水液相環境下賴氨酸旋光異構及羥自由基致其損傷的機理

佟 華, 佟海霞, 劉紅艷, 張雪婷, 孫秀蓮, 張金猛, 王佐成, 楊曉翠

(白城師范學院 物理與電子信息學院, 吉林 白城 137000)

賴氨酸(lysine, Lys)是生命體內重要的氨基酸, 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)兩種異構體.S-Lys在生命體內是優構體, 具有活性;R-Lys是劣構體, 無活性.S-Lys對改善免疫系統、 促進鈣吸收以及降低甘油三酯等具有重要作用;R-Lys主要用于生物化學研究. 文獻[1]研究了S-Lys分子在水液相環境下的構象； 文獻[2]研究了S-Lys分子與糖Maillard反應產物的理化特性及抗氧化活性; 文獻[3-8]分別研究了裸環境、 水氣相環境、 MOR分子篩以及扶椅型單壁碳納米管限域環境下Lys的手性轉變機理. 研究表明, 以氨基氮為氫遷移媒介旋光異構的反應通道具有絕對優勢, 構象1和構象2兩種Lys分子裸反應優勢通道的決速步驟Gibbs自由能壘分別為259.90,252.60 kJ/mol； MOR分子篩十二元環孔道的限域催化作用, 使優勢通道的決速步驟自由能壘降至229.78 kJ/mol； 在SWCNT(5,5)內, 該能壘降至192.81 kJ/mol； 2個水分子簇使該能壘降至123.9 kJ/mol.

文獻[9]研究表明, 氨基酸的羥基與氨基間為分子內單氫鍵和雙氫鍵時氨基酸分子構型最穩定. 水溶劑在有機反應中具有重要作用, 可改變反應機理, 生命體是富水環境, 并含有少量對生物體危害極大的羥自由基[10-11]. 基于此, 本文研究水液相環境下具有氨基與羧基間單氫鍵和雙氫鍵的兩種Lys分子, 基于氨基作為質子轉移橋梁的旋光異構及羥自由基致其損傷的機理.

1 計算方法

采用自洽反應場(SCRF)理論的SMD模型方法[12], 在B3LYP/6-31+G(d,p)水平[13]下優化水液相環境下賴氨酸旋光異構反應的駐點結構. 通過對過渡態[14]進行內稟反應坐標(IRC)[15]計算, 驗證其連接所期望的局域極小點. 為計算高水平的反應過程勢能面, 采用微擾理論的MP2方法[16], 在MP2/6-311++G(2df,pd)水平下計算體系的單點能. 利用

Gtotal=ESP+Gtc

計算總自由能, 并繪制反應過程的自由能勢能面. 其中ESP和Gtc分別為高水平的單點能和Gibbs自由能熱校正.S型Lys分子與2個水分子簇通過氫鍵作用形成的氫鍵配合物, 記作S-Lys·2H2O, 其他體系表示法類似. 計算均由Gaussian09程序[17]完成.

2 結果與討論

2.1 賴氨酸分子旋光異構機理

在水液相環境下, 具有氨基和羧基間單氫鍵及雙氫鍵的Lys分子手性對映體的幾何構象如圖1所示. 由圖1可見, 實現Lys分子從S型向R型的構象轉變, 即為實現質子12H從手性C(1C)的外側向里側遷移.

2.1.1S-Lys_1分子旋光異構反應機理 水液相環境下S-Lys_1的旋光異構為羧基異構與質子遷移的分步機理, 反應過程分別如圖2～圖5所示, 反應過程的Gibbs自由能勢能面如圖6所示.

1) 羧基異構. 反應物S-Lys_1經過渡態S-TS1_1, 羥基的11H繞8C—9O鍵旋轉至羧基內側, 二面角11H-9O-8C-10O由-179.57°變為-0.21°, 異構成第一中間體S-INT1_1, 實現羧基從反式結構向順式結構的異構. 由于S-Lys_1到S-TS1_1過程僅二面角異構且無斷鍵, 因此S-TS1_1產生的能壘僅為53.59 kJ/mol.

2) 氨基異構. 中間體S-INT1_1經氨基2個質子左右翻轉的過渡態S-TS2_1, 異構成第二中間體S-INT2_1.S-INT2_1前面的空間相對較大, 為水分子簇在其前面與其形成氫鍵創造了條件. 從S-INT1_1到S-TS2_1, 僅二面角6H-5N-1C-8C由-169.51°變為-85.76°,S-TS2_1產生的能壘僅為15.31 kJ/mol.S-INT2_1具有氨基和羧基間兩條弱氫鍵, 構象比S-INT1_1略穩定.

圖1 水液相環境下S型和R型賴氨酸分子的幾何構象Fig.1 Geometric conformation of S-type and R-type lysine molecule in water liquid phase environment

圖2 S-Lys_1旋光異構過程中的羧基異構與氨基異構Fig.2 Carboxyl isomerism and amino isomerism of S-Lys_1 in process of optical isomerism

圖3 S-INT2_1的12H以水分子簇為媒介向5N的遷移過程Fig.3 Migration process of 12H of S-INT2_1 to 5N with water cluster as medium

圖4 INT3_1的質子以水分子簇為媒介向1C的遷移過程Fig.4 Migration process of proton of INT3_1 to 1C with water cluster as medium

圖5 R-INT4_1形成分子內單氫鍵的過程Fig.5 Forming intramole cular hydrogen bond process of R-INT4_1

圖6 水液相環境下S-Lys_1分子旋光異構反應的Gibbs自由能勢能面Fig.6 Potential energy surface of optical isomerism reaction of S-Lys_1 molecule in water liquid phase environment

3)S-INT2_1的12H以水分子簇為媒介向氨基N(5N)遷移. 當2個和3個水分子簇作為質子遷移媒介時, 氨基酸內質子從1C向5N遷移能壘降低的幅度遠大于1個水分子作質子遷移媒介的情形[18-19], 因此本文僅討論2個和3個水分子簇作為質子遷移媒介的情形.

① 2個水分子簇作為質子遷移媒介.S-INT2_1與5N和25H前面的2個水分子簇通過氫鍵作用形成的前驅配合物S-INT2_1·2H2O(m)(m表示水分子簇在前面與底物配合), 經過渡態TS3_1·2H2O(m), 實現質子從1C向5N的凈遷移, 異構成氨基質子化的中間體配合物INT3_1·2H2O(m). 過渡態TS3_1·2H2O(m)七元環結構的氫鍵鍵角30O…25H…1C,29O—26H…30O,5N—12H…29O分別為173.44°,167.37°,162.45°, 3個氫鍵均較強； 二面角26H-29O-12H-5N,30O-26H-29O-12H和1C-25H-30O-26H分別為-25.27°,-3.94°,3.67°, 因此TS3_1·2H2O(m)構象較穩定. 從S-INT2_1·2H2O(m)到TS3_1·2H2O(m)過程, 反應活性中心骨架二面角5N-1C-3C-8C由126.88°變為129.72°, 1C—5N的鍵長由0.147 0 nm增至0.151 4 nm, 骨架形變微小. 但該過程中1C—25H,30O—26H和29O—12H的鍵長分別由0.109 5,0.098 7,0.100 3 nm增至0.138 3,0.166 4,0.191 9 nm, 3個化學鍵較大幅度的拉伸均需一定的能量. TS3_1·2H2O(m)產生的能壘為116.02 kJ/mol, 遠低于裸反應能壘259.90 kJ/mol和水氣相環境下的能壘145.80 kJ/mol[8]. 表明2個水分子簇與水溶劑的助催化共同作用, 使反應能壘大幅度降低. 該過渡態的26H—29O和12H—5N已基本成鍵, 其靠近產物為后過渡態, 該基元反應為3質子協同的非同步遷移過程, 與水氣相環境下3質子協同同步遷移[8]的情形不同. 結構分析表明, INT3_1·2H2O(m)的5N-1C-8C-10O-9O基本共面, 形成5中心大π鍵, 水分子間以及水分子和質子化氨基間形成較強的氫鍵, 水分子與1C間形成中等強度的氫鍵, 因此, INT3_1·2H2O(m)為稍穩定的中間體配合物. 但由于INT3_1·2H2O(m)的1C是sp2雜化, 為非滿配狀態, 其質子化氨基又不穩定, 因此其壽命較短.

② 3個水分子簇作為質子遷移媒介. 與2個水分子簇作為質子遷移媒介的情形類似,S-INT2_1·3H2O(m)經過渡態TS3_1·3H2O(m), 實現質子由1C向5N的凈遷移, 異構成氨基質子化的中間體配合物INT3_1·2H2O(m). 九元環結構過渡態TS3_1·3H2O(m)的氫鍵鍵角1C…25H…26O,26O…33H—31O,31O…28H—29O,28H—29O…5N分別為176.97°,175.94°,173.75°,169.99°, 3個氫鍵均較強, 使TS3_1·3H2O(m)的穩定性較好. 但二面角1C-25H-26O-33H,26O-33H-31O-28H,31O-28H-29O-12H,28H-29O-12H-5N分別為-55.91°,8.87°,-11.48°,95.76°, 構象穩定性較差. TS3_1·3H2O(m)與TS3_1·2H2O(m)產生的能壘相近. 結構分析表明, 從S-INT2_1·3H2O(m)到TS3_1·3H2O(m)過程, 反應活性中心骨架二面角的變化以及化學鍵的拉伸斷裂情形與從S-INT2_1·2H2O(m)到TS3_1·2H2O(m)過程類似, 故略. TS3_1·3H2O(m)產生了112.71 kJ/mol的能壘, 在允許誤差范圍內, 可認為與TS3_1·2H2O(m)產生的能壘116.02 kJ/mol相同. 表明3個水分子簇的催化不比2個水分子簇的催化更具優勢. 過渡態TS3_1·3H2O(m)為后過渡態, 該基元反應為4質子協同非同步遷移過程.

4) INT3_1·2H2O(n)(n表示水分子簇在后面與底物配合)與INT3_1·3H2O(n)的分子間氫鍵解離. INT3_1在其后面的水分子簇作用下, 實現24H在紙面里由質子化氨基向1C遷移, 完成旋光異構. 該基元反應僅討論2個和3個水分子簇作為質子遷移媒介的情形.

① 2個水分子簇作為質子遷移媒介. INT3_1·2H2O(n)經過渡態TS4_1·2H2O(n), 實現質子從5N向1C的凈遷移, 異構成中間體R-INT4·2H2O(n), 完成旋光異構. 過渡態TS4_1·2H2O(n)七元環結構的氫鍵角1C…26H…29O,29O…28H—25O,25O…24H—5N分別為169.29°,167.07°,157.08°； 二面角1C-26H-29O-28H,29O-28H-25O-24H,28H-25O-24H-5N分別為26.33°,-2.48°,15.94°, 因該過渡態a_TS3·2H2O(n)較穩定. 從INT3_1·2H2O(n)到TS4_1·2H2O(n)過程, 5N—24H,25O—28H,29O—26H的鍵長分別由0.103 9,0.098 5,0.098 6 nm增至0.104 1,0.100 4,0.125 3 nm, 鍵長增幅遠小于從S-INT2·2H2O(m)到TS3·2H2O(m)的過程； 該過程中1C從sp2雜化變為準sp3雜化, 由非滿配態向準滿配狀態過渡, 活性中心骨架的形變會放熱, 因此TS4·2H2O(n)產生的能壘僅為22.34 kJ/mol. 過渡態TS4_1·2H2O(n)的5N—24H和25O—28H未斷裂, 為成鍵狀態, 靠近反應物, 為前過渡態, 該基元反應為3質子協同非同步遷移過程.R-INT4·2H2O(n)中的1C為sp3雜化, 處于滿配狀態, 且R-INT4·2H2O(n)存在氨基和羧基間較弱的分子間氫鍵、 2個較強的分子間氫鍵和1個較弱的分子間氫鍵, 因此其構象較穩定.

② 3個水分子簇作為質子遷移媒介. INT3_1·3H2O(n)經過渡態TS4_1·3H2O(n), 實現質子從5N向1C凈遷移, 異構成較穩定的中間體配合物R-INT4·3H2O(n). 該基元反應與前面討論的2個水分子簇作為質子遷移媒介的情形類似, 反應能壘為19.11 kJ/mol, 故略.

5)R-INT4·3H2O(n)的分子間氫鍵解離.R-INT4經與S-TS2_1相似的過渡態R-TS5_1, 實現11H和6H由右向左的翻轉異構, 異構成第五中間體R-INT5, 能壘為23.55 kJ/mol. 最后,R-INT5再經與S-TS1_1相似的過渡態R-TS6_1, 實現羧基的順反異構, 異構成最終產物P_R-Lys_1, 能壘為39.27 kJ/mol. P_R-Lys_1具有氨基和羧基間較強的分子內單氫鍵, 構象更穩定.

由圖6可見：S-Lys_1分子旋光異構的決速步驟為第三基元反應, 2個和3個水分子簇作為氫遷移媒介時的決速步驟能壘分別為116.02,112.71 kJ/mol, 來源于質子由手性C向氨基N遷移的過渡態. 這兩個能壘遠低于質子遷移的極限能壘167.00 kJ/mol[20], 且遠高于質子遷移的溫和反應能壘84.02 kJ/mol[20], 表明水液相環境下, 水分子簇的催化可使Lys_1分子緩慢地實現旋光異構. 第五和第六基元正負反應的能壘均較低, 表明R-INT4_1,R-INT5_1與P_R-Lys_1可共存, 其中P_R-Lys_1處于勢能面較低的位置, 其含量遠高于R-INT4_1和R-INT5_1.

2.1.2S-Lys_2分子旋光異構過程的決速步驟基元反應機理S-Lys_2旋光異構過程由2個相似準對稱的基元反應構成, 第一基元反應為決速步驟, 且反應機理與S-Lys_1旋光異構的第三基元反應相似, 因此僅討論決速步驟反應過程.

S-Lys_2旋光異構決速步驟的反應過程如圖7所示, 反應過程的Gibbs自由能勢能剖面如圖8所示. 由圖7(A)可見, 當2個水分子簇作為質子遷移媒介時,S-Lys_2與其前面的2個水分子簇通過氫鍵作用形成配合物分子S-Lys_2·2H2O(m), 經過渡態TS1_2·2H2O(m), 實現質子從1C向5N的凈遷移, 異構成中間體配合物INT1_2·2H2O(m). 結構分析表明, TS1_2·2H2O(m)七元環結構的氫鍵鍵角均接近平角, 二面角也均接近平角, 因此TS1_2·2H2O(m)構象較穩定, 且該過程的反應活性中心骨架形變較小. 但該過程存在3個較大幅度拉伸斷裂的化學鍵, 因此, TS1_2·2H2O(m)產生的能壘為110.27 kJ/mol. 過渡態TS1_2·2H2O(m)為后過渡態, 該基元反應為3質子協同非同步遷移過程. 由圖7(B)可見, 當3個水分子簇作為質子遷移媒介時,S-Lys_2·3H2O(m)經過渡態TS1_2·3H2O(m), 異構成中間體配合物INT1_2·32H2O(m), 反應能壘為114.29 kJ/mol, 在允許誤差范圍內, 可認為與TS1_2·2H2O(m)產生的能壘110.27 kJ/mol相同.

圖7 水液相環境下S-Lys_2分子旋光異構反應的決速步驟Fig.7 Rate-determining step of optical isomerism reaction of S-Lys_2 molecule in water liquid phase environment

圖8 水液相環境下S-Lys_2分子旋光異構反應決速步驟的Gibbs自由能勢能面Fig.8 Rate-determining step Gibbs free energy potential energy surface of optical isomerism reaction of S-Lys_2 molecule in water liquid phase environment

能壘110.27,114.29 kJ/mol均遠低于質子遷移的極限能壘167.00 kJ/mol[20], 表明水液相環境下Lys_2分子可在水分子簇的催化作用下緩慢地實現旋光異構.

2.2 羥自由基水分子鏈致賴氨酸損傷機理

1個羥自由基和1個水分子構成的鏈作為氫遷移媒介可致賴氨酸損傷, 對S-Lys_1的損傷發生在第三基元反應, 對S-Lys_2的損傷發生在第一基元反應. 反應過程如圖9所示, 反應過程的勢能面如圖10所示.

圖9 水液相環境下水分子與羥自由基鏈致賴氨酸損傷的反應過程Fig.9 Reaction process of lysine damage induced by water molecules and hydroxyl radical chains in water liquid phase environment

圖10 水液相環境下水分子與羥自由基鏈致賴氨酸損傷反應過程的勢能面Fig.10 Potential energy surface of reaction process of lysine damage induced by water molecules and hydroxyl radical chains in water liquid phase environment

2.2.1S-Lys_1的損傷 首先,S-INT2_1與1C和25H右側的水分子和羥自由基通過氫鍵作用形成前驅配合物S-INT2_1·[(OH·)·H2O]. 其次,S-INT2_1·[(OH·)·H2O]經過渡態TS3_1·[(OH·)·H2O], 異構成配合物P_1*·2H2O. 由圖10可見, 該基元反應為無勢壘反應, 由水氣相環境下的能壘為134.12 kJ/mol[5]可知, 水溶劑具有催化作用, 加速了S-Lys_1的損傷. 該基元反應的無勢壘與文獻[8]的能壘為32.62 kJ/mol不同. 由圖9(A)可見, 該基元反應的過渡態為3質子協同非同步的過渡態, 由于考慮了溶劑化對駐點構象的影響, 因此可更好地揭示水液相環境下S-Lys_1的損傷機理. 水液相環境下基元反應為無勢壘反應, 即水溶劑效應使過渡態相對于反應物的能量大幅度降低, 這是由于過渡態遠大于反應物的偶極矩, 在極性水溶劑中被極化, 導致體系能量顯著降低.

2.2.2S-Lys_2的損傷 首先,S-Lys_2與1C和25H右側的水分子和羥自由基通過氫鍵作用形成前驅配合物S-Lys_2·[(OH·)·H2O]. 其次,S-Lys_2·[(OH·)·H2O]經過渡態TS_2·[(OH·)·H2O], 異構成配合物P_2*·2H2O. 由圖10可見, 該基元反應結果為S-Lys_2損傷且反應無勢壘. 表明在考慮溶劑對駐點構象的影響后, 改變了水分子羥自由基鏈與S-Lys_2反應的機理.

2.2.3 IRC計算S-Lys_1和S-Lys_2損傷過程的過渡態連接產物為P_1*·2H2O和P_2*·2H2O, 對過渡態的IRC計算證明了反應過程的可靠性. 水液環境下從過渡態TS3_1·[(OH·)·H2O]到產物P_1*·2H2O的過程如圖11所示, TS_2·[(OH·)·H2O]異構成配合物P_2*·2H2O的過程與此類似, 故略.

由圖11可見: 首先, 質子26H向氧負離子29O遷移； 其次, 在28O—27H的作用下, 12H與5N斷鍵向28O遷移, 在12H向28O遷移的過程中, 26H向29O遷移, 且先遷移至氫氧根29O—25H上, 形成水分子25H—29O—26H； 然后, 12H遷移至氫氧根28O—27H上, 形成水分子12H—28O—27H； 最后得到穩定損傷配合物P_1*·2H2O.

由圖10可見, 該基元反應放熱328.06 kJ/mol, 產物P_1*·2H2O非常穩定. 這是由于5N,1C,8C,10O和9O形成5中心大π鍵, 且配合物P_1*·2H2O的水分子間以及水分子和P_1*存在較強的分子間氫鍵所致.SLys_2·[(OH·)·H2O]到P_2*·2H2O的基元反應放熱323.12 kJ/mol, 產物P_2*·2H2O也非常穩定.

圖11 水液相環境下由過渡態TS3_1·[(OH·)·H2O]到產物P_1*·2H2O的過程Fig.11 Process from transition state TS3_1·[(OH·)·H2O] to product P_1*·2H2O in water liquid phase environment

3 結 論

綜上, 本文可得如下結論：

1) 在水液相環境下,S-Lys_1和S-Lys_2的旋光異構分別經6個和2個基元反應, 決速步驟分別為第三和第一基元反應. 當2個和3個水分子簇作為氫遷移媒介時,S-Lys_1旋光異構決速步驟的Gibbs自由能壘分別為116.02,112.71 kJ/mol,S-Lys_2旋光異構決速步驟的Gibbs自由能壘分別為110.27,114.29 kJ/mol. 在水液相環境下, 賴氨酸分子可緩慢地旋光異構.

2) 當羥自由基與水分子鏈作為氫遷移媒介時, 羥自由基抽氫致S-Lys_1和S-Lys_2損傷的Gibbs自由能壘分別為-53.06,-56.05 kJ/mol, 均為無勢壘反應, 羥自由基與水分子組合可致賴氨酸迅速損傷.