Lys分子的旋光異構(gòu)及羥自由基致?lián)p傷機(jī)理*

劉戎，王佐成，楊曉翠，高峰，閆紅彥，佟華

(1.白城師范學(xué)院化學(xué)學(xué)院，吉林 白城137000; 2.白城師范學(xué)院物理學(xué)院，吉林 白城 137000；3.白城師范學(xué)院計算機(jī)科學(xué)學(xué)院，吉林 白城137000)

賴氨酸(lysine，Lys)是生命體極其重要的必須氨基酸，根據(jù)其構(gòu)象和旋光性的不同，分為左旋賴氨酸(S-Lys)和右旋賴氨酸(R-Lys)兩種異構(gòu)體，在生命體內(nèi)S-Lys具有活性，是優(yōu)構(gòu)體，R-Lys無活性，是劣構(gòu)體。S-Lys對改善免疫系統(tǒng)、降低甘油三酯和促進(jìn)吸收鈣等具有重要作用，也用作食品添加劑，補(bǔ)充生命體內(nèi)的S-Lys，R-Lys主要用在生物化學(xué)研究。

由于Lys具有重要作用，科研工作者對它進(jìn)行了比較廣泛的研究。文獻(xiàn)[1]研究了S-Lys在水溶液中的構(gòu)象。文獻(xiàn)[2]研究了S-Lys與還原糖美拉德反應(yīng)的產(chǎn)物的理化特性和抗氧化活性。文獻(xiàn)[3-6]研究了裸環(huán)境、MOR分子篩以及扶手椅型單壁碳納米管限域環(huán)境下，具有氨基和羧基之間的分子內(nèi)雙氫鍵的Lys分子的手性轉(zhuǎn)變機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)，以氨基氮為質(zhì)子遷移媒介進(jìn)行旋光異構(gòu)的反應(yīng)通道具有絕對優(yōu)勢。其裸反應(yīng)優(yōu)勢通道上的決速步吉布斯自由能壘為252.60 kJ·mol-1；MOR分子篩12元環(huán)孔道的限域催化作用，使優(yōu)勢通道上的決速步吉布斯自由能壘降為229.78 kJ·mol-1；在SWCNT(5,5)內(nèi)，優(yōu)勢通道上的決速步吉布斯自由能壘被降到192.81 kJ·mol-1。

文獻(xiàn)[7]研究表明，氨基酸的羥基與氨基之間為分子內(nèi)單氫鍵時氨基酸分子構(gòu)型最穩(wěn)定，文獻(xiàn)[8]的研究表明，水溶劑在有機(jī)反應(yīng)中起著很重要的作用?；诖?，考慮到生命體是富水環(huán)境，并有少量的對生物體危害極大的羥基自由基存在[9]，本工作研究了Lys分子的最穩(wěn)構(gòu)型旋光異構(gòu)裸反應(yīng)、水分子簇的催化、羥自由基致賴氨酸損傷和水溶劑效應(yīng)。

1 研究與計算方法

采用密度泛函理論的B3LYP[10]方法，選用6-31+G(d, p)基組，優(yōu)化標(biāo)題反應(yīng)駐點結(jié)構(gòu)。水溶劑環(huán)境下，S型Lys與2個水分子通過氫鍵作用形成的絡(luò)合物記作S-Lys·2H2O@water，其它體系表示法相似。通過對過渡態(tài)[11]進(jìn)行內(nèi)稟反應(yīng)坐標(biāo)(IRC)[12]計算，對過渡態(tài)進(jìn)行確認(rèn)。為計算出高水平的反應(yīng)過程勢能面，采用微擾理論的MP2方法[13]，在MP2/6-311++G(3df, 2pd)水平計算體系的單點能。溶劑化單點能利用氣相結(jié)構(gòu)采用自洽反應(yīng)場(SCRF)理論的smd模型方法[14]計算。利用Etotal=ESP+EZPV(ESP為單點能，EZPV為零點振動能，Etotal為總能量)計算總能量。計算均由Gaussian09[15]程序完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 賴氨酸分子旋光異構(gòu)裸反應(yīng)機(jī)理

在B3LYP/6-31+G(d,p)水平上計算的具有氨基和羧基間單氫鍵的Lys分子手性對映體的幾何構(gòu)象，見圖1。從圖1的A和C可以看出，實現(xiàn)Lys分子從S型向R型的構(gòu)象轉(zhuǎn)變，就是實現(xiàn)質(zhì)子12H從手性碳1C的外側(cè)向里側(cè)遷移。研究表明，羧基異構(gòu)與質(zhì)子遷移分步進(jìn)行和協(xié)同進(jìn)行機(jī)理的通道a和b，相對于其他通道(12H以羰基氧10O為橋遷移和11H先遷移到氨基氮后12H再以羰基氧9O為橋遷移的通道)均具有較大的優(yōu)勢，篇幅所限，本工作只對通道a和b進(jìn)行討論。

圖1 S型與R型賴氨酸分子的幾何結(jié)構(gòu)lFig.1 The geometries of S-type and R-type lysine molecule

在a通道的反應(yīng)歷程，見圖2A，反應(yīng)勢能面見圖3。

首先是羧基異構(gòu)，S-Lys經(jīng)過渡態(tài)a_S-TS1，羥基上的11H繞8C-9O鍵旋轉(zhuǎn)到羧基內(nèi)側(cè)(二面角11C-9O-8C-10O從179.58°變?yōu)?1.71°)，同時，氨基的6H和7H繞1C-5N鍵軸俯視順時針稍許旋轉(zhuǎn)(二面角6H-5N-1C-12H從-22.59°變?yōu)?58.01°)，異構(gòu)成中間體產(chǎn)物a_S-INT1。a_S-INT1的氨基氮6N朝向讀者的一面裸露出來(負(fù)電荷密度增大)，獲得質(zhì)子的能力增強(qiáng)。此過程無斷鍵，反應(yīng)活性中心骨架結(jié)構(gòu)也基本沒變(二面角5N-1C-3C-8C從124.42°變?yōu)?25.15°，二面角1C-8C-10O-9O從-178.14°變?yōu)?76.88°)，只是兩個二面角異構(gòu)。因此，a_S-TS1產(chǎn)生的能壘不太高，只有49.10 kJ·mol-1。

然后，a_S-INT1的手性碳上的12H經(jīng)過渡態(tài)a_TS2沿虛頻振動的正方向遷移到6N上，異構(gòu)成氨基質(zhì)子化的產(chǎn)物中間體a_INT2。在a_S-INT1到a_TS2過程，1C-12H鍵長從0.109 48 nm增加到0.137 12 nm斷裂，增幅是0.027 64 nm；1C-6N鍵長從0.146 25 nm增加到0.158 64 nm，增幅 0.012 39 nm；反應(yīng)活性中心骨架二面角5N-1C-3C-8C從125.15°增加到142.02°，增幅是16.87°。兩個化學(xué)鍵較長的拉伸和骨架結(jié)構(gòu)明顯的形變需要一定的能量，因此a_TS2產(chǎn)生了較高的能壘，能壘值是259.90 kJ·mol-1。質(zhì)子從1C遷移到5N形成的中間體a_INT2，正負(fù)電荷的分離和氨基的質(zhì)子化導(dǎo)致a_INT2結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，處在勢能面較高的位置上。

接著是a_INT2經(jīng)過渡態(tài)a_TS3異構(gòu)成中間體a_R-INT3，實現(xiàn)旋光異構(gòu)。從a_INT2到a_TS3過程，5N-6H鍵長從0.103 26 nm增加到0.116 66 nm斷裂，增幅是0.013 40 nm；1C-6N鍵長從0.148 81 nm增加到0.159 99 nm，增幅0.011 18 nm。此過程兩個化學(xué)鍵的增幅小于a_S-INT1到a_TS2過程許多，

并且反應(yīng)活性中心骨架二面角5N-1C-3C-8C從160.17°增加到-146.28°，1C從sp2雜化向sp3雜化過渡，是放熱過程。因此，過渡態(tài)a_TS3產(chǎn)生的能壘遠(yuǎn)小于過渡態(tài)a_TS2產(chǎn)生的能壘，只有110.32 kJ·mol-1。

最后，a_R-INT3經(jīng)過12H和7H左右擺動的過渡態(tài)a_R-TS4異構(gòu)成中間體a_R-INT4，a_R-INT4經(jīng)過和a_S-TS1相似的過渡態(tài)a_R-TS5，11H繞8C-9O鍵從羧基內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)到外側(cè)，異構(gòu)成產(chǎn)物a_P_R-Lys。這兩個基元反應(yīng)只是二面角異構(gòu)，無斷鍵且骨架形變很小，需要越過的能壘都較低，分別是17.77和40.09 kJ·mol-1。結(jié)構(gòu)分析表明，a_P_R-Lys的氨基和羧基之間形成了分子內(nèi)較強(qiáng)的單氫鍵，a_P_R-Lys是最穩(wěn)定產(chǎn)物的構(gòu)型。

S-Lys在b通道旋光異構(gòu)反應(yīng)的部分歷程見圖2B，反應(yīng)勢能面見圖3。首先，S-Lys經(jīng)12H從α-碳向氨基氮5N遷移與11H繞8C-9O旋轉(zhuǎn)協(xié)同進(jìn)行的過渡態(tài)b_TS1，異構(gòu)成中間體b_INT1。從S-Lys到b_TS1過程，1C-12H鍵長從0.109 80 nm增加到0.139 74 nm斷裂，增幅是0.029 94 nm；1C-6N鍵長從0.147 81 nm增加到0.160 23 nm，增幅 0.012 42 nm；反應(yīng)活性中心骨架二面角5N-1C-3C-8C從124.42°增加到141.17°，增幅是16.75°。兩個化學(xué)鍵長的增幅度高于a_S-INT1到a_TS2過程，形變需要的能量較高，羥基的旋轉(zhuǎn)異構(gòu)也需要一定的能量，因此a_TS2產(chǎn)生了較高的能壘，能壘是311.07 kJ·mol-1。結(jié)構(gòu)分析表明：b_INT1全同于a_INT2。其以后的異構(gòu)過程同于a_INT2的異構(gòu)過程，不再贅述。

由圖3看出：S-Lys旋光異構(gòu)裸反應(yīng)的a通道為主反應(yīng)通道，決速步驟是第2個基元反應(yīng)，決速步能壘是259.90 kJ·mol-1，來源于質(zhì)子從手性碳向氨基氮轉(zhuǎn)移的過渡態(tài)。259.90 kJ·mol-1的能壘遠(yuǎn)高于質(zhì)子遷移的“極限能壘”167.00 kJ·mol-1[16]，常溫下難以逾越，這說明通常情況下Lys分子具有穩(wěn)定性。

2.2 水和羥自由基對Lys分子異構(gòu)反應(yīng)的影響

2.2.1 水分子簇對Lys分子旋光異構(gòu)的催化和水分子羥自由基鏈致賴氨酸損傷 以往的研究表明[4]，水分子對氨基酸旋光異構(gòu)過程中的氫遷移異構(gòu)反應(yīng)具有催化作用，并且2個水分子簇催化作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于單個水分子，與3個水分子簇的催化作用相差很小。因此，研究了2個水分子簇催化主反應(yīng)通道氫遷移反應(yīng)，反應(yīng)歷程見圖4的A和B，勢能面見圖5。

首先，a_S-INT1與1C、5N和25H右側(cè)的2個水分子通過氫鍵作用形成前驅(qū)絡(luò)合物a_S-INT1·2H2O(m)(m表示水分子簇在右邊與底物絡(luò)合)，氫鍵能是65.09 kJ·mol-1。a_S-INT1·2H2O(m)經(jīng)過渡態(tài)a_TS2·2H2O(m)，實現(xiàn)了質(zhì)子從手性碳向氨基氮的凈遷移，異構(gòu)成中間體絡(luò)合物a_INT2·2H2O(m)。七圓環(huán)過渡態(tài)a_TS2·2H2O(m)的氫鍵鍵角1C-25H-30O、30O-26H-29O和29O-12H-5N分別是164.80°、160.94°和168.63°，接近平角，氫鍵較強(qiáng)；二面角1C-25H-30O-26H、30O-26H-29O-12H和29O-12H-5N-1C分別是16.06°、1.09°和10.34°，接近平角，因此a_TS2·2H2O(m)比較穩(wěn)定。又從a_S-INT1·2H2O(m)到a_TS2·2H2O(m)過程，反應(yīng)活性中心骨架二面角5N-1C-3C-8C從128.96°變?yōu)?26.81°，骨架基本沒形變。因此a_TS2·2H2O(m)產(chǎn)生的能壘不高。

圖2 在B3LYP/6-31+g(d,p)水平上的賴氨酸手性轉(zhuǎn)變路徑及路徑上的駐點Fig.2 The chiral transferred path and stationary points of lysine in B3LYP/6-31+g(d,p) level

但從a_S-INT1·2H2O(m)到a_TS2·2H2O(m)過程，1C-25H、30O-26H和29O-12H分別從0.110 23、0.097 33和0.098 92 nm增加到0.133 27、0.144 51和0.159 14 nm，3個化學(xué)鍵的斷裂需要一定的能量，a_TS2·2H2O(m)產(chǎn)生的能壘是145.80 kJ·mol-1。這比裸反應(yīng)的情形降低了43.9%，說明2個水分子簇有較好的催化作用，但這比文獻(xiàn)[4]研究的2個水分子簇催化羥基與氨基之間為分子內(nèi)雙氫鍵的Lys分子在此通道的決速步能壘123.9 kJ·mol-1略高，說明水汽環(huán)境下本文研究的Lys分子的異構(gòu)要困難些。a_INT2·2H2O(m)脫去水分子，需要克服的氫鍵能是100.43 kJ·mol-1。

圖3 S-Lys分子的旋光異構(gòu)反應(yīng)勢能面示意圖Fig.3 Schematic diagram of the potential energy surface of the optical isomer of S-Lys molecule

然后，a_INT2·2H2O(m)脫去水分子，在與左側(cè)的2個水分子簇通過氫鍵作用形成絡(luò)合物a_INT2·2H2O (n)(n表示水分子簇在左邊與底物絡(luò)合)，氫鍵能是89.08 kJ·mol-1。a_INT2·2H2O (n) 經(jīng)過渡態(tài)a_TS3·2H2O(n)，實現(xiàn)了質(zhì)子從氨基氮向手性碳的凈遷移，異構(gòu)成中間體絡(luò)合物a_R-INT3·2H2O(n),完成旋光異構(gòu)。過渡態(tài)a_TS3·2H2O(n)的七圓環(huán)結(jié)構(gòu)的氫鍵角1C-26H-29O、29O-28H-25O和25O-24H-5N分別是161.71°、160.54°和161.40°，接近平角；二面角1C-26H-29O-28H和29O-28H-25O-24H分別是26.30°和8.55°，接近平角，a_TS3·2H2O(n)比較穩(wěn)定。從a_INT2·2H2O (n)到a_TS3·2H2O(n)過程，5N-24H、25O-28H和29O-26H分別從0.104 25、0.099 14和0.100 85 nm增加到0.106 82、0.104 83和0.130 28 nm，增幅遠(yuǎn)小于從a_S-INT1·2H2O(m)到a_TS2·2H2O(m)過程相應(yīng)的化學(xué)鍵的增幅。因此，a_TS3·2H2O(n)產(chǎn)生的能壘較低，只有13.52 kJ·mol-1。決速步能壘145.80 kJ·mol-1已經(jīng)低于質(zhì)子遷移的“極限能壘”167.00 kJ·mol-1[16]許多，說明水汽相環(huán)境下賴氨酸可以緩慢地消旋化。

134.22 kJ·mol-1已經(jīng)低于質(zhì)子遷移的“極限能壘”167.00 kJ·mol-1[16]許多，再加上產(chǎn)物a_INT2*·2H2O非常穩(wěn)定，說明水汽相環(huán)境下，羥自由基的存在可導(dǎo)致賴氨酸損傷。這和文獻(xiàn)[4]研究的羥自由基的存在可使羥基與氨基之間為分子內(nèi)雙氫鍵的Lys分子旋光異構(gòu)迥然不同。綜合本工作和文獻(xiàn)[4]的研究說明：水分子羥自由基鏈對不同構(gòu)象的Lys分子可能會產(chǎn)生截然不同的作用。

2.2.2 水溶劑環(huán)境下賴氨酸分子旋光異構(gòu)及羥自由基致?lián)p傷 用水汽相環(huán)境下，2個水分子簇催化的賴氨酸分子旋光異構(gòu)及羥自由基致?lián)p傷反應(yīng)過程的各個駐點，計算溶劑化單點能，加上氣相的零點振動能，得到了水溶劑環(huán)境下賴氨酸分子旋光異構(gòu)及羥自由基致?lián)p傷反應(yīng)過程的勢能剖面，見圖5@water曲線。

比較圖3和圖5的A與B可知，溶劑效應(yīng)對非質(zhì)子遷移過程影響很小，水分子簇的催化與水溶劑效應(yīng)(助催化)的共同作用，使決速步能壘降到111.22 kJ·mol-1。此能壘已遠(yuǎn)低于質(zhì)子遷移的“極限能壘”167.00 kJ·mol-1[16]，這說明水溶劑相環(huán)境下，左旋賴氨酸可以緩慢實現(xiàn)旋光異構(gòu)，生命體必須適量地補(bǔ)充左旋賴氨酸。

從圖5C可以看出，水溶劑環(huán)境羥自由基和水分子鏈致賴氨酸損傷的能壘降到32.62 kJ·mol-1，已遠(yuǎn)低于質(zhì)子遷移溫和反應(yīng)的能壘84.02 kJ·mol-1 [16]，這說明羥自由基的存在會使賴氨酸迅速地?fù)p傷。

圖5 水環(huán)境下S-Lys分子旋光異構(gòu)及羥自由基致?lián)p傷的勢能面示意圖Fig.5 Schematic diagram of potential energy surface of S-Lys molecule and hydroxyl radical damage in water environment

3 結(jié) 論

反應(yīng)通道研究發(fā)現(xiàn)：具有氨基和羧基間單氫鍵的賴氨酸分子的旋光異構(gòu)反應(yīng)有2個通道a和b，分別是羧基異構(gòu)和質(zhì)子遷移分步和協(xié)同進(jìn)行。勢能面計算表明：路徑a具有優(yōu)勢，水分子簇的催化可以使賴氨酸緩慢地消旋化，羥自由基和水分子鏈可導(dǎo)致賴氨酸損傷；水溶劑效應(yīng)會進(jìn)一步加速賴氨酸的消旋，生命體必須不斷地補(bǔ)充左旋賴氨酸；水溶劑環(huán)境下，羥自由基的存在會使賴氨酸迅速地?fù)p傷，人們應(yīng)盡最大的努力減少體內(nèi)的羥自由基。

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