水環境下氫氧根水分子團簇催化賴氨酸旋光異構及羥自由基致損傷的機理*

趙曉波，佟華，楊曉翠，王佐成

(1. 白城師范學院化學學院，吉林 白城 137000；2. 白城師范學院物理學院，吉林 白城 137000)

賴氨酸(lysine，Lys)是生命體必須氨基酸，根據旋光性的不同，可分為左旋賴氨酸(S-Lys)和右旋賴氨酸(R-Lys)。S-Lys在生命體內是優構體，具有改善免疫系統、促進吸收鈣和降低甘油三酯的作用。R-Lys是劣構體，無活性，主要用于生物化學研究。

由于Lys有重要作用，人們對它進行了廣泛的研究。文獻[1]研究了水液相環境下的S-Lys分子構象。文獻[2]研究了S-Lys分子與糖美拉德反應產物的理化特性及抗氧化活性。文獻[3-6]研究了Lys分子在裸環境、水汽相和液相環境下的旋光異構及羥自由基致其損傷。研究發現，裸反應優勢通道決速步能壘為250.00 kJ·mol-1左右；水分子簇的催化決速步能壘降為150.00 kJ·mol-1左右，水溶劑效應使該能壘降至115.00 kJ·mol-1，羥自由基致賴氨酸損傷發生在旋光異構的主反應通道，損傷能壘是134.12 kJ·mol-1，水液相環境下變為無勢壘反應。說明了生命體內Lys可以緩慢地旋光異構，羥自由基可致其快速地損傷。

富水的生命體有影響健康的氫氧根和羥基自由基存在[7]，氫氧根是否會對賴氨酸旋光異構產生影響，羥自由基致賴氨酸損傷在其他反應通道是否會發生，這些問題的討論目前鮮見報道。有研究[8]表明，具有羧基與氨基間分子內單氫鍵和雙氫鍵的氨基酸分子構象最穩定。基于此，對水環境下(水汽相和水液相)具有氨基與羧基間為單氫鍵和雙氫鍵的2種Lys分子的標題反應進行了研究。

1 研究與計算方法

采用自洽反應場(SCRF)理論的smd模型方法[9]，在B3LYP[10]/6-31+G(d, p)水平，優化標題反應的駐點結構。通過對過渡態[11]進行IRC[12]計算，確認其可靠性。為計算出高水平的反應過程勢能面，在MP2[13]/6-311++G(2df, pd)水平計算體系的單點能。利用Gtotal=ESP+Gtc(ESP和Gtc分別為高水平的單點能和吉布斯自由能熱校正)計算總自由能，繪制反應過程的勢能面。水液相環境下，S型Lys_1與2個水分子簇通過氫鍵作用形成的氫鍵絡合物，記作S-Lys_1·2H2O(m)@water[m和n分別表示水分子簇在Lys分子的前面和后面與其絡合)，其它體系表示法相似。計算均由Gaussian09[14]程序完成。

2 結果與討論

具有氨基與羧基間單氫鍵及雙氫鍵的Lys分子手性對映體的幾何構象，見圖1。從圖1可以看出，S-Lys旋光異構，就是α-氫從紙面外遷移到紙面里。研究表明，水環境下S-Lys旋光異構有兩個通道a和b實現，a是氫氧根水分子簇與α-氫和氨基通過氫鍵作用形成底物，氫氧根拔α-氫；b是氫氧根水分子簇與α-氫和羰基氧通過氫鍵作用形成底物，氫氧根拔α-氫；羥自由基致S-Val損傷，除去以往研究[5-7]的在a通道實現，還可發生在b通道。水溶劑效應對這些反應有重要的影響，下面分別進行討論。

2.1 氫氧根水分子簇催化Lys_1旋光異構

2.1.1 氫氧根水分子簇催化Lys_1在a通道旋光異構 氫氧根水分子簇催化Lys_1在a通道的旋光異構，反應歷程見圖2，反應勢能面，見圖3。對于非氫遷移過程第1、2、5和第6基元反應，水溶劑的存在對駐點構象影響不大，只給出氣相的構象。

首先，第1基元反應羧基異構，S-Lys_1經過渡態a_S-TS1_1，異構成中間體a_S-INT1_1。從S-Lys_1到a_S-TS1_1過程，二面角11C-9O-8C-10O和6H-5N-1C-12H分別從179.58°和-22.59°變為-90.45°和-49.07°，鍵長8C-9O從0.134 0 nm拉伸到0.138 8 nm。二面角異構和一個化學鍵較小的拉伸需要的能量不高也不會很低，a_S-TS1_1產生了49.12 kJ·mol-1的能壘。水溶劑環境下該能壘微降到48.76 kJ·mol-1，水溶劑效應不明顯。從S-Lys_1到a_S-INT1_1，羧基從反式平面結構變成順式平面結構，此時a_S-INT1_1與正面的氫氧根水分子簇形成氫鍵無空間位阻。接著，a_S-INT1_1經a_S-TS2_1，異構成略穩定的中間體a_S-INT2_1。此基元反應只是氨基的6H和7H左右翻轉，所需能壘較低，只有12.34 kJ·mol-1。水溶劑環境下該能壘升高到21.34 kJ·mol-1，升高了72.9%，水溶劑效應對此基元反應起了明顯的阻礙作用。原因是a_S-INT1_1的偶極矩3.746 7大于a_S-TS2_1的偶極矩1.919 5許多，導致水溶劑環境下a_S-INT1_1能量的降低大于a_S-TS2_1能量的降低許多。

圖 1 水液相環境下S型與R型賴氨酸分子的幾何結構Fig.1 The geometries of S-type and R-type of lysine molecule in water liquid environment

然后是第3基元反應，氫氧根水分子簇在α-氫25H與氨基氮5N的前面與S-INT2_1通過氫鍵作用形成的絡合物a_S-INT2_1·[(OH-)·H2O(m)]，經過渡態絡合物a_TS3_1·[(OH-)·H2O(m)]，實現了25H從α-碳向氫氧根29O-27H的遷移，形成了產物絡合物a_INT3_1·2H2O(m)。此基元反應氫氧根抽取了α-H形成水分子，水分子28O-12H-26H未參與反應，但起了穩定氫氧根空間位置的作用。

a_TS3_1·[(OH-)·H2O(m)]七圓環結構的氫鍵鍵角1C-25H-29O、29O-26H-28O和28O-12H-5N分別是172.07°、161.03°和145.74°，前兩個接近平角，氫鍵很強；二面角1C-25H-29O-26H、29O-26H-28O-12H和26H-28O-12H-5N分別為11.45°、0.72°和-21.92°，七圓環結構基本共面，因此a_TS3_1·[(OH-)·H2O(m)]較穩定。又從a_S-INT2_1·[(OH-)·H2O(m)]到a_TS3_1·[(OH-)·H2O(m)]過程，28O-26H從0.108 4 nm縮小到0.098 7 nm，釋放能量；反應活性中心骨架二面角5N-1C-3C-8C從124.16°變為133.47°，1C-5N從0.147 8 nm拉伸到0.148 0 nm，骨架微小形變需要能量較小。1C-25H從0.111 3 nm拉伸到0.138 7 nm斷裂，所需能量不會太高。因此，a_TS3_1·[(OH-)·H2O(m)]產生的能壘較低，只有20.59 kJ·mol-1。結構分析表明，a_INT3_1·2H2O(m)的水分子之間以及水分子和氨基之間存在較強的氫鍵，水分子和α-碳形成了弱氫鍵，a_INT3_1的5N-1C-8C-9O-10O形成了離域的大π鍵，因此a_INT3_1·2H2O(m)較穩定。但由于α-碳是sp2雜化，非滿配，導致在勢能面上a_INT3_1·2H2O(m)是處于比a_S-INT2_1·[(OH-)·H2O(m)]高的位置。

水溶劑效應使該基元反應能壘升高到78.13 kJ·mol-1。能壘大幅提升的原因，一是1C-5N從0.147 1 nm拉伸到0.148 3 nm，二是1C-25H從0.109 2 nm拉伸到0.143 4 nm，拉伸幅度相對于水汽環境的情況大幅增加；三是a_S-INT2_1·[(OH-)·H2O(m)]@water的偶極矩21.374 8大于a_TS3_1·[(OH-)·H2O(m)]@water的偶極矩6.857 6許多，在極性溶劑水中，a_S-INT2_1·[(OH-)·H2O(m)]體系能量的降低會顯著大于a_TS3_1·[(OH-)·H2O(m)]體系能量的降低。

接著的第4基元反應近似第3基元的逆反應，2個水分子簇在a_INT3_1的后面與5N和1C通過氫鍵作用形成的絡合物a_INT3_1·2H2O(n)，經過渡態絡合物a_TS4_1·[(OH-)·H2O(n)]，形成了產物絡合物a_R-INT4_1·[(OH-)·H2O(n)]，實現了α-碳從水分子28O-26H-29H抽取26H的過程。在此基元反應，水分子25O-24H-27H沒參與反應，只是起了穩定水分子28O-26H-29H空間位置的作用，為α-碳1C抽取質子26H創造了條件。從a_INT3_1·2H2O(n)到a_TS4_1·[(OH-)·H2O(n)]過程，28O-26H從0.100 3 nm增加到0.135 8 nm，拉伸幅度0.035 5 nm比第3基元的反應物到過渡態1C-25H的拉伸幅度0.027 4 nm略有增加，所需能量會有所升高。但從a_INT3_1·2H2O(n)到a_TS4_1·[(OH-)·H2O(n)]過程，二面角5N-1C-3C-7C從-161.87°變為-137.88°，α-碳從sp2雜化向sp3雜化過渡，體系又會釋放能量，因此，a_TS4_1·[(OH-)·H2O(n)]產生的能壘是23.64 kJ·mol-1，與a_TS3_1·[(OH-)·H2O(n)]產生的能壘相差不是多。結構分析表明，a_R-INT4_1·[(OH-)·H2O(n)]具有2個分子間強氫鍵，α-碳是sp3雜化，處于滿配狀態，構象穩定。水溶劑化效應使該基元反應的能壘升高到29.77 kJ·mol-1，a_R-INT4_1·[(OH-)·H2O(n)]@water相對于a_INT3_1·2H2O(n)@water的能量大幅降低，原因相似于第3基元反應，不再贅述。

圖2 水環境下氫氧根離子水分子簇催化Lys_1在a通道旋光異構Fig.2 Optical isomerism of hydroxide ions-water clusters catalyzed Lys_1 in channel a in water liquid environment

經過第3和4基元反應，完成了α-氫從紙面外向紙面里的凈遷移，S-INT2_1實現了旋光異構，亦即，S-Lys_1完成了旋光異構。

最后，a_R-INT4_1經5、6基元反應，實現了氨基翻轉和羥基旋轉異構兩個過程，異構成產物a_R-Lys_1。結構分析表明，a_R-Lys_1具有氨基和羧基間較強的分子內單鍵鍵，構象更穩定[8-9]。

2.1.2 氫氧根的水分子簇催化Lys_1在b通道旋光異構 為節省篇幅，僅對水液相環境下的反應機理進行討論。水溶劑環境下氫氧根水分子簇催化Lys_1在b通道旋光異構反應歷程，見圖4; 反應過程勢能面，見圖3。

圖3 氫氧根離子水分子簇催化Lys_1旋光異構反應過程的吉布斯自由能勢能面Fig.3 Gibbs free energy surface of the process of optical isomerism reaction of Lys_1 catalyzed by hydroxide ions-water clusters

首先，氫氧根的水分子簇在S-Lys_1的前面與α-氫25H和羰基氧10O通過氫鍵作用形成的前驅絡合物b_S-Lys_1·[(OH-)·H2O(m)]@water，經過渡態絡合物b_TS1_1·[(OH-)·H2O(m)]@water，形成中間體產物絡合物b_INT1_1·2H2O(m)@water，氫氧根從α-碳上抽取了25H形成水分子。此基元反應相似于a通道的第3基元反應，水分子28O-24H-27H并沒參與反應，只是起到了穩定氫氧根空間位置的作用。結構分析表明，過渡態b_TS1_1·[(OH-)·H2O(m)]@water的八元環結構基本共面，3條氫鍵較強，很穩定；從b_S-Lys_1·[(OH-)·H2O(m)]@water到b_TS1_1·[(OH-)·H2O(m)]@water過程，活性中心的骨架二面角5N-1C-3C-8C從122.11°變為132.52°，1C-5N鍵長從0.147 8 nm微縮到0.147 7 nm，骨架形變較小，b_TS1_1·[(OH-)·H2O(m)]@water不會產生較高的能壘。但1C-25H從0.109 7 nm拉伸到了0.143 2 nm，需要一定的能量，因此，b_TS1_1·[(OH-)·H2O(m)]@water產生了49.94 kJ·mol-1的能壘。結構分析表明，b_INT1_1·2H2O(m)@water具有水分子間、水分子與b_INT1_1間的強氫鍵，還具有水分子與b_INT1_1間的弱氫鍵，因此，b_INT1_1·2H2O(m)@water是較穩定的中間體絡合物。

圖4 水液相環境下氫氧根離子水分子簇催化Lys_1在b通道的旋光異構反應過程Fig.4 The process of optical isomerism of hydroxide ions-water clusters catalyzed Lys_1 in channel b in water liquid environment

然后，2個水分子簇在b_INT1_1的后面與α-碳和羰基氧通過氫鍵作用，形成中間體反應物絡合物b_INT1_1·2H2O(n)@water，經過渡態b_TS2_1·[(OH-)·H2O(n)]@water，b_INT1_1·2H2O(n)@water抽取了水分子29O-25H-26H上的25H，形成產物b_R-Lys_1·[(OH-)·H2O(n)]@water。從b_INT1_1·2H2O(n)@water到b_TS2_1·[(OH-)·H2O(m)]@water過程，1C-5N鍵長從0.145 9 nm拉伸到0.147 4 nm，24O-20H鍵長從0.098 9 nm拉伸到0.122 4 nm，拉伸幅度較小。又反應活性中心骨架二面角5N-1C-3C-8C從-169.65°變為-139.24°，α-碳從sp2雜化向sp3雜化(從空配狀態向滿配狀態)過渡，是放熱過程。因此，b_TS2_1·[(OH-)·H2O(n)]@water產生了低于b_TS1_1·[(OH-)·H2O(m)]@water的能壘，只有19.88 kJ·mol-1。

經過1、2兩個基元反應，相當于α-氫在氫氧根水分子簇和2個水分子簇的連續作用下，實現了從紙面外向紙面內的凈遷移，S-Lys_1在b通道完成了旋光異構。

從圖3可以看出：水液相環境下，氫氧根水分子簇催化Lys_1的旋光異構反應在b通道具有絕對優勢，決速步能壘是49.94 kJ·mol-1，在另一通道a的決速步能壘是78.13 kJ·mol-1。49.94 kJ·mol-1已低于質子遷移溫和反應的能壘84.00 kJ·mol-1[15]許多，在b通道的異構反應會較快的進行。78.13 kJ·mol-1已略低于質子遷移溫和反應的能壘84.00 kJ·mol-1[15]，在a通道的異構反應也會溫和進行，但速率會明顯降低。這說明，生命體內有大量的氫氧根存在時，Lys_1會較快的旋光異構，嚴重影響健康。

2.2 氫氧根水分子簇催化Lys_2旋光異構

氫氧根水分子簇催化Lys_2在a通道的旋光異構反應歷程，見圖5(A)，反應勢能面見圖6。機理相似于Lys_1在a通道旋光異構過程的第3和4基元反應，這里只做一般討論。

首先是第一基元反應。在水分子的協助下羥自由基抽取了a_S-Lys_2的α-氫，得到中間體絡合物a_INT1_2·2H2O(m)。然后是第2基元反應，2個水分子簇在a_INT1_的另一側與a_INT1_2通過氫鍵作用形成絡合物a_INT1_2·2H2O(n)，經過渡態a_TS2_2·[(OH-)·H2O(n)]，a_INT1_2的α-碳抽取了1個水分子上的氫，形成了產物絡合物a_R-Lys_2·[(OH-)·H2O(n)]。實現了α-氫從紙面外向紙面內的凈遷移，S-Lys_2完成了旋光異構。

從圖6可以看出，決速步驟是第1基元反應，水汽相環境的決速步能壘是32.98 kJ·mol-1，水溶劑效應使此能壘升高到68.76 kJ·mol-1，說明水溶劑對此反應起了較大的阻礙作用。

水汽相環境的決速步能壘32.94 kJ·mol-1已遠低于質子遷移溫和反應的能壘84.00 kJ·mol-1[16]，說明水汽環境下，Lys_2會極其迅速地損傷與消旋。水液相環境下的決速步能壘68.76 kJ·mol-1低于質子遷移溫和反應的能壘84.00 kJ·mol-1[15]許多，說明在生命體內水液相下Lys_2會在b通道消旋。

水液相環境下，氫氧根水分子簇催化Lys_2在b通道旋光異構，首先是第1基元反應，水分子簇作氫遷移媒介，11H從10O遷移到9O，形成中間體b_S-INT1_2，反應能壘是45.6 kJ·mol-1[4]。然后是第2基元反應(相似于構象1在b通道旋光異構的第1基元反應)，氫氧根水分子簇與b_S-INT1_2的α-氫和新羰基氧10O通過氫鍵作用形成的絡合物b_S-INT1_2·[(OH-)·H2O(m)]@water，經過渡態絡合物b_TS2_2·[(OH-)·H2O(m)]@water，氫氧根拔取了α-氫，形成b_INT2_2·2H2O(m)@water，計算表明，此基元反應是決速步驟，能壘是60.41 kJ·mol-1。接下來的第3基元反應是α-碳在另一側抽取水分子的質子，Lys_2在b通道完成旋光異構，此基元反應相似于構象1在b通道旋光異構的第2基元反應，從略。這里只給出了決速步驟的反應過程見圖5(B)，勢能面見圖6。

2.3 羥自由基致Lys在b通道的損傷

水分子輔助羥自由基致Lys_1在b通道損傷的反應歷程，見圖7(A)，反應勢能面見圖8。

首先，羥自由基水分子簇在S-Lys_1的前面，通過與α-氫25H和羰基氧10O的氫鍵作用形成前驅絡合物b_S-Lys_1·[(HO·)·H2O(m)]。然后，經過渡態絡合物b_TS1_1·[(HO·)·H2O(m)]，羥自由基抽取了α-碳上的氫原子形成水分子，形成產物絡合物b_P*_1·2H2O(m)。b_P*_1的α-碳已經失去了手性，也就是說，P*_1是Lys_1損傷的產物(這里星號表示產物非手性，是損傷的氨基酸)。此基元反應相似于a通道的第3基元，水分子28O-24H-27H沒參與反應，只是起到了穩定羥自由基空間位置的作用。結構分析表明，過渡態b_TS1_1·[(HO·)·H2O(m)]的八元環結構基本共面，3條氫鍵較強，很穩定；從b_S-Lys_1·[(HO·)·H2O(m)]到b_TS1_1·[(HO·)·H2O(m)]過程，反應活性中心骨架二面角5N-1C-3C-8C從118.58°變為123.22°，骨架只是微小形變，并且1C-5N鍵長從0.147 7 nm縮小到0.145 1 nm要釋放能量；1C-25H鍵長從0.109 7 nm到0.117 0 nm小幅拉伸需要的能量較小。因此，b_TS1_1·[(HO·)·H2O(m)]產生的能壘很低，只有13.78 kJ·mol-1。結構分析表明，b_P*_1·2H2O(m)具有5條較強的分子間氫鍵和一條分子內單氫鍵，5N、1C、8C、9O、10O形成了5中心離域大π鍵，因此，b_P*_1·2H2O(m)極穩定。

水溶劑化計算表明，水溶劑效應使損傷能壘升高，能壘是27.57 kJ·mol-1，損傷產物絡合物也很穩定。說明水溶劑效應對羥自由基致Lys_1在b通道的損傷反應起了負催化作用。

Lys_2在b通道的損傷發生在第2基元反應，反應歷程見圖7(B)，反應勢能面見圖8。羥自由基水分子簇與b_S-INT1_2的α-氫25H和新羰基氧10O通過氫鍵作用形成的絡合物b_S-INT1_2·[(HO·)·H2O(m)]，經過渡態b_TS2_2·[(HO·)·H2O(m)]，羥自由基拔取了α-氫25H，形成b_P*_2·2H2O(m)。機理相似于Lys_1在b通道的損傷，不再贅述。勢能面計算表明，水汽環境下的損傷能壘是-1.16 kJ·mol-1，水溶劑效應使該能壘微微升到0.68 kJ·mol-1，水溶劑效應不顯著。

圖5 水環境下氫氧根離子水分子簇催化Lys_2旋光異構過程Fig.5 Optical isomerism of hydroxide ions-water clusters catalyzed Lys_2 in water liquid environment

圖6 氫氧根離子水分子簇催化Lys_2旋光異構反應過程的吉布斯自由能勢能面Fig.6 Gibbs free energy surface of optical isomerism reaction of Lys_2 catalyzed by hydroxide ions-water clusters

圖7 羥自由基水分子簇催化Lys在b通道的損傷反應過程Fig.7 Process of Lys_1 damaged by hydroxy radicals-water clusters in channel b

圖8 羥自由基水分子簇致Lys在b通道損傷反應過程的吉布斯自由能勢能面Fig.8 Gibbs free energy surface of Lys damaged by hydroxy radicals-water clusters in channel b

3 結 論

綜上得到如下結論：

1) 賴氨酸旋光異構有2個通道a和b實現，a是氫氧根水分子團簇與α-氫和氨基氮通過氫鍵作用形成底物，氫氧根拔α-氫，然后α-碳再在另一側拔水分子的氫；b是氫氧根水分子團簇與α-氫和羰基氧通過氫鍵作用形成底物，氫氧根拔α-氫，然后α-碳再在另一側拔取水分子的氫。

2) 水液相環境下，構象1和2在a通道旋光異構的決速步能壘分別是78.13和68.76 kJ·mol-1，在b通道旋光異構的決速步能壘分別是49.94 和60.41 kJ·mol-1，說明生命體內氫氧根的存在會導致賴氨酸較快地旋光異構。

3) 水液相環境下，羥自由基水分子簇致賴氨酸在b通道的損傷是低勢壘放熱反應，生命體內羥自由基的存在會導致賴氨酸較快地損傷。