水液相環(huán)境下羥自由基誘導的苯丙氨酸分子損傷機理

潘宇，莊嚴，姜春旭，劉薛濤，陶思宇，佟華*，王佐成*

（1.白城師范學院物理學院，吉林白城137000；2.白城師范學院計算機科學學院，吉林白城137000；3.白城師范學院傳媒學院，吉林白城137000）

0 引言

苯丙氨酸(phenylalanine；Phe)是人體必需的氨基酸。按構(gòu)型分為S-型苯丙氨酸(S-Phe)和R-型苯丙氨酸(R-Phe)，按光學活性可分為左旋體(L-Phe)和右旋體(D-Phe)。L-Phe在生命體內(nèi)具有活性，是構(gòu)成蛋白質(zhì)的重要成分，對控制腫瘤轉(zhuǎn)移有一定的作用，還可用作人類食品添加劑[1]。D-Phe是重要的化工和生物制藥原料[2]。生命體內(nèi)氨基酸的消旋及其結(jié)構(gòu)的改變可導致生物衰老[3-4]。

基于Phe的作用及其手性轉(zhuǎn)變可導致生命體衰老，人們對其結(jié)構(gòu)、光譜和旋光異構(gòu)進行了廣泛研究。文獻[5]研究了氣相Phe的構(gòu)象，結(jié)果表明，其可以有多個穩(wěn)定構(gòu)象，氨基與羧基間具有分子內(nèi)單氫鍵并且氨基與苯環(huán)間的π-氫鍵構(gòu)象最穩(wěn)定。文獻[6]通過實驗測量了L-Phe的紅外和紫外光譜，解釋了Phe具有分子內(nèi)氫鍵。文獻[7]實驗測量了L-Phe的轉(zhuǎn)動譜，進一步證實了L-Phe具有分子內(nèi)氫鍵。文獻[8-10]對其旋光異構(gòu)進行了較系統(tǒng)的研究。研究表明，氣相Phe在通常情況下具有穩(wěn)定性；水分子簇的催化可使微量Phe實現(xiàn)手性對映體轉(zhuǎn)變；水分子簇催化和水溶劑助催化的共同作用可使少量Phe分子實現(xiàn)手性對映體轉(zhuǎn)變，解釋了生命體內(nèi)有DPhe存在。

生命體是富水環(huán)境，糟糕的情緒、劇烈的運動和紫外線的照射等會使體內(nèi)產(chǎn)生大量的羥自由基。羥自由基的氧化能力極強，可以通過抽氫和加成等反應(yīng)對氨基酸造成損傷[11]。文獻[12]研究表明，羥自由基抽取α-氫可導致氣相α-丙氨酸損傷。文獻[13-14]的研究表明，羥自由基抽取α-氫可導致水液相環(huán)境下的α-丙氨酸損傷。文獻[15]的研究表明，羥自由基抽取α-氫可導致賴氨酸損傷。文獻[16-17]的研究表明，羥自由基抽取α-氫可導致纈氨酸損傷，單臂碳納米管（SWCNT）對其損傷反應(yīng)具有助催化作用，而水溶劑效應(yīng)對其具有阻礙作用。Phe分子的R基含有苯環(huán)、亞甲基和次甲基，羥自由基誘導Phe損傷的研究具有一定的挑戰(zhàn)性，目前尚未見相關(guān)研究的報道。本工作對研究其他含有苯環(huán)的有機分子（數(shù)量極其龐大）的損傷也具有積極的意義?；诖?，對水液相環(huán)境下羥自由基（水分子簇）誘導的Phe損傷進行了研究，期望在理論上對羥自由基（水分子簇）致Phe分子損傷給予解釋，同時告訴人們應(yīng)養(yǎng)成良好的生活與工作習慣，盡量降低體內(nèi)的羥自由基含量。

1 研究與計算方法

采用能較好地處理氫鍵等弱作用的色散校正密度泛函的WB97X-D[18]方法，結(jié)合處理溶劑效應(yīng)的自洽反應(yīng)場理論的SMD模型[19]方法，在WB97XD/SMD/6-311++G(d,p)水平優(yōu)化反應(yīng)過程的駐點構(gòu)象，對過渡態(tài)[20]進行IRC（內(nèi)稟反應(yīng)坐標）[21]計算，驗證其確實連接所期望的局域極小點，在同一水平下對體系進行自然鍵軌道（NBO）分析，獲得其原子自然電荷（NPA）。為獲得更精確的反應(yīng)過程的勢能面，采用微擾理論的MP2[22]方法，在MP2/SMD/6-311++g(3df,2pd)水平計算駐點的單點能，用零點振動能校正與單點能之和作為總能量。本工作選取S-型Phe分子作為目標反應(yīng)物，研究羥自由基誘導其損傷。S-Phe分子與羥自由基水分子簇形成的復合物，標記為S-Phe·[·OH)·H2O]，其他體系的標記相似。計算工作由Gaussian 09[23]程序在白城師范學院理論計算中心的服務(wù)器集群完成。

2 結(jié)果與討論

水液相環(huán)境下S-Phe分子的最穩(wěn)定構(gòu)象[11]見圖1。研究發(fā)現(xiàn)，羥自由基（水分子簇）抽取α-氫（α-碳3C上的氫）、β-氫（β-碳5C上的氫）、苯環(huán)-氫以及羥自由基與苯環(huán)加成均可致S-Phe分子損傷，下面分別進行討論。

2.1 羥自由基（水分子簇）抽α-氫致S-Phe損傷

羥自由基（水分子簇）抽α-氫[NPA電荷計算表明，本文羥自由基（水分子簇）抽氫，均為抽“氫原子”，相似之處不再解釋]，可分為羥自由基水分子簇與α-氫和氨基作用、羥自由基水分子簇與α-氫和羰基作用以及羥自由基與α-氫作用形成反應(yīng)復合物，而后羥自由基抽氫的3種情況。對應(yīng)的3個抽氫反應(yīng)通道，分別命名為a、b、c，反應(yīng)歷程見圖2，反應(yīng)勢能面剖面見圖3，下面分別進行討論。

圖2 羥自由基（水分子簇）抽α-H導致S-Phe損傷的反應(yīng)歷程（鍵長：nm）Fig.2 S-Phe damage mechanism induced by α-H abstraction of hydroxyl radicals（water clusters）（bond length：nm）

2.1.1 a通道

在a通道，損傷的反應(yīng)歷程見圖2(a)，反應(yīng)勢能面剖面見圖3的a曲線。首先是反應(yīng)物S-Phe的α-氫和氨基氫分別與羥自由基水分子簇的羥自由基和水分子作用，形成底物復合物a_S-Phe·[(·OH)·H2O]（α-氫的序號由4變?yōu)?3了）。而后底物復合物a_S-Phe·[(·OH)·H2O]經(jīng)·OH抽α-氫 23H的過渡態(tài)a_TS·[(·OH)·H2O]，異構(gòu)成產(chǎn)物復合物 a_P*·(H2O)2。最后，產(chǎn)物復合物 a_P*·(H2O)2的a_P*和(H2O)2的分子間氫鍵解離，形成a_P*和二聚水(H2O)2。結(jié)構(gòu)分析表明，a_P*·(H2O)2的1N—3C鍵長較短，小于a_S-Phe·[(·OH)·H2O]的1N—3C鍵長，1N、3C、5C、9O和21O形成了共軛的五中心大π鍵，水分子簇內(nèi)以及水分子與氨基氫之間存在較強的氫鍵，水分子與α-碳以及水分子和羰基氧21O之間存在弱氫鍵，因此，a_P*·(H2O)2的構(gòu)象穩(wěn)定，處在很深的勢阱中。a_P*是產(chǎn)物自由基，其α-碳上失去了氫原子，α-碳的手性已不存在，亦即a_P*失去了的手性，是損傷的Phe（后面相似之處不再解釋）。

從a_S-Phe·[(·OH)·H2O]到a_TS·[(·OH)·H2O]過程，3C—23H鍵長從0.109 5 nm拉伸至0.123 0 nm斷裂，反應(yīng)活性中心骨架二面角1N—3C—4C—5C從125.29°變?yōu)?29.32°，此過程化學鍵拉伸較小，活性中心骨架形變不明顯，所需能量不高，3C—1N鍵長從0.146 0 nm收縮至0.143 7 nm，又會釋放能量，過渡態(tài)的鍵角3C—23H—24O為176.67°，接近平角，3C—23H—24O具有較強的氫鍵，說明過渡態(tài)較穩(wěn)定，因此 a_TS·[(·OH)·H2O]產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘非常低，只有6.7 kJ·mol-1。在此過程中，(·OH)·H2O中的H2O分子沒有參與反應(yīng)，其作用是穩(wěn)定·OH的空間位置，使·OH處于抽取α-H原子的有利位置。從勢能剖面可以看出，a_S-Phe·[(·OH)·H2O]不穩(wěn)定，從反應(yīng)物 S-Phe+[(·OH)·H2O]到反應(yīng)復合物 a_S-Phe·[(·OH)·H2O]過程要吸熱 61.7 kJ·mol-1。a_P*和(H2O)2之間的氫鍵解離能為81.6 kJ·mol-1，產(chǎn)物復合物 a_P*·(H2O)2可通過碰撞過程將其解離成a_P*和(H2O)2。

由于a_S-Phe·[(·OH)·H2O]不穩(wěn)定，也可將該基元反應(yīng)視為·OH直接抽氫機理，沒有形成反應(yīng)復合物的過程。從反應(yīng)物到產(chǎn)物復合物是(·OH)·H2O的·OH直接抽氫原子23H形成H2O，亦即3C—23H鍵的斷裂和24O—23H鍵的形成同時完成，反應(yīng)能壘為68.4 kJ·mol-1。

2.1.2 b通道

在b通道，損傷歷程見圖2(b)，反應(yīng)勢能面剖面見圖3的b線。首先，羥自由基水分子簇與S-Phe的23H和9O作用，形成復合物b_S-Phe·[(·OH)·H2O]。而后b_S-Phe·[(·OH)·H2O]經(jīng)·OH 抽取23H的過渡態(tài) b_TS·[(·OH)·H2O]，異構(gòu)成產(chǎn)物復合物 b_P*·(H2O)2。最后b_P*和(H2O)2的分子間氫鍵解離，形成b_P*和二聚水(H2O)2。結(jié)構(gòu)分析表明，b_P*·(H2O)2的1N、3C、5C、9O和21O形成了五中心共軛大π鍵，水分子間以及水分子與羰基氧間存在較強的氫鍵，水分子與α-碳之間存在弱氫鍵，其構(gòu)象穩(wěn)定。

從b_S-Phe·[(·OH)·H2O]到b_TS·[(·OH)·H2O]過程，3C—23H鍵長從0.109 3 nm拉伸至0.117 2 nm斷裂，骨架二面角1N—3C—4C—5C從123.63°變?yōu)?27.19°，化學鍵拉伸較小，活性中心骨架形變不明顯，不需要太多的能量，過渡態(tài)的鍵角3C—23H—24O是172.64°，接近平角，3C—23H—24O具有較強的氫鍵，過渡態(tài)較穩(wěn)定，因此b_TS·[(·OH)·H2O]產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘很低，只有29.5 kJ·mol-1。在此過程中，H2O分子也沒有參與反應(yīng)，其作用是穩(wěn)定·OH的空間位置。從勢能剖面中可以看出，從反應(yīng)物 S-Phe+[(·OH)·H2O]到反應(yīng)復合物 b_S-Phe·[(·OH)·H2O]的過程要吸熱54.7 kJ·mol-1。b_P*和(H2O)2之間的氫鍵解離能是26.5 kJ·mol-1。同 2.1.1 節(jié)，b_S-Phe·[(·OH)·H2O]不穩(wěn)定，該基元反應(yīng)也可視為·OH直接抽氫，沒有形成反應(yīng)復合物的過程?！H直接抽23H形成H2O，3C—23H鍵的斷裂反應(yīng)能壘為84.2 kJ·mol-1。

2.1.3 c通道

在c通道，損傷的反應(yīng)歷程見圖2(c)，反應(yīng)勢能面剖面見圖3的c曲線。首先是羥自由基與23H作用，形成復合物 c_S-Phe·(·OH)。而后 c_S-Phe·(·OH)經(jīng)·OH 抽取23H的過渡態(tài) c_TS·(·OH)，異構(gòu)成產(chǎn)物復合物c_P*·H2O。結(jié)構(gòu)分析表明，c_P*·H2O的1N、3C、5C、9O和21O形成了五中心大π鍵，水分子與羰基氧間存在較強的氫鍵，c_P*·H2O構(gòu)象穩(wěn)定。最后，c_P*和H2O的分子間氫鍵解離。

圖3 羥自由基（水分子簇）抽α-H導致S-Phe損傷反應(yīng)的勢能面Fig.3 Potential energy surfaces of S-Phe damage induced by by α-H abstraction of hydroxyl radicals（water clusters）

從c_S-Phe·(·OH)到c_TS·(·OH)過程，3C—23H鍵長從0.109 4 nm拉伸至0.115 9 nm斷裂，骨架二面角 1N—3C—4C—5C 從125.30°變?yōu)?25.86°，基本沒變。化學鍵拉伸較小，不需要較多的能量，3C—1N鍵長從0.146 1 nm收縮至0.144 0 nm，釋放能量，過渡態(tài)的鍵角3C—23H—24O為177.85°，可視為平角，3C—23H—24O具有很強的氫鍵，過渡態(tài)很穩(wěn)定，因此c_TS·(·OH)產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘很低，只有16.0 kJ·mol-1。從勢能面剖面可以看出，從反應(yīng)物S-Phe+(·OH)到反應(yīng)復合物c_SPhe·(·OH)的過程要吸熱68.9 kJ·mol-1。c_P*和H2O之間的氫鍵解離能為79.8 kJ·mol-1。

同 2.1.1 節(jié)，由于c_S-Phe·(·OH)不穩(wěn)定，該基元反應(yīng)也可視為·OH直接抽氫機理，·OH直接抽氫原子23H形成H2O，3C—23H的斷裂和24O—23H鍵的形成同時完成，反應(yīng)能壘為84.9 kJ·mol-1。

計算表明，a_P*、b_P*和c_P*P*的構(gòu)象相同，亦即Phe分子在a、b和c通道的損傷產(chǎn)物相同。

從圖3中可以看出，羥自由基（水分子簇）抽α-H致S-Phe損傷在a、b和c 3個反應(yīng)通道的能壘分別為68.4，84.2和84.9 kJ·mol-1，通道 a能壘最低，產(chǎn)物復合物以及產(chǎn)物的能量均是a通道最低，因此，羥自由基水分子簇抽α-H致S-Phe損傷反應(yīng)的a通道是優(yōu)勢反應(yīng)通道。

2.2 羥自由基（水分子簇）抽β-氫致S-Phe損傷

羥自由基（水分子簇）抽取β-氫可分為羥自由基水分子簇與β-氫和氨基作用以及羥自由基與β-氫作用形成反應(yīng)復合物，對應(yīng)的抽氫反應(yīng)分為2個通道，分別命名為d和e。研究表明，羥自由基（水分子簇）抽取的β-氫可以是7H或8H，反應(yīng)機理基本相同，為節(jié)省篇幅，本工作只討論羥自由基（水分子簇）抽取7H的情形，反應(yīng)歷程見圖4，反應(yīng)勢能面剖面見圖5，下面分別進行討論：

2.2.1 d通道

在d通道損傷的反應(yīng)歷程見圖4(a)，反應(yīng)勢能面剖面見圖5的d曲線。

首先羥自由基水分子簇與S-Phe的7H和2H作用，形成反應(yīng)復合物 d_S-Phe·[(·OH)·H2O]。而后d_S-Phe·[(·OH)·H2O]經(jīng)·OH 抽取7H的過渡態(tài)d_TS·[(·OH)·H2O]，異構(gòu)成產(chǎn)物復合物 d_P*·(H2O)2。d_P*是失去一個β-氫的產(chǎn)物自由基，SPhe失去7H后，5C及其附近的碳上的電荷分布與S-Phe明顯不同，NPA電荷計算表明，它們的β-碳、α-碳和苯環(huán)上碳的電荷分布相差明顯，其他骨架和非骨架原子上的電荷分布也有不同程度的改變，d_P*已不具有Phe的特性，亦即S-Phe損傷了，后面e通道的與此相似之處不再述說。結(jié)構(gòu)分析表明，d_P*·(H2O)2的1N、3C、6C、10O和22O形成了五中心大π鍵，水分子間存在較強的氫鍵，水分子與氨基間存在中等偏強的氫鍵，水分子與苯環(huán)間存在中等偏弱的π氫鍵，其構(gòu)象較穩(wěn)定。但由于d_P*·(H2O)2的五中心大π鍵強度和分子間氫鍵強度不及a_P*·(H2O)2和b_P*·(H2O)2，所以，d_P*·(H2O)2的穩(wěn)定性不及a_P*·(H2O)2和b_P*·(H2O)2，在勢阱的位置也不是很深。

從d_S-Phe·[(·OH)·H2O]到d_TS·[(·OH)·H2O]，5C—7H鍵長從0.109 3 nm拉伸至0.114 4 nm斷裂，骨架二面角11C—9C—5C—3C從－92.53°變?yōu)椋?1.80°，化學鍵拉伸較小，骨架形變較小，不需要太多能量，過渡態(tài)的鍵角5C—7H—24O為179.18°，接近平角，過渡態(tài)較穩(wěn)定，因此，d_TS·[(·OH)·H2O]產(chǎn) 生的內(nèi)稟能壘很低，只有27.3 kJ·mol-1。此過程 (·OH)·H2O中的H2O分子沒有參與反應(yīng)，其作用是穩(wěn)定·OH的空間位置。從勢能剖面中可以看出，從反應(yīng)物 S-Phe+[(·OH)·H2O]到反應(yīng)復合物d_S-Phe·[(·OH)·H2O]過程要吸熱 62.0 kJ·mol-1。d_P*和(H2O)2之間的氫鍵解離能為11.0 kJ·mol-1。

圖4 羥自由基（水分子簇）抽β-氫導致S-Phe損傷的反應(yīng)歷程（鍵長：nm）Fig.4 S-Phe damage mechanism induced by β-H abstraction of hydroxyl radicals（water clusters）（bond length：nm）

圖5 羥自由基（水分子簇）抽β-氫導致S-Phe損傷反應(yīng)的勢能面Fig.5 Potential energy surfaces of S-Phe damage induced by by β-H abstraction of hydroxyl radicals（water clusters）

同 2.1.1 節(jié)，d_S-Phe·[(·OH)·H2O]不穩(wěn)定，該基元反應(yīng)也可視為·OH直接抽氫，·OH直接抽β-氫原子7H形成H2O，5C—7H鍵的斷裂和24O—7H鍵的形成同時完成，反應(yīng)能壘為89.3 kJ·mol-1。

2.2.2 e通道

在e通道，損傷的反應(yīng)歷程見圖4(b)，反應(yīng)勢能面剖面見圖5的e曲線。首先是羥自由基與7H作用，形成反應(yīng)復合物 e_S-Phe·(·OH)。而后 e_SPhe· (·OH)經(jīng)·OH抽 7H的過渡態(tài) e_TS·(·OH)，異構(gòu)成產(chǎn)物復合物e_P*·H2O。結(jié)構(gòu)分析表明，e_P*·H2O的1N、3C、6C、10O和22O形成了五中心大π鍵，水分子與氨基間存在中等強度的氫鍵，水分子與苯環(huán)之間存在中等偏弱的π氫鍵，其構(gòu)象較穩(wěn)定。但由于e_P*··H2O的五中心大π鍵及氫鍵的強度不及c_P*·H2O，所以，e_P*·H2O的穩(wěn)定性不及c_P*·H2O。從e_S-Phe·(·OH)到e_TS·(·OH)過程，鍵長5C—7H從0.109 4 nm拉伸至0.115 5 nm斷裂，骨架二面角11C—9C—5C—3C從－93.31°變?yōu)椋?1.60°，化學鍵拉伸較小、骨架形變較小，不需要太多能量，過渡態(tài)鍵角5C—7H—24O為171.21°，接近平角，過渡態(tài)較穩(wěn)定，因此e_TS·(·OH)產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘很低，只有21.9 kJ·mol-1。從勢能剖面中可以看出，從反應(yīng)物S-Phe+(·OH)到反應(yīng)復合物e_S-Phe·(·OH)的過程要吸熱 69.1 kJ·mol-1。e_P*和·H2O之間的氫鍵解離能是15.5 kJ·mol-1。

同 2.1.1 節(jié)，e_S-Phe·(·OH)不穩(wěn)定，該基元反應(yīng)也可視為·OH直接抽氫，·OH直接抽β-氫7H形成H2O，5C—7H鍵的斷裂和24O—7H鍵的形成同時完成，反應(yīng)能壘為91.0 kJ·mol-1。

從圖5中可以看出，羥自由基水分子簇抽β-氫和羥自由基抽β-氫致S-Phe反應(yīng)能壘為89.3～91.0 kJ·mol-1，損傷反應(yīng)在競爭中不分伯仲，在誤差允許范圍內(nèi)可認為相等。但考慮到水液相環(huán)境下羥自由基水分子簇的分布要多于羥自由基，羥自由基水分子簇抽β-氫致S-Phe損傷反應(yīng)在競爭中應(yīng)占主導地位。

與2.1節(jié)的羥自由基（水分子簇）抽α-氫致SPhe損傷相比較，本節(jié)的羥自由基（水分子簇）抽β-氫致S-Phe損傷處于劣勢。主要原因是α-C-H鍵長（0.109 3 nm）大于β-C-7H鍵長（0.109 2 nm），NPA電荷計算表明，α-C正電荷量（－0.135 e）小于β-7H（－0.410 e），α-C-H鍵比β-C-7H的庫倫作用弱，α-C-H鍵比β-C-7H鍵弱，容易斷裂；NPA電荷計算表明，α-H正電荷量（0.253 e）大于β-7H正電荷量（0.231 e），羥自由基的氧原子對α-H的庫侖引力大于對β-7H的庫侖引力。

2.3 羥自由基抽苯環(huán)-氫致S-Phe損傷

羥自由基抽苯環(huán)-氫致S-Phe損傷命名為f通道。研究發(fā)現(xiàn)，羥自由基可以抽取苯環(huán)上的17H、19H和20H致S-Phe損傷（由于受氨基和羧基的影響，羥自由基抽取苯環(huán)上的13H和16H反應(yīng)過程的駐點沒找到），分別命名為f1、f2和f3通道，各通道的反應(yīng)歷程見圖6，反應(yīng)勢能面剖面見圖7。

對于f1通道，首先是羥自由基與苯環(huán)-氫17H作用，形成反應(yīng)復合物f1_S-Phe·(·OH)。而后f1_S-Phe·(·OH)經(jīng)·OH 抽取氫原子 17H的過渡態(tài)f1_TS·(·OH)，異構(gòu)成產(chǎn)物自由基復合物f1_P*·H2O。結(jié)構(gòu)分析表明，f1_P*·H2O的1N、3C、6C、10O和22O沒形成大π鍵，f_1P*和H2O之間的作用比較弱，失去氫原子的苯環(huán)碳具有比較強的獲取氫原子的能力，f1_P*·H2O和f_P*的構(gòu)象都不穩(wěn)定。

圖6 羥自由基抽苯環(huán)-氫導致S-Phe損傷的反應(yīng)歷程（鍵長：nm）Fig.6 S-Phe damage mechanism induced by benzene ring-H abstraction of hydroxyl radicals（water clusters）（bond length：nm）

從f1_S-Phe·(·OH)到f1_TS·(·OH)過程，14C—17H鍵長從0.108 5 nm拉伸至0.120 3 nm斷裂，化學鍵拉伸較小，所需能量較少，過渡態(tài)的鍵角14C—17H—24O為169.96°，接近平角，14C—17H—24O的氫鍵較強，過渡態(tài)較穩(wěn)定，f1_TS·(·OH)產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘很低，只有7.0 kJ·mol-1。從勢能面上可以看出，從反應(yīng)物S-Phe+(·OH)到反應(yīng)復合物f1_S-Phf·(·OH)吸熱 104.6 kJ·mol-1，f1_P*和H2O 之間的氫鍵解離能為2.4 kJ·mol-1，f1_P*·H2O的分子間氫鍵作用極弱，f1_P*·H2O很容易通過碰撞解離成f1_P*和H2O。

同 2.1.1節(jié)，f1_S-Phf·(·OH)不穩(wěn)定，該基元反應(yīng)也可視為·OH直接抽氫，·OH直接抽取苯環(huán)-氫的原子17H形成H2O，14C—17H鍵的斷裂和24O—17H鍵的形成同時完成，反應(yīng)能壘為111.6 kJ·mol-1。

f3通道的機理類似于f1通道，從反應(yīng)物SPhe+(·OH)到反應(yīng)復合物 f3_S-Phe·(·OH)過程要吸熱 107.9 kJ·mol-1，過渡態(tài)較 f3_TS·(·OH)產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為4.7 kJ·mol-1，產(chǎn)物自由基f3_P*和H2O之間的解離能為0.7 kJ·mol-1，說明 f1_P*·H2O的分子間存在的是范德華作用，f1_P*·H2O很容易被解離為f1_P*和H2O。

f2通道不同于f1和f3通道，反應(yīng)復合物f2_S-Phf·(·OH)極不穩(wěn)定，其相對于反應(yīng)物 S-Phe+(·OH)的能量為120.2 kJ·mol-1，比過渡態(tài) f2_TS·(·OH)的能量還高，該通道的損傷反應(yīng)在通常情況下很難實現(xiàn)，產(chǎn)物復合物f1_P*·H2O也極易解離。

從圖7中可以看出，f2通道明顯處于劣勢，羥自由基抽取苯環(huán)-氫致S-Phe損傷反應(yīng)的能壘為120.2 kJ·mol-1，如此高的能壘很難越過。在f1和f3通道，羥自由基抽取苯環(huán)-氫致S-Phe損傷反應(yīng)的能壘分別為111.6和112.6 kJ·mol-1，與2.1和2.2節(jié)中的羥自由基（水分子簇）抽α-氫和β-氫致S-Phe損傷相比均處于劣勢。主要原因有2個：（1）苯環(huán)的C—H鍵長短（苯環(huán)的C—H鍵長約為0.108 5 nm，α-C—H鍵長為0.109 3 nm，β-C—7H鍵長為0.109 2 nm)，苯環(huán)的C—H鍵較強，不容易斷裂；（2）苯環(huán)-H的正電荷量最?。∟PA電荷計算表明，苯環(huán)-H正電荷量約為0.225 e，α-H正電荷量為0.253 e，β-7H正電荷量為0.231 e），羥自由基的氧原子對苯環(huán)-H的庫侖引力最弱。從圖7中還可看出，Phe在f1，f2和f3通道的損傷可自行修復。

2.4 羥自由基加成到苯環(huán)致S-Phe損傷

羥自由基與苯環(huán)加成可分為羥自由基在Phe分子內(nèi)側(cè)和外側(cè)加成到苯環(huán)碳上2種情況，對應(yīng)的反應(yīng)通道分別命為g和h。

2.4.1 羥自由基在S-Phe內(nèi)側(cè)加成到苯環(huán)

圖7 羥自由基抽苯環(huán)-氫導致S-Phe損傷反應(yīng)的勢能面Fig.7 Potential energy surfaces of S-Phe damage induced by benzene ring-H abstraction of hydroxyl radicals（water clusters）

圖8 羥自由基加成到苯環(huán)C導致S-Phe損傷的反應(yīng)歷程（鍵長：nm）Fig.8 S-Phe damage mechanism induced by the addition of hydroxyl radicals to benzene ring C（bond length：nm）

研究表明，羥自由基在內(nèi)側(cè)加成到14C和15C位點的情況基本相同，而在9C、11C和12C的加成沒有找到理想的駐點，本節(jié)只討論羥自由基加成到14C和18C位點的情況，分別命名為g1和g2通道，反應(yīng)歷程見圖8(a)，反應(yīng)勢能面見圖9(a)，下面分別進行討論。

對于g1通道：首先羥自由基與14C作用，形成復合物 g1_S-Phe·(·OH)。而后 g1_S-Phe·(·OH)經(jīng)·OH加成到14C的過渡態(tài)g1_TS·(·OH)，異構(gòu)成產(chǎn)物g1_P*。g1_P*與S-Phe的結(jié)構(gòu)明顯不同，NPA電荷計算表明，它們在苯環(huán)上的電荷分布相差明顯，g1_P*是損傷了的S-Phe。后面相似之處不再贅述。

圖9 羥自由基加成到苯環(huán)導致S-Phe損傷反應(yīng)的勢能面Fig.9 Potential energy surfaces of S-Phe damage induced by the addition of hydroxyl radicals to benzene ring C

從g1_S-Phe·(·OH)到g1_TS·(·OH)過程，14C—24O鍵長從0.262 8 nm壓縮至0.210 3 nm，需外界提供能量克服庫侖斥力做功，骨架二面角18C—14C—15C—12C從179.15°變?yōu)?76.21°，碳氧鍵壓縮不是很大，需要的能量不很高，因此，g1_TS·(·OH)產(chǎn)生了33.2 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘。從勢能剖面中可以看出，從反應(yīng)物S-Phe+(·OH)到復合物g1_S-Phe·(·OH)過程要吸熱 73.5 kJ·mol-1。g1_SPhe·(·OH)不穩(wěn)定，該基元反應(yīng)也可視為不經(jīng)過反應(yīng)復合物，·OH直接經(jīng)過渡態(tài)加成到14C，反應(yīng)能壘為106.7 kJ·mol-1。

對于g2通道，首先羥自由基與18C作用，形成復合物 g2_S-Phe·(·OH)。而后 g2_S-Phe·(·OH)經(jīng)·OH加成到18C的過渡態(tài)g2_TS·(·OH)，異構(gòu)成產(chǎn)物 g2_P*。g2_TS·(·OH)產(chǎn)生了43.2 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘。g2_TS·(·OH)產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘大于g1_TS·(·OH)產(chǎn)生的，原因是從g2_S-Phe·(·OH)到g2_TS·(·OH)過程，18C—24O鍵長從0.278 6 nm壓縮至 0.210 3 nm，與從g1_S-Phe·(·OH)到g1_TS·(·OH)過程14C—24O鍵長的壓縮情況相比較，末狀態(tài)鍵長 18C—24O 相同，初狀態(tài) g2_S-Phe·(·OH)的18C—24O 距離遠，從g2_S-Phe·(·OH)到g2_TS·(·OH)過程需提供抵抗靜電力做功的能量要多。

類似于g1通道，該基元反應(yīng)也可視為不經(jīng)過反應(yīng)復合物，·OH直接經(jīng)過渡態(tài)加成到18C，反應(yīng)能壘為110.2 kJ·mol-1。

2.4.2 羥自由基在S-Phe外側(cè)加成到苯環(huán)

研究表明，羥自由基在外側(cè)加成到11C、12C、14C和15C的情況基本相同，在9C的加成沒有找到理想的駐點，在此只討論羥自由基加成到14C和18C的情況，分別命名為h1和h2通道，反應(yīng)歷程見圖8(b)，反應(yīng)勢能面見圖9(b)，反應(yīng)機理與在g1和g2通道的相似，只做一般討論。

對于h1通道：首先是羥自由基與14C作用，形成反應(yīng)復合物 h1_S-Phe·(·OH)。而后 h1_S-Phe·(·OH)經(jīng)過渡態(tài) h1_TS·(·OH)，異構(gòu)成產(chǎn)物 h1_P*。從h1_S-Phe·(·OH)到h1_TS·(·OH)過程，14C—24O鍵長從0.257 6 nm壓縮至0.209 8 nm，h1_TS·(·OH)產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為31.7 kJ·mol-1。從勢能剖面中可以看出，從反應(yīng)物S-Phe+(·OH)到反應(yīng)復合物 h1_S-Phe·(·OH)的過程要吸熱76.8 kJ·mol-1。該基元反應(yīng)也可視為不經(jīng)過反應(yīng)復合物，·OH直接經(jīng)過渡態(tài)加成到14C，反應(yīng)能壘為108.5 kJ·mol-1。

對于h2通道，先是羥自由基與18C作用，形成復合物 h2_S-Phe·(·OH)。而后 h2_S-Phe·(·OH)經(jīng)過渡態(tài) h2_TS·(·OH)，異構(gòu)成產(chǎn)物 h2_P*。h2_TS·(·OH)產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為25.3 kJ·mol-1。h2_TS·(·OH)較 h1_TS·(·OH)產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘小。原因是從h2_S-Phe·(·OH)到h2_TS·(·OH)過程中，18C—24O的壓縮距離小，并且h2_S-Phe·(·OH)的鍵長18C—24O 小于h1_S-Phe·(·OH)的鍵 長 18C—24O，h2_TS·(·OH)的鍵長 18C—24O 大于h1_TS·(·OH)的鍵長18C—24O。從h2_S-Phe·(·OH)到h2_TS·(·OH)需提供抵抗靜電力做功的能量少。該基元反應(yīng)也可視為不經(jīng)過反應(yīng)復合物，·OH直接經(jīng)過渡態(tài)加成到18C，反應(yīng)能壘為106.5 kJ·mol-1。從圖9中可以看出，在誤差允許的范圍內(nèi)，羥自由基在苯丙氨酸的內(nèi)側(cè)和外側(cè)加成到14C和18C致SPhe反應(yīng)損傷的能壘基本相同。從圖9中還可以看出，這幾個反應(yīng)的產(chǎn)物基本與反應(yīng)物處于勢能面的同一高度。因此，羥自由基在苯丙氨酸的內(nèi)側(cè)和外側(cè)加成到14C和18C致S-Phe損傷的反應(yīng)在競爭中不分伯仲。

3 結(jié) 論

3.1 羥自由基誘導的S-Phe分子損傷反應(yīng)有羥自由基（水分子簇）抽取α-氫、β-氫、苯環(huán)-氫以及羥自由基與苯環(huán)加成4種途徑。這4種途徑又分別有a、b和c通道，d和e通道，f1、f2和f3通道；g1、g2、h1和h2通道。

3.2 在a、b和c通道的競爭中，a通道具有優(yōu)勢，反應(yīng)的能壘為68.4 kJ·mol-1，放熱 98.0 kJ·mol-1。d和e通道的競爭不分伯仲，反應(yīng)的能壘在89.3～91.0 kJ·mol-1，放 熱在 54.9～57.3 kJ·mol-1。f1、f2和f3 反應(yīng)通道的能壘在111.6 kJ·mol-1左右，是吸熱反應(yīng)。g1、g2、h1和h2通道的競爭也不分伯仲，反應(yīng)能壘在106.5～110.2 kJ·mol-1，吸放熱情況不明顯。在所有的反應(yīng)通道競爭中，a通道最具優(yōu)勢。

結(jié)果表明，羥自由基（水分子簇）抽取α-氫是Phe分子損傷的主要途徑。