甘氨酸二肽分子酰胺-I帶光譜與結(jié)構(gòu)相關(guān)性

蔡開聰　鄭　軒　劉亞男　留珊紅　杜芬芬

(1福建師范大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，福州350007；2福建省理論與計(jì)算化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建廈門361005)

甘氨酸二肽分子酰胺-I帶光譜與結(jié)構(gòu)相關(guān)性

蔡開聰1,2,*鄭軒1,2劉亞男1,2留珊紅1,2杜芬芬1,2

(1福建師范大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，福州350007；2福建省理論與計(jì)算化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建廈門361005)

系統(tǒng)探索了蛋白質(zhì)二肽模型分子——甘氨酸二肽(GLYD)在氣相與水溶液中的結(jié)構(gòu)與光譜特性。從分子動(dòng)力學(xué)軌跡中提取具有代表性結(jié)構(gòu)的GLYD-D2O聚集體的瞬態(tài)結(jié)構(gòu)開展簡(jiǎn)正模式分析，獲取了對(duì)蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)敏感的酰胺-I帶的振動(dòng)光譜參數(shù)，建立起振動(dòng)光譜與特征基團(tuán)結(jié)構(gòu)間的相關(guān)性。將溶劑作用以靜電勢(shì)場(chǎng)的形式投影至二肽分子骨架中，與酰胺-I帶在氣/液相中的頻率差相關(guān)聯(lián)，并引入酰胺-I帶簡(jiǎn)正模式隨二級(jí)結(jié)構(gòu)變化的規(guī)律，將各個(gè)構(gòu)象態(tài)可能存在的振動(dòng)耦合包含在內(nèi)，構(gòu)建具有二級(jí)結(jié)構(gòu)敏感性的靜電頻率轉(zhuǎn)換圖，實(shí)現(xiàn)溶液相中多肽骨架酰胺-I帶的快速準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

甘氨酸二肽；酰胺-I帶；振動(dòng)光譜；靜電頻率圖

蛋白質(zhì)及多肽的骨架上酰胺-I帶(主要為C＝O的伸縮振動(dòng))在中紅外區(qū)域具有強(qiáng)烈的振動(dòng)吸收，其特征吸收峰對(duì)分子骨架二級(jí)結(jié)構(gòu)的變化十分敏感，因此廣泛用作蛋白質(zhì)及多肽的結(jié)構(gòu)探針5。酰胺-I帶的特征振動(dòng)吸收譜帶位于1600－1700 cm－1，對(duì)于特定的二級(jí)結(jié)構(gòu)可以用“指紋”識(shí)別的方法進(jìn)行鑒定：如α螺旋在1655 cm－1處有一個(gè)特征吸收峰，且隨著螺旋鏈的增長(zhǎng)而紅移；而β折疊則出現(xiàn)明顯的雙峰，其在1630 cm－1處有個(gè)較強(qiáng)吸收峰，在1685 cm－1處吸收峰相對(duì)較弱6－9。蛋白質(zhì)骨架酰胺吸收帶的零級(jí)頻率預(yù)測(cè)一直是一個(gè)難題，由于酰胺單元的躍遷偶極矩之間存在振動(dòng)耦合作用，其振動(dòng)光譜表現(xiàn)為一個(gè)較寬的吸收帶，使得傳統(tǒng)的一維紅外光譜學(xué)手段難以有效地將各個(gè)組分區(qū)分開。為此，人們常常引入同位素取代的方法，如將酰胺-I帶中C＝O基團(tuán)修飾為13C＝18O，從而使其頻率發(fā)生約60 cm－1的紅移，剝離出酰胺-I帶的光譜區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)特定位點(diǎn)光譜和結(jié)構(gòu)相關(guān)性解析10,11。

許多重要的生命過程都是在溶液環(huán)境下進(jìn)行的，要發(fā)展蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)檢測(cè)方法，需要在微觀層面上描述蛋白質(zhì)體系在溶液相中的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)以及包括溶劑在內(nèi)的微環(huán)境。飛秒激光二維紅外光譜等實(shí)驗(yàn)新技術(shù)的發(fā)展使得人們?cè)诟「虝旱臅r(shí)空領(lǐng)域能夠觀測(cè)到包含微觀世界中蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)漲落信息的實(shí)驗(yàn)信號(hào)12－18，而這些實(shí)驗(yàn)信號(hào)需要在理論層面上發(fā)展新方法來深入認(rèn)識(shí)和解析溶液中蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的酰胺振動(dòng)吸收帶的光譜特性。在水溶液中，溶質(zhì)－溶劑間的靜電相互作用占據(jù)了主導(dǎo)地位，因此人們提出了用于實(shí)現(xiàn)酰胺-I帶振動(dòng)頻率快速預(yù)測(cè)的靜電頻率轉(zhuǎn)換圖9,19－26。該模型將溶劑作用以靜電勢(shì)場(chǎng)的形式投影至多肽骨架中，與酰胺-I帶在氣相和液相中的頻率差相關(guān)聯(lián)，通過分子所處的靜電勢(shì)場(chǎng)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)酰胺-I帶振動(dòng)光譜的快速準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。靜電頻率轉(zhuǎn)換圖的構(gòu)建主要基于模型分子-氮甲基乙酰胺(NMA)以及非天然氨基酸模型分子(NEPA)27－29。盡管多肽骨架對(duì)酰胺-I帶光譜頻率具有顯著的影響，針對(duì)具有二級(jí)結(jié)構(gòu)的多肽乃至寡聚肽所構(gòu)建的模型仍少有報(bào)道，因?yàn)橐疾焯囟ńY(jié)構(gòu)多肽的酰胺吸收帶之間的振動(dòng)耦合，需要通過較為復(fù)雜的躍遷偶極耦合作用才能有效表征多肽鏈中酰胺-I帶的光譜特性21,23,26,30，更為經(jīng)驗(yàn)和簡(jiǎn)化的方法有待開發(fā)。

本文開展分子動(dòng)力學(xué)模擬，獲取了甘氨酸二肽(GLYD)在水溶液中的全原子運(yùn)動(dòng)軌跡，探究其動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)及存在的溶質(zhì)－溶劑相互作用。從動(dòng)力學(xué)瞬態(tài)結(jié)構(gòu)中提取第一溶劑化層中具有代表性的溶質(zhì)－溶劑聚集體，開展簡(jiǎn)正模式分析，了解酰胺-I帶振動(dòng)光譜參數(shù)及溶劑對(duì)其所產(chǎn)生的影響。探索氣相中酰胺-I帶頻率的二級(jí)結(jié)構(gòu)依賴性，了解各個(gè)構(gòu)象態(tài)下兩個(gè)酰胺-I帶的特征簡(jiǎn)正振動(dòng)頻率，將各個(gè)構(gòu)象態(tài)中可能存在的振動(dòng)耦合考慮在內(nèi)。進(jìn)一步將溶劑作用以靜電勢(shì)場(chǎng)的形式投影至酰胺單元上，輔以酰胺-I帶簡(jiǎn)正模式的二級(jí)結(jié)構(gòu)依賴性，從而構(gòu)建靜電頻率轉(zhuǎn)換模型，實(shí)現(xiàn)多肽分子骨架酰胺-I帶光譜的快速準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

2　計(jì)算方法

2.1分子動(dòng)力學(xué)模擬

借助NAMD軟件31開展全原子分子動(dòng)力學(xué)模擬，探索GLYD在重水中的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性。GLYD采用CHARMM力場(chǎng)(版本號(hào)：c35b2)描述32，水溶液則采用TIP3P模型描述33。研究體系為1個(gè)GLYD分子和2279個(gè)重水分子組成的4.2 nm的立方體盒子。體系設(shè)置了周期性邊界環(huán)境，長(zhǎng)程靜電作用采用了particle mesh Ewald(PME)方法計(jì)算，非鍵相互作用的截?cái)嗑嚯x設(shè)定為1.2 nm。

體系采用共軛梯度法進(jìn)行了10000步的能量最小化，排除了可能的高能量和空間重疊構(gòu)型，隨后逐步升溫至室溫(298 K)。在恒溫恒壓系綜(NPT)下采用Nosé-Hoover Langevin piston方法進(jìn)行了分子動(dòng)力學(xué)模擬，在298 K溫度下以5 fs的步長(zhǎng)采集了1 ns全原子運(yùn)動(dòng)軌跡。

2.2量子化學(xué)計(jì)算

從1 ns的全原子運(yùn)動(dòng)軌跡中等間隔提取了其中20個(gè)瞬態(tài)結(jié)構(gòu)，對(duì)這20個(gè)結(jié)構(gòu)分別提取含有重水個(gè)數(shù)n=1－5的GLYD-nD2O聚集體(合計(jì)100個(gè))開展量子化學(xué)計(jì)算，并在GLYD-5D2O聚集體外添加連續(xù)極化介質(zhì)模型(PCM)補(bǔ)償體相中水的影響。在B3LYP/6-31+G(d)水平上對(duì)這120個(gè)聚集體進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和簡(jiǎn)正模式分析，同時(shí)借助勢(shì)能分布分析(PED)方法34，對(duì)酰胺-I帶進(jìn)行指認(rèn)。

在B3LYP/6-31+G(d)水平上對(duì)氣相中GLYD的骨架二面角(Φ：∠CNCC；Ψ：∠NCCN)進(jìn)行掃描，固定其中一個(gè)二面角，對(duì)另一個(gè)二面角進(jìn)行旋轉(zhuǎn)(步長(zhǎng)為10°)。對(duì)得到的1369個(gè)構(gòu)象異構(gòu)體進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化和簡(jiǎn)正模式分析，獲取各個(gè)構(gòu)象異構(gòu)體的酰胺-I帶的振動(dòng)頻率，考察其與多肽二級(jí)結(jié)構(gòu)之間的相關(guān)性。所有的量子化學(xué)計(jì)算均在Gaussian 09軟件35下進(jìn)行。

2.3靜電頻率轉(zhuǎn)換圖的構(gòu)建

將經(jīng)過量子化學(xué)計(jì)算優(yōu)化的GLYD-nD2O聚集體(共120個(gè))作為建模樣本。選取的樣本具有結(jié)構(gòu)代表性，又具有電子結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確性，成鍵和非鍵相互作用已經(jīng)通過分子動(dòng)力學(xué)模擬和量子化學(xué)計(jì)算隱性地在樣本結(jié)構(gòu)特征中表現(xiàn)出來。將其中溶劑原子看作質(zhì)點(diǎn)，GLYD骨架上甲基、亞甲基看作聯(lián)合原子(電荷集中在中心原子上)，計(jì)算其在酰胺單元的原子位點(diǎn)(C、O、N、H)上所產(chǎn)生的靜電勢(shì)場(chǎng)，同時(shí)引入酰胺-I帶簡(jiǎn)正模式隨骨架二面角變化的特征，將其與GLYD中酰胺-I帶的氣/液相頻移相關(guān)聯(lián)：

其中，vl為GLYD-nD2O聚集體中酰胺-I帶的頻率值(均乘以校正因子0.974，即氣相實(shí)驗(yàn)值vg與對(duì)應(yīng)的C5構(gòu)象下在B3LYP/6-31+G(d)水平上計(jì)算頻率值之比的均值)36，vg為GLYD處于C5構(gòu)象時(shí)酰胺-I帶的氣相實(shí)驗(yàn)頻率值(1693 cm－1，酰胺-Ia帶；1707 cm－1，酰胺-Ib帶)37，f為模型參數(shù)，φ為酰胺單元上所產(chǎn)生的靜電勢(shì)，ω為處于不同構(gòu)象態(tài)時(shí)GLYD中酰胺-I帶頻率與氣相值vg的差值。通過求解超定方程組，獲得靜電頻率圖轉(zhuǎn)換參數(shù)(表1)。

表1　甘氨酸二肽中酰胺-I帶的靜電頻率轉(zhuǎn)換圖參數(shù)Table 1　Parameters of the electrostatic frequency map for the amide-I band of GLYD

將模型參數(shù)應(yīng)用于全原子動(dòng)力學(xué)軌跡中，得到修正后的酰胺-I帶頻率軌跡及其分布態(tài)密度(DOS)，并通過如下線型函數(shù)計(jì)算得到振動(dòng)吸收光譜圖，

其中，I(v)為光譜強(qiáng)度，v為隨時(shí)間變化的酰胺-I帶的瞬時(shí)振動(dòng)頻率，t為時(shí)間，，為酰胺-I帶頻率的平均值，T1為酰胺-I帶第一激發(fā)態(tài)的壽命(0.5 ps)38。

3　結(jié)果與討論

3.1水溶液中GLYD的微觀結(jié)構(gòu)

借助空間分布函數(shù)(SDF)和徑向分布函數(shù)(RDF)，系統(tǒng)考察GLYD的酰胺單元與水分子之間可能存在的氫鍵相互作用及其強(qiáng)弱關(guān)系(圖1)。從空間分布函數(shù)(圖1C)中可以看出，GLYD兩個(gè)酰胺單元上的C＝O在較短的距離范圍內(nèi)均被藍(lán)色的區(qū)域所包圍，表明C＝O上的O原子與水的D原子形成較強(qiáng)的氫鍵作用；而N―H周圍則被紅色的區(qū)域包圍，表明N―H中的H原子傾向于和水中的O原子結(jié)合形成氫鍵。

通過徑向分布函數(shù)(圖1(A,B))可以看出，兩個(gè)酰胺單元上的C＝O和N―H基團(tuán)分別與重水中的D和O原子形成較強(qiáng)的氫鍵作用。其中，C＝O中的O原子與重水中的D原子在距離分別為0.175 nm處均形成較強(qiáng)的峰(g(r)a=1.21；g(r)b=1.25)；而N―H的H原子與重水中的O原子在距離分別為(a) 0.195 nm和(b)0.205 nm處形成兩個(gè)峰(g(r)a= 0.80；g(r)b=0.69)。通過對(duì)第一水合層內(nèi)的g(r)進(jìn)行積分，可以得到第一溶劑化層內(nèi)的溶劑配位數(shù)(N)，

其中，ρ為密度，Rmin為g(r)第一個(gè)最小值出現(xiàn)的距離，r為原子間距離。研究結(jié)果表明，GLYD的兩個(gè)酰胺單元的C＝O基團(tuán)第一溶劑化層中圍繞著兩個(gè)D2O分子，N―H基團(tuán)周圍圍繞著一個(gè)D2O分子。由于酰胺單元的親水性及氫鍵作用，GLYD在重水溶液中具有良好的溶解能力。

圖1　甘氨酸二肽與水分子形成的徑向分布函數(shù)(A,B)與空間分布函數(shù)(C)Fig.1　Radial distribution function(A,B)and spatial distribution function(C)between GLYD and D2OMolecular structure of GLYD is shown in Fig.A,and the amide units are denoted as“a”and“b”.In Fig.C,blue:water hydrogen;red:water oxygen. color online

圖2　甘氨酸二肽與周圍重水分子的瞬態(tài)結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的酰胺-I帶的計(jì)算光譜Fig.2　Instantaneous structures of GLYD-D2O clusters and corresponding calculated amide-I spectra bond length in nm

3.2酰胺-I帶光譜與結(jié)構(gòu)相關(guān)性

我們選取了在10、20和30 ps時(shí)刻，GLYD與周圍D2O(水分子數(shù)n=5)所形成的聚集體的瞬態(tài)結(jié)構(gòu)，在密度泛函理論水平上計(jì)算得到了3N－6個(gè)振動(dòng)模式的振動(dòng)頻率。其中，處于1660－1760 cm－1的酰胺-I帶的振動(dòng)吸收峰與分子結(jié)構(gòu)具有顯著的相關(guān)性(圖2)。由于酰胺單元中兩個(gè)C＝O基團(tuán)傾向于和重水形成較強(qiáng)的氫鍵作用，C＝O雙鍵的鍵長(zhǎng)依據(jù)氫鍵強(qiáng)弱的不同發(fā)生一定程度的拉伸，并在酰胺-I帶的光譜區(qū)域產(chǎn)生相應(yīng)的頻率紅移。

在動(dòng)力學(xué)軌跡第10 ps的瞬態(tài)時(shí)刻(圖2A)，乙酰端(C＝O，0.1248 nm)a的鍵長(zhǎng)大于氨基端(C＝O，0.1241 nm)b，對(duì)應(yīng)的酰胺-Ia帶的振動(dòng)頻率相比酰胺-Ib帶紅移了48.4 cm－1；在20 ps的瞬態(tài)時(shí)刻(圖2B)，(C＝O，0.1248 nm)b由于和周邊的水分子同時(shí)形成兩個(gè)較強(qiáng)的氫鍵，酰胺-Ib帶振動(dòng)頻率紅移至1701.7 cm－1，與酰胺-Ia帶的頻率差縮小至17.2 cm－1；在30 ps的瞬態(tài)時(shí)刻(圖2C)，溶質(zhì)－溶劑間氫鍵作用較弱，兩個(gè)C＝O雙鍵鍵長(zhǎng)較20 ps時(shí)有所縮短，酰胺-I帶頻率整體藍(lán)移。隨著時(shí)間的遷移，GLYD及周圍重水處于不停的熱運(yùn)動(dòng)之中，溶質(zhì)－溶劑相互作用對(duì)GLYD二級(jí)結(jié)構(gòu)的影響在酰胺-I帶中表現(xiàn)出來，使得光譜表象成為有力的結(jié)構(gòu)探測(cè)信號(hào)。

圖3　酰胺-I帶頻率與C＝O鍵長(zhǎng)的相關(guān)性(A,B)及第140 ps瞬態(tài)時(shí)刻GLYD-nD2O的酰胺-I帶IR光譜(C)Fig.3　Correlation between the amide-I frequencies and the C＝O bond lengths(A,B),and the calculated IR spectra of amide-I mode for selected GLYD-nD2O clusters at 140 ps(C)Abs.:normalized absorbance.color online

對(duì)等間隔選取的GLYD-nD2O(n=1－5)聚集體開展量子化學(xué)計(jì)算得到優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)及對(duì)應(yīng)的酰胺-I帶振動(dòng)頻率，其相關(guān)性如圖3所示。在140 ps瞬態(tài)時(shí)刻，隨著GLYD周圍重水分子個(gè)數(shù)的增加，C＝O鍵長(zhǎng)由于氫鍵的作用而拉伸變長(zhǎng)，導(dǎo)致相應(yīng)的酰胺-I帶的振動(dòng)頻率發(fā)生的紅移程度加劇(圖3C)，C＝O可能同時(shí)和兩個(gè)重水分子分別形成分子間氫鍵。對(duì)120個(gè)聚集體的酰胺-I帶進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)酰胺-Ia帶頻率均值分布從1717.9 cm－1(GLYD-1D2O)至1703.5 cm－1(GLYD-5D2O)，酰胺-Ib帶頻率均值分布從1741.3 cm－1(1D2O)至1695.9 cm－1(5D2O)。在GLYD-5D2O聚集體外層添加了PCM模型補(bǔ)償溶液體相作用后，酰胺-I帶振動(dòng)頻率仍有一定程度的紅移，頻率均值分別紅移至1664.5 cm－1(酰胺-Ia帶)和1668.5 cm－1(酰胺-Ib帶)。溶劑產(chǎn)生的酰胺-I帶頻率紅移主要來自第一水合層內(nèi)重水所產(chǎn)生的氫鍵作用，但是來自體相的作用不可忽視。

酰胺-I帶光譜的頻移除了受到溶質(zhì)－溶劑間氫鍵作用的影響，GLYD本身二級(jí)結(jié)構(gòu)的構(gòu)象態(tài)變化也會(huì)導(dǎo)致光譜吸收帶的遷移。通過對(duì)氣相中遍及整個(gè)拉式構(gòu)象圖的孤立的GLYD構(gòu)象異構(gòu)體進(jìn)行簡(jiǎn)正模式分析，并借助PED分析方法對(duì)酰胺-I帶進(jìn)行了系統(tǒng)的指認(rèn)和歸屬，得到了氣相中GLYD分子兩個(gè)酰胺-I帶的振動(dòng)頻率隨分子二級(jí)結(jié)構(gòu)變化的規(guī)律(圖4)。

酰胺-Ia/-Ib帶頻率在拉式圖中沿反對(duì)角線呈對(duì)稱分布。其中，酰胺-Ia帶的頻率分布范圍從1722.3 cm－1(Φ/Ψ=80°/－70°)至1824.0 cm－1(Φ/Ψ= 0°/180°)，酰胺-Ib帶的頻率則分布在1720.4 cm－1(Φ/ Ψ=－10°/10°)至1796.1 cm－1(Φ/Ψ=－50°/－90°)。酰胺-Ia帶的振動(dòng)頻率平均值(1760.6 cm－1)略高于酰胺-Ib帶(1758.0 cm－1)。簡(jiǎn)正模式分析結(jié)果揭示了GLYD各個(gè)構(gòu)象異構(gòu)體均有特異性的酰胺-I帶指紋吸收頻率，且簡(jiǎn)正模式包含了可能存在的振動(dòng)耦合、費(fèi)米共振等影響光譜頻移的因素。如此構(gòu)建的構(gòu)象異構(gòu)體的酰胺-I帶頻率數(shù)據(jù)庫(kù)能夠有效地將二級(jí)結(jié)構(gòu)變化以光譜表象的形式進(jìn)行表達(dá)。

在氣相或是溶液中，分子的熱運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致GLYD的結(jié)構(gòu)漲落遵循一定的規(guī)律，分子傾向于形成較為穩(wěn)定的構(gòu)象。在氣相中，孤立的GLYD的兩個(gè)酰胺單元傾向于形成分子內(nèi)氫鍵，使得分子呈現(xiàn)C5和C7構(gòu)象39。而在水溶液中，酰胺單元和水分子間存在較強(qiáng)的氫鍵作用，分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果表明GLYD傾向于形成PPII，β-折疊，α-螺旋等構(gòu)象。由于絕大多數(shù)生命活動(dòng)都是在溶液環(huán)境下發(fā)生的，要考慮溶液相中溶劑作用對(duì)光譜的影響，則需要將極性溶劑環(huán)境下占主導(dǎo)地位的靜電作用進(jìn)行量化。同時(shí)，溶劑作用使得GLYD構(gòu)象態(tài)發(fā)生改變，溶劑作用隱性地在結(jié)構(gòu)中發(fā)生作用，此時(shí)將上述簡(jiǎn)正模式分析中構(gòu)象態(tài)對(duì)光譜參數(shù)的影響引入靜電頻率轉(zhuǎn)換圖中(公式(1),ω(Φ,Ψ))，使其具有二級(jí)結(jié)構(gòu)的敏感性，結(jié)合溶劑中占主導(dǎo)地位的靜電作用，與氣/液相中酰胺-I帶頻移相關(guān)聯(lián)，從而計(jì)算獲取轉(zhuǎn)換圖參數(shù)。借助模型方法，只需知道多肽所呈現(xiàn)的折疊特性及溶劑分子在酰胺單元上所產(chǎn)生的靜電勢(shì)場(chǎng)作用，就能夠有效實(shí)現(xiàn)多肽乃至蛋白質(zhì)特定位點(diǎn)酰胺-I帶振動(dòng)吸收峰的快速準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

圖4　酰胺-I帶振動(dòng)頻率隨GLYD骨架二面角(Φ/Ψ)變化分布Fig.4　Amide-I frequency distributions due to the backbone dihedrals(Φ/Ψ)of GLYD(A)amide-Ia;(B)amide-Ib.color online

3.3酰胺-I帶光譜模擬

計(jì)算整個(gè)動(dòng)力學(xué)軌跡中溶劑和GLYD骨架在酰胺單元上所產(chǎn)生的靜電勢(shì)場(chǎng)作用，結(jié)合氣相中酰胺-I帶的二級(jí)結(jié)構(gòu)依賴性，將模型參數(shù)(表1)應(yīng)用于整個(gè)分子動(dòng)力學(xué)軌跡中，得到優(yōu)化后的GLYD中酰胺-I帶的頻率統(tǒng)計(jì)分布(圖5，DOS)，進(jìn)一步通過線型函數(shù)(方程(2))可以計(jì)算得到其紅外吸收光譜(圖5，IR)。

經(jīng)過模型優(yōu)化得到兩個(gè)酰胺-I帶的最可幾頻率分別位于1631 cm－1(酰胺-Ia)和1646 cm－1(酰胺-Ib)，其統(tǒng)計(jì)分布均呈現(xiàn)高斯型分布，擬合得到的半高全寬(FWHM)分別為34.1 cm－1(酰胺-Ia)和34.0 cm－1(酰胺-Ib)，且均位于實(shí)驗(yàn)光譜吸收帶的范圍內(nèi)。由于GLYD的Cα上的R基僅有H原子，分子具有一定的對(duì)稱性，因此水溶液中GLYD的FTIR光譜僅呈現(xiàn)出一個(gè)振動(dòng)吸收峰(圖5)40。為了便于和實(shí)驗(yàn)值比較，將兩個(gè)酰胺-I帶的頻率軌跡進(jìn)行了疊加之后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(圖5，Sum-DOS)，其最可幾分布值(1639.0 cm－1)較好地重現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)光譜的吸收峰值(1640.3 cm－1)，表明實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的GLYD光譜雖然表現(xiàn)為單峰，但實(shí)際上是由兩個(gè)十分接近的組分構(gòu)成，兩個(gè)吸收峰對(duì)應(yīng)的化學(xué)結(jié)構(gòu)有所不同。

圖5　重水溶液中GLYD兩個(gè)酰胺-I帶頻率的統(tǒng)計(jì)分布及模擬紅外光譜Fig.5　Static frequency distributions and the simulated IR spectra for the amide-Iaand-Ibmodes of GLYD in D2OThe experimental spectrum is taken from Cormanich et al.40. DOS:density of state;Sum-DOS:sum of density of state. color online

然而DOS并不是真實(shí)的紅外光譜，由于未考慮到運(yùn)動(dòng)窄化作用41,42，酰胺-I帶的譜帶寬度(Sum-DOS，37.7 cm－1)大于其實(shí)驗(yàn)觀測(cè)值(33.5 cm－1)。通過線型函數(shù)對(duì)兩個(gè)酰胺-I帶分別進(jìn)行了IR模擬，所得到的局域模式(圖5)的吸收峰頻率和統(tǒng)計(jì)分布的最可幾頻率一致，其FWHM相較對(duì)應(yīng)的DOS有一定程度的窄化，分別為22.2 cm－1(酰胺-Ia)和23.6 cm－1(酰胺-Ib)。同時(shí)，考慮到兩個(gè)酰胺-I帶之間的振動(dòng)耦合，我們還采用此耦合方法進(jìn)行了光譜的模擬43，然而該方法并不適用于現(xiàn)有模型得到的頻率軌跡，得到的紅外光譜具有明顯的雙峰特性(數(shù)據(jù)未給出)。此外，在構(gòu)建模型時(shí)已經(jīng)引入了酰胺-I帶簡(jiǎn)正模式的二級(jí)結(jié)構(gòu)依賴性，在一定程度上包含了振動(dòng)模式之間的耦合作用。模型的建立能夠有效實(shí)現(xiàn)光譜參數(shù)的快速預(yù)測(cè)，借助模型參數(shù)獲得光譜數(shù)據(jù)的計(jì)算量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于量子化學(xué)計(jì)算，同時(shí)不受到樣本大小、計(jì)算方法、基組水平的影響，并能夠幫助人們解析實(shí)驗(yàn)光譜信號(hào)在真實(shí)世界中所表達(dá)的物理化學(xué)意義，進(jìn)而依據(jù)光譜表象，有效描述溶液中多肽的結(jié)構(gòu)特性及所處化學(xué)微環(huán)境特征。

4　結(jié)論

溶液相中蛋白質(zhì)和多肽空間結(jié)構(gòu)的解析一直是一個(gè)研究熱點(diǎn)。本文結(jié)合量子化學(xué)計(jì)算方法和分子動(dòng)力學(xué)模擬手段，獲取了飛秒至納秒時(shí)間尺度下甘氨酸二肽的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性。通過空間分布函數(shù)和徑向分布函數(shù)，對(duì)可能存在的溶質(zhì)－溶劑相互作用有了系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。提取了分子動(dòng)力學(xué)軌跡中不同瞬態(tài)時(shí)刻分子聚集體開展量子化學(xué)計(jì)算，了解溶質(zhì)－溶劑間相互作用對(duì)多肽二級(jí)結(jié)構(gòu)的影響及其相關(guān)的光譜表象，進(jìn)一步等間隔選取了分子動(dòng)力學(xué)軌跡中具有代表性結(jié)構(gòu)的GLYD-nD2O聚集體，探索溶劑作用對(duì)酰胺-I帶光譜頻移的影響?？疾鞖庀嘀泄铝LYD各個(gè)構(gòu)象異構(gòu)體的酰胺-I帶的簡(jiǎn)正振動(dòng)頻率，認(rèn)識(shí)光譜表象的二級(jí)結(jié)構(gòu)依賴性及其潛在的振動(dòng)耦合等作用。建立起溶劑靜電作用、酰胺-I帶簡(jiǎn)正模式隨構(gòu)象態(tài)變化規(guī)律與酰胺-I帶在氣/液相中光譜頻移之間的相關(guān)性，構(gòu)造具有二級(jí)結(jié)構(gòu)敏感性的靜電頻率轉(zhuǎn)換模型，實(shí)現(xiàn)溶液相中對(duì)多肽二級(jí)結(jié)構(gòu)敏感的酰胺-I帶光譜參數(shù)的快速準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

致謝：感謝中國(guó)科學(xué)院超算中心網(wǎng)格計(jì)算提供的高性能計(jì)算服務(wù)。

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Correlation between Amide-I Spectra and Structural Features of Glycine Dipeptide

CAI Kai-Cong1,2,*ZHENG Xuan1,2LIU Ya-Nan1,2LIU Shan-Hong1,2DU Fen-Fen1,2
(1College of Chemistry and Chemical Engineering,Fujian Normal University,Fuzhou 350007,P.R.China;2Fujian Provincial Key Laboratory of Theoretical and Computational Chemistry,Xiamen 361005,Fujian Province,P.R.China)

Structural and spectroscopic features of a model dipeptide,glycine dipeptide(GLYD),were systematically investigated in the gas phase and in aqueous solution.Normal mode analysis was performed on the representative GLYD-D2O clusters selected from molecular dynamics(MD)trajectory for the vibrational parameters of amide-I mode,which is known to be sensitive to the secondary structure of proteins.On this basis, the correlation between the vibrational spectrum and the structural features of specific groups in the polypeptide was constructed.The electrostatic potential from the solvent molecules was calculated and projected onto the backbone of GLYD,and related to the amide-I frequency difference for GLYD in gas phase and solution phase. The secondary structure-dependent normal mode amide-I frequency database was also introduced for the consideration of the possible vibrational coupling that is intrinsically included in GLYD conformers.An electrostatic frequency map with secondary structural sensitivity was then built for the fast and accurate vibrational frequency prediction of the amide-I vibrational band for polypeptides in solution.

Glycine dipeptide;Amide-I band;Vibrational spectrum;Electrostatic frequency map

1　引言

要發(fā)揮正常的物理、化學(xué)以及生物學(xué)功能，蛋白質(zhì)需要通過大量氫鍵、范德華力和疏水作用等非共價(jià)相互作用來正確折疊形成一個(gè)特定構(gòu)型。組織中特定蛋白質(zhì)如果發(fā)生錯(cuò)誤折疊，將會(huì)引起空間構(gòu)象變化，進(jìn)而發(fā)生自組裝形成難溶的纖維聚集體，引發(fā)如阿爾茨海默病、II型糖尿病、漢庭頓舞蹈癥等所謂的“蛋白質(zhì)構(gòu)象病”1，從而給公共衛(wèi)生帶來巨大壓力，引發(fā)重大社會(huì)問題2。要從分子水平上研究蛋白質(zhì)發(fā)揮作用的機(jī)制，需要深化對(duì)蛋白質(zhì)構(gòu)象態(tài)即二級(jí)結(jié)構(gòu)變化的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)信息的認(rèn)識(shí)，了解其可能的構(gòu)象態(tài)布居傾向。作為一級(jí)結(jié)構(gòu)和三維空間結(jié)構(gòu)之間的重要橋梁，蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)對(duì)于理解溶液相中蛋白質(zhì)空間構(gòu)型、折疊機(jī)制以及蛋白質(zhì)所產(chǎn)生的功能具有重要的理論價(jià)值，而且對(duì)于揭示蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變對(duì)生物體的影響乃至預(yù)防疾病的產(chǎn)生有著重要的指導(dǎo)作用3,4。

December 24,2015;Revised:February 29,2016;Published on Web:February 29,2016.

O641

10.3866/PKU.WHXB201602291

*Corresponding author.Email:ckc1117@fjnu.edu.cn;Tel:+86-591-22868161.

The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(21103021)and Education Department of Fujian Province of China (JA13063).

國(guó)家自然科學(xué)基金(21103021)和福建省高校杰出青年科學(xué)人才培育計(jì)劃(JA13063)資助項(xiàng)目