 活性 中 心 和 底 物 反应 位 置 的 原子 轨道 取向 模式 图 。 Koshland 认为 在 酶 反应 中 由 于 进行 了 高 效 的 轨道 取向 产生 了 反应 加 速 。 c- 靡 蛋白酶 反应 时 ,丝氨酸 195 的 OH 基 解 离 成 一 9 FE“ Bea” RD RAL, Fe Bw "246。 段 是 反应 速度 的 限制 步 叉 ， 因 而 取决 于 一 0 - 基 和 妆 基 矶 位 置 电子 轨道 重 友 的 系统 的 稳定 性 ,这 可 用 轨道 重 氨 的 程度 引起 系统 总 能 量 的 变化 来 加 以 考察 ,结果 见 图 6-4 。 随 着 轨道 取向 变 坏 ,能 量 急剧 变化 ,显示 出 轨道 取向 效应 的 重要 性 。 (1) (2) (3) 图 6-2 (1) 无 邻近 、 定 向 效应 ; (2) 有 邻近 效应 ， 图 6-3， 酶 活性 中 心 与 底 物 反 应 基 团 之 间 无 定向 效应 ; (3) 有 邻近 、 定 向 效应 的 轨道 取向 表 6-4 中 一 系列 化 合 物 酯 化 的 例子 也 说 明 当 罗 道 取向 越 正确 时 反应 速度 越 大 〈 反 应 时 参与 反应 的 原子 固定 在 一 定 的 立体 位 置 ) ， 表 6-4 各 种 化 合 物 酯 化 速度 比 (以 乙酸 和 乙醇 的 酯 化 速度 为 1) a COOH COOH CH,COOH ate Ces COOH H ‘ CHOH COOH 速度 比 1 79 305 6630 1 027 000 ~——_—_ —- _ 品 - R 2 一 全 一 全 一 pee 一 全 一 全 一 H, (U @ 0; 6-4 o-RER ARTA (Ser-195) 和 底 A 6-5 有 关 酶 的 电子 移动 模式 图 物 闪 基 碳 电子 轨道 的 关系 1 一 轨 关 取向 位 置 ; 2 一 移动 16?42 的 位 置 es 247。 = —— i ee oa Ferreira 应 用 轨道 对 称 性 的 设想 来 解释 酶 反应 机 制 ,提出 了 一 些 颇 有 意义 的 想法 。 假定 酶 的 一 个 活性 位 置 〈 记 为 1 ) 的 最 低空 轨道 具有 Hs 的 最 高 被 占 轨 道 相同 的 对 称 性 。 紧 靠 旁边 的 另 一 个 活性 位 置 〈 记 为 2 ) 的 最 高 被 占 轨道 和 9; 的 最 低空 轨道 具有 相同 的 对 称 性 ， 图 6-5 。 这 样 ,电子 从 A, 的 最 高 被 占 轨道 向 活性 位 置 1 的 最 低空 轨道 流动 ,从 第 2 活性 位 置 的 最 高 被 占 轨 道 流向 O. 的 最 低空 轨道 。 这 种 电子 从 活 性 位 置 1 向 2 流动 的 电子 回路 从 能 带 来 看 是 一 个 封 闲 回路 ,结果 生成 2H+ 和 (0O 一 0):- 离 子 , 因 为 是 离子 间 的 反应 ,从 能 量 来 讲 反 应 容易 进 行 。 从 轨道 对 称 性 来 看 ,因为 电子 从 (O 一 0):- 的 = 轨道 向 2H+ 的 1s 轨道 移动 ,aixmiw， 所 以 是 对 称 性 容许 反应 。 从 图 6-6 中 的 H, + O,>H,0, 的 轨道 相关 图 也 能 够 很 容易 地 解释 上述 反 Bi, Ferreira 用 完全 相同 的 想法 首先 指出 乳 清 酸 核 苷 -5' 一 磷酸 一 焦 磷 酸化 酶 切断 乳 清 酸 离子 的 N 一 再 键 和 PRPP( 磷 酸 核糖 焦 磷 酸 ) 的 C—O 键 , 是 由 于 底 物 和 酶 的 活性 中 心 之 间 的 电子 移 动 从 对 称 性 禁止 变 成 对 称 性 容许 。 oe H H 0 一 0 o—O V V 了 4 om 0 0 1sA C, oS 反应 物 生成 物 Is (人 GD) b: x 他 b, ; nS 二 A . CE pa it -0-0 图 6-6 A, H.+0,— >H,0, 的 模式 图 五 ，H: 和 OO. RB, REPLI ART PRE C. H,+0O,—>H.,0, 的 轨道 相关 图 1s，z 49H H., O. HAM, o, oH 0 一 Ha 键 的 成 键 、 反刍 轨道; S，A 是 对 了 一 吾 ，O 一 0 的 中 忌 线 呈 镜 面 对 称 的 对 称 性 因此 ,可 以 认为 酶 的 作用 在 于 通过 底 物 和 它 之 间 的 电子 移动 ,导向 对 称 性 有 利 的 方向 ， 这 很 可 能 是 研究 酶 反应 的 一 种 贷 有 兴趣 的 工作 设想 。 只 是 在 象 c- 魔 蛋白酶 等 以 酰 化 化 合 DAP 体 的 酶 ， 轨 道 对 称 性 分 析 不 能 简单 照搬 。 但 是 即使 在 这 种 情况 下 ,要 是 考虑 到 轨道 对 称 性 容许 ， 反应 分 子 和 被 反应 分 子 轨道 大 量 重 迭 这 一 点 ， 生 成 酰 化 中 间 物 时 酶 的 活性 基 团 和 底 物 反应 位 置 轨道 重 迭 也 是 很 大 的 ,就 是 说 不 是 别 的 正 是 显示 出 轨道 取向 的 重要 性 。 在 这 种 意义 上 ,轨道 对 称 性 的 设想 和 轨道 取向 的 设想 基本 上 是 同一 的 东西 。 稳定 能 是 两 个 系统 相互 作用 产生 的 能 ， 它 一 般 使 系统 趋 于 稳定 。 稳 定 能 中 起 作用 的 力 有 静 电 相 互 作 用 ， 范 德 华 力 等 种 种 ,但 是 在 酶 反 应 中 具有 最 重要 意义 的 是 非 定 域 能 (delocalization 。 248。 hs energy), 所 谓 非 定 域 能 是 因为 分 子 间 或 分 子 内 电子 移动 产生 的 能 量 ， 所 以 在 过 渡 状 态 附 近 试 剂 和 Fei C—O 底 物 之 间 产 生 电子 移动 时 ， 非 定 域 能 使 系统 稳 EC” 1 y 8 定 ， 造 成 活化 能 降低 。 这 个 理论 指数 在 有 机 反 A 应 机 制 的 分 析 中 另 有 极为 重要 的 地 位 ， 在 生物 ai 9 @ 体 反 应 中 也 趋向 于 广 为 应 用 。 下 面 举 几 个 例子 ¢ H ia | 离子 部 分 SASHA 图 6-7 是 胆 碱 酯 酶 水 解 反 应 的 模型 ， 表 AS BARESS 6-5 ee eh EE AS BA UE AE is JR dH BH 模式 的 非 定 域 能 ， 计 算 与 相应 的 实测 活化 烩 符 图 6-7 胆 碱 酯 梅 和 底 物 闻 的 电子 移动 合 得 很 好 。 表 6-5 伴随 酶 -~ 底 物 间 电子 移动 的 非 定 域 能 〈ie) 和 活化 烩 (CA 已 *) 的 比较 底 物 Ckcal/mol) i oe bed ed ners = H.C) N+—CH,—CH,—O—C am 14~19 一 0.379 0 cm-cm-o-cC 9.5 —0.370 —0.664 eNO eH 0— CE 8 —0. 370 —0.748 Na otic -oo-cC 6.7~8 —0.370 —0.857 Re geeeaeeererroorrerereee PARK, HACeAH, KPAMARA, MIeABh. 溶菌 酶 表面 上 有 细 长 的 沟 ( 称 为 全 ,B,C,D,E,EF) ,这 里 是 与 底 物 结合 的 地 方 。 键 的 切断 有 专 一 性 ，N- 乙 酰 葡 萄 糖 胺 (NAG) FI N=- 乙 酰 甘 露 糖 胺 (NAM) 交 叉 排 列 的 共 聚 物 或 N-CRA | 糖 胺 的 聚合 物 在 第 4 和 第 5 个 糖 环 之 间 被 切断 (图 6-8 )。 反 应 时 底 物 的 第 4 个 NAM 和 酶 的 D NAM NAG 3 NHCOCH (CH,OH 7 -0 (6) { OOO SEM of, Ot | . 2 SEOH |” _NHcocH, Tr» 7 CH,CHCOOH ' fl maf] rrr fl ry TT ry ITO 7, 7, A B Cc D E F 图 6-8 溶菌 酶 和 底 物 的 相对 位 置 * 249 © 位 置 结 合 ， 糖 环 从 稳定 的 椅子 型 变 为 不 稳定 的 半 椅 子 型 , 氧 原子 (0.) 和 和 谷 氮 酸 35 的 互 成 气 键 配对 ,其 间距 为 0.2 nm。 谷 氮 酸 35 在 这 里 起 了 一 般 酶 催化 剂 的 作用 ,限制 反应 速度 的 是 C: 一 0 间 键 的 切断 和 正 碳 离子 的 生成 阶段 。 采用 推广 的 Huckel 法 ， 用 图 6-9 所 示 模 型 (用 甲酸 代 趟 谷 所 酸 35 ,二 甲 氧 基 Ge RAR 物 ), 可 得 如 下 结果 : BE C.—O, 键 切断 的 活化 能 没有 酶 时 为 4.86eV, 有 酶 时 为 4.35eV。 这 相 当 于 产生 0.51 eV 稳定 能 ,得 到 4x 10° 倍 的 加 速 ,如 图 6-10 。 OF, | 甲酸 O 起 始 系统 0.143nmo £0N 4) CH CH 3 7O ae : Q sg RS CH; Q: 0.20 0.25 0.30 0.35 aTRR 0 | “Ne Ci HC CH, 1 一 Og 间 距离 my) 图 6-9 用 模型 作 的 溶菌 反应 机 制图 图 6-10 切断 糖苷 键 的 位 能 曲线 0.143 nm #7] 0.41 nm 之 间 以 0.20,0.225,0.25， 0.28,0.31,0.36nm 的 距离 计算 了 能 量 画 出 势能 Loew 等 用 推广 的 Hickel 方法 计算 了 这 个 限制 速度 阶段 的 活化 能 ,估计 了 酶 的 存在 对 稳定 能 的 作用 。 计 算 模 型 如 图 6-9。 计 算 结 果 表 明 Ci 一 0, 键 切 断 的 活化 能 没有 酶 时 为 4.86 eV, 有 酶 时 为 4.35 eV ,产生 0.51 eV 稳定 能 (图 6-11) ,这 相当 于 4x 10° 倍加 速 。 图 6-11 是 对 c- 麻 蛋白 酶 的 计算 。 不 考虑 有 非 定 域 能 的 计算 活化 能 (虚线 表示 ) 较 之 考虑 的 情况 ( 实 线 ) 要 高 约 2 eV ,可 以 看 出 在 反应 的 加 速 中 非 定 域 能 的 作用 。 6.1.5 环境 的 模拟 众所周知 ,化 学 反应 或 多 或 少 总 是 受 环境 .其 发 生 处 介质 的 影响 ,人 们 已 经 提出 了 几 种 考 上 处 环境 影响 的 理论 方案 。 早 在 1935 年 Stern 强调 过 在 具有 极 性 的 酶 - 底 物 络 合 物 的 空位 中 能 产生 偶 极 ,， 该 偶 极 所 造 成 的 静电 场 是 非常 重要 的 。Yomosa 在 1967 年 对 酶 催化 过 程 中 静电 场 的 作用 作 过 更 明确 的 讨 论 。 而 第 一 次 定量 计算 则 是 在 1972 年 由 Johannin 和 Kellersohn 完成 的 。 他 们 所 用 的 点 电荷 模型 是 由 蛋白 质 肽 基 的 所 有 原子 所 组 成 的 。 对 许多 酶 中 存在 的 c- 螺 旋 也 做 过 此 类 计算 。Hayes ” fil Kollman 在 对 羧 肽 酶 A 的 模型 计算 时 还 考虑 了 侧 链 原子 ,他 们 指出 了 在 酶 反应 中 的 靠近 催 化 部 位 中 心机 构 的 带电 基 团 的 重要 性 。 他 们 所 用 的 分 子 点 电荷 数据 是 从 STO-3 G 或 4-31G 基 组 中 得 到 的 。 对 硫酸 酝 酶 的 计算 表明 这 种 分 子 内 静电 场 对 它 的 反应 活性 有 很 大 的 影响 。 近 来 ， © 250。， 人 Asp-102 B xe His-—57 A Bee N N- BI SN we. Ser-195 SS OG en, oa te oan a 7 CH, CH, mw oO 把 AN cH 0 D :一 一 SEE CH Eo NH a Waa eee CH;-§ Ss G o-CH,- CH, fae e Nc" : CH; LE cH, 0 Hy \o-H:-N — N 一 HR SS ao-cH HO 3 x. 天 4 eV 一 9998.0 ine Pea 这 — 5999.0 4 \ / : 1 1 ! { ¢ ! 1 J 1 】 1 | 1 一 6000 i ; 1 \ ‘ i 上 I \ / A’ B.C. D°E-R'G H -}b* J K B 图 6-11 A, a- EA A Pag OL hl 卫 . 考 虑 非 定 域 能 ( 实 线 ) 和 不 考虑 (虚线 ) 情 况 下 c- 摩 蛋白酶 位 能 曲线 又 有 人 对 枯草 杆菌 蛋白 酶 的 催化 三 价 基 的 周围 静电 势 作 了 计算 ,如 图 6-12 所 示 。 另外 , 在 小 的 模型 分 子 计算 基础 上 ,Scrocco 和 Tomasi 将 势 函数 表示 为 具有 可 转移 性 化 学 键 的 贡献 之 和 , 该 * 251 ¢ 10 20 30 40 图 6-12 枯草 杆菌 蛋白 酶 催化 三 价 基 分 子 静电 势 (kJ/mol) 方法 不 仅 简 化 了 计算 而 且 能 得 到 很 好 的 计算 结果 。 -为 了 得 到 环境 对 酶 反应 影响 更 逼真 的 摘 述 ,可 以 将 整个 反应 系统 分 为 催化 部 位 和 环境 两 部 分 。 对 这 两 部 分 用 不 同 的 计算 方法 来 处 理 。 反 应 的 总 的 能 量变 化 可 表示 为 AE =AE,+AE heny + AE env (6.1) 其 中 AE, 代表 和 催化 部 位 中 心机 构 所 对 应 的 气相 模型 的 能 量变 化 , 它 可 用 半 经 验 式 从 头 算计 Fi, AB cjeay 代表 催化 中 心机 构 和 环境 的 相互 作用 ;A 五 ,。, 表示 环境 的 能 量变 化 。 A 五 Jov 又 可 表示 为 AE jeny=O XLV (Lm) Iem—Vil Lm) Gim] (6.2) FOP V (tm) RRA ETA Im Hm TAFE ETERS, Poe f Mi Rm AAs. 2 为 介 电 常 数 。 若 仅 考 虑 第 一 水 化 层 , 由 于 水 和 被 水 化 系统 间 为 真空 , 取 值 为 1, 而 对 蛋白 质 骨 架 来 讲 ,e 的 范围 从 1.36 至 4.0。 求 和 包括 气相 模型 的 所 有 原子 , 它们 是 从 酶 中 切割 出 ”来 的 ,但 在 对 A 一 .进行 计算 时 , 断 键 处 由 氨 原 子 饱 和 。 例 如 ,在 丝氨酸 侧 链 的 情形 ， 上述 方 程 中 的 模型 包括 一 CH: 一 OH, 但 在 分 子 轨 道 计算 时 是 对 甲醇 CH: 一 OH TR, BV ALA SF 模型 得 到 ,也 可 由 其 他 方法 得 到 , 如 前 面 提 过 的 Scrocco 方法 。 更 精确 的 方法 是 在 气相 模型 的 哈密 顿 量 中 加 上 包括 环境 静电 势 势能 项 。 该 方法 相当 于 考 卡 由 于 环境 所 引起 的 催化 中 心机 构 原 子 的 电荷 分 布 的 极 化 。 但 该 方法 没 能 考虑 由 催化 基 团 、 He eT 转移 和 交换 等 造成 的 对 蛋白 质 骨 架 的 反 极 化 作用 。Hayes 和 Kollman 指出 并 非 蛋 白质 核 原 子 的 所 有 部 分 电荷 都 是 重要 的 ,只 有 赖 氮 酸 的 NHS 和 天 冬 氮 酸 的 COO- 以 及 催化 中 心机 构 1.5nm 以 内 的 那些 带电 基 团 是 重要 的 ,其 余 的 全 可 以 略 去 。Van Duijnen 等 在 讨论 木瓜 蛋白 酶 时 ,只 考虑 催化 中 心机 构 附 近 的 c- 螺 旋 所 产生 的 静电 场 的 影响 。 他 们 指出 gc- 螺旋 造成 的 影响 随 螺 旋 的 增长 而 加 强 。 但 当 xc- 螺旋 长 度 超过 1.0 nm 后 ,其 影响 就 不 再 随 螺旋 长 度 的 增长 而 加 强 了 。 Tapia 等 在 气相 模型 的 哈密 顿 量 中 不 仅 包 括 了 环境 的 静电 势 项 ,还 加 了 反应 场 项 。 这 样 就 进一步 考虑 了 由 气相 模型 所 产生 的 蛋白 质 核 的 极 化 。 他 们 的 研究 表明 ,对 肝 乙醇 脱 氢 酶 的 质子 重 ” 转移 系统 来 讲 , 该 项 是 非常 重要 的 , 约 有 100~300 kJ/mol, 在 研究 溶菌 酶 时 , Warshel 和 Levitt 在 根据 式 6.2 计算 至 .je, 时 ,除了 考虑 静电 效应 和 极 化 © 252。 项 外 ,还 考虑 范 德 华 项 。 计 算 表 明 ,它们 对 反应 平衡 的 影响 不 大 ,而 电荷 -电荷 , 极 化 相互 作用 的 影响 起 决定 性 作用 。 在 计算 A 双 ,。 时 ,他 们 用 的 是 由 Levitt 提出 的 经 验方 法 。 他 们 还 研究 了 ab 态 和 过 滤 态 构象 中 的 应 变 效 应 。Clementi 在 研究 由 木瓜 蛋白 酶 参与 的 催化 反应 时 ,也 用 了 上 述 HE. REAL... 的 计算 已 可 用 分 子 力学 方法 进行 了 。 6.2 MK A 和 其 它 金属 酶 的 量子 生物 学 研究 羧 肽 酶 人 是 一 个 含 Zn … 的 蛋白 质 水 解 酶 , 它 能 水 解 蛋 白质 或 多 肽 的 C 末 端 肽 键 ， 当 C 末 端 氨基 酸 残 基 是 芳香 性 或 者 具有 较 大 空间 的 脂肪 族 侧 链 时 ,水 解 的 速度 较 快 ,如 图 6-13 示 。 羧 肽 酶 A 不 能 水 解 C 末 端 是 碱 性 氨基 酸 残 基 和 膊 氛 酸 残 基 的 肽 键 。 羧 肽 酶 A 的 三 维 空间 肽 链 走 向 如 图 6-14 Bras. 它 的 分 子 是 椭 园 形 的 ,为 5.0x4.2x3.8 nm。 其 中 c- 螺 旋 占 38%, A-#4 17%. Zn** 和 酶 紧密 地 结合 在 活性 部 位 。 活性 部 位 处 于 酶 分 子 表面 的 裂 儿 之 中 。 组 氨 酸 *69 和 169 的 咪唑 基 , 谷 氨 酸 -72 的 羧基 和 一 个 水 分 子 以 配 位 键 的 方式 形成 四 面体 ,靠近 Zn?* 部 分 有 一 个 较 大 的 空间 ,可 以 容纳 C 末端 氨基 酸 的 侧 链 , 如 图 6-15 所 示 。 cei Tsk oe Oo 一 N 一 C 一 C 一 —c—c¢ 十 H:O | Lo R H rig 0 | OH | semua eae 1 Oo +H~c—c¢ + *H,N—Cc—c?¢ | o- o- R CH, oN | | N OH 图 6-13 FRIAMA 的 水 解 反应 酶 和 底 物 是 如 何 结合 的 ? 基 甘 氨 酸 和 工 - 酷 氨 酸 这 个 底 物 类 似 物 与 酶 的 晶体 ,通过 和 X 射 线 衍 射 得 到 的 电子 云 密度 下 ,通过 理论 分 析 , 可 以 看 出 其 间 存 在 着 复杂 的 相互 作用 ,这 种 相互 作用 可 以 描述 如 下 :(1) Heat P-L — Ais SA RSH AC bn JIE Hh He Fa A 145 A EM ALI WS BES (2) ROE A AY APART Dk BEBE Tk BEE A 5 (3) 甘氨酸 -L- 酷 氨 酸 的 肽 链 一 NH 一 作为 氨 键 受 体 和 栈 氨 酸 -248 便 © 253。 ee f i 4. S=~ AAA Cad 四 266, 1955 XK.) 283 S95 286. ©: 2910) C AS SRE BEA, 中 C 一 N 集 居 数 的 各 种 变化 。 次 肽 酶 A 的 正常 底 物 作用 机 制 ,根据 X 射 线 结晶 学 的 结果 和 理论 研究 , 可 用 图 6-18 表 示 。 谷 氨 酸 -270 的 羧基 作为 广义 的 碱 作用 于 水 分 子 的 氨 ,通过 水 分 子 的 OH 对 碳 原子 进行 亲 核 攻击 ,Zn2+ 起 着 酸 的 功能 ,和 羧基 的 氧 作 用 ,使 得 电子 由 碳 原子 向 氧 原子 方向 流动 , 造成 羧基 i 原子 上 电子 缺少 ;易于 受到 OH 的 亲 核 攻击 。 栈 氨 酸 -248 和 氛 原 子 形成 的 气 键 ,进一步 使 氮 原 + s2s 杂 化 ,于 是 碳 原子 离 开 了 原来 的 酰胺 平面 ,有 利于 肽 链 的 水 解 。 在 酶 和 甘氨酸 一 L- 酷 氨 酸 三 肽 结合 时 ,由 于 谷 氨 酸 -270 羧基 和 二 肽 的 末端 氨基 形成 气 键 , 失去 了 它 活 化 水 分 子 对 二 TKK 键 羧基 碳 原 子 亲 核 进攻 的 能 力 ,所 以 二 肽 的 水 解 速度 很 慢 。 金属 离子 在 催化 中 的 作用 ,仅仅 用 实验 是 很 难 确 定 的 ,因此 理论 研究 就 显得 特别 重要 了 。 人 们 发 现金 属 离子 Zn2+ 的 正 电荷 在 增加 羧基 C 原子 上 的 净 电 荷 和 稳定 由 组 氨 酸 -69 和 - 196 BOK 唑 基 , 谷 氛 酸 -72 羧基 和 一 个 水 分 子 形成 的 四 面体 中 有 其 重要 的 作用 。 Sheiner 和 Lipscomb 用 Li 和 Be2+ 来 取代 Zn2+ 得 到 了 同样 的 结论 ,他 们 指出 ,四 面体 的 稳定 是 由 于 金属 亲 电 性 和 羧基 氧 间 的 部 分 成 键 所 造成 。 并 且 金 属 亲 电 性 对 肽 键 水 解 的 影响 比 氢 键 亲 电 性 的 NIH Al O22 5k, - Dsman 和 Weinstern 还 指出 ,Zn2+ 的 作用 比 Be?* 强烈 。 综 上 所 述 , 羧 肽 酶 A 的 作用 有 如 下 几 点 ， (1) 羧 肽 酶 A 和 底 物 结合 后 ,有 一 个 较 大 的 三 维 结构 变化 (2) 这 个 构象 的 变化 很 可 能 是 由 底 物 的 C 末 端 羧 基 和 精 氮 酸 -145 MEM AH A. Ht “滑动 机 制 ? 而 开始 的 ,因此 底 物 如 果 没 有 羧基 ,也 就 不 能 水 解 。 (3) 这 个 构象 的 变化 造成 了 催化 基因 与 被 催化 水 解 肽 键 的 相互 接近 ,同时 形成 了 一 个 疏水 (4) 肽 键 的 水 解 通过 亲 核 反应 进行 ,由 谷 氨 酸 -270 作为 广义 碱 通过 水 分 子 进 行 亲 核 WE Ve’ 这 一 作用 为 酷 氨 酸 -248 和 Zn** 所 加 强 。 (5) Zn2+ 在 整个 催化 过 程 中 起 了 装 加 C 原子 上 正 电荷 (有 利用 杂 核 进攻 ) 和 稳定 四 面体 * 有 利 昔 水 口袋 ) 的 重要 作用 。 此 外 ,其 它 金 属 酶 的 量子 生物 学 研究 请 参阅 第 十 章 的 有 关内 容 。 So sx 献 1 ] 江 考 平 译 ，《 量 子 生 物 学 人 门 >， 上 海 科 学 技术 出 版 社 。 2 ] 刘 培 南 等 , “基础 分 子 生 物 学 >， 高 等 教育 出 版 社 ，1983。 3 ] 许 根 俊 ，< 酶 的 作用 原理 >， 科 学 出 版 社 ，1983。 4) 吴 加 金 , 《生物 化 学 与 生物 物理 进展 >， 第 1 期 ，1983 年 。 5 ] I. G. Csizmadia, Molecular Structure and Conformation, Amsterdam-Oxford-New York(1982). 6 ] Szaao, G. Naray, et al Inter. J. Quant. Chem., 7, 397,(1980). | 7 ] W.N. Lipscomb, Anu. Rev. Biochem., 52,17(1983). | 8 ] R. B. Brant, J. Laux, C. Thomson et sb Int. J. Quantum. Chem., QBII (1984). 9 ] O. Tapia, C. Lamborelle and G. Johannin, Chem. Phys. Letters 72 (1980) 334. 10 ] A. Warshel and M. Levitt, J. Mol. 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Interact. 12 (1976) 1. * 262 和 — 第 7 章 量子 遗传 学 7.1 量子 遗传 学 的 背景 7.1.1 ”从 经 典 和 遗传 学 到 量子 遗传 学 c-5 遗传 和 变异 是 最 基本 的 生命 现象 之 一 。 遗 传 学 主要 是 研究 生物 怎样 把 性 状 传递 给 后 代 和 生 胞 在 传代 中 怎样 发 生变 异 , 即 生物 的 信息 怎样 从 细胞 传递 至 细胞 ,从 亲 代 传 至 子 代 ， 从 而 得 以 代 代 相 传 ; 除 此 而 外 ,还 有 生物 信息 在 传递 过 程 中 的 失真 及 其 机 制 等 。 在 Darwin 发 表 了 著名 的 “物种 起 源 ? 之 后 不 久 ,经典 遗传 学 的 葛 基 人 奥地利 学 者 Mendel 根 据 连 续 八 年 豌豆 杂交 实验 结果 ,在 1865 年 提出 了 两 条 著名 的 遗传 规律 :分离 规律 和 自由 组 合 规 律 。Mendel 的 杂交 实验 是 用 吏 豆 的 七 对 形态 上 的 相对 性 状 来 进行 的 。 例 如 红 花 对 白花 .高 从 对 IRA PPP Iia ARES, Mendel 发 现在 子 一 代 中 ,每 对 相对 性 状 都 只 有 显 性 性 状 得 到 表现 ， 如 也 一 代 全 是 红 花 没 有 白花 ;而 在 子 二 代 中 会 出 现 隐 性 性 状 ; 显 、 隐 二 种 性 状 之 比 为 3:1， 如 3/4 红 花 ,1/4 白花 。 据 此 Mendel 提 出 “遗传 因子 "的 概念 来 解释 上 述 实验 结果 ,如 图 7-1。 由 此 总 结 出 一 条 分 离 规律 :遗传 因子 在 体 细 胞 中 成 对 存在 , 互 不 影响 ,而 当 机 体 形成 配子 时 ,成 对 的 遗传 因 子 彼此 分 离 而 分 配 于 配子 ;每 个 配子 只 有 其 中 一 个 因子 。 Mendel 又 比较 了 两 对 性 状 的 杂 交 实 验 :, 黄 色光 滑 种 子 x 绿色 皱 皮 种 子 , 发现 子 一 代 种 子 全 部 为 黄色 光滑 ,而 子 二 代 种 子 有 黄色 光滑 、 黄色 皱 皮 、 绿 色光 滑 、 绿 色 皱 皮 四 种 类 型 ,其 数量 比分 别 为 9/16.3/16.3/16.1/16， 如 图 7-2。 由 此 他 提出 了 自由 组 合 规律 :两 对 以 上 的 遗传 因子 分 离 时 是 独立 的 ,在 配子 中 的 分 配 是 随机 的 。 但 是 Mendel 学 说 的 遭遇 不 象 Darwin 学 说 , 在 当时 没有 引起 人 们 的 重视 。 直 到 1900 年 , Mendel 的 文章 才 被 三 个 植物 学 家 荷兰 的 H. de Vries ,德国 的 Correns 及 奥地利 的 Von Tschermak Se- ysenegg 在 同一 年 里 分 别 发 现 。 他 们 各 自 独 立地 在 自己 的 研究 中 获得 了 Mendel 规律 的 证 据 。 此 后 Mendel 的 遗传 因子 假说 才 开 始 引起 生物 学 界 的 普遍 重视 。1905 年 ， 英 人 Bateson 将 此 新 发 展 的 学 科 命 名 为 “遗传 学 (genetics);1909 年 ,Johannsen 将 Mendel 的 遗传 因子 称 为 “基因 ” (gene) 。 细胞 遗传 学 的 基础 是 Mendel 遗传 学 和 细胞 学 。 它 主要 是 从 染色 体 的 结构 和 行为 来 研究 遗 传 现 象 . 机 理 及 其 规律 。 早 在 1883 年 ,Roux 就 已 推测 细胞 核 内 之 染色 体 携 带 着 遗传 因子 。1903 年 Sutton 研究 了 昆虫 精子 的 产生 ,发现 染 色 体 两 两 成 对 ,在 减 数 分 裂 中 的 行为 同 Mendel 遗传 因子 对 的 传递 方式 完全 平行 ,于 是 提出 Mendel 遗传 因子 在 染色 体 上 ,并 设想 在 一 条 染色 体 LG 在 着 多 个 因子 。 同 年 ，Boveri 也 发 现 了 这 一 平行 关系 ,Sutton-Boveri 假说 成 为 遗传 的 染色 体 理论 之 萌芽 , 亦 即 细胞 遗传 学 的 先 声 。1901 年 Morgan 发 表 “ 果 蝇 性 连锁 遗传 一文 ,Morgan 及 其 学 派 通过 以 果 蝇 眼色 这 一 性 状 作 杂 交 实 验 ,发 现 了 伴 性 遗传 .连锁 实验 是 用 两 对 相对 性 状 : 黑 、 RE FAR EET, BNA CV 显 性 ) 残 姻 (g 隐 性 ) x 黑 身 (v 隐 性 ) 长 翅 (G WH), 结果 是 子 一 *。 263 « CS ae eae eh i 世代 亲 9 配子 配子 a et Gh) Fi Rt ait 配子 ™ red F216 RH 3/16 $4 3/16 RH 1/16 绿 镇 图 7-2 自由 组 合 规律 的 实验 和 解释 图 7-3 ”连锁 假说 代 全 部 灰 身 长 翅 , 再 用 子 一 代 雄 蝇 与 双 隐 性 瞧 蝇 黑 身 残 翅 交 配 ， 子 二 代 有 两 种 , 灰 身 残 翅 及 黑 身 “ 长 翅 , 比 例 各 半 , 这 一 结果 无 法 用 Mendel 自由 结合 规律 解释 。 对 此 ,Morgan 提出 连锁 假说 ,如 图 7-3。 而 当 子 一 代 肉 昵 与 黑 身 残 翅 雁 蝇 交 配 时 , 则 子 二 代 有 4 AR Re, Be 身 残 妈 、 灰 身长 址 ,分 布 比分 别 为 :42% , 42.6 8968965 EEE Morgan 又 提出 同 源 染 色 体 间 的 交 换 假说 ,从 而 总 结 出 遗传 学 的 第 三 规律 ,连锁 和 交换 规律 。 后 来 ,Morgan 及 其 学 派 又 根据 交换 值 “ 估计 连锁 基因 之 间 的 距离 .相对 位 置 和 线 型 排列 ,制订 了 基因 图 ,创立 了 基因 理论 。 由 于 Mor- gan 学 派 在 细胞 水 平 上 的 卓越 工作 ,为 细胞 的 遗传 学 研究 商定 了 基础 。 后 来 Muller 把 Morgan 开创 的 研究 领域 叫 作 “ 细 胞 遗传 学 *(cytogenetics) 。 分 子 遗 传 学 是 从 分 子 水 平 来 研究 遗传 和 变异 ， 它 是 分 子 生物 学 的 主要 内 容 。 现 在 已 清楚 造 。 264。 ’ | 传 和 变异 是 由 核酸 的 结构 和 性 质 所 决定 ， 因 此 分 子 遗 传 学 的 产生 自然 是 和 核酸 的 生物 学 意义 的 — 发 现 直 接 关 联 的 。1928 年 Griffith 发 现 几 种 肺炎 双 球 菌 的 突变 株 其 多 糖 细胞 壁 的 性 质 有 所 不 同 。 这 些 差别 可 以 用 免疫 方法 鉴别 出 来 ,用 肉眼 也 可 以 看 到 其 菌落 的 形状 不 一样。 菌株 S$ 形成 光滑 的 菌落 ,而 菌株 R 的 细胞 缺乏 产生 多 糖 的 能 力 ， 故 菌落 表面 起 毛 。 菌 株 S 导致 小 鼠 患 肺炎 ， 而 菌株 尺 是 不 致 病 的。 将 活 的 R 型 肺炎 菌株 培养 物 和 死 的 S 型 培养 物 注 入 鼠 的 体内 ， 结 果 该 鼠 传染 下 了 肺炎 , 说 明 在 鼠 体 内 繁殖 的 细菌 培养 物 可 以 产生 一 种 活 的 致 病 的 S 型 肺炎 球菌 。 由 此 得 出 一 个 结论 , 死 的 S 菌 株 含 有 一 种 能 将 R 型 菌株 转化 成 $ 型 的 因子 。1944 年 Avery 等 以 提纯 fy DNA 作 细菌 转化 实验 ， 在 实验 上 证 明了 转化 因子 是 DNA 。 分 子 遗 传 学 作为 一 门 学 科 从 此 开始 。Beadle 通过 微生物 遗传 学 研究 提出 一 个 基因 一 种 酶 的 假说 , 即 一 种 酶 的 缺陷 是 由 于 控制 这 种 酶 合成 的 一 个 特定 基因 突变 的 结果 ， 这 个 假说 的 进一步 发 展 ， 提 出 了 一 个 基因 一 条 肽 链 假 说 ， 更 具有 普遍 意义 。Beadle 的 理论 组 成 了 分 子 遗传 学 的 一 个 基本 部 分 。1950 年 Chargaff 等 ”通过 色 层 分 析 表 明 在 DNA 中 腺 味 叭 (A) 的 摩尔 数 和 胸腺 喀 啶 (T) 的 摩尔 数 相等 ,而 鸟 嚼 叭 (G) — = = —" 的 摩尔 数 和 胞 喀 啶 (C) 的 摩尔 数 相 等 。 即 AA=T,G=C, 2J§,Wilkins, Franklin, Waston 和 Crick 以 和 -射线 衍射 分 析 方法 详细 研究 了 DNA 的 晶体 结构 ,终于 在 1953 年 Watson 和 Crick 根据 对 注 - 射 线 衍 射 分 析 结果 的 解释 并 利用 分 子 模型 和 双 股 DNA 间 的 碱 基 互 补 配对 原则 , 提 上 出 T DNA 的 双 螺 旋 结 构 , DNA 复制 的 机 制 随即 得 到 了 初步 的 定性 解释 。Watson-Crick 双 螺 旋 模型 的 提出 建立 了 分 子 遗 传 学 的 基本 理论 ,是 分 子 遗传 学 发 展 史 上 的 一 个 重大 里 程 碑 。Watson -Crick 当时 对 DNA 复制 的 解释 是 半 保 留 复制 。Meselson 和 stahl 于 1958 年 应 用 密度 梯 度 离 心 技术 ,证 实 了 DNA 的 半 保 留 复制 。Kornberg 在 1956 年 发 现 了 DNA 聚合 酶 ,并 在 以 后 研究 中 对 DNA 复制 模型 作 了 新 的 发 展 ,提出 了 间断 复制 模型 ,以 后 为 冈 崎 用 实验 证 实 。Weiss .Mar- mur 等 对 原核 细胞 的 研究 发 现 了 RNA 参与 遗传 信息 转录 , 即 mRNA 的 作用 。Holly 提出 了 Ala=tRNA 的 模型 。 通 过 Crick Nirengberg,Khorana 及 Ochoa 的 工作 , 阐明 了 遗传 信息 以 三 | 联 体 密 码 形式 存在 于 核酸 的 碱 基 序列 里 ,并 通过 碱 基 序列 的 转录 转译 而 指导 特异 性 蛋白 质 的 合 成 。 细 菌 和 病毒 遗传 学 的 发 展 ， 为 分 子 遗 传 学 的 发 展商 定 了 基础 。 五 十 年 代 开 展 的 细菌 遗传 学 ”研究 ,促进 了 大 肠 杆菌 乳糖 发 酵 中 酶 的 诱导 现象 的 深入 研究 ,从 而 在 1961 年 Jocob 和 Monod 提 Li HT ALAS. PMR RA DEA AED FACE LET A, ERAT AT 能 转轴 更 复杂 的 问题 ,如 细胞 分 化 .胚胎 发 生 ` 肿 瘤 形 成 ;也 使 我 们 有 可 能 进入 到 更 深 的 层次 电子 水 平一 一 量子 遗传 学 。 “AE 1935 46, Delbrick' 就 已 指出 量子 理论 和 遗传 学 基本 定律 间 有 着 密切 的 相似 ,染色体 中 遗传 物质 在 漫长 年 代 里 的 巨大 稳定 性 仅仅 说 明 它 可 能 是 一 个 处 于 稳定 状态 的 巨大 分 子 ， 那 么 突变 也 可 能 就 对 应 于 它 经 “量子 跳跃 ”而 变 成 的 蜡 构 形 式 。 量 子 力学 创始 人 之 一 Jordan 也 主张 突变 "是 一 种 量子 过 程 。Schrodinger57 在 他 的 那 本 “生命 是 什么 ?的 著名 著作 中 详细 地 讨论 了 Delbrick 的 模型 。 他 指出 在 染色 体 纤维 中 的 基因 可 以 适当 地 叫 作 一 种 非 周期 性 晶体 。 并 认为 遗 | 传 密码 应 由 有 一 定 顺 序 的 并 在 分 子 排列 中 具有 稳定 性 的 原子 组 合 而 成 。 他 说 “实际 上 ， 在 这 样 | 一 种 结构 里 ,为 了 能 形成 几乎 是 无 限 多 种 可 能 的 排列 ,其 原子 数目 并 不 一 定 要 非常 大 ?。Schr5d- anger 认为 ,人 的 某 些 遗传 特性 可 以 在 几 百 年 里 经 过 许多 世代 而 被 完整 地 保存 下 来 。 如 果 从 哺乳 ° 265。 中 Eee 动物 的 起 源 算 起 ,那么 象 胎生 哺乳 动物 . 体 表 被 覆 皮毛 这 些 在 遗传 上 固定 的 特征 ， 已 经 在 哺乳 动 乳 的 系统 发 育 史 上 经 历 了 漫长 的 地 质 年 代 。 而 这 些 遗 传 特性 的 物质 基础 一 直 被 保存 在 37*C 堪 右 的 恒温 条 件 下 ， 好 几 千 万 年 来 分 子 热 运动 的 影响 居然 没有 破坏 它 的 有 序 结构 。 因 此 外 界 因素 如 果 要 引起 生物 的 遗传 物质 发 生 突变 ,必须 经 过 一 个 量子 化 了 的 很 高 的 能 阶 。 旱 在 1927 年 遗传 学 家 Miiller 已 发 现 X 射线 可 以 引起 果 蝇 的 突变 。 这 一 事实 也 许 是 后 来 Sehr5dinger 在 1944 年 提出 上 述 看 法 的 实验 依据 。 愧 理学 家 Gamow9a 在 Watson-Crick 提出 双 螺 旋 DNA 结构 一 年 之 后 ,就 致力 于 解释 遗传 密码 问题 。 虽 然 Gamow 当时 的 假说 是 错 的 ,但 他 对 这 一 重要 问题 所 作 的 初步 探讨 却 引 起 了 网 理学 家 进一步 对 分 子 生 帕 学 的 关注 。 控 制 论 的 苋 基 人 Wiener! x} 遗传 的 理论 问题 也 感 兴趣 ,他 提出 了 一 个 独特 的 想法 :“ 生 物 学 的 主要 问题 之 一 就 是 组 成 病毒 的 基因 和 产生 癌 的 某 种 特殊 物质 是 通过 什么 方式 ， 从 不 具有 特异 性 的 氨基 酸 和 核 昔 酸 之 类 的 混和 物 中 繁殖 自己 。 通 常 所 作 的 解释 是 ， 这 些 物 质 的 一 个 分 子 作为 模板 而 起 作用 。 这 大 都 是 一 种 形象 的 说 法 ,只 不 过 是 对 生命 的 基本 现象 的 另 一 种 描述 方法 。 这 是 一 个 动力 学 过 程 ,分 子 特 异性 的 积极 承担 者 可 能 是 分 子 辐射 的 频率 式样 ， 这 种 辐射 的 一 个 重要 部 分 可 能 是 在 红外 电磁 频率 或 更 低 的 范围 。 一 种 病毒 物质 在 某 种 情况 下 可 能 发 射 红 外 振荡 ， 这 种 振 萝 具有 促进 从 没有 特异 性 的 氨基 酸 和 核 苷 酸 原料 中 形成 病毒 分 子 的 能 力 。 很 可 能 这 种 现象 可 以 看 作 是 频率 的 一 种 相互 作 用?。 “许多 储存 信息 的 方法 ,共同 具有 一 个 重要 的 物理 要 素 ， 这 就 是 它们 似乎 都 是 高 度量 子 简 并 性 系 统 。 换 名 话说 ,都 是 振动 方式 很 多 但 频率 相同 的 系统 。…… 储 存 信息 的 许多 物质 ,似乎 都 是 具有 大 量 内 部 共振 的 物质 。 量 子 简 并 性 的 出 现 ， 是 由 于 这 种 物质 具有 某 种 由 很 小 原因 就 能 产生 显著 而 稳定 的 结果 的 能 力 ”。Wiener 还 认为 ， 高 共振 物质 十 分 普遍 地 都 有 一 种 非常 的 储 功能 量 和 信 息 的 能 力 , 新 陈 代谢 和 生殖 作用 的 许多 问题 ,都 与 量子 简 并 性 物质 有 关 。1962 年 ,L5wdinatsln- 根据 隧道 效应 的 概念 ,提出 了 DNA 中 气 键 的 质子 穿 透 (proton tumeling) 观 点 , 用 以 解释 DNA 复制 和 突变 。 并 首次 提出 了 “量子 遗传 学 >(quantum genetics) 的 名 称 。 自 六 十 年 代 以 后 ， 不 少 量子 生物 学 的 研究 涉及 到 DNA 双 螺 旋 的 结构 稳定 性 .DNA 复 制 的 量子 化 学 计算 .DNA 与 蛋白 质 相互 作用 的 计算 .tRNA 的 结构 研究 等 等 ;虽然 从 总 的 讲 来 属于 量子 生物 学 范畴 ， 但 却 都 是 从 遗传 学 观点 沿 着 ( 。 DNA ER png HE _ 避 白 质 “这 一 中 心 法 则 展开 的 ， 我 们 可 以 把 这 司 些 方面 的 工作 归纳 为 遗传 的 量子 化 学 研究 或 者 量子 遗传 学 。 遗传 学 从 Mendel 的 表 型 水 平 `Morgan 的 细胞 染色 体 水 平 `. Watson-Crick 的 分 子 水 平一 直 到 目前 处 于 萌芽 状态 的 电子 水 平 , 经 历 了 几 个 层次 ,这 是 与 生物 科学 由 描述 性 向 精确 性 ， 由 安 观 到 微观 方向 的 发 展 相 一 致 的 。 目前 ,在 国内 外 文献 中 "量子 遗传 学 "这 个 名 称 还 不 多 见 , 目 Lowdin 提 出 来 之 后 响应 者 无 几 。 也 许 是 当时 “量子 遗传 学 "作为 一 门 学 科 提出 来 还 嫌 过 早 。 但 是 纵 观 二 十 多 年 来 的 量子 生物 学 文 献 , 有 相当 一 部 分 内 容 可 看 作 量子 遗传 学 的 。 在 量子 生物 学 这 一 宽广 的 领域 中 划 出 一 个 量子 遗 传 学 的 天 地 ,这 还 是 适时 的 可 取 的 。 本 章 下 面 几 节 将 根据 分 子 遗 传 学 的 框架 ,来 归纳 原子 一 Hi 子 水 平 上 的 遗传 学 研究 文献 。 作 者 曾 考 虑 过 用 “遗传 学 的 量子 理论 ?作为 本 章 的 标题 , 但 L5wdin = * 266。 树 起 的 “量子 遗传 学 ?目标 明确 ,有 更 大 的 凝聚 力 , 相 对 于 研究 者 来 讲 也 是 一 个 更 高 的 激发 态 ， 故 取 “ 量 子 遗 传 学 ”。 但 要 指出 ,量子 遗传 学 还 没有 一 个 完整 的 理论 , 仍 是 一 个 很 不 完备 的 体系 。 有 人 曾 建议 过 从 DNA 大 分 子 的 电子 激发 态 来 着 手 研究 量子 遗传 学 ,这 是 一 个 好 主意 。 作 者 在 写本 章 时 ,正在 美国 作 生 物 医 学 研究 ,利用 了 实验 室 的 计算 机 终端 (此 终端 与 全 世界 七 百 多 个 大 小 数据 库 相 连 ， 并 没有 查 到 一 本 “量子 遗传 学 "专著 ， 因 此 本 章 拟 以 - 归纳 为 主 作 一 个 初步 举 试 。 PA? AY 3h fe Be HB 24981817] 7.1.2.1 基因 及 其 复制 1) 基因 寓于 DNA 下 列 实验 可 证 明 ， a .对 每 一 物种 而 言 ,其 一 个 细胞 内 之 DNA 含 量 是 不 变 的 ,这 说 明 DNA 有 作为 遗传 信息 载 体 的 条 件 ; b. 紫外线 可 使 基因 产生 突变 ,其 谱 线 范 围 和 核酸 的 吸收 谱 线 范围 相对 应 ,并 且 还 有 其 他 一 些 已 知 可 和 致 突变 的 物理 和 化 学 作用 亦 可 改变 核酸 ; c .细胞 转化 的 因子 是 DNA; d. 大 多 数 细菌 病毒 和 许多 动物 病毒 只 含有 DNA 和 蛋白质, 而 蛋白 质 只 起 到 使 DNA 进入 宿主 细胞 的 作用 。 DNA 作 为 遗传 的 物质 材料 , 必 具 有 基因 的 基本 性 质 , 即 它 能 精确 的 复制 和 具有 支配 酶 及 其 他 和 蛋白质 合 成 的 能 力 。 2) DNA 的 半 保 留 复 制 DNAS HEALERS Hl. DNA 复制 时 ,其 分 子 的 双 链 先 解 开 成 两 条 单 链 。 然 后 以 每 一 条 原 有 的 单 链 作为 模板 ,各 自 互 补 地 用 细胞 核 内 游离 的 核 苷 酸 进行 碱 基 配 对 ,形成 一 条 互补 的 新 多 聚 核 苷 酸 链 。 结 果 , 一 个 亲 代 DNA 分 子 复 制 成 两 个 结 构 完 全 相同 的 子 代 DNA 分 子 ,每 一 个 子 代 DNA 分 子 均 由 一 条 原 有 的 链 和 一 条 新 链 组 成 ， 即 称 谓 半 保 BE 制 ,如 图 7-4 。 这 一 机 制 首 先 为 以 “N 标 记 的 大 肠 杆 菌 实验 所 证 实 。 即 大 肠 杆菌 先 置 于 ”N 培养 基 中 繁殖 ， 使 之 DNA 完 全 为 : N 所 标记 。 然 后 于 ”N 培 养 基 中 待 分 裂 一 次 后 ,将 此 进行 过 一 次 分 裂 的 细胞 取 出 一 部 分 进行 所 化 钨 密度 梯度 离心 。 结 果 发 现 并 没有 两 种 DNA ,而 是 只 有 一 种 DNA, 且 位 于 重 DNA( 含 :N) 带 和 正常 DNA( 含 :N) 带 中 间 ; 即 表明 此 DNA 的 N 是 由 等 量 “N 和 +N 杂 合 而 成 ,由 此 证 实 上 述 半 保留 复制 机 制 。 3) 原核 细胞 的 DNA 复 制 ”目前 对 原核 细胞 的 DNA 复制 了 解 得 较 清 楚 。 但 WA 核 细 胞 DNA 复 制 情 况 却 远 不 及 原核 细胞 这 么 详细 。 由 于 真 核 细胞 DNA 分 子 大 ,又 与 组 蛋白 相 结合 , 情 襄 更 复杂 。 此 外 ,有 些 病 毒 的 遗传 物质 是 RNA, 其 复制 是 以 RNA 为 模板 。 原核 细胞 DNA 复 制 过 程 主 要 是 ， a. DNA 解 链 ， 在 DNA 复 制 前 ,DNA 解 旋 酶 使 DNA 双 螺旋 解 开 ; 解 旋 蛋 白 结合 到 解 开 的 DNA 单 链 上 ,使 DNA 单 链 处 于 伸展 状态 。 b . 引物 形成 : 起 始 DNA 的 合成 需要 一 种 引物 ,一 般 是 RNA 片 段 。 引 物 酶 可 识别 DNA 的 ° 267。 来 合 栈 皇 认 超 订 A 3 iil 末代 g RA DNA 指导 RNARAB 分 子 DNA 的 解 旋 5’ 3° 3 ON 上 解 旋 蛋白 S RNA 引物 的 生成 ”随从 链 2 3 5, pM RNA 引物 Le pAb a 领头 链 K DNA HA ah 2 q ; Te jog IMTS RNA 引物 新 DNA th gz 党 2 切断 RNA 3 ace PH “a oer AAA SS 子 2 代 BF 网 由 片 和 ane 连接 酶 连接 DNA HER AS S SIMs 图 7-4 DNA 的 半 保 留 复制 图 7-5 DNA 间 断 复 制 过 程 复制 起 点 ,诱发 引物 形成 ; 再 在 DNA 聚合 酶 催化 下 沿 5 全 3/ 方向 合成 一 条 新 的 互补 DNA FE; DNA 复制 完成 后 由 核酸 酶 切 去 引物 ,最 后 由 酶 修补 及 连接 成 一 完整 DNA 链 。 c .间断 复制 ， 新 链 合成 总 沿 5 一 3/ 方 向 , 即 核 背 酸 的 聚合 要 从 引物 的 3/- 羟 基 端 开始 ， 而 。 DNA 双 链 是 反 向 平行 的 ,因此 理论 上 讲 合成 后 为 3 人 5/ 方向 的 新 链 的 聚合 需 间断 进行 。 实 验 结 果 是 先生 成 冈 岩片 眉 , 再 由 连接 酶 连接 成 完整 的 DNA 新 链 ,如 图 7-5。 7.1.2.2， 基 因 及 其 表达 1) 蛋白 质 合成 的 总 过 程 。 ”基因 通过 一 系列 复杂 的 生化 过 程 最 后 表现 为 特定 的 性 状 ; 为 基因 的 表达 。 基 因 表 达 的 二 个 最 基本 过 程 是 转录 和 转译 ， 基 因 表 达 的 形式 即 蛋 白质 合成 。 重 和 质 合成 的 主要 过 程 是 1 DNA—>RNA—> AM ; 如 图 7-6, 细 胞 核 内 的 DNA 的 遗传 信息 首先 转录 到 mRNA 上 ;然后 mRNA 还 至 核 外 ,成 为 蛋白 质 合成 的 模板 。 核 糖 体 结合 在 mRNA 上 完成 蛋白 质 的 合成 。 运 载 着 特定 氨基 酸 的 tRNA 进入 核糖 ， 体内 ,tRNA 上 的 反 密码 子 和 mRNA 上 的 密码 子 以 互补 原理 相识 别 ， 载 着 另 一 个 特 定 氨基酸 的 tRNA 再 进入 核糖 体 , 二 个 tRNA 上 的 氨基 酸 在 酶 的 作用 下 以 肽 键 相 联 ; 核糖 体 沿 mRNA 5 全 3” 方向 逐步 移动 ,如 此 逐个 进行 ,而 RNA 也 逐个 释放 出 来 ,完成 蛋白 质 合成 。 2) 转录 遗传 信息 从 DNA 转 移 到 RNA 称 为 转录 。 转 录 的 过 程 是 以 DNA 分 子 中 的 一 条 ， 单 链 为 模板 ,按照 碱 基 互 补 原则 ,合成 一 条 互补 链 , 即 RNA ,这 种 RNA 接 受 DNA 上 的 遗传 信息 ， 进入 细胞 质 ,参加 转译 过 程 , 故 称 为 信使 RNA(mRNA)。 目前 对 原核 细胞 的 转录 了 解 得 较 深 入 。 由 依赖 于 DNA 的 RNA 育 合 酶 催化 的 DNA 指导 下 的 * 268。 RNA eeC 中 RA (1) 与 模板 结合 T 28 G +ATP+NTP (2) RNA 链 起 始 本 - (4) RNA 链 终止 和 ae x pppA 酶 的 释放 Cd yore sha 所 下 7-6 和 蛋白质 合成 过 程 图 7-7 ”转录 循环 RNA 合 成 , 即 转录 循环 ,由 下 列 4 个 步骤 组 成 , a. RNAR AMM 板结 合 ，b. 链 的 起 始 ;， ， 链 的 延伸 ;， d， 链 的 终止 和 酶 的 释放 。 如 图 7-7。 在 第 一 步 ,RNA 聚 合 酶 只 有 在 两 股 DNA 中 某 一 链 的 某 些 部 位 才 具 有 与 模板 结合 的 极 高 的 亲 合 力 。 这 些 部 位 称 为 启动 部 位 ， 只 有 在 这 些 部 位 某 一 基因 的 转录 才能 开始 ,并 且 需 要 c 因 子 帮助 去 辨认 启动 区 。 第 二 步 ,ATP 或 GTP 可 作为 起 始 核 苷 酸 以 生成 一 个 二 核 背 酸 四 磷酸 酯 , 当 要 进入 第 三 步 时 因子 即 被 释放 。 第 三 步 中 二 核 背 酸 加 上 核糖 核 背 单 磁 酸 酯 使 链 伸 长 。 第 四 步 , 当 RNA 聚 合 酶 请 到 终止 信号 时 , 它 能 识别 基因 终止 信号 ,使 转录 停止 ,形成 一 条 完整 的 nRNA.DNA 模 板 和 RNA 转 录 本 之 间 的 相互 作用 是 瞬间 的 ， 当 RNA 转 录 完 成 之 后 ,DNA 双 螺旋 结构 全 部 复原 ,因此 ， 转 录 与 DNA 复制 不 同 , 是 全 保留 过 程 。 3) 密码 子 ”基因 的 遗传 信息 通常 是 通过 蛋白 质 的 一 定 结构 和 生理 生化 特性 表现 出 来 的 。 蛋白 质 一 般 由 20 种 氨基 酸 以 不 同 的 种 类 、 数 量 、 排 列 组 合 而 成 。 蛋 白质 不 能 直接 从 核酸 分 子 上 以 类 似 于 转录 的 方式 合成 ,因此 需要 从 核酸 “文字 ?翻译 成 蛋白 质 “ 文 字 ”, 故 某 些 碱 基 的 组 合 和 某 种 气 基 酸 之 间 存 在 着 对 应 关系 。 即 mRNA 的 碱 基 序 列 中 每 三 个 相 邻 的 碱 基 组 成 一 个 密 码 子 : 不 同 的 碱 基 组 合 、 构 成 不 同 的 密码 子 , 分 别 同一 定 的 氨基 酸 相 对 应 ， 决 定 有 关 氨 基 酸 在 蛋白 质 分 子 中 的 位 置 。 密 码 子 的 特点 是 :a. 它 是 mRNA 上 三 个 连续 的 碱 基 ， 又 称 三 联 体 密码 ; b. 密码 子 间 无 标点 符号 ; c. 某 些 氮 基 酸 对 应 2 个 以 上 的 密码 子 ， 即 密码 子 有 简 并 性 ;，d. 一 个 起 始 密码 sa 269 © 子 作为 转译 开始 的 信号 ,三 个 终止 密码 子 作 为 转译 完毕 的 信号 。 密 码 子 见 表 7-1。 在 不 少 情况 下 , 简 并 性 表现 在 一 个 氨基 酸 对 应 于 几 个 具 不 同 反 密 码 子 的 tRNA 上 。 在 另 一 些 情 况 下 ， 一 个 tRNA 可 以 识别 几 个 密码 子 , 如 表 7-2, 如 tRNAs5z 可 以 翻译 GGU 和 GGC, 但 不 能 翻译 其 他 两 种 甘氨酸 密码 子 ; 而 雪 NASs'5 却 可 翻译 另 两 种 密码 子 , 情 况 正 相 反 。 另 一 方面 ,tRNAS8 绩 只 能 翻 译 GGG .由 于 前 两 种 甘 氛 酸 的 tRNA 存在 ,似乎 RNAS2* 无 存在 的 必要 。 从 表 7-2 也 可 以 看 出 当 一 种 反 密码 子 可 以 识别 一 个 以 上 的 密码 子 时 ,这 些 密码 子 的 差别 仅 在 3- 端的 位 置 上 ;这 一 特征 可 用 摆动 假说 (wobble hypothesis) 解 释 。 即 密码 子 的 第 三 个 碱 基 可 以 形成 非 互补 的 碱 基 对 ,而 ”这 时 其 构象 接近 于 标准 互补 对 A-U,G-C。 变 位 假说 预示 了 一 些 碱 基 对 ,如 表 7-3。 一 般 说 来 ， ” 变 位 假说 预示 的 碱 基 对 已 证 明 是 正确 的 ,但 有 一 例外 , 即 表 7-2 中 的 TRNAS?™ rh Ay fees ;CCA5 是 由 甘氨酸 密码 子 "GGC3 所 识别 。 表 7-1 遗传 密码 子 So er ee ; BBB) is U C A G UUU UCU UAU UGU U ¥ UUC }anime UCOK Hd, UAC } cae UGC } ene C UUA ] 交 所 本 UCA ( 丝 UAA ik UGA iF A UUG G CAU :U AAR CUC ccc CAC CGC C evs | 亮 氨 酸 CCA | Wi 33 CAA i esc 精 氨 酸 A CAG | a Ale CGG G ACU AAU AGU U AUC } scene ACC | eres AAU xante = AGU) ware U FF EIR ace WLLL: AGG | IIIB 4 AUG | ACG AAG AGG G 起 始 GUU GCU GAU GGU U GUC GCC GAC 上 天 冬 氢 酸 GGC C G oust ARR eec| FURR GAA \ new GGA? 甘氨酸 a GUG GCG GAGS GGG igus 表 7-2 甘氨酸 tRNA 的 多 重 性 甘氨酸 tRNA tRNA 中 的 反 密 码 子 tRNA 识别 的 甘氨酸 密码 子 tRNA $i2 ccc” GGG” tRNA 88316 “CCU” ee . tRNA Suit "CCAY aes 遗传 密码 可 能 是 具有 普遍 性 的 。 这 结论 主要 来 自 :(1) 通过 分 析 不 同 的 蛋白 质 如 大 肠 杆菌 “ 色 氨 酸 合成 酶 突变 后 的 a 链 和 人 血红 蛋白 突变 后 的 @ 链 的 氨基 酸 顺 序 之 变化 ; (2) 测定 各 种 物 种 的 mRNA 的 碱 基 对 顺序 。 从 研究 同 源 蛋 白质 得 到 的 结果 ,表明 即使 在 关系 很 远 的 物种 之 间 其 ¢ 270。 站 JW ee, 表 7-3 符合 变 位 假说 的 碱 基 对 反 密 码 子 上 第 三 位 的 碱 基 密码 子 上 第 三 位 的 碱 基 G Uor C C G A U U Aor G I Ay Gs orsC 同 源 蛋白 质 的 氨基 酸 顺 序 有 相当 大 部 分 是 保留 下 来 的 ,这 亦 支持 遗传 密码 普 适 性 的 观点 ,例如 在 动物 、 植 物 和 真菌 等 各 种 物种 的 真 核 细胞 色素 c 之 间 , 约 有 1/33 的 残 基 顺 序 是 共同 的 。 已 发 现在 线粒体 基因 组 中 ,遗传 密码 普 适 性 有 了 例外 。 对 人 类 线粒体 DNA 的 序列 分 析 , 表 明 至 少 有 4 种 密码 差别 :AUA 通 常 是 异 亮 氨 酸 的 密码 子 , 但 这 里 却 对 应 了 和 蛋氨酸，UGA 通常 是 终止 信号 ,但 这 里 对 应 于 色 氛 酸 ;AGA 和 AGG 通 常 是 对 应 于 精 氨 酸 , 但 这 里 却 为 终止 信号 ， 而 AUA 或 AUU 则 代替 了 AUG ,成 了 起 始 密码 子 。 这 些 密码 变化 的 基础 还 不 了 解 ,然而 遗传 密码 变 化 的 一 个 结果 是 使 线粒体 的 遗传 隔离 。 当 一 个 RNA 含 有 上 述 任何 一 种 密码 子 时 , 在 线粒体 膜 内 和 线粒体 膜 外 被 转译 时 ,很 明显 将 会 对 应 于 不 同 的 氨基 酸 。 目 前 关于 遗传 密码 的 起 源 并 不 清楚 。 在 外 NA 反 密码 子 或 mRNA 密码 子 和 其 对 应 的 氨基 酸 之 间 尚 不 知 有 化 学 上 的 还 辑 联系 。 4) 转译 ”基因 的 遗传 信息 从 mRNA 的 核 背 酸 顺 序 翻 译 成 相应 的 多 肽 链 氨基 酸 顺 序 ， 这 个 过 程 为 转译 。 目 前 ,原核 细胞 转译 机 制 比较 清楚 。 模 板 mRNA 碱 基 顺 序 译 RE AAA AS 序 主 要 有 两 步 :(1) 所 基 酸 的 激活 和 转运 ;(2)mRNA“ 解 读 ” 与 蛋白 质 合成 。 氛 尖酸 分 子 的 活化 即 它 的 羧基 与 AIP 反 应 ,形成 气 酰 腺 苷 酸 , 再 和 相应 的 tRNA( 转 移 tRNA)3' 端的 腺 味 叭 残 基 结 合 ,形成 气 酰 -tRNA。 原 核 生 物 中 在 起 始 转译 时 起 决定 作用 的 是 甲 酰 甲 硫 氮 酰 -tRNA。 “解读 " 即 是 tRNA 上 的 反 密码 子 和 mRNA 上 的 密码 子 互相 识别 。 蛋 白质 合成 是 在 核糖 体 上 进行 的 。 大 肠 杆 菌 的 核糖 体 是 70S (4& 为 沉降 系数 ) 的 ,但 在 Mg 六 存在 下 ， 则 分 离 为 二 个 亚 单 位 ， 即 30S 和 50S。30S、50 8 的 亚 单位 先后 结合 到 mRNA 上 ， 形 成 70 &S 的 核糖 体 。70 8 核糖 体 有 两 个 专门 结合 tRNA 的 部 位 ，A 位 氨基 酰 部 位 是 结合 氨基 酰 tRNA 的 反 密 码 EM 位 上 的 mRNA 的 密码 子 相配 合 的 部 位 ，P 位 肽 酰 部 位 是 只 能 接受 带 肽 键 的 tRNA 的 部 位 ， 即 接受 从 A 位 转移 的 tRNA 分 子 。 第 一 步 是 起 始 的 甲 酰 甲 硫 氨 酰 -tRNA 的 反 密 码 子 UAC 同 mRNA 中 的 起 始 密码 子 AUG 互补 再 是 第 二 个 氨 酰 -tRNA 结合 到 核糖 体 的 A 位 上 ,核糖 EP 位 上 的 氨基 酸 的 羧基 和 A 部 位 上 的 氨基 酰 -tRNA 的 氨 基 形 成 肽 键 。 这 时 了 位 上 ieee 基 酸 的 tRNA 便 从 核糖 体 上 释放 出 来 ,进行 下 一 次 循环 。 核 糖 体 沿 mRNA 5'~3/ 方 向 移动 一 个 密码 子 。 使 原来 在 A tr Litt Aik seth tRNA 移 至 P 位 , 而 mRNA 的 密码 子 处 在 A 位 上 以 接受 下 一 个 氨 酰 -tRNA, 如 此 多 肽 键 逐渐 延长 , 直到 终止 密码 子 , 释放 出 肽 键 ， 合 成 一 种 特定 的 蛋白 质 , 如 图 7-8 。 7.1.2.3 基因 表达 的 调控 ° 271» a Ce ee ee 6 ee Ss ee - aE = (3) (4) 图 7-8 ”多肽 链 在 核糖 体 上 生长 1) 基 因 表达 控制 的 概念 ”基因 表达 的 调控 可 以 在 从 基因 到 多 肽 产物 生成 的 途径 中 之 任 一 环节 发 生 .。 一 般 可 分 为 转录 控制 .转译 控制 和 反馈 抑制 .到 目前 为 止 ,对 细菌 代谢 的 遗传 调控 研究 得 较 深 入 , 而 对 于 真 核 生 物 的 基因 调控 问题 只 有 一 些 假说 ,都 还 缺乏 足够 的 实验 证 据 。 已 知 在 转 录 水 平 上 的 调控 系统 有 负 调节 和 正 调节 。 负 调节 是 某 一 细胞 成 分 的 存在 使 某 种 细胞 功能 停 正 ， 而 当 这 一 成 分 消失 或 失 活 , 则 使 这 一 功能 恢复 。 属于 负 调 节 的 例 了 是 乳糖 操纵 子 模型 和 色 氨 酸 ” -操纵 子 模型 ,这 里 酶 的 停止 合成 是 由 于 调 节 基 因 的 产物 一 一 阻 坎 蛋 白 作用 的 结果 。 当 阻 遏 蛋白 和 诱导 物 相 结合 时 , 它 就 失去 活性 ,不 能 再 和 操纵 基因 相 结 合 , 酶 合成 便 能 进行 。 正 控制 是 某 一 细胞 成 分 的 存在 使 某 种 细胞 功能 实现 , 而 这 一 成 份 的 消失 或 失 活 使 这 一 功能 停止 ,这 里 酶 的 合成 必需 有 一 种 调节 基因 的 产物 一 一 降解 物 激活 蛋白 (CAP) 的 存在 。 转 录 或 转译 控制 的 对 象 都 是 酶 的 合成 。 反 馈 抑制 是 控制 梅 的 活性 ,其 作用 是 合成 代谢 的 最 终 产物 对 于 合成 途径 中 的 第 一 个 本 的 可 逆 性 的 抑制 作用 。 转 录 控 制 或 转译 控制 都 涉及 调节 基因 所 指导 产生 蛋白 质 的 作用 。 反 馈 抑 制 因 是 代谢 最 终 产物 直接 和 酶 结合 而 显示 其 抑制 作用 ,所 以 不 存在 调节 基因 ,而 与 编码 第 一 个 酶 的 结构 基因 直接 有 关 。 2) 乳 糖 操纵 子 模型 大肠 杆菌 中 的 乳糖 代谢 时 的 基因 调控 研究 得 最 清楚 ,可 用 乳糖 操纵 子 模型 来 解释 .乳糖 操纵 子 (operon) 是 由 启动 基因 P、 操 纵 基因 O 和 三 个 结构 基因 Z.Y A A 所 5 272° 构成 的 功能 单位 ,如 图 7-9。 当 操纵 基因 O 同调 节 基 因 i 的 产物 阻 歇 蛋 白 相 结合 时 ,转录 便 不 能 进行 ; 当 阻 遏 蛋白 同 乳糖 等 诱导 物 相 结合 时 ,脱离 操纵 基因 ,转录 可 以 进行 。 RS eos pin ees 2) Ee RAREKEREA ARREHESSA 诱导 物 (如 乳糖 等 ) 诱导 物 被 分 解 消失 mRNA 染色 体 DNA FR GBIRAS KB) BG (RNA RASS. “FFL EF BS, EPL BE, FPL SHE ZB) a { J8ED 图 7-9 乳糖 操纵 子 控制 基因 表达 的 示意 图 3) DNA 中 碱 基 顺 序 的 变化 将 会 引起 永久 的 遗传 性 的 改变 , 即 基因 突变 。 染 色 $k rh Ay DNA 的 任何 变化 将 会 反映 在 MRNA 上 以 致 影响 合成 的 蛋白 质 , 或 者 是 反映 在 TRNA 和 各 种 tRNA 上 。 点 突变 是 指 一 个 碱 基 或 一 个 碱 基 对 的 变化 , 这 样 经 过 mRNA 的 转录 ,最 终 使 肤 链 顺序 中 的 一 个 氨基 酸 被 另 一 个 取代 。 点 突变 是 最 常见 的 基因 变化 , 它 是 由 DNA 复制 或 修 复 时 发 生 的 错误 引起 的 。 它 可 由 化 学 或 物理 因子 作用 而 发 生 。 以 上 简单 介绍 了 原核 细胞 的 分 子 遗 传 学 概念 。 其 核 细胞 由 于 存在 核 膜 及 多 种 亚 细 胞 器 ， 其 转录 转译、 复制 机 制 也 更 复杂 。 目 前 了 解 比 较 仔 细 的 是 原核 细胞 的 情况 ,量子 遗传 学 目前 的 任 务 主要 是 试图 来 解释 已 经 比较 清楚 的 原核 细胞 的 遗传 学 问题 。 下 面 我 们 来 讨论 量子 遗传 学 的 主 要 内 容 , 即 亚 分 子 水 平 (submolecular level) MRF ME FACE HA BU. ee 7.2 原子 和 电子 水 平 的 信息 流 ay ks fad { pee et 7.2.1 基因 复制 和 突变 的 微观 机 制 7.2.1.1 遗传 密码 的 基本 结构 4 我 们 知道 DNA 只 有 4 种 碱 基 :A、T、.G、C ,现在 要 问 为 什么 DNA 里 只 有 4 种 碱 基 ? 理由 恒 。 是 ,a. 遗 传 信息 富 于 DNA 的 碱 基 顺 序 , 即 碱 基 硕 序 的 不 同 排列 组 成 了 遗传 密码 ,也 即 每 种 破 基 是 个 编码 符号 ; 当 在 一 定 的 约束 条 件 下 ,对 由 符号 的 线性 排列 构 成 的 信息 量 求 极 大 时 , 可 导 得 最 优 符号 数 是 3。b. 碱 基 互 补 复制 要求 符 号 数 为 偶数 。 因此 满足 这 两 个 条 件 的 符号 数 只 可 能 是 es 273° nn 4>。 这 可 从 信息 论 来 给 予 证 明 呈 。 在 讨论 生物 的 结构 与 功能 时 ,有 一 个 很 重要 的 观 点 :在 进 化 过 程 中 ,机 体 只 有 选择 其 最 大 效 率 的 结构 时 才能 优 于 其 竞争 对 象 而 得 以 生存 ; 即 能 存 在 的 结构 其 相对 效率 将 是 最 高 的 。 在 下 面 的 证 明 中 将 要 用 到 这 一 观点 。 假定 一 信息 码 (code) 由 几 个 线性 排列 的 单位 构成 ,而 这 码 的 每 一 单位 的 符号 又 有 ON 种 可 能 的 等 同 的 选择 。 再 假定 这 一 编码 的 ”成 本 “正比 于 码 的 长 度 & 和 符号 的 数目 NV, BN“ RAR” TEE nN ,把 2N 视 作 -符号 信息 贮存 池 (pool) 的 面积 。 由 排列 组 合 可 知 , 信 息 码 的 可 能 排列 数 九 为 PARE: | D=(N)" (7.1) 这 时 信息 码 的 信息 量 工 ,根据 信息 论 , 可 作 如 下 计算 ， I=log,D=nlog,N (7.2) FEAR AEA nN =const 时 ,对 函数 了 工 求 极 大 , 即 可 得 信息 量 最 大 时 的 符号 种 数 N ; Ae, Hee 数 了 运用 Lagrange 乘 子 ， F(N,n,A)=N"+A(nN—C) (7.3) fA :InN =1 或 Ny y=e=2.72 这 里 X 是 在 编码 中 使 用 的 符号 的 最 佳 数 目 , 考虑 到 符号 数目 只 可 能 是 整数 ,因此 No=3。 到 这 里 ,我 们 仅 考虑 了 DNA 的 信息 贮存 的 作用 方面 ;还 需 考虑 DNA 的 信息 复制 的 作用 方面 。 根据 Watson-Crick 碱 基 对 互补 原则 , 碱 基数 目 一 定 要 是 偶数 的 , 即 成 对 的 。 每 一 碱 基 需要 有 一 个 与 它 互 补 的 碱 基 相 匹配 。 这 就 是 说 符号 数目 必须 为 偶数 , 结合 上 述 Wo=3 HAE, 可知 ， 三 种 碱 基 只 能 形成 一 对 半 互 补 对 ,还 缺 一 种 碱 基 , 因 此 N 只 有 等 于 4, 即 DNA 中 碱 基数 目 为 4 OY, DNA 的 功能 将 有 最 大 的 效率”, 既 可 发 挥 信 息 贮 存 作用 ,又 可 发 挥 信息 复制 作用 。 ye 现在 我 们 来 讨论 遗传 密码 的 基本 结构 , HOE, MARKER 了 遗传 信息 寓于 DNA, 通 过 色 层 分 析 及 X- 射 线 衍射 分 析 建 立 了 DNA 的 双 螺 旋 结 构 及 碱 基 互补 原则 ， A-T G-C 本 节 中 要 讨论 的 遗传 密码 指 的 是 DNA 中 的 碱 基 及 其 排列 方式 : -Watson-Crick 的 碱 基 对 互 补 原则 基 于 下 面 二 个 条 件 :(1) 立 体 条 件 : 在 DNA 双 螺 旋 中 , 喀 啶 只 有 和 嗓 叭 相连 ;(2) 氨 键 条件 : 碱 基 对 之 间 必 须 至 少 有 二 个 处 于 合适 位 置 的 质子 ,以 形成 至 消 ota. 根据 条 件 (1)、(2), 可 以 确定 ,在 DNA 的 四 种 碱 基 中 只 有 A-T.G-C 组 合 的 可 能 。 但 是 ， Delbrick 和 Schrodinger’ 早已 指出 ,如 果 在 某 种 大 分 子 里 存在 遗传 密码 , 则 和 突变 相对 应 的 这 种 遗传 密码 里 的 不 连续 变化 可 能 决定 于 这 种 大 分 子 是 否 存在 互 变异 构 。 在 DNA 中 的 碱 基 ， 有 简单 的 互 变异 构 现象 ( 见 4.2.2)。 我 们 知道 , 互 变异 构 的 变化 ,是 因为 质子 在 该 碱 基 中 所 处 位 置 的 不同 ;而 氢 键 的 本 质 即 是 一 个 质子 共享 二 个 处 对 电子 , 即 ::H…: 或 :… 互 :。 因 此 ,我 们 可 以 把 注意 力 集中 在 碱 基 的 质子 .电子 对 上 ,采用 Lewis 记号 ,这 样 遗传 密码 的 基本 结构 就 以 质子 -电子 对 表征 出 来 了 ， 。 274° Ba. 人 ™ Se + a H: 而 其 相应 的 互 变异 构 体 编码 即 为 : Hi Er: a ca re os : : H: 如 果 我 们 再 用 互补 原则 的 二 个 条 件 来 衡量 这 四 种 碱 基 及 其 四 种 异 构 体 中 所 可 能 的 碱 基 对 结构 ， 则 发 现 也 可 以 有 下 列 配对 方式 ; Anos) ae Meer, > GT 这 就 意味 着 在 DNA 复制 过 程 中 ,如 果 由 于 某 种 原因 ,在 模板 DNA 分 子 或 营养 物质 中 出 现 互 变 蜡 构 形 式 的 碱 基 , 则 在 拷贝 过 程 中 会 引进 一 个 错误 。 这 样 , 使 原来 应 该 是 G-C 对 的 地 方 变 成 了 A-T 对 ,或 原来 应 该 是 A-T 对 的 地 方 却 变 成 了 G-C 对 ;这 是 因为 ,一 个 复制 错误 ， 会 一 步 步 地 经 生物 “放大 ,最 终 很 快 会 变 得 可 以 识别 , 这 就 是 Watson-Crick 提出 的 突变 机 制 ,图 7-10， Cc G—c G a gc aon 5 全 <、 -G—C b= G—C G-—Cc G-—T A—T G—C G-—Cc: 正常 复制 互 变异 构 复 制 图 7-10 Watson-Crick 突变 机制 7.2.1.2 DNA 立 型 复 制 的 复制 平面 模型 首先 要 说 明 , 在 这 里 我 们 讨论 的 是 一 般 双 螺 旋 的 DNA 的 复制 。 有 些 噬菌体 ,如 6X 174, Mi: AMIE DNA, BAS BNL. 原则 上 来 讲 ,DNA 5 Hl = POL. ORB Hl, CER SH ST BH), 2 初 Watson-Crick 提出 的 复制 模型 过 于 简单 ;事实 上 , DNA 复制 涉 及 旋 绕 - 解 旋 机 制 , 这 是 个 十 分 复杂 的 拓扑 问题 。 由 于 从 理论 上 讲 ,DNA 复制 机 制 有 许多 存在 的 可 能 性 ,因此 只 有 用 实验 去 确认 何 种 机 制 真 正 存在 。1958 年 ,Meselson 和 Stahl5221 的 实验 确认 了 复制 过 程 中 遗传 材料 是 半 ”保留 的 ;后 来 Taylor'…! 又 从 蚕豆 染色 体 复制 的 研究 中 进一步 证 实 了 此 结果 , 但 这 在 具体 细节 上 还 要 作 许 多 解释 。1955 年 Delbrick5… ,后 来 又 和 Stent”) 提出 了 DNA 复 制 的 Y 模型 ， 然 而 Kornberg" Wy i Ue eH, 核 苷 酸 只 能 从 聚 核 苷 酸 链 的 自由 糖 端 加 上 去 ， 又 因 DNA 的 两 条 链 是 反 向 的 ,因此 曾 一 度 认 为 Y 型 模型 的 复制 方 式 不 可 能 存在 。 原来 Cairns’? :用 氧 标记 胸 昔 并 用 放射 自 显 影 术 作 了 大 肠 杆菌 复制 实验 , 令 人 信服 地 证 明 复 制 机 制 是 Y 型 的 并 涉及 旋 绕 - 解 旋 过 程 。 所 以 当时 已 知 线形 的 双 螺 旋 DNA 是 Y 型 复制 。 遇 到 的 问题 是 根据 Y 模型 ,DNA 解 。 旋 之 后 , 单 股 DNA HF R-RRMA RAS A. 将 会 有 很 大 的 自由 诬 。Watson-Crick 结构 Gin Ab AS EPR AR PE, BINGEN Eb 对 喀 啶 在 双 螺 旋 内 部 是 必要 的 ; 但 在 单 股 DNA 情况 下 ,这样 的 立体 条 件 是 否 仍 属 必要 ,就 很 难 讲 了 ,这 是 否 意味 着 碱 基 配 对 时 只 有 氨 键 条 件 起 作用 ? 事实 上 ， * 275 碱 基 对 自发 突变 的 机 率 非 常 小 ,每 代 只 有 10° 10°", MAAN WR, DNA YY 型 复制 时 ,一 定 有 着 某 种 机 制 维持 着 Watson-Crick 碱 基 对 互补 原则 。 基于 这 一 考虑 ,Lowdin5 提出 了 DNA 复制 的 复制 平面 模型 , 即 DNA 复制 选择 原理 。L5wdin 基 于 Rich") 的 多 股 螺旋 存在 的 观点 , 设 想 有 一 个 DNA 四 股 螺旋 ,但 这 四 股 螺旋 只 在 某 一 碱 基 平面 上 可 以 存在 ,这 平面 位 于 Y 模型 的 交叉 点 上 。 这 平面 就 称 作 “ 复 制 平面 >。 如 图 7-11，hi hz hsb, BA PY 股 螺旋 。L5wdin 根据 对 在 这 一 平面 上 的 氨 键 成 刍 图 7-11 复制 平面 ， 一 股 DNA 绕 轴 te 条 件 的 分 析 ， 得 到 了 DNA 合成 时 的 选择 原则 。 下 二 面 ， 我 们 详细 介绍 这 个 模型 。 — LU, 46 — RAR 相对 于 螺旋 轴 的 角 庆 大 约 是 90。 ; 当 有 四 股 螺旋 时 ， 而 其 糙 确 酸 肯 架 之 间 又 没有 任何 的 密 堆 积 , 这 样 四 股 螺 旋 所 占 的 总 空间 要 比 双 螺 旋 大 得 多 。 在 复制 开始 前 母 。 276。 7-12 BA DNA 的 股 间 气 键 打开 使 hs 位 置 中 的 一 股 DNA 转 至 h 位 置 ， 使 质子 -电子 对 码 处 于 开启 状态 ， 这 时 有 一 个 暂时 氢 键 形成 ， 图 中 波纹 线 即 是 HL-- 志 AGN-H——-NCN 总 AN O>---H-N A B 图 7-13 新 的 互补 碱 基 配 对 之 后 的 复制 平面 ， 这 时 形成 二 对 暂时 气 键 (波纹 线 所 示 )， 并 可 起 “纯化 "作用 | 体 DNA 的 二 股 螺旋 处 于 hi\h? 的 位 置 。 现在 先 设想 一 种 最 简单 的 情况 :使 这 二 股 螺旋 碱 基 间 的 所 有 氢 键 同时 断 开 ,并 使 整个 he 螺旋 Se 自由 旋转 至 h 的 位 置 , 再 与 ht 上 的 碱 基 形成 一 个 新 氢 键 。 这 样 ,相应 的 质子 -电子 对 码 处 于 开启 状态 ,并 且 这 二 股 糖 -磷酸 骨架 移动 的 位 置 要 比 原来 的 更 向 外 面 一 些 , 使 得 核 苷 酸 容易 进入 复制 位 置 。 同 时 ， 质 子 码 仍 被 螺旋 屏蔽 ,不 至 受 外 界 环境 的 “ Fe, 如 图 7-12。 在 这 个 最 简单 的 模型 里 , 是 以 整个 母 体 双 螺 旋 作为 模板 的 , 因 每 一 平面 具有 一 个 嘎 崔 及 一 个 喀 啶 , 因此 互补 原则 所 要 求 的 主体 条 件 仍然 有 效 : 这 样 ， 每 一 碱 基 只 接受 一 个 符 合 氨 键 条 件 及 主体 条 件 的 配对 碱 基 , 如 此 就 形成 一 个 四 碱 基 的 平面 , 如 图 7-13。 现在 ,基于 上 面 这 一 最 简单 的 模型 , 再 考虑 一 个 进一步 的 模型 , 即 只 采纳 “复制 平面 ?的 概 念 。 设 想 此 平面 从 母体 双 螺 旋 的 一 端 一 步 步 地 移 至 另 一 端 ， 从 而 使 二 股 螺旋 逐步 解 开 ; 或 者 也 可 以 看 作 复制 平面 基本 静止 而 母体 双 螺 旋 作 螺 旋 运 动 ， 这 可 能 与 模型 更 符合 些 。 这 里 要 指出 ， 处 于 复制 平面 上 的 二 股 分 开 的 螺旋 的 位 置 (图 7-11 的 hl、hs 位置 ) 为 一 暂时 性 的 氢 键 所 稳定 ,并 A N 7 位 上 的 扳 对 电子 和 CH; 基 或 NH, 基 上 的 质子 间 也 可 形成 气 键 ， 这 一 氨 键 对 于 稳定 处 于 ha hs 位 置 的 二 股 螺旋 也 起 作用 。 在 这 个 进一步 的 模型 里 ,母体 螺旋 上 的 密码 对 每 次 只 在 一 点 打开 , 即 只 在 复制 平面 上 打开 ,而 其 余 大 部 分 母体 双 螺 旋 仍 处 于 原来 的 正常 位 置 , 只 是 在 复制 平面 邻近 的 区 域 里 的 那些 母体 结构 处 于 一 个 中 间 状 态 ， 其 糖 -磷酸 骨架 稍 作 变形 从 而 适应 螺旋 的 解 旋 .在 这 一 过 程 中 ,由 于 分 解 和 合成 同时 进行 , 故 不 需要 很 大 的 起 始 能 量 ; 每 一 复制 平面 上 ， 当 互补 碱 基 配 对 时 ， 有 5 一 7 个 新 键 形成 ,此 时 释放 出 来 的 能 量 可 用 于 打开 母 体 螺旋 上 的 2 一 3 个 氨 键 及 在 前 一 复制 平面 上 的 二 个 暂时 氢 键 ， 如 图 7-14。 复制 平面 不 仅 提供 了 Watson-Crick 结构 互补 性 所 要 求 的 严格 立体 条 件 ， 并 且 还 对 用 于 合成 的 核 苷 酸 材 料 起 纯化 的 作用 , 以 避免 复 制 时 引入 错误 。 这 可 以 这 样 来 看 , 即 在 复制 平面 中 部 有 一 个 特征 的 平行 四 边 形 , 二 个 氨基 ,二 个 酮 基 分 别处 于 对 角 。 此 时 ， 这 些 基 团 是 双重 配对 的 ,这 种 双重 配对 对 于 防止 一 个 在 环境 里 的 互 变异 构 体 碱 基 引入 新 合成 的 DNA,， 有 重要 作用 。 现 以 一 个 A-T 复制 平面 为 例 , 如 图 7-15, 只 考 虑 关键 基 团 ， 如 只 根据 互补 要 求 的 二 个 条 件 ， 有 三 种 碱 基 配 对 可 能 性 存在 ， 但 是 (Xes) 情 况 则 二 个 质子 相遇 ,在 (sf ) 情 况 则 二 个 孤 对 电子 相遇 ， 它们 之 间 都 有 很 大 斥 力 , 结 构 不 可 能 稳定 ， 只 有 鸡 ) 情 况 , 可 以 形成 额外 的 临时 的 A 键 ,而 使 结构 稳定 。 如 此 就 限制 了 一 个 互 变异 构 碱 基 引 入 DNA。 这 就 是 双重 配对 的 “纯化 > 作用。 但 是 ,这 种 复制 平面 机 制 并 没有 排斥 一 对 互 变异 构 体 引 A DNA 的 可 能 性 ,不 过 这 种 机 率 很 小 。 Lowdin 的 复制 平面 模型 ( 即 DNA 复制 选择 原理 ) ,解释 了 为 何 存 在 Y 型 DNA 复制 时 候 能 维持 其 精确 性 。Lowdin 的 模型 是 60 年 代 中 期 提出 来 的 ,这 一 模型 并 没有 去 解决 了 复制 时 的 核 苷 酸 只 能 从 聚 核 苷 酸 链 的 自由 糖 端 加 上 去 的 了 矛盾。 当时 认为 ,人 ornberg 的 实验 结果 是 在 离 体 条 件 下 得 到 的 ,可 能 在 体内 有 不 同 合成 机 制 ,从 而 过 避 了 这 一 韦 盾 。 现 在 我 们 知道 ,新 链 合成 总 是 从 5 全 3“ Fy pale TT AY, xs? RH DNA 片段 合成 的 间断 复制 机 制 , 并 用 实验 给 以 证 实 ,在 分 子 水 平 上 解决 了 这 一 了 矛盾。 但 是 间断 复制 在 电子 水 平 的 机 制 尚 不 清楚 , 这 个 问题 向 量 子 遗 传 学 提出 了 挑战 。 7.2.1.3 遗传 密码 的 质子 -电子 对 模型 Lowdin' 提出 了 遗传 密码 的 质子 -电子 对 模型 ,这 是 用 量子 力学 方法 来 处 理 DNA 复制 和 ° 277 * 下 AN 来 (A 7) 平面 ( Oe) 平面 (人 2) 平面 ， 7-15 暂时 氢 键 的 “纯化 ?作用 突变 机 制 的 首次 尝试 。 我 们 已 经 知道 ,在 DNA 复制 中 碱 基 配 对 及 互补 性 氢 键 对 有 着 重要 性 作用 。 当 一 个 质子 与 二 个 电子 对 相互 作用 时 ,其间 就 形成 了 氨 键 。 这 时 质子 的 平衡 位 即 处 于 双 势 阱 的 最 小 势 阱 中 ,图 7-16 (参见 3.2.2)。 质 子 可 看 作 是 一 波 ,因此 在 一 定 条 件 下 可 穿 过 经 典 禁 阻 的 势 垒 , 即 有 遂 道 效 应 .从 遗传 密码 的 质子 -电子 对 结构 可 知 , 质 子 在 一 对 互补 碱 基 间 的 转移 ,将 形成 相应 的 互 变异 构 体 , 从 而 影响 DNA 复 制 的 精确 性 , 即 产生 突 变 ,这 就 是 LOwdin 模型 的 基本 思想 。 这 种 质子 转移 的 可 能 性 决定 于 其 障 道 效应 的 穿 透 机 率 。 在 遗传 密码 里 的 质子 ,是 与 环境 隔 开 的 ,但 热 运动 仍 可 通过 化 学 键 传 到 质子 上 ,另外 质子 在 热 运动 的 影响 下 也 有 可 能 越过 势 垒 而 发 生 转移 ,因此 在 计算 质子 在 碱 基 间 的 转移 时 ,也 要 考虑 热 运 动 。 不 过 可 以 把 这 二 种 因素 分 成 二 步 来 考虑 , 先 考 虑 联 道 7-16 和 氢 键 的 双 势 阱 图 7-17 方 势 又 效应 的 因素 , 再 将 热 运动 的 因素 加 进去 ,然后 计算 总 转移 。 在 这 里 先 简 单 介 绍 隧道 效应 。 考虑 厚度 为 4 的 方 势 垒 ,如 图 7-17。 这 是 一 个 一 维 体系 ,相应 的 Schrodinger 方程 为 h? Op Fe ete +Vyp=Eyp (7.4) 4 p=V2m(E—V), K=2=4 yim(i—V) ; (7.5) 则 式 (7.4) 可 写作 | Oy /Ox?=— Kp (7.6) RAV s FE Be IR IE HER YT tv, 作 一 粗略 的 估 计 。 Hamilton 量 可 fF: 32 a + -(2ay,)? (*#—€,)? (7.18) * 280° BE 2b, 是 质子 在 基态 时 在 势 壁 间 来 回 振动 的 二 个 经 典 回 折 点 间 的 距离 , 则 Ey =">(220,)*b"= on (7.19) 即 MGT (7.20) - 著 于 用 入 作 单 位 , 则 patie. 10'*sec"! (7.21) Fe TATA Se fit} — F vs AIA, — REO. <1 A, 假定 六 :0.3 A Ml v,~10" sec’, kT eR 是 合理 的 。 而 能 级 L=(n+1/2)hy, 的 间隔 为 4.1408 其 数量 级 在 0.04 eV。 最 后 ,可 以 导 得 质子 在 单位 时 间 内 的 透射 机 率 : x 1077eV (7.22) hy, -一 ng Hitt x ] 012-14.992xaere (7.23) Hest ab, BAA, V, 要 用 eV Mh. RRM, x0 Mere it, sO (7.23) 偏差 较 E > : 现在 ， 我 们 进一步 来 考虑 热 运 动 对 质子 转移 的 影 Wi). AREY OPS a .热平衡 问题 非常 复杂 ， 故 这 里 只 能 粗略 地 假定 质子 在 氨 键 里 的 热平衡 可 用 Boltzmann 分 布 来 描述 。 e-FI*? 并 假设 质子 最 初 处 于 左 势 阱 中 ,并 已 达到 热平衡 ,如 图 图 7-20 热平衡 时 质子 在 势 叶 里 有 4-20, JS Boltzmann 分 布 先 来 考虑 势 阱 里 和 势 又 上 面 的 质子 的 Boltzmann 分 布 , 将 Boltzmann 因子 化 作 以 10 为 底 BY LATE + BR exp[ —(V,—V,)/kRT]=10-7* 672-7) (7.24) 1x HK” =logie/kRT =5040 /T ,在 正常 人 体温 度 下 ,了 =310K 则 天" 王 16.26 ,而 在 冰点 和 沸点 BAS A” 分 别 为 18.46 和 13.51。 再 计算 一 下 差 一 个 能 级 时 的 质子 Boltzmann 分 布 , 能 级 间隔 取 0.04eV (前 面 已 计算 过 ) , 卫 取 310 KK, 这 时 Boltzmann [Af 10-° "1/4, 这 意味 着 在 平衡 时 ,质子 的 分 布 机 率 会 大 部 分 集中 在 势 阱 的 底部 (计算 时 b,~0.3 A), 当 能 级 = 10 与 能 级 2=0 相 比 时 ,其 分 布 机 率 之 比 将 是 10°, AEA ABE V2—Vi=1eV, Ml #8 bz AY Boltzmann 因子 将 是 10 ,这 表明 在 势 垒 以 上 质子 分 布 的 可 能 性 极 小 .因为 势 驳 变化 0.1 eV ,相应 的 Boltz- mann 因子 却 要 变化 10-:… ,所 以 能 量 计 算 要 非常 精确 。 现在 来 看 考虑 了 热 运 动 之 后 ,质子 的 转移 。 原 则 上 讲 ,计算 时 要 考虑 穿 透 的 和 因 热 运动 而 越 过 势 鸡 的 二 个 因素 。 这 里 仅 计 算 穿 透 情况 , 若 粗 略 地 计算 ,可 将 Boltzmann 因子 乘 以 一 个 质子 «281 « | } ”在 每 秒 内 之 透射 几率 g , 则 得 考虑 了 Boltzmann 分 布 后 的 穿 透 转移 ; Q(x) =v, gexpl —(E—V,)/kT] : (7.25) MEF SAER PRI DE ATUL ES HE — PIR ER = Vs IY Fe B, 5X te Boltzmann 因子 2S St: expl —(Vs—V)/kT] ie HF 7 =310 K,Boltzmann 因子 是 5 p= 10 SN (7.26) BL GET Boltzmann 分 布 后 的 质子 穿 透 转移 将 是 ”8 了 ,需要 指出 ,这 时 计算 后 的 结果 将 是 相 SEEDER V7, 的 穿 透 转移 值 。 表 7-4 分 别 列 出 了 各 个 势 爸 高 度 时 及 各 种 能 级 差 时 前 质子 在 每 a | Bee Lam Boltzmann 因子 值 。 和 表 7-4 每 秒 内 质子 的 穿 透 机 率 ne V, or AF n m V, or AZ n m ‘ 0.0 13.000 0 1.5 1.9789 * —24.39 0.1 10.172 —1.626 2.0 0.272 一 32.52 0,2 8.975 8-252 2.5... 1.230 i 0 a65, 0.3 8.070 一 4.878 3 一 2.588 48.78 0.4 7.308 一 6.504 4 一 6.000 一 65.04 0.5 6.636 —8.130 5 —7,125 Ly 8130 1.0 4.000 —16.260 6 —9.045 ero ee Se TE Se a ane aceite SUERTE NR eee su * PAPBMH,a,=0.6A, Vi=aVi—Vs, Hig =10-" RAE Boltzmann + B=exp(- eee “计算 时 MT = 310K， 计 算 结 果 以 了 3 三 10" 形 式 表示 ,能 量 单位 以 eV 表示 。 J 我们 通过 上 面 的 计算 ,可 以 得 到 质子 转移 的 数量 级 概念 。 现 在 再 回 过 来 讨论 DNA 中 质子 。 药 自 发 转移 。 前 面 已 讲 过 ,质子 在 一 个 碱 基 里 所 处 位 置 的 变动 会 导致 互 变异 构 体 的 产生 ,这 是 复 | 我 们 来 看 碱 基 对 间 质 子 隧道 效应 引起 的 情况 ,在 通常 情况 下 , 碱 基 问 号 电 疹 是 平衡 的 , 当 一 个 质子 向 某 一 方向 穿 透 时 ,为 了 保持 总 电荷 中 性 ， 极 可 能 引起 相反 方向 的 另 ”一 个 质子 的 穿 透 ， 即 二 个 质子 在 相反 方向 同时 穿 透 的 净 结果 将 是 Re to ele i<-H> cdl nad 从 而 导致 破 基 转 变 即 产生 了 一 -对 互 变异 构 碱 基于 ， ag A-T>A*-T*, G-C+G*-C* 如 果 氢 刍 在 这 时 拆 开 , 则 会 有 一 种 异 构 复制 的 形式 产生 , 即 会 有 一 个 突变 ,如 图 7-2， ”我 们 要 利用 前 面 计算 的 结果 来 估计 这 种 因 质 子 障 道 效应 引起 的 自发 突变 率 有 多 大 。 所 键 时 | 的 质子 处 于 双 阱 势 势 场 , 其 二 个 孤 对 电子 供 体 分 属于 嘎 叭 或 喀 啶 ,而 其 电 灌 分 布 当然 是 不 同 的 时 《参见 第 四 章 ) ,因此 气 键 的 双 阱 势 不 对 称 。 作 为 一 级 近似 ,可 用 下 式 计算 两 个 不 对 称 双 阱 势 劳 了 RADE Re? V3;—Vi,=7.199(qi—qz2) (eV) (7.27) ¢ 282 « =. 3D gy qo 分 别 是 氨 键 里 二 个 电子 对 供 体 的 电荷 密度 ,其 值 取 自 Pullman'®*}qy HMO 计算 值 如 图 7-22。 由 此 可 得 气 键 里 的 阱 底 势 差 ,“+ ”表示 最 低 的 阱 在 键 左边 ,“ 一 "表示 在 右边 , 能 量 后 的 数字 系 卫 一 310K 时 ,最 小 穿 透 能 级 时 所 对 应 的 Boltzmann 因子 : A-T G-C, +1.886eV: 10°% —1.742eV; 10-8 —2.606eV; 10°” +0.957eV; 10-155 “+1.864eV; 10°” 前 面 已 提 到 , Boltzmann AHAB REE. A ERE EMT RERBHAR MAAR, 不 过 我 们 可 在 这 里 作 一 些 合理 的 估计 。 事 实 上 ao 远 小 于 1A;, 例 as=0.6A。 从 上 面 列 出 H 的 Boltzmann 因子 可 以 看 出 ,除了 G-C 对 中 间 wee aires Bis ZA at Sb , HE Re A ES EBT RE TE), 人 二 3 即 DNA 中 的 遗传 密码 除了 一 个 可 能 的 例 外 以 Z 1.359 HAA at / A PERBEAORE. ALE ERDE G-C 对 ae nl ay 之 中 间 氢 键 的 质子 转移 。 取 已 一 0.3A, 根据 式 dr (7-23) ,在 一 个 复制 循环 * 秒 里 ,质子 的 穿 透 几 Ry at 率 将 是 | vmigr=r x 10 80” (7.28) H 1,5090:-7~ HN 1751 OS hae Cc rar) GN *. ‘1.509 / N ora G*Lc 质子 穿 透 HT AR ae A Phe 1.723 45 G°-T,. A+ 7; A—T. AC iB 图 7-21 质子 穿 透 引 起 的 突变 图 7-22 ”互补 碱 基 对 中 氢 键 里 电子 对 供 体 的 HMO 电荷 密度 取 r~10*sec, Bll 20 4>4h:V,=2 eV iil vigt~10*°, HELL Boltzmann 因子 107'°**, Mil 可 得 在 每 一代 G-C oa fil PP fa SA A Se EH Vt (V3—Vi1) =24+0.96 =2. 96eV, Mil Bolt- zmann 因子 为 10- 皇 ,这 实际 上 表明 质子 越过 势 垒 的 可 能 性 极 小 。 因此 ,主要 因素 是 穿 适 。 对 于 Fo=1eV，, 每 代 G-C 对 复制 中 的 质子 转移 率 的 数量 级 将 为 10-*5, 这 时 总 势 垒 高 度 是 1.96eV， 其 Boltzmann 因子 为 10-2? ,质子 越过 势 垒 可 能 性 也 极 小 。 有 意思 的 是 Pullman5?9 夫 妇 曾 用 一 种 完全 不 同 的 处 理 方 法 , 即 通过 共振 能 或 离 域 能 来 讨论 碱 基 的 稳定 性 ,也 得 出 了 G-C 对 突变 率 要 高 于 A-T 对 这 一 结论 。 这 些 结果 对 于 讨论 与 DNA 分 子 碱 基 成 分 变化 有 关 的 进化 理论 非常 重要 。 要 说 明 一 下 :上 述 数量 级 概念 导 得 的 过 程 中 , 用 的 是 HMO 计算 的 电荷 , 这 与 Hiickel 参数 。 233。 A eG RS Gao Pa | | Se As corn 人 > a Ce ee ee pe 7 4 eee es . 选择 很 有 关系 。 上 述 结 果 是 初步 的 。 要 得 到 碱 基 对 中 人 氢 键 计算 的 满意 结果 ， 只 有 通过 解 量 了 为 学 多 体 问 题 以 充分 考虑 质子 移动 对 gc 和 z 电子 极 化 的 影响 。 才 有 可 能 。 再 来 讨论 一 下 DNA 中 诱导 的 质子 转移 。 如 果 由 于 某 些 原 因 使 碱 基 对 上 的 电 疹 分 布 变化 ， 例如 由 于 电离 辐射 .施主 - 受 主 反应 、 质 子 加 到 嗓 叭 碱 基 N 3 或 N 7 抓 对 电子 上 ,或 外 电场 存在 等 等 ， 都 可 以 使 气 键 中 的 双 阱 势 形状 变化 ， 这 样 质子 转移 的 机 素 将 会 增加 几 个 数量 级 。 如 果 还 有 些 情况 使 势 爹 完全 消失 或 降低 很 多 ,这样 穿 和 还 和 越过 势 双 都 很 容易 发 生 。 在 这 些 情况 下 ,质子 转移 主要 向 一 个 方向 进行 ， Fic. : ohh ee Fas | Sea < 这 导致 A-T 型 转变 成 A--T 、A--T- 型 ,或 G-C Al fe ae eh G"-C* G*-C778 ; if A AE AR BEANIE Fi WEEE A, BE RPT HE Ze 9 | RS 1 Rf RE FE BS lle PTS. Re i BPS REG 导 转 移 将 导致 不 可 逆 突 变 。 以 上 介绍 的 就 是 Leowdin 的 遗传 密码 质子 -电子 对 模型 。Lowdin 的 复制 平面 模型 讨论 的 是 “结合 错误 ”, 即 一 种 由 于 环境 中 的 互 变异 构 体 对 结合 到 复制 的 DNA 中 而 引起 的 自发 突变 ,而 他 的 质子 -电子 对 模型 讨论 的 是 “ 异 构 错 误 ”, 即 由 于 DNA 碱 基 对 中 的 气 键 里 的 质子 转移 形成 异 构 体 而 引起 的 自发 突变 。 这 些 模 型 虽然 都 较 粗 糙 ,但 其 定性 结果 却 是 令 人 鼓舞 的 , Lowdin 模型 的 成 功 在 于 量子 力学 进入 了 遗传 学 ,使 遗传 学 进入 了 一 个 新 的 层次 一 一 量子 遗传 学 。 7.2.1.4 一 级 微 扰 模型 Lowdin 的 质子 -电子 对 模型 是 一 种 不 涉及 代谢 的 突变 (metabolic independent mutation, MIM) (ial ee. Drake? 等 以 代谢 惰性 的 Ts 病毒 粒子 之 DNA 分 别 于 0"C 和 20*C 时 放 在 一 种 稳定 的 介质 中 ,使 此 DNA 处 于 细胞 外 环境 ,观察 到 随时 间 的 增加 点 突变 损伤 有 积累 。 即 存在 非 诱 导 的 不 涉及 代谢 的 转 位 和 转化 突变 。 这 一 实验 结果 支持 了 Lowdin 的 模型 。 对 Lowdin 模 型 的 批评 主要 在 于 该 模型 所 预示 的 DNA 复制 稳定 性 太 高 , 另外 还 有 计算 表明 在 37"C 时 人 类 每 个 细胞 每 24 小 时 内 大 约 有 100 次 非 诱发 的 不 涉及 代谢 的 突变 发 生 fa1。 因 此 Cooper"? 48 DNA 氧 键 内 质子 迁移 的 一 级 微 扰 模型 以 从 动力 学 角度 来 定性 地 讨论 碱 基 对 中 的 质子 迁移 ， 而 L5wdin 模型 实质 上 讨论 的 是 质子 转移 的 “热力 学 ?稳定 性 。 Cooper 模型 的 基本 思想 是 DNA 股 间 氢 键 内 的 质子 的 近 端 原子 和 质子 的 远 端 原子 因 微 扰 而 引起 相互 作用 , 微 扰 提供 了 相互 作用 的 交换 能 量 , 使 近 端 原子 变 成 远 端 原子 , 远 端 原子 变 成 近 端 原子 , 即 质 子 相 对 于 这 二 个 原子 来 说 位 置 是 转移 了 。 交 换 能 量 减低 则 质子 转移 容易 发 生 , 因 此 中 心 问题 是 要 求 处 在 什么 条 件 下 ,这 一 交换 能 量 会 降低 , 即 质子 转移 几率 增加 。 下 面 我 们 来 介绍 Cooper 的 一 级 微 扰 模型 。 现 考 虑 DNA 股 间 质子 转移 的 模型 反应 O---H—N-O—H:---N BAS A Bat (YY Fi FM] A hs ML 7-23 该 系统 的 整个 势能 面 如 图 7-24， 可 以 看 出 这 种 势 是 分 块 的 模 型 等 能 面 。 。 284。 ee ee ee 4 —— x - ———————-Y— 图 7-23 JER ARAB, x PRAM O 原子 延伸 至 图 7-24 模型 气 键 体系 的 位 能 面 质子 Ma，y 坐标 是 从 N 原子 延伸 至 质子 N 人 靠近 互 的 气 键 构 型 (hydrogen bond configuration) (O---H—N)/A4EM AEA A| «> RAR, 也 一 N 振 子 的 坐标 为 工 , 而 氧 原子 O 则 沿 X 坐标 振荡 。O faut Hy al Bey a! O—H---N 用 非 相 互 作 用 态 18 表 示 , 这 时 远 端 原子 N 的 振荡 则 沿 y 轴 方 向 ,而 式 坐标 则 是 振子 0 一 再 的 位 移 。 以 下 用 表示 态 记 号 。 整 个 位 能 面 由 了 .Ta 和 To 三 块 模型 能 面 组 成 。T. 是 模型 反应 反应 时 WRC SE Bt Ve 是 在 相互 作用 区 为 aba eee O 里 的 中 心 质子 至 远 端 原子 N 及 O 的 距离 。 即 整个 位 能 面 可 看 PE AE PT PHY AAS BY AY BC OD BD EE HT VCRYISYV CYL EV AXH AV CKY); (7.29) 这 里 co， (Y <0) V.(Y)= 0, en) (7.30) Vo, (,.L,), V,(Y)=VAY)—Vo, (7.32) V »(X)H=V CK) +V 5, (7.33) av(xyy=[! Ree ee | (7.34) 0, 其 他 区 域 0 委 工 过 态 |c> 时 的 二 个 方 势 阱 如 图 7-25, 态 |B8 时 的 二 个 方 势 阱 如 图 7-26， 微 扰 AF 的 势 如 图 7-27 表 ary 从 图 7-26 也 可 知 双 原 子 振子 O—H fy 48 A HE AE VO—V.. “A|O> MH Hamilton 算 符 H, 如 = 7-26 态 187? 的 势 ，4。 远 端 气 原子 ， 互 。 双 原子 振子 O—H 7-27 rico RON * H,=7,+T7Typ+V.(X)+V,(Y) (7.35) 31,7, He WRT (HN 或 0 一 H) 的 动能 算 子 ;2 :是 远 庙 原子 的 动能 算 子 ， 态 |c>、 ee? I DF the F929 1 EL dF MM tama YRS Gy” (7.36) M,Mo He M+ Mo (7.37) AS | 0) UATE H,|p»=£,|p), (7.38) 1B, 是 系统 的 总 能 量 。 从 式 (7.35) 至 (7.37) 可 知 , 若 氨 键 里 的 端 原子 质 量 Mo # My 一 样 ， 则 |c> 态 及 | 6 > 态 将 是 同一 个 Hamilton 量 的 本 征 态 ,将 会 正 交 ,这 一 假定 对 于 三 粒子 氢 键 的 定性 模型 是 允许 的 。 BAA | a) An | 8》 间 非 反应 的 稳 态 氢 键 体系 出 发 来 讨论 ,反应 机 率 9 op 可 表示 为 ， W ap === | 时 ， 二 个 一 维 粒子 体系 的 联合 波 函 数 满足 下 列 方程 ， 人 (+ aa ay7)+ B,—V,(X)—V,(¥)}¥, (XY) =0, (7.40) ss 286 « 这 里 归 一 化 的 质心 坐标 人 许 用 一 个 简化 质量 表示 。 束 鲁 态 双 原子 振子 的 本 征 函 数 是 TOwsm(Ew8)， (0 MO BK FA Ae Wl an F sk , Y ,(n| 88") = CnpCnpSin( PapS )sin( K,,S’), (7.59) ik 24 | a) AI, S S54) WX ALY 324] BASIE SS! ay BY AX, 我 们 的 目的 是 要 求 出 转移 率 增加 时 的 条 件 。 从 式 (7.39) 知 ,要 求 出 转移 率 os"。p， 必须 知道 在 相互 作用 区 域内 态 12> 的 波 国 数 。 这 就 是 上 面 宛 长 的 推导 的 目的 。 现 在 ,我 们 可 以 将 波 函 数 代入 式 (7.39) ,来 解 与 转移 率 有 关 的 条 件 。 在 把 波 困 数 式 (7.59) 代 入 式 (7.39) 后 ,可 得 : H an= 7 |CnatnpCneCne AVF (LL) F (Ls) | 9 >. (7.60) 这 里 ， (0D)= 人 arTsin(KoT)sin(7FooD) (7.61) F(1,) =f dXsin(KypX)sin(FaeX). (7.62) 积分 后 , 式 (7.60) 则 为 ， 所 2 h | 人 CuwAp | | SHOE A no ne Me] pig sinl (Kne+ Pna)lo] | 全 Pred 2( Kas + Pra) ee PEAT PR wk PY AR SK (7.63) AY Bt A BRA AS | 6>|a》> 转 变 为 态 lc?187> 的 跃迁 率 。 利 用 等 式 ， sin(a +b) =sinacosb +sinbcosa, (7.64) A VAFEK (7.63) PRS BAF PCL) EH: F(l)= [天 ecos( 开 sp12) |? +0 PnaSin( K ngls )}?}'?sin(Psals—ha) (7.65) 2 2 ye. ee SD Be, ele ae 6 ORE RE An 58 ii ie din Da FB (7.66) Vaasin( K,,l,) : -1)_Yna*> has tam K ,,C0S( K ygls) 现在 来 看 式 (7.65) 的 分 母 ， p2.—-K3,, 这 里 了。 是 态 |a > 的 远 端 氧 的 波 数 ,天 是 态 1B > 的 O 一 H 振子 的 波 数 。 可 以 看 出 当 波 BIE 小 , 即 |cy 开 中 远 问 氧 治 束 轴 的 振荡 波 数 和 |B > 态 中 0 一 晶振 子 里 的 氧 沿 式 轴 的 振 动 波 数 接近 WF. WU) OH 。， 变 天 , 即 这 时 氢 键 从 | B> 态 变 成 |x> 态 的 几率 增加 。 同 样 也 可 以 把 式 (7.63) 中 大 括 号 里 对 应 于 丈 (2) 的 项 经 过 变换 得 到 分 母 为 p2, —K2, 的 项 。 这 里 Pn) 是 1B8 > 态 中 远 端 所 的 波 数 ,天 ,。 是 振子 H 一 N 的 波 数 。 同 样 也 能 看 出 ,这 一 项 中 分 母 变 小 , 即 波 数 益 趋 近 于 零 时 对 o%-。p 的 贡献 ,这 时 氢 键 从 | cy 态 变 成 | 8 > 态 的 几率 增加 。 从 式 (7.42).(7.44)、(7.52)、(7.53)、(7.54)、(7.55) .还 可 知 差 p2, —Ki, 包括 振子 的 振动 能 量 和 远 端 原子 的 能 级 之 差 。 所 以 我 们 得 出 质子 转移 率 增加 的 条 件 是 ， 氧 键 中 端 原子 在 两 个 态 里 的 波 数 要 “相似 ?;， 亦 即 振子 振动 能 量 要 大 而 远 端 原子 的 能 级 要 低 。 而 微 扰 AF(XT) 是 描述 氨 键 里 两 个 端 原 子 的 排 斥 相互 作用 :; 微 扰 加 于 体系 时 ,两 个 端 原子 相互 作用 , 近 端 原子 和 远 端 原子 发 生 能 量 交换 ， 和 质子 束缚 在 一 起 的 近 端 原子 因 排 斥 作用 获得 能 量 而 被 激发 至 远 端 , 远 端 原子 失去 能 量 因 吸引 作用 而 被 束缚 于 质子 近 端 。 这 一 交换 所 需 的 能 量 减 小 时 .模型 反应 的 反应 率 即 质子 转移 率 增加 ,而 这 一 能 量 是 与 振子 的 振动 能 量 及 远 端 原子 的 能 级 之 差 相关 的 。 gegen 振子 的 振动 能 量 增 加 时 , 则 质子 转移 率 增 大 。 这 些 就 是 Cooper 模型 的 中 心 结 问题 是 明显 的 ,在 体内 ， an eg ris ase tty FUME A OR 2 IR MLE 型 来 解释 的 。 因 此 ,在 体内 的 DNA 股 间 氨 键 里 二 个 端 原子 的 距离 会 随 生理 条 件 的 不 同 而 变化 。 在 0~37*C 范 围 里 ,温度 升 高 使 热 振 动 加 强 , 这 会 使 质子 转移 的 反应 率 增加 10 倍 以 上 0 。 这 些 情况, 反映 了 体内 DNA 的 "柔性 ,可 用 Cooper 模型 说 明 。 在 Cooper 模型 里 把 气 键 原子 间 的 运动 看 作 双 原子 振子 和 远 端 原子 运动 的 硝 加 , 双 原 子 振子 次 能 量 上 可 及 的 本 征 态 振动 ;而 远 端 原 子 的 运动 又 可 看 作 是 其 在 氢 键 里 的 原子 振动 和 宏观 振荡 运动 的 伏 加 ,这 一 宏观 振荡 即 是 把 两 股 DNA 视 作 经 典 的 “类 粒子 ? 间 的 相互 作用 .因此 , 远 端 原子 和 氢 键 里 质子 间 的 距离 随时 间 而 涨 落 。 当 DNA 某 部 位 的 振子 的 振动 运动 和 远 端 原子 的 振荡 运动 * 波 数 相 似 ? 时 或 者 该 部 位 的 振子 振动 下 降 时 ,将 会 使 质子 发 生 转 移 的 os- og 增加 ,这 个 部 位 即 可 能 对 应 于 所谓 的 对 非 诱导 遗传 变化 极为 敏感 的 “热点 ?突变 部 位 .如 果 DNA 螺旋 某 部 位 由 于 某 些 条 件 使 oz-。sn 下 降 ， 则 这 部 位 的 正常 的 租 伟 质子 -电子 对 码 款 可 稳定 ， 这 些 说 明了 为 什么 DNA 中 某 些 点 易 BEE, Cooper 的 微 扰 模型 从 定性 上 讨论 了 内 能 对 质子 转移 率 的 影响 ,这 一 转移 率 即 正比 于 模型 反应 的 反应 几率 。 。 289。 7.2.2 基因 表达 及 其 控制 的 数理 模型 7.2.2.1 DNA 转录 的 物理 模型 转录 是 基因 表达 的 第 一 步 。DNA 转录 过 程 中 ,RNA 聚合 酶 起 着 关键 的 作用 。 用 物理 方法 来 研究 转录 机 制 的 主要 困难 是 RNA 聚合 酶 极 少 停 " 在 DNA 上 5-… ,因此 在 RNA 合成 时 ,模板 构象 的 转变 仅仅 在 RNA 合成 的 活性 部 位 起 作用 ,而 整个 DNA 的 长 分 子 不 受 影响 。 所 以 研究 的 注意 力 往往 就 放 在 RNA 聚合 酶 和 那 极 短 的 一 段 DNA 所 形成 的 复合 物 上 。Ruger5 9 认为 与 RNA 聚合 酶 结合 的 DNA 部 分 不 到 三 个 螺 距 (大 约 30 PARA) ,并 发 现 转录 完 后 这 部 份 仍 保留 完整 。 曾 合成 过 一 些 上 述 的 复合 物 ,这 些 实验 的 模型 复合 物 有 着 聚合 酶 的 基本 功能 ,可 以 合 pe 15~20 个 核 苷 酸 的 一 段 RNA 分 子 。EFlorentiev_ and Ivanov '**) 4321 RNA 聚合 酶 的 作用 模型 ,如 图 7-28: 7-28 RNA 聚合 酶 作用 模型 ， 图 中 表示 图 7-29 ， 核 背 酸 结合 的 二 步 示 意图 ; AE RNA» 了 DNA 模板 及 生长 着 的 RNA 端 部 生长 部 位 处 的 二 个 已 结合 的 核糖 核 背 酸 , 右边 是 新 kin RAF LEWRA SPA, 0 RAR, 其 与 LIER —FEGP BE, HOE AC AR act Se RRA 按照 Florentiev 和 Ivanov 模型 , 当 RNA 链 增 长 时 ,核糖 为 3 羟基 和 攻击 核 苷 酸 之 5 -磷酸 酯 上 的 基 团 结合 ,而 RNA 碱 基 的 顺序 则 由 DNA BEND IGUF URE. LAE , RAG RE RDI 裂 过 程 有 着 一 个 中 间 态 ,这 时 了 原子 的 五 个 共 价 键 处 于 一 个 三 角 双 锥 的 构 型 。 因 此 ,这 个 模型 里 核 背 玉 ” 酸 的 加 成 反应 采用 二 步 表 示 , 如 图 7-29。 中 间 态 (II) 的 形成 需要 能 量 , 而 焦 磷 酸 酯 的 分 离 则 可 释 国 放 能 量 。 这 模型 考虑 了 二 步 之 间 的 过 渡 。 该 模型 理论 化 的 地 方 是 ，DNA 模板 以 A 型 式 ( 不 是 通常 的 B 型 式 ) 参 与 DNA 的 解 旋 和 DNA-RNA 杂 化 双 螺 旋 的 形成 。 这 意味 着 A 型 式 在 模板 的 反应 体系 活性 部 位 邻近 区 域 是 稳定 的 。 这 一 假定 和 一 系列 事实 相符 合 。 在 聚合 酶 起 作用 时 ， Bo 型 一 >A 型 的 局 部 转化 可 以 用 使 水 分 子 从 酶 结合 的 DNA 区 域 脱 去 从 而 有 利于 核 苷 酸 的 缩聚 的 方法 来 实现 。 在 这 个 模型 里 , 当 互补 碱 基 对 链 的 气 键 断裂 之 后 ,一 个 DNA 链 上 的 碱 基 从 人 入 型 式 时 中 糖 背 的 沟 道 里 移 去 时 不 存在 空间 障碍 ,而 第 二 条 链 的 构象 并 不 起 变化 。 在 二 个 阶段 过 渡 时 ,二 汪汪 个 核 背 酸 同 时 参与 ,从 图 7-29 可 见 ,一 个 核 苷 酸 处 于 状态 I , 另 一 个 处 于 状态 II; 这 二 个 核 苷 酸 都 司 因 上 。 290。 区 4° AI DNA BMRB. Ze BEL, DUR EAR AY ANAL DNA 双 螺 旋 的 轴 间 夹 角 Hy 40° .这 样 , 每 一 步 新 碱 基 从 DNA BOB E“HRHY”, Tt IBE RBG BIC HE WR ZE ALG EL AD HD Ba BE AF PBR, 2 Js 磷酸 酯 后 , 回 到 原来 的 DNA 上 并 重新 恢复 氨 键 。 杂 化 体 双 螺旋 的 轴 象 绕 螺 旋 一 样 沿 着 DNA 模 扳 的 轴 向 前 移 , 酶 也 同时 换 到 新 的 地 方 。 由 于 已 知 在 无 底 物 时 RNA 聚合 酶 只 是 很 弱 地 和 DNA 结合 。 另 一 方面 ,又 发 现在 RNA 合成 时 ,有 一 个 非 分 离 的 DNA- 酶 复合 物 形成 [9 。 因 此， 委 据 Florentiev 和 Ivanoy 模型 ,这 一 复合 物 是 以 两 个 相互 作用 的 核糖 核 苷 三 磷酸 酯 的 焦 磷酸 酯 上 的 基 团 和 聚合 酶 亚 单位 上 的 阳离子 基 团 间 的 键 而 稳定 的 。 3x26 = PENRO RIE A DNA 的 。 碱 基 形 成 Watson-Crick 对 。 核 苷 酸 工 和 下 跟 核 苷 酸 0 形成 一 个 中 间 杂 化 体 区 域 ;在 任何 时 刻 ， 有 三 个 核糖 核 些 三 磷酸 酯 起 作用 ,因此 这 模型 解释 了 强 的 酶 结合 。 模 型 表示 了 核 霸 酸 0 和 开 的 糖 - 碍 酸 酯 部 分 的 构象 ,并 对 核 苷 酸 工 的 构象 也 作 了 假定 ; 当 酶 沿 DNA 一 个 个 碱 基 替 换 时 ， 则 构 1 象 变化 到 有 利于 反应 。 这 一 模型 还 考虑 了 聚合 酶 的 亚 单位 结构 和 每 一 步 里 结构 的 重 排 , 因 此 从 未 质 上 来 说 ,这 模型 考虑 了 电子 -构象 相互 作用 。 二 Rileyc 提 出 了 另 一 种 模型 。Riley 的 模型 假定 转录 时 DNA 双 螺 旋 不 解 施 ;RNA 在 DNA 的 较 宽广 的 沟 道内 增长 ,这 是 因为 在 核糖 核 苷 酸 和 DNA 碱 基 对 间 有 一 种 专 一 的 立体 化 学 相互 ae 在 中 间 术 阶段 ,由 二 个 DNA 碱 基 和 一 个 RNA WALTER — =e ik BONA A JM 证 ee Florentiev 和 Ivanov 模型 及 Riley 模型 提出 之 后 不 久 ,实验 数据 肯定 了 解 旋 模型 ， 并 。 且 同 一 色 性 方法 (CD) 分 析 表 明 , 在 mRNA 合成 时 ; 有 人 A 型 的 DNA 或 A 型 的 DNA-RNA 杂 ar sites ce 因 些 Florentiev 和 Ivanov 模型 较 接 近 实 际 。 2.2.2 “密码 子 ;密码 子 的 信息 论证 明 我 们 在 前 面 已 讲 过 ,mRNA 模板 上 的 碱 基 顺 序 将 决定 所 合成 的 蛋白 质 分 子 的 氨基 酸 顺 序 。 现 在 要 问 为 什么 密码 子 是 三 联 体 , 即 由 三 个 碱 基 组 成 。 已 经 知道 生命 蛋 和 白质 分 子 约 有 20 种 气 基 酸 组 成 。 我 们 也 已 证 明 为 什么 DNA 的 碱 基 要 有 4 种 。 现 在 要 来 证 明 : 为 什么 密码 子 由 三 个 碱 基 组 成 2 。 根据 信息 论 ,每 个 氨基 酸 所 载 有 的 信息 是 : ; = logis. = 4.322 bit (7.67) 而 每 个 碱 基 所 载 有 的 信息 是 : i 一 一 log: 二 = 2.000 bit (7.68) bie come Reus i,=N*ly (7.69) n= =2.161 (7.70) - BR, IER AA GEE EER, 因此 将 调整 为 3, 即 与 一 个 贫 基 酸 对 应 的 密码 子 至 少 要 由 3 个 \ 和 IEA, 即 三 联 体 。 ° 291° 事实 上 ,mRNA 里 共有 4 种 碱 基 ,每 次 取 3 个 作 不 同 排列 ,共有 至 = 64 种 排列 ,对 于 20 种 王 氨基 酸 来 讲 已 是 足 足 有 余 , 因 此 密码 子 必然 会 有 简 并 情况 存在 。 2) 广 谱 遗 传 密码 (generalized genetic code) BAR AMAR 下 ,密码 子 有 多 义 性 , 即 一 个 密码 子 可 对 应 于 个 氨基 酸 ， 在 某 些 细菌 体系 里 , 密码 子 也 有 多 义 性 Ge539. 另 外， 里 已 知道 在 蛋白 质 合 成 起 始 时 ， 具 有 多 义 现象 , 即 密码 子 AUG.GUG 可 作为 起 始 密码 子 ， 而 又 分 别 作为 Met 和 Val 的 密码 子 .对 此 ,不 少 生 物 学 家 认为 遗传 密码 事实 上 是 种 “映照 "(mapping , 即 单 值 的 对 应 ) ,而 离 体 或 体内 研究 中 产生 的 多 义 性 只 是 表示 翻译 系统 并 不 是 不 会 发 生 错误 的 。 但 Gatlint45 认 为 遗传 密码 的 多 义 性 存在 表示 遗传 密码 是 一 种 “关系 ”(relation, 即 多 值 对 应 ) 而 不 是 “映照 >。 他 的 假说 是 ， 这 种 关系 所 内 含 的 多 义 性 可 以 为 翻译 密码 子 时 的 生物 环境 条 件 所 移 去 。 Gatlin 用 上 述 假说 来 解释 蛋白 质 合成 起 始 的 多 义 现象 ,他 认为 在 这 个 例子 中 “起 始 ? 就 是 这 种 生 牺 环 境 条 件 ,在 “起 始 * 时 ,AUG 的 多 义 性 即 被 除去 。Findley049 等 采纳 了 Gatlin 的 观点 ,认为 多 | 义 性 是 遗传 密码 整体 的 一 部 分 ,是 正常 的 ， 并 根据 群 论 理论 提出 了 广 谱 遗 传 密码 理论 。 下 面 就 来 介绍 Findley 的 广 谱 遗 传 密码 * 先 看 标准 密码 (standard genefic code,SGC) 。 遗 传 密码 是 种 语言 , 它 是 基于 4 个 核酸 碱 基 集 五 二 {U,A,C,G} 的 语言 。 集 急 的 元 素 是 喀 啶 (U、.C) 和 味 吟 (A、.G) 碱 基 。 模 板 站 RNA 上 碱 基 的 线性 顺序 决定 了 其 对 应 的 蛋白 质 分 子 中 的 氨基 酸 顺 序 。 三 个 碱 基 联合 体 组 成 一 对 应 的 蛋白 质 的 密码 子 。 密码 子 集 句 由 集 有 中 的 所 有 可 能 的 有 序列 的 三 元 素 联合 体 组 成 , 即 A A © 以 下 列 积 相 联 C=-BX BX B. (7.71) WIL CAA 64 个 密码 子 。 还 要 考虑 一 个 集 Lor, th 20 个 氨基 酸 和 操作 子 TC( 4 IEF) 组 成 。 根 据 目前 的 生物 学 理论 , 色 和 .ez 以 映照 相关 联 ， f:€@>Z. teat} 这 一 映照 对 应 是 以 化 学 的 及 遗传 学 的 方法 决定 的 ,如 下 表 7-5, 以 下 将 称 式 (7.72) 为 标准 遗传 密 码 (SGC ) 。 表 7-5 即 规定 了 了 的 操作 :将 名 映照 至 .or 上。 映照 的 投影 性 质 定 义 了 SGC 的 简 并 性 。 在 某 些 条 件 下 ,SGC 出 现 多 义 性 。 大 多 数 的 多 义 性 是 在 离 体 条 件 下 产生 的 ， 这 时 体系 所 处 的 实验 环境 “ 条 件 不 同 于 体内 环境 。 表 7-6 是 这 些 多 义 性 密码 子 的 例子 。 根据 Gatlin 的 观点 ,遗传 密码 是 一 种 “关系 ?而 不 是 “映照 ?>。 因 此 要 重新 考虑 集 © 和 or HO 相关 。 这 就 是 下 面 要 讨论 的 广 谱 遗 传 密码 。 把 多 义 性 看 作 是 遗传 密码 的 一 个 正常 反映 , 则 需 将 遗传 密码 视 作 是 一 关系 * 家 ,此 处 ， RCEX A (7.73) 我 们 无 法 预先 知道 A 是 否 为 名 x .ez 的 恰当 的 或 不 恰当 的 子 集 , 这 需 通过 一 些 推理 去 说 明 。 在 * 这 里 要 说 明 ， 第 一 节 基 因 复 制 中 讨论 的 遗传 密码 是 指 DNA 碱 基 互补 对 ， 这 里 讨论 的 是 MRNA 碱 基 顺 序 ， 即 密码 | 子 。 ° 292° 表 7-5 标准 遗传 密码 Asp UAG, CAG, GAG, UGA, GGA, CUA Tyr AGG, GGG, GUG, UGU, UGG, CAU Arg GCG, GCG, GGC, UGA Cys AGU, CGU, UGA, AGC Lys CUA, UAA, AAU Gly UGG, CGG, AGG Val ‘ UGU, CGU Thr Q CAC, AAC His UCA, CCA Gin CUA, UGA Glu UGA, GGA Leu UUU He UUU Ala AGC Phe AGG Met AUA Asn UGA 生物 环境 条 件 下 ,可 选 得 一 子 集 使 其 表现 映照 特征 。 然 而 :多 义 性 说 明了 它 是 随 生 物 环境 条 件 而 变化 的 , 因此 有 几 个 映照 : (Z,C) =f; iel, (7.74) xe : 下 :安全 .or (7.75) 式 (7.74) 中 ，C; 表示 某 一 特定 的 生物 环境 条 件 (例如 ，C: 表示 "正常 2 蛋白 质 合成 时 的 环境 ， 则 (Z.0,)=fi=f)sJ BE-MREMIN-CE ARK: S (A CORAM A 中 选择 一 e 293 ® | | | ae = eee Pee a Oe 个 映照 帮 。 因 此 广 谱 遗 传 密码 GGC 则 是 所 有 映照 的 一 个 类 ,至 此 我 们 得 到 了 广 谱 遗 传 密码 的 一 套 形式 : 式 (7.74) 至 式 (7.76 ) ， { 六 ET 客人 -< (7.76) 由 于 要 去 研究 决定 遗传 密码 映照 的 生物 环境 条 件 的 本 质 是 很 困难 的 ,所 以 Findley 的 方法 是 列举 支持 GGC 假说 的 事实 来 进行 推理 。 从 式 (7.74) 出 发 来 考察 决定 BZ 的 约束 条 件 ; 并 认为 如 果 某 种 约束 条 件 确 实 存在 , 则 灾 将 是 名 x .= 的 一 个 恰当 子 集 ， 并 且 此 约束 也 将 适用 于 每 二 不 映照 fi. 先 来 看 SGC 的 约束 条 件 。 众 所 周知 , SGC 的 简 并 性 存在 一 种 对 称 性 约束 。 观 ERE 7-5 AY 以 发 现 对 应 于 同一 氨基 酸 的 几 个 密码 子 之 间 有 一 简单 关系 ， 即 密码 子 第 三 位 上 碱 基 的 变化 ， 特 别 是 U 变 C,A 变 G ,不 影响 其 所 对 应 翻译 的 氨基 酸 。 我 们 可 以 把 这 种 关系 表达 成 下 列 式 子 ， 即 将 贸 作 一 特殊 的 分 解 ,成 为 4 个 成 对 非 联 的 子 集 ,每 一 子 集 的 基数 是 16 @,={¢:,€G |i, jE BD}; RE， SRST Ten als D Hc, 上 的 指标 1 ) , 表示 密码 子 上 的 第 一 、 第 二 、 第 三 个 碱 基 , 式 (7.77) 将 安 分 配 至 下 个 子 集 , 每 一 子 集 只 会 有 第 三 个 碱 基 相 同 的 密码 子 , 并 可 被 了 映照 成 .o， 而 其 映像 则 可 用 Ke) 表 AR. ABS 的 分 解 ( 以 下 用 D, 表示 这 种 分 解 ) ,及 其 映像 如 表 7-7: 表 7-7 RR, ={e,.EC lL IJEFIHNBSAR aa Ah ue ae UCA Ser UCG Ser _ AGU AGC pa Be pe re. CGU_ Arg. CGC Arg CGA 8 CGG CUU “Leu j CUC Leu CUA CUG Le: bs GCU Ala GCC Ala UUA } bea UUG } GUU Val GUC Val GCA Ala GCG Ala CCU Pro Cee Pro GUA Val GUG Val GGU Gly GGC Gly CCA Pro CCG. Fan — ACU Thr ACC. Thr GGA Gly _ GGG Gly UUU “Phe UUC Phe ACA Thr _ ARG A The UAU Tyr WAGY Tyr CAA Gin CAG Gin UGU Cys UGC Cys . AAA’ Lys AAG Lys CAU His CAC His ) GAA Glu GAG Glu _ GAU Asp GAC. Asp ) UAA . UAG TC AAU Asn KAC Asn eo Fe UGG Trp AUU Ile AUC | Ile AUA Ile AUG Met — BRR 7-7, 立 即 可 发 现 上 go f(@v=f(S@c)s f(GNAF(S@o). (7.78) = 式 (7:78) 里 的 不 等 式 完全 是 因 奇 数 简 并 级 的 密码 子 造 成 的 。 对 于 偶数 简 并 级 的 密码 子 则 存在 茶 昌 种 简单 关系 。 把 具有 i 重 简 并 度 的 映照 至 某 一 -ez 元 素 上 的 密码 子 集 以 下 列 记 号 表示 ; 2294+ (人 (7.79) 这 里 角 标 (a,i) 分 别 表示 所 讨论 的 -ex 的 元 素 及 其 简 并 度 ;而 足 标 用 来 区 别 各 个 密码 子 ， 明 显 的 A: F (di?) = f (dg?) Seer =f (dy?) =a. (7.80) 首先 考虑 2 级 简 并 度 。 从 表 7-7 可 以 得 到 结论 : 或 f(a?) Ef (Puleof (d? Ef (Sc). (7.81 a) 或 Fd? ) Ef (Gna h (dy) € f(a). (7.81 b) 式 (7.81 a,b) MT = BFE RSF et Me AA — BNR TK (7.81 a) Fil (7.81 0) 同时 成 立 , 则 可 定义 4 级 简 并 度 ， 因 此 这 要 求 在 表 7-7 中 ,每 一 列 中 必须 有 一 个 并 且 只 有 一 个 4 级 简 并 度 集 中 的 密码 子 。 还 可 以 推广 至 6 级 简 并 度 ， 这 时 对 六 个 密码 子 中 的 四 个 来 说 ， 式 (7.81 a) 和 式 (7.81 0) 间 时 成 立 ,而 对 其 余 二 个 , 则 或 者 式 (7.81 ca) 成 立 , 或 者 式 (7.812) 成 立 。 由 式 (7.81 wa .2) 定 义 的 一 一 对 应 的 性 质 是 从 分 解 九 , 演绎 出 来 的 。 对 于 任何 密码 子 对 ,只 要 其 满足 式 (7.81 a.0) 之 其 中 一 式 , 则 该 密码 子 对 的 前 二 个 碱 基 相 同 ,而 第 三 个 碱 基 则 不 同 ， 但 一 定 是 喀 喧 或 味 叭 。 这 就 是 SGC 内 的 对 称 性 ,这 里 把 它 叫 作 偶 简 并 度 约 束 (even-order degener- acy constraint,EODC); 但 对 奇 简 并 度 的 密码 子 , 这 种 对 称 性 不 完全 成 立 。 下 面 来 讨论 这 一 情 er 考虑 二 套 三 度 简 并 密码 子 , 一 套 映 照 后 得 Te, 另 一 套 映 照 后 得 TC。 有 二 个 对 应 于 lle 的 密 码 子 满足 EODC 和 式 (7.81 a) ,因此 这 二 个 密码 子 可 规定 为 二 度 简 并 ;， 剩 下 的 第 三 个 是 AUA， 其 映像 是 f(AUA)=Iex*。TC 密码 子 较 特 别 ,UAA、UAG 对 和 UGA、UAG 对 都 满足 式 (7.81 5) ,而 第 一 对 还 满足 EODC ,因此 UAA、UAG 对 可 规定 为 二 度 简 并 密码 子 对 ， 剩 下 的 第 三 个 密 码 子 是 UGA, 其 映像 是 1(UGA)=TC*。 最 后 再 来 看 二 个 非 简 并 的 密码 子 ,一 个 映照 后 得 Met， 另 一 个 映照 后 得 Trp。 其 实 对 应 于 De* 和 TC* 的 密码 子 也 可 看 作 是 非 简 并 的 。 结 果 发 现 这 4 个 密码 子 各 有 一 对 满足 EODC:(TC*,Trp)、(Ie*,Met) 。 因 此 ,可 以 作 一 推断 : 这 二 对 密码 子 本 身 是 二 度 简 并 的 。 事 实 上 ， 离 体 密码 子 的 翻译 结果 ( 见 表 7-6) ,在 一 定 条 件 下 ,密码 子 对 (Ile*， Met) 是 二 度 简 并 的 ， 并 且 它 们 机 照 后 得 Met。 反 过 来 讲 ， 如 果 认 为 映照 子 是 唯一 确切 的 话 , 当 然 这 些 密 码 子 对 就 要 被 视 作 异常 ， 并 看 作 是 在 遗传 密码 的 进化 过 程 中 产生 的 关于 对 称 性 的 小 偏 Fo 根据 上 面 对 SGC 的 讨论 ,可 以 总 结 出 如 下 一 些 规则 ,考虑 下 列 二 个 集 ; F,={(dy% ,d,°) EGx @| f( dy) € f (Pu) f (do) € f(@c)}, (7.820) F.={(dy ,d,°™)EPX@| fds”) Ef (Pa) fd” )Ef(@a)}. (7.826) 对 于 映照 了 (不 包括 奇数 级 简 并 度 ) , 密码 子 对 二 度 简 并 的 充分 和 必要 条 件 是 : 它 应 是 五 :或 是 五 ， 的 一 个 元 素 。 对 于 四 度 简 并 密码 子 集 , 四 个 密码 子 四 简 并 的 充分 和 必要 条 件 是 :一 密 玛 子 对 应 是 8 的 一 个 元 素 且 另 一 密码 子 对 应 是 刀 :的 一 个 元 素 。 同 样 , 对 六 度 简 并 密码 子 集 , 六 个 密码 子 星 六 度 简 并 的 充分 和 必要 条 件 是 ,二 个 组 成 一 密码 子 对 ,其 应 是 五 :的 一 个 元 素 且 另外 二 个 组 成 一 * 这 里 用 映像 表示 其 相应 的 密码 子 。 。 295 © 密码 子 对 ,其 应 是 FP. 的 一 个 元 素 ; 然 后 最 后 二 个 密码 子 组 成 一 密码 子 对 ， 其 必须 是 P.M EP, 的 一 个 元 素 。 对 于 奇数 简 并 度 密 码 子 , 应 用 EODC 时 关于 严格 的 对 称 性 ,有 一 些微 小 的 偏差 。 我们 得 到 了 这 些 规律 之 后 ,就 可 以 来 讨论 广 庶 遗 传 密码 的 对 称 性 。 先 要 寻找 色 的 另外 一 些 分 解 ,而 这 些 分 解 具有 类 似 于 万 ,的 在 映照 了 下 的 特征 ,也 就 是 说 要 寻 找 它 的 分 解 存在 的 可 能 性 ,这些 非 刀 , 的 分 解 可 以 构成 集 PLP. 我 们 的 出 发 点 还 是 式 (7.71) ,但 此 时 用 群 论 的 乘法 来 处 理 。 对 马 要 定义 一 个 群 结构 。 安 变 RR 到 的 元 素 三 重 积 的 集合 ， 并 且 在 所 定义 的 乘法 规则 下 . 当 去 掉 重 复元 素 而 又 再 形成 二 个 集 时 ,多 就 变 得 与 及 等 价 , 即 当 肪 是 一 个 群 时 ,映照 到 群 妥 的 元 素 之 一 上 的 安 元 素 的 数 BX BXB=-B. ! (7.83) AW ACHERRRER SOME. ARAB 4 WAT AIG ORO RERBE 4. 而 映照 到 任何 一 个 群 元 素 上 的 有 序 的 三 联 体 的 数 是 64/4=16, 将 这 些 成 对 的 非 联 的 © 的 子 集 标记 为 儿 ,,RE 马 , 足 标 表示 在 群 乘法 定义 下 子 集 密码 子 映照 其 上 的 急 的 元 素 。 这 些 记号 与 前 面 讨论 SGC 时 的 类 似 ,但 要 注意 ,这 里 定义 的 子 集 ©, 的 元 素 的 总 数 不 同 于 SGC 的 情况 。 RABE — 4 阶 群 ， 故 其 只 有 两 种 可 能 性 ， 均 是 Abel 的 :Klein 4-BEV il 阶 循环 群 Z,. Vina | V:Met AUG D,—D,, Dy—D, AB, FR, AGA->Ser UCU D.—D, Ria UCC D,—D, UCA D.—D, UCG D,—D, AGU De Di AGC D,—D, CUA->Thr ACC D,—Ds aos! ACG D,,D,—D, CUG->Thr ACU Di—D,y xs AE BE ACA D,,D,—D, ACG DE D¢ CUC->Thr ACU D,,D.—D, ff At ACA D,,D,—D, . ACG Dire Dy ‘7 ACC D,,D;—D,; 和 ACA DD, ies” | ACG D, AGA->TC UGA D.—D; ARP UAG Dj D,-—Dé AGG>TC oe OOK D,,D.—D; KE, UAA Dy, Dp VAG D.—D, AUA> #2 AUG D,—D,, D,—D, 人 类 、 牛 、 鼠 AUU D.—D,; Fy AUU-> 起 始 AUC D,—D;, Ds—D, AB. AUA D,—f, 果 蝇 AUC-> 起 始 AUG D,--Ds bh AUU Demy, De ? * 指 SGC 码 ， 起 始 密码 子 除外 。 。300。 条 件 王 ,已 ,: 再 把 这 一 套 方 法 作 引 伸 和 类 比 ,建立 GGC 理 论 及 其 密码 子 简 并 的 对 称 性 要 求 , 并 在 关系 概念 下 作出 相应 于 SGC 的 对 称 性 条 件 假定 已 ,、 尺 ,。( 这 里 要 提 一 下 ,，GGC 的 对 称 性 条 件 比 SGC 的 条 件 弱 . ) 从 而 把 GGC 理 论 应 用 于 各 种 情况 下 的 密码 子 多 义 性 现象 , 几乎 所 有 的 多 义 性 密 码 子 都 符合 GGC 理 论 的 规则 ,Findley 认 为 这 一 结果 支持 了 GGC 理论 和 密码 子 多 义 性 是 遗传 密 码 整 体 的 一 部 分 的 观点 。 但 要 指出 :Findley 的 理论 ,本质 上 是 一 种 遗传 密码 的 形式 理论 ,虽然 密码 子 的 多 义 性 通过 窗 码 子 简 并 的 对 称 要 求 从 侧面 在 形式 上 给 予 了 分 析 ， 但 密码 子 多 义 性 的 现象 仍 没 有 从 根本 上 得 到 解决 。 此 外 ,该 理论 的 假定 条 件 较 复 杂 、 较 弱 , 物 理 内 容 不 够 ,似乎 不 是 很 有 说 服 力 . 不 过 ,Findl- ey 的 观点 和 思路 或 许 是 正确 的 。 量 子 遗 传 学 期 待 着 更 理想 的 遗传 密码 理论 的 出 现 。 3) 关于 密码 子 的 专 一 性 计算 ”我 们 已 经 知道 MRNA 翻译 成 蛋白 质 时 ， 并 不 是 在 模 板 mRNA 上 直接 进行 的 ,而 是 通过 tRNA 携带 氨基 酸 去 识别 密码 子 等 一 系列 专 一 的 酶 参与 的 复杂 过 程 .但 是 在 遗传 密码 最 初 的 决定 阶段 ,很 难 想象 就 已 有 高 度 专 一 性 的 酶 参与 使 RNA 与 氨基 酸 结 合 ， 又 根据 在 实验 中 也 发 现 多 有 状 和 碱 基 、 聚 精 氨 酸 、 聚 赖 所 酸 和 聚 核 芽 酸 之 间 有 专 一 的 相互 作 FACS ;因此 有 些 意见 认为 在 开始 阶段 , tRNA 碱 基 和 和 毛 基 酸 直接 的 相互 作用 是 决定 密码 的 基 得 .Rendall5 0 等 按照 这 种 观点 ,用 扩展 的 Huckel 方 法 (extended Huckel molecular orbit- al,EHMO) 和 微 扰 法 计算 了 堆积 的 碱 基 和 甘氨酸 的 相互 作用 ， 见 表 7-11， 相 互 作用 能 包括 静 电 、 极 化 .色散 三 部 分 。 碱 基 和 甘氨酸 的 相对 位 置 如 图 7-30.。 结 果 发 现 ,能 量 值 的 大 小 和 碱 基 的 种 类 有 密切 的 关系 。 甘 氨 酸 的 密码 子 是 :GGU.GGC.GGA .GGG ; 因 此 ,其 相应 的 tRNA 上 的 反 密 码 子 是 CCA .CCG .CCU CCC, , 简 并 了 的 反 密 码 子 是 CC。 从 表 7-11 可 知 ,CC 堆 积 和 HR 酸 具 有 很 大 的 相互 作用 能 量 。 因 而 ,甘氨酸 的 三 联 体 反 密码 子 的 专 一 性 很 可 能 是 因 其 直接 相 互 作用 决定 的 。Rendall 的 计算 只 是 一 种 初步 的 尝试 。 4) 关于 密码 子 简 并 性 的 计算 Grick 曾 用 变 位 假说 来 解释 密码 子 的 简 并 性 . 永田 亲 义 59 等 从 碱 基 及 其 互 变异 构 体 的 稳定 性 计算 来 考虑 密码 子 的 简 并 性 。 从 表 7-12 可 以 看 出 , 肌 昔 、 鸟 味 叭 的 异 构 体 能 量 低 , 较 稳 定 。 因 此 ,可 以 推测 肌 苷 、 鸟 味 叭 混 有 相 当量 的 异 构 体 。 根据 氨 键 位 置 的 不 同 , 鸟 嘎 叭 . 肌 苷 的 异 构 体 和 尿 喀 喧 配 对, 尿 喀 啶 的 RR AS, WEN be 喀 喧 配对 , 结 果 简 并 性 如 表 7-13 所 示 。 这 一 结果 和 Grick 的 从 变 位 假说 推出 的 简 并 性 结果 完全 一 样 。 前 者 是 从 能 量 来 考虑 的 ,后 者 是 从 主体 条 件 来 考虑 的 。 7.2.2.3 转译 模型 在 核糖 体 上 进行 蛋白 质 合成 的 基本 物理 问题 是 研究 密码 子 反 密 码 子 识别 的 机 制 ， 肽 键 形成 机 制 及 核糖 体 沿 着 mRNA 移动 的 机 制 。 密码 子 识别 反 密 码 子 的 过 程 极为 精确 ,其 误差 只 有 万 分 之 几 , 它们 精确 的 配对 不 只 是 由 热力 学 因素 即 各 种 配对 之 间 的 能 量 差别 决定 。Ninio52 对 密码 子 和 反 密 码 子 三 联 体 的 水 平和 垂直 相 互 作用 进行 了 量子 力学 计算 后 ， 发 现 识 别 过 程 不 是 能 量 上 唯一 的 。 这 种 非 唯一 的 识别 也 有 “ 变 位 效应 (wobbles) 的 因素 。 错 误 的 密码 - 反 密 码 子 对 和 正常 的 密码 - 反 密 码 子 对 的 相互 作用 能 量 差别 不 多 ;GUG 和 CAC.GUG 和 CCC 的 相互 作用 能 量 仅 差 8.8kJ/mol。 因此 ,为 巡 避 这 一 困 难 ,Ninio 曾 提出 “剩余 三 联 体 ”(superfluous triplets) 假 说 , 即 引起 非 唯一 性 识别 的 反 密码 子 并 。301。 表 人 -11 用 推广 的 Hiickel 法 所 得 碱 基 的 重 迭 和 甘氨酸 相互 作用 的 能 量 〈(kcal/moD Re JE HE 5K 静电 相互 作用 能 色 i 能 极 化 能 合 计 GC 45.5 22.2 25.2 92.9 GG 51.3 14.2 19.4 84.9 cc 45.2 16.0 21.7 82.9 CA 35.1 19.9 23.8 78.8 AC 34.9 21.4 21.0 77.3 UG 39.3 TL 15.9 66.9 GU 38.3 9.4 13.5 61.7 AA 27.6) 12.9 15.8 56.3 CG 29.0 9.8 14.6: 53.4 eat 25.5 19.9 12.3 48.7 UA 20.8 14.1 13.1 48.0 UC 25.5 8.9 12.0 46.4 GA 25.3 Bi 10.1 44.1 UU 23.6 8.4 10.7 42.7 AG 21.6 7:8 10.3 39.7 AU 19.3 6.5 9.5 35.3 * GCRARCHWHK, IE DNA 是 B 型 配置 。 G x 一 一 re) je. n—< nay. Se * ae N— 4h ue CG "aa a \ i GC eee, ia ra ie AS ois N fe) 一 AN 一 图 7-30， 填 氨 酸 和 GC 及 CG 重 选 的 立体 配置 (对 应 于 能 量 最 低 值 )y WSR 酸 在 两 碱 基 的 重 迭 距离 (0.34nm) 的 中 间 不 存在 ,当然 这 一 假说 和 分 子 遗 传 学 及 分 子 生 物 物 理学 一 般 概念 相 了 矛盾 。 而 且 转 译 不 是 一 平衡 态 ,而 是 一 有 酶 参与 的 动力 学 过 程 。 识别 不 仅 是 由 热力 学 的 因素 决定 ,也 由 动力 学 因素 决定 :各 种 tRNA 反 密 码 子 能 以 和 不同 的 比 率 和 mRNA 的 密码 子 相 互 作用 ,这 决定 于 INA 和 核糖 体 的 结构 和 性 质 。 Woese555 提 出 考虑 核糖 体 性 质 的 识别 模型 , 识别 不 能 简单 地 认为 只 是 密码 子 - 反 密码 子 相 互 作用 ;密码 子 被 tRNA 和 核糖 体 分 别 读 二 次 。 第 一 次 认 读 只 是 大 概 的 ,核糖 体 并 不 区 别 密 码 子 上 的 所 有 字母 ,但 由 于 其 变 构 性 质 ,核糖 体 允许 某 些 tRNA 和 密码 邓 相 互 作用 .这 样 , 该 模型 提出 几 种 类 别 的 tRNA 存在 ,这 些 类 别 可 由 核糖 体 来 区 别 。 不 仅 是 反 密码 子 结构 ,还 有 整个 RNA 分 和 子 也 起 作用 ,tRNA 的 “关键 ?联系 部 位 接近 于 反 密 码 子 区 域 。Woese 把 tRNA 根据 物理 观点 进行 了 分 类 ;密码 子 有 使 核糖 体 构 象 变化 的 作用 。 实 验 表明 ,核糖 体 的 状态 强烈 影响 转译 的 精确 性 。 了 “302。 全 % 7-12 RNA 碱 基 的 正常 型 ( 酮 ,氨基 结构 ) 和 异 构 体 ( 烯 醇 , 亚 氨基 结构 ) 的 总 能 量 (用 CNDO/ 2 法) 碱 基 | i Os ta + 构 体 能 量 差 (eVy) I 一 2817.14 一 2817.76 0.62 G 一 3156.11 . 一 3156.68- : 0.57 U 一 2489.58 一 2489.13 一 0.45 Cc — 2326.68 —2325.53 —1.15 A —2655.09 —2652.97 —2.12 * THAR, G, U, C, AHM4F RNA ME, 表 7-13 考虑 了 异 询 体 结构 对 的 Watson-Crick 型 氨 键 对 的 反 密 码 子 和 密码 子 的 碱 基 对 反 密 码 子 上 的 第 一 个 碱 基 密码 子 上 的 第 三 个 碱 基 U A G Ut a Cc G A U Gt U G Cc I* U P | Cc I | ts 十 FESR BAAN BERNA A fy RAGE , CRNA A SEK AA EI SEPP AIMRNA 作用 时 ， 就 有 这 种 构象 转变 ,所 以 转译 也 是 一 个 变 构 过 程 。 但 后 来 的 实验 表明 ,转译 决定 了 mRNA 的 构象 5 ,并 涉及 mRNA 的 降解 。 singh' “等 提出 转译 的 动力 学 过 程 理 论 。 核 糖 体 结合 在 mRNA 的 5" 端 ， 外 切 核 酸 酶 也 从 5/ 。 端 开 始 作 用 。 核 糖 体 保护 了 mRNA 的 端 部 使 其 免 受降 解 作用 。 当 核糖 体 移 位 时 ,5“ 端 或 降解 或 结合 一 新 的 核糖 体 。 降 解 了 的 一 端 不 能 结合 核糖 体 ,而 已 结合 了 的 核糖 体 则 向 前 移 位 继续 进行 蛋白质 合成 。 对 于 一 随机 过 程 , 在 时 间 ! 内 ,5“ 端 存在 的 机 率 是 exp(-Rt) ,在 聚 核糖 体 P,.P:、…- Ra-: 上 (这 些 聚 核糖 体 分 别 含 有 1、2、…2-1 个 核糖 体 ) ,在 时 间 (a-)t 内 ， 合 成 的 蛋白 质 分 子 数 等 F: (1-e-*) +2e-*(1-e-*) + ooo + Caabye Oro Ai er*) (7.87) 在 这 一 表达 式 中 时 间 用 单位 # 计 算 。 当 上 全 co 时 , 聚 核糖 体 P, 上 所 合成 的 蛋白 质 分 子 数 是 ， (人 (7.88) 将 式 (7.87) 和 式 (7.88) 相 加 ， 则 得 在 无 限时 间 内 在 一 个 mRNA FE EA 成 的 蛋白 质 分 子 总 “303。 数 : N=(1-—e-")"! (7.89) Xt FRE AMRNA ,k=0,N>0o, HRA RE HMRNA,k>oo,N>1, WLM OL Bl eid BE AD FES HE BIMRNA BF TE Os AT 5 Si BY RT , 连 着 的 是 一 个 由 核糖 体 移 位 决 wie Ha OE ET RE. en Roni FEL BE (nm — 1) 689 MRNA GE, WERTH] — 1 内 ,长 度 为 6 的 保持 完整 的 单位 数 是 EEC Fe- 十 2 十 Se 二 二 (二 2)e WE 二 exe=c-o00)]/(T 一 e- 人 (7.90) Ta 4E FE tif FARA Bee AY oe HE ty A (eB M,=[e-Ct*§ (1 —e- OF Ge") (7.91) Ta A FF BA Wy lle fy PA ie Bf 是 S20 / MS (ere ere ree n>1, [ar (7.92) FOE AY a Oe ae FE ae A ETE. A Maaloe’ ”的 意见 转录 较 快 ， 但 Stent?” YH 这 二 步 的 速率 数量 级 相同 。 而 实验 结果 倾向 于 后 一 种 意见 。 用 Singh 的 理 论 可 以 计算 mRNA 的 长 度 分 布 , 对 标记 的 细菌 mRNA 作 沉 降 分 析 , 结 果 表 明 从 4 SB 80 S 有 一 放射 性 的 宽带 ， 其 REPL RTE 8S~12S 范 围 内 ， 这 一 结果 和 Singh 的 计算 相似 。 但 这 一 理论 并 没有 能 解决 核糖 体 等 作用 的 详细 机 制 。 7.3 量子 遗传 学 现状 从 量子 遗传 学 近年 来 的 发 展 看 ,大 致 有 两 种 趋势 。 一 种 是 紧 跟 着 分 子 遗 传 学 的 发 展 ,力图 从 定性 上 益 明 分 子 遗 传 学 出 现 的 新 现象 .新 间 题 ,如 Z-DNA ,线粒体 密码 子 等 ; 另 一 种 是 应 用 更 完 善 的 的 量子 化 学 从 头 计 算 程 序 从 定量 上 更 精确 地 计算 DNA 双 螺 旋 的 能 量 及 微观 结构 数据 ， DNA 和 水 、 离 子 环境 的 相互 作用 ，DNA 和 蛋白质 的 相互 作用 等 , 以 更 深入 了 解 生命 信息 流 的 微观 机 制 ， 下 面 主要 从 这 两 方面 作 些 介绍 。 自 1979 年 Richts1 等 报导 了 存在 左旋 DNA 双 螺旋 (Z-DNA) 结 构 以 后 ， 引 起 了 分 子 生 物 学 界 的 很 大 震动 。 之 后 , 曾 发 现在 有 些 非常 接近 于 生物 体系 的 条 件 下 ,左旋 DNA 双 螺 旋 可 以 稳 定 存 在 ,因此 自然 就 产生 了 一 个 这 样 的 问题 :左旋 DNA 是 否 在 生物 体系 中 存在 ,如 果 存 在 的 话 ， 其 作用 是 什么 ?Rich 等 将 Z-DNA 注入 实验 动物 后 发 现 产 生 了 一 种 对 Z-DNA 构象 极 专 一 的 抗体 ,这 种 抗体 和 右 旋 DNA 完全 不 发 生 作 用 。 后 来 ， Rich 等 又 以 实验 表明 Z-DNA 构象 片段 很 可 能 存在 于 具有 生物 活性 的 染色 体 上 。 因 此 Sarmas5 认 为 Z-DNA 的 生物 作用 很 象 和 基因 组 表达 的 控制 有 关 。 但 Rich 用 的 是 d-CGCGCG 单 晶 , 并 认为 高 盐 状 态 下 的 聚 (dG-dC).。 聚 (dG-dC) 即 这 种 结构 ,因此 ,首要 的 问题 是 应 考察 从 该 种 低 聚 核 苷 酸 模 型 衍生 出 的 聚 (dG-dC) - 聚 (dG-dC) 结 构 和 溶液 状态 下 的 这 种 DNA 双 螺旋 结构 接近 的 程度 。Sarma 等 计算 了 各 种 型 式 的 聚 (dG-dC)。 聚 (dG-dC) 结 构 的 理论 核磁 共振 屏蔽 常数 ,并 和 高 . 低 盐 状态 下 的 聚 (dG-dC) - “304。 # 7-14 桶 (dG-dC). 聚 (CdG-dC ) 的 屏蔽 常数 的 实验 值 和 理论 计算 值 Ti 了 Phe Shel 型 ee a 计算 的 (A6) | tk AS 让 家 | 让 Wik Ad ge A-DNA 1.49 | il Si 0 Fb npr age CH5 AH/B-DNA 0.85 | ‘ Z-DNA 0.95 ‘1.05 | 0.82 Levitt ye B-DNA | 0.71 | Dickerson Sie B-DNA viiot BP or naib 0.34 ag ea alba RRR EE SG! 0.20 | sis lan CH6 AH/B-DNA 0.73 Z-DNA 0.51 0.62 0.70 Levitt Sie B-DNA 0.34 Dickerson 螺旋 B-DNA 0.36 A-DNA 0.45 Co aes ee GHt1' AH/B-DNA 0.58 | Z-DNA 0.91 0.69 0.56 Levitt ie B-DNA 0.19 ; Dickerson 螺旋 B-DNA 0.28 | A-DNA —1, 12 GH8 AH/B-DNA = O15 Z-DNA 0.18 0.30 0.27 Levitt ye B-DNA —0.44 Dickerson 螺旋 B-DNA 一 0.80 A- DNA | = Ona | GH1' AH/B-DNA 0.25 Z-DNA 0.17 0.15 Levitt Sie ‘ B-DNA == OF a5 Dickerson Bie B-DNA —0.21 | 本 聚 (dG-dC) 实 验 数 据 进 行 比较 (如 表 7-14)。 发 现 , 在 五 种 不 同 的 DNA 空间 构 型 的 理论 屏蔽 常数 中 ,在 合理 的 精度 范围 内 ， 高 盐 状态 下 五 个 质子 部 位 的 实验 值 和 Z-DNA 的 计算 值 全 部 符合 ,其 中 CH;, .CHs。、GH,、GHI1' 符 合 得 很 好 《差距 在 0.02~0.12 ppm) ,只 有 一 个 CH1“ 差 距 稍 大 些 (0.22 ppm) 。 因 此 可 以 推出， 高 盐 型 式 YF (dG-dC) + 聚 (dG-dC) 是 左旋 的 DNA。 这 和 Rich 等 用 Raman 光谱 对 这 二 种 结构 测定 的 结果 一 致 。 同 时 从 表 7-14 也 可 以 看 出 , 低 盐 状 态 下 的 实验 数据 和 经 典 的 Arnott 及 Hukins B- DNA 结构 的 理论 值 在 CH; .CHe.CHI1“ 三 个 质子 部 位 符合 得 极 好 ,CH1“ 差 距 稍 大 些 (0.17 ppm), 只 有 CH 不 符 ; 因 此 推测 低 盐 状 态 下 的 聚 (dG-dC). 聚 (dG-dC) 结构 从 时 间 平 均 和 涨 落 平 均 来 看 是 接近 于 AH/B 型 式 的 ,这 和 质粒 中 聚 (dG-dC) + 聚 (dG-dC) 克 隆 片段 实验 所 表示 的 这 种 片 段 之 B 型 乙 型 转变 情况 一 致 。Arnott55 和 Chandrasekaran、 Olson550 分 别 从 理论 上 讨论 了 B-~> 民 转 变 中 的 空间 结构 变化 。 要 提 一 下 ,当初 曾 通过 晶体 学 研究 发 现 了 和 传统 Watson-Crick 对 不 同 的 碱 基 气 键 配对 形式 ,这 些 曾 被 斥 之 为 实验 室 中 的 人 怪事 ;后 来 当 tRNA 晶体 结构 阐明 之 后 , 才 发 觉 这 些 异 常 的 碱 基 对 确实 存在 。Z-DNA 的 情况 也 有 些 类 似 ,Z- 结 构 是 在 离 体 条 件 下 直 接 从 单 晶 结构 观察 到 的 ,所 以 可 设想 :既然 天 自然 经 过 长 达 40 亿 年 的 进化 过 程 巧妙 地 造 出 了 一 种 能 右 旋 又 能 左旋 的 可 变 的 分 子 结构 ， 那 么 这 种 结构 一 定 有 它 的 生物 功能 。Z-DNA 的 生物 作用 是 什么 ? 这 也 正 是 遗传 学 要 去 解决 的 问题 ， | | i 遗传 密码 子 的 简 并 性 问题 ， 也 是 近年 来 量子 遗传 学 的 兴奋 点 之 一 。 已 知 有 61 个 密码 子 对 应 于 20 种 氨基 酸 ,如 果 平 均 分 配 的 话 ， 则 每 种 氮 基 酸 将 有 3 个 密码 子 与 之 对 应 ;但 实际 上 各 种 ， 氨基 酸 所 对 应 的 密码 子 数目 并 不 都 是 3 ， 即 对 应 于 某 种 氨基 酸 的 密码 子 的 简 并 度 不 全 是 3 ， 简 并 度 有 从 1 至 6 各 种 情况 ,如 亮 氨 酸 有 6 个 同 义 密码 子 (synonymous codons) ,而 色 氨 酸 只 有 二 个 密码 子 。 并 且 还 发 现 ， 对 应 于 三 个 或 三 个 以 上 同 义 密 码 子 ( 下 称 “* 同 义 子 >,synonyms) 的 氨基 酸 ,它们 的 化 学 结构 最 简单 ,其 特征 是 具有 脂 族 侧 链 及 羟基 官能 团 ; 而 对 应 于 二 个 同 义 子 或 一 个 密码 子 的 氨基 酸 ,其 残 基 则 含有 芳 环 、 硫 、 酰 胺 或 带电 荷 的 官能 团 。 通过 分 析 蛋 白质 氨基 酸 组 成 又 发 现 : 一 种 氨基 酸 其 对 应 的 同 义 子 越 多 , 则 其 在 蛋白 质 分 子 中 出 现 的 机 会 越 大 。 如 何 来 解 释 这 些 情 况 ? 为 什么 简 并 度 不 一 样 ? Duftonts 研 究 了 这 一 匀 有 兴 趣 的 问题 。 Dufton 认为 密 码 子 的 简 并 度 不 一 ,可 能 和 保证 蛋白 质 二 级 结构 的 进化 稳定 性 有 关 :， 根 据 密码 子 三 联 体 随机 突 变 及 很 大 程度 上 是 非 倾向 性 突变 (neutral mutation) 的 基本 原则 ,可 以 说 明 上 述 情况 。 密 码 子 简 并 度 的 模式 的 意义 在 于 :通过 非 倾向 性 突变 产生 一 种 一 般 的 进化 趋势 即 倾向 于 使 在 蛋白 质 片段 中 化 学 上 较 简 单 的 及 结构 上 较 不 易 改 变 的 氨基 酸 不 经 受 严格 的 选择 ， 其 效果 是 减少 了 蛋 自 质 分 子 中 支持 结构 部 分 的 改变 而 使 舍 有 较 复 杂 化 学 结构 之 氨基 酸 的 功能 部 分 有 改变 的 可 能 。 这 样 就 有 利于 进化 。Dufton 将 蛋白 质 中 的 氨基 酸 实 际 组 成 和 理论 组 成 ( 即 : 完全 由 同 义 子 出 现 的 几率 决定 的 组 成 ) 进 行 了 比较 ; 还 将 蛋白 质 组 成 数据 按 二 级 结构 进行 了 分 类 ， 则 使 得 同 义 子 的 分 布 情 况 和 多 肽 构象 的 不 同类 型 相 联 系 ,如 表 7-15.。 由 于 具有 较 多 同 义 子 的 氨基 酸 其 出 现 的 机 会 BS 并 且 其 结构 又 简单 不 易 变 化 ,因此 高 . 低 同 义 子 氨基 酸 含 量 上 的 差别 将 影响 二 级 结构 进化 的 倾向 性 和 稳定 性 。Dnufton 还 计算 了 在 每 一 种 二 级 结构 里 的 每 个 氨基 酸 的 平均 同 义 子 数 ， 如 表 7=16。 从 表 中 可 以 看 出 ,这 四 种 二 级 结构 的 平均 同 义 子 数 接近 (3.52~3.36), 这 表明 每 种 结构 都 会 有 以 和 三 个 以 上 同 义 子 对 应 的 氨基 酸 为 主 的 成 份 ， 因此 虽然 每 个 氨基 酸 形成 各 种 二 级 结构 的 倾向 不 一 ， 但 每 种 二 级 结构 对 氨基 酸 的 平均 来 说 并 无 差异 。 由 此 看 来 ， 同 义 子 采 取 这 种 分 布 的 意义 在 于 ; 蛋 自 质 中 的 氨基 酸 随 着 进化 过 程 可 以 由 自然 选择 而 改变 ,但 蛋白 质 的 构象 是 保持 稳定 的 .从 已 研究 过 的 许多 蛋白 质谱 系 来 看 ,都 表明 了 它们 的 基本 构象 保留 着 ,而 其 功能 及 专 一 性 方面 却 有 较 大 的 变化 。 近 些 年 来 ,对 于 DNA 和 环境 的 相互 作用 的 量子 化 学 计算 进展 较 大 521 hE 作为 元 胞 的 能 带 结构 计算 也 取得 了 实质 性 的 进展 0s:1 ,关于 水 结构 对 于 核 昔 酸 碱 基 对 的 影响 茎 9， 聚 核 苷 酸 - 聚 多 肽 的 相互 作用 5 DNA 大 分 子 的 非 周期 性 处 理 559 等 等 的 计算 ,都 进行 了 探索 。 DNA- 蛋 白质 相互 作用 决定 了 基因 的 表达 ,而 对 聚 核 苷 酸 - 聚 多 肽 之 间 的 相互 作用 能 量 的 计算 ， 则 是 朝 着 解决 这 一 问题 的 第 一 步 。Ladikts51 等 近来 曾 用 从 头 计算 法 对 聚 甘氨酸 链 分 别 和 同 聚 核 昔 酸 ， 聚 (TSP) 或 聚 (ASP)( 这 里 :S 表示 糖 .P 表示 磷酸 酯 .IT 代表 碱 基 ) 的 相互 作用 能 进行 了 大 规模 的 计算 。 这 些 计 算 中 ， 对 聚 甘氨酸 链 的 几 种 构象 包括 全 伸展 的 2- 螺旋 的 分 别 作 了 能 带 结 构 计算 ， 但 当 周 期 性 的 同 聚 核 背 酸 和 周期 性 的 聚 甘氨酸 各 处 于 对 方 的 场 中 时 ， 则 变 得 非 周期 性 *。 306。 表 7-15 ”与 遗传 密码 相关 的 多 肽 二 级 结构 分 布 OF | BA RO 综合 数据 | a~ ie | B-ite 有 8- 回 折 | 随机 线圈 Lys(2) 2.13 2.62 1.65 2.04 2.16 Asp(2) 1.83 1.90 1.31 2.58 1.68 Glu(2) 1.55 2.24 1.16 1.55 1.10 Gly(4) 1.43 0.80 1.32 2.35 1.65 Asn(2) 1.34 1.21 1.00 1.71 1.62 Ala(4) 1.28 1.65 1.16 0.99 1.19 Val(4) 22 1.10 1.81 0.57 1.22 Tyr(2) 1.16 0.85 1.47 ey 1.16 Ile(3) 1.10 1.07 1.59 0.56 0.96 Phe(2) 1.07 1.16 1.41 0.63 0.91 , Thr(4) 0.98 0.30 和 1.01 0.91 Gin(2) 0.94 1.19 0.76 0.92 0.85 Trp(1) 0.91 0.92 1.06 0.71 0.98 Met(1) 0.91 1.39 0.90 0.38 0:79 Ser(6) 0.81 0.66 0.77 1.07 0.82 His(2) 0.73 0.89 0.78 0.49 0.64 Leu(6) 0.70 0.90 0.71 0.41 0.65 Cys(2) 0.67 0.74 0.49 0.54 0.91 Pro(4) 0.61 0.32 0.38 1.16 0.81 Arg(6) 0.30 0.29 0.31 0.27 0.38 @ WHA /根据 同 义 子 分 布 预期 的 值 % 加 ”括号 内 数字 是 同 义 子 数 。 表 7-16， 每 个 氨基 酸 的 平均 同 义 子 类 型 每 个 氨基 酸 的 平均 同 义 子 每 个 五 肽 的 编码 61 个 密码 子 内 取样 3.85 846 B-H# 3.52 540 随机 线圈 3.51 533 8- 回 折 - 3.50 525 整个 数据 集 3.46 496 a- 螺 旋 3.36 428 20 种 氨基 酸 内 取样 ”. 3.05 | 264 T AkXKBARBGAH (mutually consistent field (MCF) method), 2% sR AE 用 则 用 微 扰 理 论 来 解决 ， 而 分 散 相互 作用 仍 用 London 的 式 子 。 计 算 结果 表明 :对 全 伸展 或 2- 螺 旋 构 象 的 聚 甘 氨 酸 和 聚 (TSP) 或 聚 (ASP) 的 Hartree-Fock 水 平 相互 作用 能 为 几 个 负 kcal/mol/ AFR Mfr, HAMA. pena WA 有 负 几 分 之 一 kcal/mol， 这 说 明 它 们 的 相互 作用 基 本 是 静电 性 质 的 。 Hosurt :等 计算 了 肽 键 骨架 和 核酸 碱 基 对 模型 的 相互 作用 。 此 相互 作用 模型 是 肽 键 骨 架 在 碱 基 对 间 形 成 氨 键 桥 。 肽 键 的 方向 和 碱 基 对 位 置 有 两 种 情况 , 如 下 图 7-31。 因 此 在 肽 键 和 碱 基 ° 30O7。 对 通过 二 对 气 键 连接 后 形成 一 环 , 一 种 情况 是 八 原子 环 , 另 一 种 情况 是 九 原子 环 ， 两 种 情况 的 肽 键 肯 架 的 相对 构象 是 有 明显 区 别 的 ,这 可 能 和 专 一 性 识别 的 原因 有 关 "…)。 这 两 种 情况 的 相互 作 用 能 量 也 不 同 ,如 表 7-17 , 九 原 子 环 的 似乎 更 稳定 些 . 从 表 7-17, 还 可 以 看 到 : 聚 (L-Ser) 和 A-U 对 及 G-C 对 的 相互 作用 能 差别 较 大 ,如 果 这 种 差别 对 其 它 肽 键 说 来 也 如 此 的 话 , 那么 这 将 可 能 是 蛋白 质 识别 碱 基 的 主要 因素 了 . Hosur' “等 还 对 聚 (L-Ser) 和 聚 (A)。 聚 (U) 的 复合 物 测 定 了 °C NMR 光谱 ,实验 表明 , 聚 (L-Ser) 和 聚 (A)。 聚 (U) 双 螺旋 以 二 对 氢 键 连接 ,和 其 设想 的 模型 a 表 7-17 碱 基 对 和 三 丝氨酸 之 间 的 稳定 化 能 呈 肽 的 构象 x + HF | 环 的 大 人 小 和 A A-U 8 —0.7 B G-¢ 8 一 6.2 c A-U 9 一 6.5 D A-U 9 一 2.7 E A-U 9 一 0.1 F G-Cc 9 —10.1 G G-C 9 一 5.0 @ 稳定 化 能 等 于 相互 作用 能 减 去 构象 能 。 Pullman552 一 5 等 对 酵母 tRNAD5 的 分 子 静 电势 .原子 的 立体 可 接近 度 (molecular electros- tatic potential atomic steric accessibility) 和 环境 中 水 分 子 及 金属 离子 对 其 的 影响 作 了 一 系列 量子 化 学 计算 .计算 结果 可 用 “ 势 轮 ?和 ”接近 度 轮 "形象 地 表示 ,如 图 7-32 和 图 7-33。 在 ` 势 轮 "中 ， 圆周 上 的 数字 表示 了 碱 基 编 号 ,1 至 76 ; 圆 的 半径 表示 势 的 尺度 ,一 600 至 一 1350 kcal/mol。 每 一 碱 基 的 势 用 一 径 向 线段 表示 ,线段 两 端 分 别 是 最 大 的 和 最 小 的 势 。 从 图 可 以 看 出 ,结构 和 势 的 相关 很 强 , 在 tRNA” 各 个 环 及 受 体 端 部 位 的 势 明 显 较 弱 ,而 螺旋 结构 的 势 较 强 ,在 靠近 分 子 中 心 处 最 强 。 金 属 离子 对 tRNA 的 静电 势 屏 蔽 效应 较 大 ,但 " 势 轮 ? 的 基本 形状 不 变 。 图 7-32 是 4Mg 屏蔽 了 的 tRNA… 的 “ 势 轮 ”。 在 “接近 度 轮 ?" 中 ， 圆 周 上 的 数字 仍 表 示 碱 基 的 编号 半径 表示 可 接近 的 面积 , 0 至 15 宇 ,圆心 处 可 接近 度 最 大 。 每 一 碱 基 的 可 接近 度 用 一 径 向 线段 表示 ,线段 二 端的 值 分 别 表示 该 碱 基 部 位 之 最 大 和 最 小 的 可 接近 度 。 从 图 也 可 以 看 出 ,可 接近 度 和 结构 有 较 强 的 相关 关系 。tRNA… 各 环 和 受 体 的 碱 基 之 可 接近 度 大 , 而 其 螺旋 结构 部 位 之 碱 基 的 可 接 近 度 小 。 静 电势 是 以 磷酸 酯 的 长 程 效应 为 主 的 ， 而 可 接近 度 是 以 短程 空间 障碍 为 主 的 ,对 局 部 结果 敏感 。 因 此 静电 势 的 结构 相关 要 强 些 ,而 可 接近 度 对 tRNA 的 整体 结构 相关 不 如 静电 势 的 明显 ,这 从 比较 两 种 "轮子 "可 以 看 出 来 。 这 些 “ 轮 子 ? 可 以 用 以 讨论 tRNA 的 反应 性 。 KE 可 接近 度 的 计算 方法 可 参考 Lee") 和 Richards 的 工作 。 Pullmanc 一 等 还 计算 了 B-DNA 螺旋 的 分 子 静电 势 和 金属 离子 对 这 螺旋 的 屏蔽 效应 , 得 到 了 双 螺 旋 内 部 大 沟 道 和 小 沟 道 的 各 种 势 深 度 的 分 布 。 大 、 小 沟 道 对 于 专 一 性 相互 作用 都 起 作 用 .Pullman 的 这 一 理论 计算 结果 可 用 于 解释 乳糖 阻 过 物 和 DNA 相 互 作 用 的 实验 结果 呈 ,此 实 验 结果 是 阻 过 体 非 专 一 地 和 非 操 纵 子 DNA 的 小 沟 道 结合 ,而 阻 遏 体 和 操纵 子 DNA 的 两 种 询 道 "308。 mi 图 7-31 肽 键 骨架 和 碱 基 对 相互 作用 示意 图 , 肽 键 骨架 在 氢 键 桥 中 有 两 个 相反 方向 ， INTE Ba RF FRAC) FIL HK (BD). : SS eZ -600 -800 - 1000 ~ 1200 = 上 ara oe # = (kcal/mol) 人 NS 3 fi \N = S 2A PA. Ts an 55 受 体 端 75 60 70 65 图 7-32 tRNA? 碱 基 的 “4 势 轮 ”“ 图 7-33 tRNA 碱 基 原 子 的 “可 接近 度 轮 ” ° 309 « 的 结合 都 是 专 一 性 的 相互 作用 。 DNA 复制 的 精确 性 也 始终 是 量子 遗传 学 中 的 一 个 重要 问题 。 长 久 以 来 碱 基 互 补 对 原 则 一 直 被 认为 是 核酸 复制 的 正确 性 的 基础 。1959 年 以 后 , 发现 有 非 互 补 的 氨 键 对 存在 的 可 能 , 因 此 根据 互补 对 原则 的 DNA 复制 的 这 种 解释 就 发 生 了 疑问 ,Loeb'5 1 等 认为 这 是 一 种 " 酶 控制 ?的 过 程 ,Lowdin5 也 早 就 提出 过 复制 平面 上 涉及 四 个 碱 基 的 模型 。Rein 等 对 在 DNA 合成 过 程 中 碱 基 选 择 时 起 重要 作用 的 分 子 间 相 互 作用 及 构象 特征 等 一 系列 物理 因素 作 了 系统 的 研究 )， 比较 了 正常 碱 基 对 和 错误 配对 时 的 各 种 物理 因素 的 变化 。 Rein 认为 复制 过 程 中 的 生成 自由 能 由 下 列 因素 控制 :1) 新 配对 的 气 键 能 量 ;2) 碱 基 对 的 堆积 能 ;3) BEORRRARPARI 成 时 的 构 象 调 正 所 需 的 能 量 。 前 二 个 因素 是 分 子 间 相 互 作 用 , 由 分 子 量子 力学 方法 计算 , 计算 中 Rein 等 考虑 了 静电 极 化 .分 散 和 重 倒 排斥 作用 。 还 考虑 了 溶剂 效应 。 第 三 个 因素 主要 是 箭 的 贡献 , 即 由 开启 状态 到 闭合 螺旋 状态 时 ,旋转 自由 度 受 限 制 所 引起 。 Rein 等 用 由 二 对 碱 基 对 组 成 的 最 小 螺 旋 模 型 (minihelix) 计 算 了 上 述 三 部 分 自由 能 ,并 比较 了 这 三 种 因素 对 复制 正确 性 的 贡献 。 结 果 表明 ;从 生成 自由 能 来 看 ,有 利于 互补 碱 基 对 形成 。 互 补 对 和 非 互补 对 的 生成 自由 能 差别 至 少 在 29 kJ/mol 以 上 ， 碱 基 对 配对 的 专 一 性 主要 是 构象 调 正 能 量 上 有 差别 。 量子 遗传 学 就 作为 一 个 专门 理论 的 意义 上 来 讲 , 刚 刚 起 步 , 远 未 成 熟 。 然 而 它 是 量子 化 学 和 分 子 遗 传 学 覆盖 而 成 的 土壤 上 的 一 株 可 贵 的 嫩 芽 ;分 子 遗 传 学 是 量子 遗传 学 发 展 的 基础 ,我 们 可 以 看 到 ,量子 遗传 学 的 研究 正在 紧 跟 分 子 遗 传 学 发 展 的 步伐 ;任何 以 物质 为 基础 的 科学 终究 会 深 入 到 原子 和 电子 水 平 。 可 以 相 倍 ， 最 终 解 开 遗 传 学 之 迷 的 希望 还 在 于 量子 遗传 学 ; 随 着 量子 遗传 学 的 发 展 、 成 长 .完善 .遗传 学 的 奥秘 也 将 一 步 步 地 揭 开 。 参考 文 献 [1] Gardner，E. 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ER ss 312° 第 8 章 ”量子 药理 学 8.1 5 量子 药理 学 (quantum pharmacology) 是 一 门 用 量子 力学 方法 研究 药理 学 问题 的 新 兴 科 学 。 它 是 七 十 年 代 继 化 学 药理 学 和 分 子 药理 学 的 发 展 以 及 量子 力学 中 的 分 子 轨 道 计 算 方 法 得 到 广泛 应 用 而 产生 的 边缘 性 学 科 。1977 年 英国 药理 学 家 Richards 编著 出 版 了 第 一 本 介绍 量子 药理 学 的 专著 吕 1。 迄 今 ， 量 子 药理 学 作为 一 门 新 兴学 科 已 被 逐渐 广泛 地 接受 慈 获得 了 不 断 的 发 展 。 随 着 科学 的 发 展 ， 药 理学 的 研究 逐渐 从 分 子 水 平 深入 到 了 电子 水 平 ， 从 而 使 药理 学 学 科 本 身 从 定性 到 定量 的 质 的 飞跃 成 为 可 能 。 我 们 知道 ， 量 子 力学 是 描述 电子 运动 的 可 靠 数 学 定量 方 法 。 量 子 药理 学 的 产生 正 是 由 于 量子 力学 分 子 轨道 方法 在 药理 学 中 的 应 用 ,同时 也 由 于 药理 学 研 究 本 身 的 迫切 需要 形成 了 不 同学 科 的 融合 王 。 早 在 50 年 代 , 药物 化 学 家 就 尝试 用 简单 分 子 轨道 方法 (HMO 法 ) 对 某 些 药 Wy 分 子 (如 致 纪 剂 ) 进 行 计 算 , 开 始 了 量子 药理 学 探索 。 在 六 十 年 代 以 后 ,由 于 大 型 高 速 电子 计算 机 的 不 断 问世， 各 种 分 子 轨道 计算 方法 及 相应 程序 的 产生 和 改进 ,量子 药理 学 的 研究 才 获 得 迅速 发 展 。 目前 ,分 子 轨道 计算 方法 中 近似 最 少 ,精确 度 最 高 的 从 头 计算 法 ,已 经 可 以 计算 相当 大 的 分 子 。 进 入 80 年 代 后 ,国外 量子 药理 学 研究 的 论文 , 约 1/ 3 人 一 1/ 2 系 采用 从 头 计 算 方 法 。 虽 然 ， 就 目前 计算 的 分 子 的 大 小 而 言 ， 离 药物 化 学 家 和 药理 学 家 的 期 望 尚 有 一 定 的 距 离 , 况且 完成 从 头 计 算 所 耗费 的 计算 机 机 时 之 长 又 往往 使 人 望 而 生 旦 。 但 是 ,可 以 预料 ,在 不 远 的 将 来 ,从 头 计 算 将 能 胜任 所 有 单个 药物 分 子 的 电子 信息 的 计算 , 甚至 满足 药物 与 碱 基 复合 物 计算 的 要 求 。 现 在 作为 一 种 过 滤 ,使 用 半 经 验 和 经 验 的 分 子 轨道 法 替代 非 经 验 的 从 头 计 算法 ,它们 较 易 被 药物 化 学 家 和 药理 学 家 所 接受 。 因 为 他 们 不 仅 对 单个 分 子 感 兴趣 ,而 且 特 别 对 一 系列 同 源 化合 物 ,进而 对 一 大 批 分 子 的 几何 形状 、 构 象 乃至 电荷 分 布 的 共同 特征 感 兴趣 。 进 行 如 此 大 量 的 分 子 轨 道 计 算 ,使 人 们 不 得 不 借助 于 经 验 和 半 经 验 分 子 轨道 计算 方法 。 令 人 欣慰 的 是 ,在 这 些 带 有 很 大 近似 的 半 经 验 分 子 轨道 方法 不 断 发 展 的 同时 ,与 药物 研究 息 息 相关 的 实验 技术 与 方法 获得 了 飞速 的 发 展 , 如 和 射线 结晶 学 ; 核磁 共振 (NMR ) BER ; (AR 定 ; 高 效 液 相 色谱 的 广泛 使 用 ;以 及 计算 机 图 形 学 (computer graphics) 的 诞生 和 发 展 。 由 这 些 实验 所 获 的 结果 ， 如 药物 的 空间 三 维 结构 与 绝对 构 型 ,用 NMR 测 得 的 溶 液 构 Se, 分 析 偶 极 矩 测量 结果 所 得 的 电荷 分 布 方向 ,以 及 用 计算 机 图 形 学 直观 地 显示 出 药物 分 子 的 三 维 图 象 等 等 , 它 们 都 可 以 用 来 检测 量子 化 学 半 经 验方 法 计算 所 推测 的 药物 的 物理 性 质 ,如 罗 象 .电荷 密度 、 偶 极 和 抵 等 。 与 此 相 辅 的 是 ,用 分 子 轨道 近似 方法 计算 的 结果 来 讨论 推测 药物 的 理化 性 质 , 如 油水 分 配 ARB log P , MES Hi Be p 天 ,等 也 获得 成 功 ,这 无 疑 又 增强 了 药物 学 家 对 使 用 近似 方法 的 信心 。 诚然 ,这 些 理论 计算 一 般 是 对 孤立 的 气相 分 子 在 静止 的 物理 状态 下 加 以 计算 ,而 实验 条 件 却 © 313 8 绝 非 如 此 , 民 衍射 是 对 晶体 进行 的 ,NMR 的 测定 是 在 相当 浓度 的 溶液 中 进行 ,高 效 液 相 虽然 可 以 在 模拟 生物 体 的 酸 碱 性 (pH=7.4) 的 条 件 下 进行 ,但 仍 是 一 个 很 大 的 近似 。 这 三 种 物理 环境 ， 没有 一 种 恰巧 符合 药物 分 子 在 生物 体内 转运 .代谢 的 真实 的 生理 环境 。 在 六 十 年 代 中 ， 由 Hansch 和 Fujita 等 人 开创 闻 发 展 的 药物 定量 构 效 关 系 (quantitative structure-activity relationships) 研 究 恰好 弥补 了 上 述 所 谓 难 题 .QSAR 理 论 所 建立 的 方程 , 即 在 同 源 化 合 物 系 列 中 导出 众多 物理 化 学 参数 的 主要 参数 与 药物 的 生物 活性 之 间 的 相关 方程 。 这 些 方程 符合 传统 的 统计 理论 兹 借助 于 计算 机 技术 , 这 就 为 量子 化 学 计算 所 得 的 众多 电子 信息 ,如 能 级 .电荷 密度 、 偶 极 矩 、 静 电势 等 与 该 分 子 的 药物 生物 活性 之 间 建 立 了 定量 关系 式 , 正 由 于 QSAR 研究 成 为 药理 学 家 与 量子 化 学 家 之 间 的 桥梁 ,使 量子 化 学 在 药理 学 中 的 应 用 进入 一 个 新 的 阶段 。 从 药理 学 研究 的 本 身分 析 ， 把 理论 化 学 应 用 到 药理 学 上 来 ， 除 上 述 的 可 能 性 外 还 有 其 必然 性 。 药 理学 中 常 把 药物 结构 区 分 为 非特 异性 和 特异 性 两 种 类 型 。 所 谓 非 特异 性 药物 的 生物 活性 的 产生 ,通常 与 药物 的 物理 化 学 性 质 有 关 , 例 如 油水 分 配 系数 .电离 度 、 溶 解 度 、. 表 面 活性 等 。 所 谓 特异 性 药物 ,一 般 认 为 它们 的 作用 先 与 生物 体 的 大 分 子 化 合 物 或 生物 大 分 子 组 织 结 合成 复合 物 ， 然后 产生 生化 反应 ,继而 显 出 不 同 的 药理 作用 。 由 于 药理 研究 的 不 断 深 入 , 受 体 分 离 和 研究 的 新 成 果 不 断 涌现 及 实验 技术 的 不 断 提高 ,需要 从 分 子 - 电 子 水 平 上 了 解 和 掌握 药物 - 受 体 的 三 维 电 子 结构 分 布 ， 药 物产 生活 性 的 药 效 构象 一 一 活性 构象 , 这 就 必须 应 用 量子 化 学 计算 .进入 八 十 年 代 , 越 来 越 多 的 药理 学 家 已 感受 到 ,这 种 需要 决 不 是 可 有 可 无 仅仅 点 绥 而 已 。 量子 化 学 理论 计算 带 来 的 另 一 种 优势 是 , 它们 不 仅 能 够 计算 已 经 获得 的 药物 分 子 ,而且 可 以 计算 任何 分 子 的 性 质 , 预测 构象 ,不 论 对 其 整体 或 局 部 位 置 ,都 可 方便 地 获得 分 子 的 各 种 信息 ,这 些 信息 拿 已 经 获得 的 活性 结构 相关 的 方程 进行 推测 ， 便 可 预知 未 合成 药物 的 可 能 活性 或 可 能 的 药理 作用 机 制 。 这 无 疑 令 人 振奋 和 倍 受 欢 迎 。 众 所 周知 ， 按 传统 的 药物 设计 方法 是 改造 具有 生 | IGE IEF A (lead compound ) 的 结构 中 ,采取 “证 泛 合成 ,随机 得 选 ?的 方 靶 。 据 统计 大 约 要 合成 15 000 个 化 合 物 方 能 找到 一 个 临床 使 用 的 药物 。 且 不 论 药物 化 学 家 在 进行 合成 时 所 耗 费 的 材料 人 力 , 光 从 药理 筛选 工作 而 言 也 是 非常 惊人 的 。 当 将 量子 化 学 计算 与 QSAR 研 究 与 药理 学 结合 起 来 以 后 ,一 旦 计算 获得 了 对 生物 活性 和 药理 作用 机 制 的 满意 解释 ,就 有 可 能 不 必 首 先 合 成 化 合 物 , 在 合成 前 ,事先 依据 计算 所 获 的 信息 ,有 目地 有 方向 地 改变 影响 活性 的 主要 结构 , 即 所 谓 药物 设计 (drug design)”, 可 按 设计 后 药物 分 子 的 结构 进行 量子 化 学 计算, 汞 预测 具 可 能 活 . 性 ,然后 进行 统筹 分 析 ( 主 要 取决 于 有 机 实验 的 难 易 ) 进 行 取舍 ,这 将 会 大 大 减少 合成 和 筛选 的 化 合 物 数目 .尽管 药物 设计 "获得 完善 成 功 的 典型 事例 公布 不 多 ,然而 ,这 无 论 如 何 是 令 人 神往 的 ， 它 将 大 大 促进 量子 药理 学 的 深入 发 展 。 由 于 量子 药理 学 是 一 门 新 兴学 科 , 正 处 于 迅速 发 展 之 中 , 亦 由 于 它 是 边缘 性 学 科 , 它 所 涉及 的 面 较 广 ,应 该 包括 哪些 内 容 尚 在 探讨 发 展 之 中 。 另 外 , 由 于 对 特定 的 药物 的 量子 化 学 计算 ,和 包 含 了 各 种 不 同 角度 讨论 药理 现象 ,例如 对 组 胺 化 合 物 , 既 有 大 量 工作 研究 其 构象 ,也 有 众多 研究 工作 是 探讨 受 体 作用 ,而 受 体 作 用 又 与 药物 构象 和 电荷 密度 分 子 静电 势 等 息息相关 ,不 能 截然 分 割 。. 这 种 相互 交叉 给 本 章 的 通俗 叙述 带 来 于 一 定 的 困难 .本 章 拟 就 药物 分 子 的 构象 .药物 的 受 体 、 药物 分 子 的 静电 势 和 电荷 密度 .电荷 转移 `.QSAR、 药 物 动 力学 等 几 个 大 范围 内 介绍 量子 药理 学 * 3146 — q cS - a = . 阅 Richards 第 二 版 < 量子 药理 学 > 中 的 文献 目录 …。 所 有 这 些 对 阅读 本 章 内 容 将 是 非常 有 花 的 。 _ 有 与 其 匹配 或 适应 , 才 易于 与 它 结合 , 进 而 产生 相应 的 药理 作用 斑 。 从 某 种 意 LEA, 药物 分 子 7 的 基本 内 容 。 其 中 包括 了 药理 学 中 常见 的 肾上腺 素 、 多 巴 胺 类 、 吗 啡 类 、 乙 酰 胆 碱 类 ,组 胺 类 、 抗 bi) .电荷 转移 复合 物 等 药物 的 量子 药理 学 研究 现状 及 进展 ,使 读者 对 前 面 所 述 的 量子 药理 学 发 展 的 可 能 性 和 必要 性 有 个 较 清晰 的 了 解 。 实际 上 ,Richards 的 “量子 药理 学 ?一 书 中 40% 的 内 容 介绍 了 分 子 药 理学 的 知识 ,因此 读者 应 对 分 子 药理 学 内 容 有 所 掌握 。 我 们 认为 ， 除 参考 “量子 药理 学 ?前 半 部 分 以 外 , 可 阅读 korol- kovas 的 “分 子 药理 学 概论 ?中 译本 0 ， 还 应 参 读 我 国药 理 专家 撰写 的 < 分 子 药理 学 >[9、 神 经 药 理学 >05 有 关 章 节 . 若 有 的 读者 想 了 解 量子 药理 学 研究 的 历史 ,可 参阅 Christoffersen HAR, OCH 1974 年 前 的 量子 药理 学 研究 作 了 全 面 的 阐述 。 而 1974 年 至 1981 年 间 的 研 究 论文 可 查 8.2 药物 分 子 构象 8.2.1 构象 对 药物 分 子 药 效 的 重要 性 研究 证 实 , 药 物 分 子 与 生物 大 分 子 (DNA ,核酸 . 酶 、. 辅 酶 等 ) 之 间 发 生 相 互 作 用 时 ,存在 着 空 间 化 学 问题 。 亦 即 这 些 生物 大 分 子 化 合 物 有 一 定 的 构象 (conformation), 且 药物 分 子 的 HAR 的 构象 是 产生 药 效 的 决定 性 因素 。( 有 关 生 物 大 分 子 的 构象 将 在 第 9 章 讨论 ) 我 们 知道 ,组 胺 即 2- 间 二 氨 茂 基 乙 胺 ,是 人 体 各 种 器 官 及 组 织 内 广泛 存在 的 化 学 介质 。 它 作为 一 种 神经 递 质 , 能 引起 体内 多 种 药理 效应 。 实 验 表 明 , 体 内 至 少 存在 两 类 组 胺 受 体 〈recep- tor) 一 一 孔 ; 受 体 和 了: 受 体 。 组 胺 对 这 两 种 受 体 都 有 强烈 的 作用 。 如 在 组 胺 分 子 中 引入 2- 甲 基 或 4- 甲 基 使 之 成 为 2- 甲 基 组 胺 和 4- 甲 基 组 胺 化 合 物 (图 8-1) 后 ,由 于 甲 基 的 引进 , 以 及 各 自 位 置 的 不 同 ,从 而 导致 组 胺 分 子 构象 变化 的 差异 ,这 可 能 就 是 导致 它们 的 药理 效应 差别 的 原因 之 CH:CH:NH， CH:CH:NH: H.C. CH:CH:NH: HC 一 C BERS C=C HN N HN N HN N N | H CH, $8 Wz 2- 甲 基 组 胺 4- 甲 基 组 胺 图 8-1 组 胺 及 其 衍生 物 分 子 图 一 。 实 验 表 明 扩 4- 甲 基 组 胺 对 H: 受 体 的 活性 为 组 胺 的 40% ,对 Hie AA 胺 的 1/500。 而 2= 甲 基 组 胺 又 显示 了 与 4- 甲 基 组 胺 的 活性 差异 ,其 对 孔 : 受 体 的 作用 仅 为 组 胺 的 2%，, 而 对 His 体 作 用 却 为 组 胺 的 17% 。( 见 表 8-1) 另 一 个 说 明 构 象 重 要 性 的 明显 例子 是 肾上腺 素 类 药物 C。 如 图 8-2 中 ,化 合 物 (1) 和 (3) , 它 们 具有 不 同 的 药理 作用 ,化 合 物 (1) 是 6 - 阻 断 药 ,而 (3) 却 兼 有 ac -肾上腺 素 的 兴奋 作用 和 有 - 阻 © 315 STE a ee ee ee ee ， 表 8-1 组 胺 及 衍生 物 相 对 活性 比较 相 对 活 性 H, 受 体 H, == OH NH-R ee N on 全 CH, WA 0; rs = R santa 2,R=H CH,O CH OH NH 一 R ] Co Raat, N OCH, / OCH, 3,R=H : Ries 4,R=H CH3O CH,O OH NH-R OCH, 5 OCH 5,R=H 8,R=H 6,R=CH, 9,R=CH, 7,R=CH(CH;), 10,R= CH(CH;), 图 8-2 ”肾上腺 素 类 药物 及 其 吗 啉 类 似 物 断 作 用 。 当 将 吗 啉 环 加 入 其 乙 基 腕 部 分 ,合成 如 (2) 和 (4) 化 合 物 后 , 则 原 有 的 空间 构象 〈 指 侧 链 与 苯 环 的 空间 构象 ) 发 生 了 较 大 的 改变 , 送 成 为 产生 不 同 药理 作用 的 主要 原因 之 一 。 实 验 表 B29) , 吗 啉 类 似 物 (4) 非 但 没有 任何 兴奋 作用 ,相反 地 却 显 示 出 一 定 的 @ - 受 体 阻 断 活性 。 常用 药物 青 才 素 或 头孢 雪 素 的 抗菌 药理 作用 是 众所周知 的 。 它 们 之 所 以 产生 抗菌 作用 ， 是 由 于 抑制 细菌 制造 细胞 壁 所 致 。 细 胞 壁 的 构成 依赖 于 一 些 多 糖 链 和 多 肽 链 的 互相 交织 。 在 这 种 生化 过 程 中 ,一 条 多 个 D - 构 型 丙 氨 酸 组 成 的 肽 链 将 加 到 另 一 条 由 几 个 甘氨酸 组 成 的 肽 链 。 这 种 ， 生化 反应 在 转 肽 酶 和 羧 肽 酶 的 催化 下 才 得 以 完成 。 丙 氨 酸 肽 链 首 先 与 这 两 种 酶 上 的 相应 基 团 ( 即 受 体 部 位 ) 相 组 合 ,然后 再 经 催化 缩合 ,使 细菌 得 以 继续 生长 。 经 过 研究 发 现 青 SHR, 包括 半 “ 合成 青霉素 的 构象 ( 见 图 8-3 1, ) 恰 好 与 D- 构 型 丙 氨 酰 D- 构 型 丙 氨 酸 (II) 的 构象 (IL.) AW Apts?) 。 因 而 当 青 才 素 进入 体内 后 , 它 也 可 在 酶 的 同样 部 位 ( 受 体 ) 上 结合 ,于 是 就 不 容 置疑 地 占 去 了 D - 构 型 丙 所 酸 肽 链 的 结合 部 位 ,这 就 阻止 了 其 与 甘氨酸 链 的 缩合 ,使 保护 细胞 的 细胞 辟 不 能 完整 构成 ,危及 细菌 的 生长 ,从 而 达到 抗菌 的 药理 目的 。 头 列 菌 素 类 (IID)、 硫 霉 素 (thienamycin,IV) 以 及 结构 更 为 简单 的 化 合 物 (V ) 也 有 很 强 的 抑 “ * 316° * + re S H R-CONH-CH-cl Sc“ goo | \CH3 H-C-NH CO-N——CH H3C CO ‘COOH ; ape Sih CH; @ 0 Q CDN § I Ex T Ta TI D-ARaAKR _D- 丙 氮 酸 ， S OH R-CONH-CH-Cfi ‘cH, CCH : » lo bp’ CH3 一 六 a S$ (CH2 pNH COOH a COOH Vs TD xAWARA WV whEK CH S$ CH , F Pee 1 L_DA CO—N ¢ aie aie : COOH |, éoou Vie : ; ¥. VA’ - 头孢 菌 素 类 OH | CH CH cH, “fF cH ‘c-s(CH; )>NH2 8 和 SeH tat : # ok by UL 是 COOH Wa COOH VI. MW AlI- HEX ui 图 8-3 青霉素 等 分 子 结构 及 相应 构象 示意 图 苗 作 用 .但 是 ; 当 将 它们 的 化 学 结构 略 加 修饰 ,如 将 头孢 菌 素 环 内 双 刍 位置 由 第 1 位移 至 第 2 位 ，， 硫 霉 素 环 内 双 键 位 置 移 至 第 1 位 ,同样 化 合 物 V 环 内 双 键 亦 移 至 第 二 位 ,分 别 合成 了 图 8-3 中 的 E VIVILVIII 三 个 化 合 物 ,经 试验 表明 ,它们 已 才 失 了 抗菌 作用 。 研 究 结果 5a) 指 出 ， 造成 药理 作 用 过 然 不 同 的 原因 就 是 由 于 双 键 位 置 的 迁移 ,同时 导致 环 上 羧基 的 构象 发 生 了 变化 。 由 L、IIL.、 TV.、V. 的 构象 图 象 可 以 清楚 地 看 到 , 有 抗菌 活性 的 青霉素 .头孢 堆 素 、 硫 霍 素 等 的 羧基 占有 环 正 的 假 平 伏 键 〈 见 工 右上 角 平 伏 的 COO SAAT MUL 等 右上 角 三 个 原子 ) 。 反 之 ， 双 键 位 生 移 后 的 化 合 物 A:- 头 孢 菌 素 类 (VI,), A/- 硫 霉 素 (VIIL,) 及 VIL, 的 羧基 都 处 在 环 上 假 直立 键 。 经 © 研究 , 假 平 伏 键 的 次 基 与 内 酰胺 基 靠 近 ,酰胺 的 氧 原子 与 次 基 的 碳 原子 间 相距 约 3% 0.30~0.3, nm, 相反, 假 直立 键 由 于 这 两 种 基 团 相距 较 远 ,致使 酰胺 基 上 的 氧 原子 与 次 基础 原子 间距 在 帮 0.41 nm 以 上 。 正 由 于 这 个 构象 差别 ， 造 成 假 直立 键 化 合 物 不 能 结合 在 前 述 酶 上 同一 关键 部 国 位 ,不 能 抑制 细菌 的 转 肽 酶 或 羧 肽 酶 的 催化 缩合 ,从 而 失去 了 抗菌 活性 。 WO 从 以 上 几 个 例子 中 充分 证 明 药物 分 子 组 成 的 空间 构象 支配 着 药 有 物 分 子 与 受 体 相互 作用 的 部 位 ， 可 见 其 对 产生 药理 作用 的 重要 性 。 。 317 。 8.2.2 分 子 轨道 法 在 研究 药物 分 子 构象 中 的 应 用 对 药物 分 子 构 象 的 研究 表明 ,分子 轨道 法 通过 不 同 近 似 求解 Hartree-Fock-Rothaan 方 程 ， 得 到 药物 分 子 的 能 量 , 从 而 可 以 推测 药物 的 构象 。 这 是 因为 在 不 同 构象 中 ,各 个 相互 作用 的 原子 或 基 团 间距 离 不 一 ,从 而 导致 整个 分 子 能 量 的 差异 。 换 言 之 , 当 分 子 内 某 一 化 学 键 旋转 时 ， 由 于 原子 核 与 电子 间 的 引力 ,以 及 各 原子 核 之 间 和 各 电子 之 间 的 斥 力 ,同时 也 由 于 价 键 和 非 键 作 用 力 的 改变 ， 使 分 子 内 旋转 不 同 角度 造成 化 合 物 具有 不 同 的 能 量 。 能 量 较 低 的 构象 比 能 量 较 高 的 构 象 更 为 稳定 ,高 能 量 的 构象 可 能 自动 转化 为 低能 量 的 构象 。 同 样 , 与 药物 作用 的 生物 大 分 子 ， 也 稳定 在 低能 量 的 构象 。 而 一 系列 类 似 药理 作用 的 化 合 物 当 应 与 同一 受 体 相 作用 ， 与 受 体 结合 的 药 效 基 团 也 应 有 相似 排列 ， 这 已 被 许多 研究 所 证 实 。 因 此 分 析 若 干 类 似 作用 化 合 物 的 较 低 能 量 _ 构象 ,可 以 推测 其 可 能 的 药 效 构象 , 即 EAR” 目前 计算 药物 分 子 构象 的 量子 生物 学 方法 ,有 量子 化 学 分 子 轨道 法 和 分 子 力学 方法 。 前 者 主要 是 从 头 计 算法 (ab_initio) , 半 经 验 分 子 轨道 法 的 MNDO .MINDO/3JINDO、CNDO/2， 以 及 了 PCILO 法 和 EHMO 法 ,近来 研究 构象 的 分 子 轨道 方法 主要 是 从 头 计算 靶 、MNDO 法 以 及 PCILO 法 。 分 子 力学 方法 是 近年 来 应 用 于 药物 结构 活性 关系 研究 的 常用 方法 之 一 ,计算 药物 分 子 构象 的 分 子 力学 方法 主要 是 Allinger 开创 的 MM 系列 中 的 MM 2 Al MMP 2 #2 FeO, 还 有 Adrewes 建立 的 COMOL 计算 系统 05 。 为 了 便于 计算 药物 分 子 与 核酸 结合 的 共同 构象 Pullman 创立 了 用 从 头 计 算 碎 片 加 和 的 分 子 力学 方法 一 -SIBFA 和 SIBFA 2 … '。 它 们 已 被 越 来 越 广 泛 地 应 用 于 量子 药理 学 研究 。 ”分 子 轨 道 法 计算 完全 可 以 象 处 理 几 何 形 状 那样 处 理 构象 。 对 于 分 子 的 一 部 分 相对 另 一 部 分 的 一 系列 位 置 ， 可 以 计算 并 比较 各 种 位 置 的 能 量 。 车 分 子 中 只 能 绕 一 个 单 键 发 生 旋 转 , 或 可 以 简化 为 一 个 单 键 的 旋转 , 则 可 以 用 能 量 对 角度 变 化 的 曲线 形式 描绘 出 构象 能 量变 化 的 结果 。 吴 吉 安 等 与] 在 抗 心 律 失 常 新 药 常 咯 啉 及 其 类 似 物 的 量子 药理 学 研究 中 ,用 EHMO 法 对 如 图 8-4 的 常 略 啉 (4-{3 ,5 一 双 [CN- 吡 咯 烷 基 ) 甲 基 ]- PERE ENN) 2 eT 以 期 找 出 能 量 最 低 的 分 子 构 象 。 在 进行 能 量 优选 计算 时 ， Peni oes 71,72 HERES 71 和 rz 旋转 的 对 称 性 ,以 及 ”和 7 « 旋转 的 空间 障碍 , 故 采用 近似 处 理 的 优选 办 法 。 在 寻找 出 riri 和 rzr: HMA A d= di = 120 ,¢2=$2=180° 为 该 局 部 能 量 最 低 的 前 提 下 ,分别 单独 旋转 r: 和 rs。z 对 应 的 两 面 角 页 (Niey,Ci,Ni,C:) 从 120 始 进行 一 次 EHEMO 计算 ,而 后 每 旋转 30 作 一 次 计算 ,所 获得 分 子 轨道 总 能 量 五 & WFR 8-2 中 ,依据 表 8-2 给 出 的 能 量 值 , 即 可 画 出 能 量 对 角度 的 曲线 图 (图 8-5) 由 图 可 见 ¢.=0° 能 量 最 低 。 最 终 获 得 常 咯 啉 能 量 最 低 的 构象 为 办 =120"， 册 =120" ，%=180 ，9g2=180 ， 册 =90 ， s=0, 计算 。 对 药物 分 子 而 言 , 往 往 有 几 个 单 键 同 时 旋转 。 在 这 种 情况 下 ,分 子 体 系 的 能 量 应 是 所 有 ° 318。 在 药理 学 研究 中 , 绕 单 键 旋转 的 能 量 优选 必 竞 不 多 ,上 述 的 例子 也 仅 是 作为 较 大 分 子 的 过 渡 TI 11 12 9\10 120 60 0 -60 —120 ¢,(#) 图 8-4 和 常 咯 啉 分 子 Dreiding 模型 旋转 图 图 8-5 +, 旋转 能 量 曲线 表 8-2 +t, 旋转 能 量 计算 值 (eV) 4 两 面 角 120° | 90° | 60° 4 30° 0° —2850.3325 —2848.1364 | —2849.8056 | —2850.1953 | —2850.3266 ”对 应 的 可 旋转 单 键 的 两 面 角 的 函数 。 药 物 分 子 的 稳定 构象 即 对 应 于 该 分 子 能 量 函 数 的 最 低 值 。 例如 ,在 抑制 性 介质 -氨基 丁 酸 (GABA) 分 子 的 构象 中 号 1 ,一 共 可 以 进行 ro\ri\ra\rs 四 个 ”三面 角 的 单 键 旋 转 ( 图 8-6)。GABA 的 总 能 量 可 看 作 是 这 些 二 面 角 的 函数 。 亦 即 本 ie 7 | ‘ Eg=E(t0,t1,T2,T3) 按照 通常 量子 化 学 计算 中 确定 分 子 空间 坐标 所 沿用 的 二 面 角 定义 (参见 第 2 章 ) ， 可 方便 地 从 图 8-6 中 找到 r; MPLA. Ane, 即 为 原子 Ci,C2,Cs Al Cy,C., Cs 分 别 构成 的 平面 的 夹 FA ,它们 的 方向 规定 为 右手 法 则 。 亦 即 从 C: EC, 看 ,以 CC, 为 转轴 ， 顺 时 针 旋 转 时 二 面 角 为 正 值 , 反 时 针 为 负 值 。ri=0, 对 应 于 CC, 5 CC, 键 同 平面 且 顺 式 排列 ,车 同 平面 反 式 排列 ， 则 相应 T=180°, 于 是 GABA 4S} -F- 中 四 个 两 面 角 分 别 为 79(0,C,,C2,Cs), ™1(Cy,C,,C3,C,), 4 ™2(C,,C;,C,, N*) wets, €,, N4jH), 由 于 4 个 两 面 角 同 时 旋转 ,给 计算 和 结果 分 析 带 来 了 很 大 困难 。 为 了 减轻 这 些 困 难 ,往往 选 择 影 响 构象 最 主要 的 两 个 二 面 角 进行 旋转 计算 ， 而 对 其 中 比较 次 要 的 二 面 角 则 按 有 机 化 学 的 经 难 取 固定 值 。 在 GABA 中 ,把 羧基 的 两 个 氧 原子 取 与 C:C: 共 平 面 , 即 ro=0° ,rs 按 正四 面体 的 标准 构 型 取 与 CoC, 的 交叉 位 构象 , 即 rs= +60°, FH GABA 分 子 能 量化 简 为 rr? 的 函数 。 计算 分 子 ri\r: 从 0 人 一 360 "或 者 从 一 180 "一 180 "变化 的 能 量 值 〈 角 度 变化 的 步 长 视 不 同 对 象 而 定 )。 计 算 结 束 后 , 求 出 能 量 至 的 最 小 值 妃 。， 并 计算 旋转 ri\r* 不 同 角度 所 得 能 量 与 Bu, 的 差 值 , 便 可 绘制 用 等 高 线 图 形 所 描绘 的 能 量 、 二 面 角 os 和 r 的 二 维 图 形 。 在 GABA 分 子 计算 中 ， TA x; 作 纵 坐标 ,rz 为 横 坐 标 ， 对 应 于 某 一 对 rir; 角度 的 相对 能 量 值 在 图 中 以 等 高 线 画 出 。 结 果 如 图 8-7, 从 图 8-7 可 以 看 出 , 怪 。。 相 对 值 为 零 的 区 域 对 应 于 mi:= £60°,72=0° ,表明 这 是 GABA © 319° . a HH HH 图 8-6 GABA Se Seay %,=7(0,C,;635, Cg) 图 8-7 GABA ee 法 ) 71 —F(C,,C:;C,;C,) =(C,,C,, Cj,1N%) 大 全 分 子 的 两 个 稳定 构象 区 。 而 已 。i。 相对 值 这 10 的 区 域 ,对 应 于 m= £60°,7,= 490°, BARGABA 分 子 还 存在 两 个 次 稳定 构象 区 。 构象 图 的 获得 给 药理 学 家 了 解 药 物 分 子 的 构象 带 来 了 很 大 的 方便 ， 并 提供 了 稳定 构象 的 确 声 信息。 严格 地 讲 ， 精 确 的 构象 图 应 通过 从 头 计算 法 获得 。 但 是 在 目前 ， 由 于 受 计算 条 件 的 限 制 ,对 一 些 较 大 的 药物 分 子 仍 使 用 一 些 半 经 验 的 分 子 轨道 法 或 分 子 力学 方法 获得 构象 图 。 不 过 ， 需要 指出 的 是 ,运用 从 头 计算 法 获得 构象 图 的 趋势 正在 与 日 俱 增 。 单个 构象 图 的 分 析 有 时 会 带 来 一 定 的 偏差 。 这 主要 是 由 于 它 忽 略 了 热力 学 的 论点 ， 即 对 药 理 效应 的 影响 。 药 物 分 子 的 活性 构象 不 一 定 为 具 稳定 构象 或 称 平衡 构象 0。 药物 分 子 在 平衡 构 象 附近 的 非 平衡 构象 (non-Equilibrium conformation) 往 往 起 着 重要 药理 作用 与 ]。 这 是 因为 热力 学 中 的 箭 效应 常常 是 重要 的 因素 ,考察 势能 面 上 两 个 势 阱 的 相对 分 布 , 则 可 发 现 ， 它 既 和 分 子 脱离 势 阱 的 难度 如 何 有 关 , 也 须 和 势 阱 宽度 不 同 造成 分 子 进 入 势 阱 的 难 易 程度 有 关 吕 1。 图 8-8 中 显示 了 一 维和 二 维 的 构象 图 , 它 清晰 地 表明 这 种 影响 :标记 为 4 的 构象 显示 其 势能 面 宽 而 势 阱 小 ,而 也 恰恰 相反 ,势能 面 上 窄 而 势 阱 深 。 则 构象 4 的 分 子 分 布 会 比 内 能 占 优势 但 所 占 几 率 低 的 构象 也 更 多 。 a Richards 等 用 ab-initio 法 和 EHMO 法 对 组 胺 及 4- 甲 基 组 胺 进行 了 构象 研究 ,提出 了 组 胺 “ H, 受 体 的 “必要 构象 "(“Hi-essential” conformation), 从 而 成 为 组 胺 量子 药理 学 研究 中 较 有 影 。 响 的 成 果 。 他 们 在 用 ab initio 法 采用 STO-3 G 基 组 对 组 胺 及 4- 甲 基 组 胺 进行 计算 后 发 现 , 组 胺 阳 离 二 子 和 4- 甲 基 组 胺 阳离子 的 内 旋转 势能 的 变化 幅度 ,与 用 EHMO 法 获得 的 结果 相 吻 合 cl。 表 8- 3 列 出 了 两 种 方法 计算 的 结果 。 可 见 两 种 计算 方法 的 差 值 相同 , 均 为 1.25 eV。 可 以 认为 ,用 较 简便 的 EHMO 法 在 研究 组 胺 构象 变化 时 ， 可 代替 复杂 的 ab initio 法 。 通过 EHMO 法 计算 获 池 得 的 构象 能 量 图 显示 ,组 胺 及 4- 甲 基 组 胺 的 构象 图 可 分 析 两 个 分 子 变 化 范围 的 差别 @21。 * 320» 360 GT g B (9 ° / T2 if | 图 8-8 两 种 势能 阱 的 比较 有 表 8-3 ”阳离子 内 旋转 势能 计算 值 (eV) St 方法 | EHMO WW initio 组 RK 0.14 0.24 4- 甲 基 组 胺 1.39 1.59 图 8-9 4- 甲 基 组 胺 分 子 结构 示意 图 图 8-10 组 胺 构象 能 量 图 4- 甲 基 组 胺 有 4 个 可 以 自由 旋转 的 扭 角 ,如 图 8-9, 按 前 述 原则 ,在 四 个 扭 角 中 9, 和 0 按 标 县 稚 构 型 , 取 能 量 最 低 的 扭 角 为 9,= 120" ,0, 取 交叉 位 (0: 一 60") ,这 样 分 子 能 量 简化 为 0, 和 0: 的 量 函 数 。 计 算 的 组 胺 和 4- 甲 基 组 胺 构象 能 量 图 为 图 8-10. 图 8-11。 ss 分析 比较 图 8-10 和 图 8-11 发 现 ,两 者 同样 高 于 总 体能 量 最 小 值 妃 =0.1eV 数 值 的 范围 ， AeA 0, 和 0: 变化 范围 大 于 4- 甲 基 组 胺 。 若 将 图 8-10 与 图 8-11 重 登 ,仅仅 取 0.1 eV 的 等 高 SVE, WL 8-12, ° 图 8-12 表明 ,4- 甲 基 组 腕 0.1 eV 等 高 线 在 虚线 以 内 ,而 组 胺 则 在 实 线 以 内 。 阴 影 部 分 表明 ¢ 321° 该 区 域 4- 甲 基 组 胺 的 1,0. 不 能 达到 ,相反 组 胺 却 能 达到 。 由 上 述 分 析 可 以 认为 ， 组 胺 分 Fi Hy, 受 体 的 活性 是 4- 甲 基 组 胺 的 500 倍 ， 是 由 于 对 Hs 受 体 要 求 组 胺 分 子 的 侧 链 Os 和 0 取 如 图 8-12 中 阴影 部 位 的 构象 。 这 部 分 构象 称 之 为 Hi 受 体 的 “必要 构象 ”。 图 8-11 4- 甲 基 组 胺 构象 能 量 图 图 8-12 Aiki 4- 甲 基 组 胺 构象 图 的 重 和 登 但 是 瑞 : 受 体 的 必要 构象 却 不 是 组 胺 的 最 稳定 构象 ， 而 是 偏离 稳定 构象 的 某 个 较 不 稳定 构 象 。 这 就 充分 说 明 当 药物 小 分 子 与 受 体 大 分 子 作 用 时 ， 产 生生 物 活性 的 "活性 构象 有 时 是 非 平 衡 构 象 。 由 于 分 子 所 取 的 构象 具有 统计 性 质 ， 因 而 简单 地 用 构象 图 是 难以 表达 能 量 的 区 域 变 化 的 。 | Am FFE a7 FP WG AY eS — Fa TE, BY SE He at A fk Boltzman JL3 AACA. APART 国 三 : 一 -rz Lage eS BS (8.1) Jb D,,., BARA cic. 角度 所 算得 的 能 量 , 天 是 Boltzman tf Be, Ty Hi xt BE GLI HR 37°C). RAVER — RAVE. LRM OREM O T ABI AF Z, He 下 式 校正 所 有 的 点 新 旧 Zz” ae he (8.2) TisT2 TiyT2/ 从 而 使 函数 积分 为 1 ,再 对 2 。 PI BUTS a, BZ AHR 积分 可 得 该 区 域 几率 ,将 几率 乘 以 分 子 数 可 得 该 区 域 的 集 居 数 (population)。 同 时 可 以 画 Maa. 所 有 神经 介质 都 采用 两 个 扭 角 旋 转 的 情况 , 便 能 画 出 集 居 数 图 , 见 图 8-13。 从 这 类 图 象 可 以 看 出 ,分 子 具 有 某 几 率 处 于 该 构象 的 区 域 , 使 它 有 更 多 的 机 会 与 受 体 作 用 。 而 对 同系 列 分 子 进行 比较 , 则 可 画 出 每 个 化 合 物 的 99% 的 界线 图 ,这 样 ,分 析 其 构象 作 用 就 方便 得 多 了 。 “322。 图 8-13 ERE 图 8-14 构象 百 分 率 图 象 的 对 比 图 8-14 是 构象 百分率 图 象 对 比 , 画 点 的 面积 表示 适用 于 组 胺 不 适用 于 4- 甲 基 组 胺 的 区 域 。 而 黑色 面积 在 所 有 Hs 活性 激动 剂 的 99% 界 线 内 ,代表 这 类 活性 的 “必要 构象 "。 由 于 分 子 的 非 平衡 构象 不 可 能 通过 X 衍射 或 NMR 测 得 ,而 分 子 轨 道 计算 对 平衡 构象 和 非 平衡 构象 同样 有 效 ,因而 量子 药理 学 在 构象 研究 中 显示 了 其 独特 的 重要 作用 ,并 将 愈 来 愈 引 起 人们 的 注意 。 8.2.3 去 甲 肾上腺 素 的 构象 研究 去 甲 肾上腺 素 及 乙酰 胆 碱 分 别 是 两 类 不 同 的 神经 系统 的 神经 冲动 传 递 媒 介 ， 称 为 神经 弟 ， 质 。 由 于 分 小 的 神经 递 质 的 不 同 , 近 年 来 将 这 两 类 神经 称 为 肾上腺 素 能 神经 与 胆 碱 能 神经 。 肾 上 腺 素 能 神经 是 指 释放 去 甲 肾 上 腺 素 为 媒介 的 神经 纤维 。 由 于 去 甲 肾 上 腺 素 在 药理 学 中 的 重要 殷 位 ,因而 用 分 子 轨道 法 对 其 进行 研究 也 引起 了 广泛 的 兴趣 。 在 构象 研究 中 ,不 仅 药物 有 其 “活性 构象 ", 同 样 与 药物 相互 作用 的 生物 体 大 分 子 (如 受 体 )， 屯 需 稳定 在 低能 量 的 构象 的 空间 位 置 。 由 于 生物 大 分 子 化 合 物 结构 复杂 ， 有 了 时 可 能 有 几 种 不 同 类 象 的 能 量 都 较 低 。 在 受到 外 界 影响 时 ， 由 于 互 变 的 能 量 障碍 不 大 , 则 几 种 构象 就 可 能 同时 存 在 。 当 药物 小 分 子 或 内 源 活性 物质 与 这 些 大 分 子 的 不 同 构象 相 作用 时 ,将 分 别 产生 不 同 的 药理 县 族 应 ,这 称 之 为 一 种 受 体 的 几 种 受 体 亚 型 (有 关 受 体 亚 型 在 下 节 还 将 叙述 ) 。 - 去 甲 吧 上 腺 素 可 与 神经 突 触 后 受 体 结合 ,产生 效应 ,该 受 体 有 几 种 受 体 亚 型 。 早期 的 量子 药理 学 计算 表明 ， 去 甲 肾 上 腺 素 分 子 侧 链 上 两 个 碳 原子 旋转 在 不 同 角 度 时 ， 以 和 所 基 与 共 基 成 对 位 交 又 式 的 能 量 最 低 , 氧 原子 与 氮 原 子 相距 为 0.286 am。 麻黄 碱 的 计算 也 有 相 狐 的 有 利 构象 , 氨 原 子 与 氧 原子 距离 为 0.295 nm。 而 假 性 麻黄 碱 为 邻 位 交 又 式 ,意味 着 与 同一 爱 体 的 结合 不 利 ， 故 而 拟 交感 作用 很 弱 。 进一步 研究 表明 ,去 甲 肾 上 腺 素 的 受 体 有 cx 、B 亚 型 ,例如 与 受 体 结合 产生 收缩 血管 . 升 高 MESA, 5 8 受 体 结 合 产生 增 快 心 搏 、 增 强 心肌 收缩 并 舒张 支气管 等 效应 。 ¢ 323。 把 去 甲 肾 上 腺 素 的 化 学 结构 局 部 加 以 变动 (改变 R 取 代 基 ) , 则 对 这 二 种 受 体 亚 型 结合 的 OH 一 | EEC C—CH,—NHR ae as HO H Xa. R=H#EPS EMH b, R 一 CH. 肾 上 腺 素 ec. R=CH(CH,).# AG LRES d. R=C(CH;), 弱 随 即 发 生变 化 ,例如 去 甲 肾 上 腺 素 (Xa) 以 作用 于 受 体 为 主 , 而 氨基 上 带 有 甲 ESE (Xb) sto 和 有 受 体 都 有 作用 , 若 氨 基 上 取代 有 蜡 丙 基 (Xc) 或 叔 丁 基 (Xq) 时 ， 则 主 要 作用 于 受 体 。 为 研究 这 一 不 同 受 体 亚 型 的 作用 ,探索 庞大 取代 基 怎 样 影响 其 对 受 体 的 亲和力 ,有 人 用 称 之 A ISC-PEM-MO 的 属于 分 子 力学 原理 的 方法 和 程序 对 和 da 和 Xb 分 子 进 行 分 子 构 象 的 优化 计 BO, Hin 8-15 所 示 的 两 个 分 子 键 长 键 角 按 标准 数据 固定 ,旋转 相应 的 二 面 角 , 画 出 两 两 对 应 的 能 量 构象 图 。 按 其 能 量 分 布 的 情况 可 形象 地 归结 为 如 图 8-16 所 示 的 三 种 构象 。 在 图 8-16 中 ,4 式 能 量 为 最 低 ,C 略 高 , 比 4 高 出 2.5kcal/mol， 五 能 量 最 高 , 比 4 大 3.5 kcal/mol。 对 这 些 构 象 计 算 结 果 的 分 析 表 明 ,4 PRES RABEL, AM 位 交叉 式 , 位 阻 最 低 , 去 甲 皮 上 腺 素 的 分 子 若 取 4 构象 ， 则 羟基 与 胺 基 间 可 形成 分 子 内 氢 键 ， 更 能 降低 能 量 , 因 而 4 分 子 取 对 位 交叉 构象 ,也 是 4 受 体 的 必要 构象 。 而 C HMRHKEERESRE ZA BHR 的 去 甲 肾 上 腺 素 不 可 能 形成 分 子 内 氢 键 ,C 构 象 处 于 氨基 羟基、 苯 基 都 是 邻 位 交叉 的 部 位 ,能 量 ， 升 高 ,经 分 析 肾 上 腺 素 分 子 的 构象 能 量 图 ,发 现 处 于 4 构象 的 面积 比 去 甲 肾上腺 素 的 面积 减少 ， 这 说 明 氮 基 上 引进 取代 基 会 减低 对 位 交叉 构象 4 的 存在 , 指示 氨基 引进 庞大 取代 基 团 ,会 使 构象 自 4 趋向 C ,构象 发 生变 化 ,与 之 适应 的 受 体 亚 型 就 不 同 , 药 理 效应 随 之 发 生变 化 。 Jka 获得 的 优势 构象 ， 对 Xa Fil Xb 分 子 进行 量子 化 学 CNDO/2 We, 发 现 氨基 上 mam | ain z Him jesatin Hist ip NH,R H H ”Hi Hi H HO H 下 | A d(CGTACG), >d(TATATA),> i I IV d(CITACI),>>d(CGCGCG), >d(TACGTA), III VI 从 上 述 顺 序 可 知 ,DNM-DNA 的 科 播 选择 性 是 polyd(TA): 的 结合 能 比 对 polyd(CG): 强 。 d(CGATCG), 5 d(CGTACG), 相当 。 作 者 以 4d(CGATCG):-DNM 复合 的 形式 ,进一步 运用 SIBFA 计算 方法 ， 计 算 了 DNM 的 8 个 衍生 物 与 双 螺 旋 低 聚 核 苷 酸 稳定 构 & 所 对 应 的 各 种 能 量 。 图 8-24 显示 了 他 们 所 进行 计算 的 八 个 分 子 的 结构 ,值得 指出 的 是 ， 化 合 物 7 和 8 是 作者 设 计 的 新 衍生 物 , 其 结构 特征 是 DNM 分 子 中 糖 基 上 3’ 位 的 一 NHS 基 团 改变 为 一 CH: 一 NHS(7) Bi—CH,CH,NH3(8) , Bia Bi AE Wy 5 WR Hee RE AY REY & SL 8-25, ea。 329° we, Le ol ee HO 1 Compounds O Oo s HO OH 1 Daunomycin 一 DCH, | Daunosamine | +NH 3 Daunosamine Glucosamine 2 4-demethoxydaunomycin —H Daunosamine 3 A-anomer of 4-demethoxy- |—H Daunosamine | daunomycin. 4 4-demethoxy-7,9-bis-epi- |—H Daunosamine daunomycin 5 B-anomer of 4-demethoxy- = Daunosamine 7,9-bis-epi-daunomycin ; 6 Glucosamine analog of —OCH,| Glucosamine daunomycin - 7 Methylaminedaunomycin —OCH, | 3’-methylamine daunosamine ~ 3’-methylamino S-cthy ie daunosamine CR 本 8 Ethylaminedaunomycin —OCH,| 3“-ethylamine daunosamine 7,9- DEAR - 图 8-24 和 柔 红 霍 素 类 似 物 结构 3! S6—G6 C1’'—Ss1' 5! Pst SP 1 S5—C5 G2'—S2'C P re P 2! r S4—T4 A 3/ 一 S a P 3 人 P3/ S.3 一 A3 Tt! S.A! P 2 Spa S 2 一 G2 C5'—S 5! P 4 P 5/ | 5! S1—C1 . Gé6'—S6' 3! 图 8-25 DNM #i ety 5 OR We RR ARR IE ES * 330 » 二 一 Se AE sater 4 Burp .6 Fya Ave Ecr .6 Baup A Ei .4 9 .0 6 也 .4 6 .8 AE* sates —147.6 —149.9 —118. 一 124.2 | 一 91.4 一 94.1 一 71. 一 73.9 éE* —137.9 —140.1 —115. —116.2 6 0.0 一 2.2 22.4 21.7 1C,.(umol/1) 18° 18 38 50 >100 K,(1/mol) | 3.3x10s*| 4.4x10° S310" 71. x 10*4 表 8-4 RUBRSI—VI 复合 物 相互 作用 能 (kcal/mol) Hexanucleotide d(CGTACG):|d(CGATCG):| d(CITACI), | d(TATATA),| d(CGCGCG),| d(TACGTA),; AB sates .9 PY | 4 —413.4 Bad 2 5 .8 .6 一 350.6 r Pe .3 2 .5 .9 一 21.1 fA .0 .8 .0 2 一 13.6 .4 .0 -8 .6 一 86.3 Bias Ss 7 3 .8 58.2 AE coat, .6 .6 .6 4) 227, AB santact 5 .8 .5 .5 9.5 6 也 8 3 .8 2 —401.2 é .0 .5 .0 .6 19.6 AE* .6 .0 .6 过 一 127.1 E* ure 4 .0 .0 .5 一 72.6 oE* 5 .6 .5 .9 一 114.9 é* .0 .9 .0 .6 19.6. 表 8-5 列 出 1 一 8 (LA WS' d(CGTACG), 优势 构象 所 对 应 的 各 作 相 互 作 用 能 。 表 8-5 “化合物 1 一 8 5 d(CGATCG), 相 互 作用 能 (kcal/mol) 2 4-Demethoxy 8 Ethylami- ne DM 6 #-Anomer of , emethoxy- Glucosamine 7, 9-bis-epi DM 4 8-Anomer of |4-Demethoxy- WEF SB =AB inter + AB cont 为 稳定 能 ,以 它 来 衡量 ,其 复合 物 的 结合 强 弱 为 : 7>8>251(DNM)>6>3>4>5 ) 表 上 的 结合 能 顺序 令 人 满意 地 与 它们 各 自 的 抗 肿瘤 活性 大 小 平行 (UL ICs 1 Ka). SA 振奋 的 是 ,预先 设计 的 7 和 8 TSA, WAAL DNM 强 得 多 的 抗 肿瘤 活性 。 这 一 理论 研 究 表明 ,量子 药理 学 对 药物 分 子 构象 计算 ,至 少 在 DNA 媒 插 模型 作用 机 制 的 研究 中 ， 已 进入 定 。 331° 量 设计 药物 的 水 平 。 站 图 8-26 显示 了 DNM 和 7、8 分 子 与 4(CGATCG)。 复合 稳定 构象 MAMA, 形 采用 FIGATOM 作 图 程序 52 完成 的 。 = SEES ES 图 8-26 化 合 物 1(4)，7(B3)， 和 8(C) & d(CGATCG), 复合 物 图 象 8.2.6 作用 于 中 枢 神 经 系统 药物 药 效 构象 的 研究 不 同 结构 的 药物 产生 相同 的 药理 作用 ,如 作用 于 中 枢 神 经 系统 的 药物 , 它们 与 受 体 作用 有 没 sa 332° 4 r) 1 i ae ot Se ee ee ee (ere ray See a os Se 本 有 共同 的 药 效 基 团 亦 即 一 个 共同 的 必要 构象 呢 ? 长 期 以 来 ,人 们 认识 到 大 多 数 作用 于 中 枢 神经 系统 (CNS) 的 药物 分 子 中 必定 具备 一 个 芳 环 和 一 个 氛 原 子 。 近 年 来 Andrews 等 进行 的 构象 研究 ,证实 了 这 二 个 基 团 独特 的 图 象 排 列 是 各 类 CNS 药物 活性 的 最 低 要 求 ” 。 他 们 在 进行 CNS 药物 共同 的 结构 模型 (common structure model) 研 究 中 , 将 常用 的 CNS 药物 中 的 各 种 不 同 作用 类 型 的 分 子 共 14 个 综合 在 一 起 ， 这 些 药物 具有 不 同 的 结构 特征 。 吗 啡 (1)( 镇 痛 药 )、 马 钱 子 碱 (2)( 中 枢 兴 奋 药 )、 二 乙 基 才 角 酰胺 (LSD)(3)( 致 幻 药 )、. 阿 扑 吗啡 (4) 镇 痛 药 )、 米 安 含 林 (5)( 抗 抑郁 药 ), 这 五 个 分 子 属 于 半 刚 性 化 合 物 (semirid compound) ; 葵 巴 比 妥 《6 儿 催 眠 药 )、. 可 毛宁 (7)( 肾 上 腺 素 x 受 体 激 动 剂 ) .安定 (8)( 抗 焦 虐 药 ) .荷包 牡丹 碱 (9)(GABA 持 抗 药 )、 苯 妥 因 (10)( 抗 惊 药 )， 这 五 个 化 合 物 都 在 两 个 芳 环 间 存 在 可 自由 旋转 的 扭 角 ， 汪 丙胺 (11) (兴奋 药 )、 丙 咪 嗪 (12)( 抗 抑郁 药 )、 氧 两 嗪 (13)( 抗 精神 病 药 )、 卡 马 特 灵 (14) ( 抗 胆 碱 药 ) 这 Qe 四 个 化 合 物 都 具有 两 个 以 上 自由 旋转 的 侧 链 。 CH; LP oa ME aoe “WO H N N N a O H HO N CH; Cu, ‘ 1 2 3 4 5 We H T3 i N T2? NH Bic< 人 NE ey J ET My oAn+o Cl O° “NH 6 7 10 NH2 %\_ 3 (a 4 las 也 信奉 4 Ti CH3 Ave = OH T2 73 aN. 12 Andrews 采用 分 子 力 学 计算 方法 , 称 之 为 经 典 势 能 计算 法 (classical potential energy) 对 Ei 14 个 分 子 进行 了 研究 。 他 们 最 后 得 出 CNS 药物 四 点 式 作 用 的 共同 构象 特征 的 论点 。 见 图 8-27, 图 8-27 显示 CNS 药物 中 , 处 于 芳 环 平面 正 上 方 和 正 下 方 各 有 一 个 受 体 作 用 点 Ri， 其 坐标 《nm ) 为 (0,0.35,0) ,R:, 其 坐标 为 (0, 一 0.35,0), 氨 原子 ,坐标 为 (0.48, 一 0.03,0.14) ,Ra， FA ° 333° 标 为 (0.63,0.10,0)。 图 中 还 表示 Ri PR. 作 用 点 分 别 表 示 该 药物 与 受 体 的 下 水 结合 Chydr- ophobic bonding), R: 表示 与 受 体 的 氨 键 结合 。 Andrews 称 之 为 共同 模式 (the Common Model) 。 下 面 , 让 我 们 简要 地 分 析 一 下 作者 所 计算 的 14 个 化 合 物 的 具体 结果 。 对 于 1 一 5 半 刚 性 分 子 优 化 的 势能 计算 相对 较 为 简便 , 它们 的 六 种 可 能 的 构象 计算 值 列 于 表 8-6, 并 运 用 计算 机 图 形 计算 MORPHEUS 系统 进行 比较 分 析 ， 对 应 的 空间 分 子 图 画 于 图 8-28。 E (4) F (5) 图 8-28 对 应 表 8-6 的 六 种 构象 的 空间 分 子 图 。334 。 表 8-6 ， 半 刚性 分 子 与 共同 模式 的 吻合 2 分 子 构 象 | 代 = | fe Bt (kcal/mol) 距离 (nm)” 吗 啡 (1) N-Ras 为 轴 4 0.0 0.030 N-R, ABE B 2,4 0.042 马 钱 子 碱 (2) - C 0.0 0.043 LSD(3) N-R; Ahh D 0.0 0.041 Bay Fh EC 4) N-Rs 为 轴 E 0.0 0.062 F 0.0 0.033 a KRESS) N-R 4h * ”最 好 吻合 距离 ， 用 均 方 根 测量 (RMS) 轩 。 对 于 6 一 9 主要 由 一 个 旋转 扭 角 确 定 构象 的 四 个 分 子 ,进行 扭 角 -势能 的 曲线 计算 ,化 合 物 6 岂 的 计算 结果 见 图 8-29 ,四 个 化 合 物 的 能 量 极 小 对 应 的 构象 见 表 8-7 ， 并 同样 画 出 四 个 化 合 物 分 | 子 的 五 种 构象 的 分 子 透视 图 一 一 图 8-30 。 对 于 有 多 个 扭 角 的 10 一 14 这 五 个 化 合 物 ,作者 区 别 不 同情 况 分 别 一 一 作 了 构象 能 量 计算 ， 图 8-31 显示 了 化 合 物 11 r: 和 z 旋 转 时 所 画 出 的 势能 构象 图 与 最 小 距离 图 ,可 见 1=110°.7= 180 "为 对 应 的 优势 构象 。 以 上 五 个 化 合 物 的 分 子 透 视图 列 于 图 8-32。 车 将 上 述 图 8-28、30(336 页 ) .32 (337 页 ) 中 ,除了 300 和 324 外 的 这 14 个 分 子 构象 重 选 , 令 人 兴奋 地 发 现 ,它们 的 芳 环 重 挝 外 , 假设 的 受 体 作 用 点 Rs 也 重 迭 在 一 处 ( 见 338 页 图 8-33)。 上 述 研 究 充分 表明 CNS 药物 都 有 共同 的 结构 基础 , 可 能 次 级 的 结合 部 位 才 决定 该 药物 的 具 体 作 用 类 型 。 这 一 类 共同 结构 模型 的 研究 仍 在 不 断 发 展 之 中 [421。 距离 em) 能 量 (kcal: mol-1) Mfar(°) 图 8-29 化合物 6 ( 茶 巴 比 妥 ) 的 主要 扭 角 与 受 体 作用 点 之 间 的 势能 ( ) od AUPE BS (eee ) 曲 线 , 表 明 一 160? 能 量 最 低 8.3 药物 的 受 体 8.3.1 受 体 学 说 在 药物 研究 中 的 重要 性 我 们 知道 ,各 种 类 型 的 药物 , 可 防治 不 同 的 疾病 。 但 为 什么 这 些 化 合 物 会 产生 疗效 呢 ? 结构 截然 不 同 的 药物 ， 为 什么 又 对 同样 的 疾病 有 疗效 呢 ? 这 是 药物 学 家 早 在 上 世纪 初 就 开始 思索 的 _ e 335 * 表 8-7 分 子 6 一 9 的 最 低能 量 和 最 适 距离 与 共同 模式 的 吻合 构 象 | 代 号 扭 角 AGRE) A —160 WM 宁 (7) B 70 S isomer ' —100 安定 (8) rd 100 三 角形 一 90 S 一 90 安定 (8) de D —90 三 角形 一 90 荷包 牡丹 碱 (9) C 一 100 D(8) fe (kcal/mol) E (8) 图 8-30 对 应 表 8-7 中 4 个 分 子 5 种 构象 的 空间 分 子 图 © 336° 距离 (RMS) (nm) 0.03 0.04 0.10 0.08 0.06 0.10 0.09 0.09 0.07 TI TI 2 图 8-31 分 子 (11) 扭 角 rire 旋转 对 应 的 势能 图 (4) 和 距离 图 (了 ) B (!1) Te: re. D (12) E (13) 图 8-32 分 子 (10) 一 \I4) 空 间 分 子 图 e 337 « © 338 © ae ay Son qd 7-9 = BAP. ita a7 ty a 全， _-* * 问题 。1905 4A, Langley 就 提出 了 受 体 (receptor) 概 念 。 所 谓 受 体 ， 是 指 生 物体 细胞 的 一 种 组 分 , 当 药物 与 这 组 分 结合 后 ,促使 产生 一 系列 变化 ,最 终 导 致 产生 药理 效应 ,如 药物 结合 在 细菌 细 胞 ,抑制 细菌 的 生长 ;药物 结合 在 血管 ,促使 其 千张 而 降低 血压 。 早年 , 受 体 只 是 科学 家 的 一 种 设想 ,人 们 一 直 沿用 这 一 名 称 , 并 试图 推测 受 体 的 形象 .只 有 在 分 子 生 物 学 取得 重大 进展 的 今天 ,以 及 应 用 X- 射 线 衍射 .NMR 测定 以 及 放射 性 示 踪 等 若干 新 技 术 后 , 才 开 始 跨 上 了 研究 受 体 本 质 ,以 及 受 体 与 小 分 子 化 合 物 相互 作用 的 道路 。 分 子 生 物 学 研究 揭示 了 酶 与 基质 间 的 相互 关系 。 它 提示 我 们 ， 药 物 的 受 体 也 可 能 类 似 酶 。 受 体 实际 上 有 一 个 弹性 的 三 维 构象 ,其 立体 结构 应 当 与 药物 的 结构 互补 。 有 时 当 药 物 作用 时 , 受 体 构 象 先 发 生 变化 ,然后 与 药物 的 结构 互补 。 两 者 互相 结合 而 生成 复合 物 以 后 , 便 将 整个 蛋白 或 邻近 的 蛋白 激活 ， 从 而 产生 相应 的 生物 活性 。 在 许多 生化 反应 中 , 酶 起 着 催化 的 功能 。 许多 药物 的 药 效 , 是 由 于 与 酶 上 某 个 部 位 的 结 合 ， 从 而 抑制 了 酶 的 正常 催化 功能 。 这 样 ， 这 些 药物 的 受 体 是 酶 上 的 部 位 。 研 究 复 杂 的 酶 的 三 维 结构 表明 , 赖 氨 酸 、 精 氨 酸 、 组 气 酸 、 丝 氨 酸 、 苏 氨 酸 、 栈 氨 酸 、 色 氨 酸 、 谷 氨 酸 、 天 门 冬 氨 酸 等 氨基 酸 的 极 性 基 困 ， 绝 大 多 数 都 在 蛋白 分 子 的 外 表 部 分 。 药 物 与 酶 的 结合 ， 正 是 通过 与 氨基 酸 上 取代 基 的 作用 力 。 图 8-34 显示 了 甲 状 腺 素 与 蛋白 质 上 各 种 氨基 酸 上 基 团 的 结合 。 ees Baia ne 除了 蛋白 是 药物 受 体 以 外 ， 核 酸 也 是 重要 的 药物 作用 部 位 。 例如 草 环 素 族 (Anthracycli- nes) 抗 生 素 插入 在 双 螺 旋 核 酸 的 二 个 邻近 碱 基 间 ,使 核酸 的 构象 产生 变异 [541。 从 而 干扰 其 样板 作用 。 其 他 如 抗 血吸虫 药物 甲 硫 草 酮 . 旷 啶 类 抗 闪 药 、 阿 老 素 等 抗 肿瘤 药物 也 和 在 DNA 的 两 个 BHR. i BW SSAA RE Sit Bp A 2S BE Ad PAE PE EEE 不 同 的 形式 。 (1) 共 价 键 。 多 数 药 物 与 受 体 间 作用 是 可 逆 的 。 当 细胞 外 液 的 药物 浓度 降低 时 ， 这 复合 易 又 解 离 。 但 少数 药物 如 烷 化 剂 . 酰 化 剂 等 ,可 与 受 体 产生 共 价 键 结合 。 如 抗 吧 上 腺 素 药 苯 氧 苯胺 和 & N—CH,CH,C! 基 团 ,可 与 酶 上 的 琉 基 等 活性 基 团 以 共 价 键 结合 。 (2) 离子 键 。 药 物 分 子 内 的 羧基 或 磺 酰 胺 在 生理 酸碱度 条 件 下 (PH=7.4) 可 电离 为 阴离子 ， 和 与 受 体 的 阳离子 产生 静电 结合 ,另外 ,药物 分 子 的 脂肪 胺 可 质子 化 成 为 阳离子 ， 季 镑 也 以 阳离子 形式 存在 ， 它 们 可 与 受 体 上 的 阴离子 生成 离子 键 。 (3) 气 键 。 羧 基 、 氨 基 、 羟 基 、 亚 氮 基 等 均 可 作为 氨 键 的 接受 体 或 给 予 体 。 (4) Van der Waals 引力 。 虽 然 其 作用 力 很 弱 ， 但 许多 基 团 的 引力 的 协同 作用 亦 不 可 忽 视 。 。339。 _—— wt ii i if ri E H (5) 朴 水 性 结合 。 药 物 的 非 极 性 部 分 (如 烃基 ) 与 受 体 的 非 极 性 部 分 ,可 挤 去 外 围 的 水 分 子 ， 产生 引力 。 (6) 电荷 转移 复合 。 闻 基 或 芳 环 等 是 < 键 或 大 关键， 电子 易于 流动 , 药物 与 受 体 间 这 种 基 困 可 能 产生 电荷 转移 复合 。 尽管 已 经 分 离 出 不 少 神经 递 质 和 激素 的 受 体 ,但 都 是 分 子 量 达 好 几 万 的 生物 大 分 子 , 况 且 蛋 白质 本 身 又 很 容易 变性 ,这 就 很 难 研究 与 药物 相 结合 的 受 体 的 基 团 所 在 。 目 前 的 研究 方法 , 先 从 药物 本 身 的 结构 开始 。 药 物 既 与 受 体 相 结合 ,两 者 结构 自 应 有 互补 性 。 则 可 从 药物 分 子 的 构象 、 电荷 分 布 、 空 间 的 静电 势 场 .化 学 键 活性 、 疏 水 性 能 等 角度 , TURES EASE. AR 第 二 节 阐 述 的 药物 分 子 的 构象 ,实际 上 是 研究 药物 受 体 的 需要 ,研究 构象 的 目的 是 探讨 受 体 的 性 质 和 结构 。 当 然 ,X 衍射 足以 测定 药物 的 三 维 结构 , 若 带 有 不 对 称 中 心 ， 所 带 基 团 的 空间 排列 即 绝对 构 型 也 可 测定 ,晶体 状态 代表 最 低能 量 时 的 分 子 构 象 ,但 不 一 定 是 “活性 构象 >， 因为 晶体 结 构 也 可 能 转化 为 另 一 种 构象 ,再 与 受 体 结合 。NMR 获 得 的 数据 ,包括 偶合 常数 与 化 学 位 移 , 亦 可 推算 溶液 中 不 同 构象 的 存在 比例 ， 它 以 溶液 中 存在 的 构象 代表 体液 环境 的 药物 当 比 晶 体 结构 更 为 符合 实际 。 量子 化 学 分 子 轨 道 法 计算 可 方便 地 计算 药物 分 子 的 能 量 ,各 原子 的 电荷 密度 、 空 间 静 电势 、 化 学 键 键 级 等 ,正如 第 二 节 所 述 ,用 量子 化 学 计算 不 同 结构 的 数 种 药物 ， 从 其 中 几 个 能 量 较 低 的 构象 中 ,可取 其 共同 性 的 构象 ,可 能 就 是 药 效 构象 (pharmacophore)。 经 量子 化 学 计算 所 得 的 分 子 内 电荷 密度 分 布 ,也 可 反 推 受 体 各 相互 作用 点 的 性 质 ,电荷 密度 较 高 的 部 位 ， 可 作用 于 受 体 的 正 电 中心 , 反 之 电荷 密度 较 低 的 部 位 , 则 可 作用 于 受 体 的 负电 中 心 。 福 并 谦 一 建立 的 量子 化 学 前 沿 轨道 指数 , 亲 电 、 亲 核 前 沿 轨道 电荷 密度 太 、 太 ; 亲 电 、 亲 核 .亲自 由 基 超 离 域 度 SB，. SS3S，， 这 些 指数 在 研究 药物 与 受 体 间 的 作用 上 起 了 很 重要 的 作用 。 分 子 静 电势 又 可 描绘 分 子 周 围 电荷 作用， 其 正 负电 势 部 分 可 清楚 地 分 别 发 生 亲 电 或 亲 核 的 进攻 。 此 外 可 从 计算 所 得 的 最 高 占据 轨 道 能 量 ( 五 asowo) 和 最 低空 轨道 能 量 ( 五 :uxo) 的 大 小 分 析 , 当 药 物 与 受 体 相互 作用 时 ,其 电子 跃迁 能 力 的 大 小 。 这 些 均 对 受 体 的 研究 产生 重大 的 推动 作用 。 研究 体内 的 生理 活性 物质 或 药物 与 受 体 怎样 结合 ,不 仅 是 为 了 揭示 自然 界 的 奥秘 ,而 且 更 是 ， 为 了 合理 地 开发 和 设计 新 药 。 在 研究 探索 了 药物 与 受 体 怎 样 作用 以 后 ， 将 使 药物 结构 的 设计 更 趋 合 理 。 当 前 有 关 受 体 的 知识 还 是 比较 肤浅 ,根据 受 体 的 研究 而 设计 成 功 的 新 药 为数 很 少 ,然而 ， 受 体 的 研究 及 其 应 用 , 必 将 使 药物 设计 进入 一 个 新 的 天 地 。 从 这 个 意义 上 讲 ， 受 信守 说 征 药物 学 领域 的 一 个 极 有 希望 的 发 展 方向 。 关于 受 体 的 研究 Richards" 在 他 的 论著 中 给 予 很 重要 的 位 置 。 秘 族 运 多 次 发 表 综 述 ， 阐述 ， 了 受 体 研究 的 重要 性 以 及 在 新 药 设 计 中 的 应 用 所 。 本 节 主 要 介绍 量子 化 学 在 受 体 研 究 中 的 _ 一 些 直接 应 用 ,第 二 节 的 构象 研究 及 随后 的 药物 分 子 静电 势 与 电荷 密度 ,以 及 电荷 转移 ， 事 实 上 上 都 万 变 不 离 其 宗 ， 均 与 受 体 学 说 息息相关 。 8.3.2 ”乙酰胆碱 的 量子 药理 学 研究 乙酰 胆 碱 与 去 甲 肾 上 腺 素 分 别 是 两 类 不 同 神经 系统 的 神经 冲动 传递 媒介 ， 称 为 神经 递 质 。 * 340 « i 4 现 已 研究 清楚 ,副交感 神经 受到 兴奋 时 ,其 节 前 纤维 的 末梢 释放 乙酰 胆 碱 (acetylcholine) ， 见 图 8-35, 后 者 乃 引 起 节 后 纤维 的 兴奋 ,于 是 节 后 纤维 的 末梢 也 释放 乙酰 胆 碱 。 近 年 来 ， 将 不 同 递 质 的 两 类 神经 称 为 胆 碱 能 神经 与 虹 上 腺 素 能 神经 。 胆 碱 能 神经 是 指 以 释放 乙酰 胆 碱 作为 神经 冲动 传递 媒介 的 神经 纤维 。 胆 碱 能 神经 包括 :(1) 全 部 交感 神经 和 副 交感 神经 的 节 前 纤维 ; (2) 全 部 副交感 神经 节 后 纤维 ; (3) 小 部 分 交感 神经 节 后 纤维 (如 支配 汗腺 的 纤维 );(4) 运动 神经 。 这 就 意味 着 一 个 神经 冲动 从 节 前 纤维 传递 到 节 后 纤维 ， 自 神经 纤维 传递 至 骨骼 肌 或 平滑 肌 ， 或 自 交 感 神 经 传 递 至 汗腺 等 腺 体 ， 都 须 依赖 乙酰 胆 碱 的 作用 。 它 的 作用 范围 如 此 广泛 ， 可 见 它 在 神经 药理 中 8-35 ”乙酰胆碱 分 子 透视 图 的 地 位 是 十 分 重要 的 。 乙酰 胆 碱 在 药理 学 中 的 地 位 理所当然 地 引起 了 量子 药理 学 研究 的 重视 。 可 以 说 迄今 为 止 对 乙酰 胆 碱 的 量子 化 学 研究 以 及 作用 于 胆 碱 能 神经 药物 的 研究 是 量子 药理 学 中 工作 最 多 的 一 部 分 。 几 乎 所 有 的 适用 于 量子 药理 学 研究 的 量子 化 学 常用 方法 ,如 EHMO、PCILO、CNDO/2、 INDO,ab initio 等 都 在 该 领域 内 大 显 身手 。 详 细 的 文献 回顾 至 1981 年 可 参见 文献 [7]。 Pullman 等 首次 使 用 从 头 计算 法 ,采用 STO- 3 G 基 组 ,用 Gaussian 70 程序 对 乙 酰 胆 碱 进 行 了 构象 优选 计算 。 图 8 - 36 显示 了 乙酰 胆 碱 分 子 的 构象 旋转 图 ,可 见 影响 构象 的 主要 因素 是 zl 和 rz 旋转 。 ‘a 呈 ariel | 1 H H | y: ee 6 AAA H 4d H H H HH 8-36 乙酰 胆 碱 的 分 子 旋转 图 8-37 用 ab initio(STO- 3 G) 获 得 的 乙酰 胆 碱 Ch 分 子 构 象 能 图 (kcal/mol) tT2=17(O,—C,—C,— N*;) ° 341° ss %, = A ‘4 ¥ 1 PY 8-37 显示 了 经 ab initio ABH hy CMW RA A, HA r1=150° 72 = 60 "时 能 量 最 低 。 8 - 38 是 用 最 低能 量 的 构象 计算 所 获 的 乙酰 胆 碱 各 原子 净 电 荷 值 。 从 图 中 可 见 ， 经 从 头 计算 法 计算 ， 乙 酰 胆 碱 分 子 中 O1 和 02 原子 各 带 有 较 多 的 电子 。 一 N(CH:), 上 的 净 电 荷 分 布 可 以 看 出 , 尽管 氛 原 子 本 身 带 有 电子 (一 0.157) ,然而 ,这 个 基 团 的 正 电 荷 被 三 个 甲 基 所 分 散 , 9 个 氢 原 子 缺 少 1.098 个 电子 ,这 表明 一 N(CH,)。 对 受 体 作 用 显示 强 烈 的 亲 电 性 。 +0 .122 CH 0.245 HH desis Al) O 0, tne 6 C -0.084 H va Yy : ee Ypy \,. = y Wr, -0 .210 -0271 Fo j 2 / ah 40 .094 arr 4 H -¥ 17,(C,C;C7C,) ri(CasCrCsCo)， 图 8-50 TMP 分 子 m~r, 旋转 势能 图 Yi(CoCioOioCl)，Ya(CiCiiOlICi5) ，Ma(CCisCiz Oucus) 旋 转 示意 图 上 图 中 选取 v1 =— 80°, 7~2=90°,.~3=80°, A PREAZMR)ERKACG. 其 中 标 有 * 的 rir. 对 应 角度 为 TMP 单 晶 X 衍 射 实验 值 , 标 有 。 处 是 TMP 与 2H. coli DHFR 结合 的 X 衍射 值 , 国 位 置 是 NADPH-TMP 与 鸡 肝 DHFR 结合 的 X 衔 射 实验 值 。 实验 结果 表明 TMP 与 ni (EB. coliy)DHFR 结合 时 ,其 妆 =177*,r 一 76", 茉 环 的 位 置 与 杂 环 的 位 置 近 于 垂直 。 当 与 动物 体 ( 鸡 肝 )DHEFR 结合 时 r= —85°, rz 一 102*, 这 两 个 芳香 环 的 位 置 比较 趋 近 于 平行 ,这 就 显示 了 对 不 同 来 源 DHER 的 不 同 抑制 活性 5 。 而 分 子 力 学 的 计算 结果 所 画 出 的 能 量 极 小 区 域 又 都 包含 了 这 些 实验 测定 值 ， 表 明理 论 进行 的 构象 计算 与 实验 吻合 。 为 进一步 研究 这 些 酶 抑制 剂 与 DHFR 的 作用 ， 对 11 个 化 合 物 用 CNDO/2 法 获得 的 波 函 数 进行 分 子 静电 势 计 算 (s1。 图 8-51 显示 了 化 合 物 7(MTX ) 的 分 子 静电 势 图 。 图 8-51 MTX 分 子 静电 势 图 图 8-52 MTX 分 对 与 (也 .casgei)DHFR 结合 © 349 * 分 子 静电 势 图 显示 在 MTX 分 子 中 Ni 和 Ns 下 方 是 一 个 强 的 负电 势 区 , 它 与 DHFR 结合 时 GMi(B. coli DHFR) EF 27 位 天 冬 氨 酸 的 痰 基 相 近 , 有 可 能 形成 离子 键 , 若 与 乳酸 酪 菌 ( 工 . caset)DHFR 结合 时 , XP HAE Sh LA 26 PARA RBH ABEL» PY RETE i 如 图 8-52 所 示 的 离子 键 结合 。 依据 分 子 力学 计算 的 分 子 图 形 学 (molecular graphics) 研 究 还 可 应 用 于 设计 新 的 酶 抑制 剂 。 Czaplinsky 等 使 用 CHEMMOD 分 子 力学 软件 包 的 分 子 图 形 学 方法 "…， 他 们 根据 TMP 衍生 物 中 若 有 基 团 与 酶 上 第 57 位 精 氮 酸 的 肌 基 生成 离子 键 , 可 增强 抑制 活性 的 分 析 , 进行 了 分 子 模型 的 分 子 图 形 计 算 ， 表 明 引 进 如 表 8-9 所 示 基 团 可 增加 抑制 酶 的 活性 。 经 有 机 化 学 合成 后 并 进行 .抑制 试验 , 完全 证 实 理论 预言 的 正确 , 于 是 一 个 新 的 强 效 酶 抑制 剂 K-130 经 过 理论 设计 而 最 终 问世 。 表 8-9 TMP 及 类 似 物 结构 及 活性 值 NH, |. --CH, A dee i. | | | | E. coli M. lufu Na yr H.N N | ae | He MIC is. MIC R, R R, R, TMP OCH, OCH, OCH, 0.0055 1.5 0,07 2.0 5) elie ® _ Brodimoprim OCH, Br OCH, 0.0024 1.0 0.06 26.5. 全 Pei be K-96 OCH, *1) OCH, 0.0153 11.3 0.19 30.7 -K-107 OCH, *2) OCH, 0.0036 22.5 0.06 1.8 K-130 OCH, *3) OCH, 0.0020 56.0 yee S 1.0 *1) O-cH.—€ > 0.-€ D=NE, *2) =a = o<) SNA, #3) O— —(CH,),NH—€ > so > 图 8-53 显示 了 K-i30 与 #. coli DHEFR 结合 示意 图 , 图 上 清晰 地 可 见 ，K=-130 中 Ri 取代 基 的 一 SO,: 一 与 酶 上 57 位 相近 ,端点 的 NH: 与 31 位 接近 。 可 以 预料 ， 量 子 药理 学 在 离 体 酶 抑制 剂 的 研究 中 将 发 挥 越 来 越 大 的 作用 。 8.3.5 % 体 - 亚 :型 受 体 是 大 分 子 的 蛋白 质 化 合 物 ,并 非 刚性 结构 ,由 于 蛋白 的 肽 链 很 长 ,容易 缠 卷 ,故而 有 可 能 同时 存在 几 个 较 低能 量 的 构象 ,并 且 这 些 构象 之 间 互 变 的 能 障 又 很 低 ,蛋白 就 容易 变形 ,可 转变 为 几 种 不 同 的 构象 ,这 就 意味 着 这 个 受 体 可 以 以 几 种 不 同 的 亚 型 同时 存在 。 胆 碱 SE 碱 样 (M 样 ) 与 烟 碱 样 (N 样 ) 受 体 , 去 甲 肾 上 腺 素 受 体 区 分 为 “与 BR, AT AD ana, Bi, Boe. BERKS AY a DA, 和 DA, Stk, HRSA KS) HH Hi 与 Hz 受 体 ， 阿 片 受 体 © 350。 要 = ? 图 8-53 K-130 45 #. coli DHFR 复合 物 示 意图 至 少 可 分 为 四 种 亚 型 (4&.x、6,c 受 体 亚 型 )。 当 不 同 结构 的 药物 与 这 一 受 体 不 同 构象 亦 即 不 同 的 受 体 亚 型 作用 时 ,就 涉及 到 一 个 分 配 问 题 。 与 受 体 产生 的 复合 物 能 量 愈 低 , 就 愈 易 紧密 结合 。 正 因 如 此 , 受 体 亚 型 的 研究 ,也 是 量子 药理 学 中 构象 分 析 和 受 体 探索 的 重要 应 用 之 一 [4 。 _ ， 反 研 究 肾上腺 素 能 神经 受 体 有 两 种 亚 型 , 即 可 分 为 “与 3 受 体 。 其 递 质 去 甲 肾 上 腺 素 由 于 矶 链 旋转 ,可 使 分 子 以 延伸 型 构象 与 a 受 体 结合 ,又 可 以 折 又 型 构象 与 BSA. MEE) 分 子 也 有 折 生 型 和 延伸 型 两 种 构象 ,表现 为 既 有 ic 受 体 激动 作用 ,也 有 8 受 体 激动 作用 。 Labetalol( 拉 贝 治 尔 ) 对 c 与 8 受 体 都 有 持 抗 作用 。 其 分 子 带 有 二 个 手 性 中 心 ,可 有 四 个 立体 蜡 构 体 ,其 中 SR(1) 异 构 体 阻 兆 @ 受 体 , 而 RR(2) 异 构 体 阻 兆 8 ERY, HO HO 2% CH, H,NCO ss, Cat H,NC che OH: 2 CH oc”. eH WOO fe KO 7 4 YE \ , Ae NH CH OCH, Cc 2 CH, ra N 2 HO H H OH SR- labetalol (1) RR-— labetalo! (2) BERR «SP 受 体 又 可 分 为 ct,az 及 DB， VK. a: 是 指 突 触 后 效应 受 Ko, 受 体 本 指 调节 逆 质 释放 的 突 触 前 受 体 , 后 来 也 发 现 突 触 后 也 有 cs 受 体 。 各 种 不 同 结构 的 激动 剂 或 持 抗 剂 与 这 二 受 体 的 亲和力 也 发 生变 异 "”。 图 8-54 指出 若干 gc 受 体 的 激动 剂 与 持 抗 剂 对 ci cs: 受 体 亲 和 力 的 变化 。 © 351 © 激动 剂 a, sk 持 抗 剂 Alex (clonidine) BLE (rauviscine) fF 5H (yohimbine) guanfasine | — A falk& (dihydroer- oA gotamine) a- ASF LAS “ 麦角 毒 碱 (ergometrine) 旋 FMM (benzazoline) LaRS 哌 氧 环 烷 (piperoxane) 去 甲 肾 上 腺 素 | “F HeMEMK (phentolamine) | 葵 氧 苯胺 (phenoxybenzamine) Y 柯 楠 次 碱 (corynanthine) 甲 氧 烷 (methoxamine) a, 受 体 WK MIE (prazosin) : 图 8-54 aia, 受 体 亲 和 力 变化 8-55 显示 了 a. 受 体 的 假设 受 体制 图 。 图 中 4 为 延伸 型 去 甲 肾 上 腺 素 分 子 构象 示意 AB 为 折 释 型 构象 ;C 是 依据 阿 扑 育 享 宾 碱 (apoyohimbine) 分 子 构象 设想 的 ai 和 ws 受 体 作 用 部 位 图 。 其 中 1 为 芳 基 , 2 为 氨基 ,3 为 羧 甲 基 ,4 是 五 环 上 的 氮 原子 。C 图 表示 产生 a, SK 作用 的 必要 部 分 是 2.3。 而 1.2.4 则 是 a, 受 体 的 必要 部 分 。 刀 即 为 阿 扑 育 亭 宾 碱 分 子 , 可 清晰 地 看 出 其 cy 和 cs SAEZ, Ey WB 4101 4}, FHLabetalol 的 SR WK, LF 图 的 分 子 表明 它们 既 具 有 ai 受 体 作 用 ,同时 也 具有 as 受 体 作 用 。G 为 哌 唑 嗪 分 子 , 从 它 的 构象 分 析 , 不 具备 a: 受 体 所 需 结构 必要 部 分 1.2、4, 而 具备 c: 受 体 必要 部 分 3 的 结构 ,因而 它 仅 对 ai 受 体 产 生 作用 。 互 为 延伸 型 构象 的 去 甲 肾 上 腺 素 , 它 具备 ai 受 体 的 必要 结构 ,而 工 则 显示 了 具 备 a, SAVE WH AWE PS be, i 依据 上 述 亲和力 的 变迁 以 及 假设 的 cx 和 a, 受 体制 图 ,可 以 有 意识 地 改变 药物 的 相应 结构 ， 设计 更 富有 特异 性 的 新 药 。 将 哌 氧 环 烷 (3) 改 变 成 RS 21361 (4) , 则 对 cs; 受 体 的 亲 和 性 就 增加 ，， 所 上 再 引入 乙 基 取代 (5) ,对 a, 受 体 的 持 抗 作用 比 育 亭 宾 碱 强 18 倍 。 Ga Corrs MMT Se (3) RS21361(4) 0 N Cores cu, (5) = FATE (6) AE wx* 受 体 激 动 剂 ,用 作 降 压 药 ,但 它 对 o, 受 体 也 有 作用 ,从 而 收缩 血管 。 适 当 改 变 其 结构 ,可 进一步 增加 特异 性 。 其 分 子 环 外 的 碳 氮 键 (IN 一 C7 ) 较 短 , 为 0.1293 nm"), py 键 , 环 内 的 碳 氮 键 (N 一 C ,N 一 C ) 的 键 长 在 0.1325 nm , 介 于 单 键 与 双 键 之 间 。 当 质子 化 成 盐 。 时 ,由 于 共 斩 的 原因 , 正 电荷 分 散在 各 个 氮 原 子 及 其 所 带 的 所 原子 上 。 用 CND O/2 法 计算 ,每 个 氮 原 子 分 有 0.17 正 电荷 。 而 类 似 化 合 物 中 Lofexidine〈8) 与 环 相 连 的 是 碳 而 不 是 气 原 子 ， 5 352。 图 8-55 ci\az 受 体 假设 的 受 体制 图 | EIR CNDO/2 计算 每 个 氨 原 子 分 携 0.2 正 电 荷 ， 这 个 化 合 物 的 作用 与 氧 压 定 (6 相近。 是 Xylazine(9) 的 环 内 硫 原 子 不 带 氢 原子 ，IPRO-4(10) HO FRITIFT, AAAI, N° 原子 在 质 是 子 化 后 携带 有 0.4 正 电 荷 ， 就 对 ac; 受 体 结合 不 利 ， 因 此 这 二 个 化 合 物 作 用 都 较 弱 。 从 构象 FE, 气压 定 环 上 二 个 邻 位 都 带 有 取代 毛 ， 由 于 空 间 位 阻 使 苯 环 与 氮 环 不 能 处 在 同一 平面 ， 两 个 平面 的 交角 ( 即 两 面 角 ) 经 量子 化 学 PCILO 法 计算 为 75" ,与 X 衍 射 结 果 吻 合 。Tolnidine 的 邻 位 只 有 一 个 取代 氯 ， 交 角 就 较 小 (%=55"*), 而 Lofexidine 的 二 个 取代 氯 加 上 侧 链 上 的 取 。353。 Cr Oe < S clonidine(6) ie ae : 12 Cl CH, 3 H, a S No-CH-O We oe N= uae N 1 | z Cl H CH, 三 lofexidine (8) xylazine (9) ‘H,C——CH | 机 2 2 . 3 ; N=—CH, 1 n= Oo—CH, | em | - J. H IPRO-4 (10) HEE” 代 甲 基 ， 就 又 增加 了 交角 。 若 结 构 进 一 步 改变 成 Cirazoline(11) , MASK an SAMA, A a, 受 体 则 有 持 抗 作用 ,从 而 使 (11) 在 临床 上 的 用 途 转变 化 为 缓解 鼻 充 血 。 8.4 ”药物 分 子 的 静电 势 和 电荷 密度 8.4.1 量子 药理 学 中 静电 势 和 电荷 密度 的 计算 如 8.3 中 所 述 , 按 照 药物 分 子 内 电荷 密度 分 布 , 可 以 反 推 受 体 各 相应 作用 点 的 性 质 。 电 荷 密 度 较 高 的 部 位 ( 即 带 有 较 高 负电 荷 ) ,可 作用 于 受 体 的 正 电 中 心 : 而 电荷 密度 较 低 的 部 位 , 则 可 作 用 于 受 体 的 负电 中 心 。 静 电势 可 描绘 分 子 周围 的 电荷 作用 as , 反之 亦 然 。 和 LER ASEH EERE FA, MIRE 衔 射 测 得 的 晶体 结构 ,作为 它 的 稳定 构象 或 药 效 构象 。 将 X ATT HY 3 a DB 经 变换 后 即 可 获得 量子 化 学 计算 的 直角 坐标 。 成 者 依据 结晶 报告 中 公布 的 键 长 . 键 角 \ 二 角 名 < | 据 , 依 据 右 手法 则 构筑 分 子 内 坐标 也 可 进行 量子 化 学 计算 。 有 的 结晶 报告 不 公布 气 原子 坐标 末 可 借助 “加 氢 程 序 ? 方 便 地 给 出 。 图 8-56 显示 了 我 国 自行 开发 研制 的 新 型 化 学 结构 的 抗 准 “354。 . —— HHA (Artemisinine HAMA. CEMA, TARAS X 衍射 结 晶 数据 ， HE GBS AD A A an ET A AY TA Bp 22,2, Wt Me AY Ot We 值 。 一 一 计算 获 各 原子 的 直角 坐标 。 即 可 进行 分 子 轨道 计算 ,图 8-57 显示 了 用 EHMSO 法 计算 获 CEO 原子 的 电荷 密度 值 和 原子 问 的 键 级 。 3 27633 6 7562 " 4 ; : 8-56 WHR TWA 人 图 8-57 青 若 素 分 子 的 电荷 分 布 有 时 我 们 处 理 的 对 象 是 尚未 获得 和 衍射 结晶 数据 的 化 合 物 。 但 又 需 先 进行 量子 化 学 计算 。 在 这 种 情况 下 ,我们 可 采取 标准 键 长 , 键 角 、 二 面 角 的 办 法 ,或 者 主要 结构 部 分 查找 相应 的 X 衍 身 L 绮 唱 报告 ,再 拼 以 相连 原子 的 办 法 来 近似 处 理 。 这 在 进行 半 经 验 分 子 轨道 法 计算 时 ,尤其 是 计算 同 源 化 合 物 系列 分 子 时 ， 尚 不 致 引起 很 大 误差 。 电 对 于 柔性 药物 分 子 , 由 于 有 多 个 扭 角 可 以 旋转 ,一 般 除 参照 和 衍射 结晶 或 NMR 数 据 外 , 需 先 PEAT HIRD OT , 将 优化 后 所 获 能 量 最 低 的 构象 看 成 是 稳定 构象 ,在 当今 对 多 数 药物 受 体 缺 乏 了 解 的 情况 下 ， 就 把 这 一 能 量 最 低 的 构象 称 为 药 效 构象 或 称 药 效 基 团 。 关 于 构象 计算 8.2 中 已 有 详 8, 事实 上 ,量子 化 学 方法 中 绝 大 多 数 方法 在 计算 能 量 后 即 可 同时 获得 各 原子 的 电荷 密度 ,甚至 进而 获得 前 沿 轨 道 指数 ,如 前 沿 轨道 电荷 密度 、. 超 离 域 度 等 。 因 此 所 获 稳定 构象 后 即 同时 产生 所 是 雷电 荷 密度 等 指数 .近年 来 ,由 于 量子 化 学 计算 程序 的 日 趋 完善 ,加 上 各 种 计算 机 的 功能 的 扩大 , 许多 先进 的 量子 化 学 程序 都 自动 包含 有 能 量 优化 的 部 分 。 如 从 QCPE 获得 的 Gaussian 80 和 Gaussian 82 从 头 计 算 程 序 除 可 计算 常用 的 各 种 展开 基 组 外 , 都 包含 有 能 量 梯度 优化 和 CI( 组 态 355 相互 作用 )。 半 经 验 的 MNDO 法 也 采用 了 能 量 梯度 优化 。 不 过 由 于 药物 分 子 较 大 ,目前 还 只 能 限于 MNDO 计算 的 优化 上 ,而 从 头 计算 优化 还 不 普遍 ,往往 限于 较 小 分 子 或 片断 模型 分 子 ;这 时 往往 事先 采用 PCILO 或 分 子 力学 方法 优化 构象 ,再 用 稳定 构象 进行 整个 分 子 的 从 闫 计算 法 计算 . 星 常常 为 节省 机 时 (computer time) 采用 整个 分 子 取 不 同 基 组 展开 的 技术 ,如 影响 活性 的 主要 部 下 位 的 原子 采用 高 基 组 (如 3-21G 或 4-31G ) ,次 要 部 位 或 同 源 化 合 物 中 结构 相同 的 部 位 采用 一 般 基 组 (如 STO-3G 甚 至 STO_-? G)09 。 | 分 子 静电 势 的 计算 ,最 常用 的 是 ab initio 法 和 CNDO/2 BALE BOR RAH. ( 详 抑 第 二 章 ) 值 得 一 提 的 是 ， 分 子 片断 模型 的 处 理 常 为 分 子 静电 势 计 算 所 采用 ，ab initio 法 如 此 , 连 CNDO/2 法 也 不 例外 res-s1。 为 了 节省 机 时 ， 从 头 算 中 越 米 越 多 的 静电 势 计算 采取 价 电子 | SLE UIE Rea a(LP-3 GaRAL)O", 8.4.2 组 胺 及 其 衍生 物 的 电荷 密度 和 分 子 静电 势 组 胺 是 动物 体内 广泛 分 布 ,大 量 存在 的 重要 内 源 性 化 学 介质 , 它 由 组 氨 酸 脱羧 后 产生 。 ete Hy BA HE 5 LE AR & BA ES ARIEL Sa, 28 o> EW Le ——H, 受 体 和 H 受 体 。 组 胺 对 这 两 种 受 体 都 有 强烈 的 作用 ,而 组 胺 的 某 些 类 似 化 合 物 却 显现 出 明显 的 受 体 选择 性 。 量 子 药理 学 对 组 胺 构象 及 受 体 作用 已 进行 了 大 量 深入 的 研究 。 我 们 知道 ,组 腕 .2- 甲 基 组 胺 和 4- 甲 基 组 胺 是 书 胺 基 咪 唑 类 化 合 物 。2- 甲 基 组 胺 对 了, 受 体 电 有 较 强 的 作用 ,对 H; 受 体 作 用 甚 弱 ;4- 甲 基 组 胺 的 受 体 作 用 刚好 相反 。 见 表 8-10。 实验 表明 59， 在 水 溶液 中 ,这 些 化 合 物 形成 了 一 个 由 负离子 、 中 性 分 子 , 一 价 和 二 价 阳离子 的 多 种 异 构 体 组 成 的 平衡 体系 。( 见 图 8-58) ,在 人 体 生理 pH 值 (pH=7.4) 下 ,浓度 最 大 ,对 组 胺 的 活性 起 主要 作用 的 是 单价 阳离子 的 N* 一 H 互 变 体 。 ET a se ete | 时 ,往往 采用 N'—H 型 互 变 体 。 为 探讨 组 胺 .2- 甲 基 组 胺 .4- 甲 基 组 胺 对 Hs He 受 体 的 作用 ， 陈 凯 先 等 590 用 从 头 计 算法 , 采 用 STO-2G 基 组 对 上 述 三 个 化 合 物 进行 了 计算 ,获得 了 分 子 轨 道 能 量 及 电荷 密度 ,以 及 根据 从 头 计算 所 获 的 波 函 数 进 行 分 子 静电 势 的 计算 。 图 8-59 表示 三 个 分 子 各 原子 的 净 电 荷 值 。 通常 ,原子 上 的 净 电 荷 是 通过 平分 两 原子 间 电 子 重 和 登 集 居 数 获得 的 , 它 不 考虑 各 原子 电 负 的 差别 ， 因 而 不 可 避免 地 存在 着 缺陷 。 但 是 分 子 静电 势 计算 及 据 此 绘制 的 分 子 静电 势 图 则 可 提 供 分 子 静 电 性 质 的 准确 .客观 和 直观 的 图 象 。 由 于 在 药物 与 受 体 作 用 的 许多 场合 ,静电 力 是 一 种 重要 的 因素 ， 因 此 静电 势 计 算 受 到 了 量子 药理 学 家 的 重视 。 图 8-60 一 图 8-62 a SES 表 8-10 ExomoFE.umo( kcal/mol) #0H, , H: 受 体 活 性 比较 cma | 2a [ae 2- 甲 基 组 胺 | 4— FA CAH Mie | ke 党 一 224.837 一 216.742 一 216.052 五 Luwmo 146.461 149.159 150.163 能 级 次 序 一 一 一 一 H: 受 体 活性 E xouo 能 级 次 序 再, 受 体 活性 一 > CH,CH, NH? HN te NH “=. , i CH.CH; NA; NG _ 2H, CH, NH; : HN UN N H : 3 \Z aS (N'-H FRM) (HERI) ， : ft CH, NH, ‘CH, CH, NH, 区 > 人 人 HN 内 H as. By 8 H, CH; NH, 之 下 Hi2(Hi3) 0.1064 0 .0467 0.0481 H10(H11) 4 H10(H11) | J 人 C6 0.2924 0.0531 Hl20HI3) 0.2934 0.1064 4- 甲 基 组 胶 me -、2- 甲 基 组 胺 图 8-59 原子 上 的 净 电 荷 个 不 同 平面 x 王 0( 即 咪唑 环 所 在 平面 ),zx=0.75 au. 和 yx 一 1.5 au. 上 的 静电 势 图 形 ,从 中 可 以 了 解 组 胺 分 子 静 电势 的 立体 图 象 。 图 8-63、 图 8-64 分 别 是 2- 甲 基 组 胶 和 4- 甲 基 组 胺 在 咪唑 环 平 面 内 的 分 子 静电 势 图 。 © 357 。 图 8-60 组 胺 (阳离子 ) 静 电势 图 ( 咪 哈 环 平面 * 内 ) * 咪唑 环 平面 即 y 一 :平面 H /10(H11) 6 As H119)~ as 其 14(H16 \ ‘€ 29 eis ‘i a: 8-63 2- 甲 基 组 胺 (阳离子 ) 静 电势 图 (咪唑 环 平面 内 ) 图 8-64 4- 甲 基 组 胺 (阳离子 ) 静 电势 图 (咪唑 环 平面 内 本 Hi4(Hl5 200 Ze oars | a A 120813) x H16 * 358 。 ee ee tr eae 通过 分 析 计 算 结 果 可 知 ， 首 先 在 组 胺 及 其 衍生 物 的 生物 活性 与 各 自 的 前 线 分 子 轨道 能 级 之 间 存 在 着 一 种 对 应 关系 。 表 8-10 表 明 , 随 着 最 高 占有 轨道 能 级 (Baowo) 降 低 ,Hi 受 体 活性 增强 ， 随 着 最 低空 轨道 能 级 ( 吾 :uwo) 降 低 ,H* 受 体 活性 增强 。 从 占据 轨道 和 空 轨 道 的 波 函 数 可 看 出 ,最 高 占有 轨道 和 最 低空 轨道 ,主要 都 是 由 咪唑 环 上 碳 原子 和 所 原子 的 垂直 于 环 平面 的 ps 轨道 所 组 成 。 所 不 同 的 是 ,最 高 占有 轨道 是 一 成 键 的 分 子 轨 道 ,而 最 低空 轨道 则 是 反 键 轨道 。 从 表 8-10 可 知 , 以 鼠 aovo 为 标志 的 成 键 轨道 上 的 电子 稳定 性 ， 影响 着 该 化 合 物 的 了 于; 受 体 ;而 以 Lomo 为 标志 的 反 键 轨道 获得 电子 的 能 力 则 与 该 化 合 物 的 Ha 受 体 活性 相关 联 。 这 表明 ,在 组 胺 产生 生物 活性 的 过 程 中 , 受 体 与 咪唑 环 通 过 电子 迁移 过 程 和 甫 电 丰 互 作用 的 结合 ,可 能 是 重要 因素 。 咪 唑 环 2.3、4 位 如 引入 甲 基 , 由 于 甲 基 的 空间 位 阻 ,使 受 体 — 导 咪 唑 环 的 结合 受到 影响 。 这 三 个 化 合 物 的 Hi、H;: 受 体 活 性 经 过 实 验 , 确实 远 比 组 胺 为 低 。 表 8-10 显 示 组 胺 与 衍生 物 的 媚 sowo 相 差 8kcal/mol 以 上 ,到 :uvoe 相 差 3 kcal/mol 以 上 , 远 比 衍生 物 之 间 相 差 1 kcal/mol 为 大 。 从 分 子 静电 势 图 可 以 发 现 , 除 了 咪唑 环 1 位 上 氨 原 子 附 近 以 外 ,分 子 的 其 余部 分 均 被 正 电势 的 套 所 包围 。 这 一 图 象 表 明 在 距 受 体 较 远 时 ,组 胺 阳离子 就 整体 而 言 ,是 一 个 带 正 电 的 实体 ， 由 此 推测 其 受 体 应 带 一 定 的 负电 荷 。 它 们 在 Columb 力作 用 下 彼此 接近 时 ,组 胺 及 衍生 物 分子 静 电势 的 细节 ,就 会 被 受 体 进一步 感知 和 辨认 。 咪唑 环 1 位 氮 原 子 附 近 的 负 区 域 对 于 H; 受 体 活 性 可 能 具有 影响 。 当 2- 位 引入 甲 基 后 ,这 一 负 区 域 被 甲 基 的 正 区 域 所 部 分 屏障 ,这 将 影响 H; 受 体 中 相应 的 正 的 部 分 与 这 一 负 区 域 的 契合 。 这 可 能 是 2- 甲 基 组 胺 的 革 : 受 体 活 性 远 比 组 胺 和 4- 甲 基 组 胺 为 低 的 一 个 因素 。 侧 链 末 端 为 静电 势 最 高 区 域 , 它 和 咪唑 环 1 位 氨 原 子 附近 的 负 区 域 构成 了 分 子 静电 势 的 正 、 负 中 心 ,其 间距 离 约 为 0.5 nm。 这 一 静电 势 特征 可 能 与 H; 受 体 的 作用 有 关 。 甲 氰 咪 股 (cimet- idine) 侧 链 虽 较 长 (FAFA RRO TE REE TE, 并 使 其 侧 链 肌 基 上 所 原子 mk ME SR 1 位 氮 原 子 的 距离 仍 符合 上 述 静 电势 特征 , 故 可 与 H 受 体 结合 成 为 H; 受 体 持 抗 剂 , 这 便 是 上 述 推测 的 印证 之 一 。 2- 甲 基 组 胺 与 4- 甲 基 组 胺 的 差别 , 仅 在 于 甲 基 取 代 的 位 置 不 同 ,但 两 者 H, 受 体 活 性 相差 达 85 倍 。 仔 细 分 析 两 种 分 子 构象 的 差别 以 及 由 此 产生 的 静电 势 差异 ,也 应 能 反映 其 村 受 体 活 性 差 别 的 原因 。 根据 ab initio 法 计算 获得 的 能 量 .电荷 密度 和 静电 势 , 我 们 可 以 进一步 推测 受 体 的 大 致 图 象 。 组 胺 受 体 的 一 些 可 能 的 特征 是 ， 1) 就 整体 而 言 , 它 应 是 显示 较 强 的 负电 性 。 2) 应 具有 和 咪唑 环 配合 的 疏水 区 。 3) 几何 形状 和 静电 势 性 质 应 和 组 胺 的 Hi、H: 受 体 活 性 构象 充分 互补 。 8.4.3 BAKA DNA Fit HAE 在 肾上腺 能 神经 的 研究 中 ,已 发 现 有 两 种 受 体 , 即 “与 8 受 体 。 其 中 有 受 体 的 兴奋 会 产生 心 搏 增 快 ,心脏 收缩 增强 ,以 及 支气管 舒张 等 生理 效应 。 持 抗 B 受 体 便 可 产生 相 反 的 效应 ,可 促使 © 359 。 心 搏 减 缓 ,心脏 收缩 减弱 及 支气管 收缩 等 。 异 丙 肾 上 腺 素 (IT) 是 标准 的 有 受 体 兴 奋 药 物 , 它 的 结构 特征 是 苯 乙 胺 型 化 合 物 ,其 他 一 些 具 HELBBEMDMILA DhAA PZAMAEH. DERIDE RH ASAE A, CAE AREER AB RRILA DS ARUE ILA th BES. An 4. (Doberol, III) 便 是 一 例 。 随 着 研究 的 深入 ,发现 有 的 具有 苯 乙 胺 型 结构 的 化 合 物 反 而 成 为 5 受 体 持 抗 剂 ,如 硝 苯 心 定 (nifenolol IV)。 而 另 一 茉 氧 丙 胺 型 化 合 物 塔 唑 醇 (tazolol,V) 反 而 有 有 受 体 兴奋 剂 的 作用 ,用 于 治疗 心力 衰竭。 为 深入 探讨 6 受 体 兴 奋 剂 与 持 抗 剂 的 结构 活性 关系 ,Petrongolo 等 对 有 关 化合物 进行 了 CNDO/2 和 ab initio 计算 ,并 依据 ab initio (STO-3G ) 所 获 的 波 函数 进行 了 分 子 静 电热 研 Be (72,73) HO. OH HO—€__—CH—CH,NHCH(CH,). I. SAR ERAR CCAD OH OCH.CHCH,NHCH(CH,); | yy INF Il. 心得 安 ( 持 抗 剂 ) CH rh « >—OCH,—CH—CH.NHCH (CH); Ill. 甲苯 心安 ( 持 抗 剂 ) OH 一 -一 | NO.—€__ —CH—CH,NHCH(CH,), IV. fA ETHEL) on N ( S- OCH,—CH—CH,NHCH(CH,); V. SEMBAY CASA 在 静电 势 计 算 中 ,为 简化 计算 , 均 将 其 侧 链 简 化 ,并 以 模型 分 子 IA 来 代替 。 图 8-65 系 IA 分 子 在 苯 环 平面 上 的 分 子 静 电势 图 ,图 中 静电 势 值 系 lo%a. u. 单位 。 为 了 更 好 地 考察 苯 环 周围 的 静电 势 变化 ,而 后 的 计算 均 在 距离 为 0.17 nm 且 平 行 于 RH 平面 ( 即 z=0.17 nm) 上 进行 ,并 在 C7 位 置 上 引进 O 4 A. Mz=0.17 nm 的 平面 是 由 于 这 个 平面 上 的 静电 势 图 可 较 明 显 地 体现 < 电子 的 贡献 。 -二 图 8-66 一 图 8-69 分 别 为 分 子 IIIIIV.YV 的 静电 势 图 。 从 四 个 分 子 静 电势 图 可 知 ， ATER SST ee RE * 360° 图 8-67 分 子 IV 的 分 子 静 电势 图 图 8-65 IA 模 型 分 子 荣 环 平面 上 的 分 子 表 电 势 图 N 图 8-68 4 FINS 4) Ti AA 0.17nm Al 8-66 4 FIN M4) F-, fez 平面 上 的 分 子 静 电势 图 (10-sa.u.)( 下 同 ) 图 8-69 分 子 V 的 分 子 静电 势 图 的 ee 也 为 一 负电 势 区 所 包围 ( 见 图 8-66) ,因而 显示 葵 环 附近 为 亲 电 区 域 (electrophilic attack) ,这 对 苯 环 的 亲 核 进攻 (或 反应 ) 是 有 利 的 。 在 硝 苯 心 定 分 子 中 , 硝 基 的 两 个 氧 原子 周围 是 一 强 的 负电 势 区 ,由 于 硝 基 的 作用 ,致使 闲 环 周围 成 为 正 电 势 区 ( 见 图 8-68) , 变 作 亲 核 区 域 , 对 其 亲 核 反应 不 利 ,而 易于 发 生 亲 电 反 应 (或 进攻 ) ,这 是 从 静电 势 计 算 分 析 所 得 异 丙 肾 十 腺 素 是 太 受 体 兴奋 剂 ， 而 硝 业 心 定 则 是 B 受 体 持 抗 剂 的 主要 原因 。 图 8-67 显示 了 甲苯 心安 的 静电 势 , 可 见 其 环 上 间 位 甲 基 附 近 存在 强 的 正 电 劳 区 ,而 侧 链 上 氧 原 子 旁 的 次 甲 基 分 开 了 两 个 负电 势 区 ,次 甲 基本 身 也 是 正 电 势 区 。 这 就 与 硝 茉 心 定 的 静电 势 分 布 类 似 , 即 它 的 负 区 域 葵 环 相当 于 后 者 的 硝 基 周围 的 电势 ,是 一 个 负 区 域 , 而 它 的 次 甲 基 相 当 于 后 者 的 苯 环 周围 ,是 一 个 正 区 域 , 这 是 6 受 体 持 抗 剂 的 共同 的 静电 势 特征 。 图 8-69 a 唑 醇 分 子 的 静电 势 , 由 于 环 内 所 原子 上 孤 对 电子 的 作用 ,使 其 周围 形成 一 负电 势 区 , 其 位 置 相当 于 蜡 丙 肾上腺 素 对 位 羟基 上 氧 原 子 周 围 的 负电 势 ,而 侧 链 上 氧 原 子 附 近 的 负电 势 则 相当 于 后 者 的 节 环 ,为 一 负电 势 区 。 由 此 可 见 , 在 8 受 体 兴 奋 剂 中 有 一 个 负电 势 区 ,为 亲 电 区 域 。 而 在 8 受 体 持 抗 剂 中 有 着 一 个 正 电 势 区 。 这 些 区 域 在 苯 乙 胺 型 化 合 物 中 存在 于 亲 环 ,在 茉 氧 丙胺 型 化 合 物 中 却 存 在 于 侧 链 的 一 OCH: 一 。 实 际 上 ,这 就 从 量子 药理 学 角度 解释 了 定性 的 构 效 关系 所 不 能 回答 的 问题 。 8.4.4 增 敏 剂 的 量子 药理 学 研究 辐射 增 敏 剂 (radiosensitizer) 是 一 些 化 学 药物 ,它们 能 加 强 射 线 对 细胞 的 损伤 作用 。 肿瘤 放疗 中 面临 的 最 严重 的 问题 是 肿瘤 的 复发 和 射线 对 正常 组 织 的 损伤 作用 ,一 般 认 为 ,肿瘤 的 放疗 所 以 不 一 定 奏效 ,是 由 于 肿瘤 中 存在 对 射线 有 较 强 抵抗 力 的 乏 氧 细 胞 之 故 。 如 在 放疗 中 同时 施 以 乏 氧 细胞 的 辐射 增 敏 剂 , 可 选择 性 地 使 乏 氧 细胞 敏 化 ,从 而 提高 放疗 临 床 效果 ,所 以 增 敏 剂 的 “ 合成 与 研究 引起 了 广泛 的 注意 。 随 着 研究 的 深 入 ,促进 有 效 增 敏 剂 的 设计 合成 和 药理 筛选 已 经 提 到 议事 目 程 上 ， 随 之 对 增 敏 剂 的 作用 机 制 的 探索 也 逐步 开展 起 来 。 Adams 等 提出 了 化 学 增 敏 剂 电子 转移 模型 和 直接 作用 模型 "” ,把 增 敏 现象 与 增 敏 剂 的 电子 ， 性 质 紧密 地 联系 起 来 ,后 又 提出 由 脉冲 射 解 测 得 的 单 电子 还 原 电位 与 增 敏 活性 存在 明显 的 相关 性 邱 )， 进 而 提出 亲 电 理论 的 机 制 ,大 大 促进 了 增 敏 机 制 的 研究 。 以 后 又 有 自由 基 增 敏 机 制 的 产 生 。 近 年 来 , 增 敏 机 制 的 探索 也 成 为 量子 药理 学 的 一 个 重要 内 容 。 7 徐 素 娟 等 "采用 CNDO/2 方法 对 13 个 常用 的 一 系列 分 子 母 体 各 异 的 err iets 剂 进 行 了 计算 。 结 果 发 现 , 增 敏 剂 的 生物 活性 与 85 这 一 量化 指数 之 间 存 在 良好 的 相关 性 。 log 1/C,.5= —0.69+1.78 log(Si22 —3) (8.7) 5 nm=13; r=0.93; s=0.36 式 中 C,.* 是 SER(sensitizing enhancement ratio) 等 于 1.6 时 增 敏 剂 的 克 分 子 浓度 , 它 代表 了 增 敏 剂 的 生物 活性 浓度 。S52 是 亲自 由 基 超 离 域 度 , 由 CNDO/2 计算 所 获 , 它 是 分 子 内 各 位 点 与 自由 基 反 应 难 易 程度 的 尺度 ,也 是 比较 分 子 之 间 与 自由 基 反应 能 力 大 小 的 指数 。SS52 系 分 子 中 最 大 的 352 值 。 表 8-11 是 所 计算 的 增 化 剂 分 子 , 图 8-70 表明 log 1/C, 与 SS 之 间 前 指数 时 “362。 表 8-11 丈 氧 细胞 辐射 增 敏 剂 及 其 超 离 域 度 和 增 敏 活性 log(1/C:.e) 实验 值 ”| 计算 值 AHA SE A CR 2 > 0.59 —————— | a | | fre ee ow ae iss \ | 0.08 i CH CH OH * 363 « Y=—0.69+1.78ig(X~3) n=13 r=0.93 2=0.36 Ig (1/C,,.) (实验 值 》 Ig (1/C, ,) (实验 值 ) Ig (1/C, 。) (计算 值 ) 8-70 121/C:..5Si2 关系 图 图 8-71 型 相关 关系 .图 8-71 显示 实验 所 获 的 log 1/C, ,与 根据 式 (8.7) 所 计算 的 low 1/C, , 值 的 比较 ， 显 良 好 的 线性 关系 。 这 一 计算 结果 从 量子 药理 的 角度 上 说 明 自由 基 反 应 在 增 从 进程 中 的 重要 性 ,在 一 定 程度 上 “支持 了 乏 氧 细胞 增 敏 剂 通过 与 损伤 的 站 分 子 自由 基 直 接 发 生 反应 而 引起 增 敏 作用 的 机 制 。 ”计算 结果 还 表明 , 增 敏 活性 与 增 敏 剂 分 子 的 最 低空 轨道 能 量 媚 towo HERR, Limo 活性 起 高 ,( 兄 加 8-72) 。 增 敏 活 性 还 与 SS 值 成 线性 关系 。 忆 ,uvo 值 代表 了 化 合 物 亲 电 能力 ,其 值 愈 低 表 明 亲 电能 力 愈 强 。S4” 是 表示 亲 核 反应 能 力 大 小 , 若 讨论 该 分 子 与 受 休 作用， 则 表示 其 亲 电 进攻 的 能 力 。Sn** 与 增 敏 活性 圣 正 相 关 ， HAMA TR MERGE Ra fi" 量 。 子 药理 学 计算 进一步 支持 了 素 电 理论 的 直接 作用 模型。 _ 事 实 上 ,Willson 等 经 实验 证 明 , 乏 氧 细胞 增 敏 剂 的 增 敏 作用 中 至 少 可 包含 四 种 增 敏 机 制 ,其 Ig (1/C,.) Ts 0.5 1 .0 15 .0 25 E.umo eV) 图 8-72 10g1/C,..55 E.umo 之 间 的 相关 性 * 364° “| et eee 本 oe . ee ee ee ee ee 中 就 包括 亲 电 的 直接 作用 模型 和 通过 与 损伤 分 子 自 由 基 反 应 的 机 制 " "1。 徐 素 娟 等 在 对 量子 化 学 CNDO/2 计算 所 获 的 信息 ( 即 3ssz 和 ns: 等 指数 ) 进 行 了 对 照 分 析 , 按 照 增 敏 活性 强 弱 范 围 的 ， 判 据 标准 ,从 理论 上 预计 汉 防 己 甲 基 - 双 节 基 异 唑 啉 生物 碱 (bisbenzy lisoquinoline,alkaloid) 及 其 类 似 物 ， 认 为 它们 不 具有 乏 氧 细胞 的 增 敏 活性 ， 经 细胞 试验 及 临床 观察 表明 理论 判 据 是 正 多 的 89 ,从 而 避免 了 反复 试验 和 大 量 的 对 照 观察 。 通过 对 开 个 具有 平面 杂 环 的 分 子 进行 分 子 静 电势 计算 , (所 用 的 方法 是 经 CNDO/2 获得 的 波 函 数 进行 静电 势 计算 ) ,也 获得 了 对 增 敏 机 制 探 索 的 一 些 有 益 结果 "1。 图 8-73 至 图 8-76 Sea SLAC HHA EDD TRA, BATT BH CS he (triketoidane) iy iif Ha Al} 4 —XbF fal — A ESE, PR HES SHR. UEIMEA (isatin) 也 在 A BEA TR AB A aT A TAME. itd 1, 3-Ef i — Md (1, 3-indanedione) AUAK MILK (phthalimide) 两 分 子 的 负 区 域 被 正 电 势 区 隔 开 ,处 于 不 连续 的 两 侧 位 置 , 而 它们 的 增 敏 活性 较 差 。 8-75 1,3- 节 满 二 酮 分 子 静 电势 图 图 8-76 ARR + Hh Ag ° 365 © 图 3-77 ,图 8-78 显 示 了 十 元 环 的 蔡 衍 生物 ,两 个 分 子 只 是 由 于 一 个 内 基 的 位 置 从 原来 的 1,4- 蔡 醒 (1,4-naphthaquinone) 的 4 位 移 至 2 fiz, whe 1,2-Z8 AH (1,2-naphthaquinone) ,使 原来 不 连 续 处 于 对 侧 的 负电 势 变 成 连续 的 同一 侧 的 负电 势 区域 ， 和 致使 增 敏 活性 大 大 增加 Clog 17Ci 由 0.82 43 2.22), | 于 图 8-77 _1,2- 革 醒 分 子 静 电势 图 图 8-78 1;4- 蒜 醒 分 子 静 电势 图 上 述 静 电势 计算 提示 人 们 , 增 敏 活性 不 仅 与 分 子 中 的 活性 基 轩 有关, 而且 与 这 些 基 团 的 位 置 有 一 定 的 关系 。 活 性 基 团 在 分 子 中 的 排列 使 分 子平 面 形 成 一 个 同 侧 连续 ， 深 而 宽 的 负 区 域 的 增 敏 剂 具有 较 高 的 增 敏 活性 ,这 无 疑 是 徐 素 娟 等 提出 的 对 增 敏 机 制 及 增 敏 剂 筛选 的 又 一 理论 判 据 。 随后 Inayma 等 也 报导 了 他 们 使 用 CNDO/2 分 子 静电 势 的 研究 ,获得 了 相同 的 结论 。 8.4.5 苯 甲 酰胺 型 D; 受 体 持 抗 剂 的 分 子 静电 势 计 算 自从 Carlsson 于 1958 年 报道 纹 状 体内 多 巴 胺 (DA) 的 含量 占 全 脑 的 70% 以 来 ,引起 了 神经 药理 工作 者 的 很 大 兴趣 。60 年 代 证 明 巴 金森 氏 症 (Parkinson "s disease, PD) ja Ae TAA 致密 区 DA 神经 元 的 变性 所 引起 ,能 用 1- 多 巴 (dopa) 替 代 治 疗 ,这 些 结 果 是 当时 神经 递 质 药 理学 划时代 的 成 果 。1975 年 应 用 放射 受 体 结合 法 证 实 了 配 基 能 直接 与 DAS 体 的 特定 受 点 相 结 合 ， 进一步 深入 的 研究 表明 脑 内 有 不 同 的 DA 受 体 亚 型 ,目前 比较 倾向 于 D, 和 D: 两 种 亚 型 的 分 类 。 葵 甲 酰胺 型 化 合 物 是 较 近 发 展 的 D; 持 抗 剂 ， 如 舒 必 利 (sulpiride)、 胃 复 安 (metoclopram- ide) 、 硫 必 利 (tiapride) .clebopride 等 。 它 们 有 具有 抗 精神 病 、 抗 哎 吐 、 抗 运动 障碍 和 安定 等 神经 药 理 作 用 。 对 这 一 类 D: 持 抗 剂 的 研究 自然 引起 了 量子 药理 学 工作 者 的 兴趣 。Waterbeemd 等 运用 量子 化 学 PCILO 法 辅 以 分 子 力学 MM 1 计算 ,研究 了 一 系列 苯 甲 酰胺 型 化 合 物 的 优势 构象 ,其 主要 特 征 为 ,酰胺 侧 链 的 邻 位 甲 氧 基 , 可 与 酰胺 的 氢 产 生 氢 键 。 其 中 舒 必 利 的 氨基 氮 原 子 与 葵 环 中 心 相 距 0.62nm, 胃 复 安 的 氮 原 子 与 茱 环 中 心 相距 0.595 nmts， 与 延伸 型 多 巴 腕 的 相应 距离 (0.60 nm) 为 进一步 研究 其 与 受 体 作 用 的 情形 ,Waterbeemd 从 苯 甲 酰胺 型 化 合 物 的 优势 构象 出 发 , 进 。 366。 行 分 子 静电 势 研究 , 他 们 整理 了 有 明确 药理 作用 的 苯 甲 酰胺 型 化 合 物 共 11 个 , 其 结构 式 与 命名 见 图 8-79。 > NH; OMe. ' ica Ot Cee Z Me . ‘OMe k ‘ sig ae ate N | R OMe Et H OR Br CONH N | OMe Et OH R CONH N Me t metoclopramide tiapride R=Et sulpiride R=CH,-C,H,-P-F flubepride R=H sultopride R=NH, amisulpride alizapride R=H FLA 797 R= Me remoxipride R=Et eticlopride R=Cl raclopride R=Me R=NH, R=H YM 08050 R=Me YM 09151-2 X=CONH clebopride X=NHCO BRL 20596 tropapride 图 8-79 苯 甲 酰胺 型 化 合 物 结构 式 由 于 分 子 较 大 ,他 们 将 侧 链 裁减 ,综合 成 8 个 模型 化 合 物 (图 8-80), 这 8 个 化 合 物 都 可 表示 。 367。 CONHMe 1 KJ 了 SS Me I 0 a CONHMe CI ONHMe KE MeNH Me tl IV OMe nu,7SN-SoMe : < S 图 8-80 ”模拟 分 子 结构 式 图 ie 前 述 11 个 化 合 物 芳香 环 上 甲 氧 基 与 邻 位 的 酰胺 基 的 作用 。 作 者 选用 从 头 计 算法 ,采用 STO-3G ” 极 小 基 组 ,使 用 MONTER-GAUSS 程 序 在 CDC CYBER 170/720 计算 机 上 进行 。 用 从 头 算 获 得 的 波 函 数 进行 分 子 静 电势 计算 ,使 用 QCPE fy VSS 程序 (QCPE 245)。 考虑 到 要 研究 电子 分 布 对 整个 静电 势 的 影响 ,因此 ,选取 平行 于 芳香 环 0.175 nm 的 平面 上 计算 分 子 静 电势 ,图 8-81 显示 了 化 合 物 I 一 VII 分 子 的 静电 势 图 。 从 图 8-81 可 见 , 除 化 合 物 工 因 侧 链 疫 有 甲 氧 基 取 代 外 , 该 类 药物 的 分 子 静 电势 基本 由 两 部 分 组 成 ,由 甲 氧 基 氧 原 子 与 侧 链 酰胺 基 上 和 氮 原 子 形成 的 六 员 环 为 正 电势 区 域 , 痰 基 氧 及 其 同 侧 的 取代 基 ( 如 一 NH: .Cl1) 形成 负电 势 区 域 。 两 个 区 之 间 有 一 条 基本 上 穿越 芳香 环 的 分 界线 。 由 于 化 合 物 VII 的 侧 链 较 长 ,又 最 接近 于 胃 复 安 的 结构 , 因此 作者 进一步 选取 平行 于 沫 环 四 种 不 同 的 距离 的 平面 , (分 别 为 0.175 nm,0.20 nm,0.25nm,0.30 nm) ,计算 分 子 静 电势 ,图 8-82 (370 页 ) 显示 了 4 种 不 同 高 度 的 静电 势 图 。 从 图 8-82 可 见 , 在 葵 环 上 方 0.30 nm 的 平行 面 上 ， 正 负 静 电势 区 域 的 分 界线 比较 平坦 ， 随 着 这 个 平行 面向 茉 环 逐 渐 接近 ,分 界线 就 愈 来 盒 弯 曲 。 这 就 表明 , 当 药 物 分 子 与 受 体 相互 作用 时 ， 首先 是 按 正 负 电势 区 域 要 求 排列 及 取向 ,然后 二 者 进一步 靠近 , 受 体 点 进行 识别 ,结合 ,形成 药物 受 体 复合 物 ,产生 药理 作用 。 这 类 化 合 物 的 静电 势 区 域 也 与 多 巴 腕 的 静电 势 区 域 相 吻合 。 8.5 A ty Fe 8.5.1 电荷 转移 中 的 量子 药理 学 研究 电荷 转移 是 生物 体系 的 重要 作用 方式 之 一 。 在 电荷 转移 过 程 中 ,一 个 给 予 体 分 子 (D) 转移 * 368° * 369。 - we NS kK 12 rf As P< 7 2 \ [4 53 fa I~ 16 fe Vy! “tt / HY | “16.5 | q 图 8-82 模拟 分 子 VIII 在 芳 环 上 方 平行 面 4. 0.175nm; B. 0.20nm; C. 0.25 nm; D, 0.30nm 上 的 分 子 静电 势 (kcal/mol) 图 一 个 电子 至 接受 体 分 子 (A ) ， 然 后 相互 复合 : D+A—D*t+A"-——DtA~ = 这 种 复合 体 称 为 "电荷 转移 复合 物 ” ,这 种 结合 力 较 强 ,足以 产生 吸收 光谱 。 由 于 大 多 数 药 物 与 受 体 的 结合 是 可 逆 的 , 亦 即 不 能 通过 产生 共 价 键 的 途径 ,而 偶 极 和 矩 间 结 合 或 范 德 华 引 力 的 作用 都 较 弱 , 故 通 过 这 些 作 用 还 不 能 使 药物 与 受 体 结合 。 但 通过 电荷 转移 ,以 形成 电荷 转移 复合 物 的 ， 方式 使 药物 与 受 体 结合 ,可 能 是 一 重要 途径 ,因而 有 关 电 荷 转移 的 研究 也 成 为 量子 药理 学 中 相当 。 370。 Py ee =" sd Le aig 我 们 知道 ,只 有 电子 易于 流动 的 体系 ,才能 产生 电荷 转移 。 给 予 体 的 电子 来 源 ， 可 来 自 非 刍 的 孤 对 电子 ， 如 腕 醚 . 醇 磺 化 物 的 孤 对 电子 , 称 ? 给 予 体 ， 也 可 来 自 共生 化 合 物 如 酮 或 芳香 化 合 物 如 三 甲 蘑 等 , 称 z 给 予 体 。 接 受 体 一 般 为 缺 电 子 化 合 物 , 如 三 硝 基 葵 等 ， 分 子 内 若 存 有 部 分 正 电荷 ， 就 易于 接受 电子 。 鉴于 量子 化 学 分 子 雪 道 计算 可 获得 分 子 轨道 能 级 ,而 在 电荷 转移 复合 物 形成 时 ,给 予 的 电子 ”二 般 自 最 高 占有 轨道 (HOMO ) 跃 迁 , 而 接受 的 电子 一 般 安 放 在 最 低空 轨道 (LUMO)。 这 样 依据 量子 化 学 计算 所 获 的 最 高 占有 轨道 能 量 ( 鼠 kovuo) 和 最 低空 轨道 能 量 ( 瑟 :uxo), 即 可 估计 电荷 转移 是 否 易于 产生 。 如 给 予 体 中 ,一 aovo Mi, MATA. BCA AL um 愈 低 ,接受 的 电 。 子 也 愈 稳定 。 | log 1/C〈C 表 示 抑 制 兰 原 虫 90% MBB == FAZE 50 年 代 ,就 有 不 少 人 用 简单 的 分 子 轨道 方法 \HMO 法 ) 计算 了 大 量 药 物 分 子 。 在 对 致 与 剂 的 研究 中 ,发 现 色 腕 类 化 合 物 的 致 纪 作 用 与 经 HMO 计算 获得 的 Buono 值 平 行 ， 这 是 量子 叶 药理 学 早期 的 研究 成 果 之 一 。 此 外 还 通过 HMO 法 计算 ， 推 出 了 治疗 精神 分 裂 症 的 药物 氧 丙 呈 ha y 7 Js 是 个 极 好 的 电子 给 予 体 。 还 有 的 曾 用 Buomo 和 Livmc BRM THEA WIE. DIAM, . 一 些 生 物 碱 如 烟 碱 .阿托品 、 考 扁 豆 碱 .吗啡 . 土 的 宁 等 都 易于 给 出 电子 。 随 着 量子 化 学 计算 方法 的 广泛 应 用 , 半 经 验方 法 尤其 是 从 头 计 算法 用 于 计算 药物 分 子 以 来 ， RAS FABRE, WM Buono 和 Eine 的 大 小 中 寻求 电荷 转移 复合 的 形成 , 往往 与 药物 构象 分 © 子 静 电势 等 紧密 配合 .相辅相成 ,从 而 推动 了 更 深入 地 探讨 药物 与 受 体 作 用 的 研究 。 值得 注意 的 是 ， 在 探讨 电荷 转移 复合 物 形 RUE RT EM Buono Evo 25h, BE 要 同时 分 析 其 他 临近 LUMO 的 空 轨道 能 量 。 在 探索 抗 闪 药 物 青 蒿 素 及 类 似 物 的 受 体 作 用 研究 中 5s9 ,各 衍生 物 的 原子 电荷 分 布 几乎 保 持 不 变 5 莽 引 从 注目 的 Baovo、 Zuowvo 能 量 ( 由 EHMO 计算 获得 ) 几 乎 相同 ， 然 而 第 四 空 轨 道 1.90 能 级 却 表现 了 明显 的 差别 。 若 将 生物 活性 数据 分 子 浓度 ) 与 第 四 空 轨道 能 级 Leow 作 图 (图 0 =0.20 0.60 100 -0 Bano @V) 8-83),， 呈 和 良好 的 线性 关系 。 经 回归 计算 ,所 得 相关 方程 ， 其 相关 系数 7 达 0.99( 见 式 8.8) log 1/C =1.573—0.592 Erumo (8.8) nm =6; Tr =0.994; § =0..0402 这 个 现象 已 经 引起 不 少 学 者 的 重视 "9 ,其 中 Kikuchi 阐明 当 生 物 活 性 分 子 与 受 体 DNA 图 8-83 log1/C~2Frumoth KIA 玫 区 用 时 ,可 近似 地 看 作 是 与 DNA 中 鸟 味 叭 上 氨基 相 作用 。 并 指出 , 鸟 叶 聆 的 氨基 是 个 外 层 有 8 个 电子 的 原子 团 , 它 与 生物 活性 分 子 形成 电荷 转移 复合 物 时 ,分 别 依次 将 8 个 电子 填 和 人 对 方 分 子 轨道 中 的 空 轨 道 。 经 分 析 , 鸟 味 叭 上 的 氨基 属于 苯胺 型 N 一 C 键 , 氮 基 对 于 茶 环 采取 关 干 扭曲 的 结构 ,因而 3 个 22 轨道 分 别 与 碳 原子 及 二 个 所 原子 形成 三 个 键 ， 而 所 原子 上 的 2 个 s 电子 则 处 于 孤 对 电子 状态 王 ]。 由 此 可 见 ,十 入 第 四 层 空 轨道 的 是 孤 对 电子 。 因 而 亦 可 将 第 四 层 空 轨道 能 级 高 低 作为 与 受 体 作 用 的 理论 描述 。 从 青 项 素 衍生 物 的 能 级 来 看 ,虽然 Evo 很 接近 ,但 已 ruxo 有 较 大 差别 ,到 euwe HH, WS 叭 所 上 孤 对 电子 不 易 填 和 人 ,结合 就 差 , 亦 即 抗 痉 活性 低 。 瓦 rowo 低 , 则 孤 对 电子 易 填 入 ,形成 电荷 转移 复合 物 , 亦 即 表现 较 高 抗 并 活性 。 这 就 告诉 大 们 ,在 探讨 电荷 转移 时 ,尤其 是 当 受 体 为 核酸 时 ,除了 考察 Buomo ME remo 外 ， 还 应 注视 其 余 临 近 的 轨道 ， 特 别 是 第 四 层 空 轨道 能 量 。 8.5.2 和 致 幻 剂 的 电荷 转移 研究 致 幻 剂 能 对 人 类 主观 精神 作用 产生 显著 的 影响 。 色 胶 和 苯 乙 胶 是 具有 致 幻 作 用 的 两 种 主要 的 分 子 类 型 。Snyder 和 Merril 利用 HMO 法 对 一 系列 上 述 分 子 类 型 的 化 合 物 进 行 了 计算 5 ， 他 们 比较 了 已 aowo\ 百 :ouxo. 并 电荷 .前 沿 电子 密度 、 RSS Tea eles FR BANE HM Buono 值 与 致 幻 活性 有 良好 的 对 应 关系 。 CH, 一 NR。 ¢ jake ers CNR: My/ Ai H : tee | 色 胶 类 型 ELI : 表 8-12 列举 了 三 个 a - 甲 基 茶 乙 胺 的 计算 值 , 显示 了 Buomo 与 致 幻 活 性 之 间 的 良好 平行 关 系 , 表 中 的 致 幻 活性 是 相对 于 三 甲 基 茶 乙 胺 的 活性 〈 以 下 各 表 同 理 )。 一 系列 茶 乙 胺 类 似 物 的 HMO 计算 列 于 表 -8-13, 表 明 在 葵 乙 胺 类 型 中 , 墨 斯 卡 灵 (= SEARCY Duomo 最 高 ， 应 具 有 最 强 的 致 幻 活性 ,而 表 中 其 他 分 子 没有 致 幻 活性 ,从 表 8-12 和 表 8-13 数据 可 知 ， 最 高 占有 各 道 能 量 必须 具备 相应 的 高 能 量 才 具 有 致 幻 活性 。 表 8-12 葵 乙 胺 类 致 幻 剂 活性 与 Enomo ne a a 4) 活 性 Evouo(B) 3,4,5-= A SE- a - SER TZ he 17 0.4310 2,4,5- 三 甲 氧 基 - a - FEE CO 2 0.5357 2,3,4- 三 甲 氧 基 - ac- 甲 基 葵 乙 腕 <2 0.5696 表 8-14 列 出 了 另 一 类 型 致 幻 剂 的 计算 结果 ， 可 见 色 胺 衍生 物 与 葵 乙 胺 类 情况 一 样 ， 瑟 aowo 越 高 ， 致 幻 活性 愈 强 。 经 研究 , EAS Fic SRD Be 2) He HE FAR — > C.K (LSD) ,其 Buomo=0.2188 ， EAT GIS | 所 列 化 合 物 的 LE uomo. 作者 为 进一步 讨论 Puomo 与 致 幻 活性 关系 ,比较 了 5 个 具有 致 幻 作用 而 结构 不 同 的 化 全 Wy), BHR Euomo 与 致 幻 力 亦 成 正比 关系 。( 表 8-15) s 372° 表 8-13 ROCRK CRAB WH Erowo t& ® 名 称 Eyomo(B) a 3,4,5-=F ASE =A RIE A CK 0.5357 ‘ 2,3,4- 三 甲 氧 基 ; 0.5696 -3,4-- PRE 0.5702 4- 甲 氧 基 FE Bi 0.6583 3- 甲 氧 基 甲 氧 基 间 栈 所 0.7240 ， 3,4- 二 羟基 多 巴 腕 0.6586 2 4-FR HE RE 0.7209 ania CK 0.8619 表 8-14 ”一 系列 色 胺 衍生 物 Euowe SMOBUKR ft & 名 称 致 幻 力 * Eyomo(f) 4-¥2IE-N,N-— PIE Psilocin 31 0.4603 6- 羟 基 -N,N- 二 甲 基 25 0.4700 5- 羟 基 -N,N- 二 甲 基 Bufotenin §3 0.5147 | NT N- 二 乙 基 弱 0.5164 * “与 三 甲 氧 基 葵 乙 胺 在 有 效 剂量 时 的 比值 。 表 8-15 “不同 种 类 药物 中 与 Euaowo 相对 应 的 致 幻 活性 化 合 物 最 小 有 效 剂量 (毫克 /公斤 ) 活 性 * Eyomo(P) 麦角 酸 二 己 栈 腕 (LSD) 0.001 3700 0.2180 Psilocin 0.12 31 0.4603 6- 羟 基 - 二 乙 基 色 胶 0.15 25 0.4700 TMA-2 0.22 17 0.4810 TMA 0 ts 2.2 0.5357 三 里 氧 基 苯 乙 胺 3.75 1 0.5357 * 比 三 甲 氧 基 葵 乙 腕 有 效 剂量 之 比值 。 HE LSD 分 子 的 深入 分 析 , 认 为 LSD 分 子 中 C 9、C 10 WHE SWIMESE HE, FUEL T HOMO 能 级 ,成 为 电子 给 予 体 ,实验 证 明 ,将 此 双 键 包 和 ,氢化 、 溴 化 或 加 H:O， 则 致 幻 作用 剧 降 。 LSD 的 C 2 位 有 较 高 电子 密度 ,可 能 在 2 位 形成 电荷 转移 复合 物 。 人 )2 O=Cc 9 N-—CH AN 5 i 12 5 13 1 | 2 N g s H | | +h 中 #71 —Z BE (LSD) 由 e 373° i \ 上 述 研 究 表明 , 致 幻 活性 的 产生 是 由 于 致 幻 剂 乃 是 电子 给 予 体 ,其 与 受 体形 成 电荷 转移 复 谷 物 。 8.5.3 抗 心律 失常 新 药 汕 咯 啉 及 其 类 似 物 的 量子 药理 学 研究 常 咯 听 是 我 国 自行 创制 的 抗 心 律 失常 新 药 。 动 物 试验 表明 它 对 乌 头 碱 引起 的 动物 心律 失常 共有 明显 的 防治 作用 。 临 床 试验 报告 总 有 效率 达 80.896, 对 阵 发 性 室 性 心动 过 速 和 频 发 性 室 性 早搏 疗效 尤为 显著 。 在 对 常 咯 啉 药理 作用 继续 深入 研究 的 同时 ， 合 成 了 若干 改进 的 化 学 结构 类 似 物 ,在 探讨 了 它们 的 构 效 关系 之 后 , 吴 吉安 等 G9 用 量子 化 学 EHMO 方法 对 常 略 啉 分 子 及 一 系 列 类 似 物 进行 了 计算 。 首先 对 常 咯 啉 分 子 进行 能 量 优选 ， 以 获得 稳定 构象 〈 详 见 8.2), eR SUE 的 “活性 构象 >。 图 8-84 显示 了 常 咯 啉 分 子 用 “活性 构象 "计算 所 获 的 分 子 电子 图 , $M 内 为 刍 级 。 A 3.9238 4.2202 ， / (0.7196) A ; fe . ae: x Cw “ = : @ 06453) Vo 2 > co 3 .9060 NG S Sc a a3 .1132 —(0 7211) 075). & 3.9208 4.2185 ° N 6.2190 图 8-84 MAM FSO Ai 选用 已 经 合成 并 有 定量 药理 数据 的 常 咯 啉 类 似 物 5 7, PEA SE A EE FE ORE FENG UA AD ESOS, SE ANP 8-85 所 示 。 这 些 类 似 物 结构 与 常 咯 啉 相似 ， 苯 甲 酰基 中 末 5k a - 关 共 斩 而 处 于 同一 平面 ,而 C 一 0 与 常 咯 啉 的 唆 唑 啉 中 C 一 人 相近， 故而 类 似 物 的 计算 仍 按 常 咯 啉 的 优选 后 构象 处 理 。 5 个 类 似 物 的 EHMO 计算 结果 列 于 表 8-16 ,将 表 中 所 列 的 分 子 轨 道 指数 以 及 未 列 出 的 如 电荷 密度 、 键 级 等 指数 与 药理 试验 生物 活性 进行 广泛 的 相关 分 析 计算 ,发现 除了 Bromo, Brumoy * 374° CH x | NH OH 15 H N ) | Jaa Cw N O SN i Se ; a So on ¥ G7 a 4). 401,23,- OCH)) M | 4112.3,- (OCH;) N 0 8-85 常 咯 啉 类 似 物 分 子 结构 表 8-16 ， 常 咯 啉 类 似 物 的 EHMO 计 算 Xe * Spas | 14 | 15 | 17 | 40 | 41 ly < . . 分 子 式 CzsH:NsO: C,;H,,N,0, C.3H2.N;0, CzsHasNasOs CeHs:sNsOr 原子 数 57 63 59 69 71 价 电子 数 148 160 160 184 196 轨道 数 141 153 149 171 179 占有 轨道 数 74 80 80 92 98 Eyomo —11.53149 —11.41260 一 11.47271 一 11.57162 一 11.49588 E.umo — 9.76178 —9.76241 —9.76103 —9.72518 —9.72437 E.omo —37.38043 _ —37.32629 —37.37929 —37.71910 —37.71854 Eyomo— Eomo 25.84894 25.91379 25.90658 26.14748 26.22266 注 : 所 有 能 量 均 为 电子 伏特 。 双 wowo 为 最 高 占有 轨道 能 量 ， 巴 :owo 为 最 低 占 有 轨道 能 量 。 表 8-17 生物 活性 数据 与 Evomo-Etomo 指数 间 的 相关 方程 生物 活性 数据 | a | b r | s | t | eq. 大 鼠 BA 有 效 剂量 12.92 一 5.68 0.969 0.117 一 6.79 (1) 大 鼠 BA 致 死 剂 量 7.43 一 3.60 0.979 0.061 — 8.28 (2) 小 鼠 iv 的 LD;, 9.96 —4.64 0.916 0.164 —3.95 (3) 药物 对 抗 BA | /\RED,, 13.88 一 6.32 0.966 (4) 引起 的 室 性 早 | 一 一 一 一 一 搏 的 作用 KARED,, 15.70 一 7.05 | 相关 方程 为 1ogl/C =a+b.(Euomc—Eiomo), 7 为 相关 系数 ，8 为 标准 偏差 光 AKER 检验 值 ,- BA 为 北 草 乌 头 碱 。 Bromo, Lomo — Evomo 等 能 量 值 外 ,其 余 指 数 与 生物 活性 均 无 明显 线性 关系 。 其 中 尤 以 sowo 一 * Bromo 指数 相关 性 最 好 。 见 表 8-17 中 方程 (1) 一 (5) 。 和 从 上 述 计算 分 析 , 生 物 活性 与 轨道 能 级 有 显著 相关 ,其 中 又 以 妨 aovo 一 已 ,uve 线性 最 佳 。 这 4 项 指数 与 目前 所 获 的 药理 数据 都 导 得 较 好 的 相关 方程 ( r 0.91) .这 就 提示 我 们 , 常 咯 啉 在 体内 ， 可 能 的 作用 形式 是 电荷 转移 。 实 验 研究 表明 , 常 咯 啉 抑制 慢 反 应 AP, 并 不 使 ERP 缩短 ， 相 反 使 APD 和 ERP 明显 延长 ,由 于 f 阀门 闭合 延缓 ,产生 强大 的 Ca2+ 内 流 ， 认 为 常 咯 啉 的 抗 心 律 失常 ° 375°¢ 可 能 是 一 种 新 的 类 型 ,主要 是 阻 断 兴奋 折返 ,细胞 中 聚集 较 多 Ca+ , 引起 抑制 心律 失常 作用 。 从 表 8-16 方程 (1) 一 (5) 可 知 Bnomo— Eromo 值 愈 小 ,生物 活性 作用 愈 大 , 这 一 指标 一 定 程 度 上 标 明 失 去 电子 能 力 的 大 小 ,到 mowo 一 至 Lowo 小 , 易 给 出 电子 ,反之 亦 然 。 这 样 易 给 出 电子 ,就 易 与 金 属 离子 如 Ca2+ 结 合 ,也 就 利于 较 多 的 Ca AE ,这 似乎 与 实验 事实 相 吻 合 。 这 些 结果 有 助 于 设 计 活 性 更 高 的 化 合 物 ( 如 Buowo— Eromo 更 小 ) ,并 对 推测 作用 机 制 提供 了 有 益 的 线索 。 8.5.4 镇 痛 药 中 的 电荷 转移 研究 度 冷 丁 自 成 为 新 型 结构 的 鸦片 受 体 镇 痛 剂 以 来 ， 对 其 进行 了 结构 改造 ， 合成 了 一 系列 类 人 物 ， 其 中 普 鲁 本 是 较为 成 功 的 度 冷 丁 型 结构 的 镇 痛 药 物 。 的 构 效 关系 古 宙 条 全 电荷 转移 复合 物 的 形成 对 其 与 受 体 的 相互 作用 起 了 至 关 重 要 的 影响 。 R\ /OCOCH, > 3% old | | r=-¢ S#ar \n/ CH; be = | fp-micny \g/ ik, R= 一 人 人 >2-pyridyl X: R=—« oe >3-pyridyl “ee AS XI， | |1-naphthyl who XII, R= | Re: | naphthyl XII, .R= 和 -quinolyl ge ie 经 考察 上 述 6 AM AT AML A at A WIRES 7 BUI Liu 和 Fnomo 值 ， ed 的 线性 关系 。 q 表 8-17 列 出 6 MEA MME DIEM Enomo 和 Erumo 值 , ED 为 热 板 法 (hot plate m- 旺 ethod) 测 得 。 地 轨道 能 量 采 用 HMO 法 计算 各 自 的 共 例 的 人 取代 基 获 得 (事实 上 作者 用 有 关 手 册 的 计算 结果 )。 。376。 。 痛 活 性 随 之 下 降 ， 而 Bevo 也 随 着 降低 。 ( 注 | 意 在 HMO 计算 中 ， 能 级 以 PHA, His . ; «HE, SO AMEE, be, ” 仍 有 相近 的 镇 痛 作 用 。 所 计算 的 6 个 化 合 物 表 8-18 普 重 丁 类 似 物 的 生物 活性 与 Eaowo Evumo li 化 合 物 EDs。mg/kg SC | Exomo (8) E.umo (A) ON OS a I a RR Se i St ae eS 1 3.90 0.2928932 一 1.00 II 16.00 0.5602315 一 0.5602315 x 16.60 0.5602315 —0.5602315 xI 22.00 0.6180340 —0.6180340 XIT 22.50 0.6180340 —0.6180340 XHI 20.00 0.7032833 - 95270970 WPA, FEA Lomo 值 的 减少 ， 其 镇 通常 能 量 相差 一 个 负 号 ) 。 图 8-91 清晰 地表 明了 EDi 与 妃 aowo 之 间 的 线性 关系 。 上 述 研究 表明 ， 在 普 鲁 丁 类 似 物 的 受 体 作 用 中 ， 电 和 荷 转移 复合 的 产生 起 着 重要 作用 。 普 ET PHB RETA PATE, ALI 中 ， Ie > Eyomo 最 高 ， 很 好 地 说 明了 这 一 点 。 它 仍 具有 较 强 镇 痛 作 用 。 吡 啶 基 化 合 物 (II, E at X) Buono BK, BOREAS. i RA ey ESE. EAI 已 sowo 更 低 ， 这 些 化 合 物 人 ”的 镇 痛 活 性 也 就 更 小 。 4 é Pam 8.5.5 吗啡 类 药物 的 电荷 转移 复合 研究 众所周知 ， 吗 啡 生物 碱 的 镇 痛 作 用 非常 显著 ， 同 时 它 还 有 抑制 呼吸 、 了 眩晕、 恶心、 呕吐、 便秘 等 副作用 。 在 寻找 高 效 低 毒 的 镇 痛 药 中 ， 药 物 学 家 作 了 广泛 而 深入 的 探索 。 若 将 吗啡 所 上 的 取代 甲 基 换 成 烯 两 基 ， AN PAHS ME (nalorphine), 却 产 生 了 意外 的 药 效 ， 它 不 仅 会 产生 对 抗 吗啡 的 镇 痛 作 用 ， 而 且 也 抑制 了 后 者 的 呼吸 抑制 、 便 秘 、 呕 吐 、 缩 瞳 等 作用 ， 所 以 丙烯 吗啡 - 成 为 治疗 鸦片 中 毒 及 由 于 服用 吗啡 类 药物 的 呼吸 抑制 作用 的 药物 ， 若 进一步 修饰 结构 为 纳 洛 配 one)， 则 是 更 强 的 吗啡 对 抗 药物 。 £3 5B 为 什么 结构 上 的 微小 变异 便 导 致 对 抗 作用 呢 ? 这 自然 引起 量子 药理 学 家 的 很 大 兴趣 。 Cheney 等 "用 量子 化 学 方法 对 吗啡 和 纳 洛 酮 作 了 较 深 入 的 研究 ， 他 们 首先 使 用 分 子 力学 方法 分 别 计 算 了 纳 洛 酮 分 子 自由 基 与 N 质子 化 的 构象 ， 计 算 表 明 吗 啡 和 纳 治 酮 两 者 构象 相似 。 图 8-87 表示 了 纳 治 酮 分 子 的 构象 能 图 。 0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 B 图 8-87 Sikh A.A dt, BLN 质子 化 构象 能 图 (kcal/mol) 进一步 使 用 量子 化 学 从 头 计算 中 的 浮动 球 Gaussian 轨道 法 (floating spherical Gaussian — orbital method 简称 FSGO 法 ) 对 吗啡 和 纳 洛 酮 分 子 各 自 的 自由 基 和 ON 质子 化 进行 了 分 子 轨道 计算 ， 除 获得 能 量 指数 外 ， 还 进行 了 分 子 静电 势 计 算 ， 图 8-88 至 图 8-89 分 别 是 吗啡 和 纳 洛 羡 分 子 静电 势 图 。 从 静电 势 图 分 析 ， 吗 啡 与 纳 洛 酮 分 子 静 电势 正 、 负 区 域 相似 ， LIA Hye Om BI bd 较 均 不 能 找到 这 两 个 分 子 药理 作用 相对 抗 的 原因 。 对 计算 结果 的 分 析 表 明 ， 主 要 差别 在 于 纳 治 酮 阳离子 的 最 低空 轨道 能 量 tomo 1 FG ME * 378。 Ree. 图 8-88 有 吗啡 分 子 静电 势 图 。 堪 为 自由 基 ， 右 为 质子 化 (下 同 ) A, z=0f§ xy ¥, B. z=1.36a. u. 的 zy 平面 阳离子 的 Biumo, A 8-90 显示 了 两 个 分 子 的 能 级 图 。 从 图 8-90 中 可 知 , 吗啡 阳离子 Biumo=0.218a. u。 而 纳 洛 酮 阳离子 妃 ,owxo 王 0.1698a. u., 后 者 明显 低 于 前 者 。 经 分 析 LUMO 轨道 波 函 数 可 知 ， 两 个 分 子 的 LUMO 均 属 于 型 。 这 一 事实 证 明 丙 烯 吗 啡 或 纳 洛 酮 中 的 烯 两 基 可 作为 电子 接受 体 ， 而 吗啡 所 上 的 甲 基 则 不 易 接 受 电 了 手 ， 亦 即 前 者 可 与 受 体 部 位 形成 电荷 转移 复合 物 ， 而 后 者 却 不 易 形 成 。 于 是 ， 根 据 推测 ， 烯 两 基 对 抗 物 的 受 体 作 用 图 应 如 图 8-91 所 示 。X、Y、Z 是 受 体 上 三 个 电 负 性 部 位 ， 其 中 X SEAL a 键 产 生 电荷 转移 复合 物 ，Y 与 羟基 的 氢 原 子 产生 氨 刍 作用， 了 Z 可 与 吗啡 阳离子 产生 静电 引力 。 吗 啡 的 受 体 作用 主要 由 这 三 个 部 位 产生 。 在 烯 两 基 引 入 的 情况 是 下 ， 受 体 转 变 部 分 构象 ，Z 移 至 图 中 虚线 所 示 部 位 ， 与 烯 两 基 产 生 电 荷 转移 作用 ， 亦 即 药物 由 时 于 与 受 体 的 电荷 转移 作用 改变 了 受 体 构象 ， 帮 把 激动 作用 改变 为 对 抗 作用 。 © 379.0 图 8-89 纳 洛 酮 分 子 中 z=0 的 zy 平面 静电 劳 图 。 A 为 rirz(180.5，121.4) 妃 为 rirz(180.5，275.0) 8.6 药物 分 子 设计 与 QSAR 8.6.1 5 言 如 何 开 发 高 效 低 毒 的 新 药 ， 是 每 个 药物 化 学 和 药理 学 研究 工作 者 的 共同 愿望 。 自 从 上 一 世 纪 起 至 近代 ， 这 个 愿望 大 致 经 历 了 三 个 发 展 阶段 。 第 一 阶段 由 远古 至 上 世纪 未 是 发 现 药物 时 期 (Discover) ,如 植物 药 . 生 物 碱 等 .第 二 阶段 由 本 世纪 初 至 五 十 年 代 是 药物 开发 时 期 (Develop)， 如 合成 药物 的 出 现 ， 典 型 的 例子 是 磺胺 系列 药物 。 第 三 阶段 由 六 十 年 代 初 起 进入 药物 设计 时 期 ” (Design) ， 定 量 药物 设计 的 产生 ， 多 种 学 科 的 相互 渗透 配合 。 从 当今 寻找 新 药 的 途径 看 ， 不 外 乎 以 下 五 个 方面 ; (1) 由 天 然 产 物 ， 如 动物 、 植 物 、 矿 物 、 海 洋 生 物 、 微 生物 中 分 离 提取 有 效 成 分 ， 并 以 此 作为 先导 化 合 物 (lead compound), HTH, ARIEL AIR AD RMA, Wee 寻找 出 更 有 效 的 毒性 更 低 的 新 药 。 如 我 国 从 中 草药 蒿 草 中 分 离 得 青 营 素 ， 是 一 种 新 型 结 榴 的 抗 Aw, BA mw, RT Hews — th PAK. . (2) 随机 筛选 “泛泛 合成 ， 随 机 筛选 *， 方 法 较 古 老 ， 带 有 较 大 偶然 性 。 (3) 现 有 药物 的 结构 改造 。 如 抗 癌 药 物 氨 氛 类 化 合 物 的 结构 修饰 。 (4) 研究 已 知 药物 的 体内 代谢 过 程 ， 发 现 其 活性 代谢 产物 ， 从 而 引导 设计 新 药 。 。 380 + 吗啡 自由 基 N-=- 质 子 化 分 子 0.4 Bean oa rae Ae . Tire. NR, Soh Ness ee 0.2! : 0.1 4h ¥% (180. 5,121.4) ,自由 基 N- 质 子 化 分 子 T 一 一 一 、 8-90 ”吗啡 与 纳 洛 酮 的 自由 基 与 N 质子 化 分 子 能 级 图 图 8-91 纳 洛 酮 N 质子 化 分 子 受 体 作用 图 (5) 在 药理 作用 指导 下 设计 新 药 。 在 本 世纪 六 十 年 代 , 由 于 电子 计算 机 的 广泛 使 用 , 随 着 数学 ,物理 .药理 、 生 物化 学 和 药物 化 学 等 诸 领 域 的 互相 渗透 ， 作 为 药物 分 子 设 计 这 一 药物 研究 的 中 心 内 容 逐 渐 由 定性 转向 定量 。 于 是 药物 的 定量 构 - 效 关系 (quantitative structure-activity relationships 简称 QSAR) 的 研究 应 运 而 生 ， 并 逐渐 获得 广泛 应 用 一 -…) 。 定量 构 效 关系 是 用 计算 机 对 现 有 活性 化 合 物 ( 如 一 系列 相同 类 型 药理 作用 的 同 源 化 合 物 ) 的 信息 进行 数学 解析 ， 用 数学 的 模式 描述 有 机 化 合 物 分 子 结构 的 理化 参数 或 结 构 参 数 与 生物 大 分 子 化 合 物 ( 如 酶 .辅酶 ) 或 生物 大 分 子 组 织 (如 DNA， 血 清 蛋白 ,细胞 ,动物 ) 之 间 相 互 作 用 关 Ao . QSAR 研究 使 得 药物 从 开发 至 临床 应 用 的 周期 大 为 缩短 ， 效 率 显 著 提高 。 在 QSAR 研究 中 ， 药 物 分 子 的 设计 通常 可 分 四 步 进 行 。 《1) 用 前 述 的 第 一 个 寻找 药物 途径 的 方法 ， 选 择 有 发 展 前 景 的 先导 化 合 物 。 (2) SRIF EES LA wit Ew. QSAR 研究 力图 使 这 个 过 程 从 无 止境 地 合成 缩短 到 ” 较 合 理 的 程度 。 实 践 表 明 ,往往 用 8 一 10 个 衍生 物 就 可 获得 化 合 物 的 理化 性 质 和 药 理 生物 效应 之 间 相 互 关 系 的 概念 。 (3) 建立 一 个 初步 的 定量 构 效 关系 方程 式 , 依 据 方程 式 提供 的 药物 设计 指示 信息 ,进一步 设 计 并 试验 衍生 物 ,从 而 开拓 QSAR。 (4) 建立 一 个 理想 的 QSAR 方程 式 , 且 所 有 与 生物 活性 相关 的 理化 性 质 和 结 构 参 数 的 最 佳 值 也 已 确定 。 这 时 即 可 向 “最 佳 衍 生物 的 合成 迈进 。 当 然 , 这 一 步 多 少 带 有 假设 性 质 ,而 预测 化 合 物 的 活性 最 终 是 否 令 人 满意 还 需 由 药理 试验 决定 。 在 QSAR 研究 中 ,应 用 最 早 ,使 用 最 广 的 是 由 Hansch 等 1964 年 建立 和 发 展 起 来 的 超 热力 学 法 (或 称 线 性 自由 能 加 和 法 , 亦 称 QSAR 中 的 Hansch 途径 ) (extrathermodynamic 或 linear free energy)。 本 节 主 要 介绍 该 法 的 基础 、 参 数 和 应 用 ， 最 后 简略 地 介 BW QSAR 中 的 其 他 方 ie, 8.6.2 QSAR 中 Hansch 途径 的 基础 Hansch 途径 的 数学 模型 是 建立 在 化 合 物 生 物 活性 与 其 理化 性 质 直接 相关 的 基础 上 的 。 fe Hi Hammett 方程 式 ,采取 与 自 BRA eS See ee 与 生物 活性 之 间 的 定量 关系 式 log 1/C=ax+bo+cE,+d (8.9) 其 中 ,z yh DWAR Bi Bit Ak i Be. o 为 Hammett WALA FB Be, Ns 为 Taft RE 体 效 应 常数 。 本 ”研究 表明 ,决定 药物 生物 活性 强 弱 的 主要 因素 取决 于 药物 在 其 作用 部 位 ( 即 受 体 ) FIR 度 和 药物 与 受 体 的 亲和力 与 内 在 活性 。 Hansch 认为 ,药物 到 达 受 体 表 面 浓 度 的 高 低 与 药物 在 体内 的 转运 (transport) 相 关 。 而 药物 ， 的 吸收 、 分 布 与 代谢 又 与 其 本 身 的 理化 性 质 有 密切 关系 。 他 进一步 指出 , 药 物 在 体内 的 随机 转 * 382» a 运 (如 透 过 细胞 膜 或 血 脑 屏障 ) 与 化 合 物 油水 分 配 系 数 log P RAR AICHE TK IB TE FA OH REE 水 常数 密切 相关 。 同 时 ,药物 的 内 在 活性 和 受 体 间 的 亲和力 也 与 药物 本 身 的 理化 性 质 有 密切 的 关系 。 二 般 说 来 ,化 合 物 - 受 体 相互 作用 可 涉及 电子 效应 (如 离子 键 、 离 子 - 偶 极 、 偶 极 - 偶 极 相 互 作用 几 芯 水 相互 作用 (如 形成 朴 水 性 或 亲 水 性 圳 ) ,次 级 力 相互 作用 (诱导 偶 极 - 偶 极 相互 作用 、 tt Van der Waals 引力 等 ) ,以 及 电荷 转移 相互 作用 ( r - r 相互 作用 ) 。 因 此 , 结构 相似 的 同 源 化 谷物 系列 中 ,其 生物 活性 可 用 化 合 物 的 物理 化 学 参数 来 描述 。 如 方程 (8.9) 所 列 ， 它 应 包括 三 方面 的 参数 表示 药物 在 体内 随机 转运 作用 的 油水 分 配 系数 log PRBi7 H Bex Jo Myo | 有 关 的 其 他 电 性 参数 表示 药物 与 受 体 的 作用 ;用 Bs MRO) 等 描述 空 间作 用 的 立体 ， 参数 表示 药物 作用 和 基 团 大 小 对 靶 分 子 的 影响 。 这 种 线性 自由 能 加 和 法 既 有 一 定 的 物理 意义 ， ”有 双 紧 密 地 构筑 起 药理 作用 与 化 合 物理 化 性 质 的 联系 ， 这 就 是 Hansch 途径 的 特点 , 也 是 它 受到 广 。” 汪 重 视 和 普遍 应 用 的 根本 原因 。 以 下 我 们 以 抗 洗 新 药 青 闹 素 衍 生物 的 QSAR 研究 为 例 , 说 明 Hansch 途径 建立 的 过 程 2。 通过 Hansch 途径 的 研究 ， 在 化 合 物 生 物 活性 与 其 物理 化 学 参数 之 间 已 经 建立 了 如 下 方程 ( 称 相关 方程 ) log 1/C=3.112 一 0.142( 士 0.036)1log 己 一 0.5597。。， (8.10) n=49;r=0.829;8=0.205 log 1/C =1.120—0.198( +0.033)(logP)?+1.155(+0.215) log P—0.612(+0.048)Ia,p (8.11) n=49;r=0.911;8=0.153; F =72.8;logP)=2.91 log 1/C =1.945+0.347(£0.08)log P—0.991( 40.155) log( BP +1)—0.615(+0.05)Za,p (8.12) n=49;r=0.915;8=0,.150;F =76.8; log P,=3.03;—log8 =3.29 «FE log 1/C 代表 化 合 物 的 定量 生物 活性 ,C 是 产生 生物 活性 的 药物 摩 尔 浓 度 。 生物 活性 通常 WED, LDio，MIC 等 为 指标 。 在 同一 系列 化 合 物 中 , log 1/C 必须 在 相差 1 个 数量 单位 以 上 的 范围 方 能 导 得 具有 指导 意义 的 相关 方程 。 在 方程 (8.10) 至 (8.12) 中 的 生物 活性 C HSDoo, 和 系 杀 灭 准 原 虫 90% 的 药物 量 。1log 1/C 经 摩尔 校正 -log 书 是 化 合 物 油 水 分 配 系数 ,由 实验 测定 。 Lap 为 指示 变量 (indicator variable)， 表 明 当 FR 素 衍生 物 为 & 构 型 时 Tuep=0，B 构 型 时 Tup 王 1。 Hansch 途径 中 相关 方程 的 系数 及 统计 学 指数 往往 要 用 基于 最 小 二 乘法 的 多 元 线性 回归 方 * 383 « ”2 二 和 法 求 得 。 目 前 已 有 不 少 专 用 于 QSAR 研究 的 计算 机 程序 发 表 。 大 多 数 研 究 者 一 般 通过 自 编程 序 在 小 型 或 微型 计算 机 上 完成 。 * 在 方程 (8.10) 至 (8.12) 中 ,mm 为 化 合 物 数 。 一 般 情 况 下 ,为 保证 统计 显著 性 和 相关 方程 的 可 Tete, BBR ERA m, WEEK nS5 m, r 为 相关 系数 (correlat on coefficiemrt)， 表 明 相 关 程 度 ， 以 产 为 标准 。 方 程 (8.10) 中 壮 =0.83 ,说明 该 方程 拟 合 了 83% 的 生物 活性 数据 。s 为 标准 偏差 (standard deviation), F 4 F ®56{A( F-test), 在 Hansch 途 径 的 研究 中 ,尤其 关注 药物 在 体内 的 转运 过 程 ; 往 往 油水 分 配 系数 是 首选 和 最 重要 的 参数 。 通 常 在 活性 与 油水 分 配 系数 之 间 并 没有 简单 的 直线 关系 。 Hansch 通 过 大 量 的 深入 研究 ,发现 数 百 类 化 合 物 的 log 1C 与 logP 呈 抛 物 线 关系 , 即 引 入 (log 己 狂 项 后 ， 方 程 相关 性 显著 提高 。( 见 方程 (8.11))。 钟 罩 形 抛物 线 顶 点 对 应 的 log Po 系 活 性 最 佳 的 1og P 8-92 双 线 模型 曲线 图 值 。 Bi QSAR 研究 的 逐步 深入 ,发现 很 多 药物 的 生物 活性 与 1og 己 之 间 的 关系 ,并 不 象 抛物 线 这 样 对 称 , 而 是 由 两 条 焉 斜 的 上 升 和 下 降 直 线 通过 一 小 届 抛 物 线 连接 而 成 的 双 线性 图 形 〈 图 8- 92) 。 Kubinyics3 依据 McFanland 理论 提出 了 Hansch 途径 中 的 双 线 模型 (bilinear model), FF 程 (8.12) 即 为 典型 的 双 线性 方程 ,如 图 8-92 所 示 。 曲 线 的 上 升 部 分 和 下 降 部 分 的 两 条 直线 ”其 和 斜率 分 别 为 a 与 4 一 2。 它 们 的 连接 处 呈 抛 物 线 ,活性 最 大 值 所 对 应 的 log P 为 最 适 (log 已 )o, C 为 截 距 。 通过 对 近 百 类 化 合 物 的 构 - 效 关系 的 回顾 性 考察 看 到 ,在 大 多 数 情 况 下 ， 双 线 模型 的 各 种 统 计 学 指标 均 比 抛物 线 模 型 好 ,用 它 拟 合 的 方程 更 符合 药物 构 - 效 关系 的 实际 情况 。 方 程 (8.12) 显然 比 (8.11) 要 好 。 吴 吉安 等 曾 对 国内 发 表 的 抛物 线 方程 用 双 线 方程 WA, RAT 同 样 的 结 ae 8.6.3 QSAR EAR 化 合 物 的 油水 分 配 系数 log P 被 认为 是 Hansch 途径 中 最 重要 的 参数 。 生化 系统 的 分 配 系数 已 sg% 相 指 化 合 物 在 水 相 和 产生 标准 生物 效应 的 临 界 生物 相 之 间 的 分 配 系数 ， 其 定义 为 已 sm 相 一 一 Ga (8.13) C xn Fl C 站 分 别 为 药物 在 生物 相 和 水 相 中 的 摩尔 浓度 。 因 Pas BAM, AS 得 不 用 正 辛 。 醇 - 水 系统 来 模拟 。 据 实验 证 明 ,该 系统 为 良好 的 参考 系统 。log 己 和 疏 水 常数 都 是 可 加 和 性 的 自由 能 项 。 384。 RS | (8.14) RATE mn ZY log P WILLMAN TAD Hy 7 (ABE, AY, Ay log Pex 值 也 可 通过 下 式 求 得 x logP px =logPayt rx (8.15) ME ERY log P ex 值 为 已 知 或 通过 实验 测定 的 情况 下 , 且 有 取代 基 常 数 rx 可 利用 ， 如 果 在 取代 基 与 母体 已 有 的 基 团 无 相互 作用 或 这 种 作用 预先 可 测定 的 情况 下 ,计算 的 logPax 值 与 实验 值 将 干 分 接近 。 后 来 Hanschtssl 与 Rekker0?61 等 分 别提 出 了 log 忆 的 分 子 碎片 计算 法 (fragment method) 是 目前 常用 的 计算 方法 ,详细 介绍 可 参阅 有 关 文 献 。 ”当今 各 国学 者 仍 注重 于 实验 测定 logP 的 研究 ,沿用 传统 的 播 瓶 法 ,用 UV 分 光 光 度 计 测定 经 分 配 和 离心 后 在 水 相 或 正 辛 醇 中 的 药物 浓度 。Hansch 所 在 的 Pomona 学 院 药物 化 学 系 正在 源源 不 断 地 把 实验 测 得 的 新 的 log P 值 输入 其 数据 库 ez1。 他 们 又 以 专著 的 形式 列 出 了 3 万 多 个 化 合 物 logP 实验 值 及 众多 的 各 类 取代 基 参 数 4851 ,这 已 成 为 QSAR 研究 的 必 备 手册 。 由 于 以 溶 剂 分 配方 法 测定 log 己 相当 繁杂 ， 新 近 的 研究 致力 于 色 MAME loeP 值 ， 其 中 尤 以 高 效 液 相 色谱 (HPLC) 以 其 快速 . 易 测 、 重 现 性 好 等 优点 ,逐步 得 到 推广 551 。 代表 电子 效应 的 参数 是 大 量 的 ,但 基本 上 都 可 以 从 文献 查 到 。 最 广泛 使 用 的 参数 包括 , Ha- -mmett 常数 c 的 各 种 变型 ,描述 取代 于 间 位 和 对 位 侧 链 上 的 取代 基 电 子 效应 常数 om» LAB 于 脂肪 族 系统 的 Taft 极 性 取代 基 常 数 vc* 。 如 苯 环 上 取代 基 的 对 位 原 有 强烈 的 推 电子 或 吸 电子 基 团 存在 , 则 会 产生 超 共 斩 (hyper conjugation) att Hii (through resonace) 效应 ， 则 须 用 a -或 x+ 来 代替 相应 的 wc。 在 酸性 化 合 物 系 列 中 ,电离 常数 pK 往往 是 重要 参数 。 此 外 有 的 还 用 诱导 效应 常数 到 和 共振 效应 常数 环 。 。 除了 上 述 电 性 参数 外 ,量子 化 学 计算 得 到 的 各 种 分 子 轨道 指数 , 也 常常 用 于 Hansch 途径 的 研究 中 ,事实 上 ,读者 已 从 本 章 的 不 少 例子 中 看 到 量子 化 学 计算 在 QSAR 中 的 广泛 应 用 。 值得 指出 的 是 ,量子 化 学 计算 中 ,对 于 不 同 母 核 结构 的 分 子 中 的 共同 特征 的 部 分 ， 可 将 这 部 分 (如 原子 或 基 团 及 静电 势 区 域 等 ) 的 量子 化 学 指数 作为 参数 与 同一 生物 活性 进行 相关 分 析 ， 这 就 不 仅 限 于 同 源 化 合 物 的 QSAR, 从 而 扩大 了 Hansch 途径 的 适用 范围 。 如 在 一 系列 含 c 、 不 饱和 酮 基 结 构 的 色 酮 . 蔡 配 类、 香 豆 素 的 平 嘴 活 性 研究 中 导出 了 平 嘴 活 性 与 关 基 及 邻近 的 gc | B 不 饱和 双 键 碳 原子 的 分 子 轨道 指数 之 间 的 相关 方程 [991 。 O reo 8 “Soe r . =—4.4 毒 副作用 ， log 1/C =—1.01—0.041(+0.007) (logP)?—0.62( £0.15); (8.20) n=96;7r=0.829;8=0.221;logPy=0 — ALT: BARRE. (8.19), (8.20) 二 式 表明 其 主 活性 与 毒 副 作用 的 主要 差别 在 于 log Po Ala]. Mil] L-1210 白血病 细胞 的 最 适宜 logP 为 一 4.4, 而 毒 副 作用 的 log 忆 ,为 零 。 因 而 设计 亲 水 性 强 的 化 合 物 将 具有 较 高 的 选择 性 。 (3) 有 助 于 研究 药物 的 药理 作用 机 制 。 药 物 分 子 产 生 药 理 作用 ， 其 结构 的 基本 骨架 必须 与 酶 或 受 体 的 要 求 相 适应 。 取 代 基 对 于 化 合 物 与 酶 或 受 体 的 结合 将 带 来 显著 的 影响 ， 而 取代 基 的 影响 又 集中 地 体现 在 疏水 性 . 电 性 和 立体 效应 的 变化 。QSAR 研 究 中 的 Hansch 途径 认为 理化 参 数 可 以 模拟 药物 分 子 与 酶 或 受 体 相 结合 的 作用 。 因 此 从 某 种 意义 上 讲 ，QSAR 导出 的 最 佳 方程 就 代表 该 类 化 合 物 与 酶 或 受 体 结 合 的 方式 。 这 对 于 了 解 药物 的 作用 机 制 具 有 很 重要 的 参考 价 387 值 。 根 据 QSAR 研究 所 得 到 的 方程 还 可 以 帮助 推测 酶 或 受 体 图 象 , 并 配 以 量子 药理 学 构象 计算 和 分 子 图 形 学 的 技术 ， 对 研究 药物 作用 机 制 将 发 挥 愈 来 愈 亚 著 的 作用 。 8.6.5 其 他 药物 分 子 设计 方法 药物 设计 中 ,除了 Hansch 途径 外 还 有 许多 其 他 方法 ， 它 们 亦 均 归 类 于 定量 药物 设计 的 范畴 之 内 。 主 要 有 : (1) Topliss 方 法 0"51。Topliss 根据 Hansch 途径 中 超 热力 学 的 概念 提出 了 类 似 物 合成 的 先 后 次 序 的 经 验方 案 , 旨 在 合成 最 大 活性 的 类 似 物 。 他 提出 的 合成 人 方案 ,在 进一步 设计 需要 合成 的 类 似 物 之 前 ,需要 合成 和 试验 (前 步 ) 每 个 化 合 物 ,将 生物 试验 的 结果 与 到 目前 为 止 所 合成 的 化 合 物 的 理化 性 质 相 比较 ,观察 哪些 理化 性 质 对 活性 影响 起 关键 作用 ,， (如 常 选 用 取代 基 玻 水 常数 素 ) ,应 用 这 种 判断 设计 下 面 一 类 化 合 物 。 合 成 和 试验 后 ,再 比较 理化 性 质 与 生物 活性 ， 用 以 设计 再 下 一 个 化 合 物 。 Topliss 法 对 先导 化 合 物 进行 结构 改造 阶段 有 指导 作用 , 它 能 在 合成 初期 提高 找到 活性 最 大 的 化 合 物 的 机 会 。 同 时 它 也 为 下 一 步 用 Hansch 途径 推导 有 指导 意义 的 QSAR 方 程 打 下 了 基础 。 近年 来 Austel0…”] 也 发 表 了 与 Topliss 相同 原理 的 所 谓 系 统 药物 设计 的 手工 方法 。 (2) Free-Wilson 途径 2 ]。QSAR 研究 中 除了 Hansch 途径 外 ,应 用 最 广 的 方法 是 由 Free 和 Wilson 提出 经 蔗 田 答 夫 改进 的 De Novo 模型 , 称 Free-Wilson 途径 。 Free-Wilson 途径 认为 ,化 合 物 的 生物 活性 为 母体 化 合 物 的 贡献 和 各 取代 基 贡 献 的 总 和 ;而 以 某 特定 位 置 上 某 个 基 轩 的 有 无 作为 参数 。 log 1/C=yu+ ee (8.21) A ue WEIL A i Ein. X.; Ai i) 取代 基 存在 与 否 , 分 别 以 1,0 表示 ，@Gi 为 基 团 对 生物 活性 的 贡献 。 它 是 依据 线性 回归 的 方法 通过 特 设 的 计算 机 程序 来 建立 的 。 (3) 分 子 连 接 性 法 (mojecular connectivity)*!, 1975 年 区 ier i ee 后 的 药物 设计 中 也 获得 了 广泛 的 应 用 。 分 子 连 接 性 法 在 计算 各 个 化 合 物 的 子 图 (subgrapb) 的 分 子 连 接 性 指数 zZ(chi) 的 基础 上 ,以 该 指数 作为 参数 来 建立 QSAR 方程 式 ,同样 具 有 预测 价值 。 它 的 显著 特点 是 表达 式 简单 ， 参 数 〈 即 分 子 连 接 性 指数 ) 不 是 实验 值 , 而 是 通过 代数 运算 得 到 。 但 该 参数 缺乏 较 明 确 的 物理 意义 ,使 其 应 用 受到 限制 ,如果 将 该 法 与 Hansch 途径 结合 起 来 使 用 ， 可 望 获 得 有 指导 意义 的 QSAR 结 “ 果 。 (4) 模式 识别 法 (Pattern recognition)", Kowalski 首先 将 模式 识别 靶 应 用 到 药物 设计 ”之 中 ， 所 谓 模式 识别 法 就 是 借助 于 电子 计算 机 探索 药物 大 量 多 元 数据 或 信息 中 前 所 未 知 的 相互 关系 (模式 )。 它 包括 研究 活性 内 在 规律 ;对 大 量 观测 数据 的 恒定 性 质 进 行 检 测 和 识别 ,为 新 理论 新 假说 提供 依据 ;对 结构 相 异 的 化 合 物 提取 不 同 药理 特征 所 赖 以 的 结构 信息 ,以 推导 其 构 效 关系 方程 等 。 模式 识别 法 的 内 容 十 分 丰富 , 它 同 时 综合 了 药物 设计 中 的 其 他 多 种 多 元 统计 方法 ,如 因子 他 。388。 oe | a . —— oe 本 法 , 主 成 分 分 析 法 , 聚 类 分 析 法 和 判别 分 析 法 等 内 容 ， 通 过 计算 机 对 约定 的 化 合 物 进行 模式 识 别 , 对 待 测 的 化 合 物 进行 模式 分 类 ,这 方面 内 容 已 有 不 少 专著 介绍 。 随 着 计算 机 技术 的 进步 和 普及 ,QSAR 研究 正 与 量子 药理 学 `.X 衍射 结晶 或 分 子 力学 计算 机 ”图 形 学 的 研究 互相 配合 渗透 。 新 近 Fujita 指出 ,QSAR 研究 已 经 成 功 地 找到 临床 应 用 的 新 药 。 它们 是 用 于 抗菌 的 氟 哌 酸 药物 一 Norfloxacin， 抗 忧郁 药 RS-2232， 血 管 扩张 药 Benzyldiph- enylmethylpiperazine, 抗 高 血压 药 MY-556101301。 这 无 疑 是 十分 令 人 鼓舞 的 。 正如 任何 新 兴 理 论 一 样 ， 在 发 展 中 难免 存在 有 待 解决 的 问题 。QSAR 研究 不 能 替代 药物 设 计 的 所 有 工作 ,当前 还 仍 大 量 地 进行 回顾 性 研究 ,预测 生物 活性 并 非 都 能 获得 成 功 ， 更 不 能 靠 它 发 现 结构 全 新 的 先导 化 合 物 ，Hansch 途 径 中 所 采用 的 理化 参数 也 并 非 药物 与 受 体 的 真正 作用 力 ,而 是 一 种 模拟 ,各 种 方法 的 物理 意义 亦 有 待 进一步 开发 和 深化 。 然 而 ， 上 述 问题 必 将 在 今后 的 发 展 中 得 到 解决 6311。 预料 QSAR 作为 药物 分 子 设计 的 一 种 理论 和 实验 手段 必 将 得 到 更 广泛 的 应 用 和 迅速 发 展 。 SHUR [ 1 ] Richards, W. 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REE | 第 9 章 “ 生 物 分 子 的 空间 构象 生物 分 子 的 空间 构象 问题 ,在 第 3、 第 4 和 第 5 章 里 ,结合 分 子 间 相互 作用 ， 蛋白 质 和 核酸 的 空间 构象 对 其 生物 学 功能 影响 的 讨论 ,已 经 作 了 初步 的 介绍 。 但 是 ,鉴于 生物 分 子 〈 尤 其 是 生物 大 分 子 ) 的 空间 构象 与 功能 直接 相关 ,特别 是 从 研究 生物 分 子 空 间 构 象 本 身 出 发 ， 来 探讨 在 溶液 中 对 构象 的 变化 ,生物 分 子 的 折 登 规律 以 及 在 此 基础 上 的 构象 模拟 和 预测 ,更 具 重 大 的 意义 。 为 此 ,我 们 专 辟 一 章 来 比较 详尽 地 讨论 生物 分 子 的 空间 构象 问题 。 回顾 有 关 空 间 构象 的 历史 ,我 们 可 以 清楚 地 看 到 ,首先 是 X 射 线 晶 体 衍射 的 研 究 , 为 阐明 生 物 分 子 的 三 维 结构 商定 了 基础 。 但 是 ,X 射线 衍射 分 析 是 相当 费时 、 费 力 的 ,而 且 尚 有 许多 重要 生物 分 子 迄 今 还 未 能 得 到 合适 的 结晶 。 其 它 一 些 技 术 , 如 旋光 色散 和 圆 二 色谱 虽然 可 以 得 到 溶 -” ， 液 状 态 蛋白 质 分 子 二 级 结构 的 信息 (如 a 螺旋 和 A 折 登 结构 的 含量 ), 但 它 既 不 能 提供 这 些 结 构 的 起 止 残 基 位 置 (只 能 提供 一 个 百分数 ) . ,更 不 能 提供 三 维 结构 的 信息 : 近 些 年 发 展 起 来 的 二 维 NMR 谱 , 虽 为 研究 溶液 中 生物 分 子 的 空间 构象 提供 了 一 个 新 的 方法 ,但 目前 还 只 能 对 小 的 区 蛋白 质 分 子 进行 结构 分 析 , 且 也 相当 费时 。 从 另 一 方面 来 看 ,如 果 能 够 发 展 和 运 用 理 论 计算 方 法 , 那 也 将 是 一 条 不 可 缺少 的 途径 。 襄 且 随 着 近代 物理 学 、 数 学 .化 学 和 分 子 生 物 学 的 发 展 , 特 别 是 计算 机 技术 的 发 展 ,遗传 工程 .蛋白 质 工 程 和 生物 医学 工程 的 发 展 , 人 迫切 要 求 发 展 理论 计算 方 法 ,并 已 初步 显示 出 这 样 的 方法 对 模拟 和 预测 生物 分 子 空间 构象 具有 独特 的 优点 以 及 与 实验 测 定 比 较 接 近 的 结果 。 》 9.1 蛋白质 和 核酸 分 子 二 级 结构 的 预测 9.1.1 和 蛋白质 分 子 二 级 结构 的 预测 从 蛋白 质 的 一 级 结构 来 预测 它 的 二 级 结构 有 许多 不 同 的 方法 ,如 Scheroga 和 他 的 谷 作 者 喇 基于 能 量 计 算 方法 ,预测 了 4 个 蛋白 质 的 c 螺旋 和 无 规 卷 曲 ,准确 率 达 到 78% 。Robson 及 其 同 4 By FA fee 1 HH . if Lim2 则 基于 一 系列 立体 化 学 的 规律 分 别 对 蛋白 质 分 子 的 三 级 结构 进 | ，， 行 了 研究 。 但 是 相对 比较 简单 ,应 用 较 广 的 还 是 Chou-Fasmant9 的 预测 方法 ， 因 而 以 下 我 们 将 。 着 重 介绍 他 们 的 方法 。 1. a 螺旋 蛋白 质 链 构象 可 用 二 面 角 轨 和 乡 来 描述 ,对 于 一 个 正规 的 右手 g< 则 旋 残 基 的 办 儿 角 是 (—57°,—47°). ay 和 an 螺旋 构象 的 和 乡 各 是 (一 49" ,一 26") 和 (一 93", 一 18") 常 出 现在 螺 上 旋 末 端 。 一 些 残 基 螺 旋 末 端 要 是 含有 氢 键 或 许 二 Thi #4 ZE — 100° 和 有 - 折 和 至 结构 势 *Pe > 的 序列 所 采用 的 规则 3 , EXP.) 与 4 已 s> 相 差 不 大 时 显得 模棱两可 。 第 二 类 方法 按照 立体 化 学 规则 直接 构造 蛋白 质 的 二 级 结构 。 近 年 来 , 人 们 发 现 氨 基 酸 残 基 的 疏水 极 性 对 于 高 级 结构 的 形成 起 关键 作用 。 因 此 ,有 人 试 图 根据 序列 中 残 基 的 疏水 极 性 的 大 小 及 极 性 强 弱 的 周期 性 来 预测 蛋白 质 的 二 级 结构 2 。 我 们 根 据 立 体 化 学 规 则 及 序列 中 残 基 的 昔 水 性 强 弱 变化 的 周期 性 ,提出 了 解决 4 已 *>=《Pp> 时 的 重 AAR 的 归属 的 算法 ,并 利用 类 Chou 和 Fasman 规 则 1 及 规则 2 提出 了 适 于 在 计算 机 上 实现 预测 的 计算 机 算法 。 此 算法 以 蛋白 质 的 氨基 酸 顺 序 或 与 之 对 应 的 核 苷 酸 顺 序 作为 输入 ,输出 蛋白 质 各 二 级 结 构 单 元 在 肽 链 中 的 位 置 。 由 于 这 一 算法 的 简单 .快速 且 可 在 微型 机 上 实现 ,因此 , 它 完全 可 以 作为 一 种 日 常 分 析 手 段 而 用 于 实验 室 。 1. 理论 在 进行 蛋白 质 分 子 二 级 结构 预测 时 ,我们 考虑 的 不 是 单个 氨基 酸 残 基 , 而 是 一 段 序列 。 我 们 可 以 用 4 种 度量 来 标识 这 些 序 列 所 携带 的 形成 一 特定 二 级 结构 s 所 需 的 信息 大 小 。 nf (j)= Sf. (R)J=1,2,+++N —n,se(a, 8) (9.1) eb(j)= 302,(2,)32 12 eee (9.2) cP .> =5 P(R,)/(m,+1)j=1,2,+++N —n,sela, B) (9.3) H,(R,) 2 其 中 五 ;是 第 ;个 残 基 , 8 HR HE TH (a-ha e, B-HAM TMA) nf (jj) RAR 列 J 一 (J+2y) 所 含有 的 有 利于 形成 s 结 构 的 信息 。?2(J) 表 示 序 列 J—(j+ n,) 所 含有 的 不 利于 形成 s 结构 的 信息 。( 忆 ,> 表 j 一 (J+ wy) 中 每 个 残 基 所 携带 的 形成 s 结 构 的 平均 信息 值 。E(R;) 四 PRE RK; 的 琉 水 极 性 大 小 。 关 于 上 述 诸 量 的 取 值 ,定义 如 下 ， 1 P (Ri) >1.03 1.CBD -| 0 10 Bie ae 0 P,(R,;)<1.0 ae | PelRh 03:4 sauce P,(R,)>0.7 ide frC20=| 1 PCR oi.6 | 0 P,(Rk,)<1.0 by (Ri) ={* P (R;)<0.8 0 P,(R;)>0.8 在 蛋白 质 分 子 的 合成 过 程 中 ,多 肽 链 的 延伸 和 高 级 结构 的 形成 是 同时 进行 的 。 因 此 ， oe 号 on FPR: ce) (1) 在 肽 链 的 合成 过 程 中 , 当 合 成 出 来 的 某 一 特定 顺序 7-—Cj+n, HA Boh 形成 一 ”398。 定 三 级 结构 所 需 的 信息 量 时 , 它 可 优先 形成 一 核 。 (2) 随 着 肽 链 的 延伸 ,这 个 核 也 可 向 C 端 延伸 。 并 且 由 于 该 核 C 端 后 继 合成 出 来 的 各 氨基 酸 残 基 与 此 核 N 端 及 N 端 前 面 各 残 基 的 相互 作用 ,此 核 也 可 向 肽 链 N 端 延伸 , 当 遇 到 一 特定 顺序 不 有 具有 足够 的 信息 量 时 , 可 以 中 断 核 的 延伸 ,从 而 定位 出 蛋白 质 肽 链 中 各 二 级 结构 单元 。 在 本 节 所 提出 的 算法 中 ,对 于 c- 螺 旋 ,我 们 选择 了 w, 一 5。 取 向 肽 链 C 端 延伸 的 顺序 长 度 为 4 肽 ,向 肘 链 N 端 延伸 的 顺序 长 度 为 5 肽 。 对 于 有 -折叠 , 选 择 n,= 4, 取 向 肽 链 C 端 延伸 的 顺序 长度 为 4 肽 ,向 肽 链 N 端 延伸 的 顺序 长 度 为 5 肽 。 2. 方法 基于 上 述 理论 及 假设 (1),(2) ,我 们 设计 算法 如 下 (1) 输入 此 算法 为 用 户 提供 了 二 种 输入 。 一 为 蛋白 质 的 氨基 酸 顺 序 。 另 一 为 与 之 对 应 的 核 背 酸 顺序 (连同 其 读 码 框 架 ) 。 当 输入 为 核 苷 酸 顺序 时 ,通过 一 翻译 程序 按照 三 联 体 密码 与 氨基 酸 的 对 应 关系 自动 翻译 成 对 应 的 食 基 酸 顺 序 。 (2) -螺旋 的 寻找 D 从 肽 链 的 N 端 至 C 端 沿 肽 链 寻 找 满足 zf(J) 之 4 且 nb( 力 <1 且 不 含 Gly、Pro 的 6 肽 片段 ， 并 把 它 定 义 为 -螺旋 核 。 @ 从 核 的 C 端 开始 , 向 肽 链 的 C 端 每 4 个 氨基 酸 残 基 一 组 , 逐 组 计算 (已 。,w0(J) ,直至 遇 到 WE

<1.0 Mnb(j)>2 或 含有 Pro,Gly 的 4 肽 顺序 ,中 断 延 伸 , 并 按照 Chou 和 Fasman 的 规 则 1(4) 及 规则 1(5) 定 出 此 二 级 结构 单元 的 C 端 。 @ 从 螺旋 核 的 N 端 开始 ,向 肽 链 N 端 每 5 个 氮 基 酸 残 基 一 组 , 逐 组 计 BCP >, nb(j), Eth ”此 核 , 直 至 遇 到 满足 (已 。》<1.0 ainb(j)>2, RS AGly,Profy 5 肽 顺序 。 中 断 延伸 ,按照 Chou 和 Fasman 规 则 1(4) 及 规则 1(5) 定 出 此 二 级 结构 单元 的 N 端 。 若 此 片段 的 (已 。> 六 CPps> AXP,» <1.05, 则 此 片段 可 定义 为 c- 螺 旋 结 构 。 3. 8- 折 登 的 寻找 有 - 折 有 登 的 寻找 同 xc- 螺 旋 的 寻找 类 似 。 作 为 B- 折 倒 核 心 的 5 肽 顺序 应 满足 的 条 件 是 nf (5) 23 Hnb(j)<1 且 不 含 Glu .Pro。 中 止 核 向 肽 链 N 端 延伸 的 5 肽 顺序 及 向 C 端 延 TH 4 肽 顺序 PE AAR EK P p> <1.0 Rind >1.0 或 含有 Glu、Pro ,二 级 结构 单元 的 N 端 .C 端 应 满足 Chou 和 Fasman 规则 2(4) 及 规则 2(5) 。 若 此 片段 的 4P。><1.03 HK Pp >< POMAELA BP-HBE 构 。 重复 二 及 三 ,直到 肽 链 中 所 有 的 氮 基 酸 残 基 都 被 考察 过 。 4. BEND 所 谓 重 登 即 是 由 算法 二 及 算法 三 所 预测 出 来 的 片段 Jax 一 jac,Jpn 一 Jac RERR. HAM 分 和 一 Je, (jr >maximum( jan, jon), fominimum( jacsjpc)) RAA ac- 螺旋 势 又 具有 B- 折 登 势 。 为 处 理 重 释 区 域 和 ,一 jc 的 最 终归 属 ,我 们 考虑 下 列 几 点 事实 : (1) 12.0Kcal 的 4 个 以 上 氨基 酸 残 基 , 或 其 氨基 酸 残 基 的 疏水 极 性 值 显 瓦 ,>12.0, 互 ; 迄 12(Kcal) 的 交替 变化 , 则 此 重 倒 片段 为 B= 折 县 结 FA), AN, Ao we ie a @ #isn—Jecjan—JacKRtRLHBH BABS HKEDF 4 PF AARRE, AA 20 BP SER WD Fa 8 —— tH BL ZEN gd Eo We XK AHA fnew AEB -T AK AA Sf npn, tHE | NR ia BR Tre A fan, B- Ht BK SH f pn 出 现在 C 末 端 非 wc- 螺 旋 区 , IE BH AK APH 34 frac fngcs tH RECA bina - HF eX, B- it BK AIA f acR Pec ARBBRH RAK San), (fen); Cfnan>s fond +) MBAR RA oe le 构 , 反 之 为 6- 折 释 结构 。 若 交 叉 重 登 发 生 在 xc- 螺 旋 区 的 N 端 或 B-PAK A C Hafan + 《fen>)>(Cfpcy>+《fasc>) 则 重 倒 区 域 为 -螺旋 结构 ,反之 为 B- 折 倒 结 构 。 5. 输出 程序 输出 蛋白 质 的 各 二 级 结 SARE ee Ee 二 级 结 构图 示 及 肽 链 的 疏水 极 性 曲线 图 (绘图 仪 输出 ) 。 图 9-4 是 其 中 的 一 例 。 ee > nah yp RH : His « Ser» Gin Gly « Thr + Phe » Thr « Ser - Asp- Tyr * Ser + Lys Tyr+ Leas Asp + Ser + Arg~ Arg~ Ala» Gin - Asp + Phe - Val» Gin» Trp > Leu > Met + Asn* Thr 1 一 wet 人 人 人 人 全 全 全 全 全 5 8- 折 又 结构 a we ae a- 螺 旋 结构 Hr kcal) 1 10 15 20 ] 图 9-4 算法 的 输出 形式 第 一 排 为 蛋白 质 的 氨基 酸 顺 序 , 第 二 排 是 其 二 级 结构 图 示 , 曲线 图 是 蛋白 质 的 琉 水 极 性 图 。 横 坐 标 是 氨基 酸 位 置 , 纵 坐 标 为 对 应 的 疏水 极 性 值 (kcal)。 根据 上 述 理论 和 方法 , 刘 志 平和 江 考 平 编 了 用 于 TRS-80(D 微 型 机 的 FORTRAN IV 程序 轩 并 对 细胞 色素 bs 硫 氧 还 蛋白 、 腺 昔 酸 激酶 和 磷酸 甘油 酸 激 本 的 二 级 结构 进行 了 分 析 。 结 果 与 和 。400。 | 3 射线 .Chou 和 Fasman 结 果 比 较 ， 由 本 算法 预测 出 来 的 结果 与 X 射 线 分 析 结 果 基 本 吻合 。 由 于 算 PAP Rew Rr f.nb, es ON OE Te he 表 0-5 4 种 亚 型 HBsAg 的 二 级 结构 二 级 结构 | adr | adw2 | ayw | adyw 有 -折合 12 一 28 12 一 28 12 一 28 12 一 28 35 一 42 35 一 42 35 一 42 35-42 47—52 47—52 45—49 45 一 -49 72 一 104 72 一 104 72 一 104 72 一 104 112 一 116 114 一 118 121 一 126 121 一 126 121 一 126 121 一 126 137 一 141 137 一 141 137 一 141 137--141 146—150 146—150 146—150 146—150 156—163 156—163 F 168—173 168—173 179—184 179—184 179—184 179—184 189—201 189—201 189—201 189—201 205—209 205—209 205—209 205—209 218—226 218—226 218—226 218—226 - 有 -转角 31 一 34 31 一 34 31 一 34 31--34 44—47 44 一 47 68 一 71 68 一 71 68 一 71 68—71 119—122 119—122 119—122 119—122 128—131 128—131 128—131 128—131 143—146 143—146 143—146 143—146 151—154 151—154 151—154 151—154 201—204 201—204 201—204 201—204 a -螺旋 | | | 160—170 . 160—170 j f -4 | 1010 160 B adw2 170 180 10 一 150 16 170 180 D adyw 9-5 HBsAg 中 片段 150 一 180 Aye KARTE AHA Pith A, B, C, D4yRilA 4 +MY HBsAg 9-6 2 141-~Lys Leu Ser Asp Gly Asn 1 783333 “z 亲 水 极 性 最 强 处 亲 水 极 性 值 图 9-6 adr 亚 型 的 HBsAg 的 亲 水 极 性 强 弱 分 布 图 处 ,从 它们 各 自 的 下 水 性 曲线 (图 9-5 ) 可 以 看 出 ,160 一 166 处 ,其 玻 水 性 强 弱 显 周期 为 2 一 3 个 残 基 变 化 ,166 一 170 处 ,其 疏水 性 显 周期 为 1 个 残 基 变 化 .adr、adw 2 二 亚 型 第 168 个 残 基 为 Val，. ii ayw.adyw 二 亚 型 相应 处 为 Ala, 由 于 Val tk Ala 具有 大 得 多 的 疏水 性 且 Val 具有 较 高 的 B- 折 登 势 ,Ala 具有 较 高 的 c- 螺 旋 势 ,导致 区 域 168 一 170 HK PDP > 差别 很 大 。 故 对 于 adr, adw 2 亚 型 ,168 一 170 HA-PBAW, ig ayw adyw 亚 型 为 c- 螺 旋 AH, RE adr adw 2 二 种 亚 型 的 164 一 167 顺序 被 预测 为 无 规 结构 , 但 从 其 疏水 曲线 看 。 可 能 这 段 区 域 含 有 较 弱 的 c- 螺 旋 结 构 。 由 图 9-6 及 表 9-6 可 以 看 出 ,4 种 亚 型 蛋白 分 子 的 亲 水 性 最 强 者 都 在 141 一 146 处 ， 进 一 步 考察 它 附 近 区 域 的 二 级 结构 可 以 发 现 ,137 一 141，146 一 150 为 8B- 折 县 结构 ,143 一 146 为 B- 转 角 结构 。 因 而 片段 137 一 141 很 可 能 借 143 一 146 这 个 6- 转 角 与 顺序 146 一 150 形成 反 平 行 6- 折 BT, 并 通过 二 个 区 域 中 的 半 胱 氨 酸 (Cys) 或 其 它 区 域 中 的 Cys 形成 的 二 硫 键 及 其 它 相 互 作用 而 得 以 稳定 。 这 与 实验 观察 得 到 的 关于 球 蛋白 抗原 决定 簇 的 构造 的 一 般 结 论 和 ”是 一 致 的 。 蛋白 质 抗 原 的 高 级 结构 阐明 及 其 氨基 酸 残 基 的 极 性 分 析 ， 对 于 寻找 理想 的 抗原 专 一 性 强 的 PUREE RRA AE. Hopp AA 亲 水 性 分 析 在 HBsAg 中 找到 了 一 段 具 有 最 强 末 水 性 的 顺序 并 合成 了 一 段 类 似 物 。 实 验 表明 这 段 顺 序 是 有 一 定 的 免疫 活性 的 。 要 彻底 阐明 蛋白 质 抗原 的 抗原 专 一 性 的 分 子 机 制 ， 仅 了 解 其 二 级 结构 是 不 够 的 。 蛋 白质 的 抗原 专 一 性 更 多 情况 下 依赖 于 它 的 整个 分 子 的 空间 构象 ,三 级 结构 的 再 折 有 登 ,卷曲 可 以 使 某 些 抗 原 决定 徐 位 于 球 蛋 白 分 子 的 内 部 ,而 使 另 一些 抗 原 决 定 答 位 于 分 子 的 表面 。 从 4 种 亚 型 的 疏水 性 分 析 可 以 看 出 ,79 一 99 ,190 一 201,218 一 226 这 三 段 区 域 里 的 氨基 酸 几 乎 全 是 疏水 性 氨基 酸 残 基 ， 它 们 可 能 可 以 和 肽 链 中 其 它 一 些 蕊 水 残 基 相 互 作用 形成 一 疏水 核 。B- 折 释 区 168 一 173 其 下 水 性 强 弱 显 周 期 为 一 个 残 基 的 变化 ,可 能 位 于 球 蛋 白 表 面 。 (2) FRE 于 扰 素 (IFEN) 对 细胞 功能 可 产生 各 种 影响 ,尤其 是 它 的 抗 增殖 作用 及 抗 病毒 活性 ,3 起 了 人 们 的 很 大 兴趣 。IFN 分 为 wk.B My 三 类 ， 由 圆 二 色 性 (CD) 谱 估 计 它 会 有 55 一 70%6 的 螺旋 。 了 ayes05 应 用 Chou-Fasman 方法 估计 了 Hu-IFN-c 约 有 55% 的 xc- 螺旋 ,16% 的 B- 折 琶 ,19% 403 的 无 规 卷 曲 和 1% 的 转角 结构 。Wetzel07 等 用 改进 的 Garnier 等 的 方法 计算 IFEN-aA, EAA 65% 的 c- 螺 旋 , 很 少 8- 折 登 ,结果 表示 于 图 9-7 中 。 程 玉 华 09 等 也 对 IFN 的 二 级 结构 进行 了 一 轩 些 分 析 。 王 良 网 和 江 寿 平 应 用 自 编 的 蛋白 质 二 级 结构 预测 程序 预测 了 IEN-y 的 三 级 结构 和 它 的 纹 水 性 和 亲 水 性 分 布 图 ( 表 9-7, 图 9-8)。 Cys Cy. S CQ 一 helix% ae en : IFN-0A 65 Cys Cys Cys Cys pl wer EO IFN-cD 58 Cys Cys a Cys 9 OH Cys Cys Cys Cys OE Se 保守 区 Cys Cys Cys 0-0} VOC Ve 和 0 ‘ ' : 1 t l rs ! ‘ ! i Ss he ee eee ee eee 1 10 20 30 40 50 66 70 80 90 100 116 120 130 140 150 160 REX 图 9-7 Hu-IFN-a fi 6 himim—RH 图 9-8 IFN-? 的 疏水 性 (上 ) 和 亲 水 性 图 (下 ) 9.1.2 核酸 分 子 二 级 结构 的 预测 二 随 着 DNA 顺序 测定 方法 的 不 断 改进 提高 以 及 基因 工程 的 迅速 发 展 , 迄今 为 止 已 经 积累 了 。 404。 玫 9-7 IFN-?* 的 二 级 结构 _a -螺旋 4 一 13 ，34 一 58 ，64 一 82 ，86 一 89 , 102—121 _B- 折 登 27—33 , 97—101 , 133—137 夫 量 的 DNA FARO 。 自 1977 年 测定 了 第 一 个 完整 的 DNA 分 子 噬 RIA ¢ x 174 DNA “序列 后 ,人 们 已 经 陆续 测定 了 细菌 质粒 PBR322 ,动物 病毒 SV40, 噬 菌 体 T7,fd,fl,MB 等 一 系列 DNA 序列 。 但 是 ,对 已 有 的 包含 极其 丰富 信息 的 核酸 序列 资料 的 分 析 、 处 理 和 研究 ， 单 伟人 芒 是 难以 胜利 的 ,而 必须 借助 有 针对 性 的 方法 和 计算 机 进行 分 析 处 理 , 为 此 人 们 编写 了 各 种 计算 机 程序 ,它们 包括 下 列 二 些 功能 2"-30， (1) 它 能 方便 地 实现 对 核酸 序列 资料 的 输入 、 存 贮 ， 删 改 , 编 辑 , 格 式 化 处 理 以 用 于 核酸 序列 数据 文件 的 建立 和 管理 。(2) 能 通过 对 核酸 序列 数据 的 复 ， 制 以 实现 DNA,RNA 的 互补 链 的 构造 , 存 贮 与 序列 数据 文件 资料 的 打印 输出 。(3) 它 能 通过 对 核酸 序列 资料 的 检索 及 多 种 处 理 以 实现 DNA、RNA 链 的 氨基 酸 密码 翻译 , 氨基 酸 密码 子 的 频 . KE 计算 及 检索 ,DNA 分 子 的 核酸 限制 性 内 切 酶 图 谱 的 构造 , 任意 指定 子 序 列 的 检索 和 发 夹 结 构 的 识别 与 预测 。(4) 它 能 通过 对 核酸 序列 进行 比较 以 实现 序列 中 重复 序列 的 检测 及 对 存在 重 释 序列 片段 的 二 核酸 序列 实现 拼接 组 合 等 多 种 功能 。 必须 指出 , 随 着 分 子 生 物 学 ,基因 工程 、 核 酸 序 列 分 析 技 术 广 泛 深 入 的 发 展 ,测定 的 核酸 序列 — RK, 这 就 要 求 我 们 通过 计算 机 对 大 量 序列 数据 进行 分 析 研究 了 解 核 酸 分 子 结构 信息 和 动 态 过 程 ,通过 计算 机 来 模拟 和 预测 它们 的 高 级 结构 ,为 核酸 分 子 的 设计 提供 有 益 的 信息 。 这 方面 工作 近 些 年 来 引起 人 们 的 高 度 重视 ,进行 了 许多 研究 [2020 。 9.1.2.1 RNA 大 分 子 的 二 级 结 构 预 测 方法 我 们 知道 , 单 链 RNA 分 子 通过 自身 的 回 折 可 以 形成 部 分 螺旋 , 突 环 相 间 排 列 的 高 级 结构 。 最 近 十 年 来 Tinoco00 ,Nassinov02 和 Zuker03 等 人 进行 了 一 系列 研究 , 建立 了 多 种 预测 方法 ， 并 在 实际 问题 中 得 到 应 用 。 乐 树 云 和 江 寿 平 225 提 出 改进 的 预测 算法 。 算 法 是 在 具有 最 大 碱 基 配对 预测 算法 的 基础 上 发 展 起 来 的 , 它 的 基础 是 拓扑 平面 的 最 大 C- 匹 配 原理 和 现 有 的 单 链 RNA 折 释 构象 的 热力 学 数据 。 它 能 方便 地 扩充 而 耦 联 与 单 链 核酸 分 子 折 登 构象 有 关 的 其 它 信息 。 在 算法 中 我 们 结合 了 Nussinov 算法 的 数学 描述 的 严 谭 性 和 Zuker 算法 中 引入 的 “ 面 权重 ”处 理 的 有 效 和 灵活 的 长 处 。 同 时 为 了 减少 计算 量 我 们 在 计算 图 中 各 子 图 的 权重 时 提出 了 一 系列 新 的 算 法 公式 ,并 在 数据 结构 方面 作 了 一 定 技术 上 改进 。 1 拓扑 平面 图 的 最 大 C- 匹 配 处 理 ， 对 于 一 长 度 为 ”个 核 苷 酸 残 基 的 单 链 核酸 分 子 ， 通 过 上 碱 基 的 配对 可 以 折叠 成 形形色色 的 螺旋 , 突 环 相间 排列 的 二 级 结构 。 但 从 生物 意义 的 角度 而 言 ， |) 傅 人 最 感 兴趣 的 是 该 分 子 的 最 可 能 的 折 释 结构 , 即 它 的 具有 最 小 生成 自由 能 的 折 释 结 构 。 核酸 | 分 子 的 折叠 结 构 的 生成 自由 能 的 来 源 有 二 个 方面 ,一 方面 是 来 源 于 结构 中 螺旋 区 域 的 氨 键 能 和 性 碱 基 间 的 堆积 能 , 另 一 个 则 来 源 于 成 环 区 域内 ,发 夹 环 , 内 环 以 及 凸 环 结构 的 生成 自由 能 。 因此 单 链 核酸 分 子 的 折 倒 结 构 的 总 生成 自由 能 即 为 各 部 分 结构 的 生成 自由 能 总 和 。 在 算法 中 ， 引 用 了 Saler 汇编 的 单 链 核酸 分 子 各 折 生 结 构 的 生成 自由 能 的 热力 学 参 数 来 计算 各 种 碱 基 的 堆积 能 * 405 « (包括 了 氨 刍 能) 及 各 类 环 结构 的 生成 自由 能 。 对 于 单 链 DNA 的 折叠 结构 的 生成 自由 能 ， 是 参 照 单 链 RNA 的 折叠 结构 的 热力 学 参数 。 为 了 寻求 单 链 核酸 分 子 的 最 小 自由 能 的 折 和 又 结 构 , 采 用 了 拓扑 平面 图 的 数学 处 理 。 即 在 处 理 中 用 一 重 图 G(X, 九 ) 表 示 一 个 由 半 个 核 苷 酸 残 基 的 单 链 RNA 分 子 的 折叠 HY. G(X, LE) PX {zuzz…,zn-iyzn}, 即 图 中 各 顶点 的 集合 , 刀 为 图 中 连接 二 个 顶点 的 弧 的 集合 。 图 G( 科 ,至 ) 和 折 。 AAW2 间 具有 以 下 的 一 一 对 应 关系 。 图 中 一 顶点 和 , 对 应 于 RNA 分 子 中 第 斌 个 核 埋 酸 残 基 (序号 是 按 5 WEB) 3 端的 方向 依次 编号 ) , 核 背 酸 链 的 磷酸 二 酯 键 则 用 图 中 的 绝 表 示 , 而 图 中 任意 不 相 邻 的 楼 则 用 来 连接 链 中 能 相互 配对 的 硕 基 .因此 经 拓扑 平面 图 的 数学 处 理 后 ,寻求 具有 最 小 生成 自由 能 的 单 链 RNA 分 子 的 最 稳定 的 结构 就 可 通过 寻求 该 对 应 的 拓扑 平面 图 的 最 大 C- 匹 配 来 解决 。 应 该 说 明 的 是 , 预测 具有 最 大 碱 基 配 对 数 折 登 结构 的 算法 仅仅 是 求 该 拓扑 平面 图 的 最 大 C- 匹 配方 法 的 特 款 ， 即 在 最 大 匹配 处 理 中 拓扑 平面 中 两 非 相 邻 顶点 w; 45 2, 相 匹 配 时 取 权 重 如 ,=1I1 而 在 最 大 C- 匹 配 处 理 中 刀 ,, 的 值 取决 于 拓扑 平面 图 中 与 楼 wx; w, 相关 的 面 的 结构 类 型 。 因 此 现在 的 问题 就 是 寻求 该 拓扑 平面 图 中 具有 最 大 权重 ( 即 具有 最 小 生成 自由 能 ) 的 所 有 不 相 邻 的 棱 的 集合 。 2. OP G(X, BE) bse Hi A— RNA 片段 序列 5 “C-C-A-C-A-U-G-C-A-A-G-C-A-A-U-G-A-A-A-G-G-A- G-G-U-U-A-C-U-A-A-A-C-A-U-A-U-U-A-G-C-C-A-C-C-A-C-C-U-U-C-U-U- A- U-G-G 它 可 以 折叠 成 如 图 9 -9 所 示 的 结构 , 5 EX MAME G(X, 2)me 9 -10 Pras. 按照 上 述 的 处 理 有 :RNA 分 子 中 57 个 核 昔 酸 残 基 依 次 对 应 于 图 G( 民 , 刀 ) 中 57 MUA, 22, xiey251,RNA 分 子 中 磅 酸 二 酯 键 对 应 于 图 G( 和 , 妃 ) 中 的 弧 , 而 RNA 分 子 所 形成 的 氨 键 则 用 图 G(, 妃 ) 中 互 不 相 邻 的 楼 表示 ,这 里 我 们 作 了 如 下 的 约定 ,(1) 每 个 顶点 至 多 有 一 条 楼 使 它 与 其 相 匹 配 的 顶点 相连 ,而 棱 与 楼 是 互 不 相交 的 。(2) 拓扑 平面 图 中 的 面 定义 为 由 绝 及 楼 所 围 成 的 一 个 区 域 ,区 域内 任意 二 点 能 由 不 与 驳 ( 棱 ) 或 顶点 相交 的 连续 曲线 相连 接 , 即 拓扑 平面 图 的 面 内 既 不 含 图 的 顶点 ,也 不 含 图 的 弧 ( 及 楼 )。 各 类 面 定义 如 下 ， (1) 边界 上 只 有 一 条 棱 的 面 称 为 发 夹 环 (图 9 - 9 ,9 -10 HAF RARER MR). (2) 边界 上 有 二 条 楼 和 二 条 弧 的 面 称 为 螺旋 堆积 区 (图 9 - 9, 9 -10 中 用 字母 S 表 示 的 区 。 域 ) 。 (3) 边界 上 有 二 条 棱 和 三 条 弧 的 面 称 为 凸 环 (图 9 - 9 , 9 -10 中 用 字母 BU 表示 的 区 域 )。 (4) 边界 上 有 二 条 棱 和 三 条 绝 以 上 的 绝 的 面 称 为 内 环 (图 9 - 9 ,9 -10 HE I ea 区 域 )。 (5) 边界 上 有 三 条 和 三 条 以 上 楼 的 面 称 为 分 又 环 (图 9 - 9，9 -10 用 字母 BF ARH RM), 时 有 了 上 面 的 约定 ,根据 拓扑 平面 图 的 最 大 C- 匹 配 原理 ,就 可 以 建立 一 个 递归 的 ,动态 的 , 快 速 的 算法 ,并 以 FORTRAN 语言 编 成 计算 机 程序 。 应 用 这 个 程序 对 免疫 球 蛋 白 ?1 重 链 的 mR NA 片段 序列 ,大 肠 杆 菌 16 SrRNA JPL, ARM AC RAE RNA 片段 序列 的 二 级 结构 进行 : 了 预测 ,其 结果 如 下 ， (1) 免疫 球 蛋 白 ?1 重 链 的 mRNA 片段 序列 的 二 级 结构 * 406。 “a Terre ?~ 人 六 << ou 9-9 57 核 苷 酸 的 RNA 片段 序 图 9-10 与 图 9 - 9 折 登 结构 相应 的 拓扑 平面 图 列 的 可 能 的 折叠 结构 G(Z 5m) 为 了 同 已 有 的 算法 所 作 的 RNA 分 子 的 二 级 结构 预测 的 结果 进行 比较 ,我 们 对 免疫 球 蛋 白 7y1 重 链 的 mRNA 片段 序列 (459 个 核 背 酸 残 基 ) 进 行 了 计算 机 预测 .根据 上 述 的 算法 在 IJBM4341 计算 机 计算 结果 表明 :该 片段 序列 能 折 登 成 具有 一 194 kcal/mol R/)4A RA HREM TAA. on 图 9-11 Pras. 在 该 预测 的 结构 模型 中 共有 126 个 碱 基 对 ，, 片段 序列 中 能 配对 的 碱 基 的 比率 约 为 5526〈 已 包括 碱 基 G 和 碱 基 U 的 配对 )。 该 预测 的 结构 模型 同 Zuker 和 Stiegler :所 预测 的 。 结构 模型 相 比 较 表 明 约 有 95 对 碱 基 对 是 相同 的 。 占 整个 螺旋 区 域 的 76% 左 右 。 在 图 9 -11 配 对 区 域 中 直线 的 螺旋 区 域 即 为 二 种 算法 预测 的 一 致 的 螺旋 区 域 。 显然 这 里 预测 的 免疫 球 蛋白 vl 重 链 的 mRNA (459 BR) 片段 序列 的 二 级 结构 的 基本 特征 是 类 似 于 Zuker 和 Steigler 计 。 算 的 结果 。 (2) 大 肠 杆菌 ,16 S rRNA 片段 序列 (567 一 833) 的 二 级 结构 模型 。 Noller 和 Woese"**!7¢ 1981 年 基于 多 种 方法 研究 ,提出 了 大 肠 杆 菌 16 SrRNA 分 子 的 二 级 | 结构 模型 (图 9 -12) ,以 后 他 们 又 作 了 些 改 进 。 根 据 这 个 模型 ,大 肠 杆 菌 16 SrRNA 的 二 级 结构 ”大致 可 以 分 成 三 个 区 域 ， 5 ' 未 端 域 , 中 心 域 和 3 末端 域 。 为 了 便于 同 现 有 的 RNA 大 分 子 二 级 结构 模型 相 比 较 , 选取 了 大 肠 杆菌 16 SrRNA 中 心 域 的 片段 序列 (567 一 883) ,用 上 述 算法 进行 了 由 计算 机 预测 ， 所 预测 的 二 级 结构 模型 如 图 9 -12 所 示 。 该 片段 序列 能 折叠 成 具有 一 142.16 Kcal/ © mol 最 小 生成 自由 能 的 稳定 结构 。 该 结构 模型 中 共有 95 对 碱 基 对 ,配对 碱 基 比 率 约 为 6026。 这 一 比率 基本 上 与 物理 方法 预测 的 结果 (60% 一 70% ) 相 同 。 根 据 Noller 和 Woese 提 出 的 结构 M 型 ,该 片段 序列 能 折 琶 成 共 85 对 碱 基 对 的 螺旋 区 域 , 配 对 碱 基 比 率 约 为 54% 。 经 比较 表明 ,该 折 和 登 结构 中 约 有 86%% 的 螺旋 区 域 与 乐 树 云 和 江 寿 平 预测 的 结构 模型 是 一 致 的 。 在 图 9 -12 PRA ， 线 的 螺旋 区 域 即 为 二 种 结构 模型 的 共同 的 螺旋 堆积 区 域 。 由 此 可 见 ， 就 大 肠 杆 菌 16 SrRNA 中 心 域 片段 序列 (567 一 883) 而 言 , 由 上 述 算法 所 预测 的 二 级 结构 模型 基本 上 同 Noller 和 Woese 基 于 多 种 方法 研究 结果 所 提出 的 模型 是 很 类 似 的 , 它们 结构 的 基本 特征 是 一 致 的 。Noller 和 他 的 ° 4 和 0O7。 人 Ac--40 G 6, G50-U f % 忌 A UAG 1 30h CHIR ey ACUACARG GRO “10-20 sco sop 8 A yen ca | 0% 8 4 349 Cy) © Wor ACU A 让 G G7) Aas CONSE v3 \ a a AC =AC C 1 61 OR, M260 KRALL So Le s49 reins 450-% 名 270p7 S DEA, 320.9 XG, a4 S|5 0S] asi One Git SG 400 > AA, N "ener EQ OS 410° A 4 A U > mr U C4 ne 下 440 图 9-11 ”免疫 球 蛋白 yl 重 链 mRNA 片段 序列 (459 核 苷 酸 残 基 ) 的 具有 最 小 生成 自由 能 的 折 倒 结构 同事 又 预测 了 23S rRNA( 约 90 个 残 基 ) 的 二 级 结构 。 (3) AHERK AR RIB RNA 片段 序列 (1 一 740) 的 二 级 结构 模型 ATK AR RIB RNA 约 7433 核 苷 酸 长 , 它 的 结构 基因 具有 典型 的 高 等 动 植物 病毒 m- RNA 的 特点 。 它 的 5 端 有 一 较 长 的 不 翻译 区 (1 一 740) ,这 个 区 域 与 基因 表达 调 节 功 能 有 关 。 根据 上 述 算 法 所 预测 的 该 片段 序列 (1 一 740) 的 二 级 结构 如 图 9 -13 所 示 。 所 预测 的 结构 模型 表 “ WIZ RNA 片段 序列 能 折 登 成 一 304.89 kcal/mol 最 小 自由 能 的 树 状 稳 定 结构 。 在 该 稳定 结构 中 国 约 有 228 对 碱 基 对 ,彼此 能 配对 的 碱 基 所 占 的 比率 为 622% 。 几 个 单 链 环 区 中 彼此 之 间 存 在 着 潜 在 配对 的 可 能 性 有 可 能 进一步 折 县 成 更 高 层次 的 结构 (如 图 9-14 中 293 一 30) 发 夹 环 中 AACC= (3 ) 与 542 一 548 发 夹 环 中 UUGG-(3 ) ,142 一 149 发 夹 环 中 AAA-(3 ) 与 559 一 569 单 链 环 申 UUU-(3') 以 及 118 一 127 单 链 环 中 AGUUC-(3') 45 616 一 620 单 链 环 中 (3 )-UUAAG 相互 配 对 而 形成 左右 折 和 登 ,而 420 一 428 发 夹 环 中 AUUGA-(3 ) 与 708 一 728 发 夹 环 中 (3 )-UAACU 以 及 453 一 479 发 夹 环 中 UAAU-(3 ) 与 646 一 654 发 夹 环 中 AUUA-(3 ) 相 互 配 对 而 上 下 折 释 , 进 而 形成 更 紧密 的 更 高 层次 的 空间 结构 。 * 408° ¢ a > i -3/ G A-860 1 € 9-12 大肠 杆菌 16 StRNA 中 心 域 (567 一 883) 片 段 序列 的 具有 最 小 生成 自由 能 的 二 级 结构 总 之 上 述 算 法 对 于 预测 RNA 分 子 具 有 最 小 自由 能 的 稳定 二 级 结构 是 有 效 的 。 利 用 该 算法 已 研究 了 5.8S rRNA DTH RAW MRNA 翻译 起 始 区 域 结 构 特 征 与 翻译 效率 间 的 关系 ,和 大 肠 杆 菌 RNA 聚合 酶 识别 的 54 个 启动 基因 的 结构 特征 研究 以 及 RNA 分 子 折 芍 的 动态 过 程 驻 ] 等 。 得 到 了 十 分 有 益 的 信息 .可 以 相信 随 着 算法 耦合 实验 方法 所 得 的 RNA 分 子 结构 的 特征 信息 的 不 断 完 善 , 利 用 计算 机 预测 RNA 大 分 子 的 二 级 结构 是 切实 可 行 的 。 «91.2.2 5.8SrRNA 的 二 级 结构 "” 真 核 生物 5.8 SrRNA 是 细胞 核糖 体 中 的 大 亚 基 的 结构 成 分 ,到 目前 为 止 约 有 二 十 几 种 5.8 用 SrRNA 分 子 的 序列 被 测定 。 现 有 的 实验 已 表明 5.8 SrRNA 分 子 对 于 真 核 生 物 核 糖 体 的 活力 | 表现 和 它 的 结构 起 着 重要 作用 .为 了 研究 5.8 SrRNA 的 结构 和 功能 ,对 于 它 的 二 级 结构 已 基 于 4 Zo RT EE ST — 2b ay BE A a ( Nazar! *7)48 , Ford#Mathieson'**!, Luoma#fMarshall'‘*!), BED LMRA-AAUHCRAMRM, WASH 5 SRNA“), HRA AER ; HED ms SED ARS DARK HED 13 种 5.8 SrRNA 分 子 , 借 助 于 单 链 RNA 分 导 子 二 级 结构 预测 算法 ,通过 计算 机 的 处 理 提 出 了 它们 的 具有 最 小 生成 自由 能 的 二 级 结构 模型 。 并 对 这 些 模 型 及 它们 的 高 度 保守 序列 在 其 结构 模型 中 呈现 的 结构 特征 进行 了 分 析 和 讨论 。 HED DHS 5.8 SrRNA 二 级 结构 :来 源 于 状 椎 动物 的 7 种 5.8SrRNA 分 子 的 二 级 结构 409 G Cc 二 G A « ult 人 » ae 680-C | G-710 We ak ANG, aU GGA- c ag As WU oe C & ABD sft 610°» - in G Rae ic Gg) cCSSC GAA RaNK sm CIE 区 PO ee 已 GIC One G X, “AG am N <4 = 上 A1U-740 oO oS C Zor” 8 人 大 到 A ° e ary coe 5- 720 © oe U 人 A ACSA Cod U 762 Gy A 4 vig U A fu aA © A Ul Agso UIAz A Sa es 590-U! A Cob 22 cy, A ; = Vi AG, 40GC Au GUCGACUU_GGAGGUUGUGCCCy, 570-G | CCAGCUGAA CCUUCGG Se 8 870-UU Q as ‘ 567-G S edu 260 © CCC 1 A Uy Uc-560 Cc 人 U a C U U ae Nemec 站 和 A 一 UUU i CG. e ae 140-9 ee 20-8 § A G Ea te CG-580 80 Paty go uUCGA U , 5 CG nies A, ACG ig tc UAUGGUGACAAUC A, : 160 4 C 9 AUACUAUUGUUAG A j AA MF Ao 站 Youau a 1 600 : A YE CSO CGa 24 "UA uc ce)%4u 6G Gu i : ie U 230-5 << 6c 8 wu 台 tm wAyOFey, els ve 8 AG, “OG, A 630° 640 ; % a UG : #0 “%, ay PP as Gira AdACUC oy \ A 650 © 410+ u “fs \Y350 C 8 GAU A MO Sq “A + S@ 了 Kauccuce GS Lily U 3260, 8 g "PG 560 fi 25 tne ok — onbyed 5 cow” czcf 519 » Na80 Gare hae Eagd_,Gocuaacdcau ; 300 、G9 GG Ps 上 cA on oy Maho Sc A-~520 Cc Om 人 全 ae = Coe” ig, oo 540 UY % So G @ & 530 G ° NG CoS Ayer _UAGGUCGUUUUC USUAUDU S U CU, “Cs Ig eee pes weir 5 » & 6 SSaccetacad Cay G UDPUCUL A 20 10 G G GD 690 10 AGys A U6... 信 ULCUa , 790 A U A UAc AAGUACAAUUUCA A U AA UAUGUUAAAG ， -32 C CA Pa.) 730 uaa9， 全 图 9-13 RMA AM RHE RNA 片段 序列 (1 一 740) 具 有 最 小 生成 自由 能 的 二 级 结 梅 模型 分 别 显示 在 图 9 -14 4 一 五 。 这 7 种 不 同 的 5.8 SrRNA 分 子 各 自 折 登 的 最 稳定 的 二 级 结构 模型 是 很 相似 的 。 这 些 模 型 同 Nazar 等 人 提出 的 5.8 SrRNA 分 子 的 二 级 结构 模型 是 相近 的 ， 而 与 Luoma 等 人 、Ford 等 人 提出 的 二 级 结构 模型 有 较 大 的 差异 。 这 里 我 们 引用 了 Nazar 等 人 的 核糖 核酸 酶 水 解 实验 依 据 , 如 图 9-14 4 和 图 9-14 C 所 示 的 箭 号 位 置 . 可 见 具 有 最 小 自由 能 的 折 倒 结构 模型 与 Nazar 等 人 的 实验 结果 基本 相符 。 在 这 7 个 5.8 SrRNA 分 子 的 二 级 结构 中 , 它 们 的 共同 的 特征 是 结构 中 有 相对 稳定 的 5 个 螺旋 辟 和 6 个 单 链 环 区 。 其 中 螺旋 臂 TF 是 富 A-U 配对 的 螺旋 区 域 ,而 螺旋 臂 了 则 是 富 G-C 配对 的 螺旋 区 域 , 且 在 它们 的 上 方 都 对 称 地 折 和 至 着 一 个 单 链 环 。 同 时 值得 指出 的 是 它 的 3 个 环 区 bd 和 环 恰 巧 是 它们 3 个 强 保守 序列 所 处 区 域 。 可 见 由 于 它们 的 亲缘 关系 相近 ,而 使 二 级 结构 呈现 共同 的 特征 。 根 据 这 些 模型 可 以 提出 一 个 对 来 源 于 状 椎 动物 的 5.8 SIRNA 分 子 更 为 一 般 的 结构 模型 (图 9 -15)。 它 的 主要 特征 参数 参见 表 9-8。 yet y £0 0 | | ~ il o> cuc GA 5’-CGACUCUU cdo sels “Gucccu —cG | AA 一 AcGlcAcc y c UCGCUGCGAGUC., 2 C GCUACU GCGUCG A (1) —u~ bA A Ua A f 2 U CA iA f AC G ) eee fe UC G ge c § iG te C es ie } Gc 一 C6 Ce c G Uf U CCU A AUC awe 0 AGAA— % duced”, “~auses : 5/-CAACUCUU, GcgcuG CuCGGe ! GUGCGUCGAUIGAS~_- cqcAGiU UCR A yUCGCUGC-GAGCCG,, eG I ce cace>cc ain Goa QAQDQAARAANAANA < & Co >a ra Ee A>FQA>CCoOry ( o > al=anna000 O- Se , B ES a en eee ae ats =) ~~ ge ae ee —— a ae eS UGGA Uu— U Cares a7 AGAAN KG $’ -CAACUCUU de, CACUCGG~ ‘GUGCGUCGA' conto GUGAGUC pre U bata | c> qocancaaaan'aan® = CAQAQNFIANANNDA won 2) U AC U $’-CAACUCUU Cc AGAA AACGGUG CUCGG © GucccucGAUIGAD ~cdcac©® u UUGCUGC-GAGUC C|ACGCA|GCUACU Gcauc,“ WUCC G ec 6 中 GC AD A Ac G UC G a 3 GC A Ga Cc Gc : G Cc Cc G Cc G ce ccu” D U 5 _(U) uccaucacuc Ce ven Ree C ete AG U ACU GCGUC ~A A UA ae G ate G u A CUUGA UA U G A U c G yen | C FA HB ft 残 Ore ee eee 二 级 构 2)5.8 SrRNA — , 示 (RNaseT.) 作用 敏感 的 位 置 si。 D. 甲鱼 心脏 细胞 (CCL 50)5.8 SrRNA 二 级 结构 EL. PRANK AA 5.8 SrRNA 二 级 结构 a-1 c-1 be cog Wool rritiiiit it ii paeeeReeya iitild Be hae ， tk iG. o-2 : — Ne 多 一 二 wm 尖 = e 询 _ ees i NSE 图 9-15 4$HES)H) 5.8 SrRNA 二 级 结构 的 一 般 模 型 0-8 并 椎 动物 5.8SrRNA 二 级 结构 一 般 模型 中 结构 参数 mmm BB 碱 基 对 数 12 一 13 9.1.2.3. 大 肠 杆菌 RNA 聚合 酶 识别 的 启动 子 的 结构 特征 原核 基因 在 细胞 中 的 表达 能 在 RNA 转录 水 平 上 被 控制 ,这 是 由 于 RNA 合 成 过 程 中 位 于 DNA 序列 中 若干 调节 信号 作用 的 结果 。 位 于 DNA 转录 起 始 区 域 的 启动 子 就 是 通过 与 RNA 聚合 酶 的 相互 作用 来 实现 转录 水 平 上 的 调节 。 已 有 的 实验 结果 表明 位 于 这 些 RE 域 的 片段 DNA 序列 的 特征 在 很 大 程度 上 决定 了 DNA 被 转录 的 效率 。 现 有 的 研 究 在 一 定 程 度 上 也 表明 启动 子 在 它们 的 一 级 结构 上 都 应 具有 一 定 的 共性 , 即 在 mRNA 合成 的 起 始 位 点 前 一 35 处 的 T- TGACA 和 一 10 处 的 Pribnow Box 的 序列 保守 性 ,以 满足 启动 子 与 大 肠 杆 菌 RNA 聚合 酶 相互 时 作用 的 需要 。 同 时 它们 之 问 在 结构 上 也 必然 存在 着 一 定 的 差异 ,而 正 是 这 些 差异 可 能 反映 了 不 同 的 启动 子 各 自在 功能 上 的 差异 。 但 是 它们 的 高 级 结构 究竟 具有 什么 特征 呢 ? 这 些 结构 特征 与 ， 功能 上 的 差异 究竟 如 何 发 生 并 联 ,还 是 研究 得 很 不 充分 的 。 乐 树 云 和 江 考 平 根 据 能 被 大 肠 杆 菌 RNA RAMA MAA EARS 54 个 启动 子 ![” 为 研究 对 象 ,分 析 了 它们 可 能 潜在 的 高 级 结构 模 型 ,它们 的 一 35, 一 10 区 域 的 特征 序列 在 这 些 高 级 结构 模型 中 的 结构 特征 , 并 试图 从 这 些 结构 特 。413。 yt} | bt) | 征 与 它们 功能 上 的 差异 发 生 关 联 。 研究 的 对 象 是 可 被 大 肠 杆菌 RNA 聚合 酶 识别 的 54 个 启动 子 。 它 们 有 二 全 保守 区 域 , 即位 于 mRNA 合成 起 始 位 点 前 一 10 区 域 的 TATAAT 和 位 于 一 35 区域 的 TITGACA。 1. 启动 子 的 折 重 结构 模型 借助 于 计算 机 对 启动 子 序列 的 处 理 51 ,可 以 得 到 它们 的 最 稳定 折 释 结 构 模 型 。 著 以 双 链 考 虑 ,它们 的 结构 可 呈 镜 象 对 称 的 折 和 县 构 型 ,它们 的 部 分 结构 如 图 9-16 所 示 。 由 图 9-16 可 知 ， 这 些 启 动 子 的 最 稳定 折 释 结构 模型 都 呈现 了 基 环 结构 的 特征 。 可 以 认为 启动 子 所 呈现 的 基 环 结构 的 构 型 是 它 的 高 级 结构 的 共性 。 2. 保守 序列 在 基 环 结构 中 的 结构 特征 根据 上 述 预 测 的 折叠 构 型 和 启动 子 的 共同 特性 ,分 析 了 启动 子 中 二 个 保守 区 域 在 其 折叠 结 和 构 中 的 结构 特征 ,可 以 看 到 在 这 54 个 启动 子 中 除了 galPI 和 tet 外 , 它们 的 一 10 区 域 即 SAB 杆菌 RNA 聚合 酶 紧密 结合 区 域 恰 巧 都 位 于 它们 各 自 的 折 登 结构 中 的 单 链 区 域 , 或 是 单 链 与 螺 旋 基 的 结合 区 域 。 同 样 除 了 MAcin,4Raw，bioB,rpoB 和 rrnEI 等 启动 子 外 它们 的 -- 35 区 域 即 大 肠 杆 菌 RNA 聚合 酶 能 识别 的 信号 域 也 均 处 于 单 链 环 区 域 或 环 基 的 接合 区 域 。 启动 子 在 高 级 结 构 上 显示 的 这 种 结构 特征 是 有 利于 大 肠 杆 菌 RNA 聚合 酶 对 转录 起 始 区域 的 识别 和 它 与 启动 子 的 相互 作用 的 。 我 们 知道 原核 生物 RNA 转录 的 起 始 过 程 机 制 是 RNA RAM 首先 与 启动 子 中 一 35 区 域 的 识别 信号 相互 作用 ,再 与 启动 子 中 一 10 区 域 的 Pribnow Box 中 的 结 合 位 点 相 结合 后 移 到 转录 站 始 位 点 引发 RNA 的 合成 。 因 此 启动 子 必须 具有 一 定 的 空间 构 型 适合 它 与 RNA 聚合 酶 的 识别 和 相互 作用 。 我 们 提出 的 启动 子 潜在 的 最 稳定 折 释 结构 所 表现 的 基 环 结构 的 共同 结构 构 型 特征 ,以 及 启动 子 的 一 35、 一 10 区 域 中 特征 序列 在 基 环 结构 中 所 呈现 的 共同 结构 特征 ， 这 在 空间 结构 上 有 利于 原核 细胞 RNA 的 这 一 转录 机 制 的 实现 。 同 时 我 们 也 注意 到 已 知 的 具有 高 启动 效率 的 启动 子 如 4P,,LacUV5,trpE.C. 等 它们 的 一 10 和 一 35 区 域 中 保守 残 基 几 乎 都 位 、 于 其 基 环 结构 中 的 单 链 环 上 (参见 图 9-16)。 由 热力 学 理论 可 知 这 种 结构 特 征 所 产 生 的 空间 约 Reh AMF ENS RNA 聚合 酶 的 识别 结合 的 .对 一 些 启动 子 起 始 反应 的 动 力学 分 析 已 指出 ， 转录 的 起 始 速率 与 起 始 复合 物 生成 的 速率 相 比 通常 是 相当 快 的 。 因 此 ,启动 子 的 效 率 取决 于 它 的 起 始 复合 物 生 成 速率 。 由 于 启动 子 中 一 35 和 一 10 区 域 在 空间 结构 上 的 结 构 特 征 所 产生 的 空 “ 间 的 约束 对 于 转录 起 始 复合 物 的 生成 是 重要 的 ,因此 可 以 认为 启动 子 中 这 二 个 保守 区 域 在 基 环 结构 中 的 结构 特征 是 与 启动 子 的 启动 效率 是 密切 相关 的 。 3. 突变 现 有 的 研究 表明 ,启动 子 中 ,尤其 是 在 它 的 一 10, 一 35 二 个 保守 区 域 中 车 发 生 碱 基 突 变 将 会 影响 启动 子 的 效率 。 有 的 突变 增强 启动 子 的 启动 效率 (简称 正 效 应 ), 有 的 ARES 动 子 的 启动 效率 (简称 负 效 应 )。 为 了 探求 其 规律 ,我 们 根据 启动 子 中 碱 基 突 变 对 启动 子 效 应 发 生 影响 的 实 验 事实 ,综合 和 分 析 了 启动 子 中 一 10 和 一 35 区 域 中 保守 残 基 在 其 基 环 结构 中 的 结构 特征 及 在 碱 基 突 变 发 生前 后 的 结构 变化 ( 表 9-9、 图 9-16), 可 以 指出 当 发 生 正 效应 突变 时 (如 AP, 中 第 一 32 位 的 残 基 工 被 C 取代 ,LacI 中 第 一 36 位 的 残 基 工 被 C 取代 )， 特 征 序列 中 部 分 残 基 的 突变 引起 了 该 区 域 的 结构 特征 变化 , 即 在 启动 子 序列 折 用 的 稳定 的 基 环 结构 中 ,该 保守 区 域 特征 序列 所 折 。41I4。 eS te Pr ane Sattinr ne Sate tet acinepecanenie SPOR ， > > > 4 \ fe) > 4 @ 9 A GA TT i GT ZYOAT Ag pdt, sttte eel, = OG cg. TA 2 CG AT 天 -0-¢'6G ZA GC csc C T。AGO T TG ¢ G Gc Ag cT CoB): ge Guke eac° ‘ei 4 TICG Cra, “ae GC ATA By THCeNGTTA Gee a: | & ¢ A} Sag 于 ”5-TCG…:CTTGA T-3’ S/-TCT=CTTTACR FTC G3! 5-AAT…EACAGT.GT 全 3 str (-13 .7) tyr tRNA (-25,5) gal PI(-11 .5) -306 (ERY | CG T 5 Gar ; hig oe eat | ee: ie sk TAT aS) A AATACCCT ATC 6 C © © A T Cc TITGTGGGG cGA C 5 es oR oO- ac CG TA @“\A T 2 A AT TTAT @ tA Té G BA ££ \ ast ra 5'-TAT ACGCAC-3'G & C 无 变化 无 变化 下 降 | -12 | 无 变化 无 变化 下 降 Ie AST 无 变化 无 变化 Re 人 等 结构 的 稳定 性 加 强 无 变化 ee ea Beene Ga | =22 | 24 Hy Re Mena 无 变化 下降， Acin CSF Ze yh Face 1 无 变化 下 降 | A>T 无 变化 无 变化 下 降 二 无 变化 ( 环 中 残 基数 增 1 ) 茎 结构 的 稳定 性 减弱 上升、 {Sa ee 无 变化 无 变化 十 下降 “ piop98 | CSA 无 变化 无 变化 下 降 5 Sa ees 无 变化 无 变化 下 降 “tyr tRNA| CST 蔡 结 构 稳 定性 加 强 ( 环 中 残 基数 减少 1 ) 无 变化 | 下 降 “tyr RNA| CoT | —13 无 变化 无 变化 下 降 tyr tRNA | CT | — 8 | 蔡 结 构 稳定 性 加 强 ( 环 中 残 基数 减少 2 ) 无 变化 FR aes pal ag 无 变化 无 变化 下 降 A 一 G， 表 示 碱 基 A 取 代 原 碱 基 G 。 簿 的 基 环 结构 的 稳定 性 减弱 ,而 增加 了 单 链 环 区 中 保守 的 残 基 。 就 4Pss 而 言 同 时 也 引起 了 一 10 区 域 在 启动 子 的 基 环 结构 中 所 表现 的 结构 特征 变化 。 而 特征 序列 这 一 结构 特征 的 变化 是 有 利于 RNA 聚合 酶 对 启动 子 的 识别 和 相互 作用 的 。 当 发 生 负 效 应 突变 时 其 一 10 和 一 35 区 域 中 特征 序 列 的 结构 特征 多 数 没 有 发 生变 化 (参见 表 9-9、 图 9-16) ,部 分 的 其 保守 区 域 中 特征 序列 折 登 的 螺 旋 基 环 结构 的 稳定 性 增强 而 不 利于 启动 子 与 RNA 聚合 酶 的 相互 作用 。 其 中 仅 有 一 例 是 例外 ;如 ， 启动 子 4cin 在 一 12 处 的 突变 引起 螺旋 基 环 结构 的 稳定 性 减弱 而 该 突变 却 起 着 负 效 应 虽然 启动 子 中 发 生 的 突变 对 于 它 的 效率 影响 的 机 制 是 复杂 的 ,但 是 由 于 保守 残 基 的 突变 引起 保 守 区 域 在 ” 基 环 结构 中 结构 特征 变化 ,很 可 能 就 是 诸 种 因素 中 的 一 个 因素 。 我 们 认为 ,突变 引起 的 启动 子 中 特征 序列 的 结构 特征 中 基 环 结构 的 稳定 性 减弱 是 有 利于 RNA 聚 合 梅 和 启动 子 间 的 相互 作用 的 。 总 之 启动 子 的 一 10 与 一 35 区 域 中 的 特征 序列 在 启动 子 的 基 环 结构 中 所 表现 的 结构 特征 是 与 启动 子 的 效率 有 关 的 。 这 二 个 保守 区 域 中 保守 残 基 是 否 处 于 单 链 环 区 或 者 是 否 处 于 不 稳定 的 基 环 结构 的 结合 区 域 ,这 可 能 和 RNA 聚合 酶 与 启动 子 的 识别 和 结合 的 效应 是 密切 相关 的 。 可 以 展望 借助 重组 DNA 技术 ,人 工 合成 基因 片段 和 计算 机 技术 以 改造 启动 子 的 特征 序列 在 其 高 级 结构 上 的 结构 特征 而 实现 高 效 地 转录 也 是 可 能 的 。 同 样 可 改造 翻译 起 始 的 控制 区 域 DNA 序列 ， ”416。 ys. il 。 而 使 该 区 域 能 折合 成 最 理想 的 构象 状态 而 提高 翻译 的 频率 达到 高 效 的 表达 。 9.2 蛋白 质 和 核酸 的 构象 和 相互 作用 我 们 知道 ,一 个 多 肽 是 以 一 NH 一 CHR 一 CO 一 形式 的 氨基 酸 残 基 连 结 在 一 起 形成 。 而 把 Cs -一 CO 一 NH 一 C* 称 之 为 肽 单元 , 它 形 成 一 个 平面 基 团 , 它 的 键 长 和 键 角 表示 于 图 9-17 中 ， Ce tr H 0, 153m e114" ie 123% 9-100nm (3 121。 N 114。 123° 9-17 KM SCHREK KATCAMRA RRB, SII MS 肽 链 中 总 是 反 式 ， 而 在 环 肽 中 可 能 出 现 顺 式 。 。 两 肽 单元 以 C* 原子 相连 的 两 个 键 ，N 一 C" 和 «CC! 是 单 键 的 特性 ， 所 以 可 以 绕 这 两 个 键 自由 转动 ,这 转动 角 各 表 为 Ad, 称 之 为 二 面 角 ( 图 9-18) ,它们 不 同 的 值 代表 着 不 同 的 构 象 .由 于 不 同 原 子 之 间 人 允许 接触 距离 的 限制 ,所 以 少 和 少 仅 能 取 一 些 值 , 因而 仅 一 些 构象 是 存 在 的 。 Ramachandran 把 一 个 多 肽 允许 构象 的 用 和 乡 值 表示 在 以 4% 和 为 坐标 的 图 上 ， 称 之 ， 构象 图 (图 9-19)。 图 中 实 线 区 域 表 示 正 常 区 域 ,虚线 区 域 表 示 最 大 允许 区 域 ，(cw) 和 (ca,) 各 为 左 手 和 右手 < 螺旋。( 人 ) 和 (人 ) 各 为 平 行 a ; ARFHHAE, IDRASHAR,C 为 胶原 图 9-19 在 多 肽 链 中 工 -再 氨 酰 残 基 的 构象 图 A. : 7 9.2.1 HH BE ey Brl46-50] 研究 多 肽 构象 起 初 是 用 硬 球 排斥 势 , 以 Van der Waals 2 fhih fF BAY Bl, BY BE 地 估计 构象 空间 允许 的 区 域 , 如 图 9-19 所 示 。 后 来 应 用 经 验 势 能 函数 来 计算 多 肽 的 构象 ， 虽 然 这 国 数 还 是 粗糙 的 ,而 量子 化 学 方法 如 半 经 验 的 方法 ,特别 是 ab initio 能 得 到 较 精 确 的 结果 ,但 de pte aS ° 417 « 对 于 处 理 生物 大 分 子 构象 还 是 困难 的 , 故 一 般 仍 用 经 验 的 势能 方法 。 近 年 来 ,后 者 受到 了 人 们 的 重视 ， 被 成 功 地 应 用 到 蛋白 和 核酸 的 研究 上 来 。 了 一 个 构象 了 的 总 能 量 是 各 种 相互 作用 能 的 和 ， er Y= V it V,+VutVietVitV.+V, (9.5) ix AV, dt Van der Waals 吸引 项 (London 项 ) , ,是 排斥 项 ,7『。. 是 静电 项 ,Fw BABE 成 能 量 VV 是 与 键 长 变形 有 关 的 应 变 能 量 ,『, 是 键 角 变 形 相 应 的 能 量 ,F, 是 二 面 角 变形 的 能 量 。 非 键 相互 作用 (吸引 与 排斥 ) 可 取 Buckingham 6-exp #, V.+V,=— + Bexp(—ur) (9.6) | 上 4 取 4.6,4 和 瑟 为 常数 ,相对 于 不 同 的 原子 对 有 不 同 的 数值 。 非 键 的 相互 作用 也 可 取 Lennard-Jones 的 6-12 #, Vi.t+V,=—A’/r°+ B’/r?. (9.7) 4 和 了 值 表示 于 表 9-10 PAE R AIATAY Van der Waals 半径 和 。 % 9-10 A’ FIB' HAE 相互 作用 对 | R(nm) A' B'x10-4 [My ab, Si came ie oak P C…C 0.340 370 28.6 G.N 0.325 366 21.6 CO 0.322 367 20.5 C…H 0.290 aa | 3.8 N--N 0.310 363 16.1 N…O 0.307 365 15.3 N…H 0.275 125 2.7 0…O 0.304 367 ‘ 14.5 O--H 0.272 124 2.5 H:-H 0.240 : 46.7 0.45 静电 能 : 区 .三 -2 (9.8) | ET 55 qq, BRE iG 上 电荷 ,r,, 是 它们 之 间距 离 ,e 是 介 电 常 数 , 一 般 取 9.5 —4, EMR 原子 的 电荷 列 于 表 9-11 中 。 2 pt fe : 机 (9.9) | 这 里 44...x 和 Bu..-x 是 比 系数 。 1 扭转 能 量 Ve—(—t)(a + e0sn8) (9.10) Vy 是 最 高 位 又 ° 418° 表 9%-11 肽 单元 上 原子 电荷 原子 | Schellman 结果 Scheraga# Brant& | 建议 的 值 GC 0.425 0.449 0.394 0.4 Oo 一 0.381 一 0.416 一 0.394 一 0.6 N 一 0.300 —0.305 一 0.281 一 0.3 0.260 0.272 0.281 应 用 势能 函数 计算 两 氨 酰 ( 基 ) 两 肽 的 构象 图 表示 于 图 9-20, 不 同 的 研究 者 所 用 势能 函数 和 参数 不 完全 相同 。 除 了 应 用 经 验 的 势能 函数 来 计算 肽 的 构象 外 , 还 有 人 应 用 半 经 验 的 和 了 PCILO 方法 来 研究 氨基 酸 残 基 的 构象 ，Pullman 夫妇 5 应 用 PCILO 方法 对 氨基 酸 残 基 的 构象 做 了 详 尽 的 研究 。 而 Hillier 和 Robson55 还 应 用 从 头 计算 法 计算 了 丙 氛 酰 二 肽 的 构象 ( 见 图 9-21)， 比较 9-19,9-20 和 9-21, 它 们 总 的 是 一 致 的 , 而 从 头 计算 结果 进一步 支持 了 经 验 势 能 法 的 结果 ， 上 述 势 能 函数 方法 和 分 子 轨道 方法 同样 可 应 用 于 核酸 构象 的 计算 !5-50。 9.2.2 “分子 间 相 互 作 用 558 62] 在 3.2 中 我 们 已 经 比较 详尽 地 讨论 过 分 子 间 相互 作用 。 在 这 里 , 仅 介绍 应 用 势能 函数 方法 研 究 分 子 间 相 互 作用 的 问题 因为 实践 表明 ,应 用 势能 函数 法 既 可 得 到 与 分 子 轨道 法 (如 ab initio 计算 ) 相 符合 的 结果 ,又 可 克服 处 理 稍 大 一 些 的 分 子 所 带 来 的 困难 。 Se I " 23-28 ~~ eae 图 9-20 ”两 氨 酰 残 基 构 象 图 图 9-21 两 氨 酰 残 基 构 象 图 (ab initio 法 ) ° 419° 二 分 子 相互 作用 时 总 的 势能 函数 媚 可 表示 为 ， R= roles —~ (ae? + a,e?)/R4, + k,k,[(—A/Z$,) iE4 SEB + (1—e,/N,"")(1—e,/N,;*")(expC — 8Z,;)] } (9.11) 式 中 ee; 分 别 为 分 子 4 中 第 ; 原子 和 分 子 刀 中 第 7 原子 的 静电 荷 ,ai，a; Di REMI 子 的 极 化 率 , 忆 ,为 1 RTS) RECA. 25=—R,,/Ri,, =~ RR, RY AMR,” 分 别 为 第 ;原子 和 第 J) 原子 的 Van der Waals 半径 。R,,R; 是 依赖 于 原子 类 别 的 参数 。Xi" ”和 NY" BE i 和 了 原子 的 价 电子 数 . 4 取 0.214 kcal/mol, C 取 4.7x 10‘kcal/mol, #=12.35, 如 考虑 氢 键 对 总 能 量 的 贡献 时 ,需要 调整 4 下 和 有 参数 655,51。 匡 伟 雁 和 江 才 平 应 用 上 述 公 式 编制 了 ALGOL-60 语言 程序 ,改进 了 求 函 数 极 小 值 的 BFGS 变 尺度 法 ,用 于 求 能 量 极 小 值 的 构象 。 应 用 这 个 计算 机 程序 计算 了 甲 酰 氨 - 水 的 相互 作 胜 1, 碱 基 的 水 合作 用 一” , 碱 基 与 金属 离子 的 相互 作用 5 ,密码 子 与 反 密码 子 的 识别 作用 等 。 此 外 还 可 用 Monte-Carlo 法 来 模拟 生物 分 子 的 水 合作 用 6-sa1 。 9.2.2.1 甲 酰 氨 - 水 的 相互 作用 为 了 便于 与 已 有 的 ab initio 方法 的 结果 比较 ， 用 改进 势能 法 计算 一 个 水 分 子 与 一 个 四 酰 氮 分 子 相 互 作 用 (图 9-22)， 表 9-12 和 9-13 分 别 列 出 结构 工 及 工 一 部 分 计算 结果 5 ， 并 与 其 ab 表 9%-12 结 WH I | GRELED “Caray 本 工作 "eT (ire) 本 工作 88.4 lal Ze 117 90 117.4 0.8 180 180 R,(A) , ¢ i : : 2.95 E (kcal/mol) : . ; ; 1 一 6.09 表 9%-13 结 构 Il | Cami) cers) | FE} “Gore 1. cere) | 本 工作 ey 6, 96.9 / 108 同 左 107.4 fe ae 12 lal 2c 11.4 ie | 0 0 同 左 0 No 180 180 同 左 180 R,(A) 2.79 Me 2.815 fal Ze 2.95 E (kcal/mol) gph se Pee t-9.2 * 420° a oe initio 结果 作 比 较 (除去 Vo Velle 的 结果 也 用 势能 法 外 )e-e1。 WHE 9-12 和 9-13 可 以 看 出 ， 势 能 函数 和 量子 力学 方法 所 得 结果 从 极 值 位 置 到 总 能 量 都 符 合 得 较 好 , 特别 是 最 新 的 Hylton 计算 结果 更 为 接近 ， 比 Vo Velle 的 结果 (用 势能 函数 法 ) 符 合 的 更 好 些 。 此 外 ,还 对 四 个 水 分 子 与 一 个 甲 酰 氨 组 成 的 “ 超 分 子 ? 进 行 了 计算 555。 -5.8 uae -68 一 7.6 ER 4 I gj Le Be / { %¢ bate 和 d\/ Gs 6 WV / * Dee a" 89) he —5.46 Rae A NG Tn 0 | Bet > O -8.22 Sg H H +92 it ce nil > eee SS f 777.8 a 4 9-22 d% O—O 间 的 距离 ,9 为 C 一 0 与 0 一 0 的 夹 角 。 把 g,9, 取 为 变量 ， 则 总 能 量 忌 = 避 (dg,0,2)， RGR d,, 9, &, {FU ,=U (d,, 05,6.) Mi. 图 9-23 ab initio SCF 法 计算 的 胞 喀 啶 水 合作 计 图 中 粗 线 位 置 表示 最 佳 的 水 合作 用 位 置 ， 虚线 表示 垂直 于 胞 喀 啶 平面 且 在 平面 之 下 , 实 线 表示 与 胞 喀 喧 共 面 。 能 量 单位 :kcal/mol 9.2.2.2 ”核酸 碱 基 分 子 的 水 合作 用 对 于 核酸 分 子 中 碱 基 和 水 的 相互 作用 , Pullman 等 人 [ss 用 ab initio 方法 做 了 很 多 工作 ， 得 到 不 少 有 益 的 结果 。 为 便于 与 ab initio 结果 比较 ,这 里 再 强调 一 下 利用 改进 的 分 子 间 相 互 作 用 势 函 数 对 胞 喀 啶 和 腺 味 叭 等 与 水 的 相互 作用 所 作 的 计算 5561( 参 见 4.7) 。 1. 胞 喀 啶 的 水 合作 用 | , 在 相互 作用 时 ， 胞 喀 啶 和 水 分 子 都 可 以 在 三 维 空间 内 任意 运动 。 计 算得 到 的 最 优 水 合 位 置 和 对 应 能 量 如 图 4-35 所 示 。 为 了 与 之 比较 ,图 9-23 给 出 了 Pullman 等 ss) 人 用 ab initio 法 计算 所 得 到 的 结果 。 由 图 4-35 和 图 9-23 可 以 看 出 ,改进 势能 法 和 精确 的 ab initio 法 的 结果 是 接近 的 。 胞 喀 喧 水 合作 用 的 最 优 位 置 说 明 , 胞 喀 啶 的 最 优 水 合 位 置 分 布 在 二 个 不 同 的 区 域 , 即 胞 喀 喧 的 N 3 原子 和 N 1 原子 的 邻近 区 域 ,而 在 其 它 区域 ， 它 的 水 合作 用 能 没有 与 之 可 以 比较 的 极 小 值 。 由 图 4-35 可 知 , 当 水 分 子 与 胞 喀 喧 分子 共 面 且 水 分 子 中 一 个 了 原子 和 胞 连 啶 的 N 3 原子 形 成 气 键 时 ,其 相互 作用 能 有 极 小 值 (一 11.30 kcal/mol, —11.67 kcal/mol) ,其 中 极 值 位 置 工 也 是 其 相互 作用 能 最 小 值 位 置 ,该 III 位 置 就 是 胞 喀 啶 的 第 一 第 二 最 优 水 合作 用 位 置 。 胞 喀 啶 的 另 一 个 水 合作 用 的 最 优 位 置 是 在 它 的 C2= O 基 团 和 NI H 基 团 之 间 , 在 该 位 置 时 水 分 子 也 与 胞 喀 a ee Le ， Ge 24 rae Pag ©: ~ 421° 院 分 子 共 面 。 这 时 相互 作用 能 的 贡献 主要 来 自 于 胞 喀 啶 的 N 1 日 基 团 和 C2=O 基 团 中 0 原子 与 水 的 相互 作用 。 总 之 图 9-23 简单 地 反映 了 胞 喀 啶 水 合作 用 的 图 象 。 2。. 逐 味 叭 的 水 合作 用 计算 方法 同上 ,结果 见 图 4-35 和 图 9-24。 它 表明 腺 味 叭 的 水 合作 用 有 三 个 较 强 的 区 域 ， (1) 当 水 分 子 处 于 图 4-35 中 极 值 位 置 1 时 其 相互 作用 能 有 最 小 值 ( 一 13.67 kcal/mol), 位 署 I 即 为 腺 味 叭 的 第 一 最 优 水 合作 用 位 置 。 此 时 水 分 子 不 与 腺 味 叭 分 子 共 面 ， 它 与 腺 味 怜 的 N 6 H、N 7 原子 形成 桥 式 连接 ， 其 中 水 分 子 中 的 O 和 一 个 也 原子 分 别 与 腺 味 叭 的 N 6 HAN 7 原子 形成 氨 键 。 (2) 水 合作 用 的 第 二 个 最 优 位 置 是 在 区 域 N3 一 C4 一 N9H 附近 ， 此 时 水 分 子 也 不 与 腺 喷 叭 共 面 ， 它 与 腺 嗓 叭 的 N 3,N 9 H 形成 桥 式 连接 ， 此 时 相互 作用 能 的 主要 贡献 来 自 N9H 和 N3 原子 与 水 的 相互 作用 ,其 相互 作用 能 为 一 11.30 kcal/mol, (3) 当 水 分 子 处 于 图 4-35 中 极 值 位 置 III 时 其 相互 作用 能 有 极 小 值 〈( 一 8.02 kcal/mol), 此 时 水 分 子 与 腺 叶 叭 分 子 共 面 且 水 分 子 的 一 个 卫 原 子 与 N 1 原子 形成 氨 链 。 由 图 4-35 和 图 9-24 的 比较 可 知 由 改进 势能 法 计算 的 结果 是 接近 于 A. Pullman 等 人 的 ab ‘ initio SCF 法 计算 结果 的 。 0 人 Oe faster. 4 y = C -4.8 ale a NY | 8C—H eae cee / — 10.8 4 图 9-24 ab initio SCF 法 计算 腺 味 叭 的 水 合作 用 粗 线 位 置 表示 其 最 佳 水 合作 用 位 置 ， 实 线 :， 表示 水 PFSRBY IH. HA: 表示 水 分 子 垂 直 于 腺 嘎 叭 平面 且 在 平面 之 下 。 能 量 单 位 : kcal/mol 由 上 述 的 胞 喀 喧 、 腺 味 叭 的 水 合作 用 计算 结果 也 反映 了 它们 的 水 合作 用 最 优 位 置 和 水 合 作用 能 的 分 布 是 与 碱 基 分 子 中 各 原子 的 净 电 荷 分 布 紧密 相连 的 。 在 胞 咏 喧 中 因 N 3 原子 的 净 电荷 最 负 ( 一 0.663) 而 胞 蛇 喧 水 合作 用 的 第 一 最 佳 位 置 就 是 在 N 3 附近 的 最 小 值 位 置 I。 在 腺 嗓 叭 中 带 负 电荷 的 各 原子 的 净 电 荷 按 其 绝对 值 大 小 排列 的 顺序 是 ，N7 (—0.557), N1 (—0.518), N3(—0.510), N 6(—0.439), N9(—0.192), MFA A HE 2: FB AR RM 7k 合作 用 的 最 佳 位 置 的 排列 顺序 是 与 之 对 应 的 ， 即 N7 一 N6 ，N3 一 N9H，N1I 区 域 。 由 此 可 见 由 改进 势能 法 计算 的 碱 基 的 水 合作 用 能 是 “ 与 它们 的 原子 净 电 荷 分 布 紧密 相连 的 。 此 外 还 利用 此 势能 法 计算 了 B-DNA 分 子 中 互补 碱 基 对 G-C, A-T KATES, BRT 9.2.2.3 阿 霍 素 与 核酸 的 相互 作用 用 势能 法 可 以 用 来 研究 生物 分 子 水 合作 用 ， 应 用 蒙特 卡 罗 模 拟 也 是 一 个 很 好 的 方法 上 ?1。 李 光 等 应 用 分 子 之 间 相 互 作用 势能 法 和 自 编 的 微机 程序 研究 了 抗 癌 药 物 阿 霉 素 和 核酸 的 嵌 揪 作 用 。 他 们 的 计算 结果 和 他 人 的 理论 计算 和 实验 结果 列 于 表 9-14 中 。 他 们 取 ADM 三 个 自由 度 变化 : 即 Az，Ay 和 Ag， 它们 都 是 相对 初始 位 点 而 言 的 变化 量 ， Ag 4 ADM 绕 通 过 自身 四 环 上 开 点 的 z 向 轴 的 转动 量 。 © 422。 计算 结果 ， 在 小 沟 戏 入 方式 中 找到 > I LC 人 ere Fe = 9 表 9-14 ADM 构 象 计算 结果 与 他 人 工作 比较 研 究 者 研究 方法 化 合 物 名 称 内 AE (kcal/mol) Daunomycin(DNM) 292° 125° Neidle Carminomycin 290° 117° Von Dreele X HERAT N-Bromoacety! DNM 281° 102° Anguili DNM-DNA(66p) 282° 91° Quigley DNM 290° 93° 0 Neidle DNM 292° 96° 0 Brown DNM (a) 288° 79° 18 Nakata 理论 计算 (b) 258° 259° 0 ADM (a) 288° 74” 1.5 Nakata (b) 258° 257” 0 ADM 288° 103° 0 温 元 凯 等 了 一 个 稳定 点 (8)， 在 大 沟 嵌 入 方式 中 找到 了 两 个 稳定 点 (F) 和 ( 尸 )，( 图 9-25) 。 能 量 最 稳定 点 ACP). 9.2.3” 核 苷 酸 和 蛋白 质 空间 构象 和 电子 结构 的 计算 9.2.3.1 经 验 势 能 法 许多 实验 事实 证 明 ， 和 蛋白 质 空间 结构 信息 是 包含 在 它 的 氨基 酸 顺 序 中 的 。 可 以 认为 ， 在 一 定 环 境 中 天 然 蛋 白质 分 子 是 处 于 全 系统 自由 能 最 小 的 状态 ， 因 而 使 我 们 有 可 能 从 它 的 一 级 结构 来 预测 它 的 高 级 结构 。 虽 然 这 样 的 预测 还 存在 不 少 困 难 ， 但 已 经 得 到 一 些 有 益 的 结果 ， 它 有 助 于 了 解 蛋白 质 的 折 倒 ， 能 合理 估计 不 同 结构 的 稳定 性 ， 不 仅 有 理论 意义 而 且 有 实际 意义 ”7 。 在 现 有 的 各 种 预测 三 级 结构 的 方法 中 。 我 们 仅 讨 论 势 能 方法 。 对 于 不 大 的 蛋白 质 分 子 ， 其 可 能 的 构象 也 达到 惊人 的 数字 ， 如 一 个 150 个 残 基 的 多 肽 链 ， 可 能 的 构象 有 10“ 种 5 on Rit 算 的 话 ， 则 需 很 多 计算 时 间 ， 为 了 减少 庞大 的 计算 量 ， 需 要 对 多 肽 链 作 些 简化 ，LervittC ”提出 了 一 种 简化 (如 图 9-26 所 示 )。 这 个 简化 模型 是 把 一 个 多 肽 链 主 链 以 一 个 虚 键 来 代表 ， 每 一 个 C“ 之 间距 离 是 固定 的 ， 围 绕 每 一 个 虚 键 以 一 个 c 角 取 代 原 来 的 两 个 4 Ab ff. Levitt 等 基于 这 个 简化 方法 较 好 地 模拟 了 牛 胰 蛋白 酶 抑制 剂 (BPTI) ， 除 此 之 外 ， 还 有 其 它 一 些 方 法 .Scheraga 和 他 的 同事 于 1975 年 编写 了 多 肽 的 经 验 构象 能 程序 (ECEPP)，1982 年 又 发 表 了 进一步 改进 的 EC- EPP/2 程序 "…”。Levitt 等 编 成 类 似 的 程序 "“1。1985 年 Fraga 编写 预测 蛋白 质 三 级 结构 的 程 ee 1. 多 肽 三 级 结构 预测 程序 7” 通过 计算 分 子 的 势能 来 寻找 具有 最 低 势 能 的 分 子 的 三 级 结构 包括 两 个 方面 的 问题 () 选取 适当 的 能 量 计算 公式 ， 它 能 表示 为 分 子 中 各 结构 参 变量 的 函数 ， 且 函数 形式 要 简 单 ， 便 于 计算 。 《2) 选取 适当 的 最 小 化 方法 ， 使 得 函数 能 在 尽 可 能 少 的 时 间 内 收 丝 至 最 小 值 。 这 样 ， 寻 找 具 有 最 小 势能 的 分 子 结构 归纳 为 数学 问题 便 是 : 在 蛋 自 质 的 结构 空间 中 寻找 一 ° 423 « = Pr me 一 一 二 一 一 DR NA = eK pe AY Whig — : : AN ye gat ie We | 和 RSRSS Uy 2 NSS WS SY = GS s ; (6;-4) [y] (90 ; -90) A Es<0kcal/mol [0] [ 10kcal/mol] B E<-60 kcal/mol [0] {Ax=0; Ay=x; Ad=y} 图 9-25 ADM-d(C-GC), Ki4hA HPA AeA HE Hh i 组 适当 的 结构 参数 ， 使 得 势能 函数 具有 最 小 值 。 这 里 采用 了 Scherga 的 经 验 势 能 函数 L=Les+ Expt Exor+ Lroor+ Leysreys 其 中 € G 静电 能 ， Exs= 9) 332.04; xq;/DX 1%; (9.12) is 169; TWAS tS. GA CA), 9, 是 它们 的 核 间距 (A)， =2 为 介 电 常数 。 @ 非 键 相 互 作 用 能 (包括 氨 键 相互 作用 能 )， Eyy= D)(F A**/r132—O*/18 ,), ts (9 .13) * 424+ 二 硫 键 的 形成 , 则 ri, te, 7s 的 意义 分 别 为 SiS,、 a OR Bk s, C?PS;, SiC? 的 距离 ，rio、7zo、7ao 分 别 为 标准 二 ices ems 硫 键 中 相应 的 上 距离， 五 为 任意 选择 的 常数 。 \ Bias / © 一 硫 键 扭转 能 ， 0 9-26， 多 肽 链 的 简化 表示 其 中 系数 FAM, CM 对 于 特定 类 型 (K 和 厂 ) 的 二 原子 相互 作用 为 一 常数 。 r, 的 意义 同 a) 。 @ 扭转 能 ， Exor= >, (Uo/2) X (1 +e08n6x), (9.14) 2_ 对 所 有 的 肽 键 二 面 角 @， 侧 链 二 面 角 %, RAMEM CHA BANE) RM. wo. nt F 特定 的 6, 为 一 常数 ， 本 文中 取 w 一 180*。 @ 一 硫 键 成 键 能 量 ， 五 Loop 王 村 BL(%1—1 10)? + (v2=T 20)? 十 (75 一 9380)2]， (9.15) k DAF BEAT AREA TRAM, (BLUE ith 残 其 与 jth 残 基 形成 一 胱 氨 酸 。 用 图 9-27 表示 E cystr= > ,4(71 一 740)2， (9.16) 9-37 Lota Aa eT RBA ERAN, 7. HC.PC,? 间 的 距离 。7, 为 标准 二 硫 键 中 相应 的 距离 。 。 425° 为 了 有 效 地 寻找 到 具有 最 低 势 能 的 分 子 的 三 级 结构 ,还 须 选 择 一 套 有 效 的 能 量 最 小 化 方法 。 在 此 ， 我 们 选择 了 变 尺 度 法 和 变量 轮换 法 。 变 尺度 法 是 近年 来 被 证 明 收 敛 快 、 sii ni 方法 ， 也 是 人 们 常用 的 方法 。 变 尺 度 法 需要 计算 能 量 梯度 ， 按 照 下 式 ， Or;; ° Lz] 9》 ~ 一 se M, ae! s>i Or;; O8 m wats as 其 中 2 为 变量 个 数 ，X 为 原子 个 数 的 总 和 。 可 知 ， 计 算 梯度 所 需 的 时 间 为 OCX2M/2)。 当 变 量 个 数 增加 时 ，O(N2:Ik/2) 远 远大 于 计算 能 量 所 需 时 间 O(W2/2)。 此 外 ， 由 于 变 尺度 法 收 全 与 起 始点 很 有 关系 ， 往 往 只 能 求 出 局 限于 起 始 区 域 的 极 小 值 ， 故 我 们 还 采用 了 变量 轮换 法 ， 它 只 需 计 算 能 量 值 不 需 计算 梯度 值 。 仅 当 变量 轮换 收敛 到 一 定 值 时 ， 才 开始 用 变 尺 度 法 。 变 量 轮 换 法 的 采用 对 于 改进 上 述 二 点 不 足 有 一 定 的 作用 。 刘 志 平和 江 寿 平 用 FORTRAN IV 语言 编制 了 一 套 预测 程序 ， CHARA EDEN 子 程序 组 成 ， 输 入 多 肽 数据 ， 输 出 多 肽 分 子 的 具有 最 低 势 能 的 三 级 结构 (原子 的 笛 卡 儿 坐 标 或 在 任 一 方向 上 的 投影 图 ) 。 关 于 各 程序 的 功能 及 它们 之 间 的 调用 ， 我 们 将 结合 图 9-28 讨论 。 图 9-28 中 虚线 表示 程序 或 数据 块 的 调用 ， 箭 头 所 指 为 被 调用 的 程序 ， 线 上 方 的 注 解 为 程 序 间 数据 传送 的 内 容 ( 包 括 被 调用 的 程序 的 输出 结果 ) 。 箭 头 所 指 为 传输 方向 。 图 9-28 (1) 主 程序 完成 多 肽 数据 的 输入 ， 调 用 各 子 程序 ， 输 出 结果 等 功能 。 多 肽 数据 包括 : (D 多 肽 的 氨基 酸 顺序 ，(2) 每 一 个 氨基 酸 残 基 的 立体 化 学 标志 (D 型 /L 型 )，(3) 选择 输入 二 硫 键 的 配对 情况 及 它们 的 个 数 ，(4) 希望 优化 的 变量 名 称 。 它 可 由 用 户 组 织 成 盘 文件 进行 输入 或 通 ， 过 键盘 输入 。 此 外 ， 主 程序 还 读 入 氨基 酸 残 基 的 标准 数据 。 (2) 二 级 结构 预测 子 程序 。 此 程序 输出 的 各 残 基 的 二 级 结构 值 (8,) 可 部 分 解决 起 始 构象 选 择 的 盲目 性 ， 减 少 优化 过 程 所 需 的 计算 时 间 。 处 于 不 同 的 二 级 结构 状态 的 氨基 酸 残 基 有 不 同 的 和 (办 ， 儿 ，%*) 值 ， 它 可 导致 不 同 的 起 始 构象 ， 对 于 -螺旋 残 基 ， 我 们 在 区 域 ( 一 65 ， 一 55 ) 之 © 间 随 机 选取 办 ， 在 区 间 ( 一 45"， 一 35 ) 间 选取 办， 对 于 A-PRRE, OM (—130°, —110°) 间 的 值 ， 儿 取 (140 ，160 ) 间 的 值 ， 其 它 残 基本 和 vo, 分 别 在 (一 120 ， 一 60 ) 及 (60 ， 120°) fi 取 值 。 对 所 有 残 基 的 x) Heo’, xi (k> 1) R180". es。 420。 ve 站 而 年 9) 随机 数 发 生 器 ， 利用 随机 函数 在 上 述 范围 内 随机 产生 (4 ， 几 ) 值 ， 不 同 的 取 值 可 产生 上 不 同 的 起 始 构象 ， 经 多 次 取 值 后 ， 选 择 能 量 最 低 的 那 组 参数 作为 起 始 构象 参数 (加 ， 内 ，X?"。 ss (A): 能 量 优化 子 程序 ， 从 起 始 构象 开始 ,经 最 小 化 过 程 得 到 一 组 具有 最 低 势 能 的 构象 参数 。 1 这 个 子 程序 由 二 部 分 组 成 ， 变 量 轮换 能 量 最 小 化 ， 每 次 按 顺 序 依次 改变 一 个 变量 ， 若 当前 势能 值 小 于 上 一 次 计算 的 势能 值 ， 则 用 当前 构象 参数 值 取代 上 次 计算 所 用 参数 ， 否 则 不 变 。 能 量 优化 子 程序 调用 梯度 计算 子 程序 和 能 量 计 算 子 程序 ， 后 者 输出 能 量 梯度 值 -5 和 能 量 值 £. (5) 分 子 构造 子 程序 : 利用 参数 (g，%， Xi5 计 算 分 子 中 各 原子 的 笛 卡 儿 坐 标 (zi，yYi 2i) 。 (6) 绘图 子 程序 ， 主 程序 调用 绘图 子 程序 ， 通 过 绘图 程序 在 zx-y 绘图 仪 上 输出 多 肽 分 子 的 三 级 结构 在 任 一 方向 上 的 投影 图 。 用 户 可 通过 人 机 对 话 ， 告 诉 计算 机 投影 方向 (ac，p )。 (7) 输出 程序 输出 原子 的 (z;,，y;，2i) 坐 标 和 对 应 的 能 量 值 五 。 2. 乙 型 肝炎 病毒 的 表面 抗原 蛋白 分 子 部 分 片段 的 三 级 结构 5" 。 前 面 已 讨论 了 HBsAg 的 4 种 亚 型 (adr、adw、ayw 和 adyw) 的 二 级 结构 研究 ， 并 指出 ， HBsAg 的 抗原 专 一 性 不 仅 取决 于 抗原 决定 佬 的 性 质 和 数目 ， 而 且 还 决定 于 它们 的 空间 分 布 。 4 种 亚 型 的 二 级 结构 表明 ， 抗 原 决定 簇 所 在 区 域 以 及 它 附 近 的 区 域 (120 一 150) 的 二 级 结构 虽 有 一 定 特征 ， 但 都 很 相似 。 实 验 结果 表明 ;这 段 区 域 在 不 同 亚 型 之 间 存 在 着 抗原 性 强 弱 的 差异 ， 即便 是 同一 亚 型 ， 不 同 片段 其 活性 也 是 不 一 样 的 。 因 此 ， 要 进一步 了 解 HBsAg 抗原 EE 抗原 性 的 分 子 机 制 就 有 必要 研究 它们 的 三 级 结构 。 采用 了 Scheragar…) 的 经 验 势 能 公式 ， 结 合 变量 轮换 法 和 变 尺 度 能 量 最 小 化 方法 ,通过 最 小 势能 函数 ， 寻 找到 了 HBsAg 亚 型 adw 、adr 和 ayw 的 片段 122 一 132 ， 亚 型 adr 的 片段 122 一 137、125 一 137 和 128 一 137 的 具有 最 低 势能 的 三 级 结构 ! ”1 。 图 9-29、 图 9-30 分 别 给 出 了 亚 型 adr、adw、ayw 中 片段 122 一 132 及 亚 型 adr 中 片段 122 一 137，125 一 137 及 128 一 137 的 三 级 结构 预测 结果 ， 我 们 分 两 方面 讨论 这 些 片段 的 结构 异同 ， (1) 亚 型 adw、adr、ayw 中 片段 122 一 132 的 三 级 结构 比较 ;图 9-29 下 方 的 三 段 顺序 分 别 为 亚 型 aaw、adr 及 ayw 区 域 122 一 132 的 一 级 结构 。 从 图 可 以 看 出 它们 在 一 级 结 构 上 的 差异 。 ”二 级 结构 研究 表明 这 段 区 域 的 二 级 结构 在 三 种 亚 型 之 间 很 相似 ， 无 太 大 差异 ， 然 而 三 级 结构 ， 研究 表明 它们 在 三 级 结构 上 存在 着 明显 差异 。adw 中 ,第 126 位 、131 位 残 基 分 别 为 Thr (HA | 酸 ) 和 Asn( 门 冬 酰 腕 )，Thr(126)-Pro-Ala-Gln-Gly-Asn(131) 形 成 一 环 结构 。 adr 中 ,由 于 第 126,131 二 位 上 毛 基 酸 残 基 的 替换 (Thr 换 为 Be,Asn Hi Thr), AEF ， adw 中 Thr(126) 和 Asn(131) 间 的 氢 键 消失 ,新 的 氢 键 在 Gln(129) 与 Thr(131) 之 间 形 成 。 ayW 122 一 132 的 三 级 结构 与 前 两 种 亚 型 的 差异 很 大 ,在 128 一 131 处 有 一 转角 形成 。 (2) 亚 型 adr 122 一 137、125 一 137 和 128—137 片段 的 三 级 结构 比较 ， 从 图 9-30 4， 瑟 可 以 看 出 ,122 一 137 片段 的 三 级 结构 中 ,区 域 125 一 137 处 的 结构 片段 125 一 127 基本 一 致 , 在 124 及 127 二 氨基 酸 残 基 之 间 有 个 二 硫 键 形成 。 片 段 128 一 137 的 三 级 结构 (图 9-30 C) 与 前 二 者 相 ° 427 « adw122—132 adrl22—-132 aywl22— 132 i. A B C 图 9-29 A.adwi122-Lys Thr Cys Thr Thr Pro Ala Gin Gly Asn’Ser Badr 122- Ile Thr C.ryw 122-Arg Met Thr Thr adr 122-137 drl25— adr 128-137 adr122- hewiti~is7) adr125—137 ; r 137 A B c Sap PA 9-30 adr122-Lys Thr Cys Thr Ile Pro Ala Gln Gly Thr Ser Met Phe Pro Ser Cys 差 较 大 。 图 9-30 Dee adr 122 一 132 片段 的 三 级 结构 在 另 一 方向 上 的 投影 图 。 3. 胰岛 素 原 C- 肽 诸 片段 的 构象 分 析 579 在 胰岛 素 原 的 生物 合成 中 ,C- 肽 对 于 促进 胰岛 素 的 二 三 级 结构 的 形成 起 着 很 大 作用 , 它 还 可 作为 胰岛 8- 细胞 的 方便 可 靠 的 探 针 而 广泛 应 用 于 临床 。 在 人 工 合成 C- 肽 时 ,发 现 除 羧 端 肽 C15 一 19 与 氨 端 肽 C 20 一 31 的 接 肽 反应 产 率 仅 理论 值 ”的 80% 外 ,其 它 的 均 接 近 理论 计算 值 。 人 们 不 禁 要 问 接 肽 反应 的 二 个 肽 段 本 身 的 构象 对 于 其 接 肽 反应 产 率 是 否 有 关系 ? 我 们 计算 分 析 了 4 步 接 肽 反应 中 8 个 肽 段 的 构象 ,发 现 PA 象 确实 与 接 肽 反应 的 产 率 有 联系 。 S Ik C15—19 及 C20—31 的 三 级 结构 透视 图 如 图 9-31。 从 此 图 可 见 ， 这 两 肽 都 具有 发 夹 结 ， Hey, 他 们 的 N 端 靠近 其 C 端 , 可 形成 气 键 。 这 种 结构 特征 在 其 它 接 肽 反应 中 氨 端 肽 及 羧 端 肽 中 的 构象 中 并 不 存在 。 由 于 C15 一 19 和 C20 一 31 这 两 段 肽 存在 发 严 结 构 , CH CMs NMR 近 又 形成 氢 键 ,使 得 C20 一 31 的 N 端 与 C15 一 C19 的 C 端 接触 变 得 困难 ,从 而 减少 它们 的 碰撞 机 会 ， 因 而 使 得 这 两 个 肽 的 接 肽 反应 率 较 之 其 它 接 肽 反应 产 率 比 理论 计算 值 低 。 * 428 人 H—Gly-Pro-Gly- Ala-Gly-OH[C15—19] H—Ser-Leu-Gln-Pro-Leu-Ala-Leu-Glu-Gly-Ser- Leu-GlIn—OH : [C20—31] 9-31 因为 蛋白 质 的 三 级 结构 是 由 其 一 级 结构 决定 的 ,因此 ,可 以 改变 合成 路 径 , 即 ERR ATE 段 ,使 它们 的 构象 有 利于 接 肽 反应 的 进行 ,以 此 来 提高 接 肽 反应 产 率 。 改 变 了 新 的 策略 合成 C 肽 ， 后 一 策略 的 C15 一 31 的 产 率 的 理论 值 提高 到 90% ,我 们 对 新 路 径 的 肽 段 进行 了 计算 , 图 9-32 是 C18—20 和 C21 一 31 的 构象 图 。 它 的 构象 与 前 接 肽 反应 中 C15 一 19 和 C20 一 31 的 构象 完全 不 后 ,它们 的 N 端 与 C 端 都 分 的 很 开 。 由 上 可 见 ,在 多 肽 合成 前 路 线 设计 ,可 预测 它们 的 构象 而 为 设计 合成 路 线 提供 有 益 的 信息 ， H—Leu-Gin-Pro-Leu- Ala-Leu-Glu-Gly-Ser-Leu-Gln—OH H—Ala-Gly -Ser—OH[C18—2) | 图 9-32 © 429 。 减少 盲目 性 。 9.2.3.2 分子 轨 道 方法 量子 化 学 计算 中 长 期 以 来 未 得 到 令 人 满意 解决 的 两 个 问题 , 即 提高 计 算 速 度 和 确保 登 代 收 丝 , 对 大 一 些 的 分 子 ,尤其 是 生物 分 子 的 研究 ,这 两 个 问题 尤其 突出 和 重要 。 Hartree-Fock-Roothaan(HFR) 方 程 是 ab initio,INDO,CNDO 等 分 子 轨 道 计算 方法 的 基 础 ,由 于 FR 方程 是 一 个 所 谓 “ 自 递归 定义 ?的 方程 ,只 能 用 又 代 的 方法 求解 。 但 简单 琶 代 法 常 常 发 生 登 代 发 散 的 现象 。 对 于 含 过 滤 元 素 的 分 子 , 极 少 收敛 ,分子 大 到 一 定 程度 时 ,几乎 都 不 收 敛 ,就 是 一 些 简单 分 子 也 出 现 了 释 代 发 散 情 况 … 。 普 遍 应 用 的 Gaussian 76 报 告 指 出 所 1 ,不 收敛 仍 是 自 洽 场 释 代 中 最 为 常见 的 困难 。 由 于 不 能 克服 释 代 发 散 问题 , 在 生物 体 中 至 关 重 要 的 ATP 分 子 的 CNDO HWA HMR ARDEP Ra, 已 作 了 很 多 研 究 , 提 出 了 不 少 方法 ,但 这 些 方 法 只 能 对 某 些 分 子 有 效 。 为 了 解决 自 洽 释 代 中 收敛 问题 ， 我 们 提出 了 一 个 新 的 释 代 公式 , 称 之 为 对 角 位 移 公式 扣 ” (参见 4.2)。 量子 化 学 计算 ,就 是 半 经 验 的 CNDO 方法 ,计算 量 和 存 贮 量 都 很 大 , 从 头 计算 所 需 的 计算 量 就 更 加 庞大 。 国 际 上 流行 的 Gauss 系列 程序 ,一 般 只 能 计算 到 80 STO 基 图 数 至 多 不 超过 120 个 纪 ”1]。 由 于 目前 所 使 用 的 各 种 类 型 的 从 头 计算 程序 ,都 是 以 Gauss 函数 来 进行 排斥 积分 计算 的 , 它 是 极为 耗 时 的 。 因 而 如 何 提高 排斥 积分 计算 速度 成 了 一 个 很 有 实际 意 义 的 工作 。 由 于 在 为 数 庞大 的 排斥 积分 中 有 相当 大 一 部 分 数值 是 很 小 的 ,但 它 在 积分 总 数 中 占 很 大 比重 ,而 它们 对 计算 结果 影响 很 小 ,分 子 越 大 ,这 效果 越 明 显 。 为 了 得 到 Gauss 函数 积分 的 fh 计 式 ,以 加 速 计算 速度 ,我们 提出 了 一 个 排斥 积分 估计 公式 ,大 大 加 速 了 积分 计算 5 。 宣 建成 和 江 寿 平 应 用 上 述 的 “对 角 位 移 ” 公 式 和 排斥 积分 估计 公式 用 Fortran 编 成 了 大 型 机 和 微机 上 运行 的 CNDO 和 ab initio 程序 一 套 。 能 在 IBM-PC (256K WA) 进行 80 个 STO 基 的 从 头 计算 和 126 个 STO 基 的 CNDO 计算 。 能 在 1 M 以 上 内 存 的 小 、 中 型 计算 机 上 进 行 250 一 400 个 STO 基 的 从 头 计算 或 500 个 以 上 的 STO 基 的 CNDO 计算 工作 。 由 于 采用 了 “对 角 位 移 公式 ,因而 任意 分 子 均 可 收 %, HRSA. 由 于 大 分 子 从 头 计算 法 耗 时 甚 多 ,下 面 均 以 CNDO 计算 为 例 。 (1) 环 化 岛 背 酸 双 聚 体 有 68 个 原子 216 个 轨道 。 用 简单 释 代 法 发 散 , 用 对 角 位 移 公 式 仅 登 代 6 次 即 达 到 10-° 精度 ( 表 9-15), (2) FORA A 406 个 轨道 。 是 目前 国内 文献 报道 中 用 CNDO tit 算 的 最 大 分 子 。 由 于 有 2 个 过 滤 元 素 Fe 原子 ,简单 琶 代 法 一 开始 就 发 散 , 用 对 角 位 移 法 八代 10 次 即 达到 10 ”精度 ( 表 9-16)。 由 和 琶 代 结果 可 以 看 到 其 登 代 能 量 为 严格 下 降 ( 除 第 二 次 外 )。 1. RAS BRR (ATP) WAR #2 4.2.5.2 中 ,作为 例子 ,我 们 已 经 讨论 过 腺 背 三 磷酸 (ATP) 分 子 的 电子 结构 。 在 这 里 ， 要 补充 讨论 的 是 ; (1) AMP, ADP 和 ATP 分 子 的 电荷 分 布 ， FEN a AE 致 趋势 相似 (原子 上 电荷 的 正 或 负 )。 * 430 % 9-15 (〈cGMP), 计 算 结 果 & 代 ae 号 a hE 量 (a. a.) —3318.798 —3319.282 —3319.538 —3319.800 —3319.855 Pe lie coe Se —3319.878 % 9-16 O(FeTPP), BRR 登 代 编 号 有 一 8503.429 一 8445.981 一 8490.683 一 8495.635 一 8501.923 一 8506.087 一 8506.614 —8507.084 —8507.223 —8507.286 omON ODN F&F WHS KF ry Oo (2) 由 图 9-33 可 见 ,磷酸 基 团 上 氧 原子 带 有 相当 大 和 几乎 相等 的 负 电荷 。 因 此 ,它们 和 爹 属 离子 相互 作用 的 可 能 性 几乎 相等 ,这 在 生物 学 上 有 着 重要 作用 (参见 第 10 章 ) 。 一 0.65 一 0.66 一 0.65 一 0.58 一 0.58 一 0.64 O O 9 1.56 一 0.61 1.53 —0.63 | 1.72 —0.53 0.26 . 1.40 —0.55 1.38 —0.57 | 1.62 —0.52 0.23 CH, O Pi O P 2 O P3 O H ine | —0.54 —0.53 O 一 0.52 O 一 0.51 O 一 0.52 et 0.21 0.23 H0.21 H0.20 H0.26 9-33 (3) 所 谓 “ 高 能 磷酸 键 > 是 指 水 解 自 由 能 ,而 不 是 能 量 贮存 在 P—O 键 ， 再 次 强调 这 一 点 ,对 于 生 物 学 研究 同样 是 重要 的 。 ”对 于 腺 埋 三 磷酸 (ATP) 分 子 的 分 子 轨道 研究 ,在 方法 学 上 ,经 历 了 简单 的 Hicke 方 法 `EH- © 431° MO 法 .CNDO 法 和 现在 使 用 的 ab initio 法 ,为 我 们 研究 ATP,AMP 和 ADP 的 电子 结构 和 生 物 学 功能 提供 了 更 多 的 手段 和 有 益 的 信息 2. 环 化 岛 兰 酸 和 环 化 腺 彰 酸 的 从 头 计算 tao TBC S, RR (CGMP 或 cyclic GMP) 和 环 化 腺 背 酸 (cCAMP 或 cyclic AMP) 一 样 ,作为 传递 激素 和 其 它 刺 激 的 第 二 信使 ,它们 都 具有 重要 的 生物 学 功能 ,也 是 生命 过 程 中 的 重要 分 子 。 江 寿 平等 曾 用 EHMO 法 .CNDO 法 和 ab initio 法 对 这 2 个 分 子 进行 了 理论 计算 和 研究 了 它们 的 电子 结构 .构象 和 作用 机 理 , 从 分 子 和 电子 水 平 上 探讨 了 它们 与 激酶 等 的 相互 作 Al. | 我 们 知道 , “AMP 和 COMP 是 由 碱 基 和 核糖 与 磷酸 双环 两 部 分 组 成 的 , 而 碱 基 可 以 相对 于 核糖 -磷酸 部 分 绕 糖 背 键 转动 造成 顺 式 和 反 式 构象 ,这 2 个 分 子 的 结构 示 于 图 9-34 和 图 9-35。 H ae 2} ’ Ha’ “Ss \, “> E>» 8 D at 图 9-34. cAMP 分 子 的 结构 图 9-35 cGMP 分 子 (1) cAMP 的 计算 结果 用 从 头 计 算法 计算 cAMP 分 子 ， 得 到 它 的 总 能 量 是 一 1353.27539 原子 单位 ， 它 的 偶 极 怎 是 33.1562 FE, MA CNDO 方法 得 到 的 分 子 总 能 量 是 一 255.08594 原子 单位 , 偶 极 和 矩 35.1520 德 拜 。 两 种 方法 所 得 到 的 偶 极 矩 十 分 近似 ,而 Jordan 用 EHMO 方法 所 得 到 的 总 能 MAME 别 为 一 55000 kcal/mol 和 27.20 德 拜 。 这 分 子 的 原子 净 电 荷 的 计算 结果 列 于 表 9-17 中 。 从 表 9-17 中 可 见 , 用 EHMO,CNDO 和 从 头 计 算法 所 得 到 的 原子 净 电 荷 其 大 致 趋势 是 一 致 的 (电荷 的 正 或 fA), 但 在 数值 上 是 很 不 一 致 ， CNDO 的 结果 与 从 头 计 算法 的 结果 比较 接近 ， 而 EHMO 的 原 子 净 电荷 结果 是 伟大 了 。 在 这 分 子 的 碱 基 和 核糖 部 分 上 最 负 的 原子 是 不 一 致 的 。 在 核糖 和 碱 基 上 , 用 从 头 计 算法 得 到 的 这 两 部 分 上 最 负 的 原 子 各 为 O0 3 和 NG ,而 用 EHMO 得 到 的 是 01 和 N7 ,而 CNDO 的 结果 和 从 头 计 算法 结 果 一 Be, HRS a F , Pullman 和 Clementi 等 人 都 用 从 头 计 算 靶 进行 了 计算 ,他 们 所 得 到 的 净 电 荷 数值 相差 也 较 大 ,但 是 最 负 的 原子 都 是 NG ,和 这 里 的 计算 结果 一 致 。 核 糖 上 的 氨 原 子 , 三 种 方法 都 得 到 也 (OO 2/) 原 子 上 净 正 电荷 最 大 ， 而 有 趣 的 是 它 比 其 它 的 再 原子 大 好 几 倍 ,因而 它 是 最 可 能 成 为 氢 键 的 H 供 者 , 实验 也 证 实 它 在 cAMP ， 和 和 蛋白 激酶 相互 作用 中 起 作用 。 在 磷酸 部 分 ,P 原子 的 净 电 荷 数值 , 因 在 我 们 计算 中 没 计 及 32 轨道 ， 因 而 偏 大 ， 但 不 影响 我 们 这 里 的 讨论 。 和 RR AEN TAS, FAKE RA CNDO FRA EMG CAMP 上 最 负 的 原子 ， 实 验证 明 它 们 也 是 这 分 子 上 最 活泼 最 敏感 的 原 Hi ii 中 将 起 重要 作用 。 根 据 这 分 子 的 电子 结构 的 特点 ， 下 面 将 讨论 * 432° cAMP 和 蛋白 激酶 的 相互 作用 。 JLA cAMP 的 细胞 ,都 有 一 类 能 催化 蛋白 质 产生 磁 酸 化 反应 的 酶 一 一 蛋白 激酶 。cAMP 通 过 蛋白 激酶 发 挥 它 的 作用 , 当 它 结合 到 无 活性 的 蛋白 激酶 调节 亚 基 上 时 ,使 无 活性 的 催化 亚 基 和 调节 亚 基 复 合体 解 离 ， 产 生 了 有 活性 的 催化 亚 基 和 cAMP- 调 节 亚 基 复 合体 ， 对 于 CAMP 和 调 节 亚 基 如 何 相 互 作用 ， 用 化 学 修饰 法 做 了 很 多 工作 。 但 可 以 从 cAMP 分 子 的 电子 结 构 来 提供 分子 相 互 作用 的 有 用 信息 。 可 以 设想 ,和 磷 原 子 相 连 的 两 个 氧 原子 ,由 于 带 有 较 负 电荷 ， 它 与 蛋 。” 白 激酶 调节 亚 基 上 带 正 电 荷 的 部 位 产生 静电 相互 作用 ,这 个 远程 力 可 能 在 识别 和 定 向 方面 起 作 用 ， 而 使 两 分 子 相互 接近 , 接着 短程 力 起 作用 , 酶 分 子 产生 构象 变化 , 使 调节 亚 基 和 cAMBP 相 互 结 合 " “ 。 碱 基 处 于 激酶 调节 亚 基 的 疏水 区 域 , 带 较 大 负电 荷 的 O 3 和 O 5“ 以 及 带 正 电荷 的 五 (O 2) 和 调节 亚 基 上 的 氨基 酸 残 基 侧 链 上 所 和 氧 等 原子 形成 气 键 ,因而 可 以 得 到 cAMP. 。 cAMP 受 体 蛋白 (CAP) 是 一 种 变 构 蛋 白 , 它 在 cAMP 存在 时 才 和 DNA 专 一 的 结合 。 共 光 衍 射 表明 了 CAMP 是 完全 埋 在 CAP 的 二 聚 体内 部 ,cAMP 上 磷酸 基 团 上 两 个 氧 原 子 带 有 大 而 几乎 相等 的 负电 荷 ， 它 们 可 和 CAP 上 第 82 个 精 氨 酸 残 基 侧 链 上 两 NH: 上 的 正 电 荷 产生 静 电 作用 。 而 O 5 和 第 83 个 丝氨酸 残 基 侧 链 上 OH FB MABE. FEAL. BR N1 原子 外 ,N7 带 有 较 负 电荷 ,而 和 N1 相连 的 两 个 氢 原 子 带 有 正 电 荷 ,在 CAMP 处 于 反 式 构象 时 ,它们 可 以 与 CAP 上 相近 的 残 基 上 的 所 和 氧 原子 分 别 形 成 氨 键 ,根据 CAMP 的 电子 结构 和 CAMP-CAP 复合 物 的 X 光 衍射 结果 可 得 到 它们 的 部 分 结合 部 位 (图 9-36) 。 Bn, 3 二 Or £ H Wo NH2 * 9°. 2 外 10 As Ser Arg gi WS (32 te 83 82 x( 9-36 图 9-37 cGMP 分 子 的 能 量 旧 线 从 上 述 可 见 , 由 分 子 的 电子 结构 结合 某 些 实验 资料 可 以 对 生物 分 子 的 作用 机 理 更 好 地 了 解 ， 可 以 更 好 地 说 明 某 些 实验 结果 ,更 进一步 说 明 结 构 与 功能 的 关系 。 (2) cGMP 的 计算 结果 江 寿 平和 宣 建 成 用 从 头 计 算法 和 CNDO 方法 得 到 的 CGMP 分 子 的 原子 净 电 荷 列 于 表 9-18 中 ,为 比较 方便 ， 表 9-18 中 还 列 出 Clementic"1 等 人 的 单独 鸟 味 叭 分 子 的 从 头 计 算 结 果 。 从 表 中 可 见 CNDO 的 结果 与 从 头 计算 的 结果 大 致 相近 ,在 碱 基 上 最 负 的 原子 ,从 头 计算 结 果 是 N2, 其 次 是 N1, 但 是 CNDO 的 结果 是 N 3, 其 次 是 N 2。 在 核糖 部 分 , 较 负 的 原子 是 0 30/ 和 0 5 ,其 次 是 92', 而 了 CO2/) 原 子 带 有 很 大 的 正 电 荷 。 在 磷酸 部 分 ,0 7 和 0 8 带 有 较 负 电 荷 ， 这 部 分 也 是 较 活 跃 部 分 ,这 些 电荷 分 布 特点 ,在 生化 反应 中 将 起 重要 作用 。 cGMP 分 子 也 可 以 绕 糖 苷 键 C1“ 一 N9 转 动 ,粗略 地 说 , 当 碱 基 位 于 接近 核糖 位 置 时 ,是 顺 式 © 433 表 9-17 a 法 ab initio CNDO EHMO'*#? of 0.1394 0.2072 0.567 OV —0.1849 —0.2648 —0.854 c2’ 0.0559 0.1107 0.333 02’ — 0.2128 — 0.2362 —0.806 CS 0.0306 0.1323 0.377 03’ — 0.3593 —0.4321 —0.435 C4’ 0.0548 0.1210 0.396 C5’ —0.1110 0.0977 —0.038 C6/ 一 0.3158 一 0.166 O5/ 一 0.4476 O6 一 0.6402 一 0.6756 一 0.638 O7 — 0.6727 —0.7216 —0.627 P 1.0823 1.3392 0.093 H1’ 0.0443 —0.0157 0.054 H2’ 0.0302 —0.0196 0.055 H3’ 0.0319 — 0.0348 0.054 H4’ 0.0402 —0.0051 0.047 H5’ 0.0502 —0.0111 0.085 H6’ 0.0289 — 0.0265 0.062 H7 0.0386 0.147 H8 0.0131 0.129 H(02’) 0.1381 0.1278 0.418 Nl —0.2844 —0.1145 —0.080 C2 0.1947 0.2262 0.511 N3 —0.1416 —0.1355 —0.773 C4 0.2073 0.2265 0.465 C5 0.0150 —0.0426 0.096 C6 0.5393 0.3211 0.575 N6 — 0.3857 —0.2170 —0.349 N7 —0.2141 — 0.1830 —0.834 C8 0.1717 0.1874 0.463 N9 一 0.1749 一 0.0840 一 0.086 H1 0.2626 0.1642 0.238. H2 0.1185 0.0510 0.044 H3 0.2410 0.1546 0.234 H4 0.2667 0.1767 0.235 H8 0.0841 0.0271 : 构象 ,而 当 碱 基 远 离 核糖 时 , 称 之 反 式 构象 , 它 的 构象 的 计算 结果 表示 于 图 9-37 中 ,这 分 子 最 稳定 “ 0.234 的 构象 是 分 子 总 能 量 最 小 时 的 构象 .由 图 9-37 可 见 , 它 有 3 个 能 量 谷 , 其 最 小 的 位 于 一 102 处 .这 与 X 光 衍射 结果 一 致 。 实验 证 明 ,cGMP 像 cAMP 一 样 ,也 能 活化 依赖 于 cAMP 的 蛋白 激酶 。 由 图 9-37 可 见 , 它 的 位 置 很 高 , 故 它 与 蛋白 激酶 相互 作用 时 ,可 以 认为 CGMP 还 是 处 于 原来 顺 式 的 构象 。 。 434。 如 表 9-18 cGMP [RF SHG ab initio CNDO ab initio‘? P Nl —0.3722 —0.2222 —%.4720 C2 0.3879 0.4005 0.3919 N2 —0.4376 —0.2547 — 0.6135 N3 : — 0.3190 ‘ Veo —=0.2694 —0.3611 c4 0.1676 0.2101 0.1929 C5 . 0.0336 一 0.0467 一 0.0497 C6 0.2545 0.3383 0.3590 O6 - . —0.2106 —0.2852 —0.3684 N7 —0.2057 —0.1469 —0.2392 C8 : 0.1013 0.1645 — 0.0015 N9 —0.2064 =O. 1118 — 0.4470 Hl 0.2194 0.1725 —0.3519 H2 0.2217 0.1822 , * 0.3489 H3 0.2207 0.1706 0.3133 HB 0.0529 0.0342 0.2133 NET 0.1342 ; 0.2145 o1 —0.1702 —0.2348 C2 0.0265 0.1036 02 一 0.1991 一 0.2371 FS 0.0135 SORES43 03 — 0.3456 — 0.3766 : C4 0.0054 0.1031 : C5 . 0.0202 0.1383 O05 —0.3672 j —0.3810 ig - 1.2921 1.5341 O7 —0.3049 —0.2891 O8 一 0.4222 一 0.2549 Hi 0.0626 ; 0.0121 H2 0.0626 0.0140 H(02’) 0.1350 0.1480 _H3 0.0590 一 0.0142 H4 0.0653 0.0277 H10 0.0402 0.0007 H11 / 0.0513 0.0211 一 此 外 王 志 中 ,569 、 刘 车 庄 oo0 和 他 们 的 合作 者 用 CNDO 方法 计算 了 cAMP 和 cGMP。 黄 天 钧 和 江 寿 平等 Q" 125 应 用 核磁 共振 技术 ,对 这 两 分 子 在 溶液 中 的 构象 与 相互 作用 进行 的 研究 ， 表明 在 一 定 浓度 时 它们 会 自 缔 合 成 二 聚 体 , 但 对 它们 的 二 聚 体 构 象 并 不 了 解 。 在 上 述 研 究 结果 ， 基础 上 又 用 分 子 之 间 相 互 作 用 势能 方法 ,对 它 进 行 了 计算 。 (3) cGMP 的 双 聚 体 堆积 的 空间 构象 @91 实验 证 明 CGMP 和 cAMP 在 溶液 中 ,它们 是 会 形成 二 聚 体 的 ,但 是 这 二 聚 体 的 空间 构 象 是 如何 安排 的 ,实验 未 能 很 好 说 明 。 这 里 以 CGMP 为 例 在 上 述 分 子 轨 道 计 算 的 基础 上 , 应 用 分 子 “435。 之 间 相互 作用 势能 法 计算 它 的 二 聚 体 空间 构象 。 这 分 子 是 处 于 顺 式 构象 ,又 碱 基 可 认为 是 平面 的 ,其 二 聚 体 堆 积 时 有 三 种 可 能 :面对面 , 面 对 背 和 背 对 背 。 通 过 计算 ,得 到 它们 的 最 稳定 的 堆积 二 模式 是 CGMP 分 子 以 顺 式 构象 面对面 的 堆积 模式 ,两 碱 基 平 面 之 间距 离 为 0.415 om, 而 堆积 旋 转角 为 115" 。 如 图 9-38 和 9-39。 取 向 的 最 优 位 置 主要 取决 于 堆积 相互 作用 能 中 的 静电 项 贡献 。 ” 背 对 背 的 堆积 模式 ,其 关系 也 是 这 样 。 对 于 cGMP 双 聚 体 的 面 对 背 堆积 模式 由 图 可 知 对 FE 旺 极 化 贡献 随 旋转 角 6 的 变化 是 单调 的 而 它 的 静电 项 ,短程 项 却 随 旋 转角 6 的 变化 ,变化 剧烈 , 这 是 存在 着 一 点 差异 的 。 总 之 通过 多 原子 分 子 间 相 互 作用 力 理论 对 于 环 化 鸟 昔 酸 双 聚 体 的 各 种 堆积 模式 的 理论 计算 及 其 所 得 的 一 系列 结果 ,为 我 们 对 于 环 化 鸟 背 酸 双 聚 体 堆积 构象 的 研究 提供 了 有 益 的 信息 ,这 将 ” 有 助 于 对 它 的 结构 和 功能 的 研究 。 应 用 分 子 轨 道 方法 还 研究 了 其 它 分 子 ””" BAA TRREADMEDD FIER 编 了 一 整 套 分 子 轨 道 程 序 08889?110-14 。 E (kcal/mol) 50 curve 1.Z=0 ,385nm curve 2:2=0 .410nm curve 3;Z=0 .443nm 9-38 cGMP 4)-F- DAME Hy Sea AFT” ME BU Me BRAT J Ge OR BE A SE 9.3 分 子 动态 学 9.3.1 蛋白 质 动态 学 国内 很 多 人 把 Dynamics 和 Kinetics 都 无 区 别 地 称 之 为 动力 学 。 我 们 把 Dynamics 称 之 为 “ * 436。 a - 1 07 \ \ br ied fh a ~ - Pa a ¢ 1 N | P-———g 1 3 | HHS’ 3 o—ts 八 Pe 9: 人 2 学 -所 » 5’ 5 \ \ / {Vans : | 9N of al : — =~ Ah — s+ 1 se \ 1 NZ 7 i \ 02’ \ Vy ! Ei | Sena eX | oy Hon OND a aia P4 | 7/ ie: : i 图 9-39 cGMP 双 聚 体 的 最 稳定 构象 ,堆积 模式 为 “面对面 ”的 堆积 ,6 为 115" HER PBZ 0.415nm, 动态 学 与 Kinetics 动力 学 相 区 别 。 生物 分 子 的 动态 学 是 近 些 年 来 最 引 人 注 目的 领域 之 一 。 经 典 的 观点 ,从 光 得 到 的 信息 , 认 为 蛋白 质 原子 是 处 于 固定 不 动 ,静止 的 状态 。 事 实 上 ,蛋白 质 中 原子 在 常温 下 是 处 于 不 断 运动 的 状态 ,而 X 光 得 到 的 蛋白 质 结构 ,是 原子 处 于 平衡 位 置 。 生 物 分 子 的 运动 ,包括 侧 链 的 重 新 取 回 AE HERES ,结构 域 和 亚 基 的 近 刚 体 的 运动 ,到 整个 多 肽 链 的 折 受 和 伸展 ,大 多 数 的 球 蛋 白 与 小 分 子 ( 配 位 体 、 激 素 . 底 物 和 辅酶 等 ) 相 互 作 用 时 ,产生 构象 变化 。 表 9-19 列 出 球 蛋白 内 运动 产 生 的 范围 。 为 了 深入 了 解 蛋白 质 的 结构 与 功能 的 关系 ,就 必须 研究 它 的 内 运动 。 由 表 9-19 可 见 , 蛋 白质 的 运动 覆盖 着 很 广 的 范围 ,必须 用 各 种 方法 考察 它 ,而 研究 蛋白 质 分 子 动态 学 最 直接 的 方法 之 一 是 理论 计算 方法 一 一 分 子 动态 学 模拟 。 表 9%-19 球 蛋白 内 运动 分 类 运动 的 大 小 振幅 能 量 时 间 运动 的 形式 局 部 的 大 范围 集合 的 (300°K) 0.001 #] 10 nm 0.1 8] 100 kcal 107**¥] 10°sec RRS, MRR, HAR’ wes Fike, TRAIT 涨 落 ， 孤 子 (solitoon) 和 其 它 非 线性 运动 =_— 虽然 量子 力学 计算 能 提供 小 分 子 的 势能 面 ， 但 分 子 力 学 的 势能 函数 是 蛋白 质 分 子 如 此 信息 的 唯一 来 源 。 用 于 蛋白 质 的 能 量 函 数 如 以 前 所 述 ,一 般 是 由 键 、 键 角 、 扭 转角 .Van der Waals 相 互 作用 ,静电 相互 作用 和 和 氢 键 ,以 下 式 表示 : © 437 。 万 = 本 于 大 (bby)? + > La Ky(8— 0)? at 键 本 er A Sh eee 992 a Ad PG 全 Dr ore a 到 | ) Sas x, (b) Bt, (0) BEA. (¢) mH i, (7) RRR, KKK, SERMHSRM, AMC 是 ， Lennard-Jones 参数 ,9%; 是 原子 电荷 , 忆 是 介 电 常数 ,4/ 和 C’RARBER, b),00,7 和 8 是 几何 参 考 值 。 由 势能 计算 所 有 原子 上 的 力 — DK K,(1+cos(n@—6))+ = 一 全 VB， (9.19) 下; 是 第 ;个 原子 上 的 力 ,一 ,是 原子 ;3 和 ,J) 之 间 相 互 作用 势 。 对 于 质量 为 m; 的 原子 或 分 子 , 按 牛顿 方程 ,每 一 个 力 产生 一 个 加 速度 ai: F,=m,a; (9.20) 分 子 动态 学 模拟 是 人 们 应 用 计算 机 去 解 蛋白 质 中 原子 运动 的 牛顿 方程 。 现 已 编 成 计算 机 程 序 , 如 哈佛 大 学 化 学 系 Kaplus $44 CHARMM, 它 不 仅 可 进行 蛋白 质 分 子 的 动态 学 模拟 也 能 进行 核酸 分 子 的 动态 学 模拟 ， 分 子 动态 学 模拟 是 到 此 为 止 提供 最 详细 和 最 有 趣 的 蛋 自 质 运 动 的 结果 。 Kaplus 应 用 分 子 动态 学 模拟 方法 模拟 了 牛 胰 蛋 白 酶 抑制 齐 (PTI) , CEA 58 残 基 ，454 个 图 9-40 PTI 的 结构 。4 为 XX 光 结 果 ， B 为 模拟 结果 * 438。 a 原子 的 小 蛋白 质 分 子 ,模拟 结果 表示 于 图 9-40 中 ,图 中 仅 表 示 c 碳 原子 和 3 个 二 硫 键 ,图 左边 是 。”X 光 衍射 的 结果 ,而 右边 是 计算 模拟 的 结果 ( 3 ps 以 内 的 结构 ) ,可 见 这 2 个 结构 是 很 类 似 。 许多 的 酶 和 蛋白 质 分 子 是 由 一 些 多 肽 链 连结 的 2 个 或 更 多 的 结构 区 域 构 成 。 以 溶菌 酶 为 ” 例 ,X 光 衍射 注意 到 , 当 它 的 活性 中 心 结合 抑制 剂 时 , 由 于 围绕 着 这 个 活性 中 心 裂 颖 的 2 个 球形 的 结构 域 相 对 位 移 而 有 些 闲 合 。Kaplus 计算 了 溶菌 酶 裂 锋 开 和 闲 时 构象 能 的 变化 ,他 们 的 结果 .表示 于 图 9-41。 图 中 虚线 ( 带 有 三 角形 的 ) 是 硬 的 弯曲 势 而 实 线 〈 带 圆圈 的 ) 是 绝热 弯曲 势 。 他 。 们 还 研究 了 配 位 体 -蛋白 质 的 相互 作用 ,得 到 满意 的 结果 。 es ed ae _— ; amit.) wel 了 f ee 4 Ga 图 9-41 YA PA AUSE IT (O<0) MIA (O>0) HR BIE 9.3.2， 酶 - 底 物 反应 动力 学 [98] 要 了 解 酶 的 催化 作用 ， 不 仅 要 知道 酶 分子 的 结构 ， 也 必须 研究 它 与 底 物 分 子 之 间 相 互 作 用 过 、 程 。 在 溶液 中 酶 和 底 物 分 子 之 间 存 在 着 各 种 相互 作用 力 ,但 在 处 理 溶 液 中 双 分 子 反 应 时 ,没有 考 虑 这 些 力 的 作用 。 随 着 快速 反应 动力 学 的 深入 研究 ,出 现 一 个 尖锐 的 问题 , 即 在 有 些 酶 与 底 物 的 相互 作用 中 ,实验 所 得 的 二 级 反应 速度 常数 比 按 "传统 的 理论 公式 ?计算 结果 大 一 个 数量 级 .为 了 解决 这 一 问题 ,我 们 考虑 了 分 子 之 间 相 互 作用 力 ， F=—VU (9.21) U=U,+U,+U,+U,+U; U Ay iis Jee Py 2s F408 Ve A AE Pe, 是 Van der Waals WHE, U2 是 离子 -离子 势能 ,Cs 是 离 FBR A HE Us 是 偶 极 - 偶 极 势能 ,Cs 离子 -诱导 偶 极 势 能 。 根 据 牛 顿 定律 , 有 运动 方程 。 d’r Tae =—VU—f, +f, (9.22) 。 439 式 中 浆 是 底 物 分 子 的 质量 ,万 是 底 物 分 子 在 溶剂 中 运动 所 遇 到 的 阻力 , 刀 是 涨 落 引起 的 力 。 由 上 述 方程 可 得 到 酶 - 底 物 扩 散 控制 反应 新 的 公式 。 酶 扩散 控制 反应 速度 常数 最 大 限度 Kim 和 分 子 力 之 间 关系 ,由 计算 机 计算 结果 表示 于 表 9-20 中 。 从 表 可 见 ,考虑 了 力 场 后 ， 酶 = 底 物 反应 速 度 常 数 达 到 了 10” 升 /摩尔 ' 秒 的 数量 级 ,从 而 解释 了 曾 被 认为 难以 解释 的 实验 现象 。 表 9-20 U | Ut U;,2,6 U is355 Ui 54 Ui,5 U; Uz K tin cr c c 10! 升 /摩尔 .种 | 4.056 4.052 3.069 3.058 3.057 3.057 0.20 参考 文 献 C1] 7A: BRAG, 6:912(1982). 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RAM ES RMD MK IX 和 特定 结构 的 蛋白 质 链 结合 成 血红 蛋白 后 才能 氧 合 。 需要 指出 ,我 们 在 这 一 章 里 要 探讨 的 主要 问题 是 , 金属 离子 与 生物 配 位 体 间 的 相互 作用 , A 为 没有 这 种 相互 作用 ,就 不 可 能 在 生物 体内 保持 分 子 的 天 然 结构 及 其 正常 功能 。 在 此 基础 上 , 进 而 讨论 一 些 生 物 金属 配合 物 的 生物 学 功能 。 10.2.2 配合 物 的 晶体 场 理论 晶体 场 理 论 实质 上 是 一 种 静电 理论 , 它 把 配合 物 中 中 心 离子 与 配 位 体 间 的 相互 作用 ,看 作 是 类 似 于 离子 晶体 中 正 负离子 间 的 相互 作用 ， 所 以 叫 晶体 场 理 论 。 蝇 体 场 理论 的 基本 要 点 是 , 它 把 配 位 场 对 中 心 金属 离子 的 作用 看 成 是 一 种 静电 性 质 的 微 扰 。 微 扰 的 一 个 最 重要 的 结果 是 原来 自由 金属 离子 的 那些 简 并 状态 分 型 为 两 个 或 两 个 以 上 的 非 等 价 状态 一 一 简 并 能 级 的 分 烈 。 作 为 一 级 近似 ,我 们 一 般 只 考虑 在 配 位 体 场 的 影响 下 ,金属 离子 4 盘 国 道 能 级 的 分 烈 。 实验 研究 也 证 实 , 生 物 金属 配合 物 的 许多 性 质 , 都 与 配合 物 中 金属 离子 & 能 级 的 分 裂 有 关 。 我 们 知道 ,中 心 金属 离子 的 避 轨 道 有 五 种 , 即 gs.as.ds:.ds ,和 4::。 这 五 种 & 轨道 的 能 * 所 谓 生 物 配 位 体 是 指 生物 体内 能 同 金属 离子 相互 作用 形成 配合 物 的 离子 和 分 子 。 ° 444° 。 量 本 来 是 相等 的 ,但 当 生物 配 位 体 接近 金属 离子 时 , 由 于 配 位 体 静 电场 的 作用 ,使 五 种 @& 轨道 的 。 能 量 发 生 不 同 程度 的 变化 。 例 如 有 六 个 配 位 体 ,分 别 沿 士 z, 士 y, 士 z 的 方向 向 中 心 离子 接近 而 ”形成 正八 面体 配合 物 ( 如 图 10-1 所 示 的 铁 中 啉 配合 物 模型 ) 时 ,qd:: 和 oy ALS RG A 迎头 相 碰 的 状态 ,在 这 些 轨道 上 的 电子 ,由 于 受 配 位 体 的 静电 排斥 作用 , 因而 能 量 较 高 , 而 q。，、 ds-、dy: 轨 道 的 电子 云 正 好 插 在 配 位 体 的 空隙 中 间 ( 如 图 10-2) ,因而 这 三 个 轨道 的 能 量 较 低 。 于 ”是 ,本 来 能 量 相等 的 4 轨道 便 分 裂 为 二 组 ， 一 组 是 两 个 能 量 较 高 的 4:: 和 dg。 ,轨道 ,习惯 上 叫 做 es 轨道 , 另 一 组 是 三 个 能 量 较 低 的 ds, .ds: 和 9,: 轨 道 , 习 惯 上 叫做 toe, PAA TERA As 叫做 分 裂 能 。 如 图 10-3 所 示 , 能 级 差 Ao 既 与 中 心 离子 有 关 , 也 与 配 位 体 有 关 。 需 要 注意 的 是 ， CH, CH,CH,COOH | HOOCCH, ’ 10-1 — FP EEN MKAL AS 图 10-2 “在 八 面 体 场 中 (4 De Hiilid,._,.A( Bt H id, KR d2_2,dz2 (===) e Ary dynd sz 6Dq or fq ( ae — 6Dq 5 5 Ps dy2_y2,d,2 . 7 Gy, dye, digs / 4 e, | dp_p.d,2 立方 体 (0\) BRKT) — mx Nim (O,) 图 10-3 在 八 面体 配 位 场 中 & 轨道 的 分 裂 ° 445 在 配 位 体 场 的 影响 下 ,五 个 @& 轨道 的 能 量 都 有 提高 ,只 不 过 ee 组 轨道 提高 更 多 。 设 八 面体 配合 物 的 分 裂 能 AA 醒 作为 Anm= (ee) — E (toe) =10 Da nm (10.1) 从 对 称 性 考虑 ,tze 轨 道 是 三 重 简 并 ,ee 是 二 重 简 并 ,并 取信 部 充满 时 总 能 量 为 堆 , 则 有 4 H(e,) +6 五 (tc) =0 (10.2) BK EB (toe) =—4 Danmm, LE (ec) =6 Danmn 如 果 认 为 配 位 体 和 中 心 离子 之 间 是 静电 相互 作用 ， 则 由 量子 力学 微 扰 理论 计算 的 近似 结果 为 对 点 电荷 模型 , 5 eqa* 37 = 5 对 偶 极 子 模型 5 ena‘ rs 10 DqywK= (10.3) (10.4) 10 Danm%.= 式 中 , 。 为 电子 电荷 。 由 (10.3) 和 (10.4) 式 可 见 ,能 级 分 裂 Ao 的 大 小 决定 于 : (1) 配 位 体 场 的 强 55 WR FERC BEA HP 7 BOR A 4),(2) 离子 和 配 位 体 中 心间 的 间距 了 7, (3) 金属 离子 的 本 性 ， 《反映 在 d 电子 轨道 半径 四 次 方 的 平均 值 5) 。 对 其 它 构 型 也 可 作 类 似 讨 论 , 假 定 中 心 离子 和 配 位 体 的 距离 保持 不 变 , 则 有 关系 4 人 四 面体 一 一 9 Mamie 3 Arr 方 体 一 2 人 四 而 体 一 一 9 An mite (10.5) SY BIA LG Bie A Wy tis HEP a HE BE BOT BR Hh ih EEA (CFSE), BAH ” 从 未 分 裂 的 @& 轨道 L AEE AD AY d 轨道 所 产生 的 总 能 量 下 降 值 (参见 图 10-3)。 下 降 念 多 , 即 CFSE 越 大 ,配合 物 也 就 越 稳定 ,所 以 配合 物 的 稳定 性 可 用 CFSE 的 大 小 来 衡量 。 总 之 ,晶体 场 理 论 从 一 个 静电 的 晶体 场 模型 ,提出 了 4 轨道 的 能 级 分 裂 和 稳定 化 能 等 概念 ， 用 以 说 明了 许多 化 学 事实 ,例如 配合 物 的 立体 结构 、 磁 性 、 吸 收 光谱 和 配合 物 在 溶液 中 的 稳定 性 。 等 。 所 以 这 一 理论 从 五 十 年 代 初 以 来 有 较 大 的 发 展 。 但 是 同时 它 又 有 严重 的 缺陷 ， 模 型 也 过 于 简单 , 仅 着 眼 于 金属 离子 和 配 位 体 之 间 的 静电 作用 ,而 未 考虑 它们 之 间 的 轨道 重 登 。 其 实 ， 研 究 已 经 表明 , 当 金 属 离子 与 生物 配 位 体 相 互 作 用 时 ,轨道 的 重 登 是 不 可 忽视 的 。 因 此 ， 对 于 这 个 理 论 的 修正 ， 就 是 要 考虑 到 金属 离子 的 轨道 与 配 位 体 的 轨道 重 释 。 除 用 晶体 场 理 论 解释 配合 物 中 心 金 属 离子 4& 轨道 的 能 级 分 裂 , 用 其 它 方 法 ,如 群 论 方法 也 可 Xt d 轨道 能 级 分 裂 的 情况 作出 解释 。 但 是 ,所 需 的 群 论 知识 较 多 。 然 而 ,由 王 荣 顺 等 建立 的 指 在 论述 d 轨道 分 裂 的 对 称 性 方法 , 仅 用 对 称 性 知识 ,对 外 场 作用 下 办 轨道 能 级 分 裂 的 情况 ， 作 出 既 了 严格 又 可 被 读者 接受 的 讨论 (参见 文献 [89]) 。 © 446。 10.2.3 配合 物 的 分 子 轨道 理论 在 上 面 讨 论 的 晶体 场 理论 能 简单 明了 地 解释 不 少 实验 事实 ,其 作用 是 应 该 肯定 的 , 正 因为 如 ”此 ,所 以 该 理论 至 今 仍 在 运用 。 但 是 ,人 们 不 禁 要 问 , 如 果 处 理 非 极 性 配 位 体 (譬如 非 极 性 的 生物 BHA) , 那 又 该 如 何 解释 呢 ? 显然 ,在 这 种 情况 下 , 配 位 体 与 中 心 金 属 离子 间 的 轨 道 重 登 作用 就 成 了 配合 物 成 键 的 一 个 重要 原因 。 一 些 实验 , 如 顺 磁 共 振 实验 结果 也 证 明了 qd 电子 会 离 域 到 配 位 ” 体 上 去 ,配合 物 的 光谱 (特别 是 含有 z 键 或 & 轨道 的 配 位 体 ) 也 说 明 要 考虑 共 价 特性 所 引起 的 变 化 。 鉴 于 这 些 原因 而 发 展 的 配合 物 分子 轨 道理 论 ， 在 实际 上 已 经 证 明 可 以 说 明 这 方面 的 问题 。 我 们 知道 , 共 价 键 依据 其 对 称 性 质 可 分 为 o 键 和 z 键 。 前 者 绕 键 轴 转 动 键 波 函 数 不 改 变 符 号 ,后 者 绕 键 轴 转 动 180 键 波 图 数 改变 符号 。 同 样 地 , 配 价 键 中 也 有 Oo 配 键 和 z 配 键 。 根据 分 子 轨道 理论 ,由 中 心 离子 M 和 配 位 体 工 的 价 电子 轨道 互相 重 登 , 可 得 配合 物 的 分 子 罗 ， 道 。 现 以 八 面体 配合 物 MLe 为 例 简 述 之 。 设 中 心 金属 离子 M 处 在 直角 坐标 系 和 .了 工 、 和 的 原点 ,六 个 配 位 体位 于 坐标 轴 上 。 金属 离子 ”有 大 个 原子 轨道 可 以 形成 分 子 轨道 ,它们 是 : ns,np,(n—1)d, 这 九 个 轨道 可 分 为 两 组 , 一 组 是 可 与 配 位 体 生 成 以 轴 为 对 称 的 o 分 子 轨道 。 另 一 组 是 可 与 配 位 体 生 成 面 对 称 的 分 子 轨道 。 根据 坐标 系 的 选择 ， 这 两 组 轨道 分 别 为 ; O: 8, Pes Py) Dz ,422,d—-y ew oe ee | | 由 原子 轨道 线性 组 合成 分 子 轨 道 , 必 须 满足 对 称 匹配 的 条 件 。 为 此 ,首先 把 这 六 个 配 位 体 的 o 轨道 线性 组 合 ,以 构成 配 位 体 的 群 加 道 , 然 后 再 把 它 与 金属 离子 的 相应 对 称 轨 道 线性 组 合成 分 子 轨道 。 中 心 金 属 离子 的 六 个 原子 轨道 与 配 位 体 的 六 个 群 轨 道 线性 组 合 形成 12 个 分 子 轨道 ,其 中 6 个 是 成 键 轨 道 ,6 个 是 反 键 轨道 。 按 照 分 子 轨道 理论 , 八 面体 配合 物 的 分 子 轨道 应 由 15 个 轨道 线性 组 合成 15 个 分 子 轨道 (其 中 ,dy,dy: 和 ds: 不 能 形成 5 键 ,而 能 形成 键 ), 其 分 子 轨道 图 如 图 10-4 所 示 。 其 中 “表示 没有 简 并 的 状态 ，e 表示 二 重 简 并 , 忆 和 刀 分 别 表示 两 种 不 同 状 态 的 三 重 简 并 态 , 8 表示 其 波 函 数 是 中 心 对 称 的 ,而 “表示 是 中 心 反对 称 的 。 分 子 轨道 各 能 级 的 相对 高 低 是 由 量子 化 学 计算 和 光谱 实验 确定 的 。 由 分 子 轨 道理 论 知 , 当 一 个 分 子 轨 道 的 能 级 ,接近 于 用 来 建立 它 的 原来 两 方 轨道 中 一 方 的 能 级 时 ,这 个 分 子 轨 道 的 性 质 就 和 接近 它 的 那个 轨道 相似 。 从 图 10-4 还 可 以 看 出 配 位 体 的 o 道 能 级 比 中 心 离子 的 4 轨道 能 级 低 , 生 成 的 六 个 成 键 轨道 比 配 位 体 孤 对 电子 的 BLL AE SR, Al ， 面 六 个 配 位 体 的 12 个 孤 对 电子 将 进入 这 些 成 键 轨道 中 ， 相 当 于 生成 共 价 配 键 。 正如 前 面 记述, 在 一 些 配 合 物 中 , 金属 离子 与 配 体 间 除 有 c 键 合 外 ,还 可 以 有 键 合 。 对 于 类 面体 配合 物 ， 在 金属 离子 与 配 位 体 间 的 o 键 合 中 ， 金属 离子 的 toe 轨道 为 非 键 轨道 。 但 如 果 Bf Am Bt, UREA SAAS Se RAF toe 轨道 重 登 成 x HA. A 10-5 表示 金属 离子 的 tzs 轨 道 与 配 位 体 2 轨道 重 释 的 情形 。 以 上 我 们 简 述 了 八 面体 配合 物 的 情形 ,对 于 其 它 配合 物 的 分 子 轨道 就 不 再 一 一 叙述 ,而 在 后 ° 447 。 Pde 4 lage \\ Wee! ACES 2 \\ 2 ty A \\ X \ \ 和 \ \ 4 \ Je Ay \ eet We yee | AN t, ee Se iat ae abs he od i \\ t / |e panes! eee SEY | \ / 金属 高 子 的 原子 轨道 分 子 轨道 配 体 群 轨道 图 10-4 “ 八 面 体 配合 物 中 o 分 子 轨道 的 能 级 图 10-5 “ 八 面体 配合 物 中 金属 离子 4:e 轨 道 与 配 位 体 p iti ty HAR 续 部 分 我 们 将 详尽 地 讨论 一 些 生 物 金属 配合 物 的 分 子 轨道 计算 ,以 及 由 此 而 得 到 的 一 些 结果 。 10.2.4 配 位 场 理 论 的 应 用 研究 实践 表明 , 配 位 场 理论 可 以 用 来 解释 配合 物 的 很 多 物理 和 化 学 性 质 。 运用 配 位 场 理论 已 经 搞 清 楚 了 a 过 渡 金 属 配合 物 分 为 高 自 旋 与 低 自 旋 的 原因 。 当 一 对 电子 ”处 于 同一 轨道 中 时 ,由 于 两 个 电子 处 于 同一 轨道 比 在 两 个 不 同 轨 道中 的 静电 斥 力 大 ,因而 它们 之 间 将 产生 很 强 的 排斥 作用 ,这 种 作用 称 为 电子 成 对 能 。 如 果 轨 道 的 能 级 分 裂 值 (Au KD, 值 ) 大 于 成 对 能 , 则 电子 就 填充 到 能 量 最 低 的 轨道 (在 八 面体 配合 物 中 能 量 最 低 轨 道 即 是 tee 轨道 ) 。 这 样 ,就 形成 低 自 旋 配 合 物 。 如 果 扫 道 的 能 级 分 裂 值 不 太 大 , 则 电子 将 占有 两 个 能 级 ， 即 尽量 使 不 成 对 的 电子 数 为 最 大 ,从 而 形成 高 自 旋 配合 物 ( 见 表 10-1), 表 10-1 3d- 生 物 金 属 的 自 旋 状态 特征 | ee a 电子 在 ae 和 es 轨道 中 的 分 布 及 不 成 对 电子 数 高 自 旋 络 合 物 | 低 自 旋 络 合 物 Mn d® €t:,)* (e,)*5 (tz,)°1 Fe a® (三 六 (e,g)?5 (t_)°1 Fe** a° (tr) (ec) 4 (face) "0 Co** dd (tse)* (ec (tre)"0 Co?+ d’ (tz,)* (e,)*3 (ts) eg Ve 运用 配 位 场 理论 可 以 解释 配合 物 的 电子 光谱 ， 说 明 配合 物 的 磁性 以 及 用 来 对 配合 物 反应 机 理 进 行 研究 。 从 配 位 场 理 论 可 以 推测 , 金属 将 优先 和 分 裂 能 值 ( 或 忆 , 值 ) 大 的 配 位 体 作 用 ,因为 这 样 具 有 4 448 ， ” 较 大 的 晶体 场 稳定 能 。 一 般 氨 及 腕 的 刀 , 值 比 水 或 其 它 成 键 原 子 是 氧 的 配 位 体 要 大 。 因 此 ， 渡 金 属 将 优先 地 和 氨 而 不 是 氧 成 键 。 对 于 非 过 渡 金 属 , 稀 土 金 属 和 半 充 满 的 Fe 及 Mn 子 , 将 倾 癌 于 优先 和 氧 而 不 是 和 所 成 键 。 这 些 理论 研究 结果 已 经 得 到 实验 的 证 实 。 He UE BORE) 对 配 位 场 理 论 作 了 许多 有 意义 的 研究 工作 。 他 们 提出 了 改进 的 弱 场 方 案 ,使 计算 作用 能 和 矩阵 化 的 方法 标准 化 ,并 应 用 改进 的 弱 场 方案 计算 了 4 及 组 态 正八 面体 配 ” 合 物 的 能 量 矩 阵 元 。 这 些 工 作 在 国内 外 都 占有 相当 的 地 位 。 总 之 ， 从 发 展 趋势 看 ， 配 位 场 理论 已 经 成 为 解释 金属 配合 物 结构 和 性 质 方面 很 有 威力 的 理 i. 10.3 金属 离子 与 核酸 间 的 相互 作用 过 去 曾经 认为 ,核酸 与 金属 阳离子 的 结合 , 系 发 生 在 核酸 的 磷酸 基 团 的 负电 荷 部 位 。 后 来 的 研究 证 实 ,金属 阳离子 在 较 大 程度 上 是 结合 在 含 气 碱 基 上 , 即 与 腺 嗓 叭 和 乌 味 叭 作用 生成 配 位 化 合 物 ， 因 为 这 两 种 碱 基 分 子 为 金属 歼 合 作用 提供 了 合适 的 空间 构 型 。 图 10-6 表示 一 种 稳 定 构 型 。 H,N- re HO---M"* 10-6 ERT SHR A SM HE A AD AT ESS HY GX AVERRERDUE , 4 HBC T- PRIOR FL © OES RITE, RRR Ay PREY NDT 。 跟 c, 相 联结 的 位 于 环 外 的 杂 原子 ,也 许 这 是 形成 有 五 个 成 员 的 一 种 特别 稳定 的 整合 环 的 最 适 位 置 。 10.3.1 人 金属 离子 与 核酸 碱 基 相 互 作 用 的 最 优 配 位 模式 近 几 年 ， 江 寿 平 等 扩 根据 分 子 中 原子 和 离子 之 间 非 键 相 五 作用 的 半 经 验 势 函数 ， 并 应 用 了 BFGS 变 尺度 法 进行 最 优化 处 理 ,研究 了 Na DNA 中 G.C.A.T.G-C.A-I 碱 基 对 和 双 联 体 Veoh} + 6 不 等 的 相互 作用 ,得 到 了 它们 各 自 的 最 优 配 位 模式 。Na+ 与 胞 喀 啶 、 鸟 嗓 叭 、 腺 嗓 叭 、 ， 胸腺 喀 啶 .G-C 和 A-T 碱 基 对 相互 作用 的 最 优 配 位 模式 如 图 10-7、10-8.10-9.10-10、10-11 和 ”10-12 所 示 。 表 10-2 列 出 了 江 寿 平等 运用 离子 -分 子 相互 作用 势能 法 计算 的 Na+ 与 碱 基 A.C 的 相互 作 旺 用 能 ,并 同 ab initio SCF 法 计算 结果 0593 作 了 比较 。 比较 表明 ,两 种 方法 计算 结果 在 数值 上 是 接近 的 ,相对 误差 约 在 8:1 一 13.3% ,与 此 同时 , 我 们 还 可 从 图 10-13 与 图 10-7 至 10-12 的 比较 中 看 到 这 两 种 方法 的 接近 程度 。 此 外 , 由 Coulter 5 ° 449° RAK a (-69.92) 上 - 初 值 点 (- 56.49) 初 值 点 (一 56.49) ~O2 SN 图 10-7 A. 由 初 值 点 到 极 值 点 a 的 Na+ 最 佳 游 动 路 径 ,比例 1:20 | B. Nat 与 胞 喀 啶 相互 作用 的 最 优 位 置 和 相互 作用 能 (kcal/mol) ig 93) ae Soa. 72. 92) | / 7 ~O¢ on 4 | (- 2 09) ae: C - oO - MAK (- 65.43) a4 \ \3—e d (~1.24) CS \ nm - b (—33.87) . RUE a (-72.92) A 图 10-8 A. 由 初 值 点 到 极 值 点 的 最 佳 游 动 路 径 , 比例 1:10 B, Na* 1 0S HLF RARE AULA Ccal/mo]) 大 e(—31.20) 4 Oo / H 初 值 点 (-28.53) | \ i 广 ! H FRG ee C | SS TAN | 初 值 点 (一 28.53) 一 -一 一 wel . ae Oa N——cs = rs: ’ 2 se C N— a(—38.81) \ \ 极 值 点 <(-38.81) 6(-37.78) , B ° 图 10-9 A. 由 初 值 点 到 极 值 点 a 的 Na* 最 佳 游 动 路 径 ,比例 1:5 B, Nat 与 腺 叶 吟 相互 作用 的 最 优 位 置 和 相互 作用 能 (kcal/moly © 450。 y a (-42.06) Le 初 值 点 (一 38 sof } Cs re d | as CD 70) Cy 5 cay shia RE x 初 值 点 ( akan. 点 (- a | / x d(-4,19) BLA a (-42 06) | yo 0’ > 4 ; * O(-34.45) B 10-10 A. 由 初 值 点 到 极 值 点 a 的 Nat 最 佳 游 动 路 径 , 比 例 1:5 B. Nat 与 胸腺 喀 啶 相互 作用 的 最 优 位 置 和 相互 作用 能 (kcal/mol) H 5 (-73.54 = / tA aad H—N¢ / 7 Og at d e(—16.77) 和 AW ; | ae ~¢ co § / Be 26) saree _/ 4 a 3 ee a [peng iy NE ats. 12) f | 图 10-11 Na* 与 碱 基 对 G-C 相互 作用 的 最 优 位 置 和 相互 作用 能 (kcal/ mol) * 极 值 点 a 的 2z BRA z= 0.9879 » OO ~ e(-—35,72) | c(-47.96) H O 〇 B os Cs baa 二 Oo i ek, f(- 18.73) N 5 H 4 Ran Ne—¢ | af 6C—H — 二 -- — iis aia 8 aes eee a er 和 5 gf oa’ 1 ER 可 ea Cc’ d(—42.68) Oo oO b (—55.18) 图 10-12 Nat 与 碱 基 对 A-T 相互 作用 的 最 优 位 置 和 相互 作用 能 (kcal/mol) * 极 值 点 “的 2z 坐 标 为 ?= 土 0.5914 = ° 4516 1 Na* 与 胞 喀 喧 相互 作用 Na Gate 相互 作用 es 452。 表 10-2 离子 -分 子 相 互 作 用 势能 法 与 ab initio SCE 法 计算 N: 与 碱 基 C,.\A 相 互 作 用 能 结果 的 比较 相互 作用 能 (kcal/mol) Na+ 与 碱 基 分 子 的 配 位 位 置 (&) 相对 误差 ab initio | 江 的 工作 dyay t+ +N(3)=2.30, dyes t+ +O(2) = 2.15 | —51.70 | 一 56.49 | 9.26% dyays *N(1)=2.15, 人 / ys sc N | | “Ni 5 \ \3 sc | | sC—H as Se “ua a ee 2 | 0" i SS = cae \ 9 1 ay 10° | 4 | | 已 3 @ -32.9 -24,0 D C 图 10-13 ab initio SCF 法 计算 得 到 的 Na* 与 碱 基 相互 作用 的 最 优 位 置 和 相互 作用 能 (kcal/mol), A. }aeme, B. 19, MENS, C. Re, D. REE! 人 等 一 :对 于 Na(B)-2-3 环 化 胞 苷 酸 等 的 X 射线 晶体 结构 测定 结果 也 表明 ,Na- GC 的 配 位 模式 与 江 寿 平等 由 计算 得 到 的 最 优 配 位 模式 是 一 致 的 。 根据 图 10-7 至 10-13 ,我 们 可 以 推测 出 , 当 Na-* 与 核酸 碱 基 、 碱 基 对 和 双 联 体 + 6 个 .Ye 相互 作用 形成 配 位 化 合 物 时 ,Nat 的 可 能 最 优 配 位 位 置 。 唐 明生 和 刘 若 庄 等 C 用 CNDO/2 方法 对 环 腺 背 酸 (cAMP) 与 Cu” 的 配 位 作用 也 进行 了 理论 研究 。 我 们 知道 ,AMP 是 存在 于 生物 体内 的 一 种 生物 小 分 子 ， 它 作为 第 二 信使 在 生物 体 内 起 着 广泛 的 调节 作用 。 由 于 它 在 活 细胞 中 起 着 重要 的 调控 作用 ， 因 而 日 益 受到 人 们 的 注视 。 近年 来 ,有 关 CAMP 的 理论 和 实验 研究 更 加 广泛 .深入 ,探讨 其 与 金属 离子 配 位 作用 的 理论 计算 也 相继 展开 。 从 唐 明生 等 的 计算 结果 看 , 当 cAMP 分 子 与 金属 离子 相互 作用 时 ， 由 于 其 碱 基 上 的 N; 原子 具有 较 大 的 络 合 能 力 ( 从 图 10-14 可 以 看 出 ,N7、N1、N3 原 子 都 具有 负 的 净 电 荷 。N7 原子 为 一 0.2160;NI1 原 子 为 一 0.1110;N3 原 子 为 一 0.1296, 其 中 N7 原 子 具 有 的 负电 荷 最 多 ) , 因 而 反应 也 将 优先 在 N7 原 子 上 进行 。 一 0.2165 图 10-14 cAMP 的 净 电 荷 分 布 图 进一步 比较 CAMP 分 子 与 cAMP 的 Cu 配合 物 的 电荷 分 布 ( 表 10-3) 可 以 看 出 ，cAMP 分 ， 子 中 P 原 子 的 净 电 荷 为 0.3699，06/，07/，05/，03/ 的 桨 电荷 分 别 为 “0.3970， 一 0.4167， 一 0.2750, 一 0.2802。 而 cAMP 的 Cu2+ 配 合 物 中 的 P 原 子 的 净 电 荷 为 +0.5990,06/,07/,05/， 903“ 的 净 电 荷 分 别 为 一 0.1159, +0.0016, 一 0.2378,， 一 0.2470。 由 此 可 见 ， 金属 离子 Cut SAME 分 子 的 配 位 相互 作用 将 使 得 P 原 子 上 的 净 正 电荷 增加 0.2991, 且 使 得 P 原 子 周围 的 氧 原子 上 所 带 的 负电 荷 大 大 减少 。 这 必然 导致 阴离子 对 P 原子 的 亲 核 进攻 变 得 更 加 有 利 。 因 此 ， 根 据 © 453。 ov cl’ C2’ 02’ vs H(02’) H(C2’) cy 二 H(C3/) H(CI’) H(C4’) 03’ C5’ H(C5’) H’(C5’) N9 C8 C4 C5 N7 Cé Nl C2 NB “N6 a H(N6) ay H’(N6) ae H(C8) ae H(N1) H(C2) Ba 08’ oa O9’ H(08’) H/(08’) H(09’) H’(09’) cAMP .2615 .2081 .0898 .2305 .1189 .0036 .1523 .0266 .0004 .0173 .2802 .3699 .4167 .3970 .2750 .1437 .0268 .0395 :0513 .1568 .2281 .0346 .2160 .3190 .1110 .2118 .1296 .2180 ,1603 .1803 .0419 .1642 0480 净 电 荷 分 布 cAMP 与 Cu++ 的 络 合 物 .1161 一 0.2288 0.0079 0.0984 一 0.2100 0.1515 0.0111 0.1570 一 0.0211 0.0345 0.0411 —0.2470 0.5990 0.0016 —0.1159 —0.2378 +0.1501 — 0.0057 0.0220 0.0359 0.2485 0.3166 —0.0522 — 0.0256 0.3762 — 0.1063 0.3038 0.1157. 一 0.1743 0.2067 0.2130 0.1231 0.2072 0.0880 0.0752 一 0.0669 0.2307 0.2335 0.2298 0.2253 一 0.9432 -1663 0.1362 .1746 .0410 .3006 .2791 .1275 .1576 .1518 .2339 .1359 .1646 .0098 0.1367 .0091 PN RO OR “4 ae cAMP 分 子 水 解 反应 的 实验 研究 结果 :水 解 反应 是 P 原 子 上 的 亲 核 取代 反应 ,可 以 推测 金属 离子 Cu2+ 与 cAMP 的 环 外 氧 原子 的 配 位 相互 作用 可 以 促进 CAMP. 分 子 的 水 解 反应 的 进行 。 从 江 寿 平和 唐 明生 等 的 计算 结果 看 ,对 于 腺 味 叭 碱 基 , 金 属 离子 与 其 配 位 的 最 优 位 置 似乎 不 同 , 但 从 图 10-9 中 同样 可 以 看 出 , 当 Nat 与 腺 顺 叭 的 Ny, 原子 单独 配 位 时 其 相互 作用 势 有 极 小 值 ( 二 37.78、_31.20 kcal/mol) 。 它 们 都 接近 于 其 相互 作用 势 的 最 小 值 因 此 Nat 与 A 的 最 优 配 位 模式 易 受 环境 影响 而 可 能 产生 Na 与 A 的 Ns*、N; 原子 配 位 的 最 优 配 位 模式 .必须 指出 ， 我 们 这 里 所 讨论 的 例子 仅 只 是 Nat 与 单个 碱 基 的 最 优 配 位 模式 。 然 而 , 当 Na* 与 配对 碱 基 (A- T.G-C) 或 DNA 中 双 联 体 + cc}. ¥ 各 个 相互 作用 时 ,它们 之 间 相 互 作用 势 的 极 值 情况 与 单个 碱 zx” 基 跟 Na- 相互 作用 势 的 极 值 情况 是 有 较 大 变化 的 ( 详 见 文献 [5]) 。 总 之 ,尽管 金属 离子 与 核酸 相互 作用 的 配 位 位 置 问题 的 理论 计算 还 存在 着 许多 困难 , 但 我 们 仍 有 可 能 通过 金属 离子 与 核酸 中 的 碱 基 、 碱 基 对 、 螺 旋 双 联 体 或 单个 核 背 酸 等 相互 作用 的 理论 计 ” 算 ,为 了 解 金属 离子 在 核酸 发 挥 其 生物 功能 时 所 起 的 作用 获得 一 定 的 轮廓 性 认识 。 10.3.2 金属 离子 对 核酸 构象 稳定 性 的 影响 我 们 知道 ， 核 酸 的 生物 学 功能 是 与 其 一 定 的 构象 相 联系 的 。 近 些 年 来 ， 核 酸 构象 的 研究 引 起 了 人 们 极 大 的 兴趣 ， 国 际 上 许多 实验 室 都 开展 了 这 方面 的 研究 。 从 量子 生物 学 角度 研究 核酸 分 子 的 构象 变化 对 其 生物 学 功能 的 影响 已 发 展 成 为 士 分 活跃 的 领域 (参见 第 9 章 ) 。 在 导致 核酸 构象 发 生变 化 的 因素 中 ,金属 离子 的 影响 是 不 可 忽视 的 因素 ,因而 有 关 这 方面 的 量子 力学 计算 也 = LAT BH. 实验 已 经 证 实 ,由 于 DNA F938 Hi ER (polyelectrolyte) HER, EMMRNREHRA 地 与 所 处 离子 环境 有 关 。 随 着 相反 的 离子 浓度 的 增加 ，DNA 的 解 链 温 度 也 增加 ， 这 点 已 为 单价 的 、 二 价 的 和 三 价 的 5 金属 阳离子 的 研究 所 证 实 。 它 表明 相反 离子 对 双 螺 旋 起 着 稳定 的 作用 。 通 过 特定 的 离子 类 型 和 离子 浓度 ,已 可 在 DNA 中 引起 二 级 结构 的 转变 。Pohl 和 Jovin'**! 已 经 观察 到 在 交替 的 共 京 物 (dG-dC) 中 由 于 溶液 的 离子 强度 被 改变 而 存在 一 种 可 逆 的 构象 变 化 。Haulon 及 其 合作 者 通过 园 二 色谱 分 析 得 出 DNA 的 B>C+ A 构象 变化 的 引起 是 由 于 离子 类 型 和 离子 强度 在 起 作用 51。 还 有 人 证 明 闭 合 的 环 状 DNA 的 双重 转动 角 取 决 于 离子 类 型 和 浓 度 握 1。 这 样 一 些 以 及 其 它 一 些 实验 都 证 实 了 , 核酸 的 结构 对 于 与 之 相 作用 的 金属 离子 的 浓度 和 类 型 颇 为 敏感 。 对 于 DNA 中 这 种 专 一 性 结构 变化 与 特定 的 相反 离子 的 结合 方式 的 理论 研究 ,已 经 发 表 了 一 些 报告 ,其 中 提出 了 两 种 有 关 相 反 离 子 结合 的 模型 :一 种 是 直接 的 “定点 结合 ”(site binding) ,这 种 结合 出 现在 相反 离子 固定 于 特定 位 置 ,譬如 一 个 磷酸 或 一 个 碱 基 时 ， 另 一 种 假想 的 模型 是 云 FRE” (atmospheric binding)， 在 这 种 模型 中 被 结合 的 相反 离子 在 带 正 电荷 的 磷酸 基 困 附 近 形 成 可 流动 的 云 。 这 两 种 模型 的 普遍 性 , 记 今 还 设 有 明确 的 实验 验证 ,但 鞠 同 这 一 种 或 另 一 种 模型 的 实验 还 是 比较 多 的 。 例 如 碱 金属 与 DNA 相互 作用 的 核磁 共振 研究 表明 二 ,Na 和 ”Rb 有 一 种 象征 性 流动 结合 的 怨 耶 速率 , 而 电 泳 流动 性 研究 则 支持 在 特定 位 置 结合 Li 、Na “和 天。 以 上 我 们 就 金属 离子 与 DNA 的 结合 方式 的 研究 做 了 简略 叙述 ， 下 面 将 介绍 定点 结合 方式 © 455 ¢ 表 10-4 某 些 金属 阳离子 -(OH),PO:, 配合 物 的 平衡 几何 构 型 和 能 量 中 .95 82.2 |-649.0516 Lit 115.55 2.29 1 Lit 107 2.33 1.88 87.1 —649.0573 Be?+ 115.55 1.92 1.69 73.8 - 1+655.0000 — Be*t 95 2.00 1.48 85.0 —655.7614 Nat 115.55 2.66 2.25 Nat 110 2.70 2.21 —803.4261 Mg?* 115.55 2.34 1.99 . —840.9210 Mgz+ 102 2.43 1.89 91.5 —840.9432 LiH,0* 107 2.33 1.88 87.1 —725.1289 BeH,0*+ 95 2.00 1.48 85.0 一 732.1092 @ 所 用 单位 ; 距离 A、 角 度 、 能 量 Hartree。 @ 相同 离子 的 两 行 中 ， 第 一 行 角 O,PO: 用 实验 值 ， 距 离 进行 优化 ; 第 二 行 两 者 都 进行 优化 。 金 属 - HOMIES OPormy 0.096nm (At ay 3 (H) 图 10-15 © 456° 的 ab initio SCF 计算 以 及 由 Pack 提出 的 一 种 新 的 理论 模型 。 Liebmann 等 于 1982 年 发 表 了 他 们 采用 具有 扩展 的 `, 双 “ 正极 化 基 组 的 ab initio SCF 法 ， | 对 (OH);PO:- 与 Li+、Na+、Be+ 、Mg 形成 的 矶 酸 阴 离子 -金属 阳离子 配合 物 进行 研 究 的 论 —_— sss” °°), Seb IL fa Hy 2H (P| 10-15) 选 用 了 在 B-DNA 中 国定 的 OPO, 键 角 以 及 对 该 键 角 进行 优化 处 理 的 两 种 计算 结果 列 于 表 10-4。 这 个 表 表 明了 ,在 形成 配合 物 时 O,PO, 角 明 显 减 小 ， 其 阳 离 子 影响 的 次 序 为 Na+[(OH),PO,M]*77! = —[(OH),PO,-M-H,0]7~' ¥{ Lit, Be’*# (OH)PO. 89 C, 对 称 性 配合 物 计 算 的 总 能 量 有 力 地 提示 ， 金属 阳离子 与 磷酸 形成 配合 物 时 宁可 采用 C ,对 称 性 。 表 10-6 给 出 了 根据 对 (OH):PO:-、 对 Cz 和 C. 进 行 了 优化 的 (阳离子 -HPO, ) 以 及 对 水 合 Lir、Be “与 (OH):PO:- 的 配合 物 进 行 了 Mulliken 布 居 分 析 而 计算 的 总 原子 电荷 ， 这 些 结果 可 以 作为 在 配合 物 中 从 阴离子 到 阳离子 的 电子 “捐赠 ?的 度量 。 从 此 表 可 以 看 到 ,在 C:, 对 称 性 配 合 物 中 ， 从 (OH):PO: 到 阳离子 电子 转移 的 程度 分 别 是 0.05，0.46，0.75 和 1.4e, 即 Nat< _ LitM。 % 10-7 人 金属 阳离子 -(OH),PO,- 配 合 物 的 键 重 拓 布 居 类 型 | 对 称 性 P—O, | P—O, | P—O, | O,—H | M—O, (OH) ino H,PO,- G,: iy a 1.22 0.53 0.73 H,PO,Li = 0.83 0.83 0.73 0.69 0.35 H,PO,Na C., 0.99 0.99 0.70 0.70 0.02 (H,PO,Be)* G.. 0.59 0.59 0.89 0.67 0.74 (H,PO,Mg)* 人 0.73 0.73 0.82 0.68 0.47 H,PO,Li C, 0.54 1.37 0.67 0.72 0.30 (H,PO,Be)* ic. 0.21 1.33 0.67 0.70 0.91 H,O 0.69 (LiH:O)+ C:， 0.16 0.65 (H,PO,LiH,O) Ons 0.81 0.81 0.73 0.68 0.36 0.22 0.65 (BeH,O)** C., 0.87 0.63 (H,PO,BeH,0) + Gi; 0.62 0.62 0.99 0.67 0.67 0.87 0.63 由 于 金属 离子 与 这 些 氧 结合 而 使 键 增强 , 且 人 金属 离子 水 合作 用 显示 出 对 Be?*$— Re 键 稍 AR 而 对 Li * — a a AD MM FR 7} 由 以 上 讨论 可 以 看 出 ， 在 没有 直接 的 实验 证 据 以 确定 金属 离子 是 否 通过 改变 多 聚 体 组 分 单 元 的 电荷 分 布 或 静电 势 ， 以 使 多 核 苷 酸 的 构象 和 稳定 性 受到 影响 的 情况 下 ,Liebmann 等 的 计算 指示 了 不 同 的 金属 离子 有 不 同 的 作用 机 理 , 这 对 于 探讨 金属 离子 对 核酸 构象 和 稳定 性 的 影响 是 有 意义 的 。 表 10-6 和 表 10-7 还 告诉 我 们 ,对 于 Nat 只 有 非常 小 的 电荷 转移 至 它 , 而 Nat 二 O 键 的 重 迭 布 居 则 可 忽略 。 这 样 的 Na 在 与 磷酸 的 结合 中 实际 上 是 完全 离子 型 的 , 仅 通过 它 的 势 对 磷酸 势 场 的 友 加 来 改变 核酸 的 固有 稳定 性 。 而 Li+ .Be+ Mg+ 则 以 一 定量 的 电子 转移 和 金属 离 子 一 氧 键 的 重 迭 布 居 来 形成 共 价 复合 物 。 与 单价 阳离子 比较 ， 二 价 阳 离子 M82+ 和 Be?*x}-F ie * 458 « FF 电荷 分 布 有 更 大 影响 ， 净 为 突出 的 是 Be2+ 。 根 据 对 离子 大 小 与 共 价 程度 关系 的 分 析 , ATA Bi 员 比 钠 大 的 碱 金 展 离 子 也 将 形成 离子 型 的 配合 物 ,而 碱 士 金 晨 离 子 如 象 Ca2+ Sr? 仍 RI 可 与 Lit 相 比拟 的 电荷 转移 配合 物 。 除去 在 电子 结构 方面 的 影响 外 ， 人 金属 离子 在 与 ee 酸 的 结合 中 还 影响 了 特定 的 O,PO: 角 ,对 于 Na+、 oe Lit Mg?*, 、Be2+ 而 言 ， 该 20, PO, 的 角度 分 别 为 oe @ 110°,107°,102° #0 95° (W# 10-4), BHA + NA 纤维 中 所 观察 到 的 115.5° .这 一 次 序 与 在 各 自 的 配合 物 中 从 磷酸 到 阳离子 电子 转移 的 相对 程度 相 一 致 ， 反 映 出 了 0, 一 0, 排斥 的 降低 。 这 可 从 表 12-6 看 出 , 在 表 中 Na* Lit Mg** .Be2+ 配合 物 的 这 两 个 氧 原子 具有 的 净 原 子 电 荷 分 别 是 一 1.01， 一 0.88, 一 0.77 和 一 0.52.。 每 个 氧 原子 电荷 的 减少 允 EME HRI. 从 而 导致 角度 的 减 小 .然而 ， 处 于 外 部 的 磷酸 几何 构 型 的 这 种 变化 将 会 沿 着 多 聚 物 的 骨架 传播 ,使 O,PO: 角 关 闭 ,O:PO: 角 打 开 , 最 后 引 起 核酸 构象 的 变化 。 图 10-16 金属 阳离子 与 DNA 片断 结合 示意 图 大 的 如 图 点 表示 固定 的 相反 离子 ， 在 多 阴 离子 邻 、 a : 2+ 现在 让 我 们 进一步 比较 Li- AM Be RAE Ech R TOM RMT Bs ams FAIS File ERR My: RS (LAE 10-5), BR FARR 小 时 点 表示 低 浓度 的 为 这 笠 的 比较 将 有 助 于 我 们 了 解 这 两 种 金属 与 磷酸 RO me 的 相互 作用 。 其 中 ,磷酸 -Lit 相互 作用 为 H;O-Li+ 相 互 作 用 的 4.4 一 4.9 倍 那么 大 ,而 对 于 Be’, ”其 比率 是 2.9 一 3.4.。 XBW TES RRM He AEA Hh, Lhe Be2+ 来 ,Li+ 能 够 失去 更 多 的 水 合 永 。 由 此 可 以 得 出 这 样 的 结论 ;Li+ 更 容易 同 磷酸 形成 直接 的 配合 物 , 而 Be? 则 能 够 以 保 持 第 ”一 水 合 层 的 方式 相互 作用 。 基于 10.3.1 所 述 的 各 种 不 同 的 实验 事实 ， 为 了 解释 金属 离子 和 核酸 的 相互 作用 ,Pack 提 出 了 一 种 新 的 理论 模型 一 一 高 盐 模型 (higt-salt model)5。 其 图 示 见 图 10-16, Pack 将 DNA 多 聚 体 看 作 由 实验 确定 的 几何 构 型 上 ,经 理论 上 确定 的 电荷 分 布 的 一 串 磷酸 基 团 来 考虑 。 这 些 磷 酸 基 团 的 c 部 分 ( 即 占用 位 置 ) 含 有 固定 的 金属 离子 。 就 每 一 磷酸 -金属 离 子 对 而 言 , 其 相对 位 置 及 电荷 分 布 由 ab initio MO 理论 确定 .其 余 的 未 占用 位 置 (1 一 c) 部 分 有 一 种 相反 离子 云 ,通过 引入 以 Debye-Hiickel 近似 表达 02 的 有 效 介 电 常 数 来 屏蔽 这 些 未 占用 了 磷 ” 酸 基 团 的 势 。 于 是 ,含有 m 个 磷酸 基 团 的 双 螺 旋 的 静电 自由 能 可 表示 为 Ba= yt yee +a(1—a) BY + i=] j>i +a€l —@) BY +C1 =a)’ EY) (10. 6) (12.6) 式 中 的 四 种 相互 作用 类 型 分 别 表 示 :(1) 磷酸 基 团 ; 和, 都 由 定点 结合 的 金属 离子 所 占 © 459 用 ，(2) wae AL, NE ) 未 占用 ;(3) 磷酸 未 占用 而 磷酸 ) AAs GC) 磷酸 起 了 位置 都 未 占用 。 各 类 相互 作用 能 表达 如 下 ， Bi) = Se (10.7) I=10 和 n n 0 ESP = 5 Dara aca (10.8) l=] v=] | ri 一 ro i=] =] 历久 一 yy -一 - Dektri-tst ; (10.9) gee Sp ropa ben (10.10) l=] v=] TL 在 (10.2) 式 至 (10.5) 式 中 ， 指 标 1! An sy Rae i,j 的 原子 ,9 和 gl BE 的 和 未 占用 的 位 置 而 言 的 原子 电荷 .ru 是 基 团 ;和 1? 原子 的 位 矢 ,R 是 Debye-Hiickel 参数 ,也 是 上 介 电 常数 。 从 这 一 理论 模型 出 发 ，Pack 的 计算 能 够 解释 在 与 DNA 的 结合 当中 碱 金属 间 的 差异 ,其 结 果 与 碱 侈 属 诱导 DNA 由 也 形式 向 C 形式 转变 中 所 观察 到 的 次 序 一 致 。 理论 计 算 也 与 对 这 些 © 金属 离子 所 观察 到 的 缔 合 常数 以 及 所 观察 到 的 作为 离子 强度 函数 的 解 链 温 度 的 变化 一 致 。 且 由 计算 结果 还 可 得 出 这 样 的 结论 , 即 在 离子 强度 低 时 ,所 有 的 碱 金属 阳离子 都 将 对 DNA 的 结构 产 生 类 似 的 影响 ， 结 合 方式 主要 是 一 种 在 聚 阴 离子 附近 的 可 流动 性 相反 离子 的 缔 合 。 当 碱 金属 离 子 浓 度 增加 到 1~2 mol/L 或 者 更 高 ， 便 有 相当 一 部 分 磷酸 被 固定 的 相反 离子 所 圳 用 。 而 这 种 SAME PH RSW SETS ON eA ee 应 。 以 上 我 们 仅 就 金属 离子 与 核酸 间 相 互 作用 的 量子 生物 学 研究 的 两 个 方面 作 了 简 述 ， 当 然 这 是 远 远 不 够 的 。 但 是 ， 我 们 清楚 地 看 到 ， 通 过 对 金属 离子 与 核酸 相互 作用 的 研究 ， 大 们 已 经 认 识 到 , 核酸 的 杂 环 碱 基 .磷酸 基 团 和 核糖 (或 脱氧 核糖 ) 的 若干 位 置 均 可 成 为 实际 上 与 金属 离子 相 互 作用 的 位 置 ,不 同 的 金属 离子 有 不 同 的 优先 结合 ,同一 金属 离子 因 反应 条 件 的 变化 可 以 改变 其 结合 的 位 置 。 总 之 ， 金 属 离子 与 核酸 间 的 相互 作用 是 复杂 而 多 样 的 ， 对 核酸 结构 和 功能 的 影响 ， 同样 是 复杂 而 多 样 的 。 璧 如 在 核酸 传递 遗传 信息 的 许多 过 程 中 ,都 离 不 开 金属 离子 的 作用 , 闵 管 这 些 作 用 的 许多 细节 目前 还 不 十 分 清楚 ， 但 近 几 年 来 量子 生物 学 在 这 些 问 题 上 的 研究 已 经 获得 ， 不 少 有 益 的 信息 。 我 们 的 任务 之 一 ， 就 是 要 更 深刻 地 揭示 这 些 作用 的 机 理 ， 并 尽 可 能 地 在 电子 水 平 上 给 予 解释 。 10.4 金属 离子 与 蛋白 质 的 相互 作用 大 多 数 天 然 存在 的 金属 离子 常常 与 蛋白 质 结 合 在 一 起 ， 因 而 ， 研 $ 金属 离子 与 蛋白 质 之 间 二 的 相互 作用 ， 以 及 这 些 相互 作用 对 蛋白质 结 构 和 功能 的 影响 ， 帮 是 一 个 极为 重要 的 课题 。 e 460 2 Pr 由 10.2.1 知 ， 所 有 的 氨基 酸 、 肽 和 蛋白 质 均 可 作为 配 位 体 和 金属 离子 相 互 作用 而 生成 配 ” 合 物 。 这 些 配 合 物 在 生物 体 中 的 功能 因 其 结构 而 异 。 有 些 金属 蛋白 质 用 于 金属 离子 本 身 的 贮存 和 运送 ， 如 铁 蛋 白 用 于 贮 铁 ， 铁 传递 蛋白 用 于 运送 铁 ， 血 浆 兰 铀 蛋白 则 在 血浆 中 和 血清 中 贮存 ” 铜 等 等 ， 有 些 金属 蛋白 质 则 用 于 作为 电子 传递 体 ， 如 细胞 色素 类 在 线粒体 的 氧化 磷酸 化 和 叶 绿 体 的 光合 作用 中 起 作用 ， 铁 硫 蛋 白 则 在 光合 作用 、 固 氛 作 用 和 委 族 化 合 物 的 生物 合成 中 起 重要 fH. 还 有 一 些 金属 蛋白 质 能 够 运送 氧气 供 生 物体 所 需 ， 称 为 氧 载体 ， 如 血红 蛋白 , 肌 红 重 白 、 血 此 蛋白 和 血清 蛋白 等 。 以 下 我 们 将 主要 讨论 金属 -蛋白 质 配 合 物 的 量子 生物 学 研究 。 10.4.1 人 金属 离子 对 蛋白 质 能 带 结构 的 影响 蛋白 质 中 能 量 和 电荷 迁移 不 仅 在 它 的 生物 学 功能 中 起 着 重要 的 作用 ， 而 且 也 展示 了 美好 的 应 用 前 景 ( 如 有 机 半导体 ， 有 机 超导体 )。 为 了 描述 这 种 能 量 和 电荷 迁移 ， 人 们 就 蛋白 质 中 不 同 的 氨基 酸 残 基 ， 这 些 氨基 酸 残 基 侧 链 的 无 序 排列 、 蛋 白质 构象 的 变化 以 及 水 和 金属 离子 等 对 能 量 和 电荷 迁移 的 影响 ， 进 行 了 若干 理论 研究 。 其 中 ， 有 关 蛋 白质 的 能 带 结构 以 及 金属 离子 对 蛋 白质 能 带 结构 影响 的 研究 ， 已 经 取得 了 一 些 进展 。 我 国 的 科学 者 肖 奕 和 陈 润 生 等 ”运用 最 近 邻 唱 胞 相互 作用 近似 下 的 CNDO/2 SCF LCAO CO( 唱 体 轨道 ) 法 研究 了 金属 Nat 对 蛋白 质 能 带 结构 的 影响 他们 选取 具有 代表 性 的 周期 蛋白 质 模 型 一 -- 聚 甘氨酸 [以 下 简称 poly 《G1y)]， 对 两 种 Na* 与 poly(G1y)》 作 用 的 复合 体 ( 见 图 10-174 和 BET RHE. 图 10-17 A. poly(Gly-Na*)I, B. poly(Gly-Nat) II‘ fyNat 与 肽 平面 的 几何 关系 表 10-8(a) 和 (27) 分 别 是 poly(Gly-Nat+)I 和 poly(Gly-Na*)Il 的 能 带 结构 。 表 10-9 是 它 们 的 价 带 和 导 带 的 位 置 、 带 宽 的 比较 。 表 10-10 则 是 它们 的 禁 带 宽度 的 比较 。 从 表 .10-8(a) 和 表 10-8(2) 可 以 看 出 ， 当 poly(Gly) 与 Na+ 作 用 时 ， 整 个 体系 的 能 带 位 置 向 下 移动 了 相当 大 的 距离 ， 几 乎 所 有 的 能 级 的 能 量 值 都 为 负 。 比 较 poly(Gly-Na*)I 和 poly 《Gly-Na+)II 不 难看 出 ，Nat+ 结合 到 肽 平面 不 同 的 原子 ， 其 能 带 结构 变化 的 程度 也 不 相同 。 当 Nat 结合 到 状 基 氧 原 子 时 ， 禁 带宽 度 与 poly(Gly)54 的 (10.421eV) 相 比 ， 没 有 改变 ; 价 带 的 宽度 增加 为 boly(G1y)(0.38leV) 的 2 倍 ， 导 带宽 只 有 poly(Gly)(0.490eV) 的 四 分 之 一 。 HG Na+ 结 合 到 肽 键 的 所 原子 时 ， 禁 带宽 碱 小 了 约 0.9eV， 价 带宽 也 是 poly(Gly) 的 2 倍 ， 但 导 带 宽 变化 很 小 ， 仅 减 小 了 ~0.03eV。 在 这 两 种 情况 下 ， 导 带 都 比价 带 窄 .poly(Gly-Nat+)I 和 ae 461 表 10-8 (a) poly(Gly-Na+)I 的 能 带 结 构 ( 单 位 ， eVy) s 王 表 Ey;,(k.a) | E,..(k.a) AE 28 0.762(0) 2.014( 7) 1.252 27 0.027( = /2) 0.163(0) 0.136 26 —1.279(3 2/4) —0.762(0) 0.517 25 —3.102(0) —2.667( =) 0.435 24 — 4.354(9 x /10) —3.510(0) 0.844 23 —5:415( 9/4) —4,979(3 x /42) 0.436 22 —5.689( 7/2) —5.415( 7) F 0.274 21 —6.558(0) —5.605(9 « /10) 0.953 $ 2.395 | 20 —6.884(0) —6.286(2 2/5) 0.598 19 —7.374(0) —6.639( 7) 0.735 18 —7.728(0) —7.428( 2) 0.300 17 一 8.462(2 工 /5) —8.027(3 7/4) 0-435.) 1 252 16 —9.279(0) —8.326( 7) 0.953 15 一 9.605(0) —9.333(3 /5) 0.272) 9 544 14 —9.877(0) —9.551(3 7/5) 0.326 13 —13.306(0) —11.211(3 7/4) y 2.059 12 —14.884( 7/2) —14.775(0) 0.109 11 一 26.013(0) 一 25.305( 元 ) 0.708 10 一 27.727(0) —27.264(2 2/5) 0.463 9 —29.496(0) —28.353( 7) 1.143 8 —32.271( « /4) —31.155( 7) 1,113 7 —35.074( 2) —32.734(0) 2.340 6 —37.387( 7) —36.434( 2/4) . 0.953 5 —40.026(0) —38.965(2 7/5) 1.061 4 —41.958( 2/4) —40.407(37 /4) 1.551 3 —51.862( x) —46.203(0) 4.659 2 —58.692( 7) —56.733( 7 /2) 1.959 1 —72.297(0) —59.998( 7) 12.299 注 : HPL MEL... AWA PUM LWIA, ADAM, kK, a 为 平移 周期 。 ‘ poly(Gly-Na+)II 导 带 和 价 带宽 的 比 分 别 为 ~1/7 和 5/7( BH WL # 10-9 和 10-10), Ladik 和 Rozsnyai 等 "5 对 DNA 能 带 结构 研究 结果 也 表明 ， 人 金属 离子 对 能 带 结 构 的 影响 和 结合 的 部 位 有 关 。 ~ 从 图 10-18( A) AB) AWA, 45 poly(Gly)09 相 比 ,原子 净 电 荷 变化 较 大 的 是 下 和 NK 原子 ， 约 改变 了 0.1a.u.。 由 于 Nat 的 吸引 ， 电 子 发 生 转 移 。 在 poly (Gly-Na*)I 和 poly 0.120 _9 959 = -0.112 | To . 432 lib 1 人 406 So ON AN, 7 ~ 0.062 N 0,027 Joel oe Pi H 0.185 72-078 0,192 A B 图 10-18 A.. poly(Gly-Na*)I,B.poly(Gly-Na*)II 的 原子 净 电 荷 ( 单 位 ，a.u.) © 462° 表 10-8(6) poly(Gly-Nar)II 的 能 带 结 构 ( 单 位 ，eV) EB nin(k.a) EB ,,(k.a) AE 0.054(0) 1.143( 7) 1.089 —0.789( = /4) —0.463( 7) 0.326 —1.660(3 7/5) —1.497(0) 0.163 — 3.837(0) —3.537( 7) 0.300 — 4.843( 7 /2) —4,272(7) 0.571 —6.041(0) —5.605(7)- 0.436 —6.694(0) —6.422( 2/2) 0.272 —7.374( 7) —6.694(0) 0.680 一 8.136(0) 一 7.592(9z/10) 0.534 一 8.762(0) —8.136( 7) 0.626 ) 1-170 —9.034( 7/4) —8.462( 7) 0.572 —9.306(0)- 一 9.034(3 /4) 0.272 ) 0-844 一 10.0040(0) —9.605( 7) 0.435 —10.503(0) —10.068(3 7 /4) vena ook —11.183(0) —10.394(37/4) 0.789 —14.176(0) —11.401( 7) 2.765 —16.516( =) —16.054(0) 0.462 —26.747(0) —26.040( 7) > 0.707 —28.707(0) —28.026(3 7/5) 0.681 9 - —30.611(0) —29.169( 7) 1.442 sm —33.196( 7/4) —32.108( 7) 1.088 7 —36.108( 7) —33.523(0) 2.585 6 —38.339( 7) —37.332(2 7/5) 1.007 5 —41.441(0) —40.244( x) 1.197 ~ A —43.209( x /4) —41.577(9 # /10) 1.632 3 —53.522(«) —47.019(0) 6.503 2 —59.998( 7) —57.440(2/2) 2.558 ape —74.474(0) —61.495(x) 12.979 % 10-9 poly(Gly-Na*)I, poly(Gly-Na* ILA) ft #% #0 SF (4 Sl Ain* Fln* +1 RM) (单位 ， eV) 系 Hi Ae 型 Bais Boa AE | | | poly(Gly—Na*)I n*+1 一 14.775 0.109 he —25.305 0.708 poly(Gly—Na*)II n*11 x —16.054 0.462 : n* —26.040 0.707 poly(Gly—H,0)I n*4+1 —0.272 0.463 n* —11.129 0.299 poly(Gly—H,O)II 表 10-10 poly(Gly 一 Na+)I,poly(Gly 一 Na+)II 的 禁 带宽 度 ( 单 位 ，eV) 系 统 | x ££ 8 - = poly(Gly—Na*)I 10.421 poly(Gly—Na*)II 9.524 (Gly-Na*)II 中 分 别 有 0.30e 和 0.45e 电荷 转移 到 Na+ 离 子 上 。 后 者 转移 电荷 较 多 ， 可 能 是 由 于 在 N 原子 上 有 一 孤 对 电子 引起 的 。 在 poly(Gly-Na+)II 中 两 个 氨基 酸 R 基 几 乎 就 有 一 个 电子 转移 到 Nat 离子 上 。 因 此 ， 在 poly(Gly) 链 中 两 个 氨基 酸 残 基 就 可 能 在 价 带 中 产生 空 穴 。 由 于 价 带 比较 宽 ， 是 比较 利于 空 穴 迁 移 的 。 ” 综 上 所 述 ，Na+ 与 poly(G1y) 作 用 在 不 同 程度 上 使 禁 带 变 窗 ， 使 蛋白 质 向 Ok 导体 的 范围 变化 。 同 时 ，Nat 与 poly(Gly) 作 用 大 都 使 价 带 增 宽 ， 且 价 带 比 导 带宽 。 这 就 表明 蛋白 质 分 “ 子 中 的 空 穴 有 较 大 的 迁移 率 。 这 有 利于 能 量 和 电荷 在 蛋白 质 分 子 中 的 迁移 。 10.4.2 金属 的 葵 合 性 质 对 酶 活性 的 影响 大 量 的 研究 工作 证 明 ， 某 些 含 金 属 的 酶 中 ， 金 属 离子 在 活性 中 心中 占有 一 定 的 地 位 。 目 前 在 已 知 酶 中 约 有 四 分 之 一 含有 紧密 结合 的 金属 离子 或 在 催化 时 须要 用 到 金属 离子 。 在 酶 学 中 很 多 酶 机 制 的 解释 都 要 利用 金属 的 整合 性 质 。 这 些 金属 的 功能 可 用 各 种 物理 方法 加 以 研究 ， 例 如 X 射 线 结晶 学 ， 核磁 共振 ， 电子 自 旋 共振 等 ……， 近 些 年 来 ， 随 着 若干 酶 和 蛋 白质 的 三 维 结 构 在 原子 水 平 上 的 闹 明 ， 有 关 人 金属 离子 结合 酶 活性 中 心 的 量子 生物 学 研究 也 活跃 起 来 。 但 是 ， 正如 我 们 在 第 一 和 第 二 章 中 所 述 的 那样 ， 困 难 和 潜在 的 危险 是 不 可 低估 的 。 迄 今 为止 ， 这 方面 的 研究 尚 处 于 起 始 阶段 ， 理 论 计算 也 比较 粗糙 ， 因 而 我 们 仅 作 简略 介绍 。 业已 知道 ， 酶 分 子 中 金属 的 作用 一 般 是 维持 酶 的 一 种 活性 构象 ， 但 不 少 酶 还 能 同时 形成 由 酶 通 至 底 物 的 一 种 金属 桥 ， 如 丙酮 酸 激酶 中 ; M ATP ei 丙酮 酸 可 见 除了 稳定 构象 之 外 ， 丙 酮 酸 激酶 中 的 金属 离子 还 能 将 一 个 底 物 (ATP) 置 于 适当 的 位 置 使 它 。 激活 。 又 如 ， 不 少 肽 酶 须要 Co** 才 能 表现 最 大 活性 。Co"+ 的 作用 就 是 把 酶 与 底 物 连接 起 来 ， 通过 与 底 物 肽 键 中 电子 供 体 氧 原子 和 所 原子 形成 五 元 环 复 合 物 ，Coi+ 吸收 电子 而 使 肘 键 易 被 水 解 ， 丙酮 酸 激酶 一 H Oo. Rum g Bye? oN ? i tO co ex H vr ES RB O 0 >、`O NS Zn OA Zn* fw } TD glee “a Zn。 *OHG RM 199) *OHGKAM 199) *OH AM 199) 图 10-19 ”碳酸 酝 酶 活性 中 心 过 渡 配 合 物 (Im~)(OH,), n=6 Al n= 4 分 别 相当 于 八 面体 和 四 面体 几何 构 型 ) 的 配 位 性 质 及 CO; HR 应 的 基础 上 ， 归 纳 出 了 若干 有 意义 的 结果 ， 例 如 ， (1) 在 四 配 位 的 配合 物 中 ， OH, 的 平均 结合 能 的 范 围 从 一 78.7 一 一 85.9 kcal/mol。 当 - n= 6 时 ， 相 应 的 能 量 为 一 69.7 一 一 69.9kcal/mol，7?%= 2 时 为 一 102.4 一 一 100.7kcal/mol。 __ 类 似 地 ，OH- 的 质子 亲 合 性 (p4) 跟 配 位 数 也 是 明显 相关 的 。 璧 如 由 Zn**(OH,);(OH-)AypA 值 等 于 155.6kcal/mol， Zn*+(NH;),;(OH~)fy pA 值 等 于 158.1kcal/mol， 可 见 在 氨 取 代 水 后 ，p4 值 的 改变 并 不 明显 ， 而 当 咪 唑 取代 所 后 ,p4 值 有 稍 大 的 改变 (对 于 Zn++(NHs)zCImH) (OH-)，p4 等 于 177.0kcal/mol)。 但 是 ， 这 些 取 代 对 pA 值 改 变 的 影响 ， 远 不 如 配 位 数 增加 到 6 时 (对 于 Zn++(OH:)s(OH-)，p4 值 等 于 -193.8kcal/mol) 那样 明显 。 对 配 位 数 为 & 的 锌 配合 物 所 作 的 研究 表明 ， 配 位 数 增加 ， 结 合 的 水 的 去 质子 化 能 也 增 加 (因而 其 pKa 也 将 "466。 内 Shin); BAR) OH- 上 的 电荷 增加 约 二 1.0 (于 是 其 亲 核 性 也 将 增加 )。( 参 见 表 10-12). (2) 关于 活性 部 位 分 子 模型 吸引 CO,, 在 CO, 的 C 原子 和 配 位 的 OH- 的 O RFA 有 明显 的 吸引 相互 作用 ， 但 跟 配 位 的 OH, 则 没有 那样 明显 的 吸引 相互 作用 。 Zn**OH, Zn**(OH;): _Zn**(OH:2), _Zn**(OHi)s Zn**OH- Zn**(OH,)(OH-) Zn**(OH,),(OH-) _Zn**(OH,),(OH-) Zn**NH, at (Nt) (OH) Zn**(NH,),(OH,) Zn**(NH,)(OH-) Zn**(NH,),(OH-) Zn**ImH wn im Zn**(NH,).(ImH) (OH;) Zn**(NH;).(ImH)(OH7-) Zn**(NH;),.(im~)(OH,) * poes(A), fete (kcal/mol), 表 10-12 锌 配合 物 的 几何 构 型 和 能 量 ” | BE | pA OH- | —113.6 —113.6 1.90 a 一 204.8 一 102.4 1.91 =343.4 —85.9 1.98 —417.9 —69.7 2.10 —413.0 —413.0 81.7 1.70 —474.6 | 109.7 —102.4 | —372.2 1.91 1.72 —567.3| 155.6 95.5) 1 (>310a 1.98 1.80 —603.5| 193.8 eT ae ey 2.10 1.90 984.5 : 一 219.9 一 100.7 1.93 — 3664 —80.5 2.0 —487.4| 112.0 = 367.7 1.75 —587.8| 158.1 一 297.3 1.80 9 —367.8| 167.9 一 384.0 ~78.7 2.0 —592.5| 171.0 —286.6 1.80 —540.6 | 207.3 一 81.8 2.0 BE-NA wi AHS EF (ACA) —B(Zn**) —B(L,)—F(L,)-+*—H(L,) 6 p4= 配 合 物 的 质子 亲 合 性 [p4(OH-)=379.4; pALIM~)=363.9]. 五 五 = 配合 物 中 配 位 体 工 的 平均 结合 能 。 至 :一 配 位 体 工 的 9 或 全 原子 与 r。， 间 的 健 距 离 。 NH, | ImH —134.5 1.98 et 2, 2.0 —95.3 Zed Sas lth Pig 2.0 一 96.8 2.1 一 和 区 1.87 一 93.2 —11'8¢9 2.1 1.95 —93.4 19.2 21 1.95 =96.9 Zid —367.8 1.82 —2_,5.0 1.95 ° 467 « (3) 由 表 12-13 可 见 ， 咪 唑 和 毛 几 乎 转移 相同 数量 的 电荷 给 Zn ,这 是 由 于 两 者 对 Zn 六 有 几乎 相同 的 引力 (有 相同 的 核 间 距 )。 这 也 跟 咪 只 和 氮 的 静电 势 具 有 相似 的 极 小 值 (其 中 咪唑 为 一 82.0， 所 为 一 87.7kcal/mol)02 的 事实 是 相 一 致 的 。 (4) 金属 的 性 质 和 电荷 以 及 配 位 体 的 性 质 和 数目 ， 对 于 决定 结合 的 OW 的 亲 核 性 有 明显 -的 影响 。 is (5) Zn**(OH,);(OH-)# RAN 4 & FE( BE = —603.5 kcal/mol), Zn*+(OH,).f) BE 值 (一 417.9kcal/mol) 比 最 佳话 性 部 位 模 HI—— Zn**+(NH;),(ImH)(OH,) fy BE 值 (一 384.0 kcal/mol) 大 ( 见 表 10-12) 。 表 10-13 和 氨 和 咪唑 结合 Zn 六 的 比较 * BE=824 Bibs & he = EF (Zn**---L)—H#(Zn**)—EF(L), E,=Coulombge€ am: 未 微 扰 片 断 Zaz + 和 工 的 核 和 电子 云 间 的 Coulomb 相 互 作用 。 五 .三 交换 排斥 ， Znz+ 和 工 的 电子 之 间 的 Pauli 原 理 排 斥 。 吾 ,. 三 离 域 能 (电荷 转移 十 极 化 )。 距离 (A) ， 能 量 (kcal/mol) ， 电 荷 转移 ( 毫 电子 单位 ) (6) 锌 -结合 水 的 电离 导致 CO* 的 重 取 癌 ， 而 有 利于 亲 核 进攻 。 ab initio 分 子 轨 道 计算 明显 地 向 我 们 表明 , 锌 离子 在 很 大 程度 上 促进 了 水 的 电离 。 从 反应 PLB A, 最 可 能 的 是 协同 反应 , 即 两 个 试剂 从 两 个 方面 ( 锌 离子 和 氢 氧 离子 ) 同 时 进攻 CO: 分 F: 在 催化 中 心 还 存在 另 一 种 形成 酸 式 碳酸 根 离子 的 可 能 性 : o=C =O O=C—OH- Nae | SZn—0 H- — SZn—0 到 目前 为 止 , 还 不 清楚 哪 一 种 机 理 更 合适 。 10.5 ”金属 -中 啉 配合 物 的 分 子 轨道 研究 正如 我 们 已 经 知道 的 那样 ,中 啉 被 看 作 是 生命 的 关键 分 子 '”) 。 而 未 结合 的 叶 啉 并 不 表现 出 任何 直接 的 生物 学 功能 .但 是 , 当 它 们 一 旦 跟 金 属 离子 结合 成 金属 路 啉 配合 物 时 ,就 会 显示 出 * 468。 ahi 极其 重要 的 生物 学 功能 。 不 仅 如 此 , MO aE HBR IE IR BS Ch Fe?*+,Mg?* .Cu2+ 等 ) 生成 的 配合 物 在 生命 过 程 中 起 着 极其 重要 的 作用 。 10.5.1 中 啉 配合 物 的 分 子 轨道 计算 (一 ) Pullman 等 早 在 60 年 代 初 , 就 运用 简单 的 Hiickel 法 对 金属 离子 -中 啉 配合 物 作 了 分 子 轨道 Tn, | . 在 处 理 金属 -中 啉 配合 物 的 分 子 轨道 计算 时 , 为 了 达到 简化 计算 的 目的 , FEEL ARR Tb WS SRI AROS, FQN OK ASE AS AAS hy (GLP 10-20), 24ubM Hy C1 至 C 8 上 的 氢 原 FA AB BE ER AC AY TE DR OK, A HA LO AT 8 种 ,其 中 CAR Mp wk IX (GLE) 10-21 ) 为 最 重要 , 它 是 血红 蛋白 、 肌 红 蛋 白 和 细胞 色素 中 的 辅 基 的 组 成 部 分 。 其 中 , 备 红 蛋白 和 肌 红 蛋 白 都 是 血红 素 蛋白 , 两 者 密切 相关 ， 它们 都 含有 血红 BEA CEA 基 ) ,而 血红 素 则 为 Fe2+ 与 原 趾 啉 IX 的 配合 物 。 ) co,” co,” Ho—=CH * Hc SyO=CH® i 8HC 上 ca | Saw | 7HC rhe | He =CH ? HC=—CH aoe 图 10-20 hy 图 10-21 JR 1X 由 于 铁 是 生物 体内 含量 最 多 的 微量 金属 元 素 。 尤 其 在 哺乳 动物 体内 约 有 70%% 的 RAELANP 啉 配合 物 的 形式 存在 的 (其 中 包括 血红 蛋白 `, 肌 红 蛋 白 、. 过 氧化 氨 酶 以 及 细胞 色素 等 )， 故 在 这 一 闻 里 ,我 们 将 着 重 讨论 铁 味 啉 配合 物 的 分 子 轨 道 计算 。 首 先 , 看 看 铁 和 它 的 离子 状态 的 电子 结 He), RA EDT Ve RUD RC HD FI. HERR A 26 个 电子 (如 图 10-22 ) ,其 中 18 个 是 处 在 闵 壳 状态 ,余下 的 8 个 中 的 2 个 在 4s 轨道 ,6 个 分 布 在 3d 的 5 个 轨道 上 。 ERIKA A 的 铁 , 有 以 二 价 Fe** 和 三 价 Fes+ 形式 存在 ,其 电子 状态 也 列 在 图 10-22 中 5 。 nT 4 REDE 2 Fe (Is)? Qs)? 2p )§Gs)? Gp)’ Bd) Gs? (人 XXX 人 @® Fe? (Is Qs? Cr GsrGreds GQOODOO O Fe+ (1s)? Qs Qp)§ GBs)? Gp) Gd)? OOODD O 图 10-22 Fe 和 它 的 离子 状态 的 电子 结构 划 线 部 分 是 闭 党 结构 ,可 以 不 予 考虑 。 右 侧 只 表示 余下 的 价 电子 ,个 不 成 对 自 旋 ,他 自 旋 为 0 的 状态 ° 469 « 10.5.1.1 ”铁路 吟 分 子 执 道 的 构造 路 吟 分 子 是 一 平面 共 斩 结 构 。 如 前 所 述 ， 在 1 一 8 位 置 上 可 有 各 种 取代 基 。, 自然 界 中 从 种 类 型 的 中 吟 ,其 区 别 在 于 八 个 位 置 上 的 取代 基 不 同 。 其 中 最 重要 的 是 原 疏 啉 , 它 有 这 样 一 些 取代 基 :1,3,5,8- 甲 基 ,2,4- 乙 烯 ,6,7- 丙 酸 基 。 在 NH, 基 团 中 的 两 个 气 原 子 可 以 被 金属 离子 置换 ,其 中 有 Feit Ms'jg Game SF Mb MAE 白质 可 以 通过 不 同 的 官能 团 相 联结 量子 化 学 研究 告诉 我 们 , 铁 er 电子 的 相互 作用 取决 于 两 者 分 子 轨 道 的 对 称 性 。 Dh ERR Di, PREF, TTD TAY o A x 分 子 轨 道 属 于 群 的 不 同 的 不 可 约 表 示 ， 即 Aig, Ayu, Arg, Au, Bie. Bin, Boe. Bou. Hig FA Ei 1. 7 Hie Ip yh itt Ay, 4 Big, Boe Fl Eire Hem. REARS TA 7 轨道 可 以 跟 属于 同一 ahi) i 7 HAE. 满足 这 种 对 LAS He 3 d,-.3 dy (B15) 和 4p, (An). Ail, (1) 46 BSF he Sh OR ERIE PE), ERY d HBAS S MAE PUR REE 作用 的 只 是 自由 金属 原子 的 空 的 42: 轨 道 。 在 亚 铁 配合 物 中 , 铁 保持 一 对 3Q& 孤 对 电子 和 4 个 未 配对 3d 电子 :在 正 铁 配合 物 中 , 铁 保持 着 5 个 未 配对 电子 。 (2) 在 共 价 亚 铁 配合 物 中 , 铁 贡 献 4 个 3 g& 电子 给 RADI a RH, KAP Sd wy 位 于 3d-. 和 3d,: 轨道。 实际 上 ,在 这 种 配合 物 中 6 个 共用 的 3d 电子 将 成 对 地 占据 三 个 最 低 轨 道 ; 3d.,,.3d,,M3d,.. 在 系统 的 x 相互 作用 中 ， 适 合 于 对 称 性 的 是 4 个 电子 占据 着 的 3 g。 和 3d,. 轨道 。 在 共 价 正 铁 配合 物 中 ,阳离子 仅 贡献 3 个 3 了 电子 给 配合 牺 的 x 系统 ,这 3 个 3d 电子 同样 位 于 3 dg。. 和 3 dv: 轨道 。 Ub Wy AY 7 RHA 24 个 分 子 轨道 和 26 个 电子 。 亚 铁 或 正 铁 离 子 配 合 物 是 25 个 分 子 轨道 和 26 个 电子 的 系统 ; 亚 铁 共 价 配 合 物 是 27 个 分 子 轨道 和 30 个 电子 的 系统 ; 亚 铁 共 价 配合 物 则 是 一 个 27 个 分 子 轨 道 和 29 个 电子 的 系统 。 2. cx- 禾 道 ” 对 于 结合 ,一 般 只 考虑 阳离子 与 中 啉 的 4 个 中 心 氨 原 子 间 相 互 作用 的 计算 ， 而 能 够 跟 所 原子 结合 的 铁 的 轨道 是 ，3 das 和 4s Pi (Ase), 3da2-y Pi (Bie), 4p, Ap. HM 1H ( Bin). 7 个 c 分 子 轨道 。 在 共 价 配合 物 ( 亚 铁 或 正 铁 ) 中 , 34g:: 和 34:-， 轨道 也 跟 氮 原子 的 o 轨道 结合 。 但 铁 原子 并 没有 再 贡献 任何 电子 来 成 键 。 在 此 情况 下 ,是 4 个 氨 原 子 提供 8 个 电子 ,组 合成 9 个 a 分 子 轨 道 。 通过 选择 适当 的 参数 , 对 一 些 原子 的 库仑 积分 和 交换 积分 进行 计算 早已 实现 。 有 关 这 些 参 数 的 选择 和 计算 ,读者 可 参看 文献 ”1。 10.5.1.2 能 级 的 排 布 * 470° 在 离子 型 配合 物 ( 亚 铁 或 正 铁 ) 中 , 其 余 的 SCHL AIR RA ARAM O PIES 站 的 阳离子 的 4s，4p* 和 42: 空 轨道 。 在 此 情况 下 ，c 系统 仅 由 4 个 氮 原 子 提供 的 8 个 电子 ,组 成 ， 表 10-14， 分 子 轨 道 能 量 (8) 及 它们 的 类 型 路 yy i FL ANTE RH FE OT TE BRAD OK —5.72 @ cat YF x f =5.05 * —4.32 o —4.50 @ 一 4.32 cr 一 4.32 ar 一 3.98 2 一 4.32 ¢ —3.98 =z 一 3.91 2% 一 3.91 2 一 3.91 2 一 3.88 7 一 3.88 三 3.15 o 空 分 子 轨道 一 3.88 7 一 3.88 2 —2.86 x =3.83° # —2.86 2 一 2.68 2 一 2.68 区 一 2.68 —2.54 一 2.23 一 2.23 2 一 2.54 # —2.23 = —2.23 元 —1.92 2 一 1.92 xz 一 1.92 2 一 0.81 2 一 0.73 2 一 0.73 = —0.81 2 = 一 个 ,25 元 一 0.25 2 —0.75 # 一 0.25 2 一 0.25 2 一 0.68 o 十 0.31 2 +0.33 2 —0.08 2 十 0.54 2 +0.54 2 —0.08 部 +0.77 « wah UY Af ee 十 0.34 # 十 0.77 = 十 0.77 = 十 0.54 -r +0.77 2 +0.77 x 十 0.77 区 十 0.77 十 0.78 a 十 0.78 « 十 0.93 x $0.93 =z 十 0.87 2 十 0.93 2 +0.93 2 十 0.87 2 +1.16 = +1.16 2 +0.97 = 占据 分 子 轨道 十 1.49 x 十 1.49 zz +0.97 x eT. 5) ae +1.57 2 +1.16 = +1.57 2 +1.57 2 +1.49 2 +1.62 2% +1.62 2x et eae ae +1.90 o +1.62 2 +1.96 o +1.62 2 十 1.96 o 十 1.96 o +1.96 o +1.96 o +2.09 o +2:24 o¢ * 专 指 含 三 个 电子 的 轨道 。 能 量 。 JE Gt TE BEN = 2a - | o 4 iS] Q 一 5.05 —4,32 一 4.32 一 3.98 —3.98 —3.91 —3.13 —2.86 —2.68 一 2.54 noe —0.78 O78, Ono —0.64 Ora na! Bale Ma ae a ea eS a =—0.07* =0 87," +0.34 +0.54- +0.77 +0.78 +0.87 +0.87 =f +0.97 Er 16 F149 a ay +1.62 soy ety 936 +1.96 2; 09 + 2.26 ee We Bae Oe Re am Wea Me Re paket Oe Year mae Teal Joey kath a) 表 10-14 列 出 了 通过 量子 化 学 计算 BB SY) HAH Dad 2 7 BE — & 物 的 分 子 轨道 当然 ,我 们 感 兴趣 的 乃 是 < 轨道 ,尤其 是 HOMO #1 LUMO 的 能 量 值 。 从 表 10-14 可 见 RR 这 两 个 轨道 的 能 量 而 言 ,离子 型 配合 物 与 共 价 配合 物 之 间 存 在 着 明显 的 差别 。 他 。 471° 4] > HF: HF fy HOMO 和 LUMO fH A AE HELARE I Hey OE BENE A oe LEE 和 x 电子 接受 体 。 从 表 10-14 中 我 们 还 可 以 看 出 ， 实际 上 离子 型 亚 RA ERP MAA ND HOMO 和 LUMO 能 量 完全 相同 。 不 仅 如 此 ,就 LUMO 能 量 而 言 , 中 吟 与 这 两 者 相 比 也 是 完全 相同 的 (一 0.25), mb 4 hy HOMO 只 是 较 两 者 的 绝对 值 低 0.02 。 这 就 意味 着 ,离子 型 亚 铁 和 TERED MK BE 是 较 好 的 < 电子 给 予 体 又 是 较 好 的 过 电子 接受 体 。 理 论 研究 结果 还 告诉 我 们 , 这 些 < 电子 实际 上 是 中 吟 骨架 上 的 那些 x 电子 ， 而 铁 的 3d 电子 并 未 参与 成 键 , 上 正 是 这 些 34 电 子 , 它 们 的 轨道 位 于 成 键 r 轨道 之 上 ,从 而 参与 了 这 些 配 合 物 的 氧化 -还 原 过 程 。 生物 化 学 的 研究 表明 ,包含 铁路 啉 结构 的 酶 类 (如 细胞 色素 .过 氧化 物 酶 和 过 氧化 氢 酶 等 )、 血红 蛋白 , 肌 红 蛋 白 等 等 都 是 以 一 个 相同 的 铁 中 啉 环 系 作为 辅 基 或 结合 铁 的 化 合 物 。 然 而 , 象 铁 中 啉 酶 类 这 样 的 结合 蛋白 质 , 其 主要 生物 化 学 反应 的 功能 就 是 集中 在 铁 原子 上 的 。 由 此 可 见 , 理 论 计算 结果 (即使 是 Hickel 分 子 轨道 法 的 计算 结果 ) 与 生物 化 学 的 研究 结果 是 符合 得 较 好 的 。 除 以 上 所 述 外 ;从 表 12-14 同样 可 以 清楚 地 看 到 ,HOMO 和 LUMO 能 量 在 共 价 配合 物 中 是 不 同 的 。 在 这 些 配合 物 中 ，z Hi TU Ay p. 电子 和 铁 原 子 的 34 电子 ， 且 HOMO 和 LUMO 的 能 量 分 布 在 某 种 意义 上 完全 不 同 于 离子 型 配合 物 。 在 共 价 亚 铁 中 啉 中 ，HOMO 表现 出 双重 简 并 , 且 带 有 4 个 处 于 很 高 能 级 的 电子 。 这 些 轨 道 的 存在 意味 着 配合 物 将 具有 极 强 的 电 子 给 予 体 性 质 。 当 然 , 共 价 亚 铁 中 呆 配合 物 不 具有 电子 接受 体 性 质 。 10.5.1.3 电荷 分 布 . 图 10-23 给 出 了 Pullman 等 5 计算 得 到 的 电子 分 布 图 : 亚 铁 和 正 铁 离子 型 配合 物 共 价 亚 铁 配合 物 共 价 正 铁 配合 物 图 10-23 x 电子 的 分 布 从 此 图 可 知 ， 在 离子 型 配合 物 ( 亚 铁 或 正 铁 ) 中 ， 铁 原子 获得 中 啉 电子 系统 的 很 小 一 部 分 电荷 ;在 共 价 配合 物 中 , 铁 原 子 却 把 大 部 分 r(d) 电 子 APPR, 转移 的 部 分 在 亚 铁 配 合 物 中 是 2.558e, 在 正 铁 配合 物 中 是 1.675e。 不 难看 出 ,三 价 阳离子 是 作为 一 个 较 二 价 阳 离子 为 弱 的 qd.- 电 子 给 予 体 而 起 作用 的 。 AR ES TM Be ae 电子 外 ,还 必须 考虑 oc 电子 在 分 子 中 心 部 分 的 分 布 , 其 分 布 的 特征 是 电荷 的 强烈 位 移 ( 见 图 10-24 )。 在 配合 物 的 各 类 型 中 ,o 电荷 的 位 移 是 从 路 啉 环 的 氮 原 子 向 铁 阳离子 - 方向 进行 的 。 被 阳离子 获得 o 电荷 的 量 在 各 配合 物 中 不 同 。 已 经 知道 , 在 共 价 配合 物 中 位 移 的 数值 比 离子 型 配合 物 大 得 多 ,而 共 价 正 铁 中 啉 又 比 共 价 亚 铁 中 啉 大 些 。 如 果 将 图 10-23 和 图 10 _ -24 的 电荷 分 布 迭 加 就 可 得 到 总 的 电荷 分 布 . 在 离子 型 配合 物 中 ,阳离子 所 带 的 总 电荷 为 0.5206; 在 共 价 亚 铁 配合 物 中 ,阳离子 所 带 的 总 电荷 为 2.472e， 而 共 价 IE 铁 配合 物 中 为 2.410 e。 对 铁 +n a ° 472° 离子 型 配合 物 «ONE RA 共 价 正 铁 配合 物 Fl 10-24 ca 电子 在 配合 物 中 心 部 分 的 分 布 而 言 ,在 离子 型 亚 铁 中 啉 中 ,其 净 电 荷 是 1.480e, 而 在 离子 型 正 铁 中 啉 中 是 2.480 e; 在 共 价 亚 铁 NPB Ay 3.528 ©, ESE PIE RUDI 3. 590e。 按 照 这 些 计算 结果 不 难 推测 , 由 于 细胞 色素 的 亚 铁 阳离子 存在 着 较 高 的 净 正 电荷 ,因此 将 此 血红 蛋白 的 亚 铁 阳 离子 更 显 电 负 性 。 同 时 ,我们 也 注意 到 , 共 价 配合 物 的 外 围 矶 原子 上 电荷 的 分 布 超过 了 离子 型 配合 物 。 ， 另 一 方面 ,电荷 分 布 的 研究 将 有 利于 说 明 诸如 细胞 色素 的 氧化 -还 原 跟 分 子 轨道 形成 机 制 的 | 关系 等 等 这 样 一 些 问题 。 图 10-25 显示 共 价 配合 物 最 高 占据 轨道 的 电子 分 布 。 看 来 , 即使 铁 离 子 有 最 大 的 局 部 浓度 (这 一 部 分 只 占 电 子 数 的 20/100 ), 剩 下 的 电子 被 分 布 在 中 啉 的 16 个 碳 原 子 的 范围 。 图 10-25 SE PPAR RRND OK CA) ANTE BEND OK CB) Be hs i He Sa AY > A 10.5.2 NKR A Mi Fue it RK) 在 10.5.1, 我 们 介绍 了 Pullman SXF OpMRA wD THEA RE. 在 那 以 后 , 半 经 验 分 子 轨道 法 乃至 ab initic 法 等 一 些 更 精确 的 量子 化 学 方法 也 相继 被 用 于 生物 金属 配 合 物 的 分 子 轨道 计算 。 随 着 这 些 计 算 方 法 和 理论 模型 的 进展 ， 有 关 人 金属 中 听 电子 结构 的 理论 研 究 正 在 深入 发 展 。 近 些 年 来 ,已 经 发 表 了 大 量 的 研究 报告 ,其 中 仅仅 涉及 铁 中 啉 电子 结构 的 报导 就 有 不 少 , 如 文献 [52 一 62]。 因 此 另 辟 一 节 , 以 便 重点 讨论 ab initio 计算 。 事实 上 ， 早 在 1974 年 ，Alml5f 就 用 最 小 基 集 合 的 ab initio 分 子 轨道 法 对 中 吟 作 了 理论 计 ¥ Si?) 1981 年 ,Kashiwagi 又 用 包括 300 个 收缩 高 斯 型 轨道 (CCGTO) 的 双重 Zeta 基 集合 ab initio 上 LCAO SCF MO 法 对 平面 的 Fe- 中 吟 作 了 计算 (5 。 以 下 我 们 将 着 重 讨论 这 一 理 论 计算 的 一 Ss .473 。 二 \ 上 “080 的 计算 (参见 表 10-15) BAR. (1) REAR E DR ie on pea 强烈 地 依赖 于 铁 的 &。。 ,轨道 的 形式 占据 数 。 “th sus. 4 当 这 个 数字 为 Bt desk} Fe-N 键 的 共 价 化 人 Pita 有 显著 影响 。 其 中 ,q--y 轨道 表现 出 一 种 与 配 oe 位 键 的 性 质 有 关 的 有 趣 的 行为 ， 同 时 还 表现 出 e Ps P LAREN TOMAS RAO RMR. % x 126.454 dx 的 形式 占据 数 为 0 时 ,qg-:- 和 N 轨 道 间 图 10-26 Fe th™ D,, 的 假定 几何 图 形 的 重 返 集 居 大 约 是 0.07。(2) 对 于 中 性 态 , 在 ” 铁 原 子 上 净 电 荷 的 范围 在 1.39 至 1.53 之 间 ( 见 表 10-16)。(3) Fe 的 净 电 荷 也 取决 于 das Bh 道 的 形式 占据 。 : 表 10-15 SCF BRBAdHTSAS 状 态 | Ya. i, ee etc. 加 低 自 旋 居 间 自 旋 "Ale 2 4 0 0 —2243.6697 °E,(B) 1 3 2 0 .6691 *Bre 1 4 1 0 .6991 SOF 2 3 1 0 PRES yn < 2 2 2 0 .7351 高 自 旋 "Big 1 2 1 2 6822 ‘Bay 2 2 1 1 - 7681 pH OF 1 3 1 1 -7694 5A. 1 2 2 1 .7802 a -FAS + 五 。1 (2 万 :一 io 志 这 .5017 时 (五 ,一 5 a2,)* ,4851 A, CA 1a.) 5151 7. (9Asg— 5 Gry)* ~4979 d -阳离子 ‘Ay, (°2,— 2 e,)* 5305 4 些 结果 , 以 便 与 12.5.1 所 述 Pullman 等 的 工作 作 某 些 比较 。 如 前 所 述 , Kip WRAECLAA 刀 w 对 称 性 的 平面 分 子 .Kashiwagi 计 算 的 分 子 模型 如 图 10- 26 所 示 , 它 包括 186 或 185 个 电子 。 1. 总 能 量 和 电荷 分 布 表 10-15 和 表 10-16 分 别 列 出 了 & 轨道 的 形式 占据 数 和 总 能 量 ， 六 个 低能 态 的 总 原子 轨道 集 居 和 Fe-N 的 重 迭 集 居 。 a F 1 .080 BR! ref DIK PAS He PT A a, Rt AE Fe— lip oy Fy 9 个 低能 态 和 5 个 电离 态 的 SCF pe eA Be Pt TF 2. 基态 和 分 子 轨道 迄今 为 止 , 有 关 非 轴 向 配 位 的 铁 - 中 啉 基态 电子 组 态 仍 是 有 争议 的 问题 (读者 可 参阅 文献 oA e “[63 一 65])。 其 中 ,一 种 可 能 的 基态 电子 组 态 是 ?4xe(d。,)?(d)2(ds)2， 而 另 一 种 可 能 的 基 术 电子 © 474° 表 10-16 总 原子 轨道 集 居 和 Fe-N BERE 原子 轨道 | Are | *Ee | “Ane | "Brg | _ iE | "Aig 总 原子 轨道 集 居 Fe s * 6.19 6.25 6.35 6.25 6.24 6.26 Po 8.07 7 8.05 8.04 8.07 8.05 8.03 . Px 4.09 4.09 4.09 4.11 4.10 4.10 dvs 1.97 1.97 1.97 1.96 0.99 1.00 ys 3.97 2.99 2.01 2.01 2.99 2.01 d,2 0.05 0.99 1.90 1.00 0.99 1.90 a 0.23 0.24 0.25 1.10 1.11 1.12 净 电 荷 1.44 1.42 1.39 1.50 1.53 1.49 N 6.12 6.11 6.10 6.13 6.14 6.14 x 1.48 1.49 1.50 1.49 1.49 1.49 净 电 荷 一 0.60 一 0.60 一 0.60 一 0.62 一 0.63 —0.63 ~ Fe-N GiikSEE Fe s 0.048 0.050 0.036 0.058 0.053 > 0.035 Pe —0.047 一 0.047 一 0.049 一 0.038 一 0.046 一 0.047 Px 0.043 0.041 0.040 0.040 0.044 0.042 d.y 0.002 0.001 0.000 0.004 —0.001 —0.001 d, —0.001 0.002 0.004 0.004 0.001 0.004 d,z 0.013 0.012 0.020 0.009 0.011 0.021 d,2_y2 0.066 _ 0.067 0.060 —0.006 —0.003 —0.002 总 和 0.124 0.127 0 0.076 0.055 0.053 组 分 % 分 子 轨道 占据 数 Fe-d Fe-s, p | N c H 轨道 能 6aze 2 0 0 4 76 20 一 0.525 15aie 1 95 5 0 0 0 一 0.516 2e, 3 98 0 0 2 0 —0.479 19e。 4 0 3 55 > vob 1 —0.475 9D, 2 8- oe 46 46 0 —0.473 9b. 2 82 0 4 10 4 —0.464 1Di。 2 0 0 0 100 0 —0.449 3e, 4 0 0 3 97 0 —0.383 4ary 2 0 2 31 67 0 —0.372 de, 4 1 0 38 61 0 —0.365 2biu 2 0 0 36 64 0 —0.355 5azu 2 0 2 20 78 0 一 0.253 lai, 2 0 0 0 100 0 —0.235 Be, 0 1 0 15 84 0 —0.162 © 475 « MASKED e(dey)*(d,)*(d,*)' 等 等 。Kashiwagi 等 5 根据 对 FeTPP* 的 称 斯 堡 尔 谱 所 作 的 理论 — DUA, Fe-hy AH AE PL. # 10-17 和 表 10-18 47 HAM WABI Le 态 分 子 轨道 的 组 成 和 轨道 能 量 以 及 "到 SH 内 壳 层 轨道 能 量 。 从 表 中 可 以 看 出 :(1) 最 高 占据 轨道 是 1 atw， 它 是 单纯 的 中 吟 < 分 子 轨 道 。 5 az 轨道 能 量 分 别 是 一 0.235 和 一 0.253 a.u,] at 和 5 a2, 的 能 量 间隔 是 0.49 eV ,两 者 都 是 路 “ Wy AY LI, (3) 15 aie、2 ec 和 9 pze 等 三 个 分 子 轨道 主要 由 铁 原子 的 3 & 轨道 组 成 ;它们 分 别 Hy 95% 、98% 和 82%6。 Fe N _{ oe pry Cmeso ® 10-18 “Fe SHARE RW M(a.u) 分 轨 道 能 Ls ‘ i —261.353 2 s TCD 2 p。 —27.352 2 De —27.347 3 s — 4.039 oD, —2.649 3 Pe — 2.646 1s —15.580 1s —11.296 1s —11.255~.253 1s —11.268 * 吡咯 环 的 < 碳 原子 和 吡咯 环 的 B 碳 原子 3. 电离 表 10-19 给 出 用 ASCF 法 计算 的 Fe-mhmy? A, 的 电离 势 。 表 10-19 则 给 出 了 伴随 着 电离 而 出 现 的 电子 分 布 的 变化 。 E 从 计算 的 重 排 作 用 能 (reorganization energy) 看 ， 当 任何 一 个 电子 从 Fed, 轨道 移 开 的 时 。 轨 道 | 阳离子 态 1@iy * 4H ,1 5 azv 4£,2 2 e,(d,) 4Ay * WSR J ** HRLET * FeTPP—k-PUEJE-nhM, © 476° # 10-19 Fe-0hhy °£ WB BA(eV) 观 重 排 作 用 能 ASCF 计算 FeOEP* | | 0.41 5.98 6.06 0.43 6.43 6.48 6.15 5.20 (2) 1 ay, 和 } > 测 的 FeTPP** 6.50 6.80 = = 候 , 此 值 是 很 大 的 。 但 是 , 当 电子 从 中 吟 的 < 轨道 移 开 的 时 候 ,此 值 是 小 的 。 从 表 中 可 以 看 出 ,在 中 吟 的 并 电子 电离 的 情况 下 ,变化 几乎 被 限制 在 中 吟 环 内 。 另 一 方面 ， 在 铁 的 氧化 中 有 相当 数量 的 电子 电荷 从 中 吟 移动 到 铁 上 , 因此 , 铁 上 电子 电荷 的 净 减 少 仅 只 是 0.33。 由 此 可 见 ,在 金属 的 氧化 作用 中 ,中 吟 大 环 起 着 电子 “缓冲 器 的 作用 。 10-20 电离 时 电子 分 布 的 变化 原 F E, ‘Be 1—*E,—10,4|‘B.2—°E,— San | eta yt Fe 24.58 —0.04 0.04 —0.33 N x4 30.41 0.13 —0.10 0.29 Ox x 8 47.90 —0.53 0.24 —0.19 Ge x 8 48.85 —0.14 —0.14 —0.14 Curso x 4 24.73 0.11 —0.52 —0.12 *H,,. x 8 6.46 - —0.36 —0.29 —0.34 Hureso . x4 3.07 —0.14 —0.16 一 0.14 *# 吡咯 环 的 气 原 子 。 除了 Alml6f 等 的 理论 计算 外 , 值得 提 及 的 还 有 了 Rawlings 等 的 工作 , 他 们 对 中 啉 配合 物 的 。 -电子 态 作 了 较 系 统 的 研究 (51.Rawlings 等 在 用 ab initio 法 计算 铁 中 啉 配合 物 的 低能 电子 态 以 及 用 ab initio 组 态 相互 作用 计算 Fer(P)(NHs): 的 单线 态 、 三 重 态 和 最 低 五 重 态 的 基础 上 ,将 理 论 计算 结果 跟 四 配 位 Fex(TPP) 、 五 配 位 高 自 旋 和 六 配 位 低 自 旋 正 铁 和 亚 铁血 红 素 蛋白 质 的 吸 收 光谱 作 了 上 比较， 获得 了 较 满 意 的 结果 。 Sontum FOB X, 多重 散 射 法 对 氧 合 血红 蛋白 模 型 作 了 理论 计算 ,并 就 计算 结果 对 Fe- 配 位 键 的 性 质 和 电子 光谱 进行 了 讨论 。 所 有 这 些 对 金属 - 中 啉 配合 物 电子 结构 与 功能 关系 所 作 的 研究 ， 在 不 同 程度 上 为 我 们 提供 了 一 些 有 意义 的 信息 。 如 果 将 Pullman 的 早期 工作 及 后 来 的 ab initio 等 工作 加 以 综合 , 则 不 难看 出 ,通过 中 HALA 分 子 轨道 的 计算 (事实 上 这 样 的 计算 还 只 能 说 是 初步 的 ) ,已 经 使 我 们 能 够 在 电子 水 平 上 对 铁 -路 | 啉 配合 物 的 某 些 生物 学 功能 有 了 轮廓 性 的 认识 ( 见 下 一 节 ) 。 10.6 人 局 离子 生物 学 功能 的 一 些 量子 生物 学 观点 在 前 面 , 我 们 已 经 讨论 过 核酸 、 蛋 白质 和 酶 中 金属 离子 的 一 些 生物 学 功能 。 其 实 , 金属 离子 在 生物 体内 既 能 对 一 系列 反应 执行 控制 ,同时 它们 又 被 许多 其 它 反应 所 控制 ,从 而 产生 错综复杂 但 又 高 度 有 序 的 反应 体系 。 在 这 当中 ， 人 金属 离子 与 生物 大 分 子 间 的 相互 作用 又 占据 着 十 分 重要 的 地 位 。 问 题 非 常 明 显 , 即 我 们 不 可 能 对 这 些 反 应 体系 的 所 有 方面 进行 量子 力学 计算 ,尤其 是 在 目前 ， 或 许 我 们 只 能 对 其 中 的 某 些 局 部 问题 作出 量子 生物 学 解释 10.6.1 金属 离子 与 生物 大 分 子 相 互 作用 的 若干 问题 10.6.1.1 半导体 掺 杂 观 点 Szent-Gy5rgyi 学 派 曾 假设 过 两 种 最 重要 的 生物 大 分 子 一 蛋白质 和 核酸 ,是 半导体 ma-74 477 这 一 思想 自 40 年 代 提出 后 , Szent-Gy5rgyi 学 派 就 不 断 地 设法 从 禁 带 宽度 计算 方面 来 曾 明 这 二 思想 。 如 果 说 ,通过 理论 计算 和 实验 ,对 蛋白质 或 核酸 的 能 带宽 度 可 以 得 到 类 似 于 本 征 半 导体 的 SERRA) BBA ,微量 金属 离子 就 可 以 认为 是 在 这 种 蛋白 质 或 核酸 本 征 半导体 中 的 摊 杂 (doping) 。 我 们 知道 , 摊 杂 是 微量 的 ,但 对 于 本 征 半导体 的 导电 却 起 着 决定 作用 。 从 这 个 意义 上 来 看 , 金属 离子 虽然 处 于 痕 量 数量 级 ,但 对 于 发 挥 蛋白 质 ( 酶 ) 或 核酸 的 功能 都 是 必 不 可 少 的 。 因 此 ,金属 离 子 和 生物 大 分 子 间 的 相互 作用 在 电子 层次 上 的 研究 途径 之 一 ， 就 可 能 是 通过 借鉴 固体 物理 学 的 思想 和 方法 来 探讨 微量 金属 元 素 对 蛋白 质 或 核 酸 的 禁 带 宽度 的 影响 及 其 在 这 些 半 导体 中 的 作 Fil. . 我 们 已 经 知道 ,在 生命 系统 中 , FE — cE HR 度 条 件 下 , 某 些 微量 金属 元 素 坊 是 生命 活动 所 必须 的 ,而 一 些 元 素 则 是 有 害 的 。 Bertrand5 早 就 指出 ,生命 系统 中 的 微量 元 素 , TE FE MR BE 加 & $e ed RE 作用 (如 图 10-27 所 示 )。 对 于 这 个 道理 ,至 今 我 们 还 仅仅 是 根据 元 素 周期 表 及 元 素 的 核 外 电子 过 图 10-27 ”生物 微量 元 素 的 浓度 和 生理 作用 层 组 态 总 结 出 一 些 唯 象 的 规律 。 对 于 为 什么 某 些 元 素 在 一 定 浓 度 下 是 生命 活动 所 必需 的 ， 而 在 另 一 浓度 下 是 有 害 的 道理 ,还 一 无 所 知 , 更 不 必 说 在 电子 层次 上 的 解释 了 。 根据 上 述 的 “ 挨 杂 ?观点 ， 我 们 是 否 可 以 把 这 些 “ 必 需 ” 或 “有 害 ” 的 峰 念 与 它们 对 蛋白 质 或 核 浓度 一 -一 一 一 。 。 酸 禁 带宽 度 的 影响 ,对 蛋白 质 或 核酸 本 征 半 导体 的 导电 机 制 的 影响 相 联系 起 来 呢 ? 如 果 是 这 样 ， 那 也 是 很 有 意思 的 。 至 少 :(1) 如 果 能 够 找到 微量 金属 元 素 的 生理 作用 与 其 对 生物 大 分 子 的 半 导体 导电 性 的 关系 或 规律 , 则 我 们 就 可 以 从 理论 上 去 估计 这 些 元 素 “ 有 益 ? 或 “有害 "的 浓度 范围 。 (2) 上 述 这 种 关系 或 规律 的 建立 ， 将 使 我 们 有 可 能 了 解 更 多 的 微量 金属 元 素 的 生理 作用 。 但 是 ,目前 的 问题 是 ,蛋白 质 或 核酸 半导体 性 的 计算 (参见 10.4.1), 还 未 得 到 能 够 说 明 问题 ， 的 确切 结果 。 虽然 近年 来 , 采用 了 更 好 的 基 集 ( 双 5+ 极 化 函数 )、 BOAT HE AS He RE 型 "71, 在 计算 方法 上 作 了 很 多 改进 , 使 计算 的 禁 带 宽度 从 8 eV 降 至 3 eV eG (HAAS 计算 的 boly(GIy-Nat+)I,poly(Gly-Na+)II 的 楚 带 宽度 分 别 为 10.421eV 和 多 5246V)， 但 本 征 半 导体 性 的 问题 仍 未 解决 2。 因此 ， 首 要 的 问题 是 ， 对 于 诸如 蛋白 质 和 核酸 这 样 的 生 由 大 分 。 子 的 本 征 半导体 性 的 计算 要 得 到 满意 的 结果 ， 然 后 才 可 能 考虑 金属 离子 对 其 所 产生 的 影响 引 近 。 来 ,运用 涉及 到 非 线性 微分 方程 的 孤 波 子 (Soliton) 理论 对 于 低 维 周期 性 聚合 物 分 子 的 国 穆 瑰 理 学 计算 有 了 很 大 进展 ,因此 ,也 期 待 着 这 种 方法 进一步 渗透 到 生物 大 分 子 的 理论 计算 上 来 而 有 所 突破 。 10.6.1.2 ”电子 -构象 相互 作用 观点 与 上 述 Szent-Gy5rgyi 学 派 不 同 ,Volkenstein079 持 有 另 一 种 观点 。 ere a Pe REE 5.0 eV 以 上 , 故 蛋白 质 不 是 半导体 。 再 者 核酸 的 糖 -磷酸 酯 骨架 和 eA AIK 。478 。 范围 内 是 有 益 的 ,而 超过 一 定 范围 将 是 有 害 的 . \ “ 链 都 不 是 共 罗 体 系 。 因 此 ,生物 聚合 物 分 子 的 生物 学 作用 不 可 能 由 它们 的 半 导 性 或 电子 在 整个 | 分子 体 系 中 的 离 域 作 用 决定 .Volkenstein.Vallee 等 5"-50 还 认为 ,蛋白 质 ( 酶 ) 的 功能 在 于 其 高 «RSH; NAPIER. PAUL, 他 们 提倡 应 从 电子 -构象 相互 作用 (electron-conformation 。 jateraction,ECI) 上 去 探求 生物 聚合 物 分 子 的 活性 。 已 知 有 约 1/3 的 酶 是 金属 酶 或 金属 离子 激 ， 活 酶 , 且 人 金属 离子 对 酶 的 构象 变化 有 直接 作用 ,ECI 是 酶 作用 的 基础 。 从 前 面 的 讨论 中 ,我 们 已 。 经 知道 。 金 属 离子 与 配 位 体 (如 蛋白 质 分 子 ) 相互 作用 对 金属 离子 的 催化 特 性 有 十 分 明显 的 影 md, 于 2 一 般 地 ,在 金属 酶 中 金属 离子 的 作用 为 (1) 作为 Lewis 酸 ,电子 对 供 体 ; 《2) 氧化 -还 原 过 程 的 催化 剂 ,电子 传递 体 ; (3) 支持 酶 的 结构 。 ”现在 ,我 们 来 分 析 一 个 作为 Lewis 酸 的 金属 离子 催化 的 反应 和 金属 酶 催化 的 反应 的 例子 。 图 10 - 28 是 二 价 金属 离子 催化 的 丙酮 二 次 酸 酯 的 分 解 反 应 的 速度 常数 和 丙 二 酸 二 价 金属 配合 网 稳定 常数 的 相关 关系 。 其 催化 能 力 的 大 小 和 多 数 模型 反应 的 催化 强度 次 序 一 致 ; Ca 从 图 中 可 知 ， 金 属 酶 催化 的 催化 强度 次 序 和 上 述 一 般 催 化 强度 次 序 不 一 致 。 表 10-21 和 ， 表 10-22 列 出 了 金属 羧 肽 酶 和 金属 碳酸 酝 酶 的 生成 常数 。 图 10 - 30 给 出 了 二 价 金属 的 Irving- © 479。 图 10-30 二 价 人 金属 的 Irving-Williams 顺序 co- 草酸 盐 ， el, 2-l BECK 表 10-21 ee ee 表 10-22 人 金属 碳酸 栈 酶 的 生成 常数 Miwa ikaw. | tkRE “got as / es bias Metal a a | 8.0 金属 LogK ,pH5.5 四 | i ERRORGREGETEEICERaemGEiEEs — be ee 5.6 | 5.6 Min IT 03 和光 生生 eee 3.3 (OIL 5.8 7.0 CoII .ov Hoses 7 ‘2 NiII Ts 5.7 8.2 NiII ee 9.5 Cu] vecsencecevccceccecseces 5.1 10.6 CUIT .oo 11.6 ZU «cvcsccccsvccceccveccecs wat 10.5 ZnII cnvncccccccceccesccvnsccccaces 10.5 CATT acncrccccccccccescrcecce 7.9 10.8 CdII .oo 9.2 再 gII 6.7 21.0 HgII .0 21.5 Williams 顺序 。 通过 分 析 比 较 可 以 看 出 ,(1) Co?* 和 Zn2+ 的 催化 活性 在 金属 羧 肽 酶 (图 10 - 29 4) 和 金属 碳酸 栈 酶 (图 10 - 29 B, BW 10.4.2 ) 中 最 高 ,这 与 模型 体系 (图 10 - 29 C) 反 应 的 催化 强度 不 “ 网, 但 后 者 的 催化 强度 次 序 却 与 Irving-Williams 顺序 一 致 ( 见 图 10 -30)。(2) 在 & WR BIKE 和 人 金属 碳酸 酝 酶 中 ,金属 离子 和 酶 蛋白 (apoenzyma) 的 结合 稳定 常数 也 与 其 相应 的 金属 酶 催化 强度 次 序 不 一 。 这 些 变化 是 不 是 由 于 不 同 的 金属 离子 和 蛋白 质 ( 酶 ) 上 的 不 同 的 官能 团 相 结合 而 “ 引起 的 ? 例如 a? =N,—O- mel! Ss” 一 S- ‘mart SS Ba. pre a a Ca,Mg,Mn_ Fe,Co,Ni Sax Zn Cd,Pb,Hg 然而 研究 表明 ,金属 酶 上 的 金属 离子 所 处 的 活性 部 位 是 精确 地 固定 的 ,这 一 一 位置 并 不 因 其 它 爹 属 离子 取代 了 原来 的 金属 离子 而 改变 。 因 此 ,排除 了 不 同 金属 离子 和 不 同 官能 团 相 结 合 的 那 种 可 能 性 。 由 于 酶 和 底 物 的 结合 是 一 个 涉及 构象 因素 的 中 间 过 滤 态 ,因此 , Volkenstein 等 认为 ,金属 梅 中 金属 离子 催化 活性 的 不 同 是 由 于 金属 离子 和 构象 的 相互 作用 ,形成 了 一 种 不 同 于 基 态 构象 的 。480。 过 渡 态 构象 。 人 金属 离 子 改变 了 酶 的 构象 , 反 过 来 酶 的 构象 状态 也 决定 了 金属 离子 的 电子 状态 , 且 不 同 的 金属 离子 本 身 又 有 不 同 的 独特 的 电子 组 态 。 因 此 ,不 同 的 金属 离子 与 酶 构 象 的 相互 作用 是 不 同 的 。 一 种 解释 认为 ,Zn2+、Co:+ 的 较 高 催化 活性 是 由 于 两 者 较 易 使 酶 的 基 态 构象 变形 而 形成 一 种 有 利于 反应 的 中 间 态 构象 所 致 。 从 目前 的 发 展 趋 势 看 ,ECI 理论 很 可 能 成 为 研 究 金属 离子 与 蛋白 质 或 核酸 相互 作用 的 有 力 工 具 。 为 此 ,以 下 我 们 将 简要 地 介绍 一 下 Velkenstein 学 泊 对 ECI 理论 的 研究 9?,2?-86 。 Velkenstein 学 派 认为 , 酶 不 仅 起 催化 作用 ,而 且 还 是 一 种 特殊 的 反应 介质 。 低 介 电 常数 的 介质 可 使 反应 物 之 间 有 较 强 的 电 相 互 作用 。 酶 内 部 的 非 极 性 区 域 为 细胞 提供 了 类 似 于 有 机 溶剂 的 低 介 电 常数 介质 的 反应 场所 ,因此 底 物 在 酶 的 非 极 性 介质 环境 里 可 以 与 酶 的 极 性 基 团 之 间 有 较 强 的 电 相 互 作用 。 在 酶 - 底 物 复合 物 里 ,反应 物 处 于 一 种 非 极 性 的 或 部 分 极 性 的 介质 之 中 ,以 酶 环境 为 介质 对 反应 物 的 作用 和 以 溶剂 为 介质 对 反应 物 的 作用 其 物理 本 质 是 一 样 的 , 因 此 可 以 按 电 介质 或 非 电介质 溶剂 的 反应 动力 学 理论 来 构 什 一 个 把 酶 内 环境 视 作 反应 介质 的 反应 理论 。 介质 的 Hamilton 量 如 下 : H=-LD hog +4 0R0,(¢.— 4.0)? + I (10.11) 武 中 ,ao。 和 z。 分 别 是 介质 正常 振动 的 频率 和 坐标 ,7 是 系统 之 最 小 势能 (或 自由 能 )。 一 般 而 PE ,介质 的 平衡 组 态 必须 用 活性 部 位 的 不 同 的 构象 状态 @ 和 不 同 的 电子 状态 ”来 表征 。 当 考 虑 电子 -构象 相 互 作用 时 ,介质 的 有 写成 ， 0° H=~—Dho, 多 而 反应 的 一 个 基 元 作用 的 机 率 是 : Pe agg see )* 4 (10.12) w= >) banWan,a'n’ : (10.13) 这 里 ,go 是 介质 在 反应 前 其 构象 状态 为 x 及 其 电子 态 为 GLK, Vorarnr 是 其 过 滤 到 状态 a’n! 时 的 机 素 。 对 应 于 不 同 构象 和 电子 状态 的 位 能 面 如 图 10 - 31 和 图 10 - 32 所 示 。 图 10-31 HRA a 无 变化 时 的 电子 迁移 : 图 10-32 MRA xc 有 变化 时 的 电子 迁移 极 性 介质 和 非 极 性 介质 之 间 的 差别 是 由 于 电子 的 转移 或 电子 密度 的 变化 可 以 伴随 一 较 大 的 焙 变 。 表 征 极 化 涨 落 的 频率 在 反应 过 程 中 兹 不 改变 ,但 是 表征 变形 的 声 频 却 可 有 较 大 的 变化 。 因此 ,在 非 极 性 介质 中 的 反应 速率 可 受 活化 箭 的 影响 。 由 于 在 非 极 性 介质 中 声 频 的 值 较 低 , 所 以 ° 481。 电子 体系 总 是 绝热 地 跟着 变形 振动 而 变化 , 且 透 射 系 数 K 必定 等 于 1 。 ECI 的 一 般 意 义 是 酶 反应 过 程 中 的 大 分 子 的 构象 转变 出 现在 电子 组 态 的 重组 之 后 ， 这 种 情 襄 可 用 固体 物理 学 的 概念 来 描述 。 我 们 知道 ,金属 离子 是 许多 酶 的 辅 因 子 , 因 此 可 以 认为 ,利用 金属 酶 来 研究 ECI 是 十 分 合适 的 , 反 过 来 讲 ,ECI 又 是 研究 金属 酶 作用 的 一 种 方法 。 10.6.2 金属 离子 与 氧 的 积 票 、 贮 在 和 输 运 过 渡 金 属 配合 物 与 氧 分 子 的 配 位 结合 不 仅 是 氧 的 活化 的 基础 ,而 且 也 是 积累 . 贮 在 和 输 运 氧 _ 葛 基础 。 研 究 已 经 证 实 , 完 成 贮 在 和 输 运 氧 的 功能 的 最 重要 的 蛋白 质 是 含 铁 蛋 自 质 (如 肌 红 和 蛋白 和 人 血红 蛋白 等 )、 含 铜 蛋白 质 和 含 钒 蛋白 质 。 兄 KHMHPCcKH 间 认为 ,要 说 明 氧 分 子 与 这 些 生物 配合 物 相互 作用 的 机 理 ， 必 须 探 讨 9 型 粒子 的 重要 特征 ( 表 10 -23)。 % 10-23 OF 型 粒子 的 特征 占 ef & 6 谱 项 及 它们 的 能 10 一 DO 间 的 距离 亲 核 能 * . o,(p:) Tu( Pz Dy) TCD c Dig) 4k (eV) (kcal/mol) 氧 型 9， 2 4 Shang $5 ,/A,(23.4) 1.21 119 1D ,(37.5) A AIO,” 2 4 3 “TT 1.28 351 过 氧 型 92- 2 | 4 4 1y, 1.49 529 氧 分 子 基态 的 两 个 x* Ei LAAT. ES BAD 金属 离子 与 氧 分 子 的 可 逆反 应 有 两 条 途径 ， M"t + O,.——=M"*O, 2 M** +0,=—M,"*0; 为 了 使 反应 能 够 进行 ,必须 确保 一 定 的 而 且 是 很 严格 的 条 件 , 即 必 须 满足 金属 轨道 在 能 量 和 对 称 性 方面 的 要 求 。 这 是 因为 氧 分 子 具 有 很 复杂 的 结构 , 它 有 三 个 不 同 对 称 性 的 轨道 :ce 二 和 时 we. HE ce 和 mv 轨道 为 给 电子 轨道 ,re 轨道 为 接受 电子 的 轨道 。 由 此 可 见 ,9: 在 形 成 配合 物 时 ，, 既 可 作为 电子 给 予 体 , 也 可 作为 电子 接受 体 。 因 此 ,只 有 当 金 属 离子 的 轨道 具有 这 样 的 两 重 了 PE (a 电子 给 予 体 、x 电子 接受 体 ) 时 ,才能 与 9; 形成 稳定 的 配合 物 。 由 10.5.1 和 10.5.2 的 讨 论 知 ,离子 型 亚 铁 和 正 铁 中 啉 既是 较 好 的 x 电子 给 予 体 又 是 较 好 的 < 电子 接受 体 。 O, 与 五 配 位 亚 铁 配合 物 FeLs 配 位 时 ,Fe(IID) 的 %:: 轨道 和 dz: 轨道 分 别 与 O; fy o (x) ae 轨道 相互 作用 (图 10 -33), 由 于 re 轨道 有 两 个 电子 空位 ,Fe>O, 反馈 使 氧 配合 物 稳定 化 。 由 于 反馈 < 键 决定 O. 结合 能 力 , 所 以 只 有 低 氧 化 态 过 滤 金 属 离子 才 有 可 能 与 0, 配 位 不 过 , 低 价 态 金属 离子 又 容易 被 0; 氧化 ,于 是 , 氧 合 与 氧化 成 为 一 对 了 矛盾。 作为 氧 载体 ,要 求 配合 * 482 « 。 殉 只 氧 合 而 不 氧化 ,反之 作为 电子 传递 体 ,要 求 氧化 而 不 氧 合 。 对 于 0, 的 配 位 研究 过 两 种 情况 ,一 是 O— 0 的 分 子 轴 位 于 中 吟 的 > 轴 共 平面 的 二 个 N | _、 ee ”原子 之 上 ; 另 一 种 情况 是 O—0 的 分 子 轴 位 于 be fs bed) 5 2 轴 共 轴 的 铁 原子 之 上 。d。， 由 于 与 0, 的 、 1 MATER AME, TARA | / HA + 0.30, HUE Fe(IID 的 状态 。 与 此 相对 G,)? ie 应 ,O, 的 电荷 为 0.53。0, 在 共 轴 配 位 的 情况 人 时 , 它 的 < 轨道 能 有 很 大 下 降 ,并 且 由 于 这 种 未 充满 轨道 ,使 电子 极 易 在 其 中 的 g。 轨道 移动 ， sides 从 而 呈现 不 稳定 状态 (例如 血红 素 ,通过 共 轴 配 位 通常 影响 到 金属 了 轨道 能 量 )。 因 此 推测 O. 共 平 面 配 位 。 在 人 和 大 多 数 动物 中 , 氧 载体 为 血红 蛋白 (Hb) , 贮 氧 体 为 肌 红 蛋 (Mb), Hb 与 Mb 的 基 ASA ,都 是 由 一 个 血红 素 单元 与 一 个 珠 蛋 白 链 结合 成 的 分 子 构成 的 。 所 不 同 的 是 Mb 只 。 含 一 个 血红 素 蛋 白 链 ,而 Hb 则 是 由 四 个 亚 单位 组 成 的 四 聚 体 ,每 一 个 亚 单位 都 类 似 于 Mb 但 又 不 等 于 Mb。 因而 Hb 具有 血红 素 -血红 素 间 的 相 互 作 用 造成 的 协同 作用 ,而 Mb 缺乏 这 种 性 质 。 血红 蛋白 分 子 既 能 够 与 0, 迅速 结合 ,也 能 够 与 0, 迅速 解 离 。 其 结合 与 解 离 主 要 决定 于 血 液 中 O, 分 压 的 高 低 。0: 在 血红 蛋白 分 子 中 的 结合 部 位 是 血红 素 中 的 Fes+。 在 氧 合 血红 蛋白 (Hbo;) 中 ,血红 素 的 Fes+ ,其 配 位 数 是 六 ,其 中 每 个 亚 单位 结合 一 个 0:, 故 每 个 血红 蛋白 分 子 共 结合 四 个 0;。 血 红 素 铁 是 分 子 呼 吸 的 “触发 器 >”。 没 有 与 9, 结合 的 血红 蛋白 (Hb) 中 , 铁 的 配 位 数 为 5 ,其 中 四 个 来 自 中 啉 环 的 N, 另 一 个 来 自 近 侧 组 氨 酸 的 3 位 N。 此 时 配 位 场 较 弱 , 铁 处 于 高 自 旋 坊 , 故 其 离子 半径 较 大 。 突 出 在 血红 素 中 啉 环 平面 之 外 。 与 此 对 应 , 氧 合 Hb, 血 红 素 的 Fes+ ,其 第 去 个 就 是 0, 的 结合 位 置 。 分 子 氧 使 总 配 位 场 的 强度 增 大 ,此 时 Fe 处 于 低 A Weds JE 离子 半径 比 脱氧 时 缩小 13 % ,于 是 “ 落 入 ”路 啉 环 平面 之 内 (参见 图 10 -34)。 这 一 空间 变化 通过 a 2 aoe | ) 0.075nm ers Fe ae ie | O, A B 图 10-34 去 氧 和 人 氧 合 血红 蛋白 血红 素 部 分 的 起 水 © 483。 与 之 配合 的 组 氨 酸 残 基 牵 动 与 之 相 联 的 蛋白 质 部 分 发 生 显著 移动 ,并 作为 分 子 呼吸 的 “触发 器 ?， 引起 整个 血红 蛋白 分 子 发 生 构 象 重 排 。 对 Hb 和 Mb 的 载 氧 贮 氧 功能 与 结构 的 关系 已 经 做 过 大 量 研究 ,其 中 包括 对 这 两 种 生物 分 子 的 直接 研究 和 对 模型 化 合 物 的 研究 。 Otsuka 等 cz] 曾 计算 过 Hb 和 Mb 中 血红 素 铁 原子 的 电子 结构 (参见 图 10 -35)。 图 10-35 如 有 果 将 铁定 为 原点 ,那么 铁 原 子 的 5 个 4 轨道 就 可 表示 为 : 1 3 ry 1 | ee “了 a £=R(r)-S, YR), £= ROR y (10.14) ¥ 在 亚 铁 和 正 铁 肌 红 蛋 白 中 , 铁 的 d HAO SLI HE 4A 10 - 36 A Fl 10 - 36 BSAS. 5 ey) / 4000cm AN IN Gz?-r?) 7 2 3d 区 26000cm™~! Sv Yee ey \ xz \ | ao- xy 自由 铁 离 子 在 吸 红 蛋白 中 的 亚 铁 离 子 自由 铁 离子 ”在 肌 红 蛋白 中 的 正 铁 敲 子 i A 有 图 10-36 在 亚 铁 和 正 铁 肌 红 蛋 白 中 ， 铁 的 & 电子 轨道 能 已 经 知道 ,血红 蛋白 . 肌 红 蛋 白 和 细胞 色素 等 等 都 含有 血红 素 基 , 且 后 者 又 是 生物 化 学 反应 导 中 的 关键 结构 。 因 此 ,历来 受到 生物 学 家 的 重视 。 但 是 ,对 于 量子 生物 学 家 (或 量子 化 学 家 ), BE 处 理 这 样 的 大 分 子 在 实际 上 是 非常 困难 的 。 实 践 已 经 证 明 , 用 简单 的 方法 是 不 可 能 克服 理论 计 时 。484。 算 中 的 困难 的 。 近 年 来 ,发 展 了 处 理 血 红 素 基 电子 结构 的 一 些 方法 ,其 中 Pepe EO") 计算 了 氧化 ”和 还 原型 的 血红 素 基 的 净 原 子 电 荷 ( 图 10 -37) ,获得 了 较 好 的 效果 ,不 仅 如 此 ,Pspe 等 还 在 分 子 ”静电 势 计 算 的 基础 上 ,着重 讨 论 了 细胞 色素 的 活性 。 通 过 对 血红 素 基 电 子 结构 的 理论 计算 看 到 ， ”在 血红 素 的 氧化 型 中 ,静电 势 在 Van der Waals 等 值 线 处 处 是 正 的 。 另 一 方面 ,在 还 原型 中 ,分 子 的 非 血红 素 部 分 对 血红 素 分 子 静电 势 的 影响 相当 大 。 对 这 些 计算 结 果 所 作 的 分 析 表 明 , 对 细 |“ 胞 色素 而 言 , 非 血红 素 部 分 在 电子 传递 反应 中 起 着 催化 作用 。 —0.07 02D o1A ~2.70 02D OILA 2A o1D,| GK. 36 OID. Lgp 0GA0.36 — HUI 004 a\ HR | ee Hoy 0.12 CBA_ 9.95 bah Sag as CD OB 节 / 110.04 0.04 C 0.2 [0-04 9.04 H \H-0.194 HAH O1P 5 A0.04C2 ey eee ee, Bea ye = “liom é (Hi ¥ 4 3A HOMD. oof ie CIA OR 于 vctC yy ei PY, a8 : ee A0.01 H NDS2ND -ct .04 CID- / Fe CHB-H H-CHD Fe, re - oe. ose of. CAC NS Gdc_Ne SB 0.04 FNC \=0.11 UH yj \ \-0.09 五 H cg 站 | C2B-CMB—H art) [从 -PC2B-CMKH cAcOQ ACIS CAB 0.06 \ H CAC eS. é B my 02H A BE Oe CHC 一 38 HBC -009 和 -03\_H0.03 二 lide Hf} 7) ye) O08 cng MB MC 0.18 人 -01l Hh oog O22 @ppr Ol Hj; H0.04 aN |, H0.08 eee 氧化 型 血红 素 基 还 原型 血红 素 基 图 10-37 氧化 和 还 原型 血红 素 基 的 净 原 子 电 荷 我 们 知道 ,细胞 色素 是 一 类 含 血 红 素 的 酶 类 ,参与 氧化 还 原 反 应 ,在 线粒体 的 电子 传递 链 中 起 着 重要 作用 。 在 此 链 的 未 端 部 分 有 五 种 具有 不 同 氧化 还 原 电 位 的 细胞 色素 , 按 氧 化 还 原 电 位 增加 的 顺序 是 :细胞 色素 b、 细 胞 色素 8 、 细 胞 色素 “、 细 胞 色素 a 和 细胞 色素 as。 它 们 依次 地 接 受 和 传 出 电子 ,最 后 被 分 子 氧 再 氧化 ,并 用 环境 中 的 质子 形成 水 ,同时 将 氧化 还 原 反应 中 产生 的 能 量 储存 在 ATP 中 。 图 10 - 38 表示 随 着 ATP 生成 的 电子 传递 系统 的 一 般 模式 图 ,其 中 X.Y、 Z 表示 相关 的 酶 。 迄今 BER Lt TRE MOHALI T RIMES MLE. ATP ATP ATP avr A 4 ADP 5 y aveA ie AD~@ FAD Fe is We + a toe 电子 -一 -信人 “et at F) , ie ‘es C Gist 4 Fe2+ seh ae, ( at pa Fe i ora 还 原 图 10-38 BiG ATP 生成 的 电子 传递 系统 的 一 般 模 式 图 。485 。 爹 属 离子 与 氧 的 积累 .贮存 和 输 运 的 研究 内 容 相当 丰富 。 我 们 仅 只 就 量子 生物 学 的 研究 , 作 了 简单 的 讨论 。 近 几 年 来 ,这 一 领域 的 研究 已 经 取得 了 明显 的 进展 ,可 望 今后 在 量子 生物 学 研究 中 取得 实质 性 成 果 。 iz 参考 文 献 iC [1] Uauc, B.: “IIepeHoc 3xrekTpoHOB B 6HOIOrHJdecKHX cucTeMax”, 91eKTpoHHKa u KHOepHeTHKa B 6HOTOTHH H MeHUHHe”, (13MaTebCTBO HHOCTpaHHOli AHTepaTypbI, MOcKBa), (1963). é f ba [21 K. B. RRAARMES. BH. RSE. 《生物 无 机 化 学 人 门 >， 科 学 出 版 社 (1985)。 [3] Theophanides, T.: Inter. J. Quantum Chem., 26:933(1984), [4] Pullman, A. et al.: Biochem. Rev., 50:118(1980). [5] 江 寿 平 、 乐 树 云 等 ， 生 物化 学 与 生物 物理 学 报 ，13:485(1981) . E6] Melius, C. F. et al.: J. Chem. Phys., 56:3342(1972). F [7] Dolphin, D. et al.: Inter. J. Quantum Chem., 16:311(1979). : [8] Pullman, A. et al,: Chem. Phys. Lett., 47:411(1977). x [9] Perahia, D. et al.: Theor. Chim. 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S iF Bot RENE PETE 7 , LRA RAT aD F: ROT ia hme aC “488 ¢ 第 11 章 生物 系统 中 能 量 和 电子 的 转移 在 3.2.3 中 ,我 们 讨论 了 有 关 “ 电 荷 迁 移 相 互 作 用 的 一 些 问 题 。 鉴 于 电子 的 转移 (或 迁移 ， 见 后 ) 在 生物 学 过 程 中 具有 重要 的 作用 ,因此 在 这 一 章 里 ,我 们 将 较 详 尽 地 叙述 有 关 生物 系统 中 能 量 和 电子 的 转移 在 电子 水 平 上 研究 的 一 些 进展 。 在 生物 系统 中 ， 起 基本 作用 的 粒子 是 电子 和 质子 。 电 子 和 质子 的 转移 不 仅 和 生物 系统 中 所 发 生 的 反应 密切 相关 ,而 且 与 生物 系统 的 能 量 转移 密切 相关 。 甚 至 可 以 认为 ,这 样 的 相关 性 在 生 物 系 统 中 起 到 了 举足轻重 的 作用 ， 例 如 光合 作用 和 生物 氧化 等 这 样 一 些 生物 学 过 程 就 是 如 此 。 如 果 从 电子 水 平 看 ， 则 诸如 生物 大 分 子 本 身 的 稳定 性 、 反 应 活性 以 及 储存 、 传 递 能 量 和 信息 等 方面 的 性 质 , 都 与 大 分 子 内 部 原子 的 运动 ,特别 是 电子 的 运动 密切 相关 。 从 目前 的 情况 看 ,在 生物 系统 中 ,大 分 子 的 能 量 转移 作为 “生物 能 力学 ?研究 的 一 个 方面 以 及 就 这 一 问题 所 开展 的 其 它 一 些 研究 ， 取 得 了 一 些 进 展 " 。 有 关 电 子 和 质子 转移 的 研究 ， 同 样 取得 了 进展 .正如 上 面 所 述 ,在 生物 系统 中 ,电子 、 质 子 的 转移 和 能 量 的 转移 密切 相关 ， 因 而 许多 研究 成 果 都 反映 了 这 种 相关 性 。 但 是 迄今 为 止 , 仍 有 许多 问题 未 能 获得 令 人 满意 的 解释 和 解决 。 我 们 看 到 ,以 量子 力学 作为 理解 生命 过 程 的 方法 论 的 量子 生物 学 ,已 经 在 通过 媒介 物 和 隧道 效应 的 电子 、 质 子 转移 ,电子 、 质 子 转移 和 能 量 转移 的 偶 联 以 及 生物 大 分 子 内 和 分 子 间 在 能 量 、 电子 、 质 子 转移 的 高 效率 的 原因 等 方面 的 研究 领域 中 取得 了 一 些 进 展 "…”) 。 另 一 方面 ,在 分 子 水 平 上 解决 某 些 生 物 学 问题 的 各 种 方法 中 ,利用 固体 理论 方法 的 尝试 近年 来 引起 了 人 们 的 注意 。 这 些 尝 试 是 以 核酸 和 蛋白 质 分 子 周 期 结构 的 实验 资料 为 依据 的 。 当 研究 生物 能 力学 的 中 心间 题 之 一 一 一 说 明 在 一 个 大 分 子 内 以 及 分 子 间 能 量 、 电 子 和 质子 转移 的 高 效 率 的 原因 时 ,也 经 常 利 用 固体 理论 方法 。 研究 实践 提示 我 们 ,对 处 于 水 环境 中 的 复杂 生物 系统 ,为 了 对 其 能 量 和 电荷 转移 现象 进行 理 论 研 究 ， 不 可 避免 地 要 把 反映 这 些 现 象 的 主要 性 质 也 以 简单 化 和 模型 化 。 在 这 方 面 及 aBPImoB 做 了 较 深 入 的 工作 ' :。 11.1 生物 大 分 子 的 能 量 转移 能 量 转移 是 包括 许多 种 类 和 性 质 各 不 相同 的 能 量 传递 形式 ， 是 一 种 微观 过 程 。 能 量 转 移 (energy transfer) 与 能 量 迁移 (energy migration) 有 时 并 不 严格 区 分 ,一般 可 以 通用 (为 便于 讨 论 ,我 们 统称 转移" ) 。 但 严格 地 讲 , 所 谓 能 量 迁 移 是 指 能 量 的 多 次 转移 。 我 们 知道 ,生物 系统 是 一 个 热力 学 上 的 开放 系统 ,在 这 个 系统 内 存在 着 物质 、 能 量 和 信息 的 持续 不 断 的 流动 .其 中 能 量 的 流动 只 能 朝 一 个 方向 不 可 逆 地 进行 .由 于 生物 体系 的 能 量 输入 是 来 自 于 太阳 供给 的 可 见 光 , 能 量 输出 是 表征 为 热 的 近 红 外 光 。 因 此 不 难看 出 ,这 个 体系 的 能 量 流 是 一 种 光子 由 高 能 谱 册 低能 谱 的 不 可 逆流 动 . 正 是 这 种 光子 流 构成 了 所 有 生物 系统 内 的 能 量 背景 。 © 489。 11.1.1 能 量 的 共振 转移 共振 转移 是 电子 激发 能 的 转移 方式 之 一 ， 是 发 生 在 量子 水 平 上 的 分 子 间 相 互 作 用 。 在 这 一 节 里 ,我 们 主要 讨论 激发 能 的 无 辐射 的 共振 转移 。 共振 转移 是 一 种 相同 分 子 或 不 同 分 子 之 间 的 长 距离 的 能 量 转移 ， 是 一 种 长 程 作用 。 电 子 激 发 能 本 身 可 以 看 成 是 一 种 振动 ， 只 要 吸收 能 量 的 分 子 ( 受 体 ) 的 振动 电场 是 在 激发 分 子 ( 供 体 ) 的 振动 电场 之 中 ,而且 供 体 的 荧光 光谱 与 受 体 的 吸收 光谱 有 重 县 部 分 ,激发 分 子 的 电磁 振动 就 会 ?| .起 吸收 分 子 的 同 频 共 振 , 从 而 转移 电子 激发 能 。 归 纳 起 来 ,发 生 能 量 共振 转移 需要 满足 以 下 三 个 RA . (1) 能 量 供 体 必须 是 发 荧光 的 (在 没有 受 体 存 在 时 ) , SEDER. HE eA » Bs (2) PEARS DEFE IE EY iS AH RMA BE, HI RBAK, RRB ACE A (3) 要 发 生 有 效 的 能 量 转 移 , 供 体 与 受 体 间 的 距离 不 能 超过 S~ 10nm, 甘 浅 转 移 既 然 涉及 到 供 体 和 受 体 分 子 ， 从 物理 理论 上 就 可 把 它 近 似 地 看 成 是 振动 的 两 个 偶 极 子 的 祖 互 作用 ,因此 有 人 把 共振 转移 叫做 偶 极 - 偶 极 相互 作用 的 转移 就 是 这 个 原因 。 它 们 之 间 的 作用 实际 上 就 是 激发 的 供 体 对 受 体 部 位 的 电磁 场 扰动 的 结果 。 早 在 1948 年 Forster 就 提出 了 适用 于 供 体 和 受 体 间 能 量 相互 作用 的 能 量 转 移 机 制 。 随 后 ， “他 又 推导 出 表示 这 种 能 量 传输 规律 的 公式 "”。 有 关 激 发 能 借 共 振 机 制 转移 的 理论 基础 , 曾 治 经 ， 珊 的 和 量子 力学 的 路 线 这 样 两 个 方向 发 展 。 在 非常 弱 的 偶 联 情况 下 ， 供 体 和 受 体 间 的 相互 作用 比 供 体能 级 的 振动 分 裂 要 小 ,两 个 途径 对 于 7A->s 都 产生 相同 的 表达 式 ,7A-。 是 表示 每 个 单位 时 间 里 从 供 体 到 受 体 的 一 个 能 量 量子 的 转移 机 率 : 9000(ln 10)R20 fives) # ae M3 128 an! ara GA ee (11.1) Zip, 有 一 cosgs 一 3 cos gAcos 9。6\, 是 供 体 与 受 体 偶 极 间 的 角度 ,6 与 多 分 别 为 供 体 和 受 体 与 其 连 线 之 间 的 角度 ,% 是 在 没有 受 体 分 子 存在 时 的 供 体 的 量子 产 额 ,” 是 介质 的 折射 指数 ，N 是 Avogadro 常数 , 7 是 供 体 与 受 体 间 的 距离 ,z 是 在 没有 受 体 分 子 存在 时 供 体 的 寿命 ，(z)dz 是 供 体 在 波 数 >” 到 波 数 >+dzy 范围 内 规范 化 的 荧光 强度 。 因 此 人 7G)az=1 Tie (> ) FE SCA FER PUTA RM HR Be. (11. DABAWSMA1/r)(R,/r)°, Rk, Berry. SAKAPMABR MY, Ro 可 表 mA RS=8.8X 10> pk?n-"J (11.2) 了 是 式 (11.1) 中 的 光谱 重 释 的 积分 项 。 共振 转移 是 与 供 体 自 发 衰变 竞争 ,后 者 的 速率 常数 是 1r。 所 以 能 量 转 移 效率 也 应 为 * 490 « ge lage oop Re A: asia oo + ke oe f tee Ry 的 定义 是 : 当 供 体 有 一 半 能 量 转移 给 受 体 , 另 一 半 能 量 是 以 其 它 形 式 (包括 发 光 在 内 ) 消 耗 了 ， 这 时 供 体 与 受 体 间 的 距离 。 简 言 之 , Rey 就 是 转移 效率 为 50% 时 的 供 体 和 受 体 间 的 距离 , 又 叫做 临界 距离 。 从 (11.2) 式 可 见 , 忆 ,决定 于 办、% 与 了 等 四 个 参量 。 能 量 转 移 速 率 愈 快 ，R, 的 数 值 就 愈 大 。EFarster 关于 激发 能 借 偶 极 - 偶 极 相互 作用 的 无 辐射 转移 的 著名 特点 ,就 是 它 与 1/7s :成 比 倒 。 Stryer 等 -20 的 实验 证 明了 它们 对 供 体 与 受 体 间 的 距离 有 显著 的 依赖 性 。 ii 产生 共振 转移 的 可 能 性 (几率 ) 还 到 决 于 电子 激发 胡 的 寿命 。 根 据 量子 力学 中 振动 决定 于 时 闻 的 理论 ,如 果 三 个 简 并 态 被 数 发 , 则 另 一 简 并 坊 被 激发 的 几率 不 断 增加 .正如 在 4.9.2 中 所 述 ， 由 于 核酸 分 子 中 最 重要 的 电子 激发 态 是 三 线 态 ， 其 券 俞 约 为 10-4 人 10-? 秒 (为 单线 态 的 一 百 万 BE) ,得 的 至 少 长 达 数 种 。 这 对 产生 电子 激发 能 的 共振 转移 是 十 分 有 利 的 。 因 而 核酸 分 子 能 量 的 。 共振 转移 很 可 能 是 由 一 个 三 线 态 转移 到 另 一 个 三 线 态 ， 以 及 它们 之 间 的 来 回转 移 050。 有 人 认为 523， 蛋白 质 分 子 中 的 各 种 原子 团 象 摆 那样 摆动 、 振 动 和 转动 。 如 果 频 率 相同 的 两 个 原子 团 被 例如 多 肽 链 偶 联 起 来 ,那么 它们 就 能 进行 象 偶 联 振 子 那样 的 动作 。 很 可 能 在 同一 个 蛋 自 质 分 子 内 所 有 这 样 的 基 团 都 能 象 偶 联 振子 那样 振动 ， 因 而 给 予 其 中 一 个 基 团 的 能 量 就 可 以 被 其 它 基 团 中 的 任意 一 个 偶 联 的 基 困 所 接受 。 整 个 蛋白 质 分 子 形成 一 个 统一 的 系统 ， 而 给 予 它 的 能 量 尾 于 整个 系统 所 有 ,并 且 可 以 在 这 一 系统 的 任何 一 点 表现 出 来 。 11.12 激 子 转 移 激 子 的 概念 最 早 由 Frenkel 在 1931 年 提出 忆 2 ,后 来 为 区 aBBImoB Pry Re? 固体 物理 中 的 激 子 概 念 是 指 ; 处 于 激发 态 的 半导体 ， 如 果 激 发 的 能 量 不 是 以 使 价 带 中 的 电 子 跃 迁 到 导 带 , 则 从 价 带 中 激发 出 来 的 电子 只 能 处 在 林带 中 某 些 比较 稳定 的 能 级 上 , 它 和 属于 同 一 原 隆 (分 子 ) 的 室 穴 相互 作用 很 强 , 互 相 束缚 在 一 起 形成 电子 - 空 穴 对 ， 这 种 激发 形式 的 传播 形 成 一 种 复式 准 粒子 ， 称 为 激 子 。 所 aabtxoa 把 激 子 看 成 是 晶体 中 激发 的 行 波束 。 这 种 激发 不 是 定 域 在 某 个 分 子 上 ,而 是 属于 分 子 的 聚集 体 。 因 此 , 激 子 转移 是 非 定 域 化 激发 的 能 量 转移 形式 。 激 子 转移 与 半 导 性 能 带 的 电子 转移 不 同 。 在 半 导 性 材料 中 , 正 穴 与 电子 沿 相反 的 方向 转移 ， 而 激 子 转移 则 由 于 正 穴 与 电子 共同 组 成 一 个 激 子 ， 因 此 它们 沿 相同 的 方向 在 晶 格 中 进行 传递 。 激 子 可 以 看 作 是 一 个 电荷 对 ,它们 不 能 分 开 来 移动 ,直到 转移 至 晶 格 的 适宜 点 上 ,电荷 偶 联 丧 失 ， 正 负电 荷 就 可 以 分 开 来 在 传导 带 (能 带 ) 上 进行 传导 , 这 就 出 现 半 导 性 导电 。 所 以 激 子 转移 与 半 导 性 能 带 的 电子 转移 也 密切 相关 。 激 子 转移 通常 是 在 相同 分 子 的 电子 系统 间 非 常 迅 速 的 一 种 传 能 方式 。 由 于 晶体 中 的 质点 安排 得 非常 整齐 ， 电 子 系统 受 激 后 就 会 完全 振动 ， 因 而 激发 能 可 以 由 激 子 转移 的 方式 传递 得 很 远 。 以 下 我 们 着 重 介绍 瓦 apbIroBg 对 于 一 维 均匀 分 子 结构 中 的 激 子 的 研究 。 及 aabIroB 假定 ,一 周期 性 的 一 维 均匀 分 子 系统 沿 轴 放 置 ,相互 间 的 距离 为 瓦 ,每 一 孤立 分 子 的 内 激发 (电子 的 或 振动 的 ) 由 其 能 量 s 和 电 偶 极 矩 4( 它 与 = 轴 的 夹 角 为 6) 标志 。 并 且 认 为 ， © 491° p= (11.3) 分 子 链 足 够 硬 , 以致 当 链 转变 成 激发 态 时 分 子 间 的 平衡 距离 不 变 。 取 链 的 基态 能 ( 当 链 中 无 激发 分 子 时 ) 等 于 零 。 在 一 维 均匀 模型 中 可 以 只 考虑 近邻 分 子 间 的 相互 作用 , 设 链 中 具有 个 分 子 。 六 的 值 足够 大 ,以 致 可 以 忽略 边缘 效应 。 当 第 元 号 分 子 附 近 的 分 子 过 湾 到 激发 态 时 ,除了 考虑 确定 基态 分 子 间 在 平衡 距离 的 相互 作用 外 ,还 须要 考虑 两 个 新 的 相互 作用 , 即 :(1) 在 分 子 间 呈现 出 导致 从 分 子 允 向 邻近 分 子 双 士 1 的 过 滤 激 发 的 共振 相互 作用 -。 这 样 的 相互 作用 能 可 由 下 式 确定 J =p? R-*(cos?6—1) | (11.4) (2) 引起 原先 的 相互 作用 (Van der Waals 及 其 它 相 互 作 用 ) 发 生 改 变 的 补充 相 百 作 用 。 这 种 相 互 作用 (一 刀 ) 能 量 的 变化 导致 引力 的 增长 ,因此 D>0, 4A Fn MBE FRR, Fa 子 二 的 相互 作用 改变 ,导致 在 被 激发 分 子 的 区 域内 链 有 变形 的 趋势 。 因 此 ,将 这 种 相互 作用 一 忆 称 为 形变 相互 作用 。 3 与 能 量 为 e 的 分 子 内 激发 相对 应 的 链 的 集体 激发 的 能 量 算 符 可 用 下 式 表示 如 := S[(e— D) BiB,— J (Bi 4B, + BS_.B,)] (11.5) ”这 里 的 求 和 是 对 所 有 六 个 分 子 进行 的 。 算 符 BT 表示 分 子 凤 被 激发 ,了 B， 与 未 激发 分 子 相对 应 。 (e 一 也 )B5 ,项 确定 分 子 双 的 不 包括 共振 相互 作用 在 内 的 激发 能 。 算 符 Bx+B BIB, RA 分 子 双 向 分 子 ? 士 1 的 激发 过 渡 。 在 (11.5) 式 中 乙 和 了 的 数值 可 在 未 激发 链 中 的 分 子 间 的 平衡 距离 丸 下 得 出 。 这 个 近似 的 适用 范围 将 在 下 面 确定 。 根据 量子 力学 规则 ,为 了 确定 通 集 体 激 发 状态 的 能 量 , 将 算 符 [ 见 (11.5) 式 ] 转 变 成 为 对 角 的 形式 。 这 可 通过 么 正 变换 来 实现 : + aA A, exp(ikn R) Hii) A= dB, exp(—iknR) Sur k i N70 STROBE, R= v(v=0,+1,+2--+), REA ; tree (11.7) 将 (11.6) 代 入 (11.5) ,得 H.,= DL E(R)A+ As (11.8) an E(k)=e—D—2JcoskR . (11.9) 是 链 的 集体 激发 态 能 量 , 其 相应 的 波 国 数 为 V (2,1) =a Lene lo(z—nR) (11 10) ha(k)= E(k) 这 里 ,gp(z 一 mx 吾 ) 是 分 子 半 的 激发 态 波 函 数 ,这 样 的 集体 激发 称 为 激 子 。 由 式 (11.10) 的 函数 形式 “492。 四 Bere a eer 可见 ,在 形成 激 子 态 时 , 链 上 全 体 分 子 起 着 同样 的 作用 。 换 言 之 ,与 具有 一 定 玉 值 和 能 量 妃 (R) 的 ” 激 子 态 相 对 应 的 晶体 激发 是 按 整 个 链 分 布 的 ,而 不 是 集中 在 一 个 分 子 上 的 。 我 们 还 可 将 波 函 数 (11.10) 改 写成 如 下 形式 3 W .(z,t)= A, exp{il[kz—o(k)t]} . (11.11) 其 中 A, Fa Leet (2-0 R) © BABCCLL. L1G A= 2 o/h 的 平面 波 。 然 而 ， 我 们 最 感 兴趣 的 是 波长 大 大 超过 相 邻 分 子 间距 的 激 子 态 。 这 时 R 瓦 入 1, 而 激 子 的 能 量 可 写成 h*k’ (i112) ”起 中 ,第 一 项 万 (0) 是 激 子 的 内 能 E(0)=e—D--2/J , (11.13) 第 二 项 相应 于 有 效 质量 为 m*=h?/2 J R? (11.14) ROR OBIRE. HEC. 4), 4 @<54° 44, BRU IE. 4 wp 之 54"44/ 时 ， 有 效 质 量 为 负 。 由 平面 波 (11.11) 描 述 的 ,具有 确定 玉 值 和 能 量 妃 (R) 的 激 子 态 表征 定 态 。 在 这 种 状态 下 ， 激发 能 沿 整个 链 分 布 且 不 转移 。 _ 为 了 研究 激发 能 沿 着 链 转 移 的 问题 ， 还 必须 考虑 非 定 态 。 现 在 ， 我 们 来 讨论 在 时 刻 弓 激 发 分 布 在 一 段 链 长 "范围 内 的 状态 ， 这 样 的 状态 可 用 下 列 波 包 来 撕 述 V (2, n=f 、 “A(R )exp{iLkz—a(k)}dk (11.15) _ 式 中 AR 王 x/2 0。 从 (11.15) 得 ,激发 以 群 速度 _fda(k) _ hk, ail Ok f k ae 沿 链 传播 ,其 中 AR, 是 处 于 态 (11.15) 的 激发 的 平均 动量 。 于 是 ,在 时 刻 上 于 7 一段 链 上 的 激发 态 按 (11.16) 式 所 确定 的 速度 沿 着 分 子 链 传播 ， 这 时 能 量 瑟 (Ro) 沿 着 链 转移 。 共 振 相 互 作用 |Jj 愈 大 ,有 效 质量 |m*#| 就 愈 小 。 相 应 地 , 当 Ro 值 给 定时 ， 激 子 运动 的 速度 也 就 愈 大 。 当 激 子 使 能 量 治 着 分 子 链 转移 时 ,应 当 考 虑 两 个 重要 的 情况 ， (1) 如 果 在 时 刻 二 被 激发 所 围 的 链 长 由 .确定 , 则 在 时 刻 #4+z 时 它 将 是 1。 一 Vl? + (hr/m*i,)? 2 Ak ry CUnaty ) (11.16) (j= 所 谓 波 包 随 着 时 间 的 增加 而 草 延 ", 当 r 之 ms*lo/R 时 , 波 包 的 宽度 按 速度 A/mm * ly 正比 于 时 间 而 3 增长 。 激 子 的 有 效 质 量 越 小 ,扩散 越 明 显 。 波 包 随 时 间 的 蔓延 是 由 波 包 (11.15) 所 描 述 的 激 巴 状态 不 大 稳定 的 标志 之 一 "在 这 样 的 状 “ 态 中 不 管 是 激 子 的 能 量 和 动量 都 不 具有 严格 确定 的 值 ， 而 具有 确定 和 则 按 系 统 均 匀 分 布 且 不 转移 能 量 。 (2) 当 激 子 自身 运动 时 它 被 声 子 散射 ， 也 就 是 在 链 中 人 靠近 它们 的 平衡 位 置 附近 的 分 子 拓 动 ， 止 散 射 , 当 发 射 (吸收 ) 声 子 而 散射 时 , 它们 将 损失 (获得 ) 能 量 。 Be 激 子 在 声 子 上 的 散射 过 程 取 决 于 形变 相互 作用 能 一 忆 对 分 子 离开 它 的 平 置 的 位 移 wn 的 依赖 关系 。 分 子 内 激发 与 分 子 位 移 的 这 种 联系 可 以 写成 Hie= ao (uy — Ug) BEB, : (41.18) znx- (7) empaT imeem. TEA TT 9 AE Ct AR A Pe eH EE. Re RAY FTE AB EAA a RE AT BE. aR ew AE ERA AEB, MEM AEH 质量 ， 则 纵向 声波 的 速度 由 下 式 确定 nt gh IRE | v,=RY w/M (11.19) 因此 ， 发 射 声 子 时 制 动 激 子 的 条 件 由 下 面 的 不 等 式 确定 . AE Suk w/e (11.20) 可 见 ,在 一 维 分 子 链 中 这 样 的 理论 仅 对 于 那些 具有 满足 不 等 式 (11.20) 的 波 数 天 的 激 子 才 是 正确 的 。 事 实 上 ， 人 ee 在 激发 通过 的 时 间 内 分 子 才 来 不 及 从 它 自 己 的 平衡 位 置 环 处 离开 。 如 果 不 等 式 (11.20) 不 满足 , 则 对 于 低温 声 子 发 射 来 说 ， 激 子 的 寿命 rex 将 反比 于 进入 算 符 (11.18) 的 参数 科 的 平方 以 及 分 子 在 平衡 位 置 附近 作 零 点 振动 的 振幅 平方 ,后 者 由 下 式 确定 ， (u®)9=h/2 TY wM . (11.21) 4 这 样 ， peek 人 (11.22) 如 有 果 温 度 不 等 于 零 , 则 式 (11.21) 改 写 为 人 hv w/M 2V Mw 20 式 中 @ 是 绝对 温度 ,以 能 量 单位 表示 。 在 二 维和 三 维 周期 性 分 子 系统 中 ， 分 子 激 子 型 的 集体 激发 状态 也 是 可 能 产生 的 。 这 些 系统 中 的 激 子 不 是 用 波 数 天 来 标志 ,而 是 用 波 矢 玉 和 能 量 刀 (天 ) 标 志 的 。 4 BY F-FAGEP Hy TE HK CTP, AROE TARE EE ho, Skok tc] @| = o/e (这 里 。 是 光速 )， 则 在 同时 遵循 能 量 守恒 定律 hoa=E(K) (11528) ©4946 SS SS ee ee eer cer rer reer 和 动量 守恒 定律 hQ=hK ~~ © (11.23) 的 条 件 下 ,即使 声 子 不 参与 ， 光子 转 杰 为 激 子 (或 相反 ) 也 是 能 实现 的 。 在 光谱 范围 内 ,辐射 的 波长 远 远 大 于 分 子 间 距 玉 ,Q 和 1。 这 时 ,只 有 Rs0 的 激 子 与 辐射 产 生 相 互 作用 。 因 此 等 式 (11. 23) 可 以 用 近似 等 式 ho= E(0) Fea 这 样 与 激 予 产生 相互 作用 的 辐射 的 波长 可 由 下 式 确 定 A= ase, nhe/B(0) 二 对手 光 子 辐射 激 子 的 寿命 < 已 由 Arpatopyu0s 计算 过 ， 由 下 式 给 出 _2EW)R AR Tex 3 xch pega At (11.24) 趟 中 心 一 3 je/4 HCO) u? SEI IAP TE ALAA RENEE (0) RoW Ie A HF R/A~10-°, BREA PEE BE PE Es FD He 一 千 倍 。 量 1/r。. 确定 由 光子 激发 激 子 的 几率 。 按 照 (11.24) 式 , 在 一 维 分 子 链 中 光子 激发 的 几 率 超 过 自由 分 子 的 激发 几率 1/ro 一 千 倍 。 与 激发 分 子 的 最 低 电 子 态 相应 的 激 子 由 可 见 光 和 紫外 光 激 发 ,与 分 子 内 振动 ,例如 蛋白 质 分 子 中 的 酰胺 工 振动 ( 波 数 为 1660 cm-:) 相 应 的 激 子 可 由 红外 辐射 激发 。Moffitt0G4] 曾 经 就 c- 螺 旋 蛋 白质 中 酰胺 基 的 xx*190 nm 跃迁 的 激 子 分 裂 作 过 理论 计算 ,结果 与 有 appImoB 的 理论 相符 ， 这 个 吸收 带 分 裂 为 两 部 分 ,一 个 沿 螺旋 轴 偏 振 ， 另 一 个 垂直 于 螺旋 轴 。 第 一 个 带 的 频率 是 2700 cm-:, 低 于 第 二 个 带 , 与 实验 极 好 地 一 致 。 Reid 曾 指出 ,在 生物 体内 普遍 存在 大 分 子 的 有 序 但 非 均 质 的 系统 ， 激 子 转移 可 能 有 相当 的 重要 性 。DNA 分 子 本 身 具 有 高 度 有 序 的 结构 , 它 周围 还 存在 着 类 似 石 英 型 结晶 的 液晶 态 有 序 水 ”结构 ,而 且 DNA 的 介 电 常数 高 达 120 000 以 上 ,这 就 为 激 子 转移 创造 了 条 件 ， 并 且 可 以 使 激 子 保存 较 和 久 。 在 生物 现象 中 , 激 子 还 在 光合 作用 中 起 着 基本 的 作用 。 当 吸收 光 时 , 叶绿素 分子 可 形成 激 子 。 当 激 子 与 声 子 相互 作用 时 很 快 地 损失 能 量 ,而 将 其 转移 至 光合 作用 的 中 心 。 1 Hasbiios 等 认为 ,生物 系统 中 ,ATP 水 解释 放出 的 能 量 〈0.43 eV 或 10 kcal/mol) 不 足以 激发 分 子 中 的 电子 态 ， 而 对 蛋白 质 分 子 中 的 分 离 原子 集团 的 振动 激发 却 具 有 重要 意义 。 这 种 振 动 激 发 (产生 位 移 ) 与 极 化 激发 (产生 电 偶 极 矩 ) 不 可 分 离 地 联结 在 一 起 。 这 种 激发 同样 可 以 导致 整个 分 子 链 的 集体 激发 。 他 们 从 上 述 激 发 下 分 子 链 的 Hamilton 形式 出 发 ， 运 用 半 经 典 的 量子 力学 方法 ,建立 了 一 个 非 线性 的 区 abbImoB 方程 组 ， 获 得 了 它 的 孤子 群 ， RE aa 性 ,从 而 说 明了 扳 子 这 种 集体 携带 能 量 沿 一 维 分 子 链 传输 的 高 效 性 。 我 们 知道 ,对 于 某 些 类 型 的 非 线性 波动 方程 ,可 以 具有 稳定 的 行 波 解 ， 其 形状 是 铃 状 脉冲 的 孤立 波 , 它 的 特点 是 在 运动 中 能 够 保持 波形 不 变 ,而 且 与 其 它 抓 立波 发 生 碰撞 后 ， 仍 然 不 改变 波 形 和 速度 ,具有 这 些 特点 (如 定 域 特点 ) 的 孤立 波 就 称 为 孤子 。 11.1.3.1 一 维 弹 性 分 子 结构 中 的 弧 子 JappimoB 等 认为 ,如 果 激 发 沿 分 子 系统 的 移动 速度 小 于 声速 ， 则 该 运动 将 在 分 子 的 激发 范 围 内 伴 有 系统 的 局 域 形变 .因此 , 当 计 算 集体 激发 能 时 应 当 考 虑 分 子 从 平衡 位 置 的 位 移 能 Q5'49。 这 样 的 复杂 激发 状态 的 能 量 算 符 应 该 包括 内 激发 能 量 算 符 (11.5) ,分 子 离开 平衡 位 置 的 位 移 ww 的 能 量 算 符 囊 和 内 激发 与 位 移 的 相互 作用 算 符 (11.18)。 人 A= Fo Pht te te | (11.25) KAY, MED THR, w 是 线性 链 的 弹性 系数 , 书 , 是 与 位 移 算 符 ww HREM eH. 这 样 ,集体 激发 的 能 量 Hamilton 就 包含 三 个 相 加 项 j= PHA + Aye | (11.26) 我 们 可 将 激发 态 写成 如 下 国 数 形式 Iw (t)) = Slan(t)e” Bt] 0) (11.27) 式 中 国 数 |0> 描 述 链 中 全 体 分 子 处 于 平衡 位 置 的 基态 o(t)=— 5 J B,(t)P,—2,(t) Uy | (11.28) ”由 图 数 (11.27) 的 正 交 归 一 条 件 得 PACS ea (11.29) HiZ eA ! P({an, Bn Hn}) =F (t)|H|Y(t)) (11.30) 本 HAR /| EL A BE ay 7: FT FF SA, (4) PAB P(t) .zt)， 这 时 量 |c,| ME ROT ROA FE 内 激发 分 布 的 几率 。 利用 (11.26) 一 (11.28) 式 可 得 (W(t) |u,|¥(t)>= 6, (t) (W(t) | P| (t)>)=a,(t) : 由 此 可 见 , 国 数 5,(t 和 zx(t) 表 征 了 由 国 数 (11.27) 确 定 的 状态 中 ， 分 子 位 移 和 动量 的 平均 值 。， ] 泛 函 (11.30) 取 极 小 值 的 条 件 归 结 为 求解 联合 方程 组 jc _ OO ‘ho eas. } =Leotw+ x(Bnti—Bn-1) JOn— JS (@nsi + On-1) (11-30 OB, fs +55 (2 Ba—Bati—Ba-1)=47( | anvil? —|an-1|?) as + 196 3 B = 去 工 [2 全 ) +0( 2, Paa- | RATT BRAT ay OI PE PE ARP PB a(t) BOM FA FHS NS RHE EER. BORE, WERE ARAM AD EYE RE = Z /下 的 连续 函数 a(E,t), BCE,t) HABE HERB, DEP IE a(n,t)=a,(t), B(n,t)=8,(t) 将 近似 方程 (11.31) 变 成 为 下 列 微分 方程 ， [ing — A+ Spe—2 x PED a(e,t)=0 | [ Fan vtges | BEEF Shacg,4)*|=0 | et Ae) W—2 J 02 w/M 而 Fo 一 vv 玉 的 值 决 定 纵 声波 在 分 子 链 中 的 速度 .替代 表征 个 别 分 子 在 未 激发 链 中 对 于 平衡 位 置 位 移 的 函数 6(5 ,2) 可 引入 表征 邻近 分 子 间距 书 相 对 减 小 的 末 数 t) (11.82) . p(é,t) =-— + (11.33) ”这 样 ,方程 (11.32) 成 为 [A++2 xp 人 8 |a(é,t) 0 (11.34) [s- uae ao 人 站 + 运 laG， t)|?=0 (11.35) 我 们 将 寻求 方程 组 (11.34) ,(11.35) 的 ， 以 速 产 三 一 w 沿 着 链 传播 的 激发 态 的 解 ， 也 就 是 设 p(é,t)=p(E—vt) : a(é,ty=O(E—vt) ei?» 这样 ,从 (11.35) 得 » .2x|e(E,t)| | 3 Sg ie ae OE he (11.36) SRE S ERG RE SA FS BE ZL v V S =e A Bi 将 (11.36) 代 入 (11.34) ,我 们 就 得 到 确定 国 数 a (E,t) ASTER ME Schrodinger 方程 jit A+ Ie + Gla (é,t)[?ha(E,t)=0 (11.37) 式 中 非 线性 参数 eg ee G= wt 8) (11.38) “W(t A PE (11.29) AEIE F AL n BIEK at 人 二 al 方程 (11.37) 的 归 一 化 的 精确 解 由 图 数 Vin exp} il $7-(E—£,)—E,t/h |} : a8 1) ach [wE-Ey 0h) ] ° 给 出 。 将 该 值 代 入 (11.36) ,就 可 找到 分 子 间距 相对 减 小 的 函数 ER Se eo iebe Saembres ean pest) = Ta eh pate wel . AUT 模 的 平方 4 和 和 人 E 斌 记 二 到 关 确定 单个 分 子 沿 着 链 激发 的 几率 分 布 。 8 表示 = 0 时 的 最 大 形变 和 激发 的 最 大 几率 位 置 。 根 据 (11.40) 和 (11.41) ,形变 和 激发 以 速度 了 一 "好 沿 着 链 传播 。 表 达 式 (11.39) 一 ( 卫 .4) 中 的 参数 iE 2h eens . ew A—S8?) vel sie ts 2a 确定 表征 链 的 激发 部 分 aie, AZ=xR/p (11.42). Hy PA Be (11.39)— (11.42) HR MARRAMT Aw VHoR 运动 的 孤子 传递 能 量 Ey= Ey tm 式 中 By, 是 孤子 的 内 能 x E,=e—-—D=2F— 3w J ry M soy 是 孤子 的 有 效 质量 ee SALE 二 入 小。 的 zw 值 ) 中 以 及 当 内 激发 与 分 子 位 移 紧 密 联 系 时 (X 的 值 大 ) 激 子 的 有 效 质量 很 大 。 因 此 , 鞭 至 当 运动 速度 较 小 时 孤子 的 动能 仍 可 能 是 很 大 的 。 ae MF EDF BA MM 5) FH Das RABIES, Be MT HE LT J RTE SW Te, TE 成 为 链 中 分 子 振动 的 热能 。 由 于 这 个 能 量 并 不 辐射 ,所 以 辐射 的 极 大 值 与 频率 w=+Ey—A (11.43) J 相对 应 ,这 里 4 是 Stokes 位 移 © 498 « RE) 在 软 链 中 以 及 当 分 子 内 激发 与 分 子 位 移 有 紧密 联系 (这 种 联系 由 参数 x 确定 ) 时 ,4 的 值 就 大 。 根据 互 agpuxroa05 的 计算 ,孤子 的 发 射 寿 命 由 下 式 确定 : 2z2 尺 1 Sets 3Auch (Ga) Vex (11.45) 式 “根据 (11.42)A2 =a R/u, MRA BAG 子 链 中 被 激发 所 包围 的 区 域 , 则 当 "=0 时 可 以 写 成 Ek ieenrds «4S eed yj SA age” 1 x? scl, 国 此 ,对 于 软 通 来 说 , 当 Stokes 位 移 比较 大 ,AZ co) ,共振 相互 作用 增加 和 内 激发 与 分 子 位 移 耦 合 减 小 时 ,孤子 和 激 子 在 性 质 上 的 差别 就 会 越 来 越 小 。 孤 子 的 有 效 质 量 就 接近 于 激 子 的 有 效 质 量 。 孤 子 态 中 被 激发 所 包围 的 范围 就 增加 。 11.1.3.3，”w- 螺 旋 蛋 白质 中 分 子 结合 能 沿 一 维 分 子 链 传输 的 孤子 运动 5 1973 年 以 来 , 贡 aBpImoB 等 对 具有 由 弱 相 互 作 用 的 周期 性 重复 的 原子 集团 组 成 的 准 一 维 c- 国 螺 旋 蛋 白质 分 子 系统 进行 了 深入 研究 (参见 图 11-1)。 他 们 在 假定 ec- 螺旋 蛋白 质 分 子 三 条 链 中 是 每 一 条 链 都 独立 激发 的 基 础 上 ,研究 了 与 多 肽 中 酰胺 -I 振 动 相应 的 分 子 集体 激发 。 这 时 问题 可 人 CQ 子 集团 组 成 的 准 一 维 <- 螺 旋 蛋 白质 分 子 系 统 1 Nx 受到 光 的 照射 或 经 化 学 反应 等 作用 后 , 在 c- 螺 的 S SN 旋 蛋 白质 中 ,通过 相 邻 肽 基 之 间 的 偶 极 - 偶 极 相 ei Je 互 作用 .或 在 ATP 分 子 的 水 解 作用 中 所 释放 出 人 来 的 能 量 , 便 可 在 其 中 引起 一 种 集体 激发 由 于 OVAR JL pa c- 螺 旋 蛋 白质 分 子 结构 的 特点 (如 图 11-1), 这 于 ee x 种 集体 激发 并 不 局 限于 一 处 ,而 是 可 携带 能 量 co) oY \ ® 沿 一 维 -螺旋 蛋白 质 分 子 轴线 传输 。 由 此 他 ie: ATES A 2A > 1 A Ud BENS de. Ps ~ EA TPR HEA Ta weinon 3 AB IE SCHR EST) 四 ye ry je- 但 此 方程 组 还 未 能 很 好 地 反映 “- 螺 旋 蛋 白质 OI F 分 子 所 具有 的 所 有 特点 ,因此 ,后 来 人 们 在 修改 AAT @ | HH, ATG HAS ABT I HER ATSC ui NO 性 恢复 力 , 并 引起 了 十 个 反映 各 种 偶 极 - 偶 极 相 & eS 互 作 用 的 附加 参数 0*29) 。 则 修正 后 二 个 完整 ， / 4 io 的 Dasbinos 方程 组 具有 如 下 形式 PX ae 计生 "二 TAs 24m + Amott) eo hh aoe vi Bes SR (0) =DLF,—2 JAg,;+ (2, L Bei Ameie | — Brat: Ams: t+ Ba, CAneiae | 1 11-1 Ga : 螺 线 蛋白 质 的 结构 “ere ] a 145) 39 HA SERA ME, BREA 发 前 面 已 经 讨论 过 。 区 aaBbtmroB 等 的 研究 进 一 ， 步 表 明 ， 如 果 由 弱 相 互 作 用 的 周期 性 重复 的 原 +An-1,)]+NFyt+tPFp+QF, +RF,+SF,+TF,+UF yz +VF,+XF,+ZF,} (11.48 aB,,,, ac? sein ee tees 2 yh gy A =K3(|Amsiil?—|Am-1:1?) + {Kul At. 本 (Axa Ag a Ais i Anas: A eed (11.4 , 这 里 ,4。, 是 结合 能 的 几率 密度 ,B。, KORN] ALIA IE EE, HBT LN, P,Q, Ry 3;,T,7,F,X,Z) 分 别 表 示 酰 胺 -I 键 对 之 间 的 各 种 偶 极 - 偶 极 相互 作 用 能 系数 。 在 计算 单位 下 EATS Heft 4) Hy (0.145, 0.231,0.073,0.034,0.019,0.012,0.0089,0.0073,0.0037,0.0030, 0.0022,0.0017}, m Peart MRR Ay 7c MOSS it eas = 7 Mk BE BE AY be SN = 1,2,3, FS {F,,Fy, Fe, Fo, Fs,°**, Foe BRS, ENAMEL. Bln, P, 表 示 BURA 500 。 “J 表 11-1 按 频 率 的 Stokes 位 移 ~0 参 数 ae Ea ft t 内 能 | E°?.=e—D—-2J | Bo = 8), —2/ 3 wd ‘M H ® 质 tt | m..=h'/ 2 J R* | Myo = Mex + STE § AN 激发 所 人 包 = ia Crp l=azRwJ/x? by < Sah! 4R 3 Az? 产生 波长 为 和 的 辐射 时 的 发 射 寿 命 Se ee Tol Oa hws. RAR ZAR RABE. ERE LH, 4 4 A® moa = L (Ame +t Am-tos) + ete GA 2 L( Agiss +A wi) + etc tA’ ns L(Ans2 at; ety 8) + ete HEH SIF y- ++ F WARM E ZL. WML (Res, Re, Rs, Ri} 5D WA ARSE A HE HK ADA ed FH HK He A PER EA AB EM TBE MHA: is) ge | rea 1 11 to” ks=— x1, RN 一 寺 X 2 (11.50) (11.51) SR MRA TE OY AS wD Rc Be AE BA 长 下 ,在 酰胺 -I 键 中 的 结合 能 的 变化 。x: 表 示 在 单位 微分 位 移 存在 下 , 所 引 起 的 最 近邻 纵向 偶 宜 - 偶 极 相互 作用 项 7 的 变化 。 对 于 时 以/ =0.99 x 10-2s 作 测量 单位 ,B。, 以 10-2mm 作 为 测 量 单位 。 Scott 等 29 用 数值 计算 的 方法 研究 了 这 组 非 线 性 方程 的 解 。 计 算 结 果 表 明 : JaaBktmroB 孤 “ 取 确 实 能 在 x- 螺 旋 蛋 白质 中 形成 。 并 由 此 求 出 了 这 种 孤子 能 出 现 的 判定 参数 Xi 的 阔 值 为 0.34 x10 Newton。 我 国 科学 工作 者 庞 小 峰 近 年 来 用 解析 方法 研究 了 这 组 修正 的 有 asptmoB 方 程 组 的 孤子 解 ( 详 见 文献 L17]) 。 从 aBblmoB.Scott 和 庞 小 峰 等 的 研究 可 以 看 出 ， 在 x- 螺 旋 蛋 白质 中 ,其 分 子 结合 能 确实 是 "501。 以 孤子 形式 沿 其 螺旋 轴线 进行 传播 的 。 这 种 孤子 所 具有 的 确定 能 量 和 质量 与 酰胺 -I 键 之 间 的 各 种 偶 极 - 偶 极 相互 作用 以 及 孤子 传播 速度 有 关 。 抓 子 携带 这 种 能 量 在 -螺旋 和 蛋白质 中 传 输 时 ， 必然 会 引起 一 些 物 理 现象 和 生理 过 程 的 出 现 。 匡 aBPIKOB 等 的 研究 ,揭示 了 抓 子 在 传递 生物 化 学 能 通过 生物 系统 方面 所 能 起 到 的 某 些 重 要 作用 。 例 如 ,在 分 子 水 平 上 ,折子 可 能 沿 着 一 个 c- 螺 旋 蛋 白质 分 子 传递 肽 基 的 C 一 9 特征 振动 的 能 量 而 不 激发 热 运动 ,因而 极 少 耗 损 。 贡 asBPBIxop 还 应 用 这 同样 的 概念 在 分 子 水 平 上 解释 了 动物 肌肉 的 收缩 机 理 扣 ,而 Scott 等 则 将 其 应 用 于 研究 细胞 膜 中 的 非 线性 电动 力学 "和 神经 系统 等 中 的 孤子 运动 问题 。 总 之 ,从 生物 学 的 观点 看 ,例如 当 某 一 个 细胞 受到 某 种 “激发 ”, 则 这 种 “激发 ”也 必然 会 通过 细胞 间 的 相互 关联 而 传递 开 来 ， 从 而 可 能 遍及 整个 细胞 链 甚至 更 大 范围 。 同 样 ， 某 一 大 分 子 受 到 某 种 "激发 ”, 这 一 “激发 "也 会 遍及 整个 分 子 链 ; 分 子 内 的 电子 系统 也 是 如 此 。 对 于 那些 在 结构 上 具有 一 定 规则 排列 (或 具有 准 周期 性 ) 的 细胞 系统 ， 大 分 子 链 或 大 分 子 本 身 来 说 ， 这 种 集体 性 的 “激发 "更 为 显著 。 生物 体 的 某 些 生理 现象 :植物 叶绿素 分 子 接受 光 的 照射 而 获得 的 能 量 , 可 以 很 快 地 转移 至 光 合作 用 中 心 而 贮存 起 来 。 再 如 我 们 的 感官 ( 眼 、 耳 . 舌 、 鼻 和 皮肤 等 ) ,其 所 接受 的 外 界 刺激 可 以 各 不 相同 (机 械 、 辐 射 、 化 学 ，…), 受 体 本 身 的 生理 结构 和 接受 刺激 后 的 生物 物理 .生物 化 学 过 程 各 不 相同 ,但 最 终 总 要 把 这 些 因 受到 外 来 刺激 而 引起 的 “激发 ?转变 为 电信 号 ,而 后 通过 各 自 不 同 的 神经 纤维 将 这 种 激发 "传送 至 中 枢 ， 而 中 枢 神 经 组 织 作出 的 反应 也 通过 神经 传 至 各 个 组 织 和 需 官 , 这 种 激发 的 传播 是 几乎 不 衰减 ,不 畸变 的 。 从 下 一 节 开 始 , 我 们 将 讨论 通过 其 它 形式 (如 各 助 于 电子 、 质 子 等 ) 进 行 的 能 量 转移 。 我 们 知道 ,固体 物理 中 引入 的 准 粒 子 有 好 几 种 ,它们 是 由 不 同 的 相互 作用 类 型 ， 不 同 的 集体 相关 运动 方式 而 建立 的 ,其 中 如 激 子 和 折子 等 几 种 准 粒 子 完全 可 以 用 于 生物 系统 。 11.2 ”生物 系统 中 的 电子 转移 前 面 叙 述 了 激发 能 的 共振 转移 、 激 子 转移 和 孤子 转移 ， 下 面 将 继续 讨论 其 它 形 式 的 能 量 转 B. 许多 生物 现象 一 一 在 线粒体 、 细 胞 色素 和 神经 冲动 的 通过 以 及 其 它 系 统 中 电子 传递 链 的 作 用 一 一 跟 电 荷 (电子 和 离子 ) 的 转移 有 关 ,与 中 性 激发 ( 激 子 .孤子 \ 声 子 ) 的 能 量 转移 不 同 , 电 谷 的 转移 只 有 当 存 在 电场 或 浓度 梯度 时 才 有 可 能 。 已 知 电场 强度 抵消 电势 梯度 m。 由 于 静电 相互 作用 势 的 特点 是 : 当 电子 转移 时 释放 或 吸收 的 能 量 取决 于 电势 差 而 与 电子 转移 的 路 径 无 关 。 因 而 具有 负电 荷 一 的 电子 从 电势 为 罗 的 一 点 到 达 电 势 为 m; 的 一 点 的 位 移 是 与 释放 能 量 e(?: 一 2:) 相 联系 的 (如 果 >pi)。 反 之 ,如 果 疝 相反 方 向 运动 则 要 消耗 相应 的 能 量 。 就 电子 转移 而 言 ,在 生物 体内 大 致 分 为 两 种 ， 一 种 是 关于 酶 反应 时 酶 与 底 物 之 间 ， 或 酶 = 畏 酶 之 间 的 电子 转移 等 为 代表 的 电子 非 定 域 化 。 所 谓 电荷 转移 ， 全 都 是 这 样 的 电子 转移 。 因 为 电 © 502。 1 . am -” 。 子 是 通过 轨道 的 重 登 而 转移 ， 所 以 在 比较 近 的 距离 内 发 生 。 另 一 种 是 在 生物 体内 的 氧化 -还 原 反应 中 ,电子 通过 一 些 中间 电 子 传递 体 顺 次 传递 (参见 图 10-38)， 最 后 交 给 受 体 的 这 样 一 种 电子 转移 ,其 机 制 至 今 还 不 十 分 清楚 。 迄今 为 止 ， 有 关 激 发 能 借助 于 电子 转移 而 进行 能 量 转移 的 研究 已 经 很 广泛 ， 几 种 重要 的 生 物 大 分 子 如 蛋白 质 与 核酸 ， 以 及 几 种 重要 的 光 受 体 中 的 物质 如 叶绿素 与 视觉 色素 〈 包 括 黑色 素 与 视 黄 醛 ) 等 都 进行 了 一 些 研 究 。 然 而 ,尽管 在 电子 转移 方面 已 经 积累 了 不 少 资料 ， 但 目前 还 不 能 总 结 出 通过 电子 转移 的 能 量 转移 规律 。 11.2.1 络 合 物 电 荷 转移 ”” 在 生物 学 过 程 中 意义 更 为 普遍 的 传 能 方式 可 能 是 络 合 物 的 电荷 转移 ， 它 在 生物 能 力学 中 的 。 意义 正 是 Szent-Gy5rgyi 所 著 < 亚 分 子 生 物 学 导论 > 一 书 的 基本 思想 ' 。 电 荷 转移 表明 组 成 络 合 物 的 一 个 分 子 D( 电 子供 体 ) 的 电子 可 以 享用 另 一 个 分 子 A( 电 子 受 体 ) 的 轨道 ,因为 电荷 迁移 络 合 物 的 形成 ,与 组 成 络 合 物 的 分 子 的 供 、 受 电子 的 能 力 有 关 。 在 大 分 子 内 部 的 基 团 之 间 , 也 可 以 产生 电子 的 供 受 , 从 而 表现 类 似 络 合 物 电荷 转 移 的 传 能 形 式 。 电 子 从 一 个 基 团 的 最 高 满 带 自发 地 转移 到 另 一 个 基 团 的 最 低 导 带 ， 这 种 机 制 在 生物 体 中 可 能 较为 善 志 。 如 果 大 分 子 的 结构 和 能 量 关 系 符 合 于 形成 电荷 迁移 集合 体 的 要 求 ， 那 么 激发 能 就 可 以 通过 电子 在 这 些 分 子 所 组 成 的 骨架 中 进行 转移 。 例 如 ， 在 DNA 分 子 的 双 螺 旋 结 构 中 ,以 特 殊 定 向 排列 原子 团 是 一 个 很 重要 的 事实 ， 其 中 的 味 叭 和 喀 啶 基 团 可 能 发 生 电荷 转移 。 在 味 叭 和 喀 喧 的 平行 排列 架 中 ,实现 电 河 转移 的 条 件 比 溶液 中 优越 ,而 且 电 荷 转 移 过 程 可 沿 这 种 分 子 架 反 复 进行 。 oes ae 电荷 转移 络 合 物 是 Mulliken 最 早 提 出 的 ， 组 态 线性 组 合 他 运用 价 键 理论 来 描述 这 些 络 合 物 的 结合 和 能 ay Gy) 级 50。Mulliken 理论 是 一 种 价 键 理论 ,该 理论 指 和 全 RM 出 ， 电 和 荷 转移 络 合 物 (D,.A) 的 状态 由 了 D 与 A 的 11-2 ”电荷 转移 络 合 物 中 的 非 键 态 (D，A) 相互 作用 的 非 键 态 (D,A) 和 配 键 态 (D+ 一 A-) 的 和 配 键 态 (D+ 一 A-) 组 态 线性 组 合 而 成 。 车 用 量子 力学 的 符号 表示 ,上 述 组 态 线性 组 合 过 程 可 写 为 式 (11.52) ,也 可 用 图 11-2 表示 。 ~(D-A)=ay,(D, A) +by,(D*—A-) (11.52) 其 中 和 0 是 组 合 系数 。 | MRE p(D- A), BNR a FD, HRC11.52) Rf ASchrodinger 方程 ,并 根据 变 分 原理 得 体 ACRE HARE FAIL », By=\5(Bo+ B,)—Sut—|(Z) 4 Bob.) "Yew B, =\+-(Bo+ E,) SoH +| ( (Z) ) +A pi] }}/a-ste Cae 五 wx 和 召 z 各 为 电子 供 受 络 合 物 的 基态 和 激发 态 的 能 量 。 式 (11.53) 中 4=E,—E, Gils 4> 0, (AAI th AT ie F<0) (11.54) Bo=Ay—S Fu : By =H — 81 F1( Bo<0, Bi <0) (11.55) 其 中 By= Hos = (bo Apa des E,=Hyy = (w+ Hy.dr Hy, = Hyy= { yo° 加 dr =f wt yode SUWAHARBBRD. ATH(11.53), MIA HER RARE A RR (ay, by) (ae, be), 从 而 求 得 - BS AS PABA AAS BY AS A BK by = (fot Pw¥i1)/(14+ 2pxSoi+ Pw)?!” | ¥e=(~i— Pe be)/(1—2p ¢Se1 + Ax)" ie 其 中 f Px=by/ay= —(Hu—SoBy)/(Ei— Ey) | Pes — 4e/be= (HSE x)/(Ho— Ex) 根据 此 理论 REA 2 ft ye DT hver=Bx— By =2|(2) +608, | (1-830 41.58) 在 Mulliken 提出 电荷 转移 络 合 物 的 价 键 理论 后 , 便 有 人 企图 用 分 子 轨道 理论 来 描述 供 体 与 受 体 的 相互 作用 。 根 据 所 采用 的 分 子 轨 道 的 基 函 数 及 推导 中 的 近似 程度 ,文献 中 已 有 几 种 关于 电荷 转移 络 合 物 的 分 子 轨 道理 论 [25 。 其 中 ,Flurry 提出 的 分 子 轨道 理论 有 可 能 广泛 地 用 来 计算 实际 的 体系 ( 见 文 献 [26])。 除了 Mulliken 和 Flurry 等 的 理论 外 ,还 有 用 整体 分 子 轨道 处 理 的 量子 化 学 方 法 来 进行 计 算 的 。 假 如 不 涉及 D 和 和 A 在 D.A 中 所 起 的 作用 如 何 , 则 从 纯粹 的 计算 结 果 来 看 , 用 整体 分 子 轨道 的 量子 化 学 方法 进行 计算 将 获得 更 准确 的 结果 。 在 计算 中 可 以 用 HMO. EHMO,CNDO, INDO 或 ab initio 等 任 一 方法 。 当 运用 这 些 方法 于 电荷 转移 络 合 物 的 分 子 时 ,其 手续 与 运用 于 “” 其 它 经 典 的 分 子 的 情况 完全 一 样 。 A 络 合 物 电荷 转移 在 激发 能 的 传递 上 有 许多 特点 。 归纳 起 来 大 致 有 ， (1) 电荷 EBA 自发 的 和 光 致 的 两 种 。 前 者 又 叫 强 电荷 转移 ,后 者 又 叫 弱电 荷 转移 。 强 电荷 转 移 不 需要 光 能 激 “ 发 就 可 以 自发 地 产生 ,因而 并 不 需要 很 大 的 激活 能 就 可 形成 激发 能 级 。 络 合 物 电 荷 转 移 传 能 的 大 小 与 生物 体 所 能 利用 的 能 量子 (例如 ATP 高 能 磷酸 键 的 10~12 kcal) 大 小 十 分 一 致 。(2) 络 合 物 电 荷 转移 使 电子 从 一 物质 向 另 一 物质 转移 而 能 量 并 无 多 大 损失 ,因为 它 并 A (11.57) * 504 « 。 或 化 学 键 的 重新 排列 。(3) 电荷 转移 络 合 物 是 介 于 有 规则 闲 壳 分 子 和 自由 基 之 间 的 一 种 物质 状 态 。 络 合 物 经 电荷 转移 后 ,如 果 离 解 成 电子 供 体 和 电子 受 体 的 单 分 子 , 就 可 以 形成 两 个 具有 非 偶 HEF AS A ade?” 正 是 由 于 络 合 物 电荷 转移 具有 这 些 特 点 ,因而 被 认为 是 活体 内 转移 电子 激发 能 最 有 研究 前 途 的 机 制 之 一 。Szent-Gy5rgyi 在 < 亚 分 子 生 物 学 导论 > 一 书 中 ,就 特别 强调 这 种 传 能 机制 对 生 物 学 的 重要 性 。 他 甚至 说 “从 分 子 的 基态 直接 跃迁 到 同一 分 子 的 激发 态 , 对 于 不 是 光 致 的 过 程 来 说 ,似乎 不 太 可 能 ,因此 我 曾 对 激发 态 和 电子 激发 能 失去 信心 。 但 电荷 传递 又 帮助 我 恢复 了 这 种 信心 。 | : 11.2.2 ”电子 的 隧道 转移 ea 已 经 知道 ， 在 细胞 呼吸 过 程 中 有 一 系列 的 电子 传递 体 在 起 作用 (参见 医 10-38 ), 图 11-3 # ARTE — 7 HF SEED I BAA BE 图 11-3 图 11-4 WAAR AAT CED) A A 对 于 线粒体 而 言 Cte ee A AH ES LS 10 EE) BR REA Hy ME, NADH;NADPH, 非 血红 蛋白 的 铁 离子 ,细胞 色素 氧化 酶 的 铀 离子 ;对 于 光合 作用 系统 则 是 细胞 色素 , 质 体 兰 素 的 活性 中 心 , 铁 氧 还 原 蛋 白 等 。 在 电子 的 隧道 转移 中 如 下 反应 起 着 重要 的 作用 Fes+ +Te 一 Fe2+， Ke?*.—e-—> He-t 按照 量子 力学 的 观点 ,电子 (在 图 11-4 中 ) 从 工 转移 至 RMR AV 而 是 通过 “隧道 效 应 进行 的 。 为 使 问题 简化 ,我 们 将 图 11-3 的 势 换 成 图 11-4 的 形状 。 在 Y<0,z>>a 时 ,F(z)=0; 在 0Cz 瑟 ) 的 势 垒 磁 撞 时 ,大 部 分 弹 回 ,而 一 部 分 穿 过 势 垒 达到 III 的 区 域 。IL,JIIII 各 区 域 粒 子 的 波动 函数 可 写成 ， if x=0 p(a)= Ae'* + Be-'** (11.59) I. -a>2>0 § (2) =Des* + Fe-** (11.60) Ill «Sa p(x) =Ce** (11.61) 2mE 2m Soh Gare ey. Stes Mer (11.59) 5089 Ae™* 表示 和 人 射 波 ,Be- RA RAM. MAR wp(z) 是 二 阶 微分 方程 式 的 Schr5=- 其 中 © 0 dinger 方程 式 的 解 ,所 以 wp(z) 和 wz) 必需 是 处 处 连续 。 即 zx=0 时 ,从 p(z),92(z) 连 续 这 一 条 件 ,分 别 得 A+B=D+F (11.62) ix(A—B)=d(D—F) (11.63) 又 在 zy=a, 同 样 地 由 p(x) 9! (a) BRIX — AR BT HF ; De** + Fe-**=Ce'** (11.64) d(De**— Fe-"*) =ixCe'** (11.65) 从 (11.62)~(11.65) 式 ,可 求 得 B/4,D/4, 了 /4,C/4, 其 中 了 /4 是 入 射 波 和 反射 波 的 振幅 比 ， C/A 表示 人 射 波 和 透射 波 的 振幅 比 。 且 这 些 的 平方 各 自 对 应 于 反射 率 、 透 射 率 。 这 里 ， 以 隧道 效应 穿 过 的 粒子 ,最 后 穿 透 率 |C/4|" 由 (11.62)~(11.65) 式 给 出 a ={1 4 V’sinh*da a AH(V—F) 由 (11.66) 式 可 以 看 到 AV AL, Fah, BOPRBBDSE a 愈 大 , 穿 透 率 则 愈 小 ,但 决 不 是 零 ， 表示 粒子 穿 过 势 垒 转移 的 几率 存在 着 有 限 值 , 现 考虑 一 祥 节 的 情形 , 则 (11.66) 式 成 为 Pil x e-24/)V Im (11.67) (11.66) 因而 穿 过 的 粒子 数 Y 为 N = Ne724 aay (11.68) 这 里 , We 在 区 域 rp, Ae ak fic I TD Wa at HAS HD FB 电子 的 隧道 转移 在 生命 过 程 中 起 着 重要 的 作用 。 在 Gutmann’? ”研究 了 生物 结 构 中 电子 隧 道 转移 的 可 能 机 制 后 ,Tprropos 等 05 在 理论 上 研究 了 细胞 色素 , 铁 氧 还 原 蛋 白 等 电子 传递 络 合 链 之 间 电 子 障 道 转移 的 可 能 性 。 Blumenfeld $0" 对 于 在 生物 体内 发 生 电 子 移动 ,能 否 用 通过 隧道 效应 的 电子 转移 来 解释 ， ” 作 了 半 定 量 的 分 析 。 若 势 爸 厚 度 a( 对 应 于 电子 传递 体 间 的 距离 ) 为 1.0~2.0 nm, 又 把 了 一 五 取 为 1 一 2 eV , 则 得 穿 过 的 粒子 数 为 10 一 一 10 一 秒 。 必 须 指出 ,这 样 的 计算 毕竟 是 半 定 量 的 ,能 否 说 明 问 题 以 及 能 说 明 到 何 种 程度 等 等 都 是 需要 进一步 探讨 的 。 11.2.3 蛋白 质 在 电子 远 距 离 转移 过 程 中 的 作用 通过 对 一 系列 生物 现象 的 研究 已 经 了 解 到 , 当 无 载体 参与 时 电子 的 迁移 距离 超过 3.0 一 7.0 nm。 例 如 在 细菌 的 光合 作用 中 心 , 电 子 在 光 的 供 体 和 原始 受 体 间 的 电荷 分 配 过 程 中 的 迁移 距离 可 达到 3.0 一 4.0 nm 的 量 级 。 电 子 在 这 样 的 距离 上 迁移 是 很 难 用 简单 的 隧道 机 制 来 说 明 的 。 从 迄今 为 止 的 情况 来 看 ,电子 的 迁移 过 程 往 往 是 放 在 蛋白 质 系统 中 来 加 以 研 究 的 。 为 了 说 明 电 子 迁 移 过 程 的 分 子 机 制 , 研 究 已 知 分 子 结构 的 分 子 间 的 迁移 过 程 无 疑 是 极其 重要 的 。 研究 表明 ,细胞 色素 和 亚 铁血 红 蛋 白 间 的 氧化 -还 原 反应 是 研究 含 铁 蛋 白质 中 电子 迁移 机 制 的 方便 模型 。ATaHacoB 等 5 对 于 电子 在 血红 蛋白 中 的 迁移 过 程 进行 了 较 详 细 的 研究 .以 下 ， 我 们 根据 最 简单 的 模型 来 讨论 c- 螺 旋 蛋 白质 分 子 对 供 体 和 受 体 间 的 电子 迁移 的 影响 。 ”506 + 假定 ,由 N (> 1) ABBA @ 的 肽 基 组 成 的 -螺旋 蛋白 质 的 电子 状 AS HA 下 列 Hamilton 算 符 描述 ， Hy= pasar BD} ne (11.69) n 式 中 上 是 肽 基 中 最 弱 的 耦合 电子 能 ,m 是 分 子 中 肽 基 的 号 码 ,二 LABIA A 电 子 相 互 作用 能 。 ” 设 进入 2 肽 基 的 供 体 分 子 能 量 算 符 为 Hyp= 8,07, Cn, ,e1. BtB,=1 (11.72) 系统 的 所 有 其 它 电子 和 原子 核 确定 了 我 们 的 模型 的 链 构 型 和 参数 1,0, 和 工 的 值 。 因此 ,在 我 们 的 系统 ( 供 体 -+ 蛋白 质 分 子 ) 中 的 最 弱 耦 合作 用 的 状态 由 下 式 Hamilton Sei hee Sk PSH CHS + HS. (11.73) Fill FA TE WU AS He — 一 aA. Vee (11.74) my OS inna A eg ee 可 将 (11.73) 写 成 4 eee (11.75) 式 中 x 是 波 函数 在 一 二 ae Wo 8 BB Pd HN AS 2 BA sa 是 导 带 的 N 个 能 级 的 能 量 e,=e—Lcosxa (11.76) L eS te SE EE Vn (6) = ocexp(— inna) (11.77) ° 507° 可 将 系统 的 波 函 数 写 成 Isy=( mO8450 wt LoD .78) 式 中 |0? 为 无 电子 系统 的 状态 ,4#|0? 是 电子 处 于 导 带 的 第 x 能 级 时 系统 的 状 态 ,C# ,10> 是 电子 处 于 供 体 分 子 的 能 级 es 时 系统 的 状态 。 由 (11.78) 的 归 一 化 条 件 得 等 式 |wil:z+ zl2=1 (11.79) 和 式 (11.78) 中 的 未 知 函 数 wu Alu, 以 及 系统 的 能 量 PF 由 泛 函 J=(V,, |H|¥%.> Ry DARA, $(11.78) (11.75) KA ERA. 的 极 小 值 可 从 解 下 列 方 程 组 得 到 (8 一至)2e 十 六 ma) 一 0 0 汪汪 TV, (K) ty + (e3—E)m,=0 由 方程 组 (11.80) 的 非 平 良 解 的 条 件 得 等 式 e,— B=1 Yi (eB) (11.81) 它 对 应 于 系统 的 W +1 个 能 级 媚 。 每 一 个 这 样 的 数值 五 对 应 的 方程 是 aes (E—e,)u,(£)=V5,u,(2).. (11.82) 由 该 式 和 (11.79) 可 以 确定 wx( 五 ) 和 2%( 五 )。 特 别 是 _ u,(#)=[1+6}(#—e,)-?]” (11.83) 当 e— EDL 时 ， 经 过 将 (11.81) 中 对 x RARE. AAR . te | 6,2 pee 1~ Fata (11.84) 在 由 (11.81) 式 确 定 的 N +1 个 能 级 中 ， 我 们 感 兴趣 的 仅仅 是 最 低能 级 五 ,， 其 能 量 值 4 与 zl 相差 很 小 ， 可 令 Ey=e,—E, 4le—e,|>E Wr, past (11.84) 得 id E=6,7/V (e—e,)?—L? 因而 ， 与 蛋白 质 分 子 相互 作用 的 受 体 的 电子 能 量 数 值 为 EB,=e,—6,/V (e—e)?*—L? (11.85) 根据 (11.78) 和 (11.82)， 与 具有 能 量 BF, Wo AO RAE 2 [¥3,=n.(8,)(C2,+ LH) 0p ¥5(12.77) PH Vn CORAL, FFARGC11.74) RHR Bt, 就 可 写 出 在 坐标 表象 下放 | 到 5 >， |W. (r)> =u (4) {pp (r—nya) K(N;—n)a@ ms Soe ot “ay 式 中 wp 和 Pn 分 别 是 在 自由 供 体 分 子 和 on 号 肽 基 中 电子 的 波 函 数 . ° 508 + Py(r—n,a)=Ct,,|0>, Y,(r—na) = toy ; 将 对 x 的 求 和 换 成 积分 后 波 国 数 |p %(r)> 可 写成 =A, | 8i 一 人 1 ae : | pn. = 41( 4) {eo(r—na) +8, = (11.86) n ei) 式 中 (11.87) A Ei V@aE yo ; 这 样 ， 由 于 与 蛋白 质 分 子 的 相互 作用 ， 供 体 分 子 的 波 国 数 在 整个 蛋白 质 分 子 线 度 上 不 等 于 零 ， 远 距离 处 部 分 对 函数 的 贡献 随 着 |”: 一 2 | 的 增长 以 指数 减 小 。 在 各 种 五; 值 下 ， 蔡 带 宽度 为 3.5eV 和 能 带 半 宽度 为 0.5eV 的 蛋白 质 的 参数 A. 的 值 列 于 表 11-2 Sa 表 11-2 £ (eV) 3.00 | 3.20 | 3.40 | 3.45 | 3.48 A, | 3.84 | 2.78 | 1.85 | 1.56 | ¢ 2 现在 假定 ， 象 与 nn 肽 基 相 连接 的 供 体 分 子 一 样 ， 具 有 振动 激发 能 s: 的 受 体 分 子 也 是 与 ”322 肽 基 相 连接 的 。 这 样 ， 系 统 HEA. HART. SK) 的 Hamilton BAY 写成 如 下 形 ie | 2 H= Li {e, At, A, + e,02,C,, + e2.07,C,, } + (Vn,(#) Cn A, +V5,(«)C*,,A, + SIERET) } (11.88) 式 中 V nt) = exp (— inns) 3 (11.88’) 定 态 波 函 数 可 写成 如 下 形式 [p> =(u.C#, + ut, + 21 u,43)| 0) (11.89) WARE A Jos? + fae]? + Do fay |= 1 (11.90) 未 知 国 数 wi, Ur 和 uy 以 及 能 量 2 由 下 列 齐 次 方程 组 确定 (e,+Vy—#£)U,4+V1302=0 11.91 V2.U0,+ (e2+V2~H)U,=0 ( ) 式 中 oF 2 ViulE)=—- Lo (e,—#), Val E)=S2 (e,—E)- q » 009 * ix(a|n,—n,|)] eé, —E# 6,6 exp | 一 Vi B)=Vax( B) = pt 当 Bf 的 受 体 分 子 的 振动 激发 能 无 2 转 入 耗 散 系统 中 去 时 ， 才 可 能 发 生 电 子 从 供 体 向 受 体 的 真实 转移 。 当 存在 耗 散 介质 时 ， 电 子 从 供 体 分 子 向 受 体 分 子 转移 的 研究 可 完全 象 中 性 激发 转移 过 程 的 研究 一 样 地 进行 。 设 上 =0 时 ， 电 子 处 于 供 体 的 电子 基态 (11.86)， 根 据 (11.100) 式 ，j 值 的 确定 不 AB 散 时 的 供 体 和 受 体 间 的 激发 交换 频率 。 设 "是 受 体 中 振动 激发 消失 的 耗 散 过 程 的 频率 。 当 ”之 了 时 ， 按 照 文献 [31], 电子 进入 受 体 振动 态 的 几率 由 下 式 确 定 wid [人 ~ P—2e" + e-™| (11.101) 电子 进入 受 体 电子 基态 的 几率 随时 间 的 变化 为 nee 1 + poplin =F) | Trap (V » vt) (11.102) + -= 因此 ， 当 t>oo, wy(co)=0, we(~)=1, 如 果 f>v, 则 相应 的 几率 由 以 下 函数 确定 wy(t)= a 3sin (Y f*?—yv?t/2) (11.103) wWo(t)= Ime "fi + ars : 于 cos(T f?—yv7t) ] + pepin (VF) (11.104) RHE, MAE DR(~0) A ; wy(t)=sin’(ft/2), wo(t)=0 由 以 上 讨论 可 以 看 到 ， 蛋 白质 分 子 是 可 以 促进 电子 从 供 体 向 受 体 分 子 转移 的 。 但 是 ， 必 须 指出 : 1) 对 于 蛋白 质 分 子 的 未 填 满 的 电子 状态 ， 在 理论 中 是 仅仅 作为 虚拟 状态 被 考虑 的 。 电 子 进 入 受 体 分 子 ， 而 不 进入 导 带 。(2) 蛋白 质 分 子 的 影响 仅仅 表现 为 ， 供 体 和 受 体 的 波 函 数 被 改变 了 。 在 自由 供 体 与 受 体 分 子 中 电子 状态 的 波 函 数 基本 上 定 域 于 分 子 体积 中 。 如 果 它 们 被 固 着 于 准 周期 结构 的 蛋白 质 分 子 上 ， 则 波 国 数 具 有 ”延伸 的 尾巴 拭 见 式 (11.86)]j。 这 些 函 数 的 空 间 重 登 保 证 着 电子 的 转移 。 以 上 我 们 介绍 了 JIaBgpImroB 等 对 蛋白 质 在 电子 远 距 离 转 移 过 程 中 的 作用 所 作 的 某 些 研 究 。 虽 然 在 这 一 节 里 ， 我 们 没有 对 他 们 的 工作 做 出 专门 的 评价 ， 但 若干 研究 结果 说 明了 他 们 的 e 511° 研究 是 比较 严格 的 ， 有 意义 的 。 11.2.4 质子 转移 与 氢 键 无 数 的 研究 表明 ， 生 物体 中 的 许多 基本 过 程 不 仅 与 电子 的 转移 相 联系 ， 而 且 也 与 质子 的 转 移 有 关 。Kirkwood 指出 ， 生 物 高 分 子 如 蛋白 质 和 核酸 等 ， 分 子 表面 上 有 大 量 的 质子 。 这 些 质 子 不 断 地 运动 着 ， 在 质子 转移 的 同时 也 就 伴随 着 激发 能 的 转移 。 生 物 大 分 子 与 周围 分 子 的 相互 作用 ， 也 可 能 受到 质子 运动 的 影响 。 质 子 运动 可 以 与 邻近 类 似 的 分 子 相 呼 应 ， 从 而 构成 能 量 转 化 和 传递 的 系统 ， 使 诸如 DNA 这 样 的 分 子 能 够 利用 这 种 传 能 方式 来 传递 信息 55。 然而 ， 从 已 经 进行 的 研究 工作 来 看 ， 我 们 感 兴趣 的 是 通过 氢 键 的 质子 转移 ， 以 及 这 种 转移 与 能 量 转移 的 联系 ， 直 至 这 种 转移 对 生物 大 分 子 结构 和 功能 的 影响 等 问题 。 通过 对 蛋白 质 和 核酸 结构 与 功能 的 生物 化 学 、 生 物 物理 学 等 的 研究 ， 我 们 已 经 在 一 定 程度 上 了 解 到 氢 键 的 重要 性 (参见 3.2.2)。 现 以 DNA 分 子 为 例 。 我 们 知道 ，DNA 分 子 的 两 条 单 链 以 氨 键 维系 着 而 形 成 严格 AE 的 双 螺旋 结构 。 研 究 表明 ， 气 键 中 质子 的 摆动 也 能 转移 能 量 ， 它 摆动 的 能 量子 波长 相当 于 红外 线 2.7 um 左右 ， 与 三 线 态 和 高 能 伙 酸 键 的 能 量 都 十 分 一 致 。 在 DNA 复制 和 转录 过 程 中 , 作 为 反应 原料 的 三 酸 核 背 中 高 能 磷酸 刍 的 能 量 就 很 容易 转移 到 氢 键 上 而 与 模板 链 上 的 核 苷 酸 进 行 配对 ， 形 成 新 的 DNA 或 mRNA 分 子 。 此 外 ， 氢 键 两 端的 < PRA I, ow HE 子 可 以 横越 氢 桥 而 实现 非 定 域 化 ， 有 助 于 实现 激发 能 的 共振 转移 和 半 导 性 能 带 的 电子 转移 。 研究 表明 ，DNA 分 子 中 的 氢 键 形成 基 团 与 水 的 四 配 价 晶 格 恰好 相符 ， 因 而 可 以 产生 特殊 的 偶合 ， 使 水 分 子 按 一 定 有 序 的 取向 排列 。 其 “长程 有 序 化 效应 ”可 达 100nm 的 范围 ， 有 助 于 形成 DNA 分 子 周 围 的 液晶 态 有 序 水 结构 ， 这 对 形成 三 线 态 和 激 子 转移 等 均 十 分 有 利 。 任 何 外 界 影 响 ， 如 果 破 坏 这 种 体系 中 局 部 水 的 平衡 结构 ， 就 必然 会 通过 结构 重 排列 而 传递 至 远 距 离 ， 传 递 的 机 制 即 按 质子 转移 的 方式 进行 。 Lowdin 曾 提出 DNA 分 子 中 构成 气 键 的 质子 具有 隧道 效应 〈 有 关 质 于 隧道 效应 以 及 质 子 隧道 效应 引起 基因 突变 的 假说 请 参见 第 7 BE), 在 氨 键 系统 中 ， 假 如 发 生 质 子 转移 ， 随 之 发 生 电 子 转移 ， 是 理所当然 的 ， 然 而 电子 转移 不 那么 大 。 可 是 ， 在 生物 体内 和 质子 转移 偶合 引起 电子 转移 ， 帮 助 了 某 些 反应 的 进行 的 例 竹 是 有 的 ， 例 如 以 水 为 媒介 的 质子 转移 和 魔 蛋 白 酶 活性 中 心 通过 电荷 转 接 系 统 的 质子 转移 与 电子 转移 的 偶合 等 等 。 由 于 质子 转移 在 一 些 基本 化 学 过 程 〈 如 酸 - 碱 平衡 、 含 水 离子 传导 和 亲 核 加 成 反应 等 ) 和 于 。 et 〈 如 光合 作用 、 膜 上 的 输送 、ATP 的 形成 和 酶 催化 等 )[2-371 中 起 着 重要 的 作用 ,因而 有 关 伴 随 质子 转移 而 发 生 的 能 量 转 移 的 研究 受到 了 您 来 愈 多 的 科学 工作 者 的 关注 。 璧 如 ， 近 些 年 来 ，Scheiner 等 人 对 氢 键 系统 中 的 质子 转移 所 作 的 研究 即 是 这 些 研究 中 的 一 部 分 所 。 Scheiner 运用 ab initio 分 子 轨道 法 对 小 模型 系统 (HINHNH:)*( 参 见 蛋 白质 和 核酸 的 结 构 ) 作 了 较 这 入 的 理论 研究 。 得 到 的 电子 密度 差异 图 清楚 地 表明 ， 电 子 的 再 分 配 伴随 质子 从 其 平衡 位 置 (INH 一 N) 向 氨 键 (IN 一 H 一 N) 的 中 点 的 半 转 移 (参见 图 11-5 至 图 11-7)。 * 512° a we? Oy, 了 H GOOC 钨 CO @® x H H ie O vi O “i N Bo ie O @ 4 所 oo 8 08 8, le, 2e; 图 11-6 分子 轨道 示意 图 5 4 5 oe ae 图 11-7 AHS, 64) ) 对 的 电子 密度 差异 图 11-8 (le-，2e:) 对 的 密度 差异 图 从 不 同 分 子 轨 道 总 密度 分 布 的 改变 可 以 看 出 ，ai 轨道 跟 沿 五 - 键 轴线 的 密度 改变 相关 A 11-7 即 是 电子 密度 的 改变 跟 分 子 轨道 (5a:，6ai) 对 的 相关 模型 )。。 对 称 轨道 引起 NH BAY. 极 化 且 密 度 改变 正 交 于 H- BE 须要 提 及 的 是 ，1978 年 诺 贝 尔 奖 获 得 者 Mitchell 指出 1， 在 生物 体 的 氧化 磷 酸化 过 程 ”中 ， 由 于 呼吸 链 酶 系 的 作用 ， 使 膜 的 两 侧 形成 质子 梯度 差 ， 这 个 梯度 差 就 是 生物 能 量 的 来 源 。 HZ, “生物 系统 中 能 量 的 转移 "作为 量子 生物 学 中 的 一 个 研究 领域 已 经 取得 了 一 些 有 意义 的 结果 ， 它 将 会 引起 更 多 生物 学 家 、 物 理学 家 和 化 学 家 等 的 兴趣 。 他 们 将 抓 住 能 量 转 移 的 理论 和 实验 研究 ， 以 帮助 他 们 探索 生物 分 子 的 结构 及 其 相互 作用 ， 进 而 探索 生命 的 奥秘 。 参考 文献 [1] A. 圣 - 乔 其 著 ， 林 克 椿 译 : < 生物 能 力学 >， 科 学 出 版 社 ，(1962 年 ) . C2] 徐 京华 : 科学 通报 ，(4):114(1960) . [3] lassrnos, A. C.: “Brosorus u KBaHTOBag MexaHIHKa”，(HayK， 本 YMKa，KHeB)，(1979) 。 [4] 程 极 济 译 : “蛋白 质 及 核酸 的 激发 态 与 能 量 转移 译文 集 >， 科 学 出 版 社 ，(1981) . [5] BRAS: < 生物 物理 学 >， 人 民 教 育 出 版 社 ，(1981) . 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(2.1 概 述 下 史 在 量子 生物 学 中 ,有 关 化 学 致癌 剂 的 致癌 机 理 的 研究 占据 了 十 分 重要 的 地 位 , 亦 取得 了 不 少 有 意义 的 结果 ,因而 愈 来 愈 受 到 科学 家 们 的 普 过 重视 。 早 在 1937 年 Schmidt 就 提出 了 致癌 物 分子 的 电子 结构 与 其 致癌 活性 有 关 的 设 想 。 他 用 箱 型 模型 法 近似 计算 了 芳香 族 碳 氢 化合物 中 x 电子 的 分 布 。 结 果 显 示 , 这 些 分 子 中 ， 中 位 <- 电 子 分 布 特别 大 的 ,其 致癌 作用 亦 强 。Schmidt 进而 认为 这 个 位 置 与 致癌 有 关 5 (A 12-1), 进入 40 年 代 后 ，Pullman 夫妇 等 "又 提出 了 芳香 族 碳 所 化 合 物 致癌 的 人 -区 理论 。 他 们 用 定 域 的 Hickel 分 子 轨道 法 比较 了 芳香 族 矶 气 化 合 物 的 致癌 作用 与 反应 指数 的 关系 。 结 果 看 到 ， 重要 的 不 是 中 位 ,而 是 所 谓 的 “K- 区 域 ”( 图 12-2 )。 -% ‘Oe 609, ,, ood PA 12-1 葵 并 [a] 万 的 “中 位 ?” 图 12-2 葵 并 [a] 草 的 “K- 区 域 ” 图 12-3 葵 并 [a] 划 的“ 湾 区 ” 70 年 代 ,Jerina 等 提出 了 化 学 致癌 的 “ 湾 区 理论 1。 该 理论 是 在 生物 实验 的 基础 上 提出 的 , 它 用 湾 区 碳 阳离子 的 稳定 性 作为 判 据 , 较 好 地 解释 了 多 环 芳烃 (以 下 简称 PAH) 最 终 致 癌 形 式 的 代谢 历程 (参见 图 12-3 ) 。 1979 年 ,我 国 科学 工作 者 戴 乾 轩 提 出 了 以 离 域 能 为 参 数 的 “ 双 区 理论 "， 建 立 了 计算 芳香 族 ACA WB HIG EN BAK. 以 上 提 和 到 的 几 种 理论 ， 用 于 解释 PAH 的 结构 与 致癌 活性 关系 方面 ,取得 了 不 同 程度 的 成 功 ,但 致癌 物 是 多 种 多 样 的 ,致癌 过 程 是 受 多 种 因素 影响 的 ， 因 而 对 于 化 学 致癌 剂 的 致癌 机 理 的 研究 ， 也 先后 提出 了 其 它 的 一 些 理论 ,如 西 德 量子 化 学 家 Ladik 提出 的 “ 误 读 理论 ?等 等 。 但 是 ， 要 真正 弄 清 致 癌 这 样 一 个 复杂 的 问题 ， 并 非 是 某 一 个 单一 理论 所 能 及 的 ,为 探索 致癌 之 谜 ,各 种 不 同学 说 的 提出 和 各 种 不 同方 靶 的 运用 是 很 自然 的 ,研究 实践 说 明了 这 一 点 。 12.1.2 化 学 致癌 物 的 发 现 二 百 多 年 来 , 随 着 工业 ,特别 是 化 学 工业 的 发 展 ， 人 们 逐渐 发 现 了 一 些 化 学 物质 对 人 或 动物 的 致癌 作用 。 ° 515。 | 职业 的 关系 。 1895 年 Rehn 报告 了 接触 苯胺 染料 的 工人 易 串 膀胱 癌 , 这 个 事 实 曾 引起 了 当时 社 ”性 激素 类 , 霍 菌 毒素 ,植物 产品 ,无 机 化 合 物 及 其 它 致癌 性 物质 。 时 在 1775 年 ,英国 外 科 医 生 Potto3 发 表 了 他 对 伦敦 扫 烟 务工 人 的 阴囊 癌 的 观察 ,指出 了 这 一 种 阴囊 癌 是 烟 向 里 的 烟灰 长 期 积 沉 在 阴囊 银 野 中 的 结果 。 从 这 以 后 ， 人 们 开始 注意 某 些 及 站 号 4 会 上 激烈 的 争论 。 后 经 研究 ,证 实 了 某 些 化 学 物质 与 癌症 病因 有 密切 关系 。 19154, ARAN | 极 和 市 川 轨 用 煤 焦油 涂抹 免 耳 及 小 白鼠 的 皮肤 ， 成 功 地 引发 了 皮肤 癌 , 几 年 以 后 ,这 个 现象 又 进 时 一 步 得 到 了 证 实 和 发 展 。 1918 年 Tsutsui") Je 1922 年 PasseyG9 用 烟灰 的 有 机 溶剂 提取 液 涂抹 邓 小 鼠 皮 肤 致癌 成 功 又 进一步 证 实 了 Pott 的 观察 。 1932~1933 42, Kennaway 和 Cook’ 4 \, — 在 多 年 研究 的 基础 上 先后 证 明 二 苯 并 万 、 苯 并 [a] 世 等 PAH 是 煤 焦 油 中 致癌 的 化 学 成 分 。 随 着 了 煤 焦油 化 学 工业 的 发 展 , 特 别 是 芳香 烃 和 偶 所 染料 工业 的 发 展 ,各 国 科 学 家 采取 实验 肿瘤 的 方法 “ 对 芳香 烃 类 、 偶 气 类 、 亚 硝 基 化 合 物 进行 了 大 量 的 动物 致癌 实验 。 到 1970 年 已 对 五 千 多 种 化 从 ， 物 进行 了 测试 ,与 此 同时 ,还 进行 了 肿瘤 死亡 统计 ,直到 1978 年 已 肯定 了 近 三 千 种 对 动物 有 致癌 ” 作用 的 化 合 物 ,而 且 以 后 每 年 都 有 数 以 百 计 的 新 致癌 物 被 报道 。 aoe Ae 生物 圈 里 ,直接 威胁 着 人 类 的 健康 。 迄今 为 止 , 就 已 经 发 现 的 致癌 物 而 言 ， 有 无 机 的 ,也 有 有 机 的 ; 有 结构 简单 的 ,也 有 结构 复杂 的 ; 有 直 链 的 ,也 有 环 状 的 ;有 人 工 合成 的 ,也 有 天 然 产品 等 等 。 归 纳 起 来 可 以 分 为 : 多 环 芳烃 类 , 芳 胺 类 , 偶 氨 类, 卤 烃 类 , 亚 硝 胺 及 亚 硝 酰胺 类 , 烷 化 剂 , 尿 烷 及 硫 脲 类 , PUK, 12.1.3 体内 、 体 外 代谢 实验 与 最 终 致 癌 物 12.1.3.1 代谢 途径 体内 和 体外 代谢 实验 表明 ， 化 学 致癌 物 一 般 可 分 为 直接 致 辣 物 和 间接 致癌 物 两 天 类 。 1. 直接 致癌 物 井 接 接触 机 体 某 一 部 位 能 引起 六 痪 的 化 学 物质 一 股 条 为 直接 车 牺 。 在 人 半球 境 中 这 类 致癌 物 为 数 极 少 。 A 大 多 数 直 接 致 冶 物 为 化 学 合成 产物 ， 它 们 可 能 构成 一 定 的 职业 性 危险 。 由 于 它们 在 化 学 二 ee ee ee 受 体 结合 。 如 图 12-4 Bian, Wy RFF A MNS N7 位 置 的 结 CH, CH, 1 | : A: H.C —CH,— N—CH,—CH,—OH H.C— CH,—-N—CH,—CH, N N ®\\ H sae ae 人 eae H,N H,N~ N 2 0 O H H . H OH OH OH OH © 516。 2. 间接 致癌 物 需要 通过 机 体 代 谢 活化 才能 引起 癌 瘤 的 化 学 物质 一 般 称 为 间接 致癌 物 。 大 多 数 致 冶 物 为 间接 致癌 物 。 它 们 在 环境 中 相对 是 稳定 的 ， 进 入 机 体 后 才 代谢 活化 ， 所 以 ”污染 环境 的 危险 较 多 。 对 间接 致癌 物 代 谢 的 研究 ， 是 从 生化 药理 学 得 到 启发 的 。 它 们 在 体内 的 代谢 具有 双重 性 ,一 方面 可 经 代谢 活化 为 最 终 致癌 物 ， 另 一 方面 可 代谢 而 失去 致癌 性 。 图 12-5 为 化 学 致癌 物 代 谢 致癌 示意 图 。 代谢 解毒 前 致癌 物 一 一 一 > 失 活 代谢 活化 | ARTE y 半 致 癌 物 一 与 细胞 组 分 的 非特 蜡 反 应 代谢 活化 i 包括 竞争 作用 y 《例如 小 分 子 ) 终 致 癌 物 一 一 ( 亲 电 、 致 突变 性 ) 与 DNA、RNA 或 蛋白 质 结合 i 特异 受 体 错误 的 信息 传递 给 子 细胞 一 > 免疫 反应 (? ) 一 > 失 活 ‘ee 一 失 活 肿瘤 细胞 形成 | 进展 分 化 与 未 分 化 的 肿瘤 | 转移 图 12-5 化 学 致癌 物 致癌 示意 图 Vel Be BH Wy FFE CIE BRIGADA IGS Heh EE IE WU RA 等 等 。 其 中 以 多 环 芳烃 为 最 重要 的 环境 致癌 物 。 它 的 种 类 之 多 ,分布 之 广 ,与 人 类 关系 之 密切 是 PA 节 上。 因此 ,在 这 一 章 里 我 们 将 着 重 以 PAH 为 例 来 予以 讨论 。 图 12-6 表示 葵 并 [a] 蕊 "可 能 的 代谢 途径 。 12.1.3.2 ”最终 致 癌 物 从 图 12-6 和 12-7 可 以 看 到 , 苯 并 [a] 世 的 代谢 途径 和 在 机 体内 的 活化 过 程 。 >, 若干 实验 证 据 有 力 地 暗示 , 湾 区 四 气 二 醇 环 氧化 物 〈7,8,9,10- 四 所 -7,8- 二 羟基 -9， 10- 环 氧化 葵 并 [aj] 艺 ) 系 葵 并 [aj] 基 的 半 致 癌 形 式 ， 即 它 所 产生 的 一 特别 重要 的 转化 一 一 通过 质 子 化 和 环 氧 环 的 打开 而 形成 三 羟基 碳 阳 离子 , 即 苯 并 [a] 蔚 的 最 终 致癌 物 ( 图 12-7) 。 * 是 PA 玉 中 研究 得 最 为 详尽 的 一 种 强烈 致癌 剂 。 © 517° FECA EER AA GEL. eS Hik, MPA PM et 致癌 的 研究 也 主要 集中 在 . Sp ee ee < | 3,4-R FFL 细胞 色素 P 450 混合 功能 氧化 栈 -一 一 一 一 一 。 kets | > 从 way. a te « ts ae ik _| 环 氧 化 物 + a1 6 ; a Base . - -; |- -; 3-; (6-); 7-; 9- 3,6- eh Te 全 4,5-; (2,3-; 一 | 酚 1 3-; (6-); 7-; 9- |~ sh 36, rae oe > DNA, RNA, SAK | i Ta AL BE ’ + nae YG 8-; 9, 10 | 站 ae 7 ,8-— 8-9, 10- 过 氧化 物 三 醇和 四 醇 »8,9-;7,8,9,10- = 了 ] 图 12-6 FL a THA EM RMS ”概括 起 来 ， 化 学 致癌 作用 的 量子 生物 学 研究 自 Schmidt HAF ATA A SS 的 设想 以 来 ,到 现在 已 经 取得 了 不 少 记 果 ,但 仍 在 继续 深入 之 中 。 目 前 , 肿 六 已 太医 学 .分子 和 。。 物 学 ,量子 生物 学 .细胞 生物 学 免疫 学 ,遗传 学 等 多 种 学 科 的 研究 对 象 。 当 今世 界 正 汇集 各 方面 的 科学 家 ,在 电子 、 分 子 \ 细 胞 个 体 以 及 群体 水 平 ,从 流行 病 学 ,病因 学 临床 诊断 和 治疗 ;以 及 包 。。 括 致 瘤 机 理 、 生 物 学 特性 和 基础 理论 方面 开展 广泛 深入 的 研究 。 Niele. a 12;2.1 多 环 芳烃 (PAH) 3 在 12.1.1 中 ,我 们 提 到 了 化 学 致癌 作用 研究 中 的 “K- 区 理论 ",“ 湾 区 理论 ",“ 双 区 理论 ?等 ， 等 ,在 讨论 PAH 的 这 一 节 里 ,我 们 将 比较 详细 地 介绍 这 些 理论 。 a 12.2.1.1 工 -区 理论 在 30 年代 未 ,Schmidt 提出 了 致癌 物 分 子 的 电子 结构 与 其 致癌 活性 有 关 的 设想 。 他 们 认为 ， +518 。 a! 3,4- RIFE WGP oe * ay at ee 一 氢 二 莓 -9 ,10- 环 氧化 物 R: 蛋白 质 、 核 酸 等 大 分 子 12-7 并 [a] 花 在 机 体内 的 活化 过 程 癌变 是 由 手 细胞 受到 某 些 外 来 因素 的 催化 而 处 于 某 种 激发 状态 2 ， 并 用 价 键 法 计算 了 芳香 族 矶 氨 化 合 物 中 = 电子 的 分 布 ,进而 以 电子 的 自由 价 作为 结构 指数 ， 通 过 比较 ， 发 现 在 这 些 分 子 中 ,中 位 〈 相 当 于 草 和 类 似 分 子 的 9 .10 位 置 ) < 电子 密度 分 布 特别 大 的 ， 其 致癌 作用 亦 强 。 他 们 进而 认为 ,这 个 位 置 ( 即 工区 ) 与 致癌 过 程 有 关 ( 参 见 图 12-1 ) 。 但 是 ， 研 究 表明 (图 12-8 ) ,中 非 位 电子 密度 大 的 PAH 可 以 在 蛋白 质 的 酮 - 烯 醇 互 变异 构 过 程 中 起 一 种 催 化 作用 (参见 12.2. 1.2), 这 样 就 导致 了 细胞 内 蛋白 质 分 子 的 不 可 逆 改 变 ,从 而 促进 细胞 癌变 ， BLES og Pe. ~-/----} _(c— p09 C —OH f aro ————— nae . ‘ SA 和 tl NY Sk | we? ‘y n—¥ 2 H—N \ \ » | 图 12-8 ° 519° Me WE Mae Cwm 6-21 国 X WHKT-9'S' CX WHAK UX BWike—-v'e'vIXX REXIX ’ zi o z wt 6 BLHE-TIMX BHK-TIUNAX 人 9 5 f 中 WHEE-SUTIAX 非 并 洗 二 -名 f5ZIAIX He-O'S'T MX W-7'1-9-,£,7MXXX W-7'1-W— NN ZIAXX W-U1-W-"ZIAXXX BLEL-OVO'TINXXX BL¥S-8'7 XXX ? WHEE=-9'S'v'e'7' XXX WHEIXXX WH K-9'S ‘71K a WHC RACK-P'CA 1 2 tcice — otsice BEI p'e'TUAXX ieee 5S'6'ZAIXX SEHR 8'L'C'7 XX 表 12-1 未 取代 芳香 族 厂 氢 化 合 物 的 致癌 作用 和 K- 区 域 ， 工 -区 域 的 理论 指数 K -区域 | L-K Nias eb eh ik O.L.E.+ P.L.E ft eer a ee | fr 置 | CAF I 一 1-2 4.07 1-4 6.54 II 一 1-2 3.56 1-4 5.98 III 一 1-2 3.53 9-10 5.38 IV 一 9-10 3.36 一 一 V 十 1-2 3.41 一 一 VI 二 3-4 3.29 9-10 5.53 Vil 一 1-2 3.33 6-11 5.25 VIII 一 1-2 3.38 一 一 x - 1-2 3.33 a = 站 = 1-2 3.81 一 一 XI 十 十 十 十 6-7 3.23 一 一 XII 十 十 3-4 3.30 9-10 5.69 4 十 7-8 3.41 一 == XIV 十 9-10 3.42 -一 一 XV + 3-4 3.31 9-10 5.66 XVI 一 6-7 3.37 一 - 一 XVII 一 3-4 3.20 6-11 5.25 XVIII 一 1-2 3.27 6-13 5.03 XIX 一 6-7 SR23 5=T4 5.56 XxX 一 5-6 3.51 9-10 5.67 XI 二 11-12 3.37 一 — XXII 一 2 3.38 一 一 XXIII 一 9-10 3.27 1-4 5.47 XXIV 一 9-10 3.30 1-4 5.48 XXV = zat cee be C2 XXVI 十 十 十 十 6-7 3.24 一 = XXVII Je oe ee 627 3.17 — 一 XXXVI + 1-2 3.34 一 一 XXIX en Bas =2 a mm XXX 一 6-7 3.14 1’-4’ 5.30 XXXI = 4-5 3.20 5 一 一 XXXL 一 7-8 3.35 9-10 5.80 XXXIII o- 3-4 3.24 5-12 5.42 XXXIV 一 3-4 3.25 5-12 5.40 XXXV 一 3-4 3.30 9-10 5.45 XXXVI 一 3-4 3.24 9-10 5.44 XXXVII 一 3-4 3.24 9-10 5.54 © 521° 12.2.1.2 天- 区 理论 在 40 年 代 未 和 五 十 年 代 初 ,Pullman 等 (2 在 Schmidt 工作 的 基础 上 ,提出 了 开创 性 的 K- 区 理论 。 他 们 运用 定 域 的 HMO 法 比较 了 37 个 未 取代 芳香 族 碳 氢 化 合 物 的 邻 位 定 域 能 (0.E. E.) ,对 位 定 域 能 (P.L.E.)， 碳 定 域 能 (C.L.E.)，( 见 图 12-9 ,. 表 12-1), FRGA, BEHR 大 工区 ,而 是 所 谓 的 “K 区 ”。 概 括 起 来 ,K 区 理论 最 重要 的 两 点 结论 是 ; (1) KK 区 是 发 生 致 癌 反 应 的 关键 区 域 , 而 工区 是 对 致癌 反应 起 抗 持 作 用 的 区 域 ; (2) 致癌 反应 的 本 质 是 致癌 剂 和 生物 体 中 各 种 亲 电 子 活性 中 心 发生 加 成 反应 , 此 时 电子 的 流向 是 从 致癌 剂 一 > 生物 体 成 分 。 Pullman 等 在 对 K 区 和 工区 结构 指数 计算 的 基础 上 ,分 析 了 它们 与 致癌 EMR. BD 十 分 失望 ,没有 见 到 一 种 简单 的 指标 能 够 有 效 地 反映 与 致癌 活性 的 联系 。 后 来 ,他 们 选择 了 一 种 复合 指标 来 标志 反应 能 力 。 对 区 用 键 定 域 能 * (扰乱 一 个 共 斩 分 子 的 电子 结构 ,使 一 对 元 电子 定位 在 两 个 相 邻 碳 原子 间 所 需 的 能 量 ) 和 碳 定 域 能 (使 两 个 电子 定位 在 发 生 反应 的 一 个 碳 原子 上 因而 不 再 参与 共 斩 所 需 的 能 量 ) 之 和 ;对 工区 用 对 位 定 域 能 (使 两 个 电子 同时 定位 在 厂 原 子 所 需 的 能 量 ) 和 碳 定 域 能 之 和 。 在 经 过 计算 和 比较 之 后 ,他 们 提出 了 定量 的 判 据 : 凡 K 区 的 键 定 域 能 与 碳 定 域 能 之 和 (KK BA) 小 于 或 等 于 3.31 6, 工区 的 对 位 定 域 能 与 碳 定 域 能 之 和 CL 区 复合 指标 ) 大 于 或 等 于 5.66 FM, 分子 才 可 能 有 致癌 活性 (参见 表 12-1)。 从 表 12-1 可 以 看 出 ,3,4- 苯 并 世 GRIF LaE) ELK KE RABY 3.23 B, 是 很 强 的 致癌 牺 ;1,2,5,6- 二 茶 并 万 KK 区 复合 指标 为 3.30 B ,而 工区 为 5.69 B ,只 略 大 于 5.66.8 ,为 次 强 的 致癌 物 ;1,2- 葵 并 区 ( 葵 并 [a] 章 )K 区 复合 指标 是 3.29 B ,工区 复合 指标 为 5.53 B, 前 者 小 于 3.31 P ,后 者 小 于 5.66 A , 故 仅 有 微弱 的 致癌 作用 。 总 之 ,按照 K 区 理论 的 计算 ， 与 当时 已 知 的 37 个 PAH 的 实验 事实 较为 一 致 。 _ 由 于 居 区 理论 大 致 解释 了 当时 已 知 的 不 多 的 事实 ,在 一 定 意义 上 开辟 了 将 分 子 PR 于 生理 活性 研究 上 的 可 能 途径 ,一度 曾 被 认为 是 结构 与 生理 活性 关系 问题 上 的 一 项 重大 突破 。 但 “随后 的 实验 表明 ，K 区 理论 的 许多 预言 与 实验 事实 是 相 矛 盾 的 ， 且 根据 K 区 理论 提供 的 线索 ， 合成 出 来 的 K 区 环 氧化 物 , 总 是 致癌 活性 较 低 。 因 而 ， 使 人 们 对 和 区 理论 产生 了 怀疑 ， 渐 渐 失去 了 影响 。 分 析 玉 区 理论 未 能 取得 成 功 的 原因 ,其 主要 不 足 在 于 缺乏 PAH 在 生物 体内 实际 代谢 过 程 “ 的 充分 资料 。 这 也 说 明理 论 计算 必 须根 据 实 验 结果 加 以 修正 和 发 展 ; 另 一 方面 ,理论 计算 也 为 实 验 工作 者 提供 了 在 某 种 程度 上 的 指导 性 线索 、 预 测 和 计算 工具 。 12.2.1.3 湾 区 理论 60 年 代 期 间 ,许多 科学 工作 者 ,尤其 是 Lacassagne 及 其 同事 进行 了 PAH 的 结 构 致 癌 活 性 关系 的 实验 研究 22。 七 十 年 代 以 来 ,致癌 剂 尤其 是 PAH 生物 代谢 实验 资料 的 大 量 积 累 吧 -1， 使 人 们 认识 到 角 环 的 环 氧化 物 是 与 生物 大 分 子 共 价 结合 的 重要 中 间 体 。 进 一 步 的 工作 表明 ,处 于 所 谓 湾 区 (Bayregion) 的 角 环 (如 图 12-10 所 示 ) 在 代谢 活化 过 程 中 对 致癌 性 能 起 着 关键 作用 ， * 键 定 域 能 即 邻 位 定 域 能 。 。522。 而 其 最 终 致 癌 形 式 , 是 湾 区 环 氧化 物 (参见 图 12-7)。 在 这 些 实验 事实 的 基础 上 ,Jerina 提出 了 “ 湾 区 理论 ”42-5 ,其 主要 论点 是 : ene (1) MR WNIE RUSE, x ae / 阳离子 人 [人 反应 起 着 关键 性 的 作用 ， 其 最 终 致癌 形式 为 湾 区 PY AY 环 氧化 物 。 (2) 湾 区 矶 阳离子 稳定 性 越 高 ,致癌 性 越 强 。 12-10 RIEL IPE MHD 湾 区 理论 强调 湾 区 碳 阳 离子 的 重要 性 (图 T2-11)。i Jerina IW ,PAH 湾 区 夏阳 离子 的 离 域 能 越 高 ,其 致癌 活性 越 强 。 已 知 某 些 湾 区 环 氧化 物 的 二 氢 二 醇 前 体 ,其 致 突变 或 致癌 活性 与 母 fe PAH 相 接近 ,因此 湾 区 理论 受到 了 人 们 的 重视 。 湾 区 碳 阳离子 和 其 它 位 置 阳离子 的 稳定 性 ,可 以 借助 微 扰 分 子 吉 道 法 (PMO 法 ) (参见 2.2.1.2) 计 算 阳 离子 的 离 域 能 (A 五 六 上) 而 定量 地 估计 。 理 论 计算 表明 ,在 Jerina 等 所 选用 的 25 AY PAH 中 , 除 个 别 例外 , 湾 区 矶 阳离子 的 离 域 能 与 实验 致癌 标 度 尚 属 平行 。 但 对 更 多 的 PAH 作 理论 计算 后 , 则 发 现 有 很 多 例外 ,如 一 些 有 多 个 湾 区 的 化 合 物 没 有 致癌 活性 (图 12-9 和 表 12-1 中 的 1,2,6,7-— IFES) ,而 另 一 些 没有 湾 区 的 化 合 物 则 有 程度 不 等 的 致癌 活性 。 由 此 可 见 ， 只 是 形式 地 从 分 子 中 存在 湾 区 与 否 的 角度 来 确定 是 否 致癌 的 问题 ,并 未 抓 住 问题 的 实质 。 襄 且 ， “ 湾 区 理论 ?也 没有 提出 任何 定量 判 据 ,因而 也 缺乏 预言 能 力 [9 。 12.2.1.4 双 区 理论 1979 年 以 来 ;我 国学 者 戴 乾 圆 对 PAH 致癌 机 理 进 行 了 较 系统 的 分 子 轨道 计 算 和 其 它 一 些 研究 !512319 ,提出 了 以 离 域 能 为 参数 的 “ 双 区 理论 >, 建立 了 计算 PAH 致癌 活性 的 定量 公式 。 其 主要 结论 是 : (1) PAH 分 子 致 癌 的 必要 结构 是 存在 着 两 个 且 仅 需 两 个 活性 区 域 . 即 致癌 剂 在 代谢 过 程 中 将 产生 两 个 亲 电 活性 中 心 。 换 句 话说 ;就 是 致癌 剂 在 体内 分 步 地 或 同步 地 代谢 成 双 官能 烷 化 剂 是 致癌 的 最 有 效 步 又。 活性 区 域 包括 : 角 环 .次 角 环 和 活性 KK 区 (图 12-12)。 (2) 脱 毒 与 活化 是 两 个 相关 而 又 相互 矛盾 的 过 程 。 实 际 上 , KK ,甚至 工区 都 有 活化 ”和 脱 毒 的 双重 作用 。 其 中 , 角 环 ` 次 角 环 、 活 性 区 ,主要 起 代谢 活化 的 作用 ,而 工区 、 等 价 K 区 及 ， 超过 双 区 需要 以 上 的 多 余 的 角 环 ,主要 起 脱 毒 作 用 .K 区 是 一 种 双重 性 能 区 域 (参见 12.2.1.8)。 (3) 致癌 的 关键 过 程 是 要 求 DNA 股 间 互 补 碱 基 对 的 横向 交 联 ,以 及 致癌 的 机 理 是 DNA 的 双 股 互补 移 码 变异 . (4) 对 于 PA 瑞 致癌 问题 ,应 该 考虑 距离 因素 和 传输 因素 , 且 亲 电 的 双 官能 团 的 距离 以 0.28 nm 为 致癌 的 最 优 距 离 ,而 大 于 6 个 苯 边 单位 的 “ 双 区 ?都 没有 活性 。 (5) 采取 忽略 构 型 异 构 体 间 可 能 差别 的 近似 ,强调 PAH 代 谢 过 程 中 酶 的 活性 中 心 的 空间 要 求 的 重要 性 。 双 区 理论 提出 了 以 PAH 的 离 域 能 作 人 参数 的 致癌 活性 定量 公式 (12.1) 式 : logK =4.751 AF,AE3—0.0512 nAE;$ (12.1) ti Sh AL, Al AL, BAA HAS AU es BEAR AE A TE TE UD NO BORA EEE RAO! q © 523° . 图 12-11 一些 多 © 524° er 全 BR ov Qe, BD \ 总 5 环 芳烃 的 湾 区 5 © 525。 角 环 癌 的 (十 );， K Wy 16—! 5 时 HSK (+ 十)545 一 7 a | | Bs (+ ++), TKD 75 者 为 强烈 致癌 (++++) Peal & 戴 乾 贺 运用 (12.1) 趟 计算 了 49 个 PAH .计算 的 致意 活 图 12-12 “ 沫 并 [ 拉 草 的 活性 区 域 性 与 实验 结果 的 符合 率 达 98%( 见 表 12: bea. AR ne 还 预言 了 4 企 疫 有 作 过 生物 实验 的 PAH 的 致癌 活性 (图 12-13) 。 OL JOO Kwr2.21(-) K3,36(-) K=24 6(++) 图 12-13 由 于 双 区 理论 是 建立 在 PAH 体内 代谢 实验 的 基础 上 , 且 较 合理 地 考虑 了 PAH 4) Fhe 键 区 的 作用 。 因 此 ,计算 的 结果 与 实验 有 很 高 的 符合 率 , 对 了 AH 的 致癌 活性 也 有 预测 能 力 。 此 . 外 , 戴 乾 图 等 还 对 36 个 缺乏 实验 数据 的 六 环 PAH 用 双 区 定量 公式 进行 了 计算 ,对 其 致癌 活性 作 了 理论 预测 ,指出 其 中 的 9 个 化 合 物 可 能 是 潜在 的 致癌 剂 .当然 ;这 一 结论 是 否 正确 , 尚 待 实 验证 明 。 综 上 所 述 , 双 区 理论 对 PAH 无 论 是 计算 的 数量 和 结果 都 优 于 区 理论 和 湾 区 理论 。 双 区 时 理论 提出 的 一 些 假设 ,可 以 认为 ,是 基本 合理 的 。 但 是 ,也 有 学 者 提出 质疑 ,认为 双 区 理论 最 根本 的 错误 就 是 ;量子 模型 与 代谢 模型 不 符 , 并 且 在 双 区 公式 的 推导 过 程 中 , 某 些 数据 的 处 理 不 大 严 遮 , 目 前 也 还 没有 足够 的 实验 事实 支持 这 个 理论 。 12.2.1.5 多 环 芳 烃 的 构 型 效应 近 几 年 来 ,在 多 环 芳烃 最 终 致 癌 物 构 型 效应 的 量子 生物 学 研究 方面 ,取得 了 一 些 有 意义 的 结 果 。 Jerina 等 9 实验 证 实 ， 多 环 芳烃 湾 区 二 醇 环 氧化 物 为 其 最 终 致 冶 物 《参见 12.1.3.2)。 有 顺 反 两 种 异 构 式 , 且 异 构 式 中 由 于 产 基 排列 不 同 又 有 两 种 构 型 , 即 平 伏 梅 型 和 垂直 构 型 (参见 表 ， . 12-3 )。 进 一 步 实 验 表 明 C2-25 MA DER, 其 平 伏 键 型 的 致癌 活性 缘 高 于 垂直 键 型 的 致癌 活性 。 白 适 彬 等 应 用 CNDO/2 法 研究 了 亲 并 [C] 非 二 醇 环 氧化 物 三 不 异 构 HR LAR 12-3 中 交大 二 式 (eg,ed')-1;,2- 环 氧 -3;4- 二 醇 薪 并 [C] 非 王 反 式 (eg,eg/)-1,2- 环 氧 -3,4- 二 醇 蔡 并 [C] 非 JI 顺 式 (az,az“)-1,2- 环 氧 -3,4- 二 醇 茶 并 [C] 非 HI) 以 及 三 个 模型 化 合 物 ( 顺 式 (eged9=1,2= 环 氧 -3,4- 二 醇 环 已 烯 IV, 反 式 (eg,ed')-1,2- 环 氧 -3,4- 二 醇 环 已 烯 V, 顺 式 (az,az“)-1 2- 环 氧 3,4- 二 醇 环 已 烯 VITD)。 计 算 表 明 ,二 醇 环 氧化 物 的 三 个 异 构 体 ,以 平 伏 键 型 异 构 式 比 垂直 键 型 “和 异 构 式 具有 更 大 活性 .而 计算 三 个 模型 化 合 物 环 已 烦 二 醇 环 氧化 物 - 氨 系 统 的 电子 迁移 特性 (%) 的 结果 表明 ,二 醇 环 氧化 物 的 构 型 是 平 伏 键 构 型 ,还 是 垂直 键 构 型 ,可 能 是 决定 生物 活性 的 关键 和 £ ° 526 * 编号 0.766 4 “~ ©COO SP HCH del-P)) 0.890 | | 0.890 0, < .0.885 ni Mi 7 OOOO THEIL, LIRA) 0.885 | 0.885 Rx AF,.=0.4008 OF 0.749" 0.866 | : Ne oe a? AFLrst RI | 0.866 下 着 标本 GOO 4 288 | SHIELD def Ti] 0.845 | 0.845 | 0.871 | a | 378) CE 0.85 5 a KHLAITH | 0.845 | 0.845} 0.614) 2 | 2:0) _ 0,643 (O} [ | 6.00 ng? 98... Rashes hi Tkceae ae oma? | 0.921 | 0.643 | 2 Roe ea Pa Tete | ea a eo © if | | ew) & ce ge 0.820 | 0.820 0.684} 1) 《人 (CJ0.820 ~ 0.684 ‘ | ’ vamp |; Hy aig | 0.705 asses’ |iiae | ¢525 ee RI A a AD Se. SE | «527 ¢ 一 一 一- 一 一 一 | 一 一 | 一 一 Ts Bim) ag, | Am. | |i Wesel 实验 致 WS 化 合 物 结构 化 侣 物 名 称 [ORM | 瑟瑟 n lik 2 (8 单位 |(B 音 位)|( 有 单位 ) K | 癌 活 性 三 葵 并 [a,j] 丁 省 | 0.818 0.818 | 0.400| 3 | (一 ) | (-) ‘WAE,=0.4008 — 17.20 | (++)/ THF def, pli (++) (+++) = Slagle ee (+) 123.55 A FEC al EE 1 (++++) (++++) 0.787 | 0.787 3 OOOO) 二 茉 并 [ayc] 丁 省 Meter A. cea 1 pease ae Ot RAS RA 0.2666) } 0.571 | ‘ ye te 1.34 (一 六 Ren 15 Sooo KIC 0.766 et ee i 16 OOO =eItCa nT 0.738 * 528 « 化 合 物 名 称 A FFLlal ye 0.733 | 0.733 | 0.621 | 2 | ey (=) = ¢Ca, jz | 0.722] 0.722 | 0.722 | 1 tee ee) OS FFL] = HK 0.722 | 0.722] 0.545 蕉 并 [1,2-b] 三 vis 多 -| 1 0.721 | 0.721 | 0.705 Hela 0.719 | 0.719 0.667 RIFLE 0.714 | 0.714] 0.400 RAH. =0.4008 戊 省 0.709 | 0.709 | 0.400| 3 | (7 | (—) | 取 AB:=0.4008 | pee ee ——E———E———— | | | abe Al 0.692 -0.692 | 0 | {2°78 ai ° 529» 和 ae 湾 区 最 高 AB, . AR, 4’ | me ieee xMe Bt ”编号 tebe | 化 合 物 名 称 wets n | 活 栓 指 标 2£}-(8,1,2-cde] 丁 省 | 0.691 0.971 0.691 | 1 23.28 | “j : ce) ee | JEF#(9,10-bJ= 3.73 We 0.687 | 0.687 0.685 3 4 Pe se | 0.664 | 0.664 | 1 ic BE 0.662 3 es 非 0.658 0.658 fae ICCTA | 0.648 0.623 555 CI | 0.647 0.580 rice Reeds yi 0.639 0.639 0.639 cry ,33 0,638. IO =#ItCe,e14k | 0.638 | 0.638] 0.638 CE "530。 ( 续 表 ) ; 入 区 最 高 it 化 合 物 名 称 | 离 碱 能 n | 活性 指标 说 。 明 CB ie IB HMI |(B 单位 | |， 天 | 癌 活 性 } as 0.628 | 0.628 | 0.617 | 3 | (24) | (-) | % 丁 省 062 了 | 0.628/ 2} ¢2\\ | (-) ‘s ; | / eof 0.600 | 0.600} 0.600 13 | (7°) | (—) rN Pt he de ala a IEC CTIE 0.600 | 0.600 | 0.600|-0 | 7) | (+) 7 1.67 #£96C1,2-a]%K | 0.600] 0.600! 0.563 | 1 oy | Ca 二 葵 并 [b,k] 荀 0.592 | 0.869) 0.592 | 3 (—) (= WOIFL1,2-a]@W | 0.571-] 0.571 | 0.571 | 2 (35 (=) 和 0.559 | 0.559 | 0.400 | 1 | (:“) | (—)- | 取 AP:=0.400 8 万 0.545 | 0.545] 0.545] 1 rae hee 2 ee) ae SS eS ee eee Oe 其 0.488 | 0.488 | 0.488 | 0 | 1 | (—) 。 531° 编号 化 合 物 结构 se 532° 无 角 环 区 的 化 合 物 湾 区 最 高 AB, AE: 化 合 物 名 称 | MBE CB thir) |B ME] AL) 计算 致癌 | 实验 致 二 葵 并 [cd,lm] aE 0.928 | 0.600 葵 并 [ghi] 北 0.826 | 0.713 *¥ (Coronene) =#IF[def,mno] i 表 12-3 母体 烃 二 醇 环 氧化 物 及 模型 化 合 物 前 线 、 近 前 线 轨 道 能 级 表 $3 BAG fink SH LE SEES ~ MEE 类 别 化 合 物 反 式 (az,6z')-1,2- 环 氧 -3,4- 三 醇 茶 并 [e] 花 WisX (ax ,ax’)-1,2-H-3,4-— BAFFLE] KX(ax,ax’ )-1,2-HS-3,4-2 B= MAX (ax,ax’)-1,.2-HKR-3,4-—“B= VR ReK(eq,eq’ )-1,2-HKM-3,4-— MBM RIFLAl 顺 式 (az ax’ )-1,2-H3A-3, 4-—“ BAFFLE KK(eq, eq’ )-1,2-KM-3, 4-— MHA Wit (ax ,ax’)-1,2-HA-3,4--~ BEF K eK (eq, eq’ )-1,2-HA-3, 4-— A Wis (ax ,ax’)-1,2-H4-3, 4-— ReK(eq,eq’ )-1,2-H#A-3,4-— BIE WiKt (ax, ax’ )-1,2- 环 氧 -3,4- 二 醇 非 反 式 (ed,eg')-1,2- 环 氧 -3,4- 二 醇 苯 并 [c] 非 MIR (eq eq’ )-1,2- 环 氧 -3,4- 二 醇 苯 并 [c] 非 Ill ——~ 0.1376 a 验 文献 老鼠 数 | 瘤 / 老 鼠 Hm % 致癌 活性 低 [28] [29] 一 一 | 一 一 | 一 一 | 一 [22] 通过 计算 ， 所 得 的 结果 ( 表 12-3 和 表 12-4 ) 与 文献 [21 一 29] 所 报导 的 实验 结果 相符 。 由 此 可 见 ,PAH 最 终 致 癌 物 二 醇 环 氧化 物 的 构 型 确 对 分 子 特性 有 影响 ， 从 而 对 致癌 活性 产生 影响 。 其 中 顺 反 异 构 影 响 不 大 ,但 环 氧 对 位 羟基 是 取 平 伏 , 还 是 取 垂 直 键 型 影响 较 大 。 平 伏 构 型 致癌 活 © 533 © agi HAF RRM), i 就 计算 构 型 效应 所 用 的 方法 来 看 ， 过 去 应 用 PMO 2: i} BPAN IMAL IE mS 离子 之 离 域 能 AE/B , 系 按 平面 模型 进行 ,不 能 反映 出 构 型 效应 ， 因 而 往往 计算 活性 指 a i a3 实验 顺序 有 所 不 符 (参见 表 12-5), a 表 12-5 PMO 5 CNDO 计算 预报 对 照 表 S | ae a | ARIEL a THE | eel | =u * | ce | IFL ¢ 14E | xO Iball 指标 * 73 2 0 3 4 [30] PMO(AE/B) 0.794 0.714 0.664 0.639 0.600 [31] 构 型 (主体 ) eR, HL cal 垂直 Fk, Tew 平 伏 [22,24,26—29] * 。 癌 发 生 率 的 指标 。 继 白 适 彬 等 62 的 工作 之 后 , 陈 凯 先 等 51 应 用 从 头 计算 (STO-3G) 和 分 子 静电 势 方 法 研究 了 下 了 PA 五 最 终 致 癌 物 致 窜 活性 与 其 空间 构 型 的 关系 。 从 计算 所 得 的 Bool HRS ORL LB “， 集 居 数 、 偶 极 矩 以 及 分 子 静电 势 图 的 特征 分 析 ( 表 12-6 和 图 12-14 一 18 所 示 的 模型 分 子 三 种 异 ， 构 体 ), 表 明 无 论 是 顺 式 或 反 式 构 型 ， 其 二 醇 产 基 取 平 伏 键 均 比 取 直 立 键 构 型 的 致 冶 活 性 强 。 这 与 白 适 彬 等 的 理论 计算 和 上 述 文献 所 报导 的 实验 事实 相符 ， 从 而 在 PAH 最 终 致癌 物 的 构 型 效 应 上 支持 了 Jerina 的 湾 区 理论 。 表 12-6 模型 分 子 三 种 异 构 体 的 电子 性 质 I II Il 。 反 式 (eq,e9g ) Wi (aa , a2’) 顺 式 (ed,ed“) | { 总 能 量 (au.) 一 450.5140 | — 450.5064 | — 450.5072 轨道 能 量 (au.) 4 34(HOMO) —0.2772 — 0.2688 一 0.2848 a 36(LUMO) 0.2599 0.2637 0.2601 a 重 迭 集 居 数 Pause 0.3981 0.3974 0.3951 Pens 0.4061 0.4032 0.4070 ; AP=P.,-0,—P c4-0; 0.0080 0.0058 0.0119 Yt at Ci; 0.0195 0.0213 0.0197 C; 0.0218 0.0235 0.0171 0, —0.2265 012137 —0.2311 {BL Ai (debye) : 2.2775 1.2926 2.0057 分 量 * © Bh 1.5317 一 0.0991 0.8839 Y Hh —1.5237 2 轴 * 2x 轴 通过 Ci 一 C: 的 联 线 y C,,C2,C3,Cs 原子 在 xy 平面 上 。 © 5346 = | iD i i. : | i t | i i | ] | I fexX(eq,eq’) II iijx{(ax,ax’) III jiizi(eqg,eq’) 图 12-17 垂直 平面 上 的 分 子 静电 势 12.2.1.6 多 环 芳烃 致癌 能 力 的 参数 图 } 研究 的 实践 提示 我 们 ,为 了 关联 PAH 的 致癌 能 力 , 不 但 要 考虑 关键 区 域 的 电子 因素 ， 还 要 同时 考虑 几何 因素 。 在 Berger 和 Herndon 工作 的 基础 上 ， 陈 念 贻 等 5 “尝试 用 参数 图 分 析 的 方 ° 535 ° | | 法 ,对 58 4+ PAH 进 分 进一步 探讨 了 湾 区 理论 。 is ah RNa A, foe LR A 特别 其中 有 - 10 peer 7 它们 的 致癌 能 力 较 强 ,其 Tball 指标 列 于 表 12-7。 当 我 们 分 析 这 58 种 PAH 的 分 子 结构 时 首先 看 到 有 14 种 化 合 物 没 有 湾 区 ,它们 之 中 绝 大 部 分 没有 致 冶 能 力 , 少 部 分 即使 有 致癌 能 力 ,也 不 明 、 间 障 碍 ,使 湾 区 致 闪 历 程 难于 进行 ， 也 没有 致 病 能 力 。 祭 下 41 种 化 合 物 的 致 多 能 力 的 参数 示 于 12-18, a C—) & (9 Ta (2-9 RE (一 ) AC2,1-aJ Bi. |(—) tt (一 ) 25(2,3-e] (-) #2(2,3-a] TS |( 一 ) RAE co) # (+) Ee (+) #H1,127 |( 十 ) BRA (+) a EE (+) Wo #F¢38* (一 ) 二 葵 并 [cg] 非 * |( 一 ) 二 苯 并 [bg] 非 * |( 一 ) 17 12 * 分 子 Bay 区 有 空 表 12-7 多 核 芳烃 致癌 活性 区 域 分 布 表 =e —#H#Le, 11K 葵 并 [a] 丁 省 二 茶 并 La,c] 苞 =#HLA,TS =#F#La,c, jk POA FFLa,c,h i) RI BR AF LAIRE [HHL jITS =#HFLa hie =A Ha, HIRE =#HLa,cITS AFL] RAE =H La, RBG 四 葵 并 丁 省 三 葵 并 [aye, 订 本 省 =A#IFLD, ke 二 葵 并 [1,2-bik] 荀 人 二 苯 并 [2,3-bh] 花 21 间 障 碍 。 ** P、S 数值 见 表 3 。 图 中 , 横 坐 标 Ps 是 湾 区 的 Paulingz 键 级 ,为 表征 湾 区 键 定 域 能 的 键 参 数 。 。536。 0.656 0.526 0.556 0.546 0.563 0.563 0.550 0.588 0.545 0.563 0.750 0.550 0.529 0.588 0.550 0.571 0.583 0.714 0.542 0.636 0.731 (+) (+++) (444+) 区 9# (++) 区 108|( 一 ) 79|( 十 ) 126|( 一 ) ii 0.625] 95|( 十 )| —AFFLa, lI [(++++) 127|( 一 )| 葵 并 [c] 菲 0.625| 98|( 十 )| 二 苯 并 [ah] 芪 |(++tft) 134|( 一 )| 葵 并 [a] 和 万 0.571| 106|( 十 )| 二 藉 并 [a, 订 |(++++) 137|( 一 )| —#€3#La,jTM | 0.583| 116|( 十 ) —AIFLa,e Je |( +++) 142|( 一 )| #IFLCT 0.615| 116|( 十 ) 145|( 一 )| #F#LeTE 0.545| 118|( 十 )| FFCbI 145|( 一 )| *KH#Lel a 0.571| 119|(++) 148|( 一 )| —#*H#La,h] RM | 0.583| 119|(++) 149|( 一 )| JE3#(2,3-b] ZE | 0.572| 126|( 十 ) 157|( 一 )| #9IF(2,3-b]zE | 0.750| 129|(++) 158|( 一 )| =A#FFLa,c, jie 165|(++) 158|( 一 ) 158|( 一 ) tt 10|( 一 ) 171|(—) RE 150|( 一 ) 171|( 一 ) 171\(—) 172|( 一 ) 179|( 一 ) 184| (一 ) 188|( 一 ) 21 21 | 由 图 12-18 可 以 明显 看 出 ,PAH 的 致癌 | 能 力 依 其 结构 不 同 , 分 为 三 个 区 域 。 致 癌 能 fy Iball 指标 大 于 50 者 居于 中 央 ; 致 癌 能 力 1Tball 指标 在 0 一 50 之 间 的 ,在 它 的 外 围 ， 无 :致癌 能 力 的 在 更 外 围 。 大 致 是 :由 湾 区 Paul- ing x 键 级 Pu=0.667;So=120 A? 向 外 , 沿 辐射 方向 ,致癌 能 力 由 强 变 弱 ,到 失去 致癌 能 力 ， 呈 现 十 分 有 趣 的 分 布 。 我 们 将 实验 活性 数据 和 图 12-19 分 布点 对 应 列 于 表 12-7 中 。 对 于 58 个 PAH, 有 出 入 的 有 8 个 , 占 1/7, 出 | ARAN, MAIO RE ESTA | ty, SRT ARIA HH. 12.2.1.7 BK «BR SFANSR 癌 能 力 关系 天 ,= 乞 工 各 自 的 最 终 致癌 物质 。 用 下 式 表 示 ; SKABIARMER, S(A2) -——91,7=728|P—0,667|+1,11|S— 120} 41,7 =728|P— 0,667|+1.11|S— 120] 5.00 6,00 7.00 8.00 9.00 PBXx1I0 /1@ 一 (-) a 一 (+) (++) o 一 (+++)(++++) 12-18 多核 芳 烃 致 癌 能 力 键 参数 图 @—(-), A—(+ (++), 图 一 一 (十 十 十 )( 十 十 十 十 ) 基于 图 12-18 的 致癌 能 力 分 布 情况 ,我 们 有 理由 假设 , 在 P,=0.667,Su=120 A? 区 附近 存 在 一 假想 的 化 合 物 A , 它 的 致癌 能 力 最 大 , 若 其 致癌 反应 速度 常数 为 Ko, Wi, ~G3/RT] = AT expl— —AH%/RTJexp[AS%/R] (12.2) 若 有 一 PAHB 与 A 同 时 进入 人 体 ,将 与 体内 的 NADPH 和 0: 产 生 相 似 平行 竞争 反应 ,生成 A+NADPH+ 0, oe BU ty RA’ B+NADPH+O, 二， 最终 致癌 物质 B/ K= at exp[ —G*/RT] 2 At exp[ —AH*/RT ]exp[AS*/R] (12.3) sk (12.3)/(12.2), 则 有 ， K/K,=expl—AG*/RT+AG§/RT] (12.4) 进一步 对 方程 (12.4) 进 行 级 数 展开 , 作为 一 级 近似 , 取 其 前 两 项 ,得 ， K/K,=1—(AG*—AG>)/RT . =1—[AH* APEte—-A-RSRERAK. MERMNHSBH RMR, RAI PSR A ee jz RR. CMT RNA BHKASILAARAK, 可 取 其 正比 于 分 子 障 碍 面积 .对 于 一 —AH%]/RT + [AS*—AS$]/R (12.5) ° 537 ° oe 系列 相似 反应 ,比例 数 可 视 为 近似 相等 ,于 是 (12.5) 式 经 整理 为 ; K=K,—aAP,—bAS =K,—a|P—P,|—b|S—S)| 7 iia 式 中 a,b 皆 为 正 的 常数 。 当 取 Iball 致癌 能 力 指标 正比 于 上 述 反 应 速度 常数 天 ;并 将 10 个 经 过 a 较 仔细 实验 研究 的 PAH 之 Iball fH, Ps, SHARK (12.6) 做 最 小 二 乘法 线性 拟 合 ， 得 到 5 和 五 \ 值 , 即 有 ， =e Iball=91.7—728AP,—1.11AS (12.7) 当 Iball 为 5 和 0 时 , 即 为 图 12-18 中 分 界线 方程 。 式 (12.7) 的 计算 值 与 实验 值 并 列 于 表 12-8, mF $ 12-19, H# 12-3 可 看 到 符合 良好 。 经 计算 ,实验 值 与 计算 ， £ 值 之 相关 系数 达到 0.975, BA, KO, HEMI [5] 荐 ， 根 据 湾 区 理论 分 子 在 湾 区 ,能 量 上 也 接近 已,=0.667 hii 分 子 大 小 接近 120 A:， 似 乎 应 有 较 强 的 致癌 活性 。 现 将 根 Ee 据 (12.7) 式 计算 的 Iball 值 亦 列 入 表 12-8, 以 期 引起 实验 相关 性 图 工作 者 的 注意 。 表 12-8 ”多核 芳 烃 致 癌 能 力 计 算 值 与 实验 值 比较 表 化 合 Wy | Ps; S Bk Iball (32) Iball (i+) AFA =AIFLa,€, JH eH Lel is =AFH(La sh] HIF(2,3-b] = FLa, ete =F Ca, he IF La lee =AFH[a, il =F [a, 1 AFL fis 皮草 由 (12.7) 式 来 看 ,a 大 于 0， 说 明 反 应 的 电子 因素 所 起 的 作用 比 几 何 因素 所 起 的 作用 为 重 要 ,只 有 当 分 子 过 大 或 过 小 时 ,第 三 项 才 是 有 意义 的 因素 。 从 以 上 讨论 可 以 看 到 ,致癌 反应 不 在 定 域 能 更 小 的 K 区 ,而 在 湾 区 进行 ， 本 身 是 一 个 耐 人 寻 午 味 的 理论 问题 。 随 着 PAH 致 癌 作用 的 深入 研究 ,这 个 谜 将 会 逐步 揭 开 。 12.2.1.8， 多 环 芳烃 的 定量 结构 致癌 活性 关系 4 关于 结构 致癌 活性 关系 的 理论 研究 ,主要 集中 于 对 PAH 的 研究 ， 而 引起 人 们 关注 的 一 些 再 x 论 , 总 是 采用 量子 化 学 的 方法 来 讨论 这 一 问题 。 ”538 » PAH 的 代谢 过 程 是 致癌 活化 与 降解 脱 毒 两 方面 的 综合 代谢 过 程 。 为 了 使 读者 对 PAH 的 定 。 量 结构 致癌 活性 关系 的 理论 研究 有 一 个 初步 的 了 解 ， 以 下 我 们 将 主要 介绍 戴 乾 园 等 "%221 的 工作 。 按照 戴 乾 图 等 的 双 区 理论 ,如 图 12-20 所 示 ， 角 环 和 次 角 环 是 PAH 分 子 中 突出 的 环 ， 前 者 与 分 子 轴 近乎 垂直 ; 后 者 与 分 子 轴 近乎 平行 。 由 于 角 环 及 次 角 环 的 有 利 几何 形态 ,易于 进入 单 氧 酶 活性 中 心 所 处 的 缝隙 。PAH 分 子 在 形成 M 区 二 所 二 醇 后 ,PAH 的 溶解 度 将 增加 ,因此 ,这 对 其 向 细胞 核 的 转移 是 有 利 的 。 根 据 分 子 轨道 理论 和 组 合 论 数 学 , 可 证 角 环 E 碳 的 离 域 能 总 是 高 于 ai ie i M BRN oun : kK % ae Mik i MESOr ES e760 KAR 到 12-20 12-21 ”其 它 角 环 或 次 角 环 碳 原子 的 离 域 能 。 类 似 地 ,可 证 工区 的 碳 原子 总 是 具有 最 低 的 定 域 能 , 而 在 开 区 上 ,往往 但 并 非 总 是 具有 次 低 的 定 域 能 。 由 于 上 述 原因 , 角 环 的 代谢 趋势 及 其 与 DNA 结合 的 趋势 (参见 12.3.1) ,往往 超过 由 其 定 域 能 所 估计 的 , 于 是 , 角 环 代谢 成 一 强力 的 烷 化 剂 。 因 此 ， 角 环 忆 碳 是 一 重要 的 活性 区 域 , 这 与 实验 相符 合 。 从 几何 形态 及 溶解 度 方面 而 论 , 次 角 环 与 角 环 是 类 似 的 ,但 是 E“ 碳 的 离 域 能 远 低 于 卫 碳 。 因 此 ,次 角 环 也 是 一 个 活性 区 域 , 但 只 具有 次 要 的 重 要 性 。 戴 就 围 等 在 系统 地 计算 了 各 种 PAH 区 碳 阳离子 的 离 域 能 以 后 ， 发 现 有 两 类 极端 的 情 况 。 例 如 苯 并 [aj] 花 的 11 位 碳 上 的 碳 原子 具有 非常 高 的 离 域 能 (0.833 6), 但 在 12 位 碳 上 则 有 具 有 远 为 较 低 的 离 域 能 (0.597 68), 如 图 12-21 Bras. Ale, ase la lens 11，12= 环 氧化 物 易 于 分 解 形成 11 位 碳 上 的 碳 阳 离子 ,并 转化 成 一 个 烷 化 剂 。 这 类 天 区 称 为 活性 K 区 ,这 是 一 个 活性 区 | 域 和 亲 电 中 心 。 与 之 相反 ,4,5 位 上 的 玉 区 则 两 碳 原子 的 离 域 能 相等 ( 均 为 0.623 B)。 这 类 天 区 称 为 等 价 K 区 , 它 易于 转化 产生 二 氢 二 醇 , 但 却 较 难 形成 碳 阳 离子 ,因此 ,这 类 和 区 主要 是 一 个 脱 — 毒 区 。L 区 的 两 个 碳 原子 与 其 它 位 置 比较 ,总 是 具有 最 低 的 定 域 能 ,因此 ,工区 易于 氧化 形成 醒 。 柄 的 致癌 活性 篆 远 低 于 母体 化 合 物 。L 区 是 一 个 脱 毒 区 ,P 区 是 周 稠 型 PAW 所 专 有 的 区 域 .P 区 的 环 氧 化 与 其 它 区 域 的 环 氧化 不 同 , 其它 区 域 的 环 氧 化 只 引起 一 个 葵 环 的 定 域 ， 而 P 区 的 环 氧 化 则 引起 两 个 茶 环 的 定 域 。P 区 环 氧 化 物 的 形成 ,在 能 量 上 是 不 利 的 ， 它 立即 借 NIH 移 位 重 排 成 酚 , 这 是 一 个 脱 毒 过 程 。 但 另 一 方面 ,其 中 具 最 低 定 域 能 的 位 置 , 可 与 DNA 分 子 结合 ,这 可 能 是 经 P 区 环 氧化 物 实现 的 ,这 是 一 种 活化 过 程 (图 12-22)。 由 于 了 区 贡献 的 两 重 性 , 故 可 忽略 所 有 了 区 的 影响 。 根 据 以 上 分 析 ， 戴 乾 图 等 发 现 ， 对 于 * 539 pe ali ge Pee eye ee 和 ee oder i ode Sa “= a ; © GY DNA 6 S&S —H,O © S&S 的 角 环 是 一 脱 毒 区 ,如 图 12-24。 活性 K 区 角 环 ~ ( ed (+ + ) = | (++++) 和 两 个 亲 电 子 中 心 唯一 的 亲 电 子 中 心 图 12-23 (十 十 ) (++) (-) , (-) 图 12-24 SRS IER BER BE we KH 2.80 —3.00A, MPH 12-25 RRR EE RUSK TL EPH 个 计算 的 活性 中 心 ,两 者 彼此 都 相隔 2.78 入 。 在 致癌 的 PAH 中 ,也 有 比 2.80 一 3.00 人 的 距离 国 大 的 例证 ,如 图 12-26 所 示 。 若 PAH 分 子 中 两 活性 中 心 的 距离 超过 6 个 茜 边 单位 时 , SOR 性 将 表 失 ,如 图 12-27 所 列 。 0. 278nm 0, 278nm, 0, 278nm 四 ) GOO 60 XGO COOL]: GOO OO On O (++ 4+) (+++ 4+ )/(4+4+4+) (++) (+ &+)/CE eH Lae =# [bdell Fi 二 苯 [a,qj 本 省 #(1,2,3,4—del] i 图 12-25 ye * 540 « ae. ao pao (++) (++ )/(++4+) (++) 人 个 个 Go Cee < ee oO * Os OOOO 图 12-27 戴 乾 园 等 应 用 式 (12.1)( 参 见 12.2.1.4) 所 作 的 理论 计算 表明 ,计算 的 致癌 活性 与 实验 比较 一 致 ,实验 与 理论 的 符合 达 98%6 迄今 ,有 关 结 构 生 理 活性 关系 的 研究 ,仍然 是 一 个 疑难 的 科学 问题 .但 是 ,结构 致癌 活性 关系 的 研究 已 经 表现 出 在 阑 明 致 癌 作 用 的 机 理 方面 ,将 是 一 个 强 有 力 的 工具 ,因而 在 这 一 领域 吸引 了 HES HEL. 12.2.2 甲 基 多 环 芳 烃 大 量 的 研究 说 明 , 甲 基 基 团 在 PA 互 的 引入 ， 将 通过 两 个 一 般 方式 一 一 空间 效应 和 电子 效 应 ， 对 PAH 的 致癌 活性 产生 复杂 的 影响 。 与 此 同时 , 甲 基本 身 也 会 因为 这 样 两 个 效应 而 受到 影 Ml 12.2.2.1 甲 基 的 空间 效应 和 电子 效应 1. 空间 效应 甲 基 对 PAH 的 影响 , 首先 是 产生 空间 效应 。 这 种 效应 又 与 甲 基 的 大 小 和 位 置 有 关 。 由 于 甲 基 具 有 较 大 的 空间 体积 ,因而 对 分 子 中 拥挤 程度 的 影响 是 显而易见 的 。Pople 等 用 INDO 法 计 算 了 甲 基 的 平衡 几何 构 型 ,结果 与 实验 数据 基本 一 致 ( 表 12-9)。 且 INDO 和 CNDO 计算 的 平衡 AeA, Lathan $A FY STO-3 G 从 头 计算 法 计算 甲 基 的 键 长 和 键 角 也 得 到 了 类 似 的 结果 。 表 12-9 INDO STO-3G INDO STO-3G 1.079 1.110 1.080 119.0 118.3 , 120 ea oa ae aS ee eye a eee 就 甲 基 的 空间 效应 对 PAW 结构 致癌 活性 关系 影响 的 研究 而 言 ,只 取得 了 一 些 经 验 的 规律 迄今 仍 未 找到 普遍 适用 于 各 种 PAH 的 统一 规则 。 汪汪 在 一 些 情况 下 , 甲 基 引 入 到 PAH 的 角 环 附近 ,对 角 环 的 酶 催化 代谢 会 产 生 阻 碍 作用 ,4 关 脱 毒 区 则 阻 淆 脱 毒 。 如 果 甲 基 的 取代 发 生 在 角 环 上 ,不 仅 阻 滞 角 环 的 活化 ， a F nk : a 阳离子 与 生物 大 分 子 的 共 价 结合 ,从 而 降低 PAH 的 致癌 活性 。 KK we \ Noe KK 图 12-28 % 12-10 PAH FPFPARK PAH 的 不 同位 置 3: 与 致癌 性 的 比较 化 & @B AFL ae 1- 甲 基 葵 并 [ a ] 草 2- 甲 基 苯 并 [ a ] 克 3-FAZEAR FFL a 4-FAZEAFIFL a 1 5- FA ZEA FFL a 1 6-FRZEAR IFC a 1 7-FAZEA SFC a 1K AFL a TEE 2- 甲 基 葵 并 [ a TEE 3- 甲 基 苯 并 [ a JHE 4- 甲 基 葵 并 [ a ] 艺 7- 甲 基 葵 并 [ a TLE 9- 甲 基 葵 并 [ a ILE 12- 甲 基 苯 并 [ a J Hah] 14-FA SE EFF Cah] 1- PSA IF Cah] 4- FA EAE FF Cah 5- FA SEE If-Lah Ja 6- FA JE AE Fah ii 5- 甲 基 荀 6- FR Jk al 10- FA ee Jif Ke | ee ele ee ae [cde En Sl Ze SEHR, AB TE IATA Wo ROMER 明 , 5 - 甲 基 草 是 一 种 强烈 的 致癌 剂 ， 证 五 天 二 i. 生物 则 仅仅 具有 中 等 的 或 微弱 的 致癌 性 。 从 图 12-28 ATL 看 出 , 苗 有 两 个 X 区 和 两 个 湾 区 (参见 表 12-1), 其 中 5 位 和 11 位 甲 基 取 代 衍 生物 应 该 具有 相同 的 致癌 活性 〈 当 然 亦 包 “ 括 其 它 对 应 位 置 的 甲 基 取 代 衍 生物 ) 。 我 们 的 计算 提示 了 这 一 点 ( 表 12-10)。 但 Berger 等 计算 的 理论 反应 活性 指数 8 a © 0.760 0.181 0.153 ng 0.758 0.181 0.152 一 0.806 0.210 0.177 一 0.734 0.194 0.138 一 0.842 0.197 0.162 0.928 0.188 0.157 一 0.923 0.223 0.187 +++ 0.787 0.186 0.160 十 十 十 十 0.815 0.464 0.429 十 二 十 十 0.809 0.465 0.430 十 + 十 ie 0.863 0.462 0.428 +++ , 0.952 0.473 0.437 +++ a 0.800 0.477 0.496 ++ 3 0.809 0.533 0.414 一 ‘ss 0.780 0.473 0.438 +) 0.784 0.212 0.169 te G +++ , 0.798 0.233 0.186 i) 0.826 0.258 0.189 + ak 0.946 0.222 0.182 0.947 0.255 0.207 ++ 0.815 0.210 0.172 +++ 0.782 : . 5 . Sh TO ER i i a i tll oes eee ee eS ee 却 表 现 出 不 同 的 情形 。 按照 分 子 模型 , 5 - 甲 基 历 的 甲 基 基 团 跟 6 位 气 原 子 间 应 有 空间 位 阻 , 且 这 种 位 阻 效应 迫使 整个 分 子 偏离 了 平面 ,引起 平面 构 型 的 变形 。Hecht SHRM ZEAE Rh 从 结构 上 导 Bae 癌 作 用 的 充分 条 件 是 :一 个 湾 区 甲 基 和 一 个 邻近 未 取代 角 环 的 自由 迫 位 。 按 照 Hecht 等 的 观点 ， 5 - 甲 基 曹 即 具 备 这 样 的 充分 条 件 。 他 们 认为 甲 基 在 湾 区 的 存在 是 十 分 必要 的 , 因为 所 有 的 单 甲 基 黄 异 构 体 都 有 一 个 自由 角 环 和 邻近 的 追 位 ,但 具有 强 致癌 活性 的 只 有 5 - 甲 基 草 。 这 种 在 结 构 上 导致 致癌 作 用 的 充分 条 件 也 存在 于 其 它 一 些 分 子 中 ,如 图 12-29( 有 关 甲 基 的 空 间 效 应 可 参 2 12.2:6-.2). 2 y CH; CH, H es Gain, ie 3 c= x CH， O Ye H’ 12-29 图 12-30 2. 电子 效应 迄今 为 止 ,有 关 取 代 基 的 电子 效应 ,除了 肯定 至 少 有 两 种 因素 (诱导 效应 和 共振 效应 ) 在 起 作 用 外 ,还 没有 得 到 一 致 公认 的 结论 。 就 甲 基 ( 一 CHs) 而 言 , 其 坐标 系 如 图 12-30 所 示 , 其 诱导 效应 跟 它 是 “供电 子 基 "还 是 吸 电子 基 - 密切 相关 。 实 验资 料 说 明 , 甲 基 记 影 响 的 许多 种 反应 的 方式 与 它 的 “供电 子 性 ?是 相 一 致 的 。 但 是 ,也 有 关于 甲 基 “ 吸 电子 性 ?的 报导 。 近 些 年 来 , 围绕 “ 甲 基 是 供电 子 基 还 是 吸 电子 基 " 的 问题 展开 了 讨论 。 在 我 国 , 袁 云 程 C7 、 曾 广 植 C ”1 、 曾 昭 气 等 59 就 此 问题 发 表 了 讨论 文章 。 陈 念 陵 等 用 自 洽 场 分 子 轨道 从 头 计算 法 研究 烷烃 本 身 的 电荷 分 布 ， 针 对 甲 基 是 “供电 子 基 ” 还 是 “ 吸 电子 基 的 问题 ,提出 了 他 们 的 解释 1 。 我 们 计算 PAH 分 子 中 各 原子 的 净 电 荷 、. 亲 核 超 离 域 度 87 ( 表 12-11) 的 初步 印象 是 ， (1) 当 甲 基 取 代 了 PAN 分 子 中 的 氢 原 子 后 ,与 甲 基 直 接 相连 的 碳 原 子 上 的 电荷 密 度 降 低 * 与 该 碳 原子 邻接 的 两 个 碳 原子 的 电荷 密度 增高 。 (2) FER CA PAH 跟 母 体 PAH 比较 ,前 者 分 子 中 各 原子 (计算 未 涉及 氢 原 子 ) 的 亲 核 超 离 域 度 ST 均 有 不 同 程度 的 降低 。 ′ 就 以 上 AMO 法 的 计算 结果 分 析 ,， PHF PAH 分 子 是 供电 子 基 。 除 诱 导 效 应 外 , 甲 基 的 “ 超 共 斩 效 应 ”的 真 伪 如 何 尚 属 有 争议 的 问题 ,还 有 待 于 实验 事实 的 进 一 步 验证 。 不 过 ,迄今 有 关 “ 超 共 力 效应 ?的 概念 在 解释 某 些 现象 时 , 仍 具 有 它 一 定 的 价值 。 12.2.2.2 甲 基 取 代 多 环 芳 烃 的 致癌 活性 如 前 所 述 , 湾 区 二 醇 环 氧化 物 是 一 些 PAH 的 终 致癌 形式 。 由 图 12-7 和 图 12-21 可 以 看 到 ， M 碳 对 苯 角 环 的 致癌 代谢 似乎 起 着 关键 作用 。 代 谢 一 经 发 生 , 葵 角 环 的 共 力 性 被 破 坏 , M 区 首 先 发 生 环 氧化 ,并 在 环 氧化 物 水 解 酶 的 作用 下 转化 为 二 氢 二 醇化 合 物 , 接 着 是 下 区 发生 环 氧化 ， © 543 « 表 12-11 PA 酉 分 子 中 各 原子 的 S” 和 净 电 荷 (HMO 法 ) é ri ~~ ay hs ae RB F S? (fila) 1 1.1757 2 0.8340 3 1.1535 4 1.0699 5 1.0700 6 1.4079 7 1.0758 8 0.8687 9 0.9636 10 0.9704 11 0.9674 12 1.0948 13 0.7335 14 一 15 二 16 0.8795 17 0.8331 18 0.7002 E 19 0.7793 20 0.7797 1 1.1559 2 0.8150 3 1.1449 4 1.0693 5 1.0699 6 1.4077 7 1.0758 8 0.8675 —0.0003 9 0.9636 : 0.0000 10 0.9693 一 0.0003 11 0.9674 12 1.0907 13 0.7327 14 一 15 一 16 0.8751 a 17 0.8331 18 0.6992 19 0.7785 20 0.7789 © 544 « ER na aa eee 和 SY ( 负 值 ) 净 电荷 1 1.1291 一 0.0038 2 0.8254 —0.0164 3 1.0853 0.0393 4 1.0259 —0.0067 5 1.0376 —0.0022 6 1.3308 0.0477 7 1.0603 0.0030 8 0.8590 一 0.0033 9 0.9508 0.0002 10 0.9594 一 0.0017 ll 0.9485 —0.0041 12 1.0515 —0.0078 13 0.7178 —0.0076 _ 14 es * 15 pus = 16 0.8395 —0.0112 17 0.8210 —0.0005 18 0.6964 —0.0100 19 0.7447 —0.0171 20 0.7563 —0.0130 . 1 0.9922 0.0000 . it 2 0.8631 —0.0007 3 0.8969 0.0003 4 0.9535 —0.0012 5 0.9308 0.0436 6 1.0025 —0.0282 7 0.9799 —0.0048 . 8 0.8642 0.0000 255 0.8846 —0.0045 10 0.9537 0.0005 il 0.9519 —0.0003 12 1.0430 0.0007 13 0.7192 —0.0007 14 0.7718 0.0015 15 0.8265 0.0009 16 _ 0.8274 — 0.0086 17 0.7621 —0.0060 18 0.7193 0.0012 © 545 » am F ST (fl) - =S?—D AS? | 作用 部 位 | | 诱发 肿瘤 数 “ 本 皮肤 17( 2 个 肉瘤 ) 7- 甲 基 | 0.6436 | 皮下 | | : j 皮肤 元 14( 2 个 12- 甲 基 0.5830 皮下 Aa 2 woe 60( 天 鼠 ) 56 ae 皮肤 20 12 8- 甲 基 | 0.4757 | 皮下 | 20 | 9( 1 48) 6- 甲 基 0.4610 es * re BOCK) 58 皮肤 20 2 11- 甲 基 | 0.4608 | 皮下 | 20 | 6( 1 4 #8) 5- 甲 基 | 0.4608 as + ; | 60( 大 鼠 ) 4 皮肤 20 4- 甲 基 0.3948 皮下 ; SOK) 3 " 皮肤 - 20 1 10- 甲 基 | 0.3693 | 皮下 | a0 | r p. 皮肤 20 0 2- 甲 基 | 0.3592 | 皮下 | 20 | 1( 癌 ) 4 皮肤 20 1( 肉 瘤 ) 二 1 皮肤 1- 甲 基 | 0.3540 皮下 - : BOKER) 2 Z 皮肤 0 3- 甲 基 | 0.3185 | 皮下 | | 1 ”547。 表 12-13 oe HATA RMR 。 | 作者 计算 的 立 8? —U SM | Memory 计 算 的 K 区 34 值 ap FA ERT AE 7- 甲 基 12- 甲 基 8- 甲 基 6- 甲 基 5- 甲 基 11- 甲 基 4- 甲 基 10- 甲 基 2- 甲 基 9- 甲 基 1- 甲 基 3- 甲 基 0.6436 0.5830 0.4757 0.4610 0.4607 0.4606 0.3948 0.3693 0.3592 0.3541 0.3540 0.3185 2.126 2.090 2.091 2.180 ′ 2.180 2.082 2.106 2.091 2.107 2.082 2.082 2.083 = PE RT A 7,12- 二 甲 基 1.284 2.141 7,7- 二 甲 基 1.004 2.230 8,9- 二 甲 基 0.867 2.094 9,10- 二 甲 基 0.729 2.094 2,9-— A 0.713 2.110 3,10-— Fx 0.688 2.102 应 用 区 区 SF 值 所 得 结果 间 的 比较 。 其 它 一 些 PAH AEM PORTA Molly CSF — SY 值 中 实验 致 癌 性 的 关系 见 表 12-14。 须要 指出 湾 区 理论 认为 , 在 湾 区 形成 的 碳 阳离子 与 DNA 的 结合 是 致癌 的 关键 ,因此 湾 区 “ 碳 阳 离子 的 稳定 性 与 其 母体 烃 的 致癌 活性 应 有 平行 的 关系 , 亦 即 湾 区 碳 阳离子 的 稳定 性 越 高 其 致癌 活性 越 强 。 用 微 扰 分 子 轨 道 法 计算 也 表明 , 强 致癌 的 甲 基 取 代 PAH BAAR Ze 子 离 域 能 。 实 验证 明 , 湾 区 致癌 历程 的 关键 步 又 是 PAH 二 醇 环 氧化 物 环 氧 背 侧 受到 DNA 亲 核 中 心 的 进攻 ,生成 一 烷 基 化 产物 (参见 12.3.1) 。 我 们 用 EHMO 法 计算 的 近似 超 离 域 度 表明 ， 葵 并 [a] 蕊 的 终 代 谢 致癌 活化 分 子 一 一 7,83- 二 醇 -9,10- 环 氧 葵 并 [a] 荡 与 核酸 碱 基 发 生 反 应 时 ， ” 结合 位 置 在 苯 并 [a] 世 的 第 10 位 碳 , 即 湾 区 碳 上 ; 苯 并 [a] 区 的 终 代谢 致癌 活化 分 子 之 一 的 3,4- 二 醇 -1,2- 环 氧 茉 并 [a] 章 与 核酸 碱 基 反 应 时 的 结合 位 置 在 葵 并 [a] 草 的 第 1 位 碳 , 也 是 湾 区 碳 原子 。 计 算 结 果 与 Weinstein 等 的 工作 比较 接近 ( 表 12-15), 然而 ,无 论 是 湾 区 理论 还 是 K 区 理论 ,对 于 许多 复杂 的 PAH 甲 基 取 代 衍 生物 结构 致癌 活性 关系 的 处 理 和 解释 是 同样 不 适用 的 。 例 如 ,图 12-32 中 , 单 甲 基 二 苯 并 世 (4 和 五) 的 致癌 活性 显 著 降低 ,而 苯 并 花 本 身 的 类 似 取代 物 ( C ) 的 活性 却 没 有 受到 明显 的 干扰 ;在 二 甲 基 取 RAT 生物 刀 和 王 中 致癌 活性 消失 ,相反 地 ,伴随 环 的 去 蛙 基 化 作用 其 致癌 作用 又 得 到 恢复 。 相 比 之 了， 双 区 理论 ? 却 有 着 明显 的 优点 , 它 不 仅 可 以 对 PAH 的 结构 致癌 活性 进行 定性 或 定量 处 理 ,而 且 已 成 功 地 推广 于 各 种 单 甲 基 多 甲 基 取 代 的 PAH 上 以 及 胆 划 类 和 莹 区 类 等 其 它 几 类 化 学 致癌 剂 的 定 * 548。 表 12-14 z_ > 9* #8 甲 基 取 代 衍 生物 乙 Sr 一 之 皮 肤 葵 并 [a] 艺 3- FA SEE FFL 01 CE 0.5980 12-FSEARH Cale 0.5427 4- 甲 基 葵 并 [a] 蕊 0.5152 7-H Cale 0.5150 9- FAZER F¢La ce 0.4320 一 3，,6- 二 甲 基 葵 并 [a] 蕊 1.4812 1,4- 二 甲 基 葵 并 [a] 花 1.1407 4;5- 二 甲 基 茶 并 [a] 艺 1.0896 1,2- 二 甲 基 葵 并 [a] 蕊 0.9419 2,3- 二 甲 基 共 并 [a] 艺 0.9060 二 葵 并 [ah] 蕊 7- Fe AFH Lah] 1.0710 3- Ae = EFF Lah 1 ee 0.4816 5- FA ge = Ff Cah] 0.4698 ii 5- FA 2e if 0.3764 +++ 11- Fs 0.3764 +++ 4- FRE 0.3764 10- FA Se 0.3761 6- FASE et 0.3580 9- Ee 0.3451 一 2- 甲 基 艾 0.3140 下 . 1- 甲 基站 0.3073 a 5,6-— st 0.8743 + 4,5-— st ii 0.7535 2,3-— PEM 0.6687. #F# 1c] 4E 5- FALAFEL IIE 4- 甲 基 葵 并 [c] 非 3- 甲 基 葵 并 [c] 非 1 0.0120 2 0.0085 3 0.0075 4 0.0055 CH, BAL. ` 概括 起 来 ,我 们 可 以 看 出 ,无论 是 K 区 、 湾 区 或 是 双 区 理论 对 于 PAN HABER BIH 氧化 物 这 点 ,在 看 法 上 是 基本 一 致 的 , 且 都 强调 碳 阳离子 与 生物 大 分 子 反应 的 重要 性 ,我 们 知道 ， 甲 基 通 过 电子 效应 能 使 碳 阳离子 稳定 。 研 究 表明 , 甲 基 化 碳 原子 上 发 生 的 羟 化 反应 ,在 活化 历程 中 起 着 重要 的 作用 ,而 甲 基 在 生物 体内 也 能 代谢 成 亲 电 的 甲 基 阳 离子 而 参与 多 种 生物 化 学 反 总 之 ,大 量 的 事实 已 经 说 明 ,在 一 些 位 置 上 引进 甲 基 基 团 后 ,可 以 加 强 PAH 的 致癌 活性 。 。 而 在 另 一 些 位 置 上 引进 后 ,致癌 活性 反而 降 底 。 量 子 生物 学 研究 化 学 致癌 作用 的 任务 之 一 , 即 是 进一步 揭示 甲 基 基 团 影 响 PAH 致 癌 活 性 的 机 理 , 进 而 建立 定量 模型 。 4 12.2.3 亚 硝 胺 类 亚 硝 胺 是 一 类 广泛 存在 于 自然 界 .人 类 食品 和 药物 中 的 致癌 物质 。 迄 今 已 试验 过 的 153 种 ， 亚 硝 胺 化 合 物 , 有 118 种 致癌 , 占 77%6 ,而 其 中 约 有 40 种 是 环境 、 食 品 , 药 物 中 常见 的 。 4 自 五 十 年 代 开始 的 对 亚 硝 胺 致癌 活性 的 研究 RS TU EA UES, BEER 恶性 肿瘤 发 展 的 病理 ,可 能 的 致癌 机 理 等 等 。 近 十 年 来 ,有 关 亚 硝 胺 的 研究 成 果 激 增 , 研 究 内 容 ， 也 十 分 广泛 ,包括 亚 硝 胺 的 体内 代谢 过 程 . 毒 性 和 毒 理 、 细 菌 和 动物 实验 数据 ,自然 界 和 大 体内 的 生成 条 件 、 分 析 方 法 、 生 化 反应 及 其 动力 学 、 环 境 中 的 分 布 、 各 类 食品 和 药物 中 的 含量 、 与 生物 ， 大 分 子 的 结合 方式 、 致 癌 机 理 等 等 ， 以 及 用 分 子 轨道 法 和 “模式 识别 ?法 (pattern recognition Imethod) 对 其 分 子 结构 与 致癌 活性 关系 的 研究 。 站 R, 4 亚 硝 胺 的 通 式 为 >N-No， 当 Ri 一 R: 一 烷 基 时 , 则 称 为 亚 硝 肪 ， 当 Ri (或 Ra) 一 酰基 时 ，， 称 为 亚 硝 酰胺 。 通 常 所 说 的 亚 硝 胺 为 这 两 类 化 合 物 的 总 称 。 我 们 知道 ,分 子 轨道 法 是 研究 化 合 物 结 构 的 有 效 方法 ,但 若 应 用 于 亚 硝 胺 类 化 合 物 ， 则 一 般 ”550。 只 限于 Ri R. 较 简 单 的 情况 ， 因 为 简单 分 子 轨道 法 (如 HMO.EHMO 和 了 MO 法 ) 对 于 处 理 含 共 恩 键 的 平面 分 子 尚 属 有 效 ,而 亚 硝 胺 类 化 合 物 的 分 子 系 非 平面 分 子 ;复杂 的 分 子 轨道 法 〈 如 SCF-LCAO-MO,PPP,CNDO 法 等 等 ) 在 列 出 亚 硝 胺 类 化 合 物 的 Slater 行列 式 或 者 FEOCK 所 阵 后 ,由 于 无 法 对 其 进行 有 效 的 “净化 >， 因 此 ,即便 用 大 容量 的 电子 计算 机 求解 ,仍旧 十 分 困难 ， ” 襄 且 计算 结果 的 精度 与 “净化 "程度 有 关 ,往往 因为 过 分 “净化 "而 引起 较 大 误差 。 目前 国际 上 研究 亚 硝 胺 的 结构 与 生物 活性 关系 比较 普遍 的 方法 是 采用 “模式 识别”( 参 见 12.4)。 该 方法 对 研究 对 象 首 先进 行 结 构 分 类 ,以 决定 引入 参数 的 类 型 和 数量 ,例如 对 N- 亚 硝 基 类 化 物 分 成 八大 类 分 别 进 行 计 算 ( 表 12-16) 。 我 们 在 研究 亚 硝 胺 的 结构 与 致癌 活性 关系 时 曾 采 用 了 这 种 分 类 方法 。 小 计 | | 105 表 12-16 N-WELS WRB DAR | tt & 物 - 数 量 car J] a7 ; ’ 篇 号 “hy aa cs tigi, x el 弱 致癌 | ace laex| * & (+) (W) (—) C2) ‘ Riv 1 三 烷 基 、 二 芳 基 ( 或 混合 ) ee a ang 47 6 18 3 2 | Wiig x-€ )N 一 NO 10 2 7 6 3 吡咯 烷 x—€ 2N 一 NO 3 、 1 4 X 4 115 Bk ae) XN—No 2 1 1 0 «| *O 或 S X 5 Wik GE N SN—NO 6 3 1 X 6 WE RAM yoN—NO 3 1 1 | Y=O,N 7 | AIK 人 N—NO RL BE (CHiz)g_N-N 5 1 0 Ne XSN—NO 8 酰基 化 物 Z~C 一 29 2 1 7 Y=O,N v7 Z=C_N.O 13 | 35 | 18 | 我 们 使 用 经 验 电子 参数 , 仅 引入 两 个 参量 对 第 一 类 直 链 亚 硝 胺 化 合 物 进行 了 计算 ,并 得 到 了 一 个 简单 的 初等 函数 作为 数学 模型 的 参考 式 , 其 验证 计算 值 与 实验 活性 值 的 符合 率 为 97 中 。544 12.2.4 向 生物 毒素 有 在 这 一 节 里 ,我 们 主要 讨论 致癌 性 霉菌 毒素 。 致癌 性 才 菌 毒素 是 曲霉 分 泌 的 一 种 致癌 物质 。 曲 霍 属 系 真菌 ,分 布 很 广 ,从 空气 、 土壤 、 水 、 直到 人 类 所 接触 的 各 种 环境 中 都 广泛 存在 , 它 与 人 类 生活 密切 相关 。 9 2 551 * 对 于 致癌 性 霉菌 毒素 的 研究 是 六 十 年 代 后 才 开 始 的 。1960 车 英国 等 国 发 现 ht 3 烈 地 引致 动物 肝癌 。 随 后 又 陆续 发 现 了 杂 色 曲霉 毒素 、. 黄 米 霉 素 、 环 毛 肽 、 een > Fe , H th BH B,(AFB,) (A 12-33), 是 一 一 种 强力 的 致癌 剂 和 诱发 肿瘤 的 霍 菌 毒素 对 LDio=0.5 mg/kg。 以 400 ng RAD HB, 投 与 实验 雄 鼠 ,经 68 Aa, 100% 均 发 生 | 流行 病 学 考查 证 明 , 肝 癌 的 发 病 率 与 黄 曲 堆 素 的 污染 有 着 平行 关系 。 此 外 ， 还 能 引起 食管 肠 等 部 位 的 癌症 。 对 于 致癌 性 霉菌 毒素 的 致癌 机 理 的 研究 还 刚 开 始 不 久 。 Eo T eR ER ; Ff ALA) BSH Be Hh ER SRR SE OTE AT ,并 证 明 其 2,3- - 双 键 的 环 氧化 物 是 其 最 终 致 六 式 。 若 2,3- 双 键 被 Cl; 加 成 ,其 二 氧化 物 毋 需 活化 就 是 强 致 冶 剂 。 AO 让 i as O 0 —CH, 图 12-33 黄 曲 霉 素 B; 0 Oo | ff [at TRS S oF sy | °y) ,一 AN 混合 功能 氧化 酶 i Ne Dei | wart ot | | | Nae S~ \ocu. \ 07 ai hea : (2,3 PRE Hh HB.) 7") ooh Tuy cite Gu 十 生物 大 分 子 Be | -一 > 细胞 癌变 —— (\0/\o/ Socn 黄 曲 霉 素 B, 代谢 后 转化 为 2,3- 环 氧化 物 , 它 可 以 与 核酸 或 单 、 BRAT RI OO, 与 核酸 的 加 成 发 生 在 AFB, 的 C 2 和 乌 味 叭 平面 的 N 7 之 间 。 这 个 结构 与 从 AFBi-2,3 氧化 牧 在 C 2 位 置 形 成 碳 阳离子 是 一 致 的 。 研 究 还 表明 ,加 成 物 形成 的 程度 为 ， DNA 比 RNA 或 最 活 泼 的 聚 (G) 要 大 ;与 单 核 背 酸 的 反应 性 远 远 小 于 与 多 核 苷 酸 的 反应 性 ,与 GMP、AMP、CMP 的 4 应 性 比 UMP 或 dTMPT, jx 2826-5 A aE Ba ATR ASE RU De 2 计算 是 一 致 的 (参见 4.8)。 * 552。， GG eee —~——— +. * ee ee ne ee 12.2.5 多 环 芳烃 “ 双 区 ”理论 的 发 展 自 1979 年 戴 乾 园 建立 以 离 域 能 为 参数 的 “ 双 区 ?理论 以 来 ,又 以 双 区 理论 为 基础 , 开展 了 更 系统 的 研究 工作 ,取得 了 较 大 的 进展 。 以 下 我 们 将 从 三 个 方面 加 以 简介 。 ”42.2.5.1 多 环 芳烃 “ 双 区 "理论 的 定量 研究 陈 洪 等 ” 在 应 用 概率 统计 方法 和 回归 分 析 的 一 般 原 则 ,验证 “ 双 区 "理论 及 其 定量 公 式 合理 性 的 基础 上 ,将 距离 参数 ( 忆 ) ,传输 参数 (C) 和 结构 参数 (二 '/ 工 ) 引 入 多 环 芳烃 结构 致癌 活性 关系 的 定量 公式 (12.1) 式 之 中 ,从 而 提出 了 双 区 公式 的 其 它 新 形式 (12.8 和 12.9), logk =[6?—(D—2.5)'I"(4) “An,-AB,— (S)n-ax3 (12.8) SORE eS Ape | oat erg Sree [(-)" a logK =1.1 Caer 2) 1.1—(CO—5) | 7. Ay 0.1 nA, | (12.9) WF (12.10) KA. 0 50 为 "+++t"。 公 式 (12.9) 在 整个 规定 的 指标 内 ,置信 度 都 超过 95% 。 计 算 ”结果 与 实验 基本 一 致 。 式 (12.9) 的 特点 是 : (1) 等 式 两 边 均 为 常数 ,不 存在 量 纲 不 统一 的 问题 , 为 今后 的 理 论 探索 提供 了 方便 ;(2) 能 反映 出 每 个 参量 对 函数 的 独立 贡 献 , 每 一 项 都 有 独立 的 物理 意义 ;(3) 用 《12.9) 式 计算 了 目前 已 作 过 生物 实验 的 63 个 PAH ,都 得 出 了 比较 满意 的 结果 , 尤其 是 对 于 八 笛 环 以 上 的 PAH。 陈 潜 等 采取 了 能 量 商 的 概念 ,能量 商 愈 大 则 可 能 增加 反应 发 生 在 特定 部 位 的 几率 ,因此 与 采 取 能 量 的 绝对 值 相 比 ,能 更 好 地 模拟 反应 的 几率 。4:、4z 的 引入 就 是 企图 反映 这 个 规律 ,而 能 量 高 最 大 的 部 位 可 能 在 玉 区 ( 即 活性 K 区 )、 角 环 、 次 角 环 等 等 , 双 区 公式 (12.1) 式 是 根据 超 热力 学 ee BIAS, Ae AH, AL, 是 合理 的 。 式 (12.9) 是 根据 双 区 理论 应 用 统计 分 析 得 到 的 ,我 们 知道 在 作 回归 分 析 时 ,应 该 消除 参量 所 取 单 位 而 造成 的 影响 , 即 进行 所 谓 “ 标 准 化 ”处理 以 消除 量 纲 (参见 12.4.2) 。 因此 ,这 时 以 取 A1.A, KAR AH, AL, BARE, 他 们 认为 ,AH 经 代谢 活化 后 与 生物 大 分 子 作用 的 第 一 优先 区 域 从 统计 上 看 应 为 能 量 商 最 大 的 区 域 (K 区 ， 角 环 ， 甚 至 L 区 中 的 一 个 碳 原 子 ) 。 第 二 优先 区 域 ， 在 统计 上 应 为 空 AA RA 利 的 角 环 或 次 角 环 。 这 种 选 定 区 域 方 式 不 致 产生 含混 ,可 能 在 统计 上 更 符合 生物 代谢 的 模型 。 (12.9) 式 ,对 于 八 环 的 计算 ,根据 现 有 的 数据 是 符合 的 , 且 较 (12.1) 式 可 能 有 更 广泛 的 适用 性 。 但 是 ,我 们 也 不 难看 出 ,(12.1) 式 较 (12.9) 式 更 简捷 ,对 八 环 以 下 的 PAH 的 计算 较为 方便 。 12.2.5.2 甲 基 、 烷 基 代 多 环 芳烃 等 的 定量 结构 致癌 活性 关系 的 研究 在 12.2.2 中 ,我 们 已 经 简 述 过 甲 基 取 代 PAN 的 结构 与 致癌 活性 的 问题 。 你 于 戴 乾 圆 等 运用 双 区 理论 首次 合理 而 系统 地 建立 了 187 个 甲 基 、 烷 基 、 环 RIF. WH 已 并 PAH 以 及 胆 草 系 的 定量 结构 致癌 活性 关系 ,并 使 计算 与 实验 的 符合 率 达 95% 以 上 。 为 此 , 我 们 认为 有 必要 在 本 书 的 这 一 章 里 ,反映 他 们 在 这 一 研究 领域 由 所 获得 的 一 些 进展 。 首先 ,关于 烷 基 代 多 环 芳烃 (APAH) 的 所 谓 “ 终 致癌 剂 " 问 题 , 目 前 存在 着 两 种 对 立 的 观点 。 553。 一 种 观点 认为 ,APA 互 湾 区 角 环 的 四 所 二 醇 环 氧化 物 是 所 谓 的 “ 终 致癌 剂 。 明 ,7,12- 二 甲苯 并 [a] 草 有 如 下 代谢 ; LO fae ies x ae ar. 单 氧 酶 1 obo%h a OY 另 一 种 对 立 的 观点 则 认为 , 烷 基 氧化 后 生成 的 c- 醇 酯 ,尤其 是 磺 酸 酯 ， 应 是 APAH #8 val “ 终 致 癌 剂 ?>。 例 如 也 有 许多 实验 支持 如 下 的 代谢 ， ; one 科 ood? #88" oa : CH,OH CH,OSO,H 上 述 实验 事实 ,用 DNA By MI bE HOWL AEF IMS: — AY. MAE, EM BE ee (BLE BEE Sk Bs LIE AI HEAR LH) HEM ERS I TAB Ae A DNA 股 间 双 官能 烷 化 的 重要 步 又 之 一 ,很 可 能 是 经 角 环 王 碳 的 环 氧化 物 ,再 进一步 经 we 4s 酯 而 发 生 横向 交 联 ; 4 4s 当然 ， 这 决 非 唯一 的 步 又 。 显 然 可 能 在 代谢 活化 的 各 个 末 电 中 心 之 间 ,， 还 可 能 发 生 其 它 形 式 的 交 联 。 +) Y 可 能 在 角 环 ,次 角 环 ,活性 K 区 以 及 甲 基 之 间 发 生 各 种 组 合 各 种 顺序 的 横向 交 联 ， 虽 然 其 趋势 可 能 i 上 述 趋势 为 弱 。 ste 3104 : 双 区 理论 使 得 APAH 结构 活性 关系 WORE 验 事实 , 皆 得 到 合理 的 解释 。 根 据 PMO 计算 及 12 — T6000, 700 0.800 0.900) 个 甲 基 代 苯 并 [a] 草 的 综合 概括 实验 数据 ; TAC Be cm) 6 CARE He PB SF EM AL Been REER SILOM) 12-34, 7 LS ATE HERI TE PA Ny Ae Ha Be EE 加 而 增加 。 角 环 E REC, 应 该 是 大 致 类 似 的 .因此 ,上 述 况 势 实际 上 反映 着 分 子 经 代谢 后 的 横向 交 联 能 力 与 其 致癌 性 的 相关 关系 。 总 * 504 之 , 甲 基 PAH PORE, AAS 区 阳离子 及 亚 甲 基 阳 离子 就 是 “ 终 致 癌 剂 ” 的 有 争议 的 问 题 , 按 照 双 区 理论 可 以 取得 统一 。 再 者 , 甲 基 对 于 PAH 的 代谢 活化 ,可 能 产生 两 类 空间 影响 。 一 类 增强 PAH 的 致癌 活性 ,可 称 之 为 增 活 位 阻 。 另 一 类 则 减弱 PAH 的 活性 , 称 之 为 减 活 位 阻 。 甲 基 对 芳 环 有 诱导 效应 , 场 效应 和 动态 超 共 配 效应 ,从 而 影响 环 上 有 关 位 置 的 反应 活性 。 甲 基 在 基态 及 静态 时 不 存在 超 共 斩 效 应 ,但 在 离子 、 自 由 基 等 瞬 变 体 中 ,在 激发 态 或 进攻 试剂 影响 下 ,可 动态 地 产生 超 共 辆 效应 。 我 们 假定 甲 基 起 着 动态 的 斥 电 子 共 力 效应 (实际 是 甲 基 的 被 极 化 ) 而 对 环 上 特定 的 位 置 发 生 有 利于 代谢 的 影响 。 根 据 相 应 取代 PAH 的 等 共 辆 亚 甲 基 PAH 离子 的 离 域 能 (PMO) ,可 以 探讨 于 下 ,如 ; oof? 2 oS OCH, -écu, - : 0.879(+ +) 0,737(+ +) 0,722 (+ ) 0,647 (— ) 甲 氧 基 是 难于 代谢 水 解 的 , 离 域 能 大 的 前 三 者 ,由 于 甲 氧 基 斥 电子 使 电子 更 有 效 地 转移 到 角 环 、 次 角 环 .区 等 活性 区 域 上 。 这 利于 活化 而 使 其 从 近乎 不 致癌 的 母体 向 中 等 致癌 转化 。 自 然 ,后 三 者 尚 有 减 活 位 阻 的 影响 。 相 反 ,， 拖 电子 基 则 表现 出 对 7- PIE [a] ( + + +) 致癌 活性 降低 的 影响 。 CR “sy CN(+ +) EN(+ + +) oe ) 0 . 593 Y=Cl (+) 0 .6I4 Y= (44+4)°° 737 PORE MA MAB CN 和 C1 从 母 核 上 夺取 的 电子 较 少 , 而 对 PAH 的 活性 影响 较 小 。 再 就 是 对 烷 基 代 多 环 芳 烃 的 定量 处 理 所 作 的 研究 。 双 区 理论 的 公式 是 根据 Gibbs KAKU 及 了 A 电 活化 与 脱 毒 的 代谢 过 程 ,对 理想 状态 的 细胞 ,经 数值 拟 合 而 得 的 半 经 验 公 式 [(12.1) 式 ]。 甲 基 的 各 种 影响 ， 可 用 适当 的 参数 修正 AL HEH RL, 所 有 的 增 话 位 阻 , 用 定 域 键 序 1 除 以 可 能 最 大 的 离 域 键 序 0.8 乘 以 A 五 来 校正 。 对 于 减 活 位 阻 ,由 于 此 类 位 阻 的 存在 可 能 更 重要 的 是 影响 第 二 个 活性 区 的 代谢 与 交 联 ,因此 ,A 互 , 可 近似 地 毋 需 校正 ,而 在 A 五 : 上 减 去 0.12 B, 存在 两 个 以 上 的 减 活 位 阻 则 减 去 0.24 C。 脱 毒 区 的 脱 毒 趋势 与 有 关 位 置 碳 原子 的 定 域 能 (L 区 、 等 价 玉 区 、 角 环 ) 或 甲 基 正 离子 的 离 域 能 有 关 。 对 PAH 母体 我 们 假定 脱 毒 区 的 脱 毒 趋 势 彼此 等 值 ， 可 以 得 到 良好 的 结果 。 而 烷 基 代 PA 互 中 , 甲 基 、 烷 基 等 的 空间 效应 极 大 地 影响 着 脱 毒 区 的 脱 毒 代谢 。 同 时 甲 基 等 脱 毒 区 的 脱 毒 与 活化 的 主导 趋势 更 为 敏感 地 取决 于 离 域 能 。 因 此 ,对 多 于 两 个 亲 电 中 心 要 求 的 甲 基 按 表 12-17 RPR ais Ea aS ST aE ° 555 ° 规定 选取 冯 值 。 BEIAF MPM MY RAS RE 便 计 , 也 以 离 域 能 统一 地 判别 取 值 。 如 表 12-17, 表 12-17 ” 脱 毒 区 数目 因 位 阻 而 减少 的 取 值 规则 AE(B) 无 位 阻 有 位 阻 有 位 阻 ( 乙 基 以 上 烷 基 ) AE<0.6 n=2 一 n=0 0.60.8 n=0 n=0 n=0 LK, SKE n=1 n=0 n=0 0 EO RSMO, MLD ASR (12.1) 3K, Ht 187 个 烷 基 代 PAH HS: 33 验 结果 相符 者 达 95% 以 上 。 从 总 体 上 看 , 烷 基 代 PAH 定量 处 理 的 成 功 ,使 我 们 看 到 , 双 区 理论 的 某 些 合理 性 和 成 功 z 处 。 12.2.5.3 多 环 芳烃 的 致癌 性 与 其 分 配 系数 之 间 的 定量 关系 戴 乾 围 的 双 区 理论 定量 公式 在 对 超 过 两 百 多 个 PAH 致癌 性 的 计算 中 RAT RK fii Gy), Hae. Ri, HEME ERA 式 (12.1) 式 忽略 了 传输 因素 等 ， BUREN AM q 环 以 上 的 PAH。 为 了 解决 对 八 稠 环 以 上 的 PAH 的 致癌 性 计算 所 出 现 的 偏差 , 陈 洪 与 戴 未 圆 驻 “ 提出 了 新 的 双 区 定量 公式 (12.9) 式 。 式 (12.9) 尽管 比较 成 功 ， (LAREN, BME” HE 存在 着 很 大 的 改进 余地 。 Ps 近来 , 王 连 生 等 591 以 双 区 理论 为 基础 ,提出 了 PAH Rte SRIRAM LIRR 系 方程 ; logK =5.30AE,-AE,>—0.15(1.3 n+ |logK oy —6.401|) ; Gaia , 式 中 的 A 盏 ;、A 万 ,分别 为 双亲 电 中心 的 离 域 能 ,m 为 脱 毒 区 总 数 , K 为 致癌 性 指标 。 经 验算 , 王 连 生 等 选用 最 合适 的 分 配 系数 为 log K 5y=6.40 wig 他 们 利用 式 (12.10) 计 算 了 77 个 PAH 的 致癌 性 ,计算 值 与 实 验 值 基本 符合 。 对 八 稠 环 以 zs PAH 的 计算 也 获得 了 较 好 的 效果 。 综 上 所 述 , 在 双 区 理论 的 基础 上 计算 致癌 活性 的 双 区 定量 公式 存在 着 很 大 的 改进 和 应 用 景 ,而 不 断 的 改进 将 使 双 区 理论 更 加 至 于 完善 ,应 用 范围 将 不 断 扩大 。 12.3 ”化 学 致癌 物 同 生物 大 分 子 的 相互 作用 化 学 致 辣 物 同 生 物 大 分 子 CDNA、RNA 和 和 蛋白质) 的 相互 作用 ,长 期 以 来 一 直 受 到 化 学 臻 到。 研究 者 的 重视 。 大 量 的 实验 研究 显示 ,许多 化 学 致癌 物 在 体内 经 代谢 活化 ,而 形成 活泼 的 亲 电 性 物质 ,它们 能 以 共 价 键 与 细胞 的 核酸 和 蛋白 质 结合 。 人 12.3.1 辐 核 酸 的 相互 作用 DNA 的 A.G.C 和 T 四 种 碱 基 都 能 同化 学 致癌 物 结合 , 有 时 磷酸 二 酯 骨架 也 受到 致癌 物 的 影响。 从 化 学 致癌 物 与 碱 基 结 合 的 位 置 来 看 , 鸟 味 叭 的 N7 和 N 2 位 置 似乎 最 为 活泼 ,其 次 是 腺 my N 3 和 N 6 位置。RNA 同 大 多 数 致 癌 物 结合 的 范围 和 DNA 类 似 , 甚至 更 多 样 化 些 。 表 12-18 列 出 了 一 些 化 学 致癌 物 与 DNA 的 结合 。 从 表 12-18 可 以 看 出 ,不 同 的 致癌 物 可 以 与 DNA 分 子 中 不 同位 置 结 合 。 其 中 ,直接 致癌 物 一 一 烷 化 剂 通常 是 与 鸟 味 叭 的 N7 或 06 结 合 。06 的 取代 和 NT7 的 取代 不 同 , 按 Watson-Crick 的 双 螺 旋 结 构 模 型 ,O 6 的 取代 能 够 直接 影响 碱 基 配 对 ,而 且 0 6 取代 后 在 敏感 组 织 的 修复 也 较 N7 取代 更 为 缓慢 。 N 7 的 烷 化 能 引起 味 吟 丢失， 从 而 减少 了 DNA 修复 机 制 的 忠实 性 。 表 12-19 为 双 链 核酸 在 体外 的 烷 基 化 位 置 和 烷 基 化 百分率 ,然而 芳香 胺 类 致癌 物 则 与 岛 嘎 叭 C 8 结合 ,而 .有些 致癌 物 ( 如 杂 类 ) 则 往往 与 鸟 味 叭 的 0 6 结合 。 在 DNA 的 四 种 碱 基 中 , 胞 喀 啶 、 腺 嗓 吟 和 胸 腺 喀 啶 各 个 位 置 的 原子 则 较 少 受到 化 学 致癌 物 的 攻击 。 表 12-18 致癌 物 与 DNA 的 结合 人 致癌 w 取代 或 反应 的 代谢 形式 | 效 有 果 G A C T 烷 化 剂 DMN CH,—,C.H,—# NZ. ONS) CoN Bivex OF SME fe MNU O6 Nl NI N3 X 线 型 修复 MNNG N3 N7 碱 基 取 代 MMS 等 还 有 磷酸 基 团 突变 芳香 腕 碱 基 移 位 | AAF =C—N—O-—SO, oy er ? ? 紫外 线 型 修复 MAB? N2 HE FE 28 AE 多 环 芳烃 DMBA DMBA-5,6- 氧 化 物 N2 N6 N4 碱 基 移 位 (? ) BP B[a]P-7,8- 二 氨 二 醇 N2 N6 N4 C67 紫外 线 型 修复 -9,10- 环 氧化 物 7-BrDMBA 7- 甲 基 -DMBA N2 N6 N4 框 移 突 变 杂 类 HORE 1 -乙酰 氧 基 O6 黄 曲 霉 毒 素 -2y3- 氧 化 物 ? ? ? ? 4-NQO -4-OH -氨基 2 ? ? ? 金属 ? ? ? ? APR ? ? ? ? ? 现在 ,我 们 以 共 并 [ajJ 蕊 最 终 致癌 物 一 一 7,8,9,10- 四 所 -7,8- 二 羟基 -9,10- 环 氧 衍生 物 为 例 讨论 它 和 核酸 间 的 结合 方式 。 根据 实验 结果 ,可 以 认为 , 苯 并 [a] 世 的 最 终 致癌 物 在 与 DNA 及 RNA 发 生 共 价 结合 时 , 主 * 557 « | | ~ ” 表 12-19 双 链 核酸 在 体外 的 烷 基 化 * Pre 总 8 £ t §. 2 = Me.SO, MeMS MeNU Et,SO, Wee N1 1.9 3.8 1.3 2 N3 18 10.4 本 10 N7 1.9. (1.8) 1.7 1.5 aime N3 1.1 (0.6) 0.8 0.9 06 0.2 (0.3) 6.3 0.2 N7 74 83 67 67 胸腺 喀 啶 O2 0.11 nd N3 0.3 nd 04 0.4 nd Oke aura 02 (nd) (nd) 0.1 nd N3 (<2) (<1) 0.6 0.7 * nd 表示 衍生 物 不 是 检 出 的 Me,SO, Whe AB — FR AR MeMS 甲 基 甲 硫磺 酸 酯 MeNU——R JE Wi fF 3 Wik Et:SO, 一 一 硫酸 二 乙 酯 EtMS 一 一 乙 基 甲 硫磺 酸 酯 E.NU——Z ib THEM BEG SUES, KA RRR LA RAB AS 10 位 碳 (C 10) 58 +E RG NOM 2 位 氨基 基 团 之 间 ( 图 12-35 A), WAT EI ATER ASE INA 10 (ie 5 Oe me HM N 7 位 置 (图 12-35 B) ARMM AD ON 6 位 之 间 结 合 (图 12-35 C)。 过 由 Pullman 等 6o55 曾 应 用 ab initio SCF 法 对 某 并 [g] 花 代谢 致 冶 物 跟 碱 基 (G.A 和 C) 的 : 合 模型 作 了 量子 力学 计算 。 eo tere 5B-DNA SIRI , gM A us - 胞 喀 啶 的 氨基 的 结合 物 (参见 图 12-36、 图 12-37) ,并 得 到 了 相应 的 BPTC- 核 苷 中 间 体 和 BPI 核 苷 结合 物 的 构象 图 (图 12-37 表示 后 者 ) 。 Pullman 等 将 葵 并 [a] 芯 二 醇 环 氧化 物 跟 核酸 碱 基 的 氨基 间 形 成 结合 物 的 过 程 , 分 作 丙 行 计 算 ( 见 图 12-36) 。 最 终结 合 物 和 中 间 物 的 构象 系 用 经 典 势 计算 的 。 计 算 表 明 ， 时 世 的 代谢 环 取 B(D)( 船 式 ) 或 HC(D) ( 半 椅 式 ) 构 象 , 则 结合 物 和 中 间 物 呈现 较 小 的 空间 位 阻 ( 参 见 图 12-38、 表 12-20). “i 在 BPTC-B44 & os oe EA A EK MTT A RP, EL BPTC- 脱 氧 St B(I) 构 象 体 的 能 量 最 低 。 a 从 Pullman 等 的 计算 结 果 可 以 看 到 ， BPDE ffi DNA 结合 ,主要 是 其 中 的 鸟 嘎 叭 的 氨基 ， Pe 跟 实 验 结果 是 符合 的 (参见 表 12-18), ESP BALAI, RIFLE iw DNA AY BR 4 * 558 » 他 aula | Z 3 OH 4 OH OH OH “i 3¢(a] EH MLY $3 [a] 7¢ =F PTC) Ho. J -OH N=\ Pom Moor oA os OF COT: [A i As NH a al! 2 ha 2 5 是 OP LSP ae SP ae yy LOO ZC i OH | OH OH H H OH H_ BPTC-SmmeAyy BPTC—H% 00 «36 9) 12-35 : 12-36 12-20 BPTC- 核 苷 结合 物 非 键 相互 作用 能 的 总 体 极 小 值 Ckcal/mol)” Sala x Bi B(I) HC(1) | B(II) HC(I) + Bi FE 258 2.16 3.95 3.22 (—0.02) 脱氧 腺 得 2.96 4.30 5.75 5.93 (2.24) 脱氧 胞 苷 2.83 3.78 4.96 5.25 5 HSA 的 数值 相应 于 EN = 1 .43 A Wg > Fee a Mie BA EN SEE BM ADs SRS > RRS JIE oA eH 算 值 (参见 4.8) 来 看 ,在 DNA Rie P , HH AR RE KF A SM > RRS > ME. 这 样 的 次 序 与 碱 基 与 PAH 的 湾 区 代谢 物 的 杂 合 力 有 关 。 PAH 与 细胞 中 DNA 结合 的 数量 , 据 研究 "大约 为 每 2 人 3 x 10 个 核 苷 酸 中 有 一 个 与 致癌 物 相 结合 。 这 个 量 从 化 学 角度 来 看 是 微不足道 的 ,但 从 生物 学 角 度 来 看 意义 就 不 一 样 了 。 因 为 一 个 细胞 约 有 1x 10 对 碱 基 ,这 就 意味 着 ,每 个 细胞 中 与 致癌 物 共 价 结合 的 碱 基 数 约 为 x 10° 个 。 这 已 经 是 一 个 不 算 小 的 数目 了 。 在 致癌 物 的 长 期 作用 下 ,一旦 DNA 修复 机 制 失灵 ,就 必然 会 ?| 起 DNA 的 损伤 ,并 由 此 造成 一 系列 转录 和 翻译 过 程 的 失调 。 一 般 认 为 ,除了 化 学 致癌 物 同 核酸 之 间 的 共 价 结合 外 , 至 少 还 存在 着 两 种 非 共 价 结合 的 情 s 559 « —S me mw Sm Br 3 了 T2 ray 图 12-37 BPTC- 68S BFE A) BRIER BEAR CB AGW BEE (C2) He i fy Ha SR CRF) BNEA BOD) | 图 12-38 FFLATEER MAMI ° 560 « ~~.» il a Lad 况 。 一 种 为 嵌入 , 它 是 指 在 DNA fy weet ade A Bei ALE Bae yd F(A 12-394), Yi ZARA DNA 碱 基 对 之 间 以 后 ,DNA 双 螺 旋 便 有 可 能 部 分 地 被 解 开 ,， 从 而 影响 到 DNA 执行 其 正常 的 功能 。 第 二 种 更 弱 的 非 共 价 结合 ,是 致癌 物 分 子 塞 进 DNA 螺旋 。 在 此 情况 下 , 臻 癌 物 分 子 成 轴 状 结合 ,垂直 于 DNA 的 碱 基 ( 图 12-39B) ,这 种 结 合 方式 已 AS AERO, HH _ 癌 作用 的 意义 目前 尚 不 清楚 。 然而 ,若干 研究 结果 说 明 , 化 学 致癌 的 初始 阶段 ， 其 关 键 因素 是 核酸 -化 学 致癌 物 结合 物 的 生成 。 而 这 些 结合 ty 的 化 学 结构 的 益 明 ， 对 于 进一步 了 解 化 学 致癌 作用 无 疑 是 “极其 重要 的 。 最 近 ,Stezowski 等 人 564 的 工作 注意 到 了 活 ‘EBC WIE DNA 核 霸 酸 烷 基 化 后 对 后 者 立体 化 学 性 质 的 影响。 我 们 认为 ,在 探讨 化 学 致癌 物 同 核酸 的 相互 作用 时 ， 必须 充分 注意 到 核酸 等 生物 大 分 子 与 致癌 物 相互 作用 的 立 体 化 学 以 及 B-DNA 和 Z-DNA 与 致癌 物 结合 的 情形 。 近 几 年 来 ,人 们 已 逐渐 发 现 ,化 学 致癌 物 要 通过 对 细胞 -内 DNA 等 大 分 子 的 作用 才能 致癌， 也 就 是 说 细胞 内 DNA 的 异常 是 癌 产 生 的 内 在 根据 。 究 竟 哪 些 因素 影响 着 化 学 致 准 物 与 核酸 的 亲 电 反应 ， 这 已 经 可 以 应 用 分 子 静电 势 的 概念 作出 量子 力学 计算 的 解释 9。 图 12-39 化 学 致癌 物 同 DNA 之 间 的 两 种 非 共 价 结合 : A 表示 髓 和 人 入， 五 表示 塞 进 DNA 螺旋， 与 碱 基 垂直 ”在 第 4 章 ,我 们 已 计算 了 核酸 碱 基 上 各 位 置 在 不 同情 况 下 的 静电 势 最 小 值 (参见 4.8), 并 对 其 变化 规律 作 过 一 般 讨 论 。 由 于 负 的 分 子 静 电势 表示 对 正 电 性 的 吸引 , 当 考 虐 表 中 计 算 结 果 的 实际 应 用 时 ,我们 首先 想到 的 是 那些 与 碱 基 有 关 的 相互 作用 , 特别 令 人 感 兴趣 的 是 化 学 致癌 物 质 。 因 为 业已 证 明 , 许 多 化 学 致癌 物 (所 谓 前 致癌 物 或 最 终 致 癌 物 ) 的 活性 形式 是 阳离子 或 带 有 缺 电子 原子 反应 中 心 的 不 带电 分 子 。 致 癌 物 有 的 本 身 就 是 活性 的 (许多 相对 比较 简单 的 烷 化 剂 )， 有 的 必须 经 过 代谢 活化 才 具 有 活性 (如 芳香 烃 、 芳 香 胺 、 黄 曲霉 素 B: 等 等 )。 核酸 的 碱 基 是 这 些 化 学 致癌 物质 的 最 重要 的 靶 物 质 之 一 。 由 计算 知道 , 碱 基 、 核 背 、 核 苷 酸 、 单 螺旋 、 双 螺旋 或 变性 DNA 的 环 氮 N FREER O 的 分 子 静 电势 深度 逐步 增加 ,实验 表明 , 跟 这 种 变化 相 一 致 的 是 它们 与 亲 电 性 致癌 物质 的 反应 性 也 随 静 电势 深度 的 增 大 而 增加 。 因 此 , 我 们 的 计 算 可 为 这 些 亲 电 性 致癌 物质 和 核酸 及 其 组 分 的 相互 作用 提供 一 个 统 二 解释 。 12.3.2 辣 蛋 白质 的 相互 作用 根据 迄今 为 目的 大 量 实验 事实 ,研究 报告 和 有 关 “ 化 学 致癌 ?的 专著 所 报道 的 结 果 和 所 持 的 观点 来 看 ,在 活 细胞 的 生物 大 分 子 中 ,DNA 是 大 多 数 化 学 致癌 物 攻 击 的 最 主要 的 靶 分 子 ,而 RNA 和 蛋白 质 等 其 它 生 物 大 分 子 则 仅仅 处 于 被 致癌 物 攻击 的 次 要 地 位 ， 甚 至 处 于 辅助 的 地 位 。 在 结 构 致癌 活性 关系 的 研究 中 ， 有 人 假定 DNA 分 子 是 致癌 作用 的 唯一 彼 物 ， 并 认为 具有 DNA 分 子 而 不 是 RNA 或 蛋白 质 ,可 以 长 期 储存 致癌 物 所 诱发 的 信息 。 从 理论 上 讲 , 核酸 和 蛋白质 都 能 通过 亲 电 、 亲 核 基 或 协同 反应 与 化 学 致癌 物 共 价 结合 。 然 而 , 绝 大 多 数 人 则 认为 , 化 学 致癌 e 561° 质 与 臻 析 结合 的 位 置 .结构 和 由 此 而 引起 的 生物 学 功能 的 改变 wee 出 些 情况 的 原因 ,除了 DNA 可 能 在 事实 上 确实 是 致癌 物 的 最 主要 四 分 子 外 , 跟 生 物化 学 那 种 至 今 还 比较 普遍 存在 的 “ 重 核酸 轻 蛋 白质 ”的 现象 , 跟 DNA 双 螺旋 结构 模型 建立 子 生物 学 、 分 子 遗 传 学 等 等 所 取得 的 巨大 成 就 是 分 不 开 的 。 在 这 当中 ,DNA 双 螺 旋 、 信使 、 1 心 法 则 和 遗传 密码 等 新 概念 的 引入 和 发 展 起 了 极 大 的 作用 。 a 尽管 目前 我 们 对 致癌 物 同 蛋白 质 结合 的 问题 还 缺乏 更 多 的 了 解 ,但 是 ,已 经 知道 某 些 至 怎样 与 蛋白 质 以 及 与 构成 蛋白 质 的 氨基 酸 发 生 反应 。 例 如 , 芳 胺 或 偶 氨 染料 可 能 通过 甲 硫 氨 酸 理 蛋白 质 结合 ;而 另 一 种 致癌 物 二 甲 基 亚 硝 胶 则 通过 一 个 甲 基 基 团 引 入 组 氢 酸 来 与 蛋 白质 发 玲 反 应 。 但 是 , 另 一 种 亚 硝 基 化 合 物 (N- 甲 基 -N'- 硝 基 -N- 亚 硝 基 且 ) 却 具有 -一 种 特异 的 效应 , 三 面 可 以 通过 加 上 甲 基 而 使 DNA 甲 基 化 ， 另 一 方面 则 可 以 通过 将 一 CCNED 一 NE NO 加 到 白质 的 氨基 酸 ( 赖 氨 酸 或 半 胱 氨 酸 ) 上 ,而 使 蛋白 质 酰 硝 胺 化 。 如 近来 ,Kootstra 等 244 就 组 蛋白 的 乙酰 化 作用 对 茉 并 [a] 苑 同 染 色 体 结合 物 形成 和 迁移 的 影响 以 及 芋 并 [ 纪 花 最 终 致癌 物 同 鼠 皮肤 的 DNA RNA 和 蛋白 质 的 结合 等 进 行 了 一 系列 的 究 。 此 外 ,Seculley EO RIEL A TELA D (+ )-7 8 ,8c- 二 羟基 -9a,10c- 环 氧 -7,8、9、10: eee He Lae a a MH EL fe EAT TSE, SOR AA FE ks, AU 上 相应 的 FORRES AR EB LY 4 HET AE SEY, BC EE EE 或 许 是 一 个 重要 的 步 又 .他 们 还 看 到 ,组 蛋白 Hy He, AIH, BEPOH-7,8-— 9696-9, 10° RM-7, a 8.9,10- 四 气 茉 并 [a] 花 呈现 强 标记 ,反之 ,His、H, A BRI MRIS BBA, a 管内 ,都 看 到 鼠 LOT 1/2 细胞 和 人 肺 上 皮 细 胞 核心 组 蛋白 HL AH A PETE TA ， 结合 而 发 生 改变 。Macleod 等 09 的 研究 也 证 实 , 在 体内 实验 中 仓鼠 胚胎 细胞 组 蛋白 Hie, A Hy, 因为 同 茉 并 [a] 蕊 发 生 共 价 结合 而 受到 修饰 ,并 且 也 看 到 其 它 致 癌 性 矶 氢化 合 物 同 核心 组 蛋 自 的。 结合 也 有 类 似 的 特征 。 所 有 这 些 研究 工作 对 于 人 们 了 解 化 学 致癌 物 同 蛋白 质 的 相互 作用 ， 从 一 个 侧面 提供 了 一 些 有 意义 的 启示 。 但 距离 真正 揭示 化 学 致癌 物 同 蛋白 质 相 互 作用 的 意义 ， 还 有 相当 的 路 程 要 走 。 oe 12.3.3- 致癌 物 作用 后 大 分 子 的 改变 无 数 的 实验 事实 告诉 我 们 ,核酸 和 蛋白 质 等 生物 大 分 子 同 致 癌 物 相互 作用 后 , 其 结构 、 合 成 和 功能 都 有 可 能 因 受 致 瘤 物 的 作用 而 发 生 改 变 。 了 从 表 12-18 可 以 看 出 ,PAH、 黄 樟 素 和 一 些 烷 化 剂 同 鸟 味 叭 的 06 ANZ, HREM 的 N6 ,胸腺 喀 啶 的 04 和 胞 圈 啶 的 N4.N3 等 结 合 , 而 这 些 都 是 碱 基 配 对 时 发 生 氢 键 结合 的 位 置 。 一 些 实验 研究 表明 , 双 功 能 基 的 烷 化 剂 能 在 DNA 的 双 链 间 ,或 一 个 链 的 两 个 部 位 之 间或 两 个 DNA SRE 之 间 形 成 交叉 连结 ,从 而 干扰 DNA 的 复制 和 转录 .此 外 ,如 前 所 述 ,一 些 致癌 物 分 子 磋 入 在 DNA 碱 基 对 之 间 以 及 致癌 物 塞 进 DNA 双 螺 旋 也 将 会 影响 到 DNA 的 结构 和 功能 。 例 如 改变 DNA 双 螺 旋 结构 和 构 型 ,在 电子 显微镜 下 可 以 看 到 由 于 致癌 物质 引起 的 局 部 变性 。 ° 562 ° 事实 上 ,不 同类 型 的 化 学 致癌 物 同 DNA( 或 RNA 和 和 蛋白质) 的 结合 ,可 以 有 多 种 形式 的 相 互 作用 ,已 经 研究 了 几 种 可 能 性 ， —DNA RAK, 一 RNA 发 生 改 变 , 转 而 改变 DNA es 一 一 蛋白 质 发生 改 变 , 因 此 改变 了 DNA 的 表达 。 但 是 ,致癌 物 与 生物 大 分 子 的 结合 及 其 致癌 性 之 间 , 有 的 是 相关 的 ， 有 的 是 不 相关 的 。 这 可 能 有 的 是 由 于 对 细胞 没有 产生 重要 的 影响 ;有 的 细胞 由 于 生物 大 分 子 受到 影响 而 发 生 改 变 后 , 通 过 修复 能 使 该 细胞 仍 有 补偿 机 能 ,有 的 则 引起 分 子 的 连锁 反应 ,影响 到 后 代 。 后 一 现象 特别 引 人 注目 。 12.4 化 学 致癌 作用 的 量子 生物 学 研究 方法 研究 实践 告诉 我 们 ,要 真正 弄 清 化 学 致癌 这 样 一 个 复杂 的 问题 ,并 非 是 某 一 个 单一 理论 或 方 法 所 能 及 的 。 为 探索 致癌 之 谜 ,各 种 不 同学 说 和 方法 的 提出 是 很 自然 的 ,其 中 各 种 方法 的 应 用 和 补充 在 一 定 程度 上 推动 了 化 学 致癌 作用 研究 的 向 前 发 展 。 仅 就 量子 生物 学 研究 方法 来 看 ， 它 实 际 上 包含 了 量子 化 学 方法 、 多 元 回归 分 析 法 和 模式 识别 法 等 等 方法 。 12.4.1 量子 化 学 方法 正如 我 们 已 经 知道 的 那样 ， 记 今 量子 生物 学 所 用 的 理论 计算 方法 基本 上 是 沿 仇 量子 化 学 的 ”方法 。 因 为 量子 化 学 方法 可 以 计算 分 子 中 的 电子 ,特别 是 价 电子 能 级 、 分 子 的 电荷 分 布 、 键 级 、 自 “由 价 等 结构 特性 。 特 别 是 为 那些 实验 非常 难于 测定 的 反应 中 间 体 提供 微观 图 式 。 在 化 学 致癌 作用 的 研究 中 ,大 致 有 如 下 应 用 ， (1) 结构 与 活性 这 类 工作 常 在 系列 化 合 物 的 致癌 、 诱 变 、 毒 性 、 降 解 性 、 生 物 积累 和 量子 化 学 参数 间 建 立 关 联 , 探讨 分 子 官能 团 所 起 的 作用 等 等 。 白 适 彬 曾 用 HMO 法 ， 辅 以 模式 识别 技术 探讨 了 PAHS 构 与 其 致癌 能 力 的 关系 。 (2) 立体 结构 有 些 化 学 致癌 物 的 化 学 特性 因 本 身 的 构 型 、 构 象 不 同 而 截然 不 同 。 量 子 化 学 则 是 从 分 子 结 构 角度 研究 构 型 构象 引 起 特性 差异 的 有 力 工 具 。 本 章 作者 白 适 彬 等 曾 用 CNDO 法 研究 了 PAH 最 终 致癌 物 构 型 .构象 差异 之 起 因 ( 参 见 12.2.1.5)。 (3) 反应 途径 化 学 致癌 物 在 体内 的 代谢 转化 往往 涉及 若干 反应 历程 和 自由 基 ， 形成 许多 中 间 产 槐 ， 有 许多 反应 方向 及 其 终结 途径 。 然 而 ,我 们 知道 ,反应 途径 往往 相当 难于 进行 实验 研究 。 但 是 ， 量 子 化 学 计算 则 有 助 于 辅助 实验 判断 反应 途径 。 有 关 量 子 化 学 中 的 分 子 轨道 法 在 化 学 致癌 研究 中 的 应 用 ,特别 是 一 些 半 经 验方 法 的 应 用 ,我 们 已 经 作 过 较 详 尽 的 讨论 ,下 面 我 们 将 补充 介绍 孤立 分 子 近似 和 位 能 面 等 ,以 利 读者 了 解 化 学 致 * 563。 —— VS ae |B EF PEALE ER. 12.4.1.1 MwoyeU™ ae MILA FUE WIE BORE Ht AD F RRA RDS) HE A RES 3 4 使 用 靶 分 子 ( 受 体 分 子 ) 在 基态 时 的 一 些 分 子 轨道 参量 来 指示 轰 分 子 的 反应 活性 。 我 多 致癌 物 (特别 是 PAH) 的 代谢 致癌 过 程 ,包含 着 阳离子 ( 亲 电 试剂 ) 或 阴离子 ( 亲 核 试剂 ) 到 受 体 的 进攻 。 根据 有 机 反应 的 电子 理论 ， 这 些 离子 试剂 总 是 优先 攻击 那些 带 有 最 大 相反 思春 子 。 在 = 电子 的 分 子 轨 道理 论 中 ,是 用 电荷 密度 来 描述 分 子 中 的 电子 分 布 。 因 此 我 们 预 5 亲 电 反应 中 ,电荷 密度 最 大 的 位 置 优先 反应 ; 亲 核 反应 中 ， SAEs Nee A 际 上 ,这 里 的 电荷 密度 应 该 包括 o 电子 的 贡献 ,不 过 在 < 电子 理论 中 , 总 是 忽略 o 电荷 密度 何 变动 ) 。 这 个 相当 朴实 的 概念 , 颇 能 成 功 地 说 明 反应 活性 。 从 简单 分 子 轨道 理论 知 , 凡 是 与 奇 交 替 烃 离子 等 共 恩 的 体系 , 它 的 HMO fe ae ETL 键 分 子 轨道 系数 来 计算 。 例 如 , 重 氮 盐 和 苯酚 的 偶 联 反应 以 重 氨 离 子 RN} 为 进攻 试剂 ， CaHO 为 受 体 。 其 中 CeHsO- 与 苯 基 负离子 C.H,CHiSs. KANE TARE 2a | al a : | | a’+a’+a’°+4a°=1, 2 Bie a=1/V7 让 mal 苯 基 负离子 的 负电 荷 按 照 非 键 分 子 轨道 系数 的 平方 来 分 配 ， 即 当 -了 is Bee 1 Bey Oly Ss ES 由 此 预言 葵 酚 的 偶 联 反应 将 发 生 在 羟基 的 邻 位 或 对 位 ， 这 和 实际 符合 。 用 同样 的 方法 计算 1-2 A 2- 蔡 酚 的 电荷 分 布 , 其 结果 是 ae _ie0} 一 1/17 一 4/17 O 一 9/17 二 名 sank Joa —1/20 —4/20 因此 1-ZER FE 2 HAN 4 fie, 2-FE AE 1 位 发 生 偶 联 反 应 。 如 果 2-FRAPAY 1 位 已 被 取代 ， 便 很 难 在 其 它 位 置 发 生 偶 联 反应 。 这 些 也 都 符合 实验 。 当 处 理 非 交替 烃 曹 划 时 ,HMO 法 的 电荷 分 布 ( 如 下 页 图 所 示 )。 4a 按 此 预言 活性 顺序 是 8>2>7>3>1, SMA A He CF (Bilan 50"C 时 在 醋酸 中 硝化 六 3>8>>7>1>>2 不 符 。 一 般 地 ,孤立 分 子 近似 对 杂 环 系 或 非 交替 烃 的 预言 往往 不 太 可 靠 。 上 尖 ° 564° ” 用 电荷 密度 指示 反应 性 能 只 限于 电荷 分 布 不 均匀 的 分 子 。 对 于 中 性 交替 烃 , 它 的 9, 处 是 1 此 时 可 以 改 用 原子 自 极 化 率 *,,* 来 作 反应 活性 指标 。 原 子 自 极 化 率 的 定义 是 OE oq, a Oe. Ons 元 ,是 个 负 的 数量 ， 这 表明 当 原子 r 的 有 效 电 负 性 增 大 (6c;<0) 时 ,9: 增加 。 例 如 当 芳 烃 中 某 个 WRF r 受到 亲 电 试剂 NO 进攻 时 € Yt < 一 Noi(c<06g>0) 4 负电 荷 要 移 向 原子 r。 相 反 , 当 上 T 的 有 效 电 负 性 减少 时 (6a,>0, Pen r SHRI] NH; 进攻 时 ) ,9: 减少 。z,,* 是 原子 r 上 的 电荷 密度 对 微 扰 敏感 性 (原子 z 上 的 电子 极 化 率 ) 的 量度 。z,,: 念 大 ,在 某 个 试剂 的 微 扰 下 ,原子 r 上 -电荷 密度 的 变化 ( 增 大 或 减 小 ) 愈 大 。 因 此 ,对 于 -电荷 作 均匀 分 布 的 分 子 ,无论 在 亲 电 或 亲 核 反应 中 ,总 是 ow, 最 大 的 位 置 优先 反应 。 例 如 蔡 的 c 和 有 位 的 原子 自 极 化 率 分 别 是 0.443 和 0.405( 以 1/8 为 单位 )， 这 与 蔡 不 管 是 硝化 或 氨基 化 总 是 < 位 发 生 取 代 的 事实 相 一 致 。 用 <- 电 荷 密度 或 原子 自 极 化 率 来 预测 反应 性 能 ， 是 假定 试剂 和 受 体 间 的 静电 力 起 主导 作 用 ,这 当 进 攻 试 剂 是 带电 荷 的 离子 时 是 可 行 的 。 若 试剂 是 电 中 性 分 子 或 自由 基 时 ,静电 作用 一 般 很 小 , 这 时 候 可 用 自由 价 PRR RISE. A 12-40 给 出 了 芳烃 的 甲 基 取 代 速 度 和 芳烃 分 子 的 最 大 自由 价 的 关系 (假定 反应 速度 决定 于 分 子 的 最 大 自由 价 )。 图 中 纵 坐 标的 PRE 称 为 部 分 速度 因子 (partial rate factor) , 它 是 指 某 位置 上 速度 常数 和 作为 标准 的 葵 的 每 个 位 置 上 的 速度 常数 之 比 。 例 如 测 得 蔡 在 x 位 的 硝化 速度 常数 为 玉 , 苯 的 硝化 速度 为 瑟 ,, 蔡 有 四 个 ac 位 ,共有 六 SAME, BEE c 位 的 部 分 速度 因子 为 _K / Ko PRF="./—; 实验 证 明 , 用 自由 价 来 判断 反应 性 能 并 不 限于 自由 基 反 应 。 许 多 其 它 类 型 的 反应 ,包括 离子 反应 在 内 ， 往 往 也 可 用 自由 价 来 指示 活性 。 现在 我 们 来 看 孤立 分 子 近似 中 用 电荷 密度 、 极 化 率 和 自由 价 等 来 判断 反应 活性 究竟 有 点 什 么 理论 根据 。 当 试剂 R 向 受 体 分 子 的 原子 r 进攻 时 在 试剂 R 的 微 扰 之 下 ， 原 子 工 附近 的 =- 电 荷 倾向 于 向 r 集中 或 离开 r (由 R 是 亲 电 性 或 亲 核 性 试剂 而 定 ) 。 微 扰 的 结果 是 使 的 库仑 积分 和 键 z 一 s、r 一 t 的 共振 积分 发 生变 化 。 如 果 把 共 斩 体 系 的 电子 能 量 看 成 是 oP 和 Be 的 函 Be, 按 Taylor RACH ILA BURT, ABIES IER ANN 2 电子 能 量 增加 为 (12.11) * 565 ———— FTr( 极 大 ) 图 12-40 CH 取代 速度 和 每 个 分 子 的 最 大 自由 价 的 关系 图 | (图 中 用 星 号 标 出 最 大 自由 价位 置 )PRE 定 义 为 二 /和 ,和 HE AE AME AR, 6 是 薪 的 6 个 等 价位 置 ,R 是 具有 m 个 最 大 自由 价位 置 的 速度 常数 。 | OF, 1 OF, +. ame OE, da, 5 > da? - (da,) +99 0B +9p OAut 6£,= = 9,80, +2.,.(5a,)? +2 PadBat2 PudBut*** 其 中 对 cx 展开 到 二 级 微 扰 ,并 引用 了 OL, /0a,=4,,0° B,/0a; =2,,,,0F ./OBu=2 Pus 38, 96.=60， 并 注意 Put Pa= pat 三 常数 一 五 ,上 式 变 为 OL ,=4,04, + t,,,(a,)?—2 F 6p 十 常数 ee dive L 当 试剂 R 是 离子 时 ,长 程 的 库仑 力 占 优 势 , 式 (12.13) 右 边 前 两 项 起 决定 作用 ,其 中 第 一 项 又 比 第 二 项 重要 。 对 电荷 密度 不 均匀 的 分 子 ,只 要 考虑 第 一 项 , 即 9 决定 其 反应 性 能 。 在 亲 电 反应 中 ,5c:<0,9, 愈 大 ,反应 速度 愈 大 。 亲 核反应 中 ,情况 正好 与 之 相反 。 对 电荷 密度 处 相同 的 分 也 反应 活性 的 差别 就 决定 于 第 二 项 ,此 时 ON, 值 只 依赖 于 re, 而 与 Oa, 的 符号 无 关 。 无 论 反应 是 > * 566» 'S / 亲 电 的 还 是 亲 核 的 ,总 是 <:,* RAM MER ERA. BIRR AA TAY BE, eT 仑 力 降 居 次 要 地 位 ,决定 OF, 的 是 (12.13) 式 右边 第 三 项 。 随 着 自由 基 R“ 向 受 体 分 子 接近 ,被 攻 击 的 原子 r 附近 的 = 电子 逐步 和 了 ' 键 合 ,原子 r 有 从 共 斩 体 系 中 分 离 出 去 的 倾向 , 故 z 一 s 和 r 一 t 键 的 < 键 减弱 , 它们 的 键 积分 都 从 某 个 标准 值 6( 负 值 ) 向 零 方 向 变动 ,568>0。 因 此 ,(12.13) 式 右边 第 三 项 是 随 F. ATI OUE, BP, 愈 大 的 位 置 活性 愈 大。 12.4.1.2 位 能 面 量子 理论 在 化 学 动力 学 和 化 学 致癌 作用 研究 中 的 最 重要 作用 是 计算 一 个 反应 体系 的 位 能 面 。 以 下 我 们 简略 地 介绍 这 种 计算 所 依据 的 原理 。 一 个 分 子 的 总 Hamilton 是 一 些 动能 项 和 位 能 项 之 和 ， 可 以 表示 为 B= Pe TAP FSP (12.14) 其 中 下 标 e 和 am 分 别 指 电子 和 核 。 分 子 的 总 能 量 和 其 波 函 数 由 Schrodinger 方程 HV=EV (12.15) 的 解 给 出 (这 些 已 在 第 二 章 中 较 详尽 地 讨论 过 ) 。 我 们 已 经 知道 , 式 (12.15) 对 我 们 说 来 ， 是 十 分 复杂 的 。 不 过 ,可 通过 引用 Born-Oppenheimer 近 似 予以 简化 。 这 样 , 便 可 以 略 去 (12.14) 式 中 的 核 动能 项 T., 而 得 到 电子 Hamilton A, H.=H-?, (12.16) A. 依赖 于 电子 和 核 的 坐标 。 例 如 Hz 的 A. 是 A=-Fowitw+S-(2 +2 ++ 2) + 4“ BME. LRT eee. WET RS eB fe Schrodinger 方程 H.We=U,v (12.17) 得 到 指定 核 构 型 下 的 电子 波 函 数 Vi Pe i 标记 电子 态 ) 和 能 量 Z,。77, 包括 电子 能 量 和 核 间 排 斥 能 ,所 以 称 它 为 指定 核 构 型 时 体系 的 位 能 。 式 (12.17) 可 用 价 键 法 或 分 子 轨 道 法 近似 求解 。 当 用 分 子 轨 道 法 求解 时 ,可 用 半 经 验 自 洽 场 法 或 ab initio 法 解 出 指定 核 构 型 下 的 Roothaan 方 程 ， 将 得 出 的 分 子 轨道 组 成 反对 称 的 Slater 函数 ,就 是 近似 的 电子 波 函 数 到 *。 由 各 分 子 轨 道 的 轨道 能 、 分 子 的 电子 组 态 以 及 核 间 排斥 能 了 可 以 求 出 乙 ; 的 近似 值 。 对 体系 的 每 一 个 可 能 的 核 构 型 都 作 如 上 的 计算 ， 然 后 将 Z, 值 对 核 构 型 作 图 。 对 多 原 子 分 子 可 给 出 多 维 的 位 能 面 (如 图 12 -41), 12-41 ZBRBAAY AEM. APR RU (Ri, k.) HSeRReERSRaAU 示 位 能 面 。 位 能 面 在 化 学 致癌 的 量子 生物 学 研究 中 获得 了 较 广 泛 的 应 用 。 12.4.1.3 分子 静电 势 在 未 书 的 第 2 章 已 经 讨论 过 有 关 分 子 静电 势 的 概念 和 计算 原理 。 在 这 以 后 的 一 些 章节 中 ， 我 们 具体 介绍 了 分 子 静 电势 的 应 用 实例 。 近 几 年 来 ， 分 子 静电 势 在 化 学 致癌 研究 中 应 用 日 益 增 多 ,也 取得 了 可 喜 的 进展 (参见 4.2.3 和 4.8)。 ° 567 « (nm ) 0.4 R ne yey Le ee ee ee ee ee 0.3 ee -) 图 12-41 Ze WAY Hs 的 位 能 等 值 线 等 值 线 4 的 能 值 比 H+ Hs:( 平 衡 核 间距 ) 的 能 量 高 0.1 RFR (9.65kJ/mol)。 按 4, 下 ,CC 了. 顺序, 每 两 条 邻近 的 等 值 线 能 量 相差 0.2 电子 伏 图 12-42， 茉 并 [a] 花 分 子平 面 分 子 静电 势 等 值 线 图 我 们 知道 ,分 子 静 电势 可 以 精确 而 直观 地 描绘 出 分 子 周 围 空 间 的 静电 作用 性 质 ， 因而 对 于 了 解 分 子 间 的 相互 作用 具有 重要 的 作用 。 Hariharan") py ab initio 计 算 苯 并 [a] 基 及 其 代谢 物 ,3- 甲 基 胆 攻 及 其 代谢 物 的 分 子 静 “ 电势 ,得 到 了 分 子 静 电势 等 值 线 图 (图 12-42 至 12-44) 。 ¢ 568 © ROOT — > glee ae ier 12-44 #H-Lalte 7 ,8-—A—M-9,10-HA(tAa, 8,c 分 子平 面 分 子 静电 势 等 值 线 图 从 这 些 分 子 静 电势 等 值 线 图 可 以 看 到 ， 它 们 与 实验 结果 是 一 致 的 。 这 些 图 形象 地 向 我 们 指 示 出 C 10 是 亲 电 性 攻击 的 主要 位 置 。 共 并 [a] 苑 经 代谢 生成 7,8- 二 氨 二 醇 -9,10- 环 氧化 物 后 ， 分 子 体系 被 更 大 的 正 电 势 的 套 所 包围 ,就 整体 而 言 ， 它 是 一 个 带 正 电 的 实体 , 由 此 可 以 推测 其 对 分 子 应 带 一定 的 负电 荷 。 当 它们 由 于 静电 吸引 而 接近 时 ， 葵 并 [aj] 基 7,8- 二 所 二 醇 -9,10- 环 氧 化 物 的 分 子 静电 势 特征 的 细节 ,就 将 被 靶 分 子 进 一 步 感 知 和 识别 。 从 图 12-42 至 12-44 的 分 析 还 可 以 看 出 ,这 些 图 还 可 以 用 作 “ 亲 电 性 ”的 指标 。 从 图 12-44 可 知 , 业 并 [a] 东 7,8- 二 氢 二 醇 -9,10- 环 氧化 物 进 一 步 将 导致 环 氧 桥 在 C 10 处 断 开 , 氧 仍 与 C9 相连 结 ， 如 MLAS we 10: C9 从 4.2.3 和 4.8 已 经 知道 , 碱 基 、 核 苷 、 核 苷 酸 . 单 螺旋 、 双 螺旋 或 变性 DNA 的 环 氮 N FRR 。 569。 5 二 > i Feeds. = 让 4 ae BE . Mm. - me 5 fe: 基 氧 原子 的 分 子 静电 势 深度 逐步 增加 。 实 验 表明 ， 跟 这 种 变化 相 一 致 的 是 它们 Se a: 质 的 反应 性 也 随 静 电势 深度 增 大 而 增加 。 12.4.2 多 元 回归 分 析 导 找 一 种 事 移 同 其 它 事 帕 的 相关 关系 的 方法 叫 多 元 回归 分 析 。 几 乎 在 环境 化 学 8 (包括 化 学 致癌 的 研究 ) 都 能 找到 应 用 实例 ， 但 预报 仅 只 是 大 致 的 估计 值 。 AHS AM 示 正 、 负 相关 ;系数 权重 比较 表示 这 些 变量 在 相关 关系 中 贡献 的 大 小 。 算法 为 ， 若 因 变量 为 了 。, 自 变量 为 Xu,Xz， ,mw 则 令 Dy, Lh —X;)(X,,—X;) 4,9=1,2,-+-,m Lio= >) (Xin —X;)(¥i—-Y) 1=1,2,+++,m k=1 Loo= y1(Y,—-¥)? k=1 ee 此 时 ,回归 方程 为 ， ; Y=a+b,X,;+b,.Xo+ ++ +0mXm 根据 最 小 二 乘法 原理 ,系数 b1,b2,°++ bm 必需 满足 如 下 多 元 线性 方程 组 ; 7 十 有 十。 boyb, 二 72222 + ¢** + lamin = loo bniD1 + Um2d2 + °° * + UinmOm=lmo 常数 项 为 ， a=Y— 于 5 先 输入 样本 数 闵 , 自 变 量 数 妈 及 自 变 量 . 因 变量 Xix 和 了 xx。 造 线性 方程 组 。 用 Gauss se 元 消去 法 求解 。 算 出 系数 2 和 0 线性 方程 相关 系数 忆 和 剩余 标准 离 差 3 . 卫 用 于 衡量 回归 效果 3 S #55 AVA MAE +s 作为 统计 规律 , 样本 数 愈 多 效果 愈 好 , 一 般 六 比 允 应 大 于 5。 再 者 ， 自 变量 不 应 有 较 大 测量 误差 。 但 实际 上 化 学 致癌 研究 所 磁 到 的 量 本 身 误 差 就 较 大 ， 难以 用 上 述 方法 作 多 元 回归 处 理 。 有 © 570。 有 人 建议 用 几何 平均 函数 回归 法 ,可 以 估计 到 自 变 量 测量 误差 较 大 的 情况 ,使 预报 更 为 准确 。 再 - 就 是 ,相关 性 并 不 等 于 必然 性 。 不 要 看 见 甲 与 乙 相 关 性 较 好 ,就 肯定 乙 一 定 决定 甲 。 可 能 还 有 两 | 通过 己 决 定 甲 。 总 之 ,多 元 回归 分 析 简 单 .直观 .常用 ,但 诸 变量 关系 往往 不 是 简单 的 线性 方程 所 能 描绘 ,故而 较为 粗糙 ,防止 滥用 。 化 学 致癌 过 程 是 一 个 非常 复杂 的 过 程 , 为 了 保证 结果 的 可 靠 性 ,一 个 有 益 的 办 法 是 时 刻 注 意 统计 观点 。 因 此 , 对 每 一 个 系列 , 我 们 总 是 力图 取 50 个 以 上 或 更 多 的 化 学 样本 以 开始 我 们 的 结 构 致 癌 活 性 关系 处 理 , 从 统计 观点 讲 ,这 是 一 个 可 靠 的 数目 41。 ”甚至 最 简单 的 最 小 二 乘 拟 合 往往 也 会 得 到 若干 有 启发 性 的 结 果 。 图 12-45 是 36 个 有 实验 ， 数据 的 具 湾 区 或 狭 湾 区 的 PAH, 其 湾 区 A 思 与 其 致癌 活性 (五 级 相应 取 作 1,2,3,4 和 5) 的 最 小 二 乘 结果 ( 表 12-21 是 图 12-45 的 数据 表 , 化 合 物 名 称 皆 用 缩写 ) 。 4 * de Bum a te 图 12-45 从 图 12-45 可 见 ,其 相关 性 极 差 , 相 关系 数 只 有 0.4092 ,致癌 活性 治 回归 线 两 侧 剧烈 地 波动 。 有 具 异常 "高 的 致癌 活性 的 PAH 30,29,21, 两 活性 中 心 的 距离 为 适当 的 0.278 om, 下 活性 的 PAH 31,28,24 则 有 几 个 脱 毒 的 L 区 , 且 两 活性 中 心 的 距离 很 大 5581( 人 参见 12.2.1.4)。 12.4.3 模式 识别 12.4.3.1 模式 识别 法 简介 模式 识别 是 人 工 智 能 的 一 个 分 支 ,目的 是 弄 清 判 别 过 程 的 机 制 ,并 用 计算 机 使 之 自动 进行 。 模式 识别 基本 原理 是 “ 物 以 类 聚 ?。 模式 识别 分 为 五 步 ; 1. 收集 原始 数据 要 尽 可 能 收集 那些 对 化 学 致癌 物 和 致癌 过 程 有 潜在 性 影响 的 指标 ， 过 多 又 会 增加 无 益 的 计 算 量 。 样 本 数 应 大 于 维 数 五 倍 ， 分 类 预报 效果 方 好 。 2. 数据 表达 和 整理 某 些 指标 不 是 数 , 是 概念 ,如 午 、 夜 .黄昏 . 阴 、 晴 多 云 、. 清 . 浊 、 混 、 强 致癌 致癌、 微弱 致癌 等 下 等 。 有 的 甚至 是 模糊 概念 , 则 应 建立 标 度 ,转化 为 计算 机 能 懂 的 数码 。 样 本 撼 阵 要 归 一 化 ,以 克 ° 571° 表 12-21 NO 化 合 DB | He 8 指 数 1 N12aA 0.6 1 2 BoPH 0.6 2 3 c 0.639 2 4 BbC 0.647 1 5 BcC 0.648 3 6 PH 0.658 1 7 PI : 0.662 1 8 TR 0.664 1 9 PH, 10bTR 0.687 1 10 DBfgopNC 0.692 2 11 BeP 0.714 1 12 BgC 0.719 2 13 N12bTR 0.721 i “14 BbTR 0.722 1 15 DBajA 0.722 3 16 BaPP 0.733 1 -17 DBahA 0.738 3 18 BaA 0.766 1 19 N1234defC 0.775 4 20 DBacNC 0.787 3 21 BaP 0.794 5 22 TBacjC 0.795 2 23 DBdefpC 0.8 3 24 DBajNC 0.8138 1 25 DBhrstpp 0.819 3 26 BaN218hijNC 0.82 2 27 BaN812cdeNC 0.837 2 28° BaNC 0.845 1 29 DBbdefC 0.845 5 30 BrstPP 0.866 5 31 DBalPC 0.885 1 32 TBbdefpC 0.89 3 R=4,092, A=6.348, B=2.617, S=1.1575 服 量 纲 影 响 ; 加 权 以 增加 类 间 分 离 的 可 分 离 性 。 3. 特征 选择 从 样本 的 诸 特征 中 选择 对 问题 有 重要 影响 的 特征 的 方法 叫 特征 选择 。 原 始 X 维 空间 降 为 维 数 少 的 M 维 空间 ,还 应 保证 原点 群 空间 分 布 在 降 维 时 其 类 别 可 分 离 性 不 应 有 较 大 影响 , 故 驻 叫 映 照 。 降 维 使 问题 约 化 ,计算 量 减少 ;删除 了 次 要 或 无 关 因 素 , 使 问题 清晰 化 。 特征 选择 可 用 主 成 份 分 析 法 进行 。 取 少数 特征 值 较 大 的 特征 函数 建立 新 的 维 数 空间 。 映 照 仅 限 于 正 交 归 一 线性 变换 , 原 分 布 不 会 走样 。 特征 选择 也 可 用 分 离 指数 法 进行 。 下 式 中 分 离 指数 书 为 类 别 可 分 离 性 之 量 诬 。 可 将 诸 特 ° 572 * 征 依次 代入， 筛选 变量 ,降低 维 数 , 取 分 离 指数 降低 为 最 小 者 ， 即 为 最 佳 线性 映照 二 人 bee nyt 2 (uw ,一 到 六) ( 云 - 于 (ww 一 5 ) 其 中 ,和 为 维 数 ,二 ;了 工 为 两 类 点 数 ; uix、ois 为 两 类 点 中 ;点 坐标 ;5、5 为 两 类 重心 。 4. 分 类 判别 ”有 最 短 距 离 法 , 设 全 部 训练 点 集 分 属 G 类 ,各 类 样本 点 聚 于 重心 周围 , 则 任意 点 ;与 各 重心 | 距离 最 短 者 的 类 就 是 ; 点 应 归属 的 类 。 首 先 求 出 G 类 训练 点 重心 Pet Ps， …，Pei。 P= (12.23) . Pa=_ ke (g=1,2,+++,@;k=1,2,+++,m) (12.24) q hit m 是 维 数 ,me 为 第 & 类 训练 点 数 ,Xex; 与 第 & 类 训练 点 坐标 。 点 ;与 G 个 重心 之 欧 氏 距 离 为 di 人 一 CHP, i)": Ceri) iM: 车 满足 下 式 则 ;i 点 属于 & "类 。 还 有 线性 函数 判别 法 。 若 有 线性 函数 存在 于 五 类 之 间 ， g(r) =Wiot yo WiX, (12.25) ” 当 点 z 属于 ;类 时 , 则 有 giz) >g4 (2), Cisf1)2,-+,R) — «WW g(x) Rte HIM. ATi tt. WiCWio, Wir, Wires >Wim) 为 第 ; 类 权重 向 量 ; 了 《XXX 和) 为 增 广 模式 向 量 , 则 线性 判别 式 减 化 为 g(Y)=W;-Y (i=1,2,---,R) (12.26) 在 两 类 分 类 问题 中 ,已 一 2, 则 ae g.(Y)—2g2(Y)=(W,-W.)-Y=Ww-Y “SB W-Y> ONY MEW, 类 ;本 .了 <<0, 则 工 属于 W.KW-Y=0, 是 类 间 界面 方程 。 可 先 求 出 三 组 训练 点 重心 ,以 二 重心 中 垂 面 之 法 矢量 为 W 之 初始 值 , 采用 错 分 点 反馈 修正 法 逐步 修 ” 正 , 直 至 权重 向 量 本 满足 最 大 限度 分 类 为 止 。 | ”最 常用 的 是 非 线性 映照 法 。 在 尽 可 能 保持 样本 点 间距 离 不 变 条 件 下 ,把 允 维 空间 映照 到 二 维 | 空间 ,在 可 显示 的 二 维 空间 内 据 其 分 布 实现 样本 分 类 和 识别 。 对 于 样本 矩阵 Xis(i 一 1,2,，.…，ni | 大王 1,2,………，, 和 u) ,定义 降 维 产生 误差 的 误差 函数 为 1 eae ad." oe p= (1, j=1,2,-+++,m) (12.27) 于 世人 i +e*, 2) (12. 28) AH dt ARR Md; Pas 2 N 个 未 知 数 了 ， 1» Vi2(t=1,2,+°+,n), item 分 析 的 前 两 个 主 成 分 组 成 初始 二 Ae BR es Be Hy ABE 22 AB hd Nema aa i 5. 显示 与 预报 在 XY 二 维 绘图 仪 上 给 出 样本 点 分 布 和 类 间 分 界线 。 标 出 未 知 点 在 图 上 的 位 置 ， 点 在 哪个 类 里 就 归属 哪 类 ,从 而 达到 预报 目的 。 12.4.3.2 模式 识别 在 化 学 致癌 作用 研究 中 的 应 用 实例 我 们 知道 ,N- 亚 硝 基 化 合 物 由 于 其 在 预防 环境 癌 和 职业 癌 方 面 的 重要 意义 ,已 积 票 于 个 化 合 物 的 结构 致癌 活性 关系 的 实验 资料 ,其 中 数据 比较 可 靠 并 能 据 以 进行 按 五 级 ss Fa 中 行 分 级 的 达 153 个 。 但 是 ,其 结构 致癌 性 关系 ,尤其 是 定量 结构 致癌 性 关系 ,仍然 是 二 个 没有 帮 决 的 问题 ;对 其 致癌 机 理 的 研究 也 还 存在 着 不 同 的 观点 。[rs9;601 我 国 科学 工作 者 戴 乾 圆 等 (5 应 用 多 元 回归 的 定量 模式 识别 方法 ， 在 计算 机 上 对 上 述 153 个 N- 亚 硝 基 化 合 物 的 结构 致癌 活性 关系 的 资料 进行 了 处 理 ,从 大 量 可 能 有 意义 的 描述 项 中 位 选 出 了 10 个 描述 项 ( 表 12-22) 。 这 10 个 描述 项 清楚 地 表明 ,N- 亚 硝 基 化 合 物 致 癌 的 必要 条 件 同样 要 在 代谢 过 程 中 产生 两 个 活泼 的 亲 电 中 心 ,其 中 一 个 反应 中 心 是 传统 观点 的 经 酶 催化 ssn PE BATA o-te; BTR DIME ENS HE LEIS RM OM 或 乙酰 基 转 移 酶 等 所 产生 的 活性 酯 。 后 一 反应 中 心 的 最 有 利 位 置 是 6- 位 或 者 是 正好 与 @= 位 相 当 的 位 。c- 位 与 -位 或 ”位 之 间 发 生 双 官 能 烷 化 的 有 效 距 离 恰好 接近 0.280 二 0.360nma 化 学 致癌 作用 的 量子 生物 学 研究 提示 我 们 ,恰当 地 引入 模式 识别 的 优点 ， wee 结构 致癌 活性 关系 的 实验 事实 ,鉴别 若干 起 决定 作用 的 因素 。 当 然 ， BURR te fem 它 研 究 领域 也 具有 这 样 的 优点 。 从 表 12-22 可 以 看 出 ,N- 亚 硝 基 化 合 物 的 c- 位 以 及 6- 位 间 的 双 官能 烷 化 作用 ， 从 两 者 较 天 的 正 相 关系 数 和 方差 比 可 以 判明 ,对 N- 亚 硝 基 化 合 物 的 致癌 作用 起 着 重要 的 贡献 。 在 环 EE wo- 位 出 现 的 ?- 位 , 当 其 有 利于 亲 电 反应 的 邻近 基 团 协助 可 能 时 ,表现 出 高 度 的 正 相关 。 戴 就 园 等 认为 ,这 显然 与 双 区 理论 一 致 , c- 碳 链 与 5- 碳 末端 的 距离 ,以 及 以 锯齿 形 存在 欧 w=- 瑟 了 碳 链 末端 的 距离 , 皆 趋 近 于 DNA 互补 碱 基 对 两 负 性 中 心 的 距离 ( 即 0.280 一 0.300nm)。 这 表明 亚 硝 基 化 合 物 诱发 致癌 作用 的 关键 步骤 ,也 是 DNA 互补 碱 基 对 的 横向 交 联 [95459。 所 以 ,通过 N- 亚 硝 基 化 合 物 的 模式 识别 处 理 , 得 到 的 N- 亚 硝 基 化 合 物 致 癌 机 理 与 双 区 理论 是 完 fet, 上 述 特定 的 双 官 能 烷 化 概念 ,使 得 N- 亚 硝 基 化 合 物 的 结构 致癌 活性 关系 缘 可 以 相应 的 化 学 性 质 时 | 或 物理 性 质 来 加 以 解释 。 根 据 上 述 10 个 描述 项 的 模式 识别 ,计算 与 实验 的 符合 率 达 97.3%5 必须 指出 , 戴 乾 园 等 是 在 通过 对 葵 系 母体 PAH,、 取 代 的 PAH.、 非 交 变 PAH 等 大 多 数 化 学 致 冶 “574。 , a 3 | | al 4 ，， ， ， 表 12-22，N- 亚 硝 基 化 合 物 SCAR 模 式 辨 认 的 描述 项 名 称 | 3% oR Fe | im 义 UR 方差 比 1 a-H 积 | 。 两 个 < - 碳 上 氢 原 子 数 之 积 | 。 体现 重 氨 盐 产生 的 速率 和 位 胃 | 。 0.548 | 1.139 2 6-H 积 所 原子 数 最 多 的 两 个 6 - 碳 上 所 体现 8- 位 活性 酯 产生 的 几率 及 | 0.436 | 0.452 原子 数 位 阻 3 -位 促 活 。 | _ 人 -位 有 一 Cl 一 Br —OSO.HS | ，A- 位 流 美 基 轩 的 存在 将 有 利于 | 0.610) 0.178 aC CARRE, ALT BRI ”6_ 位 有 -OH, 一 C 一 C 等 =1; 理 则 为 0 cit ? -位 邻 助 O、N、S 等 通过 三 环 成 五 环 过 滤 | vy -位 通 过 这 类 作用 将 成 为 有 效 | 1.340 | 0.158 ety -入 的 邻 助 效应 ,有 三 1 无 = | 的 第 二 活性 区 € c,5- 位 一 侧 c- 矶 有 0 或 N 相 连 时 = 另 一 | ”可 能 经 无 酶 作用 而 裂解 ; 0.569 | 0.921 取代 基 校 正 。 | Gla, PHM, 两 出 -位 千 有 O | AMMAR DEH RI, 或 N 时 = 6 -位 被 阻 断 将 失 话 p-HE MF NSTI = NC 为 碳 原 子 总 数 修正 矶 原子 数 | 取 值 =2 十 INC 一 4| 3 TO 一 0.119 | 0.082 %t—CH,OH,—C=CH,,—ArCH,| ”表达 其 具有 成 羧 酸 脱 毒 及 活化 的 | 一 0.458 0.093 取 1; 对 一 CHO, 一 COOH 取 3 Rt, SARA 8 环 系 效应 六 员 环 以 下 取 一 1， 六 员 环 取 0 ， Be eee ps ae 0.705 0.056 六 1 环 上 每 一 取代 甲 基 力 及 因 环 大 小 不 同 对 有 - 碳 正 离 子 增加 一 0. 的 形成 和 稳定 性 的 影响 0.119 0.445 0.102 剂 系 列 进行 系统 的 量子 化 学 计算 的 基础 上 ,提出 致癌 作用 的 双 区 理论 ,从 而 建立 相应 的 定量 关系 式 ,并 加 以 推广 的 。 他 们 在 这 些 工 作 的 基础 上 , 借 模式 识别 ,建立 了 N- 亚 硝 基 化 合 物 的 结构 致癌 活性 关系 的 双 区 理论 模型 。 其 中 , 有 关 模 式 识 别处 理 的 数学 方法 ,请 参见 文献 5 。 — ， 综 上 所 述 ,可 以 认为 ,量子 生物 学 在 探讨 化 学 致癌 物 分 子 的 电子 结构 与 致癌 作用 的 关系 以 及 和 致 冶 机 理 等 方面 是 持 有 成 效 的 ,但 毕竟 还 只 是 初步 的 ,不 完整 的 。 当 然 , 正如 Scribner 所 认为 的 那样 ,分 子 轨道 法 在 化 学 致癌 的 研究 中 被 一 些 人 所 滥用 的 情况 也 是 应 当 引 起 注意 的 Q7]。 总 之 ， 迄今 为 止 , 有 关 化 学 致癌 作用 的 机 制 仍 未 从 根本 上 完全 冰 明 ,许多 研 究 工作 还 仅仅 是 开始 。 但 是 , 随 着 量子 生物 学 这 门 新 兴 的 边缘 学 科 的 发 展 , 随 着 其 它 关 系 到 化 学 致癌 作用 研究 的 学 科 的 发 展 , 化 学 致癌 作用 机 制 的 揭示 和 癌症 的 防治 必 将 会 以 更 大 的 速度 取得 新 的 进展 。 参考 文 献 [1] Schmidt, O.: Z Physik. 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