佟 華, 佟海霞, 劉紅艷, 張雪婷, 孫秀蓮, 張金猛, 王佐成, 楊曉翠
(白城師范學(xué)院 物理與電子信息學(xué)院, 吉林 白城 137000)
賴氨酸(lysine, Lys)是生命體內(nèi)重要的氨基酸, 根據(jù)旋光性的不同, 可分為左旋賴氨酸(S-Lys)和右旋賴氨酸(R-Lys)兩種異構(gòu)體.S-Lys在生命體內(nèi)是優(yōu)構(gòu)體, 具有活性;R-Lys是劣構(gòu)體, 無活性.S-Lys對改善免疫系統(tǒng)、 促進鈣吸收以及降低甘油三酯等具有重要作用;R-Lys主要用于生物化學(xué)研究. 文獻[1]研究了S-Lys分子在水液相環(huán)境下的構(gòu)象; 文獻[2]研究了S-Lys分子與糖Maillard反應(yīng)產(chǎn)物的理化特性及抗氧化活性; 文獻[3-8]分別研究了裸環(huán)境、 水氣相環(huán)境、 MOR分子篩以及扶椅型單壁碳納米管限域環(huán)境下Lys的手性轉(zhuǎn)變機理. 研究表明, 以氨基氮為氫遷移媒介旋光異構(gòu)的反應(yīng)通道具有絕對優(yōu)勢, 構(gòu)象1和構(gòu)象2兩種Lys分子裸反應(yīng)優(yōu)勢通道的決速步驟Gibbs自由能壘分別為259.90,252.60 kJ/mol; MOR分子篩十二元環(huán)孔道的限域催化作用, 使優(yōu)勢通道的決速步驟自由能壘降至229.78 kJ/mol; 在SWCNT(5,5)內(nèi), 該能壘降至192.81 kJ/mol; 2個水分子簇使該能壘降至123.9 kJ/mol.
文獻[9]研究表明, 氨基酸的羥基與氨基間為分子內(nèi)單氫鍵和雙氫鍵時氨基酸分子構(gòu)型最穩(wěn)定. 水溶劑在有機反應(yīng)中具有重要作用, 可改變反應(yīng)機理, 生命體是富水環(huán)境, 并含有少量對生物體危害極大的羥自由基[10-11]. 基于此, 本文研究水液相環(huán)境下具有氨基與羧基間單氫鍵和雙氫鍵的兩種Lys分子, 基于氨基作為質(zhì)子轉(zhuǎn)移橋梁的旋光異構(gòu)及羥自由基致其損傷的機理.
采用自洽反應(yīng)場(SCRF)理論的SMD模型方法[12], 在B3LYP/6-31+G(d,p)水平[13]下優(yōu)化水液相環(huán)境下賴氨酸旋光異構(gòu)反應(yīng)的駐點結(jié)構(gòu). 通過對過渡態(tài)[14]進行內(nèi)稟反應(yīng)坐標(IRC)[15]計算, 驗證其連接所期望的局域極小點. 為計算高水平的反應(yīng)過程勢能面, 采用微擾理論的MP2方法[16], 在MP2/6-311++G(2df,pd)水平下計算體系的單點能. 利用
Gtotal=ESP+Gtc
計算總自由能, 并繪制反應(yīng)過程的自由能勢能面. 其中ESP和Gtc分別為高水平的單點能和Gibbs自由能熱校正.S型Lys分子與2個水分子簇通過氫鍵作用形成的氫鍵配合物, 記作S-Lys·2H2O, 其他體系表示法類似. 計算均由Gaussian09程序[17]完成.
在水液相環(huán)境下, 具有氨基和羧基間單氫鍵及雙氫鍵的Lys分子手性對映體的幾何構(gòu)象如圖1所示. 由圖1可見, 實現(xiàn)Lys分子從S型向R型的構(gòu)象轉(zhuǎn)變, 即為實現(xiàn)質(zhì)子12H從手性C(1C)的外側(cè)向里側(cè)遷移.
2.1.1S-Lys_1分子旋光異構(gòu)反應(yīng)機理 水液相環(huán)境下S-Lys_1的旋光異構(gòu)為羧基異構(gòu)與質(zhì)子遷移的分步機理, 反應(yīng)過程分別如圖2~圖5所示, 反應(yīng)過程的Gibbs自由能勢能面如圖6所示.
1) 羧基異構(gòu). 反應(yīng)物S-Lys_1經(jīng)過渡態(tài)S-TS1_1, 羥基的11H繞8C—9O鍵旋轉(zhuǎn)至羧基內(nèi)側(cè), 二面角11H-9O-8C-10O由-179.57°變?yōu)?0.21°, 異構(gòu)成第一中間體S-INT1_1, 實現(xiàn)羧基從反式結(jié)構(gòu)向順式結(jié)構(gòu)的異構(gòu). 由于S-Lys_1到S-TS1_1過程僅二面角異構(gòu)且無斷鍵, 因此S-TS1_1產(chǎn)生的能壘僅為53.59 kJ/mol.
2) 氨基異構(gòu). 中間體S-INT1_1經(jīng)氨基2個質(zhì)子左右翻轉(zhuǎn)的過渡態(tài)S-TS2_1, 異構(gòu)成第二中間體S-INT2_1.S-INT2_1前面的空間相對較大, 為水分子簇在其前面與其形成氫鍵創(chuàng)造了條件. 從S-INT1_1到S-TS2_1, 僅二面角6H-5N-1C-8C由-169.51°變?yōu)?85.76°,S-TS2_1產(chǎn)生的能壘僅為15.31 kJ/mol.S-INT2_1具有氨基和羧基間兩條弱氫鍵, 構(gòu)象比S-INT1_1略穩(wěn)定.
圖1 水液相環(huán)境下S型和R型賴氨酸分子的幾何構(gòu)象Fig.1 Geometric conformation of S-type and R-type lysine molecule in water liquid phase environment
圖2 S-Lys_1旋光異構(gòu)過程中的羧基異構(gòu)與氨基異構(gòu)Fig.2 Carboxyl isomerism and amino isomerism of S-Lys_1 in process of optical isomerism
圖3 S-INT2_1的12H以水分子簇為媒介向5N的遷移過程Fig.3 Migration process of 12H of S-INT2_1 to 5N with water cluster as medium
圖4 INT3_1的質(zhì)子以水分子簇為媒介向1C的遷移過程Fig.4 Migration process of proton of INT3_1 to 1C with water cluster as medium
圖5 R-INT4_1形成分子內(nèi)單氫鍵的過程Fig.5 Forming intramole cular hydrogen bond process of R-INT4_1
圖6 水液相環(huán)境下S-Lys_1分子旋光異構(gòu)反應(yīng)的Gibbs自由能勢能面Fig.6 Potential energy surface of optical isomerism reaction of S-Lys_1 molecule in water liquid phase environment
3)S-INT2_1的12H以水分子簇為媒介向氨基N(5N)遷移. 當2個和3個水分子簇作為質(zhì)子遷移媒介時, 氨基酸內(nèi)質(zhì)子從1C向5N遷移能壘降低的幅度遠大于1個水分子作質(zhì)子遷移媒介的情形[18-19], 因此本文僅討論2個和3個水分子簇作為質(zhì)子遷移媒介的情形.
① 2個水分子簇作為質(zhì)子遷移媒介.S-INT2_1與5N和25H前面的2個水分子簇通過氫鍵作用形成的前驅(qū)配合物S-INT2_1·2H2O(m)(m表示水分子簇在前面與底物配合), 經(jīng)過渡態(tài)TS3_1·2H2O(m), 實現(xiàn)質(zhì)子從1C向5N的凈遷移, 異構(gòu)成氨基質(zhì)子化的中間體配合物INT3_1·2H2O(m). 過渡態(tài)TS3_1·2H2O(m)七元環(huán)結(jié)構(gòu)的氫鍵鍵角30O…25H…1C,29O—26H…30O,5N—12H…29O分別為173.44°,167.37°,162.45°, 3個氫鍵均較強; 二面角26H-29O-12H-5N,30O-26H-29O-12H和1C-25H-30O-26H分別為-25.27°,-3.94°,3.67°, 因此TS3_1·2H2O(m)構(gòu)象較穩(wěn)定. 從S-INT2_1·2H2O(m)到TS3_1·2H2O(m)過程, 反應(yīng)活性中心骨架二面角5N-1C-3C-8C由126.88°變?yōu)?29.72°, 1C—5N的鍵長由0.147 0 nm增至0.151 4 nm, 骨架形變微小. 但該過程中1C—25H,30O—26H和29O—12H的鍵長分別由0.109 5,0.098 7,0.100 3 nm增至0.138 3,0.166 4,0.191 9 nm, 3個化學(xué)鍵較大幅度的拉伸均需一定的能量. TS3_1·2H2O(m)產(chǎn)生的能壘為116.02 kJ/mol, 遠低于裸反應(yīng)能壘259.90 kJ/mol和水氣相環(huán)境下的能壘145.80 kJ/mol[8]. 表明2個水分子簇與水溶劑的助催化共同作用, 使反應(yīng)能壘大幅度降低. 該過渡態(tài)的26H—29O和12H—5N已基本成鍵, 其靠近產(chǎn)物為后過渡態(tài), 該基元反應(yīng)為3質(zhì)子協(xié)同的非同步遷移過程, 與水氣相環(huán)境下3質(zhì)子協(xié)同同步遷移[8]的情形不同. 結(jié)構(gòu)分析表明, INT3_1·2H2O(m)的5N-1C-8C-10O-9O基本共面, 形成5中心大π鍵, 水分子間以及水分子和質(zhì)子化氨基間形成較強的氫鍵, 水分子與1C間形成中等強度的氫鍵, 因此, INT3_1·2H2O(m)為稍穩(wěn)定的中間體配合物. 但由于INT3_1·2H2O(m)的1C是sp2雜化, 為非滿配狀態(tài), 其質(zhì)子化氨基又不穩(wěn)定, 因此其壽命較短.
② 3個水分子簇作為質(zhì)子遷移媒介. 與2個水分子簇作為質(zhì)子遷移媒介的情形類似,S-INT2_1·3H2O(m)經(jīng)過渡態(tài)TS3_1·3H2O(m), 實現(xiàn)質(zhì)子由1C向5N的凈遷移, 異構(gòu)成氨基質(zhì)子化的中間體配合物INT3_1·2H2O(m). 九元環(huán)結(jié)構(gòu)過渡態(tài)TS3_1·3H2O(m)的氫鍵鍵角1C…25H…26O,26O…33H—31O,31O…28H—29O,28H—29O…5N分別為176.97°,175.94°,173.75°,169.99°, 3個氫鍵均較強, 使TS3_1·3H2O(m)的穩(wěn)定性較好. 但二面角1C-25H-26O-33H,26O-33H-31O-28H,31O-28H-29O-12H,28H-29O-12H-5N分別為-55.91°,8.87°,-11.48°,95.76°, 構(gòu)象穩(wěn)定性較差. TS3_1·3H2O(m)與TS3_1·2H2O(m)產(chǎn)生的能壘相近. 結(jié)構(gòu)分析表明, 從S-INT2_1·3H2O(m)到TS3_1·3H2O(m)過程, 反應(yīng)活性中心骨架二面角的變化以及化學(xué)鍵的拉伸斷裂情形與從S-INT2_1·2H2O(m)到TS3_1·2H2O(m)過程類似, 故略. TS3_1·3H2O(m)產(chǎn)生了112.71 kJ/mol的能壘, 在允許誤差范圍內(nèi), 可認為與TS3_1·2H2O(m)產(chǎn)生的能壘116.02 kJ/mol相同. 表明3個水分子簇的催化不比2個水分子簇的催化更具優(yōu)勢. 過渡態(tài)TS3_1·3H2O(m)為后過渡態(tài), 該基元反應(yīng)為4質(zhì)子協(xié)同非同步遷移過程.
4) INT3_1·2H2O(n)(n表示水分子簇在后面與底物配合)與INT3_1·3H2O(n)的分子間氫鍵解離. INT3_1在其后面的水分子簇作用下, 實現(xiàn)24H在紙面里由質(zhì)子化氨基向1C遷移, 完成旋光異構(gòu). 該基元反應(yīng)僅討論2個和3個水分子簇作為質(zhì)子遷移媒介的情形.
① 2個水分子簇作為質(zhì)子遷移媒介. INT3_1·2H2O(n)經(jīng)過渡態(tài)TS4_1·2H2O(n), 實現(xiàn)質(zhì)子從5N向1C的凈遷移, 異構(gòu)成中間體R-INT4·2H2O(n), 完成旋光異構(gòu). 過渡態(tài)TS4_1·2H2O(n)七元環(huán)結(jié)構(gòu)的氫鍵角1C…26H…29O,29O…28H—25O,25O…24H—5N分別為169.29°,167.07°,157.08°; 二面角1C-26H-29O-28H,29O-28H-25O-24H,28H-25O-24H-5N分別為26.33°,-2.48°,15.94°, 因該過渡態(tài)a_TS3·2H2O(n)較穩(wěn)定. 從INT3_1·2H2O(n)到TS4_1·2H2O(n)過程, 5N—24H,25O—28H,29O—26H的鍵長分別由0.103 9,0.098 5,0.098 6 nm增至0.104 1,0.100 4,0.125 3 nm, 鍵長增幅遠小于從S-INT2·2H2O(m)到TS3·2H2O(m)的過程; 該過程中1C從sp2雜化變?yōu)闇蕇p3雜化, 由非滿配態(tài)向準滿配狀態(tài)過渡, 活性中心骨架的形變會放熱, 因此TS4·2H2O(n)產(chǎn)生的能壘僅為22.34 kJ/mol. 過渡態(tài)TS4_1·2H2O(n)的5N—24H和25O—28H未斷裂, 為成鍵狀態(tài), 靠近反應(yīng)物, 為前過渡態(tài), 該基元反應(yīng)為3質(zhì)子協(xié)同非同步遷移過程.R-INT4·2H2O(n)中的1C為sp3雜化, 處于滿配狀態(tài), 且R-INT4·2H2O(n)存在氨基和羧基間較弱的分子間氫鍵、 2個較強的分子間氫鍵和1個較弱的分子間氫鍵, 因此其構(gòu)象較穩(wěn)定.
② 3個水分子簇作為質(zhì)子遷移媒介. INT3_1·3H2O(n)經(jīng)過渡態(tài)TS4_1·3H2O(n), 實現(xiàn)質(zhì)子從5N向1C凈遷移, 異構(gòu)成較穩(wěn)定的中間體配合物R-INT4·3H2O(n). 該基元反應(yīng)與前面討論的2個水分子簇作為質(zhì)子遷移媒介的情形類似, 反應(yīng)能壘為19.11 kJ/mol, 故略.
5)R-INT4·3H2O(n)的分子間氫鍵解離.R-INT4經(jīng)與S-TS2_1相似的過渡態(tài)R-TS5_1, 實現(xiàn)11H和6H由右向左的翻轉(zhuǎn)異構(gòu), 異構(gòu)成第五中間體R-INT5, 能壘為23.55 kJ/mol. 最后,R-INT5再經(jīng)與S-TS1_1相似的過渡態(tài)R-TS6_1, 實現(xiàn)羧基的順反異構(gòu), 異構(gòu)成最終產(chǎn)物P_R-Lys_1, 能壘為39.27 kJ/mol. P_R-Lys_1具有氨基和羧基間較強的分子內(nèi)單氫鍵, 構(gòu)象更穩(wěn)定.
由圖6可見:S-Lys_1分子旋光異構(gòu)的決速步驟為第三基元反應(yīng), 2個和3個水分子簇作為氫遷移媒介時的決速步驟能壘分別為116.02,112.71 kJ/mol, 來源于質(zhì)子由手性C向氨基N遷移的過渡態(tài). 這兩個能壘遠低于質(zhì)子遷移的極限能壘167.00 kJ/mol[20], 且遠高于質(zhì)子遷移的溫和反應(yīng)能壘84.02 kJ/mol[20], 表明水液相環(huán)境下, 水分子簇的催化可使Lys_1分子緩慢地實現(xiàn)旋光異構(gòu). 第五和第六基元正負反應(yīng)的能壘均較低, 表明R-INT4_1,R-INT5_1與P_R-Lys_1可共存, 其中P_R-Lys_1處于勢能面較低的位置, 其含量遠高于R-INT4_1和R-INT5_1.
2.1.2S-Lys_2分子旋光異構(gòu)過程的決速步驟基元反應(yīng)機理S-Lys_2旋光異構(gòu)過程由2個相似準對稱的基元反應(yīng)構(gòu)成, 第一基元反應(yīng)為決速步驟, 且反應(yīng)機理與S-Lys_1旋光異構(gòu)的第三基元反應(yīng)相似, 因此僅討論決速步驟反應(yīng)過程.
S-Lys_2旋光異構(gòu)決速步驟的反應(yīng)過程如圖7所示, 反應(yīng)過程的Gibbs自由能勢能剖面如圖8所示. 由圖7(A)可見, 當2個水分子簇作為質(zhì)子遷移媒介時,S-Lys_2與其前面的2個水分子簇通過氫鍵作用形成配合物分子S-Lys_2·2H2O(m), 經(jīng)過渡態(tài)TS1_2·2H2O(m), 實現(xiàn)質(zhì)子從1C向5N的凈遷移, 異構(gòu)成中間體配合物INT1_2·2H2O(m). 結(jié)構(gòu)分析表明, TS1_2·2H2O(m)七元環(huán)結(jié)構(gòu)的氫鍵鍵角均接近平角, 二面角也均接近平角, 因此TS1_2·2H2O(m)構(gòu)象較穩(wěn)定, 且該過程的反應(yīng)活性中心骨架形變較小. 但該過程存在3個較大幅度拉伸斷裂的化學(xué)鍵, 因此, TS1_2·2H2O(m)產(chǎn)生的能壘為110.27 kJ/mol. 過渡態(tài)TS1_2·2H2O(m)為后過渡態(tài), 該基元反應(yīng)為3質(zhì)子協(xié)同非同步遷移過程. 由圖7(B)可見, 當3個水分子簇作為質(zhì)子遷移媒介時,S-Lys_2·3H2O(m)經(jīng)過渡態(tài)TS1_2·3H2O(m), 異構(gòu)成中間體配合物INT1_2·32H2O(m), 反應(yīng)能壘為114.29 kJ/mol, 在允許誤差范圍內(nèi), 可認為與TS1_2·2H2O(m)產(chǎn)生的能壘110.27 kJ/mol相同.
圖7 水液相環(huán)境下S-Lys_2分子旋光異構(gòu)反應(yīng)的決速步驟Fig.7 Rate-determining step of optical isomerism reaction of S-Lys_2 molecule in water liquid phase environment
圖8 水液相環(huán)境下S-Lys_2分子旋光異構(gòu)反應(yīng)決速步驟的Gibbs自由能勢能面Fig.8 Rate-determining step Gibbs free energy potential energy surface of optical isomerism reaction of S-Lys_2 molecule in water liquid phase environment
能壘110.27,114.29 kJ/mol均遠低于質(zhì)子遷移的極限能壘167.00 kJ/mol[20], 表明水液相環(huán)境下Lys_2分子可在水分子簇的催化作用下緩慢地實現(xiàn)旋光異構(gòu).
1個羥自由基和1個水分子構(gòu)成的鏈作為氫遷移媒介可致賴氨酸損傷, 對S-Lys_1的損傷發(fā)生在第三基元反應(yīng), 對S-Lys_2的損傷發(fā)生在第一基元反應(yīng). 反應(yīng)過程如圖9所示, 反應(yīng)過程的勢能面如圖10所示.
圖9 水液相環(huán)境下水分子與羥自由基鏈致賴氨酸損傷的反應(yīng)過程Fig.9 Reaction process of lysine damage induced by water molecules and hydroxyl radical chains in water liquid phase environment
圖10 水液相環(huán)境下水分子與羥自由基鏈致賴氨酸損傷反應(yīng)過程的勢能面Fig.10 Potential energy surface of reaction process of lysine damage induced by water molecules and hydroxyl radical chains in water liquid phase environment
2.2.1S-Lys_1的損傷 首先,S-INT2_1與1C和25H右側(cè)的水分子和羥自由基通過氫鍵作用形成前驅(qū)配合物S-INT2_1·[(OH·)·H2O]. 其次,S-INT2_1·[(OH·)·H2O]經(jīng)過渡態(tài)TS3_1·[(OH·)·H2O], 異構(gòu)成配合物P_1*·2H2O. 由圖10可見, 該基元反應(yīng)為無勢壘反應(yīng), 由水氣相環(huán)境下的能壘為134.12 kJ/mol[5]可知, 水溶劑具有催化作用, 加速了S-Lys_1的損傷. 該基元反應(yīng)的無勢壘與文獻[8]的能壘為32.62 kJ/mol不同. 由圖9(A)可見, 該基元反應(yīng)的過渡態(tài)為3質(zhì)子協(xié)同非同步的過渡態(tài), 由于考慮了溶劑化對駐點構(gòu)象的影響, 因此可更好地揭示水液相環(huán)境下S-Lys_1的損傷機理. 水液相環(huán)境下基元反應(yīng)為無勢壘反應(yīng), 即水溶劑效應(yīng)使過渡態(tài)相對于反應(yīng)物的能量大幅度降低, 這是由于過渡態(tài)遠大于反應(yīng)物的偶極矩, 在極性水溶劑中被極化, 導(dǎo)致體系能量顯著降低.
2.2.2S-Lys_2的損傷 首先,S-Lys_2與1C和25H右側(cè)的水分子和羥自由基通過氫鍵作用形成前驅(qū)配合物S-Lys_2·[(OH·)·H2O]. 其次,S-Lys_2·[(OH·)·H2O]經(jīng)過渡態(tài)TS_2·[(OH·)·H2O], 異構(gòu)成配合物P_2*·2H2O. 由圖10可見, 該基元反應(yīng)結(jié)果為S-Lys_2損傷且反應(yīng)無勢壘. 表明在考慮溶劑對駐點構(gòu)象的影響后, 改變了水分子羥自由基鏈與S-Lys_2反應(yīng)的機理.
2.2.3 IRC計算S-Lys_1和S-Lys_2損傷過程的過渡態(tài)連接產(chǎn)物為P_1*·2H2O和P_2*·2H2O, 對過渡態(tài)的IRC計算證明了反應(yīng)過程的可靠性. 水液環(huán)境下從過渡態(tài)TS3_1·[(OH·)·H2O]到產(chǎn)物P_1*·2H2O的過程如圖11所示, TS_2·[(OH·)·H2O]異構(gòu)成配合物P_2*·2H2O的過程與此類似, 故略.
由圖11可見: 首先, 質(zhì)子26H向氧負離子29O遷移; 其次, 在28O—27H的作用下, 12H與5N斷鍵向28O遷移, 在12H向28O遷移的過程中, 26H向29O遷移, 且先遷移至氫氧根29O—25H上, 形成水分子25H—29O—26H; 然后, 12H遷移至氫氧根28O—27H上, 形成水分子12H—28O—27H; 最后得到穩(wěn)定損傷配合物P_1*·2H2O.
由圖10可見, 該基元反應(yīng)放熱328.06 kJ/mol, 產(chǎn)物P_1*·2H2O非常穩(wěn)定. 這是由于5N,1C,8C,10O和9O形成5中心大π鍵, 且配合物P_1*·2H2O的水分子間以及水分子和P_1*存在較強的分子間氫鍵所致.SLys_2·[(OH·)·H2O]到P_2*·2H2O的基元反應(yīng)放熱323.12 kJ/mol, 產(chǎn)物P_2*·2H2O也非常穩(wěn)定.
圖11 水液相環(huán)境下由過渡態(tài)TS3_1·[(OH·)·H2O]到產(chǎn)物P_1*·2H2O的過程Fig.11 Process from transition state TS3_1·[(OH·)·H2O] to product P_1*·2H2O in water liquid phase environment
綜上, 本文可得如下結(jié)論:
1) 在水液相環(huán)境下,S-Lys_1和S-Lys_2的旋光異構(gòu)分別經(jīng)6個和2個基元反應(yīng), 決速步驟分別為第三和第一基元反應(yīng). 當2個和3個水分子簇作為氫遷移媒介時,S-Lys_1旋光異構(gòu)決速步驟的Gibbs自由能壘分別為116.02,112.71 kJ/mol,S-Lys_2旋光異構(gòu)決速步驟的Gibbs自由能壘分別為110.27,114.29 kJ/mol. 在水液相環(huán)境下, 賴氨酸分子可緩慢地旋光異構(gòu).
2) 當羥自由基與水分子鏈作為氫遷移媒介時, 羥自由基抽氫致S-Lys_1和S-Lys_2損傷的Gibbs自由能壘分別為-53.06,-56.05 kJ/mol, 均為無勢壘反應(yīng), 羥自由基與水分子組合可致賴氨酸迅速損傷.