FeSOD天然酶活性中心的理论研究
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Ｏ
ａ 氧化型和还原型计算模型 ．： ： ｂ非活性计算模型
图 １ ｅＯ ＦＳ Ｄ活性 中心的计算模型
我们采用 Ｉ Ｄ ／ －Ｉ Ｎ Ｏ ＳＣ 方法计算 －Ｅ 一 ＦＳ Ｄ天然酶的 ３ ／ ｌ ］ｅＯ ＇０ 种形态的紫外 一 可见光谱（ 见图 ２ ， ）验 证了本文所用的理论方法的可靠性 ． 从图 ２ 以看出配体与金属发生 了相互作用， 种配合物 的振子强 可 ３ 度不同， 咪唑基的 ７ 跃迁（ ２ 在 ２ ０ｎｌ ｃ ＊ Ｅ 带） ４ ｌ左右 ， Ｔ 配体到金属离子 的电子跃迁在 ２ ０ｎ ８ ｍ左右， 失 活态显示 出 Ｎ 的 ４６ ５４啪 处的特征弱吸收峰， ３ ０和 ８ 结果与实验值相符［ １ 引．
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７ ８
东 北 师 大 学 报 （ 然 科 学 版） 自
第３ ９卷
了计算 ， 结果显示高 自旋态 ５的总能量比自 旋态为 ３ １ 和 时的总能量低 １ Ｖ左右， ＦＳ Ｄ为高自旋 ｅ 即 ｅＯ 态时较为稳定 ， Ｆｅ ｅ 等人最新 的实验结果一致 ． 与 ｉｄｒ ｌ 在后面的计算 中， 我们采用 Ｂ Ｌ Ｐ ６ １ ３ Ｙ ／— Ｇ 优化高 ３ 自 旋稳定构型．
Ｖｌ ． ９ Ｎｏ １ ｏ ３ ． １ Ｍ ａｃ ０ ７ ｒ ｈ２ ０
［ 文章编号］ｏｏ１３｛０７０— ７－４ ｌｏ一８２２０ ｝１ ０７０ ０
Ｆ Ｓ Ｄ 天然 酶 活 性 中心 的理论 研 究 ｅＯ
杨彦杰 ， 学仿 ， 革 ， 乾 ， 郑 蒋 唐 曹洪玉
（ 大连大学生物工程学院， 辽宁省高校生物有机化学重点 实验室， 辽宁 大连 １６２ ） １６２
１ 模型与方法
ＦＳ Ｄ来 自于 晶体结构 数据库 ， 号为 ｌＳ ｅＯ 编 ＩＡ还原型 （ＦＳ ￣）１Ｓ ｅＯＤ 、１Ｂ氧化 型 （ ｅＯＤ 和 ＩＳ ＦＳ ￣） ｌＣ
非活性形式（ｅＯ －３ ． Ｆ Ｓ Ｄ Ｎ ）将活性 中心 的金属离子 、 与其配位 的 ４个氨基酸 （ 个组氨酸 和 １ ３ 个天冬氨 酸） １ 及 个配位水分子与整体分离 ， 其余 的用 Ｈ原子饱和氨基酸残基 的悬挂键 ， 作为活性 中心模型（ 见 图１． ）所有运算均使用 Ｇ ｕ ｉ ０Ｗ 程序 ． ａｓａ ３ ｓｎ
（ 最高占据轨道） Ｌ （ 和 Ｉ ＭＯ 最低空轨道） 能级分别下降 ３ １ ．３和２ ７ 表明 Ｆ（ 有能力将 ０ ・ ．９ Ｖ， ｅ ｅⅢ） ２ 还 －
原为 Ｈ２ ； ０２但从 总能量 来看 ，ｅＯ ｒ ＦＳ Ｄ ｘ 低 ９ ９ Ｖ， ＦＳ Ｄ￣比 ｅＯ ｏ要 ．８ｅ 即还 原态 的 ＦＳ Ｄ更 稳定 ， ｅＯ 因此 氧化
２ １ 前线分 子轨道 能量 ． ・
Ｆ Ｓ Ｄ的前线 占据的分子轨道能量都为较大负值， ｅＯ 前线分子轨道能隙均较大， 可以看出两种活性
中心 的电子状 态都是 稳定 的（ 图 ３ ． 原态 的 ＦＳ Ｄ￣ 去一个 电子成为 氧化态 ＦＳ Ｄ ￣其 Ｈ 见 ）还 ｅＯ ｒ失 ｅＯ ｏ， ＯＭＯ
［ 要］ 通过密度泛 函理论计算 ， 摘 探讨 ＦＳ Ｄ天然酶氧化态、 ｅＯ 还原 态和失活态的活性 中心 的电子结构， 揭示具有较高的结构稳定性和催化超氧阴离子的活性 的原 因． ＦＳ Ｄ模拟化 为 ｅＯ
合物 的分子设计提 供 了重要 的信 息．
［ 关键词］ 酶； 密度泛函理论；Ｏ ＳＤ ［ 中图分类号］ Ｏ ６９８ ２ ． ［ 学科代码］ １０２ ５ ・０
态的 ＦＳ Ｄ也有将 ０－ 氧化为 ０ 而使体系更稳定的趋势 ， ｅＯ ２・ ２ 这些都说明 ＦＳ Ｄ容易发生氧化还原反 ｅＯ 应， 完成歧化分解清除 ｏ－ 的生理功能． ｈ・ 另外， ｅＯ －３ Ｆ Ｓ Ｄ Ｎ 失活态 比氧化、 还原态的总能量要低 ， 明显看
前人们研究的热点［ ８ Ｆ Ｓ Ｄ作为 Ｓ Ｄ家族的重要成员 ， 】 ｅＯ 一． Ｏ 活性 中心的结构与其生物活性的关系研究 已引起 众人关 注［】 文对 Ｆ Ｓ Ｄ 的生理 活性进行 理论 分析研究 ， 中心 金属原 子 的电子组态 、 子轨 ９． 本 ｅＯ 从 分 道能量、 然键轨道布居等角度分析了 ＦＳ Ｄ具有较高的结构稳定性和催化超氧阴离子活性 的原因． 自 ｅＯ
［由基 Ｏ （ ｅｃｖ ｘ ｇｎＳ ｅｉ ， Ｏ ） 称活性氧［ ， ・Ｒ ａｔ ｅ ｙｅ ｐｃ ｓＲ Ｓ ｉ Ｏ ｅ ¨ 为生命体在正常生理代谢的有氧呼
吸 过程 中产 生 ． 细胞 中 Ｏ ・ 的浓 度增 加会 引起生 物膜 的过氧化 损伤 ， 成细 胞器 的损 害 以及 Ｄ 造 ＮＡ与蛋 白质 的降解 与失活 ． 生命 有机 体在 进化 过程 中形 成 了超氧化 物歧化 酶 （ｕｅｏｉｅ ｉ ｔ ｅ简称 Ｓ Ｄ） Ｓｐｒｘｄ Ｄｓ ａ ， ｍｕ ｓ Ｏ 清 除活性氧 的系统 ． 因 Ｓ Ｄ是一种很有前景的抗炎 、 Ｏ 抗衰老的药用酶， 其模拟化合物的设计 、 合成及构效关系已成为当
２ 结果与讨论
首先对 Ｆｓ Ｄ ｅｏ ０ 在理论上可能存在的 ３ 自旋多重度 １ ３ ５ Ｂ Ｌ Ｐ ３２Ｇ水平上分别进行 种 ， 和 在 ３ Ｙ ／－１
［ 收稿 日期】 ２０ —０ ０ ０６１ — ２ ［ 基金项目】 国家 自 然科学基金资助项 目（０７００ ． ２２１１ ） ［ 作者简介】 杨彦杰（ ９ ５ ） 女， １７一 ， 博士 ， 讲师 ， 主要从事应用量子化学研究
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第３ ９卷 第 ｌ期
２０ ０ ７年 ３月
东 北 师 大 学 报 （自 然 科 学 版 ）
Ｊ ｕ ａｏ ｏｔｅｓ Ｎ ｒ ｌ ｎｖｒ ｔ Ｎ ｔｒ ｃ ｎｅ ｄｔ ｎ ｏ ｒｌ ｆ ｒ ａｔ ｏｍａ Ｕ ｉｅ ｉ ｎ Ｎ ｈ ｓ ｙ（ ａｕａＳ ｉ ｃ ｉｏ ） ｌ ｅ Ｅ ｉ
０
Ｏ
ａ 氧化型和还原型计算模型 ．： ： ｂ非活性计算模型
图 １ ｅＯ ＦＳ Ｄ活性 中心的计算模型
我们采用 Ｉ Ｄ ／ －Ｉ Ｎ Ｏ ＳＣ 方法计算 －Ｅ 一 ＦＳ Ｄ天然酶的 ３ ／ ｌ ］ｅＯ ＇０ 种形态的紫外 一 可见光谱（ 见图 ２ ， ）验 证了本文所用的理论方法的可靠性 ． 从图 ２ 以看出配体与金属发生 了相互作用， 种配合物 的振子强 可 ３ 度不同， 咪唑基的 ７ 跃迁（ ２ 在 ２ ０ｎｌ ｃ ＊ Ｅ 带） ４ ｌ左右 ， Ｔ 配体到金属离子 的电子跃迁在 ２ ０ｎ ８ ｍ左右， 失 活态显示 出 Ｎ 的 ４６ ５４啪 处的特征弱吸收峰， ３ ０和 ８ 结果与实验值相符［ １ 引．
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第３ ９卷
了计算 ， 结果显示高 自旋态 ５的总能量比自 旋态为 ３ １ 和 时的总能量低 １ Ｖ左右， ＦＳ Ｄ为高自旋 ｅ 即 ｅＯ 态时较为稳定 ， Ｆｅ ｅ 等人最新 的实验结果一致 ． 与 ｉｄｒ ｌ 在后面的计算 中， 我们采用 Ｂ Ｌ Ｐ ６ １ ３ Ｙ ／— Ｇ 优化高 ３ 自 旋稳定构型．
Ｖｌ ． ９ Ｎｏ １ ｏ ３ ． １ Ｍ ａｃ ０ ７ ｒ ｈ２ ０
［ 文章编号］ｏｏ１３｛０７０— ７－４ ｌｏ一８２２０ ｝１ ０７０ ０
Ｆ Ｓ Ｄ 天然 酶 活 性 中心 的理论 研 究 ｅＯ
杨彦杰 ， 学仿 ， 革 ， 乾 ， 郑 蒋 唐 曹洪玉
（ 大连大学生物工程学院， 辽宁省高校生物有机化学重点 实验室， 辽宁 大连 １６２ ） １６２
１ 模型与方法
ＦＳ Ｄ来 自于 晶体结构 数据库 ， 号为 ｌＳ ｅＯ 编 ＩＡ还原型 （ＦＳ ￣）１Ｓ ｅＯＤ 、１Ｂ氧化 型 （ ｅＯＤ 和 ＩＳ ＦＳ ￣） ｌＣ
非活性形式（ｅＯ －３ ． Ｆ Ｓ Ｄ Ｎ ）将活性 中心 的金属离子 、 与其配位 的 ４个氨基酸 （ 个组氨酸 和 １ ３ 个天冬氨 酸） １ 及 个配位水分子与整体分离 ， 其余 的用 Ｈ原子饱和氨基酸残基 的悬挂键 ， 作为活性 中心模型（ 见 图１． ）所有运算均使用 Ｇ ｕ ｉ ０Ｗ 程序 ． ａｓａ ３ ｓｎ
（ 最高占据轨道） Ｌ （ 和 Ｉ ＭＯ 最低空轨道） 能级分别下降 ３ １ ．３和２ ７ 表明 Ｆ（ 有能力将 ０ ・ ．９ Ｖ， ｅ ｅⅢ） ２ 还 －
原为 Ｈ２ ； ０２但从 总能量 来看 ，ｅＯ ｒ ＦＳ Ｄ ｘ 低 ９ ９ Ｖ， ＦＳ Ｄ￣比 ｅＯ ｏ要 ．８ｅ 即还 原态 的 ＦＳ Ｄ更 稳定 ， ｅＯ 因此 氧化
２ １ 前线分 子轨道 能量 ． ・
Ｆ Ｓ Ｄ的前线 占据的分子轨道能量都为较大负值， ｅＯ 前线分子轨道能隙均较大， 可以看出两种活性
中心 的电子状 态都是 稳定 的（ 图 ３ ． 原态 的 ＦＳ Ｄ￣ 去一个 电子成为 氧化态 ＦＳ Ｄ ￣其 Ｈ 见 ）还 ｅＯ ｒ失 ｅＯ ｏ， ＯＭＯ
［ 要］ 通过密度泛 函理论计算 ， 摘 探讨 ＦＳ Ｄ天然酶氧化态、 ｅＯ 还原 态和失活态的活性 中心 的电子结构， 揭示具有较高的结构稳定性和催化超氧阴离子的活性 的原 因． ＦＳ Ｄ模拟化 为 ｅＯ
合物 的分子设计提 供 了重要 的信 息．
［ 关键词］ 酶； 密度泛函理论；Ｏ ＳＤ ［ 中图分类号］ Ｏ ６９８ ２ ． ［ 学科代码］ １０２ ５ ・０
态的 ＦＳ Ｄ也有将 ０－ 氧化为 ０ 而使体系更稳定的趋势 ， ｅＯ ２・ ２ 这些都说明 ＦＳ Ｄ容易发生氧化还原反 ｅＯ 应， 完成歧化分解清除 ｏ－ 的生理功能． ｈ・ 另外， ｅＯ －３ Ｆ Ｓ Ｄ Ｎ 失活态 比氧化、 还原态的总能量要低 ， 明显看
前人们研究的热点［ ８ Ｆ Ｓ Ｄ作为 Ｓ Ｄ家族的重要成员 ， 】 ｅＯ 一． Ｏ 活性 中心的结构与其生物活性的关系研究 已引起 众人关 注［】 文对 Ｆ Ｓ Ｄ 的生理 活性进行 理论 分析研究 ， 中心 金属原 子 的电子组态 、 子轨 ９． 本 ｅＯ 从 分 道能量、 然键轨道布居等角度分析了 ＦＳ Ｄ具有较高的结构稳定性和催化超氧阴离子活性 的原因． 自 ｅＯ
［由基 Ｏ （ ｅｃｖ ｘ ｇｎＳ ｅｉ ， Ｏ ） 称活性氧［ ， ・Ｒ ａｔ ｅ ｙｅ ｐｃ ｓＲ Ｓ ｉ Ｏ ｅ ¨ 为生命体在正常生理代谢的有氧呼
吸 过程 中产 生 ． 细胞 中 Ｏ ・ 的浓 度增 加会 引起生 物膜 的过氧化 损伤 ， 成细 胞器 的损 害 以及 Ｄ 造 ＮＡ与蛋 白质 的降解 与失活 ． 生命 有机 体在 进化 过程 中形 成 了超氧化 物歧化 酶 （ｕｅｏｉｅ ｉ ｔ ｅ简称 Ｓ Ｄ） Ｓｐｒｘｄ Ｄｓ ａ ， ｍｕ ｓ Ｏ 清 除活性氧 的系统 ． 因 Ｓ Ｄ是一种很有前景的抗炎 、 Ｏ 抗衰老的药用酶， 其模拟化合物的设计 、 合成及构效关系已成为当
２ 结果与讨论
首先对 Ｆｓ Ｄ ｅｏ ０ 在理论上可能存在的 ３ 自旋多重度 １ ３ ５ Ｂ Ｌ Ｐ ３２Ｇ水平上分别进行 种 ， 和 在 ３ Ｙ ／－１
［ 收稿 日期】 ２０ —０ ０ ０６１ — ２ ［ 基金项目】 国家 自 然科学基金资助项 目（０７００ ． ２２１１ ） ［ 作者简介】 杨彦杰（ ９ ５ ） 女， １７一 ， 博士 ， 讲师 ， 主要从事应用量子化学研究
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第３ ９卷 第 ｌ期
２０ ０ ７年 ３月
东 北 师 大 学 报 （自 然 科 学 版 ）
Ｊ ｕ ａｏ ｏｔｅｓ Ｎ ｒ ｌ ｎｖｒ ｔ Ｎ ｔｒ ｃ ｎｅ ｄｔ ｎ ｏ ｒｌ ｆ ｒ ａｔ ｏｍａ Ｕ ｉｅ ｉ ｎ Ｎ ｈ ｓ ｙ（ ａｕａＳ ｉ ｃ ｉｏ ） ｌ ｅ Ｅ ｉ