铁卟啉与O2、N2、NO结合后的金属自旋状态分析

马 磊，刘 述，徐金勇，李光武



◇经验与体会◇

铁卟啉与O2、N2、NO结合后的金属自旋状态分析

马 磊，刘 述，徐金勇，李光武

通过半经验量子化学计算软件MOPAC2012研究血红蛋白中铁卟啉与3种气体分子O2、NO和N2在低、中、高3种自旋状态下的结合作用，计算体系中的基本机构参数和总能量变化，分析自旋状态在血红蛋白中结合气体分子的作用。铁卟啉结合O2分子时，在高自旋状态时结合能最低，为-96.19 kJ/mol；结合N2分子时，在低自旋状态时结合能最低，为-48.87 kJ/mol；结合NO分子时，在低自旋状态时结合能最低，为-85.60 kJ/mol。

铁卟啉；结合作用；自旋状态；量子化学计算

铁卟啉环结构分子在生物体内血红蛋白运输O2和CO2起着至关重要的作用，是一种重要的生物载体，关于其载氧机制的研究正在不断深入，目前大多数采用拉曼光谱和荧光分光光度法等实验方法[1]，为进一步研究，金属自旋状态是实验过程中所不能回避的问题，通过实验手段很难分析铁卟啉环与气体分子结合的金属自旋状态[2]，而通过量子化学计算方法却可以准确、直观地解决这个问题。Abdurahman et al[3]在2009年成功建立了铁卟啉与多种气体分子结合的量子化学体系，Mara et al[4]在2013年对铁卟啉与O2结合体系进行了量子化学计算，均发现铁卟啉环复杂的自旋状态对气体分子结合作用起着巨大影响。该研究选取了大气层中最常见的3种气体分子(O2、N2、NO)进行研究，通过量子化学理论计算血红蛋白中铁卟啉与O2、NO和N23种气体分子在低、中、高3种自旋状态下的结合能，分析其金属自旋状态，为体内血红蛋白结合气体研究提供新的指导。

1 材料与方法

1.1 铁卟啉结构优化 本研究选用的血红蛋白晶体为氧化性人血红蛋白(PDB编号：1HHO)，在人体内广泛存在，参与许多重要的生理过程。从蛋白晶体数据库(www.rcsb.org)中下载整个晶体结构，1HHO晶体由α链和β链组成，使用MAESTRO软件(Schrodinger公司提供的建模软件)打开导入气体分子结构的1HHO晶体α链，利用软件自身所带的蛋白质优化模块对整个α链进行氢原子补充，接下来拆开金属键和纠正金属元素的价态和周边原子的价态，然后给整个体系施加OPLS-2005分子力场，其中收敛性判定准则参数限制在0.05以内，直到所有非氢原子位置参数误差在均根方差值0.3 Å内，再以亚铁离子为中心，选取距离亚铁离子直线距离8 Å的所有氨基酸作为新的计算体系(图1)。这个体系的总原子数是414个，满足接下来量子化学计算的条件。

图1 1HHO α链上缩减后的计算体系

绿色部分是1HHO整条α链，而橙色部分是缩减后的计算体系，其中FeP用的是球棍模型显示，而周边的氨基酸则用的是线条显示。

1.2 铁卟啉自旋状态设定 在血红蛋白铁卟啉环中心的铁原子通常是有6个配位键，其中4个与4个吡咯环的氮原子相连接，另外2个分布在垂直于卟啉环平面的轴上，分别在卟啉环平面的上下，铁原子在这个α链是处于亚铁离子状态，这个亚铁离子可能存在3种不同的自旋多重度，分别是低自旋(S=1/2)、中自旋(S=3/2)和高自旋状态(S=5/2)下[5]，所以本计算体系采用体系总价态+2价，自旋多重度分别处于3种自旋多重度进行计算。

1.3 量子化学计算 利用半经验量子化学计算软件MOPAC2012的PM7方法对优化后的计算体系分别在3种自旋多重度下进行计算，整个计算体系电荷设置为+2价，其他设置参数都设为默认参数[6]，为了比较计算结果的准确性，同时采用MOPAC 2012下的PM6方法采用同样的参数进行同样的计算。统计总计算体系下的结构参数，包括Fe原子到气体分子的直线距离(dX)、Fe原子到4个氮原子的距离平均值(dFe-4N)、 Fe原子的原子电荷(qFe)和体系总能量(EFePX)。所有的电荷分析都用自然轨道理论(natural bond orbital，NBO)电荷进行分析。

利用上述计算方法分别计算FeP和单个气(味)体分子体系的能量，根据能量守恒定律，计算体系总结合能公式：Ebind=EFePX-(EFeP+EX)，其中EFeP指的是FeP体系的总能量，EX指的是单个分子体系的总能量。

2 结果

2.1 铁卟啉环与3种气体分子结合体系的位置参数 总计算体系下的结构参数见表1，其中不难看出，整个PM7算法的精确度和稳定性明显高出了PM6算法。

2.2 金属卟啉环与3种气体分子结合体系的结合能 通过计算铁卟啉在没有结合任何气体分子的时候，处于低自旋状态体系总能量为-42.51 kJ/mol，处于中自旋状态体系总能量为-38.62 kJ/mol，处于高自旋状态体系总能量为-22.13 kJ/mol。金属卟啉环与3种气体分子结合体系的不同自旋多重度下结合能见表2。

表1 金属卟啉环与3种气体分子结合体系的位置参数

表2 金属卟啉环与3种气体分子结合体系的不同自旋多重度下结合能

2.3 金属卟啉环与不同气体分子在PM7计算方法下的结合图 根据表1的结果分析得知，PM7计算方法在计算精确度与稳定性上明显高于PM6计算方法，同时根据表2的能量值来看，不同自旋多重度下最低能量值的体系是最稳定的体系，也是最有可能存在体内的体系，O2与金属卟啉环在Ms=6自旋多重度下结合体系总能量最低(图2A)，NO与金属卟啉环在Ms=1自旋多重度下结合体系能量最低(图2B)，N2与金属卟啉环在Ms=2自旋多重度下结合体系能力最低(图2C)。

图2 金属卟啉环与不同气体分子结合图

金属卟啉环和气体分子使用杆状结构显示，周边氨基酸使用线状结构显示。A：O2与金属卟啉环在Ms=6自旋多重度下连接图；B：NO与金属卟啉环在Ms=1自旋多重度下连接图；C：N2与金属卟啉环在Ms=2自旋多重度下连接图。

3 讨论

通过在表1中FePO2的PM7算法下结构参数中可以看出，无论在哪种自旋多重度下，Fe原子到O2的键长都是1.655 9 Å, Fe原子到4个氮原子的平均距离也都是1.983 4 Å，这两组数据说明铁卟啉与O2分子在低、中、高3种自旋多重度下结合位置角度都是一致的。检索过去的血红蛋白晶体研究[7]数据显示，血红蛋白中铁卟啉与O2结合时，Fe原子到O2的键长是在1.65 Å 到1.66 Å之间，Fe原子到4个氮原子的平均距离是1.99 Å。图2A中显示了FeP与O2结合模式图，从图中可以看出O2与亚铁离子直接形成角度为60°，这也与之前文献[8]报道的结果一致，PM7算法的结果非常符合这3项数据，充分说明了PM7算法下FeP与O2结合的精确性，而PM6计算结果却出现了很大的偏差，只有在高自旋时候的计算结果才符合之前的研究数据，单纯从这两项数据对比就能证明PM7算法精确性和稳定性高于PM6算法，这也为接下来的PM7算法的结果准确性做出了解释。

在铁卟啉与O2结合体系下，根据表2中所列的结合能数据可以看出，在反应体系处于高自旋状态下，总体系的结合能最低，这个最低能值直接说明着铁卟啉与O2结合最有可能是处于高自旋状态下发生的。值得注意的是，铁卟啉与O2在低、中、高3种自旋态下的结合能差异很小，差值都在4 kJ/mol以内，而先前研究[9]报道，在没有其他氨基酸存在于体系中时，铁卟啉与O2结合最低能是处于高自旋状态。这说明铁卟啉与O2结合反应最可能是处于高自旋状态下发生的。

在铁卟啉与N2结合体系下，根据PM7算法的结果，总体系的结合能最低能值是处于低自旋状态下，对比低、中、高3种自旋多重度下的结合能可以发现明显的差异，说明铁卟啉与N2最有可能发生结合反应是发生在低自旋状态下。根据图2C的结合模式图和表1中结构数据可以得出，N2分子在结合体系中是垂直于铁卟啉平面的，并且N2分子相对于铁卟啉平面有0.0642 Å的外移，这说明铁卟啉在分别结合O2和NO时体系结构是不一样的。

铁卟啉的金属自旋状态影响铁卟啉环与3种气体分子的结合作用，目前通过实验手段很难获取铁卟啉环与气体分子结合的金属自旋状态，利用量子化学计算方法可以定量分析其金属自旋状态。本研究结果表明，铁卟啉结合O2分子时最低能级是处于高自旋状态，结合NO和N2分子时最低能级是处于低自旋状态，对比与没有结合任何气体分子时的铁卟啉的自旋状态可以得出，虽然空气中N2含量高于O2含量，但体内血红蛋白优先结合O2。

(本工作受中国科学技术大学超级计算中心支持)

[1] Reynolds M F, Parks R B, Burstyn J N, et al. Electronic absorption, EPR, and resonance raman spectroscopy of CooA, a CO-sensing transcription activator from R. rubrum, reveals a five-coordinate NO-heme[J]. Biochemistry,2000, 39(2):388-96.

[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.

[5] 张建坡. 过渡金属配合物激发态和光谱性质的量子理论研究：Os配合物[D]. 长春：吉林大学,2009.

[6] Stewart J J.Optimization of parameters for semiempirical methods VI: more modifications to the NDDO approximations and re-optimization of parameters[J]. J Mol Model, 2013, 19(1):1-32.

[7] 赵艳丽,许 炎,李遥洁,等. 量子化学在金属配合物中的应用进展[J]. 广东化工,2010,37(9):70-2.

[8] Ugalde J M, Dunietz B, Dreuw A, et al. The spin dependence of the spatial size of Fe(II) and of the structure of Fe(II)-porphyrins[J]. J Phys Chem A, 2004,108(21):4653-7.

[9] Bao X, Nie X, Deak D V, et al. A first-principles study of the role of quaternary-N doping on the oxygen reduction reaction activity and selectivity of graphene edge sites[J]. Top Catal,2013, 56(18-20):1623-33.

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

时间：2015-12-30 14:38

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

国家自然科学基金青年科学基金项目(编号：81000589)

安徽医科大学神经生物学研究所，合肥 230032

马 磊，男，硕士研究生；

李光武，男，副教授，硕士生导师，责任作者，E-mail：guangwuli@sina.com

O 621.1

A

1000-1492(2016)01-0134-04

2015-10-13接收