絲氨酸構(gòu)象異構(gòu)化機理的密度泛函理論研究

朱立周，鮑羽鶴，王海光，楊笑春，于佳璇，孟祥軍

（1. 唐山師范學(xué)院 化學(xué)系，河北 唐山 063000；2. 承德技師學(xué)院 電氣工程技術(shù)系，河北 承德 067000）

氨基酸是構(gòu)成蛋白質(zhì)的單體，是重要的生命營養(yǎng)物質(zhì)，參與眾多生理反應(yīng)，發(fā)揮著重要生物功能。分子的生物活性與分子的構(gòu)象變化間存在密切關(guān)系，研究氨基酸的構(gòu)象行為是理解蛋白質(zhì)、多肽分子動態(tài)特征的關(guān)鍵所在。

甘氨酸和丙氨酸的結(jié)構(gòu)較簡單，構(gòu)象研究也較早[1,2]，工作較充分[3,4]。絲氨酸分子式為C3H7O3N，官能團除了氨基和羧基外，還有一個側(cè)鏈羥基；三個官能團均可作為氫鍵給體和受體，分子內(nèi)氫鍵形式多樣，構(gòu)象較復(fù)雜，但它是認識構(gòu)象氫鍵效應(yīng)的一個好模型。2004 年Lambie B 等[5]采用B3LYP/6-31++G**理論方法得到了12 種絲氨酸穩(wěn)定構(gòu)象，并用矩陣隔離-傅里葉變換紅外光譜法觀測到了4 種穩(wěn)定構(gòu)象；2007 年Blanco S 等[6]采用超音速射流-傅里葉變換微波譜法觀測到了7 種絲氨酸穩(wěn)定構(gòu)象，并用MP2/6-311++G**方法對觀測構(gòu)象進行了理論計算。2017 年Wang Y 等[7]將低能電子附著在絲氨酸最穩(wěn)定的4 種構(gòu)象上得到形態(tài)共振體系，然后用量子散射方法進行了分子解離動力學(xué)觀測。到目前為止，還缺乏絲氨酸構(gòu)象轉(zhuǎn)化機理的研究，研究構(gòu)象轉(zhuǎn)化機理可以深入認識構(gòu)象變化的微觀特征和動態(tài)信息[8]。

1 計算方法

密度泛函理論（DFT）現(xiàn)已發(fā)展為量子化學(xué)計算的最重要手段。之前B3LYP 方法較適用于模擬氨基酸體系的性質(zhì)[9,10]，現(xiàn)在較新的M06 方法由于包含了許多校正項，能量計算比B3LYP 準確，并且描述氫鍵較好[11]。本文采用M06/6-31++G**方法優(yōu)化絲氨酸結(jié)構(gòu)，對所有構(gòu)型都進行頻率確認，對過渡態(tài)的正確性進行反應(yīng)內(nèi)稟坐標（IRC）驗證。然后對各構(gòu)型進行零點能（ZPE）校正，得到各構(gòu)型的能量Ecom，進而計算各構(gòu)型的相對能ΔEr（ΔEr=Ecom-Ecom,min，Ecom,min是最穩(wěn)定構(gòu)象能量）以及反應(yīng)過程的正（逆）反應(yīng)能壘Ea（Ea'）。所有任務(wù)均使用G09 程序完成[12]。

2 結(jié)果與討論

2.1 穩(wěn)定構(gòu)象

本文共得到15種絲氨酸穩(wěn)定構(gòu)象以及15個過渡態(tài)，按照能量升高次序以英文字母對穩(wěn)定構(gòu)象命名，過渡態(tài)名稱由反應(yīng)物和產(chǎn)物的名稱組合而來。穩(wěn)定構(gòu)象包含了文獻[5]的12 種構(gòu)象，其中最穩(wěn)定4 種構(gòu)象與文獻[7]報道的4 種構(gòu)象一致。為了便于比較和討論，將這些構(gòu)象按照轉(zhuǎn)化途徑排列于圖1，各構(gòu)象的原子編號一致，參見構(gòu)象A。

各構(gòu)象的第一和第二頻率值（υ1和υ2）及能量值（相對能ΔE，正逆反應(yīng)能壘Ea和Ea'）列于表1，υ1為正的構(gòu)象是穩(wěn)定態(tài)，υ1為負而υ2為正的構(gòu)象是過渡態(tài)。最穩(wěn)定構(gòu)象A 中含有3 條氫鍵，分別為BO2-H1、BO2-H2和BN1-H4。前4 種穩(wěn)定構(gòu)象的相對能低于4 kJ?mol-1，能量最高構(gòu)象O 的相對能為16.53 kJ?mol-1。

絲氨酸過渡態(tài)主要由 5 個內(nèi)旋轉(zhuǎn)自由度（C1-C2 鍵、C2-C3 鍵、C1-O1 鍵、N1-C2 鍵和C3-O3 鍵）產(chǎn)生。過渡態(tài)I-J 和L-M 對應(yīng)著氨基（N1-C2 鍵）的旋轉(zhuǎn)，能壘低于10.16 kJ?mol-1。E-L、F-A 和I-N 對應(yīng)著C1-C2 鍵的旋轉(zhuǎn)，能壘低于22.78 kJ?mol-1。B-G、D-H 和N-O 對應(yīng)著C2-C3鍵的旋轉(zhuǎn)，能壘低于23.31 kJ?mol-1。A-O、C-K、E-K 和G-H 對應(yīng)著側(cè)鏈羥基（O3-C3 鍵）的旋轉(zhuǎn)，能壘低于24.13 kJ?mol-1。B-M、D-J 則對應(yīng)著羧羥基（C1-O1 鍵）的旋轉(zhuǎn)，能壘在39.68～54.80 kJ?mol-1之間。A-F 是質(zhì)子H1 在O1 和O2 原子間遷移的過渡態(tài)，能壘高于129.44 kJ?mol-1。

2.2 構(gòu)象轉(zhuǎn)化途徑和機理

絲氨酸構(gòu)象轉(zhuǎn)化的途徑和能級變化見圖2。由于A 是最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，B 是次穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，這里對A轉(zhuǎn)化到B 的微觀機理進行詳細討論（其它路徑不贅述）。轉(zhuǎn)化路徑為

該路徑最高能壘為54.8 kJ?mol-1。構(gòu)象A 中氫鍵BO2-H1長229.6 pm，BO2-H2和BN1-H4分別為245.3和221.0 pm，二面角ΦH4-O3-C3-C2為43.4°。由C3-O3鍵的旋轉(zhuǎn)，二面角ΦH4-O3-C3-C2達到-77.3°時得到過渡態(tài)A-O，能量升高24.13 kJ?mol-1；達到-82.4°時得到構(gòu)象O，能量降低7.60 kJ?mol-1。

通過C3-C2 鍵的旋轉(zhuǎn)，構(gòu)象O 變?yōu)镹-O，二面角ΦO3-C3-C2-C1由177.0°變?yōu)?28.7°，能量升高12.60 kJ?mol-1，該二面角旋轉(zhuǎn)至75.1°得到N，能量降低18.40 kJ?mol-1。構(gòu)象N 中ΦO2-C1-C2-C3為142.5°，C1-C2 鍵的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致ΦO2-C1-C2-C3變?yōu)?8.1°時得到I-N，能量升高18.15 kJ?mol-1。該二面角轉(zhuǎn)至-20.7°時得到I，能量降低20.85 kJ?mol-1。構(gòu)象I 中ΦH2-N1-C2-C3為-174.3°，N1-C2 鍵的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致ΦH2-N1-C2-C3變?yōu)?117.0°時得到I-J，能量升高6.07 kJ?mol-1。ΦH2-N1-C2-C3轉(zhuǎn)至-64.3°時得到J，能量降低5.69 kJ?mol-1。

表1 絲氨酸各構(gòu)象的頻率（單位cm-1）及能量（單位kJ?mol-1）

圖1 絲氨酸構(gòu)象及其轉(zhuǎn)化途徑

圖2 絲氨酸構(gòu)象轉(zhuǎn)化途徑和能級

C1-O1 鍵的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致J 經(jīng)由過渡態(tài)D-J 轉(zhuǎn)變?yōu)镈，二面角ΦH1-O1-C1-O2相應(yīng)地變化，由-0.6°到-97.7°再到176.5°，能量先升高49.72 kJ?mol-1，再降低54.80 kJ?mol-1。C3—C2 鍵的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致D 經(jīng)由D-H變?yōu)镠，二面角ΦO3-C3-C2-C1由64.8°到123.1°再到103.9°，能量先升高23.31 kJ?mol-1，再降低18.64 kJ?mol-1。O3-C3 鍵的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致H 經(jīng)由過渡態(tài)G-H 轉(zhuǎn)變?yōu)镚，二面角ΦH4-O3-C3-C2由-123.3°到3.4°再到179.6°，能量先升高14.87 kJ?mol-1，再降低15.49 kJ?mol-1。構(gòu)象G 通過C3-C2 鍵的旋轉(zhuǎn)經(jīng)由B-G 變?yōu)锽，二面角ΦO3-C3-C2-C1由-179.3°到4.5°再到-63.3°，能量先升高7.49 kJ?mol-1，再降低14.43 kJ?mol-1。

3 結(jié)論

運用M06/6-31++G**方法研究絲氨酸構(gòu)象異構(gòu)化機理，絲氨酸存在15 種穩(wěn)定構(gòu)象，這些構(gòu)象可以通過分子內(nèi)化學(xué)鍵的旋轉(zhuǎn)相互轉(zhuǎn)化。氨基旋轉(zhuǎn)的能壘低于10.16 kJ?mol-1，C-C 鍵旋轉(zhuǎn)的能壘低于23.31 kJ?mol-1；側(cè)鏈羥基旋轉(zhuǎn)的能壘低于24.13 kJ?mol-1，羧羥基的旋轉(zhuǎn)能壘在 39.68 ～54.80 kJ?mol-1之間。最穩(wěn)定構(gòu)象A 轉(zhuǎn)化為次穩(wěn)定構(gòu)象B 的路徑為A→A-O→O→N-O→N→I-N→I→I-J→J→D-J→D→D-H→H→G-H→G→B-G→B，該路徑的最高能壘為54.80 kJ?mol-1。