丙氨酸二肽分子二級結構與振動光譜特性

蔡開聰 留珊紅 劉的文 林 深

(福建師范大學化學與化工學院,福州350007)

丙氨酸二肽分子二級結構與振動光譜特性

蔡開聰*留珊紅 劉的文 林 深*

(福建師范大學化學與化工學院,福州350007)

利用從頭算方法探索蛋白質模型分子——丙氨酸二肽的二級結構布居特性以及體系勢能變化.引入對分子結構敏感的振動探針(酰胺振動吸收帶),借助其光譜表象,尋求振動光譜參數與分子結構之間的聯系.研究結果表明:丙氨酸二肽分子處于C7eq構型(Φ/Ψ=-80°/80°)時具有最低能量值,且分子易形成β折疊、PPII、C5及C7等能量較低的穩定構型.通過簡正模式分析,得到分子3N-6個振動模式的吸收光譜,并通過勢能分布分析方法對分子骨架上酰胺振動吸收帶的特征振動模式進行了指認.重點考察分子骨架上酰胺-I帶振動光譜參數與分子構型變化之間的相關性,建立振動光譜參數與蛋白質二級結構之間的聯系,為在化學鍵水平上研究蛋白質的結構及其發揮作用的機制提供科學依據.

從頭算;丙氨酸二肽;振動光譜;酰胺-I帶;簡正模式分析;勢能分布

1 引言

蛋白質結構檢測與鑒定技術一直受到廣泛的關注,研究蛋白質多肽分子體系結構漲落的動力學信息,認識蛋白質功能與結構的關系有著十分重要的意義.由于分子的振動頻率和振動吸收線型對分子的結構及其所處的化學微環境極為敏感,因此,振動光譜技術常用于分子結構的檢測鑒定研究.1借助于泵浦－探測和光子回波技術的飛秒激光二維紅外光譜2-4(femtosecond two-dimensional infrared spectroscopy,2D IR)能夠以飛秒的時間分辨率跟蹤分子動態結構波動狀況,根據非諧振子的相互作用來測定化學基團之間的空間結構關系.這項新穎的光譜學手段具有測定凝聚相中分子動態結構的潛力,在蛋白質多肽、糖類、核酸、脂類分子體系乃至分子聚集體中得到廣泛的應用.5-11

酰胺-I帶(amide I)在中紅外區域具有強烈的振動吸收,其振動模式主要由多肽分子骨架上C＝O雙鍵的伸縮振動引起,因此該振動吸收帶對分子骨架結構的變化十分敏感.由于蛋白質和多肽分子體系中含有多個酰胺單元,因此酰胺-I帶通常是由多個C＝O伸縮振動耦合產生的吸收帶,其振動吸收譜帶位于1600-1700 cm-1.已有研究結果表明,多肽分子骨架上酰胺單元的不同取向會導致振動耦合有所不同,從而影響其光譜表象.當多肽分子處于α-螺旋時,酰胺-I帶在1650 cm-1處形成較寬的單個吸收峰;12-14而當分子處于β折疊時,在1633和1677 cm-1處出現兩個吸收峰.14正是由于它對分子結構以及所處的化學微環境十分敏感,因此被廣泛用作蛋白質和多肽體系的結構探針.15-22

圖1 丙氨酸二肽分子結構示意圖Fig.1 Molecular structure of alanine dipeptideThe peptide backbone dihedral is denoted as(Φ/Ψ).

為精確描述多肽鏈構型,更好地表達分子的動態結構信息,人們在多肽鏈中定義了兩個骨架二面角Φ和Ψ(如圖1所示),并借助這兩個骨架二面角的分布來描繪多肽的二級結構.本文選取了典型的蛋白質模型分子體系——丙氨酸二肽,23使用從頭算方法,對氣相中分子的二級結構特性、體系勢能分布及酰胺基團的振動光譜參數進行了系統的研究,致力于構建酰胺吸收帶振動頻率與分子二級結構之間的聯系,從而借助光譜參數預測分子可能的瞬態構型,為在化學鍵水平上預測多肽分子動態結構特性提供了一個新的途徑.

2 計算方法

在B3LYP/6-31+G(d)水平上對丙氨酸二肽分子(圖1)的骨架二面角進行了結構掃描.我們將∠C―N―C―C和∠N―C―C―N分別定義為Φ和Ψ(其中-180°≤Φ≤180°,-180°≤Ψ≤180°),掃描過程中固定其中一個二面角,對另一個二面角進行旋轉掃描(二面角的變化步長為10°),同時進行分子結構優化,從而獲得了1369個穩定的中間結構.在MP2/6-31+ G(d)水平上對這些中間體進行單點能計算,考察處于不同二級結構時,丙氨酸二肽分子體系的能量及穩定性.

選取具有最低體系勢能的分子結構,在B3LYP/ 6-31+G(d)水平上開展簡正模式分析,獲得了丙氨酸二肽分子的3N-6(N為分子中所有原子的個數)個振動模式的振動頻率、吸收強度等光譜信息.借助勢能分布(PED)分析方法,24對分子的主要振動模式進行了指認.同時以對分子結構敏感的、在中紅外區域具有較強吸收的振動生色團(酰胺-I帶)為結構探針,研究振動光譜參數與分子二級結構之間的相關性,進而建立起振動光譜參數與蛋白質二級結構之間的聯系.

計算所選用的6-31+G(d)基組包含了一個彌散函數(+)和一個極化函數(d).其中,對于重原子添加的極化函數(d)有利于能量的準確計算,而彌散函數(+)則有助于描述體系中的孤對電子運動,因此該基組被廣泛認為適用于多肽分子的結構優化和頻率計算.19結構優化、單點能計算以及簡正模式分析均在Gaussian 09程序25中進行.

3 結果與討論

3.1 分子結構掃描及單點能計算

圖2 丙氨酸二肽能量分布圖Fig.2 Energy contour plot for alanine dipeptide

氣相中丙氨酸二肽分子能量隨分子骨架二面角(Φ/Ψ)的變化如圖2所示.當骨架二面角處于(Φ/ Ψ=-80°/80°)時候,體系能量最低,分子呈現C7eq結構.當分子骨架二面角處于(Φ/Ψ=-120°--60°/ 0-180°,-180°--60°/-180--150°,50°-90°/-100°--20°)范圍內,體系具有較小的能量,分子穩定性也較高,此時分子傾向于形成β折疊、PPII、C5以及C7構型.這與已有的氣相中的計算結果26以及2D IR在溶液中觀測到的分子二級結構27十分相近.而當分子骨架二面角處于(Φ/Ψ=-10°/-160°,10°/170°)左右時,體系具有較高的能量,分子活性較大,穩定性相對較低.表1中列出了丙氨酸二肽分子呈現出的具有代表性的二級結構及處于該結構時體系的能量值.其中,PPII、C5、C7和β折疊都具有較低的能量,而π螺旋和αL1螺旋相對具有較高的能量,這與文獻28報道的在密度泛函理論(DFT)和MP2方法下不同基組計算得到的結果相一致.

3.2 振動光譜及勢能分布分析

選取分子能量最低點的穩定構型(Φ/Ψ=-80°/ 80°)進行簡正模式分析,在中紅外區域中觀測到了幾個典型的振動吸收譜帶(圖3A).其中在1750 cm-1附近觀測到了最強的振動吸收峰,而3500及1550 cm-1處也出現了較為明顯的振動吸收,其吸收峰成對出現,其強度呈現出對稱或不對稱的分布.

圖3 不同構型下丙氨酸二肽的紅外振動光譜Fig.3 Simulated vibrational spectroscopy of alanine dipeptide under different conformationsA:(Φ/Ψ=-80°/80°);B:(Φ/Ψ=-10°/-160°);str:stretching

借助PED分析對處于上述構型下的丙氨酸二肽分子的3N-6個振動模式進行了指認,分析了較強的振動模式的各個振動組分.表2中列出了多肽骨架主要振動吸收帶的振動頻率及勢能分布數據.由于二肽分子中具有兩個重復的酰胺單元,因此在1200-1800 cm-1,3500-3700 cm-1處出現成對的酰胺振動吸收峰,其在中紅外區域有著較強的振動吸收.為了便于區別,我們將二肽乙酰端的振動模式定義為酰胺-I、-II、-A帶,而將氨基端的振動模式定義為酰胺-I?、-II?、-A?帶.其中,酰胺-A帶主要為N―H基團伸縮振動的貢獻,該模式局域化程度較高,兩個酰胺-A帶的PED數值高達100%和99%.相比之下,酰胺-I、-II帶表現出一定的離域化特征,該振動吸收帶容易受到其它振動模式的影響.酰胺-I帶主要由C＝O雙鍵伸縮振動組成，而酰胺-II帶中C―N伸縮振動的同時伴隨著C―N―H的彎曲振動.

表1 丙氨酸二肽處于不同二級結構時的體系能量及酰胺-I帶振動頻率Table 1 Potential energy and vibrational frequency of amide-I mode of alanine dipeptide under different secondary structures

表2 酰胺振動模式勢能分布Table 2 Potential energy distribution of the amide motions

從圖3A中可以看出,酰胺-I帶具有最強的振動吸收信號,酰胺-II帶次之,而且不同的分子構型對酰胺振動吸收的影響十分顯著.當(Φ/Ψ=-10°/-160°)時,體系能量較高,分子穩定性降低,在該結構下計算得到的振動光譜有明顯的變化(圖3B).其中,酰胺-I帶仍然具有最大的吸收強度,但是成對出現的酰胺-I和-I?帶振動模式的強度差有所不同.由于結構的扭曲,酰胺單元的取向發生變化,振動模式之間的耦合作用導致原本具有較強吸收的酰胺-A帶變得較為微弱.當分子結構發生扭轉的時候,振動模式的躍遷偶極矩發生變化,振動耦合發生變化,從而導致吸收峰位置產生一定的頻移甚至高低頻位置發生翻轉,其對應的吸收強度也受到影響.

3.3 酰胺-I帶振動頻率與二級結構的相關性

為了系統研究處于不同二級結構的多肽分子在光譜特征參數中的表象,借助振動光譜手段更好地探索多肽分子結構的動態特征,我們選取了吸收強度最強,對分子結構敏感的振動生色團——酰胺-I帶作為結構探針,考察振動頻率與多肽分子二級結構之間的聯系.研究結果表明,二肽分子乙酰端和氨基端的兩個酰胺-I帶的振動頻率對分子二級結構變化十分敏感(圖4).酰胺-I和-I?帶在整個頻率分布圖中沿反對角線方向呈對稱分布,如果在垂直圖4方向以(Φ/Ψ=0°/0°)為原點,則頻率分布呈現出明顯的C2對稱性.

當分子骨架處于(Φ/Ψ=-80°/60°)時,酰胺-I帶振動頻率具有最小值(1717.1 cm-1);而酰胺-I?帶的最小值則出現在(Φ/Ψ=10°/-10°).從圖4中可以看出,酰胺-I帶的振動頻率分布范圍較廣(1717.1至1822.1 cm-1),其平均值為1759.9 cm-1;而酰胺-I?帶則分布在1714.7至1797.4 cm-1,其平均值為1750.4 cm-1.通過對圖4中的1369個數據進行統計分析,酰胺-I帶最可幾頻率出現在1753.0 cm-1,而酰胺-I?帶位于1750.0 cm-1,無論是平均值或最可幾分布值,酰胺-I帶的頻率均略高于-I?帶.這與實驗中觀測到溶液中丙氨酸二肽分子的紅外振動光譜結果有所不同,在沒有同位素取代的條件下,酰胺-I帶的振動頻率低于酰胺-I?帶.27,29溶液環境中,由于存在溶質-溶劑相互作用,二肽分子傾向于形成一定的二級結構(如重水環境下丙氨酸二肽易形成PPII構型),從而導致酰胺單元取向發生變化,酰胺-I帶間的振動耦合作用有所改變,其振動頻率產生一定的頻移.表1中列出了處于不同二級結構的丙氨酸二肽分子中兩個酰胺-I帶的振動頻率,當分子處于PPII構型時,酰胺-I和-I?帶的振動頻率分別為1747.5和1754.4 cm-1,酰胺-I?帶的振動頻率高出酰胺-I帶6.9 cm-1,這與溶液中的光譜特征相似.結果表明,在特定的分子構型下(尤其是能量較低的穩定構型),氣相中酰胺-I帶的振動頻率低于酰胺-I?帶.僅當分子骨架二面角呈310-helix排布時,酰胺-I帶的頻率略高.

圖4 酰胺-I帶振動頻率隨二肽骨架二面角(Φ/Ψ)變化分布Fig.4 Amide-I frequency fluctuation due to the varied peptide backbone dihedral(Φ/Ψ) A:amide-I;B:amide-I?

圖5 C＝O鍵長(rC=O)與酰胺-I帶振動頻率的相關性(A,B)以及C＝O鍵長與鍵力常數(k-1/3)的相關性(C,D)Fig.5 Correlation between the C＝O bond length(rC=O)and amide-I frequency(A,B)and the C＝O bond length against bond strength constant(k-1/3)(C,D)

為進一步探索酰胺-I和-I?帶振動頻率與分子構型的關系,我們考查了結構掃描得到的1369個丙氨酸二肽的振動頻率與C＝O鍵長之間的相關性.從圖5A中可以看出,在整個構型變化中,酰胺-I帶的頻率紅移超過了100 cm-1.當C＝O雙鍵伸長,鍵的力常數減小,頻率發生紅移;反之,當C＝O雙鍵縮短,頻率往高頻方向移動.

采用最小二乘法,對酰胺-I帶振動頻率(ωC＝O)和C＝O鍵長(rC＝O)進行了一元線型回歸擬合,其線性關系如圖5(A,B)中實線所示.從圖中可以看出,頻率和鍵長并不是單純地聚集在直線兩側分布,而呈現出一定的劈裂.這是由于在分子骨架二面角旋轉過程中,分子體系可能處于能量較低的穩定狀態,也可能處于高能的不穩定狀態,受到分子所處二級結構穩定性的影響,鍵長與頻率之間的變化并不簡單地遵循線性關系.進一步考察了線性擬合的相關系數發現ωC＝O和rC＝O之間存在強烈的線性反相關,其相關系數分別為-0.9355(酰胺-I帶)和-0.8463(酰胺-I?帶).

通過振動頻率能夠進一步計算得到鍵力常數(k),ω=(2πc)-1(k/m)1/2,其中c為光速,m為折合質量.根據Badger定則,30,31我們知道鍵長和鍵力常數的(-1/3)次方之間存在著一個經驗的線性關系.圖5 (C,D)中給出了鍵長與化學鍵力常數之間的關聯,可以看出,化學鍵力常數與振動頻率隨鍵長變化的分布有著相同的輪廓.

4 結論

采用從頭算方法對蛋白質模型分子——丙氨酸二肽進行了結構優化、勢能掃描以及振動光譜參數解析,探索氣相中分子結構特性,了解對分子結構敏感的振動探針的光譜表象,致力于建立振動光譜信息與多肽分子二級結構之間的聯系.研究表明,氣相中丙氨酸二肽分子傾向于形成β折疊、PPII、C5以及C7構型,分子處于該折疊構型下具有較低的能量值.通過簡正模式分析方法得到分子3N-6個振動模式的振動光譜參數,并借助于PED分析方法對酰胺振動吸收帶(酰胺-I,-II,-A帶等)進行了詳細指認.將在中紅外區域具有強烈吸收的酰胺-I帶作為對分子結構敏感的振動探針,發現其振動頻率對二肽分子二級結構具有良好的敏感性.二肽分子結構變化所引起的光譜頻移譜帶帶寬達到約100 cm-1,不同的二級結構下呈現出的振動頻率有所不同,同時酰胺-I帶振動頻率、鍵力常數與C＝O雙鍵的鍵長呈現出顯著的相關性.研究結果為我們建立關鍵基團振動光譜參數與分子結構之間的聯系,開展多維光譜模擬,深入理解多肽分子體系的結構特性和功能機理提供了必要的理論依據.

致謝:感謝中國科學院大連化學物理研究所莊巍研究員在計算機資源方面提供的無私幫助,感謝中國科學院超算中心網格計算提供的高性能計算服務.

(1) Krimm,S.;Bandekar,J.Adv.Protein Chem.1986,38,181.doi: 10.1016/S0065-3233(08)60528-8

(2) Wang,J.P.Chinese Science Bulletin 2007,52,1221.[王建平.科學通報,2007,52,1221.]

(3)Cho,M.Chem.Rev.2008,108,1331.doi:10.1021/cr078377b

(4) Zheng,J.R.Physics 2010,39,162.[鄭俊榮.物理,2010,39, 162.]

(5) Kim,Y.S.;Hochstrasser,R.M.J.Phys.Chem.B 2009,113, 8231.doi:10.1021/jp8113978

(6)Wang,J.P.Chin.J.Chem.Phys.2007,20,509.[王建平.化學物理學報,2007,20,509.]doi:10.1088/1674-0068/20/05/ 509-517

(7) Zhuang,W.;Hayashi,T.;Mukamel,S.Angew.Chem.Int.Edit. 2009,48,3750.doi:10.1002/anie.200802644

(8) Cai,K.C.;Wang,J.P.Acta Phys.-Chim.Sin.2009,25,677. [蔡開聰,王建平.物理化學學報,2009,25,677.]doi:10.3866/ PKU.WHXB200904021

(9) Zhuang,W.;Sgourakis,N.G.;Li,Z.Y.;Garcia,A.E.; Mukamel,S.Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.2010,107,15687. doi:10.1073/pnas.1002131107

(10) Bian,H.;Wen,X.;Li,J.;Chen,H.;Han,S.;Sun,X.;Song,J.; Zhuang,W.;Zheng,J.Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.2011,108, 4737.doi:10.1073/pnas.1019565108

(11) Cai,K.;Wang,J.J.Phys.Chem.B 2009,113,1681.doi: 10.1021/jp8070025

(12) Barber-Armstrong,W.;Donaldson,T.;Wijesooriya,H.;Silva, R.A.G.D.;Decatur,S.M.J.Am.Chem.Soc.2004,126,2339. doi:10.1021/ja037863n

(13)Huang,C.Y.;Getahun,Z.;Zhu,Y.;Klemke,J.W.;DeGrado,W. F.;Gai,F.Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.2002,99,2788.doi: 10.1073/pnas.052700099

(14) Du,D.;Zhu,Y.;Huang,C.Y.;Gai,F.Proc.Natl.Acad.Sci. U.S.A.2004,101,15915.doi:10.1073/pnas.0405904101

(15) Lin,Y.S.;Shorb,J.M.;Mukherjee,P.;Zanni,M.T.;Skinner,J. L.J.Phys.Chem.B 2009,113,592.

(16) Roy,S.;Lessing,J.;Meisl,G.;Ganim,Z.;Tokmakoff,A.; Knoester,J.;Jansen,T.L.C.J.Chem.Phys.2011,135,234507.

(17)Wang,J.Phys.Chem.Chem.Phys.2009,11,5310.

(18)Cai,K.C.;Han,C.;Wang,J.P.Phys.Chem.Chem.Phys.2009, 11,9149.

(19) Wang,J.J.Phys.Chem.B 2008,112,4790.doi:10.1021/ jp710641x

(20)Wang,J.;Hochstrasser,R.M.J.Phys.Chem.B 2006,110,3798. doi:10.1021/jp0530092

(21) Han,C.;Wang,J.Chin.J.Chem.Phys.2011,24,529. [韓 晨,王建平.化學物理學報,2011,24,529.]doi:10.1088/ 1674-0068/24/05/529-537

(22) Wang,L.;Middleton,C.T.;Zanni,M.T.;Skinner,J.L.J.Phys. Chem.B 2011,115,3713.

(23) Hermans,J.Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.2011,108,3095.doi: 10.1073/pnas.1019470108

(24) Jamróz,M.H.Vibrational Energy Distribution Analysis VEDA 4,Warsaw,2004-2010.

(25) Frisch,M.J.;Trucks,G.W.;Schlegel,H.B.;et al.Gaussian 09,RevisionA.01;Gaussian Inc.:Wallingford,CT,2009.

(26)Wang,Z.X.;Duan,Y.J.Comput.Chem.2004,25,1699.doi: 10.1002/jcc.20092

(27)Kim,Y.S.;Wang,J.;Hochstrasser,R.M.J.Phys.Chem.B 2005,109,7511.doi:10.1021/jp044989d

(28)Vargas,R.;Garza,J.;Hay,B.P.;Dixon,D.A.J.Phys.Chem.A 2002,106,3213.doi:10.1021/jp013952f

(29)Kim,Y.S.;Hochstrasser,R.M.J.Phys.Chem.B 2005,109, 6884.doi:10.1021/jp0449511

(30) Badger,R.M.J.Chem.Phys.1934,2,128.doi:10.1063/ 1.1749433

(31) Badger,R.M.J.Chem.Phys.1935,3,710.doi:10.1063/ 1.1749581

March 12,2012;Revised:May 2,2012;Published on Web:May 2,2012.

Secondary Structure and Vibrational Spectral Feature of Alanine Dipeptide

CAI Kai-Cong*LIU Shan-Hong LIU Di-Wen LIN Shen*
(College of Chemistry and Chemical Engineering,Fujian Normal University,Fuzhou 350007,P.R.China)

Ab initio calculation was performed on the model peptide compound alanine dipeptide.The population of the secondary structures and the corresponding potential energies of alanine dipeptide were investigated.Normal mode analysis was performed on the amide vibrational modes,which are known to be quite sensitive to the molecular structure,and the correlation between the vibrational feature and the molecular structure was then revealed.The results show that alanine dipeptide has a minimum potential energy when the backbone dihedral is positioned at Φ/Ψ=-80°/80°,which can be denoted as a C7eqconformation.It is also possible to form the secondary structures with β sheet,PPII,C5,and C7conformations for their low potential energies.The vibrational parameters of the 3N-6 vibrational motions were obtained through normal mode analysis.The amide vibrational modes were then assigned by the potential energy distribution analysis.The amide-I mode,mostly consisting of backbone C＝O stretching, was introduced for the prediction of the secondary structure of alanine dipeptide.The correlation between the amide-I vibrational parameters and the molecular structures is then demonstrated.Thus is a new way for the prediction of structural features of peptide and protein systems at the chemical bond level.

Ab initio calculation;Alanine dipeptide;Vibrational spectroscopy;Amide-I mode; Normal mode analysis;Potential energy distribution

10.3866/PKU.WHXB201205021

O641

?Corresponding authors.CAI Kai-Cong,Email:ckc1117@iccas.ac.cn;Tel:+86-15960001958.LIN Shen,Email:shenlin@fjnu.edu.cn;

Tel:+86-591-22867399.

The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(21103021),Natural Science Foundation of Fujian Province, China(2011J05022),and Outstanding Young Teachers Research Foundation of Fujian Normal University,China(fjsdjk2012066).

國家自然科學基金(21103021),福建省自然科學基金(2011J05022)和福建師范大學優秀青年骨干教師培養基金(fjsdjk2012066)資助項目