分子氢显示出抗氧化活性，并对血管疾病具有明显的效果，但原子层面上对此的理解尚不令人满意。在这项工作中，我们使用第一原理计算研究了H2与血红素基团的结合特性，以及与其他双原子分子（DMs）包括O2、NO和CO及其置换反应的关系。我们对血红素基团进行分子建模，使用铁-卟啉配以咪唑配体，即FePIm，以及较小的Fe(CnHn+2N2)2NH3模型，其中n = 3和1，并对血红素-DM和-H的分子复合物进行建模。通过分析优化后的几何结构和能量学，我们发现DMs或H与血红素中的Fe结合强度的顺序对于基于FePIm的系统是NO > O2 > CO > H > H2，而对于基于模型的系统则是H > O2 > NO > CO > H2。我们计算了其他DMs置换H2和H的活化能，发现H2置换自发发生，而H置换需要大量的能量。最后，我们的计算证实速率常数随温度升高而增加，符合阿伦尼乌斯关系。

最近，分子氢（或氢气，H2）显示出治疗各种致命疾病的巨大潜力，包括癌症和血管病变。1–3 H2是最小、最轻的分子，加上其非极性特性，因此能够轻松穿透细胞膜并快速扩散进入细胞器，从而轻易进入任何器官。4,5此外，氢气无色、无味且无毒，而地球上的氢气资源丰富，是水分子的一部分。在治疗应用的早期阶段，高压H2被用于治疗小鼠皮肤鳞状细胞癌，6后来发现临床可行的H2剂量显著减少了细胞毒性反应性氧/氮物种（RONS），7这表明氢气可能是一种有效的抗氧化剂。过去二十年来，分子氢在人类和动物中的临床效果稳步报道。特别是，由细胞氧化还原失调引起的各种血管疾病，如糖尿病血管病变、动脉粥样硬化和高血压，可以通过吸入氢气或饮用富含H2的水来有效治疗。11–13当吸入氢气时，静脉和动脉血液中的H2浓度被发现与所施用的剂量成正比增加。14根据亨利定律，2%的H2浓度导致血液中的H2浓度为15.6微摩尔。考虑到细胞氧化还原失调是由于RONS和自我防御抗氧化剂之间的稳态抑制而发生的，H2可能会在催化金属阳离子如Fe2+和Cu+的存在下与RONS反应，通常是羟基自由基（˙OH）和过氧亚硝酸盐（ONOO−）。15,16虽然一些酶如过氧化氢酶和超氧化物歧化酶也可能减轻RONS诱导的细胞损伤，17但它们的临床疗效很少得到证明，因为它们无法穿透细胞膜屏障。此外，氢气还被用于通过缓冲大脑中氧化应激的破坏作用来治疗脑缺血，证明了其能够穿过血脑屏障的能力。18,19

为了解释H2对血管疾病的有效性，有人建议H2的效果可以通过血红素基团介导，如过氧化氢酶中的那些，20,21过氧化物酶22和基质金属蛋白。23考虑到血红素是血红蛋白（Hb）的活性位点，是血细胞的主要成分，我们最近使用密度泛函理论（DFT）计算对氢-原卟啉（带有咪唑配体的铁原卟啉：FePIm）复合物进行了系统研究。15我们提出了H2与血红素中Fe(II)的两种键合类型（二氢键和库巴斯键），并揭示了H2可以以相对较低的活化能垒解离形成FePIm-H复合物，阐明了血红素作为抗氧化活性的有效催化剂的关键作用，对抗RONS通过氢气。一些先前的工作也报告了二氢-金属蛋白复合物。24–28同时，其他双原子分子（DMs），如O2、NO和CO，可以与血红素强烈结合，在生物体中发挥重要的生物学作用。氧气分子O2与Hb的反应是可逆的，允许在呼吸链中运输和储存二氧。由于对血红素中铁的高亲和力，NO和CO都表现出药用效果，一方面作为细胞间信号分子，另一方面则是毒药。有相当多的先前理论工作在文献中报道了DMs与血红素基团的结合29–32以及血红素基团本身的几何和电子性质。33–37把所有因素放在一起，自然会提出一个问题：如果通过吸入分子氢将氢与血红素结合，那么像O2、NO和CO这样的DMs能否置换与血红素结合的H2分子或H原子？如果是这样，这种置换反应的活化能垒有多高？

这项工作的目的是回答这些问题。我们进行了DFT计算和从头算分子动力学（AIMD）模拟，以估计FePIm复合物与DMs的结合能和置换活化能。我们将论文组织如下。在描述了计算方法之后，我们简要解释了复合物的结合特征以及它们的分子振动和电子结构。然后，我们展示了关于O2、NO和CO置换与血红素结合的H2分子或H原子的能量学结果。

2 计算方法

DFT计算是使用NWChem（版本6.6）软件包进行的，38使用了混合B3LYP交换-相关（XC）泛函39,40和下面描述的基组组合。对于具有奇数个电子的系统，在整个过程中使用了自旋非限制的开壳形式。在所有DFT计算中，非金属元素C、O、N和H使用了6-311G基组，而Fe(II)使用了标准的有效核心势（ECP）和标准的LANL2DZ_ECP基组。41几何优化后，我们对所有的分子系统进行了频率计算。我们考虑了总DFT能量的热校正（TC）和零点校正（ZPC）。使用反演法校正了结合能计算中的基组叠加误差（BSSE）。42对于几何优化，基于拟牛顿算法使用了DRIVER模块，收敛标准为“tight”，这是NWChem软件包中可能选择的最高精确度的几何优化。使用了带有10个NEB珠子的nudged elastic band（NEB）方法来估计置换反应的活化能，随后进行了带有10个珠子的零温度字符串计算。43对于AIMD模拟，截断半径设置为2.8 nm，使用了Berendsen恒温器在T = 300 K下的恒温集合，温度松弛时间为0.05 ps，时间步长和持续时间分别设置为1 fs和1 ps。

我们的计算是在三个分子系统上进行的，以模拟血红素基团，如图1所示。第一个系统是Fe(II)-卟啉-咪唑配体（FePIm），是本工作中最大且最现实的系统（图1a），并且已被广泛用于研究小分子与血红素基团的反应的DFT计算中。15,34,35,44由于FePIm太大，无法用于直接动力学对变分过渡态理论（DIRDYVTST）的速率常数计算，因此也考虑了较小的模型1和2。模型1和2的化学式可以表示为[Fe(CnHn+2N2)2NH3]，其中n分别为3和1。类似于1和2但具有不同配体的小型模型以前已被证明可以复制FePIm模型的一些特征。29,35在这些模型中，两个配体乙烯酰胺C3H5N2−或酰胺CH3N2−对称地位于Fe中心周围，具有与完整的卟啉环相同的键合几何形状和电荷。它们与FePIm系统在其共轭性质上有所不同，因为没有环状环。较大的模型1比模型2更类似于FePIm系统，因为它在N原子之间具有相同数量的C原子，因此与FePIm的卟啉具有更相似的键角。两个模型中的氨分子，尺寸小、对称性高并且向Fe提供了一个单一的孤对电子，被选来模拟咪唑基团。

图1 Fe-卟啉与咪唑配体（FePIm）、模型1 Fe(C3H5N2)2NH3、和模型2 Fe(CH3N2)2NH3的分子结构。

化学反应速率仅针对模型2进行了计算，因为FePIm系统和模型1的计算负载相当重。通过连接NWChem和Polyrate软件包进行计算。45–47使用NEB计算确定的反应物、产物和鞍点的优化几何结构，我们应用了包含在NWChem软件包中的DIRDYVTST模块，在B3LYP/6-31G和LANL2DZ级别上进行电子结构计算。我们选择了Page-McIver校正的局部二次近似（CLQA）作为积分方法来跟踪反应路径。将得到的能量、梯度和Hessians合并到file30中，这是Polyrate的输入文件。在使用Polyrate软件包时，我们还计算了逆反应速率和平衡速率常数。

3 结果与讨论

3.1 几何和结合特征

这项工作的目的是研究H2或H与血红素结合的置换反应，以及DMs如O2、NO和CO。因此，要考虑的分子系统是血红素-DM和-H，其中血红素使用FePIm、模型1和模型2建模，DMs为H2、O2、NO和CO，总共有15个分子系统。首先，这些15个分子系统的几何结构在B3LYP/6-311G和LANL2DZ_ECP级别上进行了优化。图2显示了它们的优化几何结构，以及包括最高占据分子轨道（HOMO）和最低未占据分子轨道（LUMO）的前线分子轨道。正如实验48和理论31中所阐明的，DMs O2、NO和CO与二价铁形成新的化学键。同样，分子氢和氢原子也与血红素中的铁结合，这在我们的先前工作中已经得到证实。15表1列出了所有分子系统中大部分围绕Fe原子的典型键长和键角。

图2 血红素-DM和-H化合物的优化几何结构，其中血红素由FePIm、模型1和模型2建模，DMs为H2、O2、NO和CO。图中展示了最高占据分子轨道（HOMOs）和最低未占据分子轨道（LUMOs），以及以eV为单位的分子轨道能级。

表1 典型键长d（单位：Å）和键角α（单位：度），以及血红素-H2、-H、-O2、-NO和-CO化合物的结合能Eb（单位：kcal mol−1），其中血红素使用FePIm、模型1和模型2建模。几何结构使用B3LYP/6-311G和LANL2DZ_ECP方法优化。Np代表卟啉或血红素的氮原子，对于NO的情况表示NO分子的氮原子。

结论

在这项工作中，我们使用DFT和VTST计算研究了分子氢与血红素的结合特性以及其与DMs的竞争和置换反应。血红素基团使用FePIm、模型1和模型2进行建模，而各种分子复合物是通过将DMs即H2、O2、NO和CO或一个H原子与模型化的血红素基团结合构建的。通过分析使用B3LYP/6-311G和LANL2DZ_ECP方法优化的血红素-DM和-H分子复合物的结构和能量学，发现三个血红素模型中的Fe-DM键角相似，且O2复合物在三个模型中具有最低的硬度和最高的亲电性。此外，模型1和2中的结构性质和反应性的一般趋势类似于FePIm，表明简化模型可用于进一步计算。不同之处在于DMs或H与血红素中Fe的结合强度的顺序，对于基于FePIm的复合物是NO > O2 > CO > H > H2，而对于基于模型的复合物则是H > O2 > NO > CO > H2。通过对FePIm-H2⋯DM和FePIm-H2⋯DM复合物的AIMD模拟，观察到在FePIm上，H2可以被O2和NO轻易置换，但不能被CO置换，而在室温下，H可以被NO置换，但不能被O2和CO置换。通过应用NEB方法确定了H2或H与其他DMs置换反应的活化能，发现由于低于11 kcal mol−1的非常低的活化能，H2被O2、NO和CO置换几乎可以自发发生，但由于超过30 kcal mol−1的高活化能，H原子置换应该需要大量的能量，对于三个血红素模型而言。最后，我们计算了基于模型2的置换反应的速率常数和平衡常数随温度的变化，确认速率常数满足随温度升高而增加的一般趋势，并且通过拟合到阿伦尼乌斯方程确定的活化能与NEB计算的结果吻合良好。通过这些发现，我们相信本工作有助于理解分子氢对血管疾病的疗效和发展增强型药物。