水液相下羥基自由基(水分子簇)誘導(dǎo)脯氨酸分子損傷的機(jī)理

羅香怡，高浩溟，姜 豐，劉 軍，范艷杰，姜春旭，王佐成

(1. 白城師范學(xué)院 物理學(xué)院，吉林 白城 137000； 2. 解放軍第三二一醫(yī)院 眼科，吉林 白城 137000；3. 那丹伯鎮(zhèn)中學(xué)，吉林 遼源 136000； 4. 白城師范學(xué)院 計算機(jī)科學(xué)學(xué)院，吉林 白城 137000)

脯氨酸(Proline, Pro)是手性氨基酸，是構(gòu)成蛋白質(zhì)的主要成分。按構(gòu)象分為S-型(S-Pro)和R-型(R-Pro)，按旋光性分為左旋(L-Pro)和右旋(D-Pro)。L-Pro在生命體內(nèi)有活性，對促進(jìn)膠原蛋白合成及軟骨修復(fù)有積極作用[1]，可催化對硝基苯甲醛與丙酮的不對稱Aldol反應(yīng)以及水楊醛與丙二酸二乙酯的Knoevenagel反應(yīng)等分子間縮合反應(yīng)[2-3]，還可催化分子內(nèi)不對稱羥醛的縮合反應(yīng)[4]。D-Pro用于生物化學(xué)研究和甜味食品添加劑，但在生命體內(nèi)過量的D-Pro會對健康產(chǎn)生不利的影響[5-7]。

由于旋光性不同的Pro有不同的作用，人們在其旋光異構(gòu)方面做了很多工作。文獻(xiàn)[8]的研究表明，氣相中性Pro的構(gòu)象穩(wěn)定，水分子對Pro的旋光異構(gòu)具有催化作用，水汽下的Pro可緩慢地消旋。文獻(xiàn)[9]的研究表明，水液相下的Pro多以兩性存在，水分子的催化使Pro旋光異構(gòu)能壘降到101.9 kJ·mol-1，水液相下Pro可緩慢地旋光異構(gòu)。文獻(xiàn)[10]的研究表明，水液相下羥基負(fù)離子水分子簇催化Pro旋光異構(gòu)的自由能壘均在70.8 kJ·mol-1，堿性環(huán)境下Pro的消旋反應(yīng)會溫和地進(jìn)行。

生命體是富水環(huán)境，糟糕的情緒、吸煙和電磁輻射都會使體內(nèi)產(chǎn)生羥基自由基，紫外線的照射會使皮膚表面產(chǎn)生自由基[11]。研究羥基自由基對生命體內(nèi)重要分子的影響，對指導(dǎo)人們健康的生活具有重要意義。文獻(xiàn)[12-13]的研究表明，羥基自由基抽取α-H原子、次甲基氫原子及加成到苯環(huán)均可誘導(dǎo)布洛芬分子損傷。文獻(xiàn)[14-17]的研究表明，水液相下羥基自由基抽取賴氨酸、丙氨酸、絲氨酸和天冬氨酸的α-H原子可以誘導(dǎo)賴氨酸和丙氨酸損傷。目前對水液相下羥基自由基對Pro作用的研究未見報道，基于文獻(xiàn)[9-10,12-17]的研究經(jīng)驗，同時考慮到羥基自由基會和水分子(簇)氫鍵作用形成羥基自由基(水分子簇)，本工作對水液相下羥基自由基(水分子簇)誘導(dǎo)的兩性Pro損傷進(jìn)行了理論研究。

1 研究與計算方法

采用密度泛函理論的雜化泛函M06-2X方法[18]，結(jié)合自洽場理論的SMD模型[19]方法，在6-311+G(d,p)基組下，全優(yōu)化水液相下羥基自由基(水分子簇)抽H誘導(dǎo)Pro損傷反應(yīng)的穩(wěn)定點和過渡態(tài)。對過渡態(tài)[20]進(jìn)行IRC(內(nèi)稟反應(yīng)坐標(biāo))[21]計算以確認(rèn)其可靠性；采用自然鍵軌道NBO(Natural Bond Orbital)方法計算相關(guān)體系的NPA(Natural Population Analysis)電荷。為獲得精確的反應(yīng)過程勢能面，采用高精度的雜化泛函MN15方法[22]在6-311++G(3df,2pd)基組下計算駐點的單點能。駐點的總自由能等于其自由能熱校正與單點能之和(自由能校正的溫度和壓力分別是298.15 K和1.013 25×105Pa)。S-Pro在a通道與OH氫鍵作用記作S-Pro·OHa，S-Pro在a通道與OH·H2O(羥基自由基1水分子簇)氫鍵作用記作S-Pro·(OH·H2O)a，在d通道S-產(chǎn)物型與(H2O)3(3水分子簇)氫鍵作用的絡(luò)合物記作S-P·(H2O)3d，沒有手性的產(chǎn)物記作P，其他體系表示法相似。文中計算工作采用Gaussian16程序[23]。

2 結(jié)果與討論

文獻(xiàn)[9-10]優(yōu)化的水液相下最穩(wěn)定的兩性脯氨酸手性對映體見圖1，本工作研究水液相下羥基自由基(水分子簇)誘導(dǎo)S-Pro損傷的機(jī)理(誘導(dǎo)R-Pro損傷的機(jī)理完全相同，不必贅述)。S-Pro的各個原子的NPA電荷分布亦見圖1。

圖1 兩性脯氨酸分子手性對映體的幾何構(gòu)型及電荷分布Fig.1 Geometric configuration of amphoteric proline chiral enantiomers and its charge distribution

研究表明，羥基自由基(水分子簇)抽取氨基H，可以把抽取的H傳遞到羰基O，進(jìn)而實現(xiàn)S-Pro向R-Pro異構(gòu)，不會造成脯氨酸損傷，本工作不予討論。羥基自由基(水分子簇)抽取α-H使脯氨酸失去手性，導(dǎo)致其嚴(yán)重?fù)p傷；抽取五元雜環(huán)上的H會不同程度地改變骨架的電荷分布，導(dǎo)致脯氨酸損傷。抽取α-H的反應(yīng)通道命名為a通道，抽取五元雜環(huán)的6H、7H、8H、9H、10H和11H的反應(yīng)通道分別命名為b、c、d、e、f和g通道。下面分別進(jìn)行討論：

2.1 a通道(羥基自由基(水分子簇)抽α-H原子)

水液相下羥基自由基可少量單獨存在，多數(shù)以羥基自由基水分子簇的形式存在。本節(jié)討論羥基自由基和羥基自由基水分子簇抽H的過程?？紤]到α-H與氨基H和羰基O之間的空間不是很大，自由基水分子簇與它們作用時，采用自由基1水分子簇和自由基2水分子簇。自由基水分子簇與α-H和氨基H作用的反應(yīng)用m表示，自由基水分子簇與α-H和羰基O作用的反應(yīng)用n表示。此通道3個過程的損傷產(chǎn)物相同，記作Pa。a通道上羥基自由基(水分子簇)抽α-H的反應(yīng)歷程見圖2(第106頁)，反應(yīng)過程勢能面見圖3(第107頁)。

首先OH攻擊S-Pro的α-H，形成氫鍵絡(luò)合物S-Pro·OHa。此過程是無過渡態(tài)過程，需要能量12.5 kJ·mol-1，此能量較小，此過程可通過分子間碰撞實現(xiàn)。然后，S-Pro·OHa經(jīng)過渡態(tài)T·OHa，OH抽取α-H，異構(gòu)成P·H2Oa。NPA電荷計算表明，P·H2Oa中的H2O電荷代數(shù)和為零，這說明OH抽取的α-H是氫原子1)(1)注： 1) NPA電荷計算表明，詳細(xì)的情況是α-H從α-C向OH遷移的過程中，正電荷量逐漸減小，OH上的O的負(fù)電荷量逐漸增加，也就是體系的負(fù)電荷部分向OH上的O移動，P·H2Oa形成后，Pa的總電荷略小于零，H2O的總電荷略大于零。計算表明本工作的抽氫均是抽氫原子，后面不再解釋。，此過程是放熱反應(yīng)，釋放能量104.6 kJ·mol-1。P·H2Oa的α-碳失去了手性，是損傷的脯氨酸與水分子的絡(luò)合物。從S-Pro·OHa到T·OHa過程，4C—12H鍵從0.108 9 nm拉伸至0.117 7 nm，二面角17N—4C—3C—13C從117.7°變?yōu)?22.6°，C—H較小的拉伸和骨架很小的形變所需能量不多，從S-Pro·OHa越過T·OHa需要的能量是28.8 kJ·mol-1，此過程可以通過分子間的碰撞實現(xiàn)(能量小于40.0 kJ·mol-1的反應(yīng)可通過分子間碰撞自發(fā)地實現(xiàn)[24])。最后，P·H2Oa經(jīng)無過渡態(tài)過程解離為損傷的脯氨酸產(chǎn)物Pa和H2O，釋放能量18.2 kJ·mol-1。

圖2 羥基自由基(水分子簇)抽α-氫原子的過程Fig.2 The process of hydroxyl radicals(water molecules clusters) extracting α-H atoms

圖3 羥基自由基(水分子簇)抽α-氫原子反應(yīng)過程的自由能勢能面Fig.3 Gibbs free-energy profiles of the reaction process that hydroxyl radicals(water molecules clusters) extract α-H atoms

S-Pro·OHa是亞穩(wěn)態(tài)中間體，壽命較短，整個反應(yīng)過程也可以認(rèn)為是OH從“物理的無窮遠(yuǎn)”經(jīng)過渡態(tài)T·OHa，直接抽取S-Pro的α-H，得到損傷產(chǎn)物Pa和H2O，需越過的總自由能壘是41.3 kJ·mol-1，整個反應(yīng)過程放熱110.3 kJ·mol-1。

羥基自由基1水分子簇抽α-H的m過程：首先OH·H2O攻擊S-Pro的α-H，OH·H2O與5H和α-H氫鍵作用，形成絡(luò)合物S-Pro·(OH·H2O)am。相似于前面的討論，此過程是無過渡態(tài)過程，需要能量25.5 kJ·mol-1，此過程可通過分子間的碰撞實現(xiàn)。然后，S-Pro·(OH·H2O)am經(jīng)過渡態(tài)T·(OH·H2O)am，異構(gòu)成P·(H2O)2am。此過程是放熱反應(yīng)，釋放能量134.4 kJ·mol-1。P·(H2O)2am的α-碳失去了手性，是損傷的Pro與二聚水的絡(luò)合物。從S-Pro·(OH·H2O)am到T·(OH·H2O)am，4C—12H鍵從0.108 8 nm拉伸至0.116 4 nm，二面角17N—4C—3C—13C從118.7°變?yōu)?22.8°，C—H鍵的小幅拉伸和骨架微小的形變所需能量很少，從S-Pro·(OH·H2O)am越過T·(OH·H2O)am需要的能量是22.0 kJ·mol-1，此過程也可通過分子間的碰撞實現(xiàn)。此反應(yīng)中，水分子21H—20O—22H沒參與反應(yīng)，只是起了穩(wěn)定羥基自由基在空間的位置和過渡態(tài)的作用，使得從S-Pro·(OH·H2O)am越過T·(OH·H2O)am需要的能量小于從S-Pro·OHa越過T·OHa需要的能量。最后，P·(H2O)2am經(jīng)無過渡態(tài)過程解離為Pa和(H2O)2，釋放能量21.6 kJ·mol-1。同前，整個反應(yīng)可認(rèn)為是OH·H2O從“無窮遠(yuǎn)”經(jīng)過渡態(tài)T·(OH·H2O)am，直接抽取S-Pro的α-H，得到損傷產(chǎn)物Pa和(H2O)2。需越過的總自由能壘是47.5 kJ·mol-1，整個反應(yīng)過程放熱108.5 kJ·mol-1。

羥基自由基2水分子簇抽α-H的m過程：首先OH·(H2O)2的OH同時與α-H和16O氫鍵作用；(H2O)2同時與5H和16O氫鍵作用，形成絡(luò)合物S-Pro·[OH·(H2O)2]am，此過程需能量19.9 kJ·mol-1。然后，S-Pro·[OH·(H2O)2]am經(jīng)過渡態(tài)T·[OH·(H2O)2]am，異構(gòu)成P·(H2O)3am，P·(H2O)3am的α-碳失去了手性。從S-Pro·[OH·(H2O)2]am到T·[OH·(H2O)2]am，4C—12H鍵從0.108 9 nm拉伸至0.117 6 nm，二面角17N—4C—3C—13C微增5.1°，從S-Pro·(OH·H2O)am越過T·(OH·H2O)am需能量28.4.0 kJ·mol-1。此反應(yīng)中，二聚水起了穩(wěn)定自由基在空間的位置和過渡態(tài)的作用。最后，P·(H2O)3am經(jīng)無過渡態(tài)過程解離為Pa和(H2O)3，釋放能量18.9 kJ·mol-1。反應(yīng)也可認(rèn)為是OH·(H2O)2從“無窮遠(yuǎn)”經(jīng)過渡態(tài)T·[OH·(H2O)2]am，抽取α-H，得到損傷產(chǎn)物Pa和(H2O)3。需越過的總自由能壘是48.3 kJ·mol-1，整個反應(yīng)過程放熱105.1 kJ·mol-1。

羥基自由基水分子簇抽α-H的n過程與羥基自由基水分子簇抽α-H的m過程相似，只做一般討論。

羥基自由基1水分子簇抽α-H的n過程：首先OH·H2O攻擊S-Pro的α-H，OH·H2O與16O和α-H氫鍵作用，形成絡(luò)合物S-Pro·(OH·H2O)an，需要能量27.6 kJ·mol-1。然后，S-Pro·(OH·H2O)an經(jīng)過渡態(tài)T·(OH·H2O)an，異構(gòu)成P·(H2O)2an。從S-Pro·(OH·H2O)an到T·(OH·H2O)an，4C—12H從0.108 9 nm變?yōu)?.116 3 nm，二面角17N—4C—3C—13C從117.4°變?yōu)?22.6°，從S-Pro·(OH·H2O)an越過T·(OH·H2O)an需要能量14.2 kJ·mol-1。最后，P·(H2O)2an經(jīng)無過渡態(tài)過程解離為Pa和(H2O)2，釋放能量133.5 kJ·mol-1。整個反應(yīng)也可認(rèn)為是OH·H2O從“無窮遠(yuǎn)”，經(jīng)過渡態(tài)T·(OH·H2O)an，直接抽取S-Pro的α-H，需越過的總自由能壘是41.8 kJ·mol-1，整個過程放熱108.5 kJ·mol-1。

羥基自由基2水分子簇抽α-H的n過程：此過程分為n1和n2兩種情況，一是OH·(H2O)2的OH同時與α-H和羰基氧16O氫鍵作用，(H2O)2與羰基氧16O氫鍵作用；二是OH·(H2O)2的OH同時與α-H和氨基氫15H氫鍵作用，(H2O)2與羰基16O氫鍵作用。形成的具有穩(wěn)定氫鍵網(wǎng)絡(luò)體系的絡(luò)合物分別命名為S-Pro·[OH·(H2O)2]an1和S-Pro·[OH·(H2O)2]an2。

n1情況，S-Pro·[OH·(H2O)2]an1經(jīng)過渡態(tài)T·[OH·(H2O)2]an1，異構(gòu)得到P·(H2O)3an1。從S-Pro·[OH·(H2O)2]an1到T·[OH·(H2O)2]an1，4C—12H從0.108 9 nm變?yōu)?.116 5 nm，二面角17N—4C—3C—13C從117.2°變?yōu)?22.2°，從S-Pro·[OH·(H2O)2]an1越過T·[OH·(H2O)2]an1需要的能量是7.1 kJ·mol-1。最后，P·(H2O)3an1經(jīng)無過渡態(tài)過程解離為Pa和(H2O)3，釋放能量22.9 kJ·mol-1。整個反應(yīng)過程也可以認(rèn)為是OH·(H2O)2從“物理的無窮遠(yuǎn)”，經(jīng)過渡態(tài)T·[OH·(H2O)2]an1，直接抽取S-Pro的α-H，需越過的總自由能壘是45.6 kJ·mol-1，整個過程放熱105.1 kJ·mol-1。

n2情況，S-Pro·[OH·(H2O)2]an2經(jīng)過渡態(tài)T·[OH·(H2O)2]an2，異構(gòu)得到P·(H2O)3an2。從S-Pro·[OH·(H2O)2]an2到T·[OH·(H2O)2]an2，4C—12H從0.109 0 nm變?yōu)?.116 5 nm，二面角17N—4C—3C—13C從115.1°變?yōu)?20.3°，從S-Pro·[OH·(H2O)2]an2越過T·[OH·(H2O)2]an2需要的能量是15.7 kJ·mol-1。最后，P·(H2O)3an2經(jīng)無過渡態(tài)過程解離為Pa和(H2O)3，釋放能量26.5 kJ·mol-1。整個反應(yīng)過程也可以認(rèn)為是OH·(H2O)2從“物理的無窮遠(yuǎn)”，經(jīng)過渡態(tài)T·[OH·(H2O)2]an2，直接抽取S-Pro的α-H，需越過的自由能壘是47.3 kJ·mol-1，整個過程放熱105.1 kJ·mol-1。

從圖3可以看出，羥自由基1水分子簇抽α-H的n過程和羥自由基抽α-H的過程略具優(yōu)勢，羥自由基2水分子簇抽氫略具劣勢。羥自由基2水分子簇抽氫的能壘最高不過48.3 kJ·mol-1(圖3)，低于溫和反應(yīng)能壘80.4 kJ·mol-1[24]。因此，羥基自由基水分子簇抽α-H誘導(dǎo)的脯氨酸損傷m和n過程都易實現(xiàn)。損傷修復(fù)自由能壘最小是147.0 kJ·mol-1，接近極限反應(yīng)自由能壘160.0 kJ·mol-1[24]，因此，羥基自由基抽α-H誘導(dǎo)的脯氨酸損傷極難修復(fù)。

2.2 羥基自由基(水分子簇)抽五元雜環(huán)的氫原子

同于2.1節(jié)，只在b通道討論羥基自由基自己抽H，對于羥基自由基水分子簇抽H，考慮到雜環(huán)上不同的H和氨基H及羰基O之間的空間范圍，對于d和e通道考察了羥基自由基和2水分子簇抽H以及羥基自由基和1水分子簇抽H，其他的b、c、f和g通道考察的都是羥基自由基和1水分子簇抽H。羥基自由基(水分子簇)抽五元雜環(huán)不同位置H的反應(yīng)歷程見圖4，反應(yīng)過程的勢能面見圖5(第110頁)。羥基自由基抽6H至9H的過程相似，對抽6H過程詳細(xì)討論，其它做一般討論；羥基自由基抽10H和11H的過程也相似，對抽10H過程詳細(xì)討論，對抽11H過程做一般討論。

圖4 羥基自由基(水分子簇)抽五元雜環(huán)氫原子的過程及產(chǎn)物的電荷分布Fig.4 The process of hydroxyl radicals(water molecules clusters) extracting H atoms at different positions on the five-membered heterocycle and the charge distribution of its product

圖5 羥基自由基(水分子簇)抽五元雜環(huán)上氫原子反應(yīng)過程的自由能勢能面Fig.5 Gibbs free-energy profiles of the reaction process of hydroxyl radicals(water clusters) extracting H atoms at different positions on the five-membered heterocycle

2.2.1 b通道-羥基自由基(水分子簇)抽6H

1) 羥基自由基抽6H的過程

首先，OH攻擊S-Pro的6H，OH與6H和14O形成絡(luò)合物S-Pro·OHb，此過程需能量18.8 kJ·mol-1。然后，S-Pro·OHb經(jīng)過渡態(tài)S-T·OHb，異構(gòu)成S-P·H2Ob。S-P·H2Ob上的1C、2C、3C和4C的電荷分別是-0.081、-0.530、-0.223和-0.497，S-Pro上的1C、2C、3C和4C的電荷分別是-0.400、-0.368、-0.327和-0.252。S-P·H2Ob與S-Pro相比較，骨架電荷變化明顯，脯氨酸損傷了，S-P·H2Ob是損傷的脯氨酸與水分子的絡(luò)合物。從S-Pro·OHb到S-T·OHb，1C—6H鍵從0.109 0 nm拉伸至0.118 9 nm，從S-Pro·OHb越過S-T·OHb需要能量23.8 kJ·mol-1，此過程可通過分子間的碰撞實現(xiàn)。從S-Pro·OHb到S-P·H2Ob過程釋放熱量63.4 kJ·mol-1。最后，S-P·H2Ob經(jīng)無過渡態(tài)過程解離為產(chǎn)物S-Pb和H2O，釋放能量22.3 kJ·mol-1。S-Pb上的17N、1C、2C、3C、4C和12C的電荷分別是-0.093、-0.132、-0.431、-0.308、-0.428和0.300，S-Pro上的17N、1C、2C、3C、4C和12C的電荷分別是-0.141、-0.400、-0.368、-0.327、-0.252和0.244.S-Pb與S-Pro相比較，骨架電荷顯著改變，說明S-P·H2Ob解離的產(chǎn)物S-Pb損傷加重。同于2.1節(jié)，此反應(yīng)過程也可以認(rèn)為是OH從“無窮遠(yuǎn)”經(jīng)過渡態(tài)S-T·OHb直接抽6H，需越過的總自由能壘是42.0 kJ·mol-1。

2) 羥基自由基1水分子簇抽6H的過程

首先OH·H2O攻擊S-Pro的6H，OH·H2O與14O和6H氫鍵作用，形成絡(luò)合物S-Pro·(OH·H2O)b。此過程無過渡態(tài)，需要能量30.5 kJ·mol-1。然后，S-Pro·(OH·H2O)b經(jīng)過渡態(tài)S-T·(OH·H2O)b，水分子輔助羥基自由基抽取6H，異構(gòu)成S-P·(H2O)2b。S-P·(H2O)2b五元雜環(huán)上碳的電荷與S-Pro五元雜環(huán)上碳的電荷相比較變化明顯，Pro損傷了。從S-Pro·(OH·H2O)b到S-T·(OH·H2O)b，1C—6H鍵從0.108 8 nm拉伸至0.117 9 nm，從S-Pro·(OH·H2O)b越過S-T·(OH·H2O)b需要能量12.9 kJ·mol-1。最后，S-P·(H2O)2b經(jīng)無過渡態(tài)過程解離為S-Pb和(H2O)2，釋放能量27.0 kJ·mol-1。S-Pb與S-Pro骨架上的電荷相比較發(fā)生顯著改變，說明S-P·(H2O)2b解離的產(chǎn)物S-Pb損傷加重。此過程可認(rèn)為是OH·H2O從“無窮遠(yuǎn)”經(jīng)過渡態(tài)S-T·(OH·H2O)b直接抽6H，需越過的能壘是42.9 kJ·mol-1。

2.2.2 c通道-羥基自由基1水分子簇抽7H

首先OH·H2O攻擊7H，OH·H2O與5H及7H氫鍵作用，形成S-Pro·(OH·H2O)c。然后，S-Pro·(OH·H2O)c經(jīng)過渡態(tài)S-T·(OH·H2O)c，異構(gòu)成絡(luò)合物S-P·(H2O)2c，S-P·(H2O)2c是損傷的脯氨酸與水分子的絡(luò)合物。從S-Pro·(OH·H2O)c到S-T·(OH·H2O)c需要能量20.0 kJ·mol-1。此反應(yīng)過程可認(rèn)為是OH·H2O從“無窮遠(yuǎn)”經(jīng)過渡態(tài)S-T·(OH·H2O)c抽取7H，需越過自由能壘48.9 kJ·mol-1。

2.2.3 d通道-羥基自由基水分子簇抽8H

1) 羥基自由基1水分子簇抽8H

首先OH·H2O攻擊8H，OH·H2O與5H及8H氫鍵作用，形成S-Pro·(OH·H2O)d。然后，S-Pro·(OH·H2O)d經(jīng)過渡態(tài)S-T·(OH·H2O)d，異構(gòu)成損傷的脯氨酸絡(luò)合物S-P·(H2O)2d。從S-Pro·(OH·H2O)d到S-T·(OH·H2O)d需要能量7.3 kJ·mol-1。此反應(yīng)過程也可認(rèn)為是OH·H2O從“無窮遠(yuǎn)”經(jīng)過渡態(tài)S-T·(OH·H2O)d直接抽取8H，需越過自由能壘37.0 kJ·mol-1。

2) 羥基自由基2水分子簇抽8H

首先OH·(H2O)2攻擊8H，OH·(H2O)2與5H與8H氫鍵作用，形成S-Pro·[OH·(H2O)2]d。然后，S-Pro·[OH·(H2O)2]d經(jīng)過渡態(tài)S-T·[OH·(H2O)2]d，異構(gòu)成損傷的脯氨酸絡(luò)合物S-P·(H2O)3d。從S-Pro·[OH·(H2O)2]d到S-T·[OH·(H2O)2]d過程，需要能量18.0 kJ·mol-1。此過程也可認(rèn)為是OH·(H2O)2從“無窮遠(yuǎn)”經(jīng)過渡態(tài)S-T·[OH·(H2O)2]d直接抽8H，需越過自由能壘45.3 kJ·mol-1。

2.2.4 e通道-羥基自由基水分子簇抽9H

1) 羥基自由基1水分子簇抽9H

首先OH·H2O攻擊9H，OH·H2O與14O及9H氫鍵作用，形成S-Pro·(OH·H2O)e，此過程需能量26.8 kJ·mol-1。然后，S-Pro·(OH·H2O)e經(jīng)過渡態(tài)S-T·(OH·H2O)e，異構(gòu)成損傷的脯氨酸絡(luò)合物S-P·(H2O)2e。從S-Pro·(OH·H2O)e到S-T·(OH·H2O)e需要能量11.5 kJ·mol-1。此反應(yīng)也可認(rèn)為是OH·H2O從“無窮遠(yuǎn)”經(jīng)過渡態(tài)S-T·(OH·H2O)e直接抽9H，需越過自由能壘38.3 kJ·mol-1。

2) 羥基自由基2水分子簇抽9H

首先OH·(H2O)2攻擊9H，OH·(H2O)2與16O及8H氫鍵作用，形成絡(luò)合物S-Pro·[OH·(H2O)2]e，此過程需能量28.4 kJ·mol-1。然后，S-Pro·[OH·(H2O)2]e經(jīng)過渡態(tài)S-T·[OH·(H2O)2]e，異構(gòu)成損傷的脯氨酸絡(luò)合物S-P·(H2O)3e。從S-Pro·[OH·(H2O)2]e到S-T·[OH·(H2O)2]e需要能量14.9 kJ·mol-1。此反應(yīng)也可認(rèn)為是OH·(H2O)2從“無窮遠(yuǎn)”經(jīng)過渡態(tài)S-T·[OH·(H2O)2]e直接抽9H，需越過自由能壘43.3 kJ·mol-1。

2.2.5 f通道-羥基自由基水分子簇抽10H

本通道，自由基水分子簇與α-H和氨基H作用的反應(yīng)過程用m表示，自由基1水分子簇與α-H和羰基O作用的反應(yīng)過程用n表示。此通道兩個過程的損傷產(chǎn)物構(gòu)象相同，記作S-Pf。

1) 羥基自由基水分子簇抽10H的m過程

首先OH·H2O攻擊10H，OH·H2O與5H和10H氫鍵作用，形成絡(luò)合物S-Pro·(OH·H2O)fm，此過程需要能量18.3 kJ·mol-1。然后，S-Pro·(OH·H2O)fm經(jīng)過渡態(tài)S-T·(OH·H2O)fm，異構(gòu)成S-P·(H2O)2fm，放熱91.6 kJ·mol-1。從S-Pro·(OH·H2O)fm到S-T·(OH·H2O)fm過程，3C—10H鍵從0.109 2 nm拉伸至0.116 1 nm，需要的能量是16.6 kJ·mol-1。最后，S-P·(H2O)2fm經(jīng)無過渡態(tài)過程解離為S-Pf和(H2O)2，釋放能量28.7 kJ·mol-1。整個反應(yīng)可以認(rèn)為是OH·H2O從“無窮遠(yuǎn)”經(jīng)過渡態(tài)S-T·(OH·H2O)fm直接抽10H，得到損傷產(chǎn)物Pf和(H2O)2，需越過自由能壘34.9 kJ·mol-1，整個反應(yīng)過程放熱102.0 kJ·mol-1。

2) 羥基自由基水分子簇抽10H的n過程

首先，OH·H2O攻擊10H，OH·H2O與16O和10H氫鍵作用，形成絡(luò)合物S-Pro·(OH·H2O)fn，需能量16.3 kJ·mol-1。然后，S-Pro·(OH·H2O)fn經(jīng)過渡態(tài)S-T·(OH·H2O)fn，異構(gòu)成S-P·(H2O)2fn。從S-Pro·(OH·H2O)fn到S-T·(OH·H2O)fn，3C—10H鍵從0.108 9 nm拉伸至0.116 5 nm，需能量17.3 kJ·mol-1。最后，S-P·(H2O)2fn經(jīng)無過渡態(tài)過程解離為S-Pf和(H2O)2，釋放能量25.7 kJ·mol-1。此過程也可認(rèn)為是OH·H2O從“無窮遠(yuǎn)”經(jīng)S-T·(OH·H2O)fn直接抽10H，得到S-Pf和(H2O)2，能壘是33.6 kJ·mol-1。

2.2.6 g通道-羥基自由基水分子簇抽11H

本通道，自由基水分子簇與11H和羰基氧14O作用的反應(yīng)過程用m表示，自由基水分子簇與與11H和羰基氧16O作用的反應(yīng)過程用n表示。此通道兩個過程的損傷產(chǎn)物構(gòu)象相同，記作S-Pg。

1) 羥基自由基水分子簇抽11H的m過程

首先OH·H2O攻擊11H，OH·H2O與14O和11H氫鍵作用，形成絡(luò)合物S-Pro·(OH·H2O)gm，此過程需要能量27.1 kJ·mol-1。然后，S-Pro·(OH·H2O)gm經(jīng)過渡態(tài)S-T·(OH·H2O)gm，異構(gòu)成S-P·(H2O)2gm。從S-Pro·(OH·H2O)gm到S-T·(OH·H2O)gm需要能量9.4 kJ·mol-1。整個反應(yīng)可認(rèn)為是OH·H2O從“無窮遠(yuǎn)”經(jīng)過渡態(tài)S-T·(OH·H2O)gm直接抽取11H，得到損傷產(chǎn)物S-Pg和(H2O)2。

2) 羥基自由基水分子簇抽11H的n過程

首先OH·H2O攻擊11H，OH·H2O與16O和11H氫鍵作用，形成絡(luò)合物S-Pro·(OH·H2O)gn，需能量21.4 kJ·mol-1。然后，S-Pro·(OH·H2O)gn經(jīng)過渡態(tài)S-T·(OH·H2O)gn，異構(gòu)成S-P·(H2O)2gn。從S-Pro·(OH·H2O)gn到S-T·(OH·H2O)gn需能量11.9 kJ·mol-1。整個反應(yīng)可認(rèn)為是OH·H2O從“無窮遠(yuǎn)”經(jīng)過渡態(tài)S-T·(OH·H2O)gn直接抽11H，得到損傷產(chǎn)物S-Pg和(H2O)2，需越過自由能壘是33.3 kJ·mol-1。

從圖5可以看出，羥基自由基(水分子簇)抽五元雜環(huán)H的自由能壘在33.3至48.9 kJ·mol-1之間。其中在f和g通道的損傷反應(yīng)最具優(yōu)勢，自由能壘在33.3至36.5 kJ·mol-1之間，在b和c通道的損傷反應(yīng)稍具略勢，自由能壘在42.9至48.9 kJ·mol-1之間。原因是在f和g通道反應(yīng)過渡態(tài)的構(gòu)象較b和c通道反應(yīng)的過渡態(tài)構(gòu)象穩(wěn)定(過渡態(tài)結(jié)構(gòu)分析可知)。羥基自由基(水分子簇)抽取五元雜環(huán)H的最高自由能壘有48.9 kJ·mol-1遠(yuǎn)低于溫和反應(yīng)自由能壘80.4 kJ·mol-1[24]，損傷修復(fù)的最低自由能壘是126.9 kJ·mol-1，遠(yuǎn)高于溫和反應(yīng)自由能壘80.4 kJ·mol-1[24]，接近極限反應(yīng)自由能壘160.0 kJ·mol-1[24]，因此，羥基自由基(水分子簇)抽取五元雜環(huán)的H容易致脯氨酸損傷，且損傷后較難修復(fù)。

3 結(jié) 論

本工作在MN15/6-311++G(3df,2pd)//M06-2X/6-311+G(d,p)雙水平下，研究了水液相下羥基自由基(水分子簇)誘導(dǎo)的S-Pro損傷，得到如下結(jié)論：

1) 羥基自由基(水分子簇)抽取α-H原子可導(dǎo)致S-Pro失去手性，S-Pro嚴(yán)重?fù)p傷；羥基自由基(水分子簇)抽取五元雜環(huán)上不同位置的H原子不改變S-Pro的手性，而是使骨架的電荷分布嚴(yán)重改變而誘導(dǎo)S-Pro損傷。

2) 羥基自由基(水分子簇)誘導(dǎo)S-Pro損傷，可認(rèn)為是羥基自由基(水分子簇)與S-Pro氫鍵作用，形成亞穩(wěn)態(tài)中間體反應(yīng)物，再經(jīng)過過渡態(tài)，形成損傷產(chǎn)物與水分子(簇)的絡(luò)合物，最后通過碰撞過程解離成損傷產(chǎn)物和水分子(簇)。

3) 羥基自由基(水分子簇)誘導(dǎo)S-Pro還可認(rèn)為是羥基自由基(水分子簇)直接抽H的過程，抽取α-H的自由能壘在41.3至48.3 kJ·mol-1之間，抽取五元雜環(huán)的H的自由能壘在33.3至48.9 kJ·mol-1之間。抽取五元雜環(huán)與α-C鄰位C的H的損傷反應(yīng)最具優(yōu)勢，自由能壘在33.3至36.5 kJ·mol-1之間。損傷修復(fù)的最低自由能壘是126.9 kJ·mol-1。

結(jié)果表明，水液相下羥基自由基存在時脯氨酸分子很容易損傷，并且損傷后很難修復(fù)。