基金项目:河北省高等学校科学技术研究青年基金(QN2014312); 唐山师范学院科研基金(2017B02)
通信作者:xjmeng_1974@126.com
(Ⅱ)-甘氨酸-水三元配合物结构和性质的理论研究] 孟祥军*,石 瑾 (唐山师范学院化学系,河北 唐山 063000)
(Department of Chemistry,Tangshan Normal University,Tangshan 063000,China)
DOI: 10.6043/j.issn.0438-0479.201703003
为认识金属离子的生物功能,采用CCSD/6-31++G**∥M06/6-31++G**理论方法系统研究了三元配合物[Mg(Gly)(H2O)n]2+的结构和性质.气相模型下得到的结果为:1)O,O双啮型两性甘氨酸的配位能力最强,比N,O双啮型中性甘氨酸的配位能力强37.6 kJ/mol,比2个水分子强约60 kJ/mol; 2)与Mg2+配位时,O,O双啮型两性甘氨酸优先,结合能达到-669.1 kJ/mol; 随后4个水分子依次配位,结合能变化值递减,平均为159.1 kJ/mol,此时配位键达到饱和数6,体系的结合能达到-1 305.4 kJ/mol; 3)第5个水分子可通过强氢键(键能为85.5 kJ/mol)作用于体系得到次稳定构型,结合能为-1 390.9 kJ/mol; 也能插入到甘氨酸的O原子与Mg2+之间,取代甘氨酸的1个O原子与Mg2+形成配位键,导致甘氨酸变为单啮配体,这样得到的构型最稳定,结合能达到-1 393.1 kJ/mol.液相模型下的构型结构与气相模型相比变化微小,能量次序与气相结果相同.
CCSD∥M06/6-31++G** method was applied to investigate the structure and properties of ternary complexes [Mg(Gly)(H2O)n]2+ systematically.The results based on a gas-phase model show that:1)Coordination ability of the zwitterion glycine molecule(coordination sites are two O atoms)is stronger by 37.6 kJ/mol than that of the neutral glycine molecule(coordination sites are the N atom and one O atom),and is stronger by 60 kJ/mol than that of two water molecules.2)Bidentate glycine ligand with O and O coordination sites is prior to be coordinated to Mg2+,with the binding energy of -669.1 kJ/mol; subsequently,the water molecule is coordinated to Mg2+ successively from 1 to 4 with the variation of binding energy decreasing(the average value is 159.1 kJ/mol); at this time coordination bonds are saturated at the number of 6,and the binding energy of the system is -1 305.4 kJ/mol.3)The fifth water molecule can be combined with the above system by a strong hydrogen bond(the bonding energy is 85.5 kJ/mol),and the total binding energy is -1 390.9 kJ/mol; it also can be inserted into the O atom of zwitterion glycine and Mg2+,combined with Mg2+ by a coordination bond; in this case,glycine changed into a mono-dentate ligand,but the stability of this conformation is the best,and the binding energy reached -1 393.1 kJ/mol.The structure of each conformation of liquid-phase model changes a little in comparison with the corresponding gas-phase model conformation,but the order of conformation stability has no change.
氨基酸是重要的生命物质,参与众多生理过程; 氨基酸的分子结构和性质的研究是深入探讨它们在生化反应中变化情况的基石[1-2],也是理解复杂生物分子(如多肽和蛋白质等)结构和功能的基础.甘氨酸(glycine)在20种天然氨基酸中结构最简单,是实验和理论研究的首选测试体系.
关于甘氨酸分子构象的认识已经比较清晰[3-10]:量子化学理论研究[3-6]得到8种稳定构象,实验观测(电子衍射技术[7]、基质隔离红外光谱技术[8]和振动拉曼光谱技术[9])得到3种稳定构象,实验和理论测算结果差异的原因也得到了合理解释[10].水分子对甘氨酸结构和性质的作用方面已有大量文献[11-21]报道:水合甘氨酸复合体的结构和稳定性[11-13]、甘氨酸的微溶剂化效应[14-16]以及水分子催化甘氨酸质子迁移机理[17-21]等问题都已阐明.金属离子对甘氨酸结构和性质的作用方面也发表了大量文献[22-31]:金属离子甘氨酸配合物的结构性质[22-25]、络合作用[26-28]以及金属离子催化甘氨酸质子迁移机理[29-31]等问题都获得了深入认识.
然而有关金属离子、水分子和甘氨酸分子形成的三元配合物的结构和性质方面的研究很缺乏.只有2006年Remko等[32]为了研究“金属离子和水分子对甘氨酸中性分子和两性离子相对稳定性的影响”,采用B3LYP/6-311+G**理论方法测试了Gly·Mn+(H2O)m(Mn+=Li+,Na+,K+,Mg2+,Ca2+,Ni2+,Cu2+,Zn2+; m=0,2,5; Gly表示甘氨酸)等体系,结果表明:1)单价金属阳离子容易结合中性甘氨酸分子的N和O原子,而二价金属阳离子则易于结合两性甘氨酸分子的2个O原子; 2)2个水分子作用于配合物后,削弱了金属离子与甘氨酸间的作用能; 3)5个水分子时,二价金属阳离子与甘氨酸分子的N和O原子的配位更稳定.由于Remko等采用的Gly·Mn+(H2O)5模型中,5个水分子中只有2个与金属离子形成配位键,其余3个是通过氢键结合于甘氨酸的,所以其报道的Gly·Mn+(H2O)5结构不是最稳定构型; 此外他们只考虑了2种Gly·Mn+构型(实际上存在多种构型),水分子也只考虑了2个和5个(缺乏3个和4个)两种情况,所以数据不完整,结论值得商榷.此外还存在下列相关问题有待研究:1)Gly·Mn+(H2O)m(m=1,2,3,4,5)各体系的最稳定构型及最稳定构型中甘氨酸的配位方式; 2)水分子与甘氨酸分子的配位能力差; 3)水分子数的递增对体系稳定性的影响; 4)液相模型下Gly·Mn+(H2O)m体系的相关性质.针对这些问题,本研究采用量子化学理论方法详细研究了三元配合物[Mg(Gly)(H2O)n]2+(n=1,2,3,4,5)的结构和性质.
图1 [Mg(H2O)n]2+配合物的稳定构型(单位:pm)
Fig.1 Stable conformations of complexes [Mg(H2O)n]2+(unit:pm)
表1 [Mg(H2O)n]2+稳定构型的第一振动频率和能量
Tab.1 The first vibration frequency and energy of complexes [Mg(H2O)n]2+
基于计算成本和计算精度的考虑,理论计算多选用密度泛函方法(DFT)[33-35],用其研究金属阳离子氨基酸体系得到的结果可达到高级方法CCSD或MP2的精度[36-37].由于M06方法更适合计算含有金属元素和弱键作用的体系[38-39],所以本研究采用M06/6-31++G**方法优化[Mg(H2O)n]2+(n=1,2,3,4,5,6),[Mg(Gly)]2+和[Mg(Gly)(H2O)n]2+(n=1,2,3,4,5)等3类配合物的结构.先对各构型进行频率确认,再进行零点能校正和基组重叠误差(BSSE)校正,得到各构型的能量Ecom,进而得到上述3类配合物各构型的结合能ΔEb(ΔEb=Ecom-EMg2+-nEH2O,ΔEb=Ecom-EGly-EMg2+和ΔEb=Ecom-EGly-nEH2O-EMg2+)和相对能ΔEr(ΔEr=Ecom-Ecom,min,Ecom,min是最稳定构型的能量),采用变化能ΔΔEb(ΔΔEb=|ΔEbn-ΔEbn-1|,n是水分子数)表示水分子递增导致的结合能变化值.然后采用连续介质模型(PCM)在M06/6-31++G**方法下计算液相稳定构型.最后采用CCSD/6-31++G**方法计算各构型的单点能.所有任务均使用Gaussian 09程序完成.
Mg2+与1~6个水分子形成的配合物构型示于图1.[Mg(H2O)1]2+和[Mg(H2O)2]2+配合物均为直线结构,[Mg(H2O)3]2+配合物为平面三角结构,[Mg(H2O)4]2+配合物为四面体结构,[Mg(H2O)5]2+配合物为四棱锥结构,[Mg(H2O)6]2+配合物为八面体结构.各构型的结合能ΔEb、变化能ΔΔEb和第一频率值υ1列于表1,其中υ1为正表明构型稳定.
表1数据表明:1)随着水分子数的递增,[Mg(H2O)n]2+配合物的结合能逐渐减小,如CCSD方法下ΔEb依次为-316.7,-598.7,-831.9,-1 020.0,-1 143.7和-1 248.2 kJ/mol,即稳定性逐渐增加; 2)从ΔΔEb数据可知,随着水分子数从1递增到6,每增加1个水分子对配合物稳定性的贡献呈递减趋势,贡献值(CCSD方法)依次为316.7,282.0,233.2,188.1,123.7和104.5 kJ/mol.
共找到15个[Mg(Glym)]2+稳定构型,按照稳定性依次排列和命名,示于图2.各构型的结合能ΔEb和相对能ΔEr以及第一频率值υ1列于表2.其中[Mg(Gly1)]2+,[Mg(Gly2)]2+,[Mg(Gly3)]2+,[Mg(Gly5)]2+,[Mg(Gly8)]2+,[Mg(Gly10)]2+,[Mg(Gly14)]2+和[Mg(Gly11)]2+等构型分别与文献[31]报道的Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ,Ⅵ,Ⅶ和Ⅷ对应,其余7种构型未见报道.
图2 [Mg(Glym)]2+配合物的稳定构型(单位:pm)
Fig.2 Stable conformations of complexes [Mg(Glym)]2+(unit: pm)
结合图2和表2可以看出:1)在CCSD方法下最稳定构型[Mg(Gly1)]2+的结合能为-669.1 kJ/mol,其甘氨酸是O,O双啮型两性配体; 次稳定构型[Mg(Gly2)]2+的结合能为-631.5 kJ/mol,其甘氨酸是N,O双啮型中性配体; 所以O,O双啮型两性配体的配位能力比N,O双啮型中性配体强37.6 kJ/mol,与文献[32]的结论相同; 2)羰基O原子可以形成单啮型配合物(如[Mg(Gly10)]2+),但稳定性差; 3)甘氨酸的α-H可以迁移到Mg2+上(如[Mg(Gly12)]2+),此时N原子、2个C原子和羰基O原子共面,形成离域π键; 4)对比CCSD方法下的结合能,综合来看(同时考虑计算成本和精度)M06方法明显优于B3LYP方法和MP2方法.
以上述15种[Mg(Glym)]2+稳定构型为母体,逐渐增加1~5个水分子(因为各构型中至少存在1个配位键,所以Mg2+周围形成6个配位键最多需要5个水分子).经过系统计算后,去除重复的结构和稳定性很差的结构,共得到49个[Mg(Glym)(H2O)n]2+稳定构型,分10组(每行1组)示于图3.
表2 [Mg(Glym)]2+体系各稳定构型的第一振动频率和能量
Tab.2 The first vibration frequency and energy of complexes [Mg(Glym)]2+
前7组构型依次来源于[Mg(Gly1)]2+,[Mg(Gly2)]2+,[Mg(Gly3)]2+,[Mg(Gly4)]2+,[Mg(Gly5)]2+,[Mg(Gly6)]2+和[Mg(Gly10)]2+等母体; 由于加入水分子后母体结构变化微小,所以名称中保留了相应母体的名称,如[Mg(Gly1)(H2O)2]2+.由于优势构型[Mg(Gly1)]2+,[Mg(Gly2)]2+和[Mg(Gly3)]2+中单个甘氨酸的配位能力超过了2个水分子,所以新增的水分子未能取代甘氨酸,均与Mg2+形成了配位键; 增加到4个水分子时,Mg2+周围形成6个配位键达到饱和; 第5个水分子通过氢键作用于体系(参见图3的[Mg(Gly1)(H2O)5]2+和[Mg(Gly2)(H2O)5]2+等).单啮构型[Mg(Gly6)]2+和[Mg(Gly10)]2+中增加的5个水分子都和Mg2+形成了配位键.
后3组构型有个共同特征:有1个水分子插入到甘氨酸与Mg2+之间,其O原子和Mg2+形成配位键,H原子和甘氨酸形成氢键,导致甘氨酸成为单啮配体,也导致[Mg(Glym)]2+的结构与2.1.2介绍的15种结构都不同,所以命名时m的编号依次写为16,17和18.后3组构型中所有水分子都与Mg2+形成了配位键.
文献[32]报道的二水合两性结构和中性结构分别对应于本文中的[Mg(Gly1)(H2O)2]2+和[Mg(Gly2)(H2O)2]2+; 但是文献[32]报道的五水合两性结构和中性结构,都是2个水分子与金属离子形成配位键,其余3个以氢键作用于甘氨酸分子上,均不是稳定结构,所以与本文中的众多[Mg(Glym)(H2O)5]2+构型都不同.各构型的结合能ΔEb、相对能ΔEr 和第一频率值υ1列于表3.
结合图3和表3可知:在水分子数相同的各种[Mg(Glym)(H2O)n]2+构型中,除[Mg(Glym)(H2O)5]2+外,优势构型都是以[Mg(Gly1)]2+为母体的水合结构(参见ΔEr值),另外以[Mg(Gly2)]2+为母体的水合结构也比较稳定,表明母体的稳定性对水合体系的稳定性影响很大.需要对[Mg(Gly16)(H2O)n]2+等结构加以说明(以CCSD方法的计算值为例):将第1个水分子插入两性甘氨酸O原子与Mg2+之间构建初步猜想,优化后均变为[Mg(Gly1)(H2O)1]2+; 再增加1个水分子,得到了[Mg(Gly16)(H2O)2]2+构型,其结合能比[Mg(Gly2)(H2O)2]2+高3.6 kJ/mol; 当水分子数达到3时,得到[Mg(Gly16)(H2O)3]2+构型,其结合能反而比[Mg(Gly2)(H2O)3]2+低20.5 kJ/mol,成为次稳定构型; 当水分子数达到5时,构型[Mg(Gly16)(H2O)5]2+的结合能反而比[Mg(Gly1)(H2O)5]2+低2.2 kJ/mol,成为最稳定构型,其结合能达到-1 393.1 kJ/mol.上述表明:两性甘氨酸的配位能力比中性甘氨酸的强,即O,O配位方式比N,O配位方式更好,所以文献[32]报道的相应结果不准确; 并且水分子的增加对两性甘氨酸配合物的稳定性更有利.
甘氨酸分子和水分子配位能力的高低决定了它们与金属离子结合的优先次序.以CCSD方法的计算结果为例,O,O双啮型两性甘氨酸与Mg2+通过2条配位键形成[Mg(Gly1)]2+,结合能为-669.1 kJ/mol,比同含2条配位键的[Mg(H2O)2]2+(结合能为-598.7 kJ/mol)能量低了70.4 kJ/mol,但不如含3
图3 [Mg(Glym)(H2O)n]2+ 各体系的稳定构型(单位:pm)
Fig.3 Stable conformations of complexes [Mg(Glym)(H2O)n]2+(unit: pm)
表3 [Mg(Glym)(H2O)n]2+稳定构型的第一振动频率和能量
Tab.3 The first vibration frequency and energy of complexes [Mg(Glym)(H2O)n]2+
表4 水分子数递增导致的构型结合能变化值
Tab.4 The variation value of binding energy induced by increasing of water molecule number kJ/mol
条配位键的[Mg(H2O)3]2+(结合能为-831.9 kJ/mol)稳定,表明1个甘氨酸分子的配位能力比2个水分子强.从表1和表3的结合能数据还可以看出:随着水分子数的递增,甘氨酸分子与水分子的配位能力次序不变,最稳定构型中甘氨酸的配位方式(O,O双啮配位)也不变.比如:最稳定的含3条配位键的三元构型[Mg(Gly1)(H2O)1]2+的结合能为-901.0 kJ/mol,比相同配位键数的[Mg(H2O)3]2+(结合能为-831.9 kJ/mol)能量低69.1 kJ/mol; 最稳定的含4,5和6条配位键的[Mg(Gly1)(H2O)2]2+,[Mg(Gly1)(H2O)3]2+和[Mg(Gly1)(H2O)4]2+的结合能分别为-1 078.5,-1 214.3和-1 305.4 kJ/mol,分别比含有同样配位键数的[Mg(H2O)4]2+,[Mg(H2O)5]2+和[Mg(H2O)6]2+能量低了58.5,70.6和57.2 kJ/mol.平均来看,1个甘氨酸分子比2个水分子的配位能力强约60 kJ/mol.
水分子数的递增导致[Mg(Glym)]2+体系结合能不断变化,表4列出了6种代表体系的结合能变化值ΔΔEb.
先以最稳定的双啮母体结构[Mg(Gly1)]2+为例.以CCSD方法计算的ΔΔEb为准,增加第1个水分子形成第3条配位键时(得到[Mg(Gly1)(H2O)1]2+),结合能减小231.9 kJ/mol; 相应地增加第2,3和4个水分子形成第4,5和6条配位键时,结合能相应减小177.5,135.8和91.1 kJ/mol; 所以平均到每个水分子形成的配位键,结合能减小159.1 kJ/mol; 这与[Mg(H2O)n]2+体系中配位键递增(从3递增至6)导致的结合能变化值(依次为233.2,188.1,123.7和104.5 kJ/mol,平均162.4 kJ/mol)是吻合的; 第5个水分子形成氢键,结合能减小85.5 kJ/mol,是个强氢键,但明显弱于配位键.其余5种体系性质相似,不再赘述.综上可以得出结论:水分子数的递增,优先形成配位键,结合能递减,且结合能的增加量递减.
液相中Mg2+与周围配体形成6个配位键,本文中选择了包含6个配位键的8个优势气相构型[Mg(Glym)(H2O)n]2+(m=1,2,3和16; n=4和5)作为初始结构,应用PCM在M06/6-31++G**方法下,优化了液相稳定构型,优化过程中各结构变化很微小,得到的液相构型与相应的气相构型结构基本相同,相应结构请参见图3,得到的相对能ΔEr列于表5.
表5数据显示:1)以[Mg(Gly16)]2+为母体的5水团簇[Mg(Gly16)(H2O)5]l2+在M06和CCSD方法下均是液相最稳定构型,其中甘氨酸是两性分子,以1个O原子与Mg2+单啮配位,5个水分子都是配体; 2)以[Mg(Gly1)]2+为母体的5水团簇是次稳定构型,其中甘氨酸也是两性配体,以2个O原子与Mg2+双啮配位,有4个水分子是配体,第5个水分子通过氢键结合在团簇上; 3)水分子数为4时,以[Mg(Gly16)]2+和[Mg(Gly1)]2+为母体形成的构型同样是优势构型.以上结果与气相结果是一致的,都表明两性甘氨酸形成的构型最稳定.
为认识金属离子的生物功能,本文中首先采用CCSD∥M06/6-31++G**理论方法系统研究了三元配合物[Mg(Glym)(H2O)n]2+的气相结构和性质.得到了如下4条主要结论:
1)两性甘氨酸与Mg2+形成O,O双啮型配合物的结合能为-669.1 kJ/mol,比中性甘氨酸形成的N,O双啮型配合物的结合能低37.6 kJ/mol.
2)1个O,O双啮型两性甘氨酸配体的配位能力比2个水分子强约60 kJ/mol.
3)O,O双啮型两性甘氨酸优先与Mg2+配位; 随后4个水分子依次与Mg2+配位,配位键能递减,平均为159.1 kJ/mol; 此时Mg2+的配位键数目为6,达到饱和,体系的结合能达到-1 305.4 kJ/mol.
4)第5个水分子可通过强氢键(键能为85.5 kJ/mol)作用于体系,这种情况下得到次稳定构型(结合能为-1 390.9 kJ/mol); 也能插入到甘氨酸的O原子与Mg2+之间,取代甘氨酸的1个O原子与Mg2+形成配位键,导致甘氨酸变为单啮配体,这样得到的构型最稳定,结合能达到-1 393.1 kJ/mol.
最后选择了多个6配位的优势气相构型,进行了PCM模型下的液相模拟.液相模型下各构型的结构变化微小,并且能量次序也与气相结果相同.液相中最稳定构型的特征是:Mg2+的5个配位点各结合1个水分子,第6个配位点结合两性甘氨酸的1个O原子(甘氨酸是单啮配位).