氧化受損甘氨酸分子內質子遷移的機理

孟祥軍,石 瑾,楊笑春,賈俊芳,楊 靜(唐山師范學院化學系,河北唐山063000)

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氧化受損甘氨酸分子內質子遷移的機理

孟祥軍*,石 瑾,楊笑春,賈俊芳,楊 靜
(唐山師范學院化學系,河北唐山063000)

摘要:采用M06,B3LYP和CCSD方法,在6-31++G(**)基組水平研究了氧化受損甘氨酸分子的構象異構化機理,探討了甘氨酸氧化受損后的性質變化和溶劑化效應.找到7個甘氨酸陽離子穩(wěn)定構型和9個過渡態(tài),發(fā)現(xiàn)甘氨酸陽離子構象異構化過程存在質子遷移反應,質子從羧基遷移到氨基的能壘為15.2 kJ/mol,從α-C遷移到羰基O的能壘為138.6 kJ/ mol;最穩(wěn)定甘氨酸構象失去一個電子的垂直電離勢為878.0 kJ/mol;N5原子失電子最多(超過0.4),其他各原子失去電荷不多(均低于0.1);電荷變化導致遷移質子所在化學鍵顯著被削弱.溶劑化效應能顯著增高質子遷移反應能壘.

關鍵詞:氧化損傷;甘氨酸陽離子;質子遷移;反應機理;量子化學

氨基酸是重要的生命物質,參與眾多生理過程;氨基酸分子結構和性質的研究[1-2]是深入探討其在生化反應中變化情況的基石,也是理解復雜生物分子(如多肽和蛋白質等)結構和功能的基礎.近年來蛋白質氧化損傷現(xiàn)象成為自由基生物學研究的熱點之一[3],人們發(fā)現(xiàn)許多病理過程中酶的失活都與肽鏈上氨基酸的氧化受損有關[4].

甘氨酸(glycine)在20種天然氨基酸中結構最簡單,所以它是實驗和理論研究的首選測試對象.對于甘氨酸構象和穩(wěn)定性的認識已經(jīng)比較清晰:量子化學理論研究[5-10]得到8種甘氨酸分子穩(wěn)定構象,電子衍射技術[11]、基質隔離紅外光譜技術[12]、振動拉曼光譜技術[13]實驗觀測得到3種穩(wěn)定構象;理論結果和實驗結果存在的差異也得到了合理的解釋[14].氧化受損產(chǎn)生的甘氨酸自由基的結構、性質和解離過程也有較多文獻報道[15-19],然而有關甘氨酸陽離子結構和性質的文獻比較缺乏.2000年Rodríguez-Santiago等采用B3LYP和BHLYP等理論方法研究了4種甘氨酸陽離子構象,并發(fā)現(xiàn)分子內能夠發(fā)生質子遷移反應[20]; 2005年Simon等采用B3LYP/6-31++G(d,p)方法研究了甘氨酸陽離子最穩(wěn)定構象的裂解產(chǎn)物[21];2012 年Lee采用B3LYP/6-31++G**方法研究了丙氨酸陽離子分子內質子遷移反應機理[22].

通過比較甘氨酸和甘氨酸陽離子的相關文獻,我們認識到:1)甘氨酸陽離子構象的研究尚不全面;2)甘氨酸陽離子構象間的異構化機理不清楚; 3)氧化對甘氨酸結構和性質的影響仍不清楚;4)缺乏溶劑化效應方面的認識.本文針對上述問題,采用量子化學理論方法系統(tǒng)地研究了甘氨酸陽離子構象間的異構化機理.

1 計算方法

本文采用B3LYP/6-31+ +G**方法和M06/6-31++G**方法[23]對甘氨酸陽離子結構進行全梯度優(yōu)化.找出穩(wěn)定態(tài)構象后,采用QST2方法尋找構象間轉化的過渡態(tài)結構.再對各構象進行振動頻率計算,對過渡態(tài)進行反應內稟坐標(IRC)計算來驗證各結構的正確性.然后對M06/6-31++G**方法下的各構象采用CCSD/6-31++G**方法計算單點能,并對能量進行了零點能(ZPE)校正;采用相對能ΔE(ΔE =E-Emin,其中Emin是最穩(wěn)定構象的能量)表示各構象的能量大小.最后采用極化連續(xù)介質(PCM)模型計算了CCSD∥M06/6-31++G**方法下的溶劑化效應.所有計算任務均使用Gaussian 09程序完成.

2 結果與討論

2.1穩(wěn)定構象

本文找到7種甘氨酸陽離子穩(wěn)定構象,示于圖1.構象間轉化的過渡態(tài)有9個,過渡態(tài)的名稱由對應的反應物和產(chǎn)物名稱組合得到.為了便于討論構象轉化機理,先統(tǒng)一不同構象中相應原子的編號(見圖1中的構象Ⅰ),再將這些構象按照轉化途徑進行排列.

各構象能量數(shù)據(jù)(ΔE、異構化正反應的活化能Ea和逆反應活化能Ea')列于表1,其中υ1和υ2分別是M06/6-31++G**方法下的第一和第二振動頻率,υ1為正表明構象是穩(wěn)定態(tài),υ1為負而υ2為正則表明構象是過渡態(tài).在CCSD/6-31++G**方法下,構象穩(wěn)定性順序為Ⅶ>Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ>Ⅳ>Ⅴ>Ⅵ,ΔE分別為0,80.3,94.3,103.6,124.4,141.3,147.0 kJ/mol,最穩(wěn)定構象Ⅶ為二醇形式.

在過渡態(tài)中:Ⅰ-Ⅲ由相應構象旋轉C1—N5鍵得到,CCSD/6-31++G**方法下ΔE為104.1 kJ/mol,構象Ⅰ轉化為Ⅲ的Ea為23.8 kJ/mol,Ea'為0.4 kJ/ mol;Ⅱ-Ⅲ和Ⅴ-Ⅵ都對應于C1—C2鍵的旋轉,ΔE不超過11.8 kJ/mol;Ⅱ-Ⅵ和Ⅲ-Ⅴ是C2—O4鍵旋轉的過渡態(tài),Ea分別為63.5和49.2 kJ/mol,Ea'分別為10.8和11.5 kJ/mol;Ⅳ-Ⅵ是質子從羧基遷移到氨基的過渡態(tài),Ea和Ea'分別為37.8和15.2 kJ/mol;Ⅰ-Ⅱ和Ⅲ-Ⅱ是質子在2個羧基O原子間的遷移,ΔE高于170.5 kJ/mol;Ⅱ-Ⅶ是α-H遷移到羰基O的過渡態(tài),Ea為138.6 kJ/mol.

圖1　甘氨酸陽離子的構象及轉化途徑Fig.1 The stable conformers of glycine cations and the isomerization reaction paths

2.2構象轉化機理

甘氨酸陽離子構象間轉化的途徑和能級變化示于圖2.2個羧基O原子間質子遷移的ΔE高于170.5 kJ/mol,反應難以發(fā)生;構象Ⅶ是α-H遷移的產(chǎn)物, ΔE達162.6 kJ/mol,該反應也難以發(fā)生;而質子從羧基遷移到氨基變?yōu)榧嫘噪x子Ⅳ的ΔE只有15.2 kJ/mol,該反應容易發(fā)生.因此我們重點介紹由構象Ⅰ轉變?yōu)榧嫘噪x子Ⅳ的機理,轉化途徑為:Ⅰ?Ⅰ-Ⅲ?Ⅲ?Ⅲ-Ⅴ?Ⅴ?Ⅴ-Ⅵ?Ⅵ?Ⅳ-Ⅵ?Ⅳ.

表1　構象的振動頻率和能量數(shù)據(jù)Tab.1 The vibration frequency variations and energy data of each conformer

圖2　CCSD∥M06/6-31++G(d,p)方法下的甘氨酸陽離子構象轉化能級圖Fig.2 The energy level diagram of isomerization reaction of glycine cations by CCSD∥M06/6-31++G(d,p)

構象Ⅰ經(jīng)C1—N5鍵的旋轉變?yōu)檫^渡態(tài)Ⅰ-Ⅲ(二面角Φ(H7—N5—C1—C2)由180.0°變?yōu)?18.0°),能量升高23.8 kJ/mol;C1—N5鍵繼續(xù)旋轉(Φ(H7—N5—C1—C2)變?yōu)?7.2°),得到構象Ⅲ,能量降低0.4 kJ/mol.

構象Ⅲ經(jīng)C2—O4鍵的旋轉變?yōu)檫^渡態(tài)Ⅲ-Ⅴ(Φ(H6—O4—C2—C1)由-179.3°變?yōu)?86.8°),能量升高49.2 kJ/mol;C2—O4鍵繼續(xù)旋轉(Φ(H6—O4—C2—C1)變?yōu)?3.6°),得到構象Ⅴ,能量降低11.5 kJ/mol.

構象Ⅴ經(jīng)C1—C2鍵的旋轉變?yōu)檫^渡態(tài)Ⅴ-Ⅵ(Φ(N5—C1—C2—O4)由148.3°變?yōu)?2.4°),能量升高7.6 kJ/mol;C1—C2鍵繼續(xù)旋轉(Φ(N5—C1—C2—O4)變?yōu)?°),得到構象Ⅵ,能量降低2.0 kJ/mol.

構象Ⅵ經(jīng)質子遷移變?yōu)闃嬒螈?構象Ⅵ中H6質子距離O4原子97.4 pm,距離N5原子230.6 pm. H6質子遠離O4原子,距離N5原子130.2 pm時(此時距離O4原子122.8 pm),得到過渡態(tài)Ⅳ-Ⅵ,能量升高15.3 kJ/mol;H6質子繼續(xù)靠近N5原子到104.8 pm時(此時距離O4原子188.8 pm),得到構象Ⅳ,能量降低37.9 kJ/mol.

2.3甘氨酸氧化受損后的性質變化

按照垂直電離的概念,圖3中甘氨酸最穩(wěn)定3種構象G1、G2和G3(能量數(shù)據(jù)見表1)經(jīng)垂直電離相應地得到甘氨酸陽離子Ⅲ、Ⅱ和Ⅰ.G3→Ⅰ、G2→Ⅱ和G1→Ⅲ的垂直電離勢分別為849.2,862.4和878.0 kJ/mol,G1異構化為G3的能壘為6.9 kJ/mol,所以甘氨酸陽離子Ⅰ比最穩(wěn)定甘氨酸分子G1的能量高856.1 kJ/mol.

甘氨酸失去一個電子變?yōu)殛栯x子,從表2中甘氨酸各位點ΔQ數(shù)據(jù)可知:N5原子失電荷最多,超過0.41;除C1原子外,其他原子電荷均有缺失,但是幅度較小,不超過0.1;C1原子電荷有增有減,變化不大,低于0.08.從ΔR(O4—H6)和Δυ(O4—H6)數(shù)據(jù)可知:氧化損傷導致遷移質子所在化學鍵(O4和H6原子間的化學鍵)的鍵長增加0.5 pm以上,導致該鍵振動的紅移超過64.1 cm-1,遷移質子所在化學鍵被削弱,可見氧化損傷有利于甘氨酸羧基H遷移到氨基上.

圖3　CCSD∥M06/6-31++G(d,p)方法計算的甘氨酸構象轉化途徑Fig.3 Conformational isomerization paths of glycine calculated with the CCSD∥M06/6-31++G(d,p)

表2　氧化損傷后甘氨酸中各位點的電荷、鍵長和振動頻率的變化值(ΔQ、ΔR(O4—H6)和Δυ(O4—H6))Tab.2 The differences of charge,bond length and vibration frequency after oxidation of glycine

2.4甘氨酸陽離子異構化的溶劑化效應

采用PCM模型,在CCSD∥M06/6-31++G**方法下考查甘氨酸陽離子異構化的水溶劑化效應.考慮水溶劑的作用后,圖1中大部分構象的結構并未發(fā)生明顯變化(如PCM模型下的[Ⅰ]與氣相模型的Ⅰ結構相近),圖1仍可作為構象異構化途徑和機理的參照.溶劑化效應引起的主要結構變化如下:1)構象Ⅲ經(jīng)全優(yōu)化后氨基發(fā)生旋轉(氨基H最終與分子骨架共面),得到的穩(wěn)定構象[Ⅲ]與[Ⅰ]結構相同(二者區(qū)別是H7和H8位置互換),[Ⅲ]與[Ⅰ]轉化的過渡態(tài)是[Ⅰ-Ⅲ](結構與Ⅰ-Ⅲ相近);2)Ⅰ-Ⅱ和Ⅲ-Ⅱ收斂為同一過渡態(tài)[Ⅰ-Ⅱ](結構與Ⅰ-Ⅱ相近);3)Ⅲ、Ⅲ-Ⅴ和Ⅴ3個構象的氨基旋轉至與分子骨架共面,對應變?yōu)閇Ⅲ]、[Ⅲ-Ⅴ]和[Ⅴ].

表3列出了PCM模型下各構象的能量數(shù)據(jù).依據(jù)CCSD∥M06/6-31++G**方法,各構象的穩(wěn)定性次序為[Ⅶ]>[Ⅰ]=[Ⅲ]>[Ⅱ]>[Ⅴ]>[Ⅵ]>[Ⅳ], ΔE分別為0,71.9,71.9,81.5,90.2,122.1,129.7 kJ/mol,可見最穩(wěn)定構象還是二醇形式的[Ⅶ],但是溶劑化效應使構象[Ⅳ]的相對穩(wěn)定性變差;此外,溶劑化效應顯著地增高了質子遷移反應的能壘,如構象[Ⅳ-Ⅵ]反應能壘增高54.0 kJ/mol(即表3中ΔE值91.8 kJ/mol與表1中對應的Ea值37.8 kJ/mol之差,下同),[Ⅰ-Ⅱ]和[Ⅱ-Ⅶ]的反應能壘分別增高34.9和77.1 kJ/mol.

3 結 論

本文采用M06/6-31++G**方法和B3LYP/6-31 ++G**方法研究了甘氨酸陽離子構象異構化反應機理,并探討了甘氨酸氧化受損后的性質變化和溶劑化效應,得到如下結論:

1)甘氨酸陽離子穩(wěn)定構象有7個,甘氨酸陽離子構象異構化過程存在質子遷移反應,質子從羧基遷移到氨基的能壘為15.3 kJ/mol,質子從α-H遷移到羰基O的能壘為138.6 kJ/mol;

2)最穩(wěn)定甘氨酸構象變?yōu)楦拾彼彡栯x子的垂直電離能為878.0 kJ/mol;

3)甘氨酸失去一個電子變?yōu)殛栯x子,N5原子失電子最多(超過0.4),其他各原子失去的電荷不多(均低于0.1),變?yōu)殛栯x子后利于質子從羧基遷移到氨基;

4)溶劑化效應顯著增高了質子遷移反應能壘.

表3　PCM模型下各構象的振動頻率和能量數(shù)據(jù)Tab.3 The vibration frequency variations and energy data of each conformer by PCM model

參考文獻:

[1] 田善喜.氨基酸分子構象穩(wěn)定性與光電離解離動力學的氫鍵效應[J].化學進展,2009,21(4):601-605.

[2] 鐘亮,胡勇軍,邢達,等.生物分子的微溶劑化過程[J].化學進展,2010,22(1):1-7.

[3] RAUK A,YU D,ARMSTRONG D A.Oxidative damage to and by cysteine in proteins:an ab initio study of the radical structures,C—H,S—H,and C—C bond dissociation energies,and transition structures for H abstraction by thiyl radicals[J].J Am Chem Soc,1998,120(34): 8848-8855.

[4] STADMAN E R.Oxidation of free amino acids and amino acid residues in proteins by radiolysis and by metal-catalyzed reactions[J].Annu Rev Biochem,1993,62(7): 797-821.

[5] JENSEN J H,GORDON M S.Conformational potential energy surface of glycine:a theoretical study[J].J Am Chem Soc,1991,113(21):7917-7924.

[6] CSASZAR A G.Conformers of gaseous glycine[J].J AmChem Soc,1992,114(24):9568-9575.

[7] AIKENS C M,GORDON M S.Incremental solvation of nonionized and zwitterionic glycine[J].J Am Chem Soc, 2006,128(39):12835-12850.

[8] KE H W,RAO L,XU X,et al.Theoretical study of glycine conformers[J].J Theor Comput Chem,2008,7 (4):889-909.

[9] BALABIN R M.Conformational equilibrium in glycine: focal-point analysis and abinitio limit[J].Chem Phys Lett,2009,479(4/5/6):195-200.

[10] HIDENORI M,MISAKO A.Ab initio QM/MM-MC study on hydrogen transfer of glycine tautomerization in aqueous solution:helmholtz energy changes along watermediated and direct processes[J].Chem Lett,2013,42 (6):598-600.

[11] IIJIMA K,TANAKA K,ONUMA S.Main conformer of gaseous glycine:molecular structure and rotational barrier from electron diffraction data and rotational constants[J].J Mol Struct,1991,246(3/4):257-266.

[12] STEPANIAN S G,REVA I D,RADCHENKO E D,et al.Matrix-isolation infrared and theoretical studies of the glycine conformers[J].J Phys Chem A,1998,102 (6):1041-1054.

[13] BALABIN R M.Experimental thermodynamics of free glycine conformations:the first Raman experiment after twenty years of calculations[J].Phys Chem Chem Phys,2012,14(1):99-103.

[14] 孟祥軍.甘氨酸構象異構化機理的密度泛函理論研究[J].南開大學學報(自然科學版),2013,46(3):15-22.

[15] TUREˇCEK F,CARPENTER F H.Glycine radicals in the gas phase[J].J Chem Soc Perkin Trans,1999,2 (11):2315-2323.

[16] GIL A,SIMON S,SODUPE M,et al.Gas-phase protontransport self-catalysed isomerisation of glutamine radical cation:the important role of the side-chain[J]. Theor Chem Account,2007,118(3):589-595.

[17] YANG G,ZU Y G,ZHOU L J.Deprotonation and radicalization of glycine neutral structures[J].J Phys Org Chem,2008,21(1):34-40.

[18] PHILIPPE C,ALAIN D,ILARIA C,et al.Vibrational analysis of glycine radical:a comparative ab initio static and dynamic study[J].Phys Chem Chem Phys,2009, 11(21):4375-4384.

[19] SYLVAIN M,DARIUSZ G P,RUDY D,et al.Stability of the glycine cation in the gas phase after interaction with multiply charged ions[J].Eur Phys J D,2014,68 (6):149-156.

[20] RODRíGUEZ-SANTIAGO L,SODUPE M,OLIVA A, et al.Intramolecular proton transfer in glycine radical cation[J].J Phys Chem A,2000,104(6):1256-1261.

[21] SIMON S,GI L A,SODUPE M,BERTRAN J. Structure and fragmentation of glycine,alanine,serine and cysteine radical cations.A theoretical study[J].J Mol Struct,2005,727(1/2/3):191-197.

[22] LEE G.Structure and intramolecular proton transfer of alanine radical cations[J].Bull Korean Chem Soc,2012, 33(5):1561-1565.

[23] 孟祥軍.取代基效應對水分子催化甘氨酸質子遷移反應的影響[J].廈門大學學報(自然科學版),2014,53(3): 390-396.

Intramolecular Proton-transfer Mechanism of Oxidized Glycine Molecule

MENG Xiangjun*,SHI Jin,YANG Xiaochun,JIA Junfang,YANG Jing
(Department of Chemistry,Tangshan Normal University,Tangshan 063000,China)

Abstract:M06,B3LYP and CCSD methods were applied at the 6-31++G(**)basis set level to investigate the isomerization mechanism of glycine cations.In addition,property differences caused by oxidation and solvation effect were discussed.7 stable minimums and 9 transition states of glycine cations were obtained.It is found that the carboxyl proton can transfer to amino by stepping over a 15.2 kJ/mol energy barrier during the isomerization reactions,andα-H can transfer to carbonyl O over a 138.6 kJ/mol energy barrier.Vertical ionization potential of the most stable glycine conformation is 878.0 kJ/mol.More than 0.4 charge was lost on N5 atom in ionization process,while on other atoms less than 0.1 charge was lost.The charge variation is conducive to the reaction of proton transfer,while solvation effect greatly increases the energy barriers of proton transfer reactions.

Key words:oxidation damage;glycine cation;proton-transfer;reaction mechanism;quantum chemistry

*通信作者:xjmeng_1974@126.com

基金項目:河北省高等學校科學技術研究青年基金(QN2014312);唐山師范學院科學研究重點項目(2015B04)

收稿日期:2015-05-28 錄用日期:2015-08-29

doi:10.6043/j.issn.0438-0479.2016.02.004

中圖分類號:O 641

文獻標志碼:A

文章編號:0438-0479(2016)02-0168-06

引文格式:孟祥軍,石瑾,楊笑春,等.氧化受損甘氨酸分子內質子遷移的機理[J].廈門大學學報(自然科學版),2016,55(2): 168-173.

Citation:MENG X J,SHI J,YANG X C,et al.Intramolecular proton-transfer mechanism of oxidized glycine molecule[J]. Journal of Xiamen University(Natural Science),2016,55(2):168-173.(in Chinese)