幾種穩(wěn)定構(gòu)型精氨酸分子的手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)機(jī)理及水溶劑化效應(yīng)

湯德懷，喻小繼，楊曉翠，王佐成，佟 華

(1. 白城師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，白城 137000；2. 長(zhǎng)春師范大學(xué) 外語(yǔ)學(xué)院，長(zhǎng)春 131000；3. 白城師范學(xué)院 物理學(xué)院，白城 137000)

幾種穩(wěn)定構(gòu)型精氨酸分子的手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)機(jī)理及水溶劑化效應(yīng)

湯德懷1，喻小繼2，楊曉翠3，王佐成3，佟 華3

(1. 白城師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，白城 137000；2. 長(zhǎng)春師范大學(xué) 外語(yǔ)學(xué)院，長(zhǎng)春 131000；3. 白城師范學(xué)院 物理學(xué)院，白城 137000)

采用密度泛函理論的B3LYP方法、微擾理論的MP2方法和自洽反應(yīng)場(chǎng)(SCRF)理論的smd模型方法，研究了2種最穩(wěn)定構(gòu)型的精氨酸分子的手性轉(zhuǎn)變機(jī)理及水溶劑化效應(yīng)．研究發(fā)現(xiàn)標(biāo)題反應(yīng)有3條通道a、b和c．對(duì)于構(gòu)型1，分別是手性碳上的質(zhì)子以氨基、羰基和氨基聯(lián)合以及羧基和氨基聯(lián)合為橋遷移．對(duì)于構(gòu)型2，分別是手性碳上的質(zhì)子只以氨基為橋、羧基異構(gòu)后再以氨基為橋遷移及以羧基和氨基聯(lián)合作橋遷移．勢(shì)能面計(jì)算表明： 構(gòu)型1的主反應(yīng)通道都是a，決速步自由能壘分別為268.2kJ·mol-1，來(lái)源于質(zhì)子從手性碳向氨基氮遷移的過(guò)渡態(tài)．構(gòu)型2的主反應(yīng)通道是b，決速步自由能壘為239.3kJ·mol-1，來(lái)源于質(zhì)子從手性碳向氨基氮遷移的過(guò)渡態(tài)．水溶劑效應(yīng)使構(gòu)型2的主反應(yīng)通道決速步自由能壘降到95.7kJ·mol-1．結(jié)果表明： 隨著溫度的升高，構(gòu)型2先手性轉(zhuǎn)變；水溶劑對(duì)精氨酸的手性轉(zhuǎn)變有極好的催化作用．

精氨酸； 手性； 密度泛函理論； 過(guò)渡態(tài)； 微擾理論； 自洽反應(yīng)場(chǎng)

精氨酸(Arg)是一種人體必需氨基酸，分為左旋體(S-Arg)和右旋體(R-Arg)．S-Arg具有重要的生理、代謝和營(yíng)養(yǎng)作用．S-Arg參與一些與氮轉(zhuǎn)移、貯存和排泄有關(guān)的代謝反應(yīng)，并有調(diào)節(jié)激素釋放的作用[1]．S-Arg可通過(guò)多種途徑促進(jìn)機(jī)體早期的生長(zhǎng)和發(fā)育，但在生長(zhǎng)發(fā)育速度較快的胚胎期、嬰幼兒期或在病理狀態(tài)下，精氨酸內(nèi)源合成往往不能滿足自身需要，需要通過(guò)飲食等途徑給予補(bǔ)充[2-3]．R-Arg對(duì)低氧環(huán)境下黃瓜幼苗根系多胺含量和無(wú)氧呼吸的代謝具有影響[4]，R-Arg具有抗高血壓的功效[5]，R-Arg可抑制癌癥擴(kuò)散，治療生長(zhǎng)激素過(guò)多釋放造成的紊亂[6-7]．

基于Arg的重要作用，人們對(duì)它進(jìn)行了大量的研究．黃志堅(jiān)[8]在理論上得到了氣相Arg分子的多個(gè)最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)及所占比率、紅外光譜和電離能．Wu等人[9]研究表明，Arg在體內(nèi)主要有3條代謝途徑： 一是經(jīng)一氧化氮合酶催化生成一氧化氮，二是在Arg酶催化下水解成鳥(niǎo)氨酸，鳥(niǎo)氨酸再在鳥(niǎo)氨酸脫羧酶催化下形成腐胺，三是由甘氨酸脒基轉(zhuǎn)移酶分解為鳥(niǎo)氨酸和肌酐酸，再經(jīng)Arg分解酶降解為鳥(niǎo)氨酸和尿素．張宏森等人[10]研究表明，在水、乙醇、甲醇、乙腈溶液中Arg的前線軌道能級(jí)變化不明顯，溶劑化作用對(duì)于能帶隙作用并不顯著．王衛(wèi)寧等人[11]研究了Arg的THz波段光譜，THz-TDS測(cè)試的有效光譜范圍為0.2～2.8THz，得到該波段Arg樣品的特征吸收峰位于0.99，1.47，2.60THz，與實(shí)驗(yàn)吸收峰位基本符合．

然而，關(guān)于Arg手性轉(zhuǎn)變機(jī)理的研究目前鮮見(jiàn)報(bào)道．氣相Arg手性轉(zhuǎn)變機(jī)制的研究，對(duì)于進(jìn)一步研究Arg在溶劑和納米限域環(huán)境的手性轉(zhuǎn)變具有重要的指導(dǎo)意義．文獻(xiàn)[12-15]的研究表明： 氣相的賴氨酸、α-丙氨酸、纈氨酸和半胱氨酸等氨基酸的手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)，優(yōu)勢(shì)反應(yīng)通道均是手性碳上的質(zhì)子以氨基為橋遷移．文獻(xiàn)[8]的研究表明，Arg分子能形成多種分子內(nèi)氫鍵，存在很多能量相近的穩(wěn)定構(gòu)型，S-Arg_1和S-Arg_2(見(jiàn)圖1)是S-Arg分子的2種最穩(wěn)定構(gòu)型．基于此，并考慮到生命體內(nèi)S-Arg分子廣泛地存在于水環(huán)境，研究了氣相S-Arg分子2種最穩(wěn)定構(gòu)型的手性轉(zhuǎn)變機(jī)制及水溶劑化效應(yīng)．說(shuō)明了氣相Arg分子具有穩(wěn)定性，揭示了生命體內(nèi)S-Arg分子旋光異構(gòu)的1個(gè)原因．同時(shí)對(duì)進(jìn)一步研究Arg在復(fù)雜環(huán)境下的立體異構(gòu)，以及為實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)S-Arg的旋光異構(gòu)，均具有重要的指導(dǎo)意義．

1 計(jì)算方法

采用密度泛函理論的B3LYP[16-17]方法，選用6-311++G(d, p)基組，全優(yōu)化S-Arg向R-Arg異構(gòu)過(guò)程中的各個(gè)駐點(diǎn)結(jié)構(gòu)．計(jì)算溶劑效應(yīng)時(shí)，對(duì)沒(méi)有H遷移的分子異構(gòu)過(guò)程，把水視為連續(xù)介質(zhì)，采用自洽反應(yīng)場(chǎng)(SCRF)理論的smd模型方法[18]．對(duì)H遷移過(guò)程，水分子直接參與反應(yīng)，把水視為離散介質(zhì)，同時(shí)還考慮底物分子的水合分子處在連續(xù)介質(zhì)的水環(huán)境．水環(huán)境下的Arg分子記作Arg@water，水環(huán)境下的其他分子表示法相似．通過(guò)對(duì)過(guò)渡態(tài)[19-20]進(jìn)行內(nèi)稟反應(yīng)坐標(biāo)(IRC)[21-22]計(jì)算，以驗(yàn)證它們是連接所期望的局域極小點(diǎn)．為計(jì)算出高水平的勢(shì)能面，采用微擾理論的MP2方法[23-24]，結(jié)合6-311++G(2df, pd)基組，計(jì)算體系的單點(diǎn)能．利用Gtotal=ESP+Gtc(Gtotal為熱校正的總自由能，ESP為單點(diǎn)能，Gtc為吉布斯自由能熱校正)計(jì)算熱校正的總自由能．計(jì)算均由Gaussian09[25]程序完成．

2 結(jié)果與討論

2.1S-Arg向R-Arg手性轉(zhuǎn)變的反應(yīng)通道

優(yōu)化的S-Arg_1、S-Arg_2和1種R-Arg的結(jié)構(gòu)如圖1．結(jié)構(gòu)分析表明： S-Arg_1具有氨基和羧基之間的分子內(nèi)雙氫鍵以及羧基和側(cè)鏈的單氫鍵作用，S-Arg_2具有氨基和羧基之間的分子內(nèi)單氫鍵以及氨基和側(cè)鏈的氫鍵作用．

圖1 精氨酸的幾個(gè)穩(wěn)定的幾何構(gòu)型Fig.1 Several stable configurations of arginine molecules

2.2S-Arg的手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)機(jī)理

計(jì)算表明，由于S-Arg_1的羧基和側(cè)鏈R基上的氮形成了較強(qiáng)的分子內(nèi)單氫鍵，其結(jié)構(gòu)比S-Arg_2的結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，在氣相環(huán)境具有較高的含量，給予詳細(xì)討論．

2.2.1 S-Arg_1的手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)

研究發(fā)現(xiàn)S-Arg_1的手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)有3條通道a、b和c，計(jì)算的各駐點(diǎn)結(jié)構(gòu)、過(guò)渡態(tài)的虛頻振動(dòng)模式見(jiàn)圖2(見(jiàn)第395～397頁(yè))，計(jì)算的反應(yīng)勢(shì)能面見(jiàn)圖3(見(jiàn)第397頁(yè))．

S-Arg_1在a通道的手性轉(zhuǎn)變歷程見(jiàn)圖2(A)．首先，S-Arg_1經(jīng)11H從手性碳1C向氨基氮7N遷移的過(guò)渡態(tài)aTS1_1，異構(gòu)成中間體aINT1_1．在S-Arg_1到aTS1_1過(guò)程中，1C-11H鍵長(zhǎng)從0.1097nm增加到0.1374nm，1C-11H鍵斷裂；1C-7N鍵長(zhǎng)從0.1461nm增加到0.1589nm，1C-7N鍵斷裂．兩個(gè)化學(xué)鍵斷裂需較大的能量，因此aTS1_1會(huì)產(chǎn)生較高的能壘，它產(chǎn)生的能壘是268.2kJ·mol-1．然后，aINT1_1的在紙面里的9H沿過(guò)渡態(tài)aTS2_1虛頻的正向在紙面里從7N遷移到1C，aINT1_1異構(gòu)成具有氨基和羧基之間的分子內(nèi)單氫鍵以及氨基和側(cè)鏈的單氫鍵作用的穩(wěn)定產(chǎn)物aP_R-Arg_1，實(shí)現(xiàn)手性轉(zhuǎn)變．a(chǎn)TS2_1與aTS1_1的活性中心基本對(duì)稱相似，能量也基本相同(略大些)，但aINT1_1的能量比S-Arg_1高很多，因此，aTS2_1產(chǎn)生的能壘低于aTS1_1．

S-Arg_1在b通道手性轉(zhuǎn)變主要?dú)v程見(jiàn)圖2(B)．首先，S-Arg_1經(jīng)氨基上的9H和10H在紙面里外翻轉(zhuǎn)的過(guò)渡態(tài)b(c)S-TS1_1，異構(gòu)成中間體b(c)S-INT1_1(此基元反應(yīng)也是c通道的第1基元反應(yīng))．經(jīng)此基元反應(yīng)，二面角10H-7N-1C-9H從-114.48°變?yōu)?22.55°，9H和10H翻轉(zhuǎn)到紙面里偏左的位置．此過(guò)程無(wú)斷鍵，因此b(c)S-TS1_1產(chǎn)生的能壘較低，只有19.1kJ·mol-1．接著b(c)S-INT1_1經(jīng)過(guò)渡態(tài)bTS2_1，實(shí)現(xiàn)11H從手性碳向羰基氧5O的遷移，異構(gòu)成中間體bINT2_1．在b(c)S-INT1_1到bTS2_1過(guò)程中，1C-11H鍵長(zhǎng)從0.1098nm增加到0.1648nm且鍵斷裂，此斷鍵過(guò)程1C-11H鍵長(zhǎng)增加幅度較大，因此bTS2_1產(chǎn)生了很高的能壘，其能壘是328.7kJ·mol-1．然后，bINT2_1經(jīng)過(guò)渡態(tài)bTS3_1，實(shí)現(xiàn)質(zhì)子11H從質(zhì)子化羧基的5O向氨基氮的遷移，異構(gòu)成中間體bINT3_1．計(jì)算表明bINT3_1全同于aINT1_1，bINT3_1以后的異構(gòu)過(guò)程同于aINT1_1，不再贅述．

S-Arg_1在c通道的手性轉(zhuǎn)變主要?dú)v程見(jiàn)圖2(B和C)．第1基元反應(yīng)同于b通道，第2基元反應(yīng)是b(c)S-INT1_1經(jīng)過(guò)羥基上的8H繞6O-2C鍵軸旋轉(zhuǎn)的過(guò)渡態(tài)cS-TS2_1，異構(gòu)成中間體cS-INT2_1．二面角8H-6O-2C-5O從-175.45°變?yōu)?0.72°，實(shí)現(xiàn)了羧基從反式向順式平面結(jié)構(gòu)的異構(gòu)．此過(guò)程無(wú)斷鍵，cS-TS2_1產(chǎn)生的能壘較低，只有48.5kJ·mol-1．第3基元反應(yīng)是cS-INT2_1經(jīng)質(zhì)子8H在羧基內(nèi)遷移的過(guò)渡態(tài)cS-TS3_1，異構(gòu)成中間體cS-INT3_1．此過(guò)程雖是斷鍵過(guò)程，但由于從cS-INT2_1到cS-TS3_1過(guò)程，6O-8H鍵長(zhǎng)從0.0973增到0.1302nm，增加幅度不大，并且過(guò)渡態(tài)4元環(huán)結(jié)構(gòu)二面角8H-5O-2C-6O是-0.23°，基本共面，所以cS-TS3_1產(chǎn)生的能壘不高，能壘是124.6kJ·mol-1．第4基元反應(yīng)是cS-INT3_1經(jīng)過(guò)和cS-TS2_1相似的過(guò)渡態(tài)cS-TS4_1，異構(gòu)成利于8H從羧基向氨基遷移的中間體產(chǎn)物cS-INT4_1，實(shí)現(xiàn)了羧基從順勢(shì)平面結(jié)構(gòu)向反式平面結(jié)構(gòu)的異構(gòu)．此基元反應(yīng)無(wú)斷鍵成鍵過(guò)程，能壘較低，只有41.4kJ·mol-1．第5基元反應(yīng)是11H經(jīng)過(guò)渡態(tài)cTS5_1實(shí)現(xiàn)從手性碳向羰基氧6O的遷移，cS-INT4_1異構(gòu)成為中間體cINT5_1．cS-INT4_1到cTS5_1過(guò)程中，1C-11H鍵從0.1097nm增加到0.1548nm后斷裂，增幅較大，cTS5_1產(chǎn)生了298.2kJ·mol-1的能壘．第6基元反應(yīng)是cINT5_1經(jīng)過(guò)與bTS3_1相似的過(guò)渡態(tài)cTS6_1異構(gòu)成中間體cINT6_1，再經(jīng)與aTS2_1相似的過(guò)渡態(tài)cTS7_1，異構(gòu)成產(chǎn)物cP_R-Arg_1．結(jié)構(gòu)分析表明cP_R-Arg_1分子具有氨基和羧基之間的分子內(nèi)雙氫鍵、氨基和側(cè)鏈的單氫鍵以及羧基和側(cè)鏈的單氫鍵作用，因此cP_R-Arg_1分子很穩(wěn)定．

圖2 S-Arg_1的手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)歷程Fig. 2 The reaction processes of S-Arg_1 chiral conversion

圖3 S-Arg_1手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)的吉布斯自由能勢(shì)能面Fig.3 Potential energy surfaces of Gibbs free energy of S-Arg_1 chiral conversion reaction

從圖3可以看出，S-Arg_1手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)的優(yōu)勢(shì)通道是a，只有2個(gè)基元反應(yīng)，決速步驟是第1基元反應(yīng)，能壘是268.2kJ·mol-1．268.2kJ·mol-1遠(yuǎn)大于質(zhì)子遷移的“極限能壘”167.0kJ·mol-1[26]，說(shuō)明S-Arg_1 的手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)難以進(jìn)行，通常情況下S-Arg_1分子具有穩(wěn)定性．

2.2.2 S-Arg_2的手性轉(zhuǎn)變

研究發(fā)現(xiàn)S-Arg_2的手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)有3條通道a、b和c，計(jì)算的各駐點(diǎn)結(jié)構(gòu)、過(guò)渡態(tài)的虛頻振動(dòng)模式見(jiàn)圖4(見(jiàn)第398～399頁(yè))，計(jì)算的反應(yīng)勢(shì)能面見(jiàn)圖5(見(jiàn)第399頁(yè))．

S-Arg_2在a通道的手性轉(zhuǎn)變歷程見(jiàn)圖4(A)．首先，S-Arg_2經(jīng)手性碳1C上的11H向氨基氮7N遷移的過(guò)渡態(tài)aTS1_2，異構(gòu)成中間體aINT1_2，此基元反應(yīng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了氨基質(zhì)子化和羧基從反式向順式平面結(jié)構(gòu)的異構(gòu)．在S-Arg_2到aTS1_2過(guò)程中，1C-11H鍵長(zhǎng)從0.1099nm增加到0.1370nm，1C-11H鍵斷裂；1C-7N鍵長(zhǎng)從0.1472nm增加到0.1603nm，1C-7N鍵斷裂；二面角8H-6O-2C-1C從-3.05°變?yōu)?3.34°，8H繞6O-2C旋轉(zhuǎn)．兩個(gè)化學(xué)鍵斷裂需要較大的能量，8H繞6O-2C旋轉(zhuǎn)也需能量，因此，aTS1_2會(huì)產(chǎn)生很高的能壘，此能壘是300.4kJ·mol-1．然后，aINT1_2的在紙面里的10H經(jīng)過(guò)渡態(tài)aTS2_2在紙面里從7N遷移到1C，異構(gòu)成中間體aR-INT2_2，實(shí)現(xiàn)手性轉(zhuǎn)變．與aTS1_2相比較，aTS2_2只有兩個(gè)化學(xué)鍵7N-10H和1C-7N斷裂，沒(méi)有8H繞6O-2C鍵軸的旋轉(zhuǎn)，其能量及其產(chǎn)生的能壘要低些，其能量與其產(chǎn)生的能壘分別是266.3kJ·mol-1和129.9kJ·mol-1．最后，aR-INT2_2經(jīng)過(guò)的8H繞6O-2C鍵軸旋轉(zhuǎn)的過(guò)渡態(tài)aR-TS3_2，異構(gòu)成具有氨基和羧基之間以及氨基和側(cè)鏈之間的分子內(nèi)較強(qiáng)的單氫鍵分子的穩(wěn)定產(chǎn)物aP_R-Arg_2．此基元反應(yīng)，8H從16O-2C的右側(cè)向左側(cè)翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)羧基從順式向反式平面結(jié)構(gòu)的異構(gòu)．從aR-INT2_2到aR-TS3_2過(guò)程無(wú)斷鍵，只是8H繞6O-2C鍵軸旋轉(zhuǎn)．因此aR-TS3_2的能量及其產(chǎn)生的能壘不會(huì)太高，它們分別是59.3kJ·mol-1和41.8kJ·mol-1．從反應(yīng)勢(shì)能面圖3可以看出，aP_R-Arg_2到aTS3_2的能壘是53.2kJ·mol-1，已低于常溫下溫和反應(yīng)的能壘84.0kJ·mol-1．因此該通道的產(chǎn)物是aR-INT2_2和aP_R-Arg_2共存，但前者含量會(huì)很很低．

S-Arg_2在b通道手性轉(zhuǎn)變前半程反應(yīng)歷程(含決速步驟)見(jiàn)圖4(B)．首先，S-Arg_2經(jīng)過(guò)羥基上的8H繞6O-12C鍵軸旋轉(zhuǎn)的過(guò)渡態(tài)bS-TS1_2，異構(gòu)成中間體bS-INT1_2．二面角8H-6O-2C-5O從179.07°變?yōu)?0.96°，實(shí)現(xiàn)了羧基從反式向順式平面結(jié)構(gòu)的異構(gòu)．此過(guò)程無(wú)斷鍵，bS-TS1_2產(chǎn)生的能壘較低，只有62.7kJ·mol-1．然后，bS-INT1_2經(jīng)過(guò)渡態(tài)bTS2_2，實(shí)現(xiàn)了11H從手性碳1C向氨基氮7N的遷移，異構(gòu)成中間體bINT2_2．bS-INT1_2到bTS2_2過(guò)程中，1C-11H鍵長(zhǎng)從0.1096nm增加到0.1341nm且鍵斷裂；1C-7N鍵長(zhǎng)從0.1457nm增加到0.1581nm且鍵斷裂．兩個(gè)化學(xué)鍵斷裂，使bTS2_2具有較高的能量并產(chǎn)生較高的能壘．但bS-INT1_2到bTS2_2與S-Arg_2到aTS1_2相比較，沒(méi)有8H繞6O-2C旋轉(zhuǎn)過(guò)程，因此bTS2_2能量與其產(chǎn)生的能壘比aTS1_2低．其能量與其產(chǎn)生的能壘是260.3和239.3kJ·mol-1．計(jì)算表明bINT2_2的構(gòu)象相似與aINT1_2，bINT2_2以后的異構(gòu)過(guò)程基本同于aINT1_2的異構(gòu)過(guò)程，從略．

S-Arg_2在c通道的手性轉(zhuǎn)變主要?dú)v程(決速步驟)見(jiàn)圖4(C)．首先是手性碳上的11H經(jīng)過(guò)渡態(tài)cTS1_2遷移到羰基氧5O，S-Arg_2異構(gòu)成羧基質(zhì)子化的中間體cINT1_2．S-Arg_2到cTS1_2過(guò)程中，鍵長(zhǎng)1C-11H從0.1099nm增加到0.1569nm，鍵長(zhǎng)增幅較大，cTS1_2產(chǎn)生了296.6kJ·mol-1的能壘．cINT1_2相似于cINT5_1，cINT1_2以后的過(guò)程相似與cINT5_1以后的過(guò)程，這里從略．

圖4 S-Arg_2手性轉(zhuǎn)變的反應(yīng)歷程Fig.4 The reaction processes of S-Arg_2 chiral conversion

圖5 S-Arg_2手性轉(zhuǎn)變主反應(yīng)通道上的吉布斯自由能勢(shì)能面Fig.5 Potential energy surfaces of Gibbs free energy of S-Arg_2 chiral conversion reaction in the dominant reactions

從圖5可以看出，構(gòu)型2的主反應(yīng)通道是b，決速步自由能壘為239.3kJ·mol-1，來(lái)源于第一中間體的手性碳上的質(zhì)子向氨基氮遷移的過(guò)渡態(tài)．239.3kJ·mol-1遠(yuǎn)大于質(zhì)子遷移的“極限能壘”167.0kJ·mol-1[26]，說(shuō)明S-Arg_2的手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)難以進(jìn)行，通常情況下S-Arg_2分子具有穩(wěn)定性．

2.3S-Arg手性轉(zhuǎn)變過(guò)程的水溶劑化效應(yīng)

由于構(gòu)型2的主反應(yīng)通道b的決速步自由能壘最低，為在節(jié)省篇幅的同時(shí)說(shuō)明水溶劑化效應(yīng)對(duì)S-Arg手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)能壘的影響，僅討論S-Arg_2在通道b的包含決速步前半程的溶劑效應(yīng)．此過(guò)程的第一基元反應(yīng)是羧基異構(gòu)，第二基元反應(yīng)是質(zhì)子從手性碳向氨基氮遷移．已有研究[13-15,27]表明，2個(gè)水分子對(duì)氫遷移過(guò)程有著較好的催化作用，因此采用2個(gè)水分子構(gòu)成的鏈作第二基元?dú)溥w移反應(yīng)的媒介．反應(yīng)歷程的各駐點(diǎn)結(jié)構(gòu)和過(guò)渡態(tài)虛頻的振動(dòng)模式，見(jiàn)圖6，反應(yīng)過(guò)程的吉布斯自由能勢(shì)能面，見(jiàn)圖7．結(jié)構(gòu)分析表明，水溶劑環(huán)境下，各駐點(diǎn)的幾何參數(shù)相對(duì)于裸環(huán)境略有改變，這里從略．

首先，S-Arg_2@water經(jīng)過(guò)渡態(tài)bS-TS1_2@wate，形成中間體bS-INT1_2@water，機(jī)理同于裸反應(yīng)．反應(yīng)能壘是54.5kJ·mol-1，比裸反應(yīng)的62.7kJ·mol-1有所降低，說(shuō)明水溶劑效應(yīng)對(duì)羧基順式和反式平面結(jié)構(gòu)之間的異構(gòu)有催化作用．然后，bS-INT1_2與1C-7N前面的2個(gè)水分子以氫鍵結(jié)合成的復(fù)合分子bINT1_2·2H2O@water，經(jīng)過(guò)渡態(tài)bTS2_2·2H2O@water，異構(gòu)成產(chǎn)物中間體bINT2_2·2H2O@water，實(shí)現(xiàn)了水環(huán)境下以2個(gè)水分子為媒介，質(zhì)子從手性碳1C向氨基氮7N的轉(zhuǎn)移．此基元反應(yīng)過(guò)渡態(tài)是7元環(huán)結(jié)構(gòu)，其氫鍵鍵角1C-29H-28O，28O-30H-27O和27O-11H-7N分別為163.04°，159.94°和164.62°，接近平角，對(duì)應(yīng)的氫鍵都較強(qiáng)；二面角1C-29H-28O-30H、28O-30H-27O-11H和27O-11H-7N-1C分別為12.92°，0.64°和17.23°，說(shuō)明7元環(huán)結(jié)構(gòu)接近平面，比較穩(wěn)定，bTS2_2·2H2O@water產(chǎn)生的能壘不會(huì)高．從圖7看出，bTS2_2·2H2O@water產(chǎn)生的能壘是95.7kJ·mol-1，與裸反應(yīng)此過(guò)程的能壘250.8kJ·mol-1相比較大幅降低，說(shuō)明水環(huán)境對(duì)此氫遷移反應(yīng)有極好的催化作用．此能壘遠(yuǎn)低于質(zhì)子遷移“極限能壘”167.0kJ·mol-1[26]，人體正常溫度約為310.00K，高于298.15K，并且有溫度漲落、分子間碰撞以及某種酶的作用等因素，此能壘在生命體內(nèi)可以越過(guò)，這說(shuō)明S-Arg分子在生命體內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)旋光異構(gòu)，給出了生命體內(nèi)R-Arg存在的一個(gè)原因，同時(shí)說(shuō)明生命體要不斷地適時(shí)地補(bǔ)充S-Arg.

圖6 水環(huán)境下S-Arg_2手性轉(zhuǎn)變主反應(yīng)通道的前半程反應(yīng)歷程及駐點(diǎn)結(jié)構(gòu)Fig.6 The first half of reaction process and stagnation point structures of S-Arg_2 chiral conversion in the dominant reaction path under water environment

圖7 水溶劑環(huán)境下S-Arg_2主反應(yīng)通道前半程反應(yīng)歷程的吉布斯自由能勢(shì)能面Fig.7 Potential energy surfaces of Gibbs free energy of the first half of S-Arg_2 reaction process in the dominant reaction path under water environment

研究了2種最穩(wěn)定構(gòu)型的精氨酸分子的手性轉(zhuǎn)變機(jī)理及水溶劑化效應(yīng)．研究發(fā)現(xiàn)標(biāo)題反應(yīng)有3條通道a、b和c．對(duì)于構(gòu)型1，分別是手性碳上的質(zhì)子以氨基、羰基和氨基聯(lián)合以及羧基和氨基聯(lián)合為橋遷移．對(duì)于構(gòu)型2，分別是手性碳上的質(zhì)子只以氨基為橋、羧基異構(gòu)后再以氨基為橋遷移及以羧基和氨基聯(lián)合作橋遷移．勢(shì)能面計(jì)算表明： 構(gòu)型1的主反應(yīng)通道都是a，決速步自由能壘分別為268.2kJ·mol-1，來(lái)源于質(zhì)子從手性碳向氨基氮遷移的過(guò)渡態(tài)．構(gòu)型2的主反應(yīng)通道是b，決速步自由能壘為239.3kJ·mol-1，來(lái)源于質(zhì)子從手性碳向氨基氮遷移的過(guò)渡態(tài)．水溶劑效應(yīng)使構(gòu)型2的主反應(yīng)通道決速步自由能壘降到95.7kJ·mol-1．結(jié)果表明： 孤立環(huán)境下的精氨酸具有穩(wěn)定性，隨著溫度的升高，構(gòu)型2先手性轉(zhuǎn)變；水溶劑化效應(yīng)可以使精氨酸緩慢地實(shí)現(xiàn)手性轉(zhuǎn)變．

[1] 蔣立銳.精氨酸在代謝中的作用 [J].生理科學(xué)進(jìn)展，1982，13(2)： 170-172.

[2] 黃珍茹，蔡美琴.精氨酸在人早期生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中的作用 [J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)(醫(yī)學(xué)版)，2016，36(3)： 451-454.

[3] WU G. Functional amino acids in nutrition and health [J].AminoAcids, 2013，45(3)： 407-411.

[4] 李璟,胡曉輝,郭世榮，等.D-精氨酸對(duì)低氧脅迫下黃瓜幼苗根系多胺含量和無(wú)氧呼吸代謝的影響 [J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2007,18(2)： 376-382.

[5] GERALD W, HEIKE S, FRIEDRICH B. In vivo administration of d-arginine： Effects on blood pressure and vascular function in angiotensin II-induced hypertensive rats [J].Atherosclerosis, 2004,176： 219-225.

[6] MAGDOLNA K, ANDRWEW V, SCHALLY,etal. Inhibition of GHrelease in rats by new potent antago-nists of growth hormone-releasing hormone(GH-RH) [J].Peptides, 1997,18(3)： 431-438.

[7] MASATSUGU I, SHIN E, TOYOAKI U,etal. Suppression of the growth and invasiveness of human prostate cancer cellsinvitroby neuropeptide antagonist substance P analogues[ J].UrologicOncology, 1998,21(4)： 24-28.

[8] 黃志堅(jiān).氨基酸的構(gòu)型和性質(zhì)研究[D].合肥： 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2006： 11.

[9] WU G, BAZER F W, SATTERFIELD M C,etal. Impacts of arginine nutri-tion on embryonic and fetal development in mammals [J].AminoAcids, 2013,45(2)： 241-256．

[10] 張宏森，周揚(yáng)，張鋼.精氨酸的電子結(jié)構(gòu)和光譜性質(zhì) [J].黑龍江科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，20(3)： 206-215.

[11] 王衛(wèi)寧，李元波，岳偉偉.組氨酸和精氨酸的太赫茲光譜研究 [J].物理學(xué)報(bào)，2007,56(2)： 781-785.

[12] 劉鳳閣，閆紅彥，王佐成，等.氣相賴氨酸分子手性轉(zhuǎn)變機(jī)制的理論研究 [J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)： 理學(xué)版，2015，61(1)： 93-98.

[13] 李忠，佟華，王佐成，等．基于氨基作H轉(zhuǎn)移橋梁?jiǎn)误wα-Ala的手性轉(zhuǎn)變機(jī)理 [J]．復(fù)旦學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,54(5)： 102-108.

[14] 王佐成，范志琳，梅澤民，等.半胱氨酸分子手性轉(zhuǎn)變及水分子的催化機(jī)理 [J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)： 理學(xué)版，2016，62(4)： 368-374.

[15] 閆紅彥，王佐成，鄒晶，等.纈氨酸分子的手性轉(zhuǎn)變及水分子的催化機(jī)理 [J].中山大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,55(2)： 68-75.

[16] BECKE A D. Density-functional thermochemistry. III. The role of exact exchange [J].ChemPhys, 1993,98(7)： 5648-5652.

[17] PARR R G, YANG W. Density-functional theory of atoms and molecules [M]. Oxford, UK： Oxford University Press, 1994.

[18] ALEKSANDR V M, CHRISTOPHER J C, DONALD G T. Universal slovation model based on solute electron density and on a continuum model of the solvent defined by the bulk dielectric constant and atomic surface tensions [J].JPhysChemB, 2009,113(18)： 6378-6396.

[19] GARRETT B C, TRUHLAR D G. Generalized transition state theory. Classical mechanical theory and applications to collinear reactions of hydrogen molecules [J].JournalofPhysicalChemistry, 1979,83(8)： 1052-1079.

[20] GARRETT B C, TRUHLAR D G. Criterion of minimum state density in the transition state theory of bimolecular reactions [J].TheJournalofChemicalPhysics, 1979,70(4)： 1593-1598.

[21] GONZALEZ C, SCHLEGEL H. Reaction path following in mass-weighted internal coordinates [J].JournalofPhysicalChemistry, 1990,94(14)： 5523-5527.

[22] ISHIDA K, MOROKUMA K, KOMORNICKI A. The intrinsic reaction coordinate. An ab initio calculation for HNC→HCN and H-+ CH4→CH4+ H-*[J].TheJournalofChemicalPhysics, 1977,66(5)： 2153-2156.

[23] 徐光憲，黎樂(lè)民，王德民.量子化學(xué)(中冊(cè)) [M].北京： 科學(xué)技術(shù)出版社，1985： 962-986.

[24] BINKLEY J S, POPLE J A. Moeller-Plesset theory for atomic ground state energies [J].IntJQuantumChem, 1975,9(2)： 229-236.

[25] FRISCH M J, TRUCKS G W, SCHLEGEL H B,etal. Gaussian 09. Revision E.01 [CP]. Pittsburgh, USA： Gaussian, Inc., 2013.

[26] 任宏江.黃嘌呤異構(gòu)體質(zhì)子轉(zhuǎn)移異構(gòu)化反應(yīng)機(jī)理的理論研究 [J].化學(xué)通報(bào)，2015,78(9)： 815-819.

[27] 王佐成，佟華，梅澤民，等．水環(huán)境下α-Ala分子手性轉(zhuǎn)變機(jī)制的理論研究 [J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(理學(xué)版).2015,53(1)： 134-141.

Abstract： The chiral conversion mechanism and water solvation effect of three kinds of the most stable configurations of arginine molecules were researched by using the B3LYP method of density functional theory, the MP2 method of perturbation theory, and smd model method of self consistent reaction field theory. The study of reaction channels shows that there are three channels a, b and c in the title reaction. For the configuration 1, the proton of the chiral carbon is transferred with amino group, carbonyl/amino groups and carboxyl/ amino groups as the bridge, respectively. For the configuration 2, the proton is transferred directly with amino group as the bridge, then carboxyl isomerism, the proton is transferred with amino group and carboxyl/amino groups as the bridge, respectively. Calculations of potential energy surface show that channel a is the dominant reaction path in the configuration 1, step-determining Gibbs free energy barriers are 268.2kJ·mol-1, which are generated by the transition state of proton transfer from the chiral carbon to the amino N. In addition, channel b is the dominant reaction path in the configuration 2, step-determining Gibbs free energy barrier is 239.3kJ·mol-1that is generated by the transition state of proton transfer from the chiral carbon to the amino N. The water solvation effect enables the step-determining energy barrier is reduced to 95.7kJ·mol-1for the dominant reaction path in the configuration 2. The results show that chiral conversion of the configuration 2 is achieved with the increase temperature. The water environment has an excellent catalytic effect on the arginine optical isomerization.

Keywords： arginine; chirality; density functional theory; transition state; perturbation theory; SCRF

ChiralConversionMechanismandWaterSolvationEffectofSeveralArginineMoleculesofStableConfigurations

TANG Dehuai1, YU Xiaoji2, YANG Xiaocui3, WANG Zuocheng3, TONG Hua3

(1.CollegeofComputerScience,BaichengNormalUniversity,Baicheng137000,China; 2.CollegeofForeignLanguages,ChangchunNormalUniversity,Changchun131000,China; 3.CollegeofPhysics,BaichengNormalUniversity,Baicheng137000,China)

O641.12

A

0427-7104(2017)03-0393-10

2016-11-08

吉林省科技發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(20160101308JC)

湯德懷(1981—)，男，講師，E-mail: tangdehuai@163.com;王佐成(1963—)，男，副教授，碩士，通信聯(lián)系人，E-mail： wangzc188@163.com；佟 華(1970—)，女，教授，通信聯(lián)系人，E-mail： 164912372@qq.com.