鐵卟啉與O2、N2、NO結合后的金屬自旋狀態分析

馬 磊，劉 述，徐金勇，李光武

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◇經驗與體會◇

鐵卟啉與O2、N2、NO結合后的金屬自旋狀態分析

馬 磊，劉 述，徐金勇，李光武

通過半經驗量子化學計算軟件MOPAC2012研究血紅蛋白中鐵卟啉與3種氣體分子O2、NO和N2在低、中、高3種自旋狀態下的結合作用，計算體系中的基本機構參數和總能量變化，分析自旋狀態在血紅蛋白中結合氣體分子的作用。鐵卟啉結合O2分子時，在高自旋狀態時結合能最低，為-96.19 kJ/mol；結合N2分子時，在低自旋狀態時結合能最低，為-48.87 kJ/mol；結合NO分子時，在低自旋狀態時結合能最低，為-85.60 kJ/mol。

鐵卟啉；結合作用；自旋狀態；量子化學計算

鐵卟啉環結構分子在生物體內血紅蛋白運輸O2和CO2起著至關重要的作用，是一種重要的生物載體，關于其載氧機制的研究正在不斷深入，目前大多數采用拉曼光譜和熒光分光光度法等實驗方法[1]，為進一步研究，金屬自旋狀態是實驗過程中所不能回避的問題，通過實驗手段很難分析鐵卟啉環與氣體分子結合的金屬自旋狀態[2]，而通過量子化學計算方法卻可以準確、直觀地解決這個問題。Abdurahman et al[3]在2009年成功建立了鐵卟啉與多種氣體分子結合的量子化學體系，Mara et al[4]在2013年對鐵卟啉與O2結合體系進行了量子化學計算，均發現鐵卟啉環復雜的自旋狀態對氣體分子結合作用起著巨大影響。該研究選取了大氣層中最常見的3種氣體分子(O2、N2、NO)進行研究，通過量子化學理論計算血紅蛋白中鐵卟啉與O2、NO和N23種氣體分子在低、中、高3種自旋狀態下的結合能，分析其金屬自旋狀態，為體內血紅蛋白結合氣體研究提供新的指導。

1 材料與方法

1.1 鐵卟啉結構優化 本研究選用的血紅蛋白晶體為氧化性人血紅蛋白(PDB編號：1HHO)，在人體內廣泛存在，參與許多重要的生理過程。從蛋白晶體數據庫(www.rcsb.org)中下載整個晶體結構，1HHO晶體由α鏈和β鏈組成，使用MAESTRO軟件(Schrodinger公司提供的建模軟件)打開導入氣體分子結構的1HHO晶體α鏈，利用軟件自身所帶的蛋白質優化模塊對整個α鏈進行氫原子補充，接下來拆開金屬鍵和糾正金屬元素的價態和周邊原子的價態，然后給整個體系施加OPLS-2005分子力場，其中收斂性判定準則參數限制在0.05以內，直到所有非氫原子位置參數誤差在均根方差值0.3 ?內，再以亞鐵離子為中心，選取距離亞鐵離子直線距離8 ?的所有氨基酸作為新的計算體系(圖1)。這個體系的總原子數是414個，滿足接下來量子化學計算的條件。

圖1 1HHO α鏈上縮減后的計算體系

綠色部分是1HHO整條α鏈，而橙色部分是縮減后的計算體系，其中FeP用的是球棍模型顯示，而周邊的氨基酸則用的是線條顯示。

1.2 鐵卟啉自旋狀態設定 在血紅蛋白鐵卟啉環中心的鐵原子通常是有6個配位鍵，其中4個與4個吡咯環的氮原子相連接，另外2個分布在垂直于卟啉環平面的軸上，分別在卟啉環平面的上下，鐵原子在這個α鏈是處于亞鐵離子狀態，這個亞鐵離子可能存在3種不同的自旋多重度，分別是低自旋(S=1/2)、中自旋(S=3/2)和高自旋狀態(S=5/2)下[5]，所以本計算體系采用體系總價態+2價，自旋多重度分別處于3種自旋多重度進行計算。

1.3 量子化學計算 利用半經驗量子化學計算軟件MOPAC2012的PM7方法對優化后的計算體系分別在3種自旋多重度下進行計算，整個計算體系電荷設置為+2價，其他設置參數都設為默認參數[6]，為了比較計算結果的準確性，同時采用MOPAC 2012下的PM6方法采用同樣的參數進行同樣的計算。統計總計算體系下的結構參數，包括Fe原子到氣體分子的直線距離(dX)、Fe原子到4個氮原子的距離平均值(dFe-4N)、 Fe原子的原子電荷(qFe)和體系總能量(EFePX)。所有的電荷分析都用自然軌道理論(natural bond orbital，NBO)電荷進行分析。

利用上述計算方法分別計算FeP和單個氣(味)體分子體系的能量，根據能量守恒定律，計算體系總結合能公式：Ebind=EFePX-(EFeP+EX)，其中EFeP指的是FeP體系的總能量，EX指的是單個分子體系的總能量。

2 結果

2.1 鐵卟啉環與3種氣體分子結合體系的位置參數 總計算體系下的結構參數見表1，其中不難看出，整個PM7算法的精確度和穩定性明顯高出了PM6算法。

2.2 金屬卟啉環與3種氣體分子結合體系的結合能 通過計算鐵卟啉在沒有結合任何氣體分子的時候，處于低自旋狀態體系總能量為-42.51 kJ/mol，處于中自旋狀態體系總能量為-38.62 kJ/mol，處于高自旋狀態體系總能量為-22.13 kJ/mol。金屬卟啉環與3種氣體分子結合體系的不同自旋多重度下結合能見表2。

表1 金屬卟啉環與3種氣體分子結合體系的位置參數

表2 金屬卟啉環與3種氣體分子結合體系的不同自旋多重度下結合能

2.3 金屬卟啉環與不同氣體分子在PM7計算方法下的結合圖 根據表1的結果分析得知，PM7計算方法在計算精確度與穩定性上明顯高于PM6計算方法，同時根據表2的能量值來看，不同自旋多重度下最低能量值的體系是最穩定的體系，也是最有可能存在體內的體系，O2與金屬卟啉環在Ms=6自旋多重度下結合體系總能量最低(圖2A)，NO與金屬卟啉環在Ms=1自旋多重度下結合體系能量最低(圖2B)，N2與金屬卟啉環在Ms=2自旋多重度下結合體系能力最低(圖2C)。

圖2 金屬卟啉環與不同氣體分子結合圖

金屬卟啉環和氣體分子使用桿狀結構顯示，周邊氨基酸使用線狀結構顯示。A：O2與金屬卟啉環在Ms=6自旋多重度下連接圖；B：NO與金屬卟啉環在Ms=1自旋多重度下連接圖；C：N2與金屬卟啉環在Ms=2自旋多重度下連接圖。

3 討論

通過在表1中FePO2的PM7算法下結構參數中可以看出，無論在哪種自旋多重度下，Fe原子到O2的鍵長都是1.655 9 ?, Fe原子到4個氮原子的平均距離也都是1.983 4 ?，這兩組數據說明鐵卟啉與O2分子在低、中、高3種自旋多重度下結合位置角度都是一致的。檢索過去的血紅蛋白晶體研究[7]數據顯示，血紅蛋白中鐵卟啉與O2結合時，Fe原子到O2的鍵長是在1.65 ? 到1.66 ?之間，Fe原子到4個氮原子的平均距離是1.99 ?。圖2A中顯示了FeP與O2結合模式圖，從圖中可以看出O2與亞鐵離子直接形成角度為60°，這也與之前文獻[8]報道的結果一致，PM7算法的結果非常符合這3項數據，充分說明了PM7算法下FeP與O2結合的精確性，而PM6計算結果卻出現了很大的偏差，只有在高自旋時候的計算結果才符合之前的研究數據，單純從這兩項數據對比就能證明PM7算法精確性和穩定性高于PM6算法，這也為接下來的PM7算法的結果準確性做出了解釋。

在鐵卟啉與O2結合體系下，根據表2中所列的結合能數據可以看出，在反應體系處于高自旋狀態下，總體系的結合能最低，這個最低能值直接說明著鐵卟啉與O2結合最有可能是處于高自旋狀態下發生的。值得注意的是，鐵卟啉與O2在低、中、高3種自旋態下的結合能差異很小，差值都在4 kJ/mol以內，而先前研究[9]報道，在沒有其他氨基酸存在于體系中時，鐵卟啉與O2結合最低能是處于高自旋狀態。這說明鐵卟啉與O2結合反應最可能是處于高自旋狀態下發生的。

在鐵卟啉與N2結合體系下，根據PM7算法的結果，總體系的結合能最低能值是處于低自旋狀態下，對比低、中、高3種自旋多重度下的結合能可以發現明顯的差異，說明鐵卟啉與N2最有可能發生結合反應是發生在低自旋狀態下。根據圖2C的結合模式圖和表1中結構數據可以得出，N2分子在結合體系中是垂直于鐵卟啉平面的，并且N2分子相對于鐵卟啉平面有0.0642 ?的外移，這說明鐵卟啉在分別結合O2和NO時體系結構是不一樣的。

鐵卟啉的金屬自旋狀態影響鐵卟啉環與3種氣體分子的結合作用，目前通過實驗手段很難獲取鐵卟啉環與氣體分子結合的金屬自旋狀態，利用量子化學計算方法可以定量分析其金屬自旋狀態。本研究結果表明，鐵卟啉結合O2分子時最低能級是處于高自旋狀態，結合NO和N2分子時最低能級是處于低自旋狀態，對比與沒有結合任何氣體分子時的鐵卟啉的自旋狀態可以得出，雖然空氣中N2含量高于O2含量，但體內血紅蛋白優先結合O2。

(本工作受中國科學技術大學超級計算中心支持)

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[2] Samanta S, Das P K, Chatterjee S, et al. O2reduction reaction by biologically relevant anionic ligand bound iron porphyrin complexes.[J]. Inorg Chem, 2013, 52(22):12963-71.

[3] Abdurahman A, Renger T.Density functional studies of iron-porphyrin cation with small ligands X (X: O, CO, NO, O2, N2, H2O, N2O, CO2)[J]. J Phys Chem A, 2009,113(32):9202-6.

[4] Mara M W, Shelby M, Stickrath A, et al. Electronic and nuclear structural snapshots in ligand dissociation and recombination processes of iron porphyrin in solution: a combined optical/X-ray approach[J]. J Phys Chem B, 2013, 117(45): 14089-98.

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Ma Lei, Liu Shu, Xu Jinyong, et al

(DeptofNeurobiologyandAnatomy,AnhuiMedicalUniversity,Hefei230032)

Analysis of metal spin state between iron porphyrins with O2，N2，NO

To investigate the binding modes between iron porphyrins and the three kinds of gas molecules, O2, NO and N2in the hemoglobin, analyze the influence on the binding modes by three spin states (low, medium, high spin states) of the three gas molecules. Using semi-empirical quantum chemistry calculation software MOPAC 2012, parameters were tuned and the binding free energy was calculated. When the iron porphyrin was combined with O2, the binding energy was lowest in the high spin state, which was -96.19 kJ/mol; combined with N2，the binding energy was -48.87 kJ/mol in the low spin state; combined with the NO, the binding energy was -85.60 kJ/mol in the low spin state.

iron porphyrins; binding interaction; spin state; quantum chemical calculation

時間：2015-12-30 14:38

http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1065.R.20151230.1438.064.html

國家自然科學基金青年科學基金項目(編號：81000589)

安徽醫科大學神經生物學研究所，合肥 230032

馬 磊，男，碩士研究生；

李光武，男，副教授，碩士生導師，責任作者，E-mail：guangwuli@sina.com

O 621.1

A

1000-1492(2016)01-0134-04

2015-10-13接收