基于分子模擬的殼寡糖-金屬配合物的結(jié)合模式分析

呂丹丹 張 賓 房傳棟 謝楓才 鄧尚貴

（浙江海洋大學(xué) 浙江省海產(chǎn)品健康危害因素關(guān)鍵技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 浙江舟山316022）

殼寡糖又稱為低聚寡糖、殼聚寡糖或幾丁寡糖，是經(jīng)殼聚糖降解得到的一種低聚合度的堿性氨基寡糖，其具有諸多生物活性，如提高免疫力，抑制癌腫細(xì)胞，降血脂、血壓，消除氧負(fù)離子自由基等，目前已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、食品及藥品等多個(gè)領(lǐng)域[1-2]。殼寡糖分子中含有大量-NH2和-OH，可與多種金屬離子發(fā)生配合反應(yīng)，形成殼寡糖-金屬配合物，從而增強(qiáng)殼寡糖原有特性或形成新的生物功能，如制備的殼寡糖-鋅配合物具有促進(jìn)動(dòng)物大腦發(fā)育功能[3]，殼寡糖-稀土元素配合物可有效脫除貝類體內(nèi)重金屬元素[4]，殼寡糖-鑭配合物的抑菌活性顯著增強(qiáng)[5]等。

近年來(lái)，關(guān)于殼寡糖-金屬配合物的結(jié)構(gòu)特征研究報(bào)道較多。王金明等[6]通過(guò)元素分析發(fā)現(xiàn)，殼寡糖對(duì)鋅離子飽和吸附量為625 mg/g，推測(cè)殼寡糖和鋅離子配位比為3∶1（即殼寡糖配位數(shù)為3）。郭振楚等[7]對(duì)殼寡糖-鑭和殼寡糖-鈰配合物進(jìn)行研究，指出殼寡糖分子中4 個(gè)氨基葡萄糖殘基與1 個(gè)鑭離子進(jìn)行配位，該配合物中C∶H∶N ∶Ce 原子個(gè)數(shù)比為24.61∶44.53∶4.10∶1.00，殼寡糖單元?dú)埢湮粩?shù)為4。任群翔等[8]對(duì)殼寡糖-銪、殼寡糖-鋱兩種配合物采用紅外光譜、紫外光譜、熒光和X 射線光電子能譜等分析手段進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)殼寡糖氨基上N 原子和仲羥基O 原子參與金屬配位。目前，關(guān)于殼寡糖與金屬離子的配位比例，結(jié)合位點(diǎn)及配合物穩(wěn)定性等方面，尚無(wú)法達(dá)成共識(shí)，且僅依靠現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)，如核磁共振、元素分析、光譜及色譜分析等，均無(wú)法準(zhǔn)確獲知其具體結(jié)構(gòu)信息[9-10]。本研究以殼寡糖-Fe2+/Zn2+/Mg2+為對(duì)象，采用分子動(dòng)力學(xué)模擬技術(shù)，研究殼寡糖分子與金屬離子間的結(jié)合模式，旨在從分子結(jié)合理論角度探尋殼寡糖-金屬配合物的結(jié)構(gòu)信息，為現(xiàn)代儀器分析提供重要輔證和參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

采用殼寡糖（殼三糖，C18H35N3O13，上海甄準(zhǔn)生物科技有限公司）為目標(biāo)對(duì)象，金屬離子以Fe2+，Zn2+和Mg2+為配位配體，分析殼寡糖與金屬離子間的結(jié)合方式及配位關(guān)系。前期研究發(fā)現(xiàn)，殼三糖與金屬配位結(jié)合后，其生物活性如對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌抑制活性較好，且其體內(nèi)外抗氧化作用也顯著優(yōu)于其它聚合度的殼寡糖，因此本研究選擇三糖開(kāi)展結(jié)合方式分析（結(jié)果將另文報(bào)道）。

1.2 分子動(dòng)力學(xué)模擬

分子模擬軟件：Amber12 分子模擬軟件，由加利福尼亞大學(xué)（舊金山，美國(guó)）開(kāi)發(fā)[13]。

模擬體系建立：動(dòng)力學(xué)模擬體系中，殼寡糖與Fe2+/Zn2+/Mg2+離子數(shù)目配比為1∶1，體系中殼寡糖、金屬離子數(shù)均為141 個(gè)，分別進(jìn)行3 組各100 ns的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究。

模擬參數(shù)限定：Fe2+、Zn2+和Mg2+采用Amber ff14SB 力 場(chǎng)[11]，糖 類 分 子 采 用AMBER GAFF 力場(chǎng)[12]，應(yīng)用Ambertools 對(duì)模擬體系進(jìn)行處理，獲得動(dòng)力學(xué)模擬所需的力場(chǎng)文件和坐標(biāo)文件。為保持模擬體系的電中性，加入適量Cl-以平衡電荷；隨后對(duì)體系進(jìn)行能量?jī)?yōu)化，使得體系適合動(dòng)力學(xué)模擬與分析。

模擬過(guò)程及操作：采用Amber12 中Sander 模塊[13]，在模擬過(guò)程中約束溶質(zhì)，限定約束力常數(shù)為10 kcal/mol/?2，然后對(duì)體系進(jìn)行5 000 步最陡下降法和5 000 步共軛梯度法優(yōu)化，之后在1 ns 模擬時(shí)間內(nèi)將系統(tǒng)從0 K 加熱到300 K；隨后進(jìn)行1 ns 常溫300 K、常壓1.01×105Pa 動(dòng)力學(xué)平衡，最后進(jìn)行100 ns 常規(guī)動(dòng)力學(xué)模擬。模擬中采用SHAKE方法[14]，限制所有含氫原子鍵的伸縮，模擬步長(zhǎng)2 fs；靜電作用使用PME 方法[15]，且使用周期性邊界條件，非鍵相互作用截距為1.2 nm；模擬體系坐標(biāo)，每隔1 ps 保存1 幀，每個(gè)體系各模擬100 ns時(shí)間。

2 結(jié)果與分析

2.1 殼寡糖分子結(jié)構(gòu)及模擬體系的建立

依據(jù)殼寡糖分子式及基本結(jié)構(gòu)信息，利用Amber12 軟件構(gòu)建并優(yōu)化殼寡糖（三糖）結(jié)構(gòu)，模型示意圖如圖1a 所示。在水溶液體系中，將殼寡糖分子與各金屬離子（Fe2+/Zn2+/Mg2+） 進(jìn)行1∶1 混合，形成分子動(dòng)力學(xué)模擬初始體系（圖1b）。分別以殼寡糖-Mg2+、殼寡糖-Fe2+和殼寡糖-Zn2+體系為基礎(chǔ)，通過(guò)動(dòng)力學(xué)模擬，分析殼寡糖與金屬離子間的結(jié)合方式、位點(diǎn)及空間結(jié)構(gòu)信息等。

圖1 殼寡糖與金屬離子體系的構(gòu)建示意圖Fig.1 The schematic diagram of chitooligosaccharides and simulation system

2.2 殼寡糖-金屬配合物體系的動(dòng)能、勢(shì)能和總能量變化

為評(píng)估各模擬體系的平衡狀態(tài)，對(duì)模擬體系中動(dòng)能、勢(shì)能和總能量隨模擬時(shí)間的變化情況進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示。各體系在50 ns 后，動(dòng)能、勢(shì)能和總能量波動(dòng)均相對(duì)較小，基本處于平衡狀態(tài)。因此，為獲得較準(zhǔn)確的相互作用能及動(dòng)力學(xué)模擬信息，研究分析均采取平衡后的軌跡信息（50～100 ns）。由結(jié)果可知，各模擬體系總能量變化不大，經(jīng)短期模擬后即達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，其原因可能由于采用的初始結(jié)構(gòu)已經(jīng)進(jìn)行了能量?jī)?yōu)化的原因。該結(jié)果也說(shuō)明，試驗(yàn)構(gòu)建的殼寡糖分子結(jié)構(gòu)及限定的分子動(dòng)力學(xué)模擬參數(shù)，具有較高可行性與合理性，可保證后期結(jié)果分析的有效性。

圖2 各模擬體系能量（動(dòng)能、勢(shì)能和總能量）隨時(shí)間變化情況Fig.2 The curves of kinetic energies，potential energies and total energies for the different simulations

2.3 殼寡糖與金屬離子結(jié)合數(shù)量分析

通過(guò)對(duì)各模擬體系平衡軌跡分析，獲得各金屬離子與殼寡糖的結(jié)合數(shù)量情況，如表1所示。由結(jié)果可知，雖各模擬體系中殼寡糖、金屬離子總數(shù)保持一致（均為141 個(gè)），但金屬離子可與殼寡糖結(jié)合的總數(shù)目略有不同。Mg2+、Fe2+和Zn2+與殼寡糖發(fā)生了結(jié)合反應(yīng)的總數(shù)目分別為107.96，113.85和115.17，即Mg2+被殼寡糖結(jié)合的總數(shù)目最少，而Zn2+被結(jié)合總數(shù)目最多。更進(jìn)一步，通過(guò)單個(gè)金屬離子所能結(jié)合的殼寡糖數(shù)目分析發(fā)現(xiàn)，Mg2+、Fe2+和Zn2+分別可與1.35、1.32 和1.37 個(gè)殼寡糖分子相結(jié)合。由此可見(jiàn)，每個(gè)金屬離子基本與1～2 個(gè)殼寡糖分子結(jié)合，而每個(gè)殼寡糖分子結(jié)合金屬離子（Mg2、Fe2+和Zn2+） 數(shù)目分別為2.37，2.22 和2.21。研究表明，在相同條件下，殼寡（聚）糖分子與金屬鹽離子相互作用后，形成金屬配合物的配位數(shù)（結(jié)合數(shù)量）有所不同，表明不同金屬離子與殼聚糖的結(jié)合能力存在一定差異。有文獻(xiàn)報(bào)道指出，殼寡糖與金屬離子間的配位能力依次為Cu2+＞Co2+＞Ni2+＞Zn2+＞Fe2+＞Mn2+[16]，該結(jié)果與本試驗(yàn)獲得部分內(nèi)容相符。

表1 殼寡糖與各金屬（Mg2+、Fe2+和Zn2+）離子的結(jié)合信息Table 1 The combination of chitooligosaccharides and metal ions （Mg2+，F(xiàn)e2+ and Zn2+）

2.4 殼寡糖與金屬離子間的結(jié)合位點(diǎn)分析

為進(jìn)一步衡量殼寡糖中各原子與金屬離子間結(jié)合能力的強(qiáng)弱，對(duì)殼寡糖中各原子所結(jié)合的金屬離子數(shù)目進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖3所示。可見(jiàn)，殼寡糖中能與金屬離子結(jié)合的原子，主要集中在氨基氮原子 （N、N1 和N2） 和羥基氧原子（O1、O2、O3、O6、O7、O10、O11 和O12）；而 醚 氧 原 子（O、O4、O5、O8 和O9）中，除醚氧原子O9 外，其余氧原子未與金屬離子產(chǎn)生結(jié)合作用。此結(jié)果顯示，能與金屬例子發(fā)生配位結(jié)合的殼寡糖位點(diǎn)，主要為氨基氮原子和羥基氧原子。

在pH 值接近中性的溶液體系中，殼寡糖中活性基團(tuán)可結(jié)合金屬離子，其反應(yīng)機(jī)制主要為配位作用[17]。部分研究通過(guò)X 衍射、紅外、紫外及熒光光譜分析發(fā)現(xiàn)，殼聚（寡）糖與Cu2+/Zn2+之間形成配合物的結(jié)合位點(diǎn)，主要為氨基和羥基[18]。殼寡糖中氮原子外層5 個(gè)電子，其中3 個(gè)已配對(duì)成鍵，而剩下1 對(duì)孤對(duì)電子，失去電子可能性較小，很容易提供孤對(duì)電子而與金屬離子結(jié)合形成配合物，即氮原子為金屬離子結(jié)合的重要位點(diǎn)。相比較而言，羥基中氧原子外層有6 個(gè)電子，電負(fù)性較氮原子更強(qiáng)，因此不易給出孤對(duì)電子，對(duì)金屬離子電子層構(gòu)型影響也較小，因而其配位能力也相對(duì)較弱。

為獲得殼寡糖分子與金屬離子可能的結(jié)合配比關(guān)系，統(tǒng)計(jì)分析平衡軌跡中各寡糖分子所能結(jié)合的相同金屬離子數(shù)目，如圖4所示。模擬結(jié)果顯示，最多可有3 個(gè)殼寡糖分子與同1 個(gè)金屬離子發(fā)生配位結(jié)合，而該種模式在殼寡糖-金屬配合物中占比較少。而1 個(gè)殼寡糖分子與1 個(gè)金屬離子相結(jié)合的配位模式最為普遍，但也存在大量的2個(gè)殼寡糖與同1 個(gè)金屬離子相結(jié)合的模式存在。文獻(xiàn)報(bào)道表明，殼寡（聚）糖與金屬離子Cu2+相互作用，可能主要有兩種模式：Cu2+以“橋”的形式，連接同一或不同糖分子鏈上的兩個(gè)或多個(gè)基團(tuán)，從而形成分子內(nèi)或分子間絡(luò)合物；或者，Cu2+以“懸掛”的方式，與殼寡（聚）糖中自由氨基結(jié)合而形成配合物[9，19]。本研究結(jié)果顯示，在殼寡糖與金屬離子混合體系中，主要存在著殼寡糖分子與金屬離子個(gè)數(shù)以1∶1 和2∶1 兩種配位模式，符合“橋式”和“懸掛”結(jié)合模式理論。同時(shí)，此部分研究結(jié)果，也與表1結(jié)合數(shù)量分析結(jié)果相一致。

圖3 殼寡糖與金屬離子間的結(jié)合位點(diǎn)分析Fig.3 The binding sites of the metal ions located on the chitooligosaccharides chain

2.5 殼寡糖與金屬離子結(jié)合構(gòu)象分析

圖4 殼寡糖與金屬離子間的相互結(jié)合數(shù)量分析Fig.4 The ratio of chitooligosaccharides to metal ions during the chelation

在模擬體系中，殼寡糖與金屬離子以1∶1 的比例，形成配位物結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單（結(jié)合模式圖略）。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，2 個(gè)殼寡糖分子與同1 個(gè)金屬離子相結(jié)合的模式，在各個(gè)金屬離子及多種糖類配合物中也均普遍出現(xiàn)，且該模式也符合金屬離子的配位規(guī)律。因此，進(jìn)一步通過(guò)聚類分析，在該配比關(guān)系下，獲得殼寡糖分子與金屬離子（Mg2+、Fe2+和Zn2+）結(jié)合的典型配位結(jié)構(gòu)，如圖5所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，金屬離子主要與殼寡糖分子中的N 原子和O 原子形成4 配位的結(jié)合模式。也有研究通過(guò)試驗(yàn)證實(shí)，殼寡（聚）糖可與金屬離子形成4 配位體模式[20]，其推測(cè)結(jié)果與本研究相一致。本試驗(yàn)中，殼寡糖中的-NH2、-OH 與金屬離子發(fā)生配位，形成金屬離子-N、金屬離子-O 兩種配位鍵。依據(jù)配位理論，原子電負(fù)性越小，其吸引電子能力越小，因此N 原子更易于將其孤對(duì)電子與金屬離子共享，所以殼寡糖中N 原子與金屬離子的配位能力較O 原子更強(qiáng)。在配合物結(jié)構(gòu)中，直接表現(xiàn)為金屬離子-O 原子鍵較金屬離子-N 原子鍵更長(zhǎng) （圖5），該結(jié)果與本模擬分析獲得結(jié)果相一致。

研究表明，殼寡（聚）糖與金屬離子的結(jié)合反應(yīng)為放熱反應(yīng)，反應(yīng)形成配合物的穩(wěn)定性與金屬離子類型，形成配合物內(nèi)部氫鍵，原子空間分布等因素密切相關(guān)[17]。為驗(yàn)證以上典型結(jié)合模式的穩(wěn)定性，采用半經(jīng)驗(yàn)量化法對(duì)獲得結(jié)合模式進(jìn)行優(yōu)化，然后進(jìn)行相互作用能分析，結(jié)果如表2所示。在模擬體系中，Mg2+、Fe2+和Zn2+與殼寡糖分子間的相互作用能力依次增強(qiáng)，這與表1中所發(fā)現(xiàn)的體系中結(jié)合總離子數(shù)目結(jié)果相一致，即Zn2+最容易與殼寡糖發(fā)生配位且結(jié)合能力最強(qiáng)（-161.07 kcal/mol），而Mg2+相對(duì)而言與殼寡糖分子間相互作用能較弱（-103.51 kcal/mol），F(xiàn)e2+與殼寡糖的結(jié)合能力（-149.98 kcal/mol）居中，即殼寡糖與3 種金屬離子反應(yīng)產(chǎn)物穩(wěn)定性強(qiáng)弱表現(xiàn)為Zn2+>Fe2+>Mg2+。

圖5 殼寡糖與金屬離子（綠色球）間的典型結(jié)合模式圖Fig.5 The schematic diagram of chitooligosaccharides chelated metal ions （green ball）

表2 殼寡糖與各金屬離子間的相互作用能分析Table 2 Interaction energies between chitooligosaccharides and metal ions after the simulations

3 結(jié)論

采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，以殼寡糖-金屬配合物為對(duì)象，研究配位結(jié)合過(guò)程中，殼寡糖分子與金屬離子間的結(jié)合關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，殼寡糖分子主要以1∶1 和2∶1 兩種配比與金屬離子相結(jié)合，形成“懸掛”和“橋式”兩種配位模式，其結(jié)合位點(diǎn)主要為氨基氮原子和羥基氧原子。本研究探索了分子模擬技術(shù)在糖類結(jié)構(gòu)研究中應(yīng)用的可行性，也為糖類分子與金屬離子間的相互作用機(jī)理的解析提供一定參考。