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摘要

背景:鉴于水碘化钾(KI)众所周知的保健特性，采用了基于量子化学的分子建模，即基于密度泛函理论的分子建模(DFT/MM)，以了解碘离子(I^-)显示了线粒体水基磷酸化过程中的抗氧化特性(太)活细胞。

材料与方法:通过使用B3LYP交换相关函数和Spartan ' 18 (Wavefunction, Inc.)的6-31G (d)基集，我们实现了DFT/MM等效于量子力学/分子力学(QM/MM)方法。欧文,CA)。

结果:碘离子(我^-)与碘化氢(HI)达到平衡，被基态氧(^3.O₂)或过氧化氢(HOOH)水溶液。DFT/MM还验证了范德华力(vdW)诱导低碘酸(HOI)与苯丙氨酸的范德华力(vdW)聚合，从而生成酪氨酸，并且vdW强烈作用于酪氨酸与HOI的聚合，导致2-碘酪氨酸生成2,6-二碘酪氨酸。2,6-二碘酪氨酸作为甲状腺激素T4的同源物被证实对体内有害活性氧具有抗氧化作用太，即HOOH和羟基自由基。

关键字

线粒体、分子力学

简介

长期以来，人们都知道碘是一种无病长寿的必要微量元素。最近关于碘的开放获取评论文章和网站文件提到，碘作为甲状腺激素的基本成分，在生命的所有阶段都是必需的，特别是在生长期[1,2]。换句话说，甲状腺激素，即四碘甲状腺原氨酸(T4或甲状腺素)和三碘甲状腺原氨酸(T3)被认为在身体细胞的一般生长和发育以及代谢能量的产生过程中发挥重要作用太作为细胞的动力源。我们之前的分子模型(DFT/MM)研究证实了T3和T4甲状腺激素的抗氧化作用作为超氧化物歧化酶(SOD)在线粒体的还原磷酸化过程中起作用(太)[3]。这些科学事实预示着活动的质量和数量太维持日常功能重要吗太在健康人体细胞中，碘元素离子(I^-)被推测为在水细胞或水细胞中形成像T3和T4这样的含碘化学物质的关键太系统。从碘离子开始的生物和化学过程^-)、苯丙氨酸及最终形成的碘化酪氨酸衍生物，采用PC机上安装的Spartan’18软件进行DFT/MM分析、验证和预测。

碘化氢与碘离子平衡的验证(I^-)在水溶液中

我们推测碘化钾盐(K⁺我^-)一定与碘化氢H处于平衡状态⁺我^-和H-I在水溶液中的共价键。如图1和表S1所示，K⁺我^-H_3.O⁺我^-, HI&H₂O和含水的K⁺我^-h₂O H_3.O⁺我^-h₂O和嗨(H₂O)₂为它们的平衡几何(EQG)和生成热(ΔE)建立了分子模型。有趣的是，H_3.O⁺我^-与HI&H相当吗₂O.当比较每个ΔE时，HI&H的两个总和₂O & H₂O)₂更多exothermically形式。这些事实预示着非保税总量K⁺我^-h₂O转变为共价键H-I和HI&H₂O & H₂O)₂被推测在像血流这样的水系统中彼此处于平衡状态(图1)。

图1所示。碘化氢(H-I)在稀释的碘化钾水溶液体系中的共价键验证

验证由含水血液系统中的碘化氢形成的低碘酸(IOH)

在含水的血液系统中，基态氧(^3.O₂)与O的超氧阴离子自由基形成的HOOH平衡₂^．-．DFT/MM验证两者^3.O₂和O₂^．-(表S2，图2)。[H₂O &H-I&&H₂O)^．+和[H-I& (H₂O)₂］^．+验证H- i键距的伸长(分别为3.227,3.774Å)和H的碘与氧原子间的空间距离₂O，分别减少到2.660Å和2.954Å。自由基(自旋)密度构型解释了低碘酸(IOH)的自发形成及其水合的IOH和(H₂O)₂通过自由基耦合反应(表S3，图2)。

图2。水溶液中H-I氧化形成IOH的DFT/MM

苯丙氨酸与IOH相互作用形成酪氨酸的验证

图3显示了vdW骨料的生成热(ΔE)和能量结构，ioh和(H₂O)₂离子结合骨料，I⁺何^-& (H₂O)₂．两个LUMO的电位都足够负，彼此相当(-2.42 eV和-2.66 eV)。生成热(ΔE)对于I⁺何^-& (H₂O)₂．(ΔE=-361千卡/摩尔)比ioh和(H₂O)₂(ΔE = -188千卡每摩尔)。DFT/MM分析证实了两种骨料之间是平衡的，而I的热稳定骨料⁺何^-& (H₂O)₂应该在水溶液中工作，我呢⁺对苯丙氨酸是非常活跃的亲电试剂。

图3。IOH和I之间EQG的DFT/MM⁺哦^-

高活性亲电试剂中LUMO的量子化学研究⁺对苯丙氨酸的HOMO进行了测定。在LUMO和HOMO的反应相互作用中，亲电试剂I⁺是允许自己定位在一个富电子的对位，在垂直距离1.6 Å，然后分子建模。得到I的EQG⁺苯丙氨酸见图4和表S4。EQG显示我⁺位置4上的碳氢键伸长到1.093 Å，与苯丙氨酸环面成键角为114.45°。此外，苯丙氨酸的结构中对位的两个碳I⁺和何^-Å也是分子模型(图4和表S4)。键距的变化和对位C-H键角的变化均与I的EQG的变化相当⁺苯丙氨酸。EQG的我⁺&phenylalanine&HO^-看起来像是苯胺与IOH有效聚合后向酪氨酸的过渡态。

图4。苯丙氨酸和I的范德华聚合形成酪氨酸的DFT/MM⁺哦^-

证实了碘化氢诱导的酪氨酸碘化为2,6-二碘酪氨酸作为甲状腺激素的同源物，T4

酪氨酸和I的聚集物⁺何^-h₂O在Spartan ' 18上通过MMFF操作进行优化，然后进行分子建模，如图5和表S5所示。由此得到的EQG结构表明I⁺邻位碳(2,259Å)较短，环HO基团的成键距离(1.866Å)拉长，与苯环邻位的HO键角(147.23°)出平面，H-O键距离(1.088Å)拉长。

图5。DFT/MM对2-碘酪氨酸和2,6-二碘酪氨酸与I通过范德华聚合形成的影响⁺哦^-

EQG分析对2-碘酪氨酸生成2,6-二碘酪氨酸是正确的，如图5和表S5所示。值得注意的是，这两种生成热，ΔE=-250千卡/mol， ΔE=-361千卡/mol都是负的，且较大，而且当血液中T4(参考区间8~17 pg/mL)的量大于T3(参考区间2.1~3.1 pg/mL)时，预计2,6-二多酪氨酸的生成量比2-碘多酪氨酸多。

甲状腺激素T4同源物2,6-二代酪氨酸抗氧化作用的验证

2,6-二碘酪氨酸与HOOH的vdW聚合，即HOOH&(H₂O)₂的分子模型和聚合体的能量结构HOOH&(H₂O)₂将2,6-二碘酪氨酸与HOOH&(H₂O)₂(图6)。此外，HOOH& (H₂O)₂2,6-二碘酪氨酸的LUMO电位(-0.72 eV)低于hooh和(H₂O)₂事实上，它支持2,6-二碘脱氧酪氨酸的抗氧化作用。

图6。基于DFT/ mm的2,6-二碘脱氧酪氨酸抗氧化性能验证

所谓恶活性氧，羟基自由基(HO^．)将通过还原过氧化氢产生。DFT/MM显示羟基自由基(HO^．)本身与2,6-二碘酪氨酸聚合，并使LUMO电位增加到比HO的LUMO电位更高(EbLUMO=-2.4 eV)^．h₂O (EbLUMO=-3.0eV)(图7，表S6)。此外，自由基(自旋)密度在原始的HO部分消失，在集料中含碘原子的部分离域。基于量子化学的证据证实了恶HO自由基(HO^．）.

图7。基于DFT/ mm的2,6-二碘代酪氨酸抗羟基自由基(HO^．）

结论

DFT/MM对生物化学中的分子过程提供了可预测的结果。膳食摄入的可接受水平的碘化钾(KI)通过人体细胞中的酪氨酸和2-碘酪氨酸将苯丙氨酸转化为2,6-二碘酪氨酸已通过该方法得到验证。6-二碘酪氨酸防止HOOH在太就像甲状腺激素，有助于持久太在功能活跃的细胞中。最近，我们的紫外/可见光谱分析结合DFT/MM证实了碘水溶液是由水合的I组成的₂HI和IOH。当脂膜在太0.5µm尺寸的样品受到HOOH和羟基自由基(HO^．)，它们看起来肿了。肿胀的脂质膜太将会使太看起来像癌症组织。碘化物的抗癌活性的DFT/MM将在不久的将来被报道。

确认

作者感谢Kenji Osabe博士(大阪大学ISRI，大阪，日本)对线粒体持久性的量子化学分子建模的讨论。

参考文献

1. Preeti Tomar Bhattacharya, Satya Ranjan Misra, Mohsina Hussain(2016)口腔健康和疾病中必需微量元素的营养方面:广泛综述。Scientifica2016: 1 - 12
2. 在网上用关键词“健康必需元素，碘”搜索:例如，你会找到“莱纳斯·鲍林研究所，健康老龄化方案”。
3. Shozo Yanagida, Kenji Osabe, Takeharu Nagai, Nobuyuki Murakami(2019)长寿的量子化学分子建模:线粒体作为细胞电池的抗氧化作用的重要性。中国摩尔地中海6: 1 - 10。