1、第 卷第期 年月辽宁师范大学学报（自然科学版）（）收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）作者简介：卢丽男（），女，辽宁兴城人，辽宁师范大学实验师，博士 ：赵东霞（），女，河南长垣人，辽宁师范大学教授，博士，博士生导师 ：文章编号：（）：应用 极化力场研究核酸碱基和氨基酸侧链的相互作用卢丽男，杨忠志，赵东霞（辽宁师范大学 化学化工学院，辽宁 大连 ）摘要：对 极化力场（）对核酸碱基、氨基酸侧链以及它们之间的相互作用进行研究 将体系的电荷密度分解到了原子区域、键区域、键区域和孤对电子区域，各个区域的电荷可以随着体系结构的变化以及周围环境不同而浮动，很好体现了体系极化效应在碱基和氨基酸之间
2、的相互作用中氢键起到了很重要的关键作用 通过氢键拟合函数对氢键相互作用区域进行特殊的考虑和处理 研究结果表明，应用 电荷模型计算得到个碱基模型、个氨基酸侧链模型和 个相互作用模型的电荷分布以及偶极矩，计算结果与量子力学方法（）相媲美应用 对 个模型分子进行结构的优化得到稳定结构，与计算的结果以及实验的构象有很好的一致性应用 和方法计算 个碱基和氨基酸相互作用模型的相互作用能，计算结果表明带电的氨基酸侧链与碱基的相互作用能大于不带电氨基酸侧链氨基酸侧链与碱基的相互作用能的顺序为：研究碱基和氨基酸侧链的相互作用，为研究和揭示蛋白质和核酸的相互识别机理奠定了良好的基础关键词：极化力场；电荷分布；氢键
3、；碱基和氨基酸侧链相互作用中图分类号：文献标识码：蛋白质和核酸是构成生命体最为重要的两类生物大分子蛋白质与核酸相互作用是许多细胞功能的核心，例如基因的调控与修复，蛋白翻译合成等 通过酶和调节蛋白确定核酸顺序的分子识别在基因表达中发挥着重要的作用 等人假定在碱基和氨基酸侧链之间的两根氢键可以用于 大沟中所有可能碱基对的唯一识别 在许多生物系统中，蛋白质识别特定的 位点的能力是非常重要的，但是控制这些相互作用的“规则”仍然没有被理解和揭示由于 结构是如此多样的，除了包含 螺旋外，还经常包括非 碱基对，在突起和环状物中还有未成对的碱基，以及三碱基对或其他高阶的三级的相互作用 同时，这些特有的结构环境
4、为特有的氨基酸碱基的氢键作用提供了一个新的机会 等人对碱基和氨基酸的识别过程的相互作用，做了系统的从头算分析 作者分析了 多第期卢丽男等：应用 极化力场研究核酸碱基和氨基酸侧链的相互作用 个含有个或更多的氢键的 碱基和氨基酸复合物 他们得出结论是带电的氨基酸残基（，和 ）（赖氨酸、天冬氨酸谷氨酸和精氨酸）有着更有利的分子间的相互作用能选取了个碱基单体，个氨基酸侧链单体和 个来源于 等人已经计算总结出来的蛋白质和 最常出现相互作用模型分子，构建 极化力场（）下的氨基酸碱基势能模型 利用 和 方法研究氨基酸侧链、碱基以及它们之间的相互作用，包括模型分子的电荷分布、偶极矩、氢键、能量的最小化和体系的
5、相互作用能等，分析碱基和氨基酸相互作用规律和性质 为 研究蛋白质和核酸的相互作用的大分子体系奠定了良好的基础计算方法 极化力场（）发展概念密度泛函理论，杨等人提出原子键电负性均衡模型和方法（电荷模型），并构建新一代极化分子力场，即 极化力场（）在该模型中浮动电荷的位点包括原子、键、键和孤对电子区域，能够准确地描述分子在环境变化时的静电极化，该模型符合极化力场的发展要求 已经成功地应用于水体系、离子水体系、蛋白质、核酸、金属蛋白等体系中，得到了很好的发展和应用 对体系描述的势能表达见式（）：（）（）（）（）（）（）（）.（）其中，第一项表示键长伸缩振动势能项，第二项表示键角弯曲振动势能项，项均采
6、用简谐振动的形式其中，和分别表示键长伸缩力常数和键弯曲力常数，表示原子之间的距离，和 分别表示平衡键长和平衡键角第三项表示二面角扭转势能项，、和表示二面角的扭转势能力常数，表示二面角的值第四项表示非共面二面角势能项，表示非共面二面角的扭转势能力常数，表示非共面二面角的值第五项表示范德华非键相互作用势能项，采用的是 势能 函数形式，其中，为常数，具体取值原则参见文献 表示和原子的势井深度，表示和原子的碰撞直径，表示和原子之间的距离 第六项表示静电相互作用势能项，采用的库仑势能函数的形式，和为位点和的电荷和的计算采用杨等人开发的 电荷模型（简称 方法）电荷的计算和处理模式是 的特色和优势所在 是位
7、点和之间的距离 是常数，具体取值原则参见文献 这里特殊说明的是：位点和形成氢键时，即为氢键拟合函数的值，具体的表现形式参 见 文 献 对 氢键 相 互 作 用区 域 进 行特 别的处 理 和 设 计使 对含有氢键体系的计算显示出了自己的优势 电荷模型在 电荷模型中，分子的单电子密度按式（）分割：（）（）（）（）（）（）（）.（）其中，（）和（）分别表示位于单键原子区域和双键原子区域的单电子密度，（）代表分布于单键区域的单电子密度，（）为位于双键的键区域的单电子密度，而（）代表位于双键的键区域的单电子密度，（）则表示位于孤对电子区域 的单电子密度.依据上面体系电子密度的划分，分子体系的总能量就被
8、分割成单键原子项、双键原子项、单键项、双键中的键项、双键中的键项、孤对电子项，以及它们之间的相互作用项 利用密度泛函理论中的 辽宁师范大学学报（自然科学版）第 卷电负性的定义式 （），（），可以定义分子中的任意一区域（原子、化学键、孤对电子以及双键中的和区域）的有效电负性表达为式（）：（），（），（），.（）其中，和分别表示分子中任意一区域的价态电负性，价态硬度和部分电荷，根据电负性均衡原理，分子中每一个原子、化学键和孤对电子的电负性相同，均等于分子电负性，即：根据电荷守恒条件，.为分子总电荷 如果对于一个含有个电荷区域的分子来说，就得到个均衡方程，加上对分子电荷限制方程，就有个方程，一共个未
9、知数，如果每个区域的价态电负性和硬度参数都已知，就可解上述线性方程组，快速计算得到体系的电荷分布图腺嘌呤（）、胞嘧啶（）、鸟嘌呤（）、尿嘧啶（）和氨基酸侧链的相互作用区域（相互作用区域用数字标记）（），（），（），（）（）模型分子的设计选取个典型核酸碱基模型分子：腺嘌呤（）、胞嘧啶（）、鸟嘌呤（）和尿嘧啶（）个碱基模型分子净电荷都为 同时设计个氨基酸侧链类似物的模型分子，这些分子代表典型的与碱基相互作用的氨基酸侧链的类型：丝氨酸或苏氨酸（）（净电荷为）、天门冬酰胺或谷氨酰胺（）（净电荷为）、天冬氨酸或谷氨酸（）（净电荷为）、赖氨酸（）（净电荷为）和精氨酸（）（净电荷为），如图所示核酸碱基和氨基
10、酸侧链相互作用模型选用 等人已经计算总结出来的蛋白质和 最常出现的复合物的模型分子文献 指出在 中，有未成对的 的碱基以及不成对的环境中发现碱基，这些条件为氨基酸侧链和碱基的作用提供了机会文献设计了氨基酸侧链和碱基相互作用模型分子，并且通过能量最小化和频率的计算确定了稳定构象，且大部分结构在 晶体数据库中都能找到 本文按照文献 模型相互作用区域设计得到 个模型分子的初始结构，并用 方法优化初始结构并进行了频率的计算，保证优化得到的是最低稳定构象，没有虚频 图给出了个碱基，个氨基酸侧链类似物以及它们之间相互作用的区域标记在图中，相互作用区域是氢键作用区域、与氨基酸侧链相互作用的模型分子数目分别有
11、、和，共计 个复合物复合物分子按照碱基和氨基酸侧链形成氢键的区域进行命名，如：当的区域与 的区域形成复合物第期卢丽男等：应用 极化力场研究核酸碱基和氨基酸侧链的相互作用 时，命名为 ，其他复合物分子也按照此方法来命名，具体名称参见部分 个复合物分子的净电荷情况：净电荷为；，和 净电荷为；其他复合物分子的净电荷为 使用 程序包，在 水平下优化模型分子，使用 水平下 布局分析，作为 方法计算电荷的参考标准，确定 方法的电荷参数 确定下来的 电荷参数，求得模型分子的电荷分布，得到中性模型分子的偶极矩，并与 方法的结果进行了对比 通过发展的 优化得到的模型分子的稳定构象，与 方法中 水平下的结果以及实
12、验相关数据进行了对比 应用 和 方法（校正和零点能的校正）对模型分子稳定构象的能量进行计算，得到碱基和氨基酸相互作用的规律结果与讨论分子结构优化应用 和 方法优化了、和 个碱基单体的结构，得到其稳定构象并与实验数据进行了统计和对比结果表明，与方法计算出来的个碱基的结构和实验数据符合得很好 方法计算的个碱基单体的稳定结构和实验数据 相比，键长总的平均绝对偏差（）为 ，键角总的 为，说明采用的 方法和基组的合理性和可靠性 计算的个碱基单体和实验数据相比，键长总的（）为 ，键角总的 为，结果甚至优于方法，同时力场方法计算速度快并且可以计算大分子体系同时通过上面的数据表明，方法 优化体系结构的可靠性应
13、用 对个氨基酸侧链模型分子进行了能量最小化，并与 的结果进行了比较，键长总的 为 ，键角总的 为 在没有改变任何力场参数的前提下，对 个碱基和氨基酸侧链所形成的复合物分子的结构进行了能量最小化，得到它们稳定几何结构，重点研究了 个这些分子中氢键区域与方法优化体系结构的结果相比，个模型分子的氢键的键长和键角与方法有很好的一致性氢键键长的 为 ，氢键键角的 为 以上的结果说明，研究带氢键结构的可靠性，验证了 力场的正确性，可行性以及参数的可转移性，有着很好的应用前景电荷分布和偶极矩应用 电荷模型采用拟合得到的参数，可以快速计算 个模型分子（包括个单分子和 个复合物分子）的电荷分布 表给出了 电荷模
14、型与从头算的计算结果的线性相关方程，.其中，与分别代表线性方程的斜率和截距，是线性相关系数，代表标准偏差.从表中可以看到接近于.，接近，均在 以上，接近于结果表明 电荷模型计算这些分子的电荷分布是合理的、正确的，且电荷参数是可转移的偶极矩是反映体系电荷分布情况的重要性质，可以衡量计算电荷模型的合理性 同样在已经确定的 模型电荷参数不变前提下，计算 个分子中 个不带电的分子的偶极矩，并与 水平下计算的结果进行了对比，列于表中 选择 水平下计算偶极矩作为标准，因为带有弥散函数的基组能够提供更准确的电子密度，给出更准确的偶极矩 而 方法计算电荷的参考标准是 水平下的电荷 由于含弥漫基函数的电荷分布的
15、计算问题是：一个弥散基函数位于一个原子，可以在一定程度上涵盖了其他相邻原子区域，导致在 布居分析中过高估计这一原子的极化作用，因此用最小基组计算电荷分布更加合理 同时由于 辽宁师范大学学报（自然科学版）第 卷 方法中偶极矩的计算采用的是电子密度的积分（）来计算一个分子的偶极矩，而 方法计算偶极矩使用的点电荷方法?基于以上两个原因，计算偶极矩的结果产生了偏差 两种方法计算得到偶极矩的平均偏差 为 计算结果总体表明了 电荷模型计算的偶极矩的合理性，说明了计算体系的电荷分布是可靠的，以及电荷参数的可转移性表 电荷模型计算 个模型分子的电荷分布与 结果的线性相关性 分子分子 表 电荷模型和方法计算 个
16、分子的偶极矩（）的对比 （）分子 分子 第期卢丽男等：应用 极化力场研究核酸碱基和氨基酸侧链的相互作用 氢键区域电荷的极化氢键作用在生物体系的研究中十分重要，碱基和氨基酸之间的相互作用中，氢键起到了关键的作用 的电荷是可以随着周围环境的变化而浮动的，很好的体现极化效应 模型分子中存在氢键相互作用的区域标记在图中 统计和分析了氢键相互作用区域的、原子电荷在单体中的原子电荷以及在复合物分子中的原子电荷，如图所示 可以明显地看出形成氢键的原子反映出了电荷相互作用的极化现象：氢键相互作用区域的和原子以及原子电荷与未形成氢键的单体中同样位置的原子电荷相比，与 原子的电荷更负，原子的电荷更正 特别的处理和设计氢键相互作用区域，该力场显示出研究含有氢键体系的优势图复合物中氢键位置的，和原子与其在单体中的电荷分布比较 ，复合物分子相互作用能蛋白质与核酸相互作用是许多细胞功能的核心，分子识别在基因表达中发挥着重要的作用，碱基与氨基酸侧链的相互作用能是分子相互识别的重要因素之一 应用 计算得到 个碱基与氨基酸侧链复合物分子的相互作用能 相互作用能 的计算公式为 其中，代表 分子间的相互作用能，代表体系 的
