水環境下氫氧根水分子簇催化纈氨酸旋光異構及羥自由基致其損傷機理

張 新, 佟 華, 閆紅彥, 王佐成, 楊曉翠

(1. 白城師范學院 物理與電子信息學院, 吉林 白城 137000； 2. 白城師范學院 計算機科學學院, 吉林 白城 137000)

纈氨酸(Val)是生命體內必需的氨基酸, 根據構象和旋光性的不同, 分為左纈氨酸(S-Val)和右纈氨酸(R-Val).S-Val具有活性, 能促進機體發育、 協調神經系統, 可用于動物飼料添加劑[1].R-Val用于合成氯氟戊菊酯[2]、 生化研究及抑制纖維細胞生長[3], 作為手性藥物原料, 可用于合成抗腫瘤藥物[4].

Val分子旋光異構目前已引起人們廣泛關注. 文獻[2]研究表明, 醛催化下S-Val可在羧酸中旋光異構; 文獻[5-6]研究表明, 高濃度的質子易使Val分子消旋; 文獻[7-8]研究表明, Val分子旋光異構裸反應有4個通道,α-H以氨基N為橋遷移是優勢通道, 水分子簇對質子轉移反應有較好的催化作用; 文獻[9]研究表明, 激發態的α-H以羰基氧或氨基氮為橋遷移, 實現了S-Val旋光異構； 文獻[10]研究表明, 以氨基氮為質子遷移橋梁的旋光異構具有優勢, 水溶劑環境下水分子簇的催化, 使優勢通道的決速步驟能壘降為113.24 kJ/mol. 在優勢通道中, 羥自由基水分子簇致纈氨酸損傷的能壘為25.34 kJ/mol, 水溶劑效應使損傷能壘提升至83.81 kJ/mol， 表明生命體內纈氨酸可緩慢地實現旋光異構, 羥自由基的存在可致其損傷.

水是重要的溶劑, 大氣中富含水蒸氣且存在氫氧根, 生命體也是富水環境并存在羥自由基和氫氧根[11], 當氨基與羧基間為分子內單氫鍵和雙氫鍵時, 氨基酸分子構象穩定[12]. 基于此, 本文研究水環境下(氣相和液相), 具有氨基和羧基間單氫鍵和雙氫鍵的Val在氫氧根水分子簇作用下的旋光異構, 以及羥自由基在新的通道致Val損傷機理.

1 計算方法

在B3LYP[13]/6-31+G(d,p)水平優化水環境下氫氧根水分子簇催化纈氨酸旋光異構及羥自由基致其損傷反應的水氣相駐點結構, 計算溶劑化構象時, 將水視為連續介質, 采用自洽反應場(SCRF)理論的SMD模型方法[14]. 通過對過渡態[15]進行內稟反應坐標(IRC)[16]計算, 驗證其為連接所期望的局域極小點. 采用微擾理論的MP2方法[17], 在MP2/6-311++G(2df,pd)水平, 計算高水平反應過程體系的單點能. 利用

Gtotal=ESP+Gtc

計算總自由能, 并繪制反應過程的勢能面, 其中ESP和Gtc分別為單點能和Gibbs自由能熱校正值. 水溶劑環境下,S型Val分子的構型1與其前面/后面的氫氧根水分子簇通過氫鍵作用形成的氫鍵配合物, 記作S-Val_1·[(OH-)·H2O(m/n)]@water(m和n分別表示氫氧根水分子簇在Val分子的前面/后面與其配合), 其他體系表示法類似. 計算均由Gaussian09[18]程序完成.

2 結果與討論

具有氨基和羧基間分子內單氫鍵及雙氫鍵的Val分子手性對映異構體的幾何構象如圖1所示. 計算結果表明,S-Val_1和S-Val_2的單點能分別為-401.605 78,-401.605 51 a.u.,S-Val_1比S-Val_2略穩定. 研究表明,S-Val的旋光異構可在通道a和b實現: 通道a為氫氧根水分子簇與α-H和氨基通過氫鍵作用形成底物, 氫氧根抽取α-H； 通道b為氫氧根水分子簇與α-H和羰基O通過氫鍵作用形成底物, 氫氧根抽取α-H; 在通道a和b中均可實現羥自由基致S-Val損傷, 水溶劑對其影響較小.

圖1 S型和R型纈氨酸分子的幾何構象Fig.1 Geometric conformation of S-type and R-type of valine molecules

2.1 氫氧根水分子簇催化Val_1旋光異構

2.1.1 通道a內的旋光異構 氫氧根水分子簇催化Val_1在通道a旋光異構的反應過程如圖2～圖4所示, 反應過程的Gibbs自由能勢能面如圖5所示. 對于非氫遷移過程第一、 二、 五、 六基元, 水溶劑對駐點構象影響較小, 因此僅給出氣相的構象, 反應機理見文獻[10], 本文僅討論第三和第四基元反應.

圖2 氫氧根水分子簇催化S-Val_1在通道a旋光異構的第一、 二基元反應Fig.2 Elementary reactions of the 1st, 2nd of optical isomerism of hydroxyl water clusters catalyzed S-Val_1 in channel a

圖3 氫氧根水分子簇催化S-Val_1在通道a旋光異構的第三、 四基元反應Fig.3 Elementary reactions of the 3rd, 4th of optical isomerism of hydroxyl water clusters catalyzed S-Val_1 in channel a

1) 經第一基元反應,S-Val_1異構成a_S-INT1_1, 羧基從反式平面結構變為順式平面結構, a_S-INT1_1與正面的氫氧根水分子簇形成氫鍵無空間位阻.

2) a_S-INT1_1經第二基元反應, 異構成略穩定的中間體a_S-INT2_1.

3) 第三基元. 氫氧根水分子簇在20H和5H的前面與S-INT2_1通過氫鍵作用形成配合物a_S-INT2_1·[(OH-)·H2O(m)], 經過渡態配合物a_TS3_1·[(OH-)·H2O(m)], 實現20H從α-C向氫氧根24O—21H的遷移, 形成產物配合物a_INT3_1·2H2O(m). 該基元反應氫氧根抽取α-H形成水分子, 水分子19H—23O—22H未參與反應, 僅具有穩定氫氧根空間位置的作用.

a_TS3_1·[(OH-)·H2O(m)]七元環結構的氫鍵鍵角1C…20H…24O，24O…22H—23O和23O…5H—3N分別為169.89°,173.04°,155.88°, 接近平角, 水分子和氫氧根形成較強氫鍵, 因此a_TS3_1·[(OH-)·H2O(m)]較穩定. 該過程中23O—22H從0.113 4 nm縮小至0.100 8 nm, 釋放少許能量； 反應活性中心骨架二面角3N-1C-2C-6C由128.17°變為136.67°, 形變微小; 1C—3N從0.147 4 nm縮小至0.147 2 nm, 釋放少許能量. 1C—20H從0.111 7 nm增加至0.138 2 nm, 與文獻[10]結果相比, 其拉伸幅度減小, 且僅有一個化學鍵拉伸, 所需能量大幅度減小. 因此, a_TS3_1·[(OH-)·H2O(m)]產生的能壘較低, 僅為11.45 kJ/mol.

圖4 氫氧根水分子簇催化S-Val_1在通道a旋光異構的第五、 六基元反應Fig.4 Elementary reactions of the 5th, 6th of optical isomerism of hydroxyl water clusters catalyzed S-Val_1 in channel a

圖5 氫氧根水分子簇催化Val_1旋光異構反應的Gibbs自由能勢能面Fig.5 Gibbs free energy potential energy surface of optical isomerism reaction of Val_1 catalyzed by hydroxyl water clusters

結構分析表明, a_INT3_1·2H2O(m)的水分子間以及水分子和氨基間為強氫鍵, 水分子和α-C也形成氫鍵, a_INT3_1的3N-1C-6C-7O-8O形成離域的大π鍵, 因此a_INT3_1·2H2O(m)較穩定. 但由于α-C為sp2雜化, 非滿配, 因此在勢能面上a_INT3_1·2H2O(m)處于比a_S-INT2_1·[(OH-)·H2O(m)]略高的位置. a_INT3_1的α-C失去手性, 導致纈氨酸損傷, 即經過該基元反應后S-Val_1損傷.

水溶劑化效應使該基元反應能壘升高至60.57 kJ/mol. 能壘大幅度提升的原因為： ① 在水液相環境下, 反應活性中心骨架二面角3N-1C-2C-6C由129.65°變為139.07°, 1C—3N從0.146 4 nm拉伸至0.148 0 nm, 骨架形變增大； ② 1C…20H從0.109 6 nm增至0.143 4 nm, 拉伸幅度增加； ③ a_S-INT2_1·[(OH-)·H2O(m)]的偶極矩(6.182 6)大于a_TS3_1·[(OH-)·H2O(m)]的偶極矩(3.647 6), 在極性溶劑水中, a_S-INT2_1·[(OH-)·H2O(m)]比a_TS3_1·[(OH-)·H2O(m)]體系能量降低的程度大. 由于a_INT3_1·2H2O(m)的偶極矩(2.513 3)小于a_S-INT2_1·[(OH-)·H2O(m)]的偶極矩(6.182 6), 因此在極性溶劑水中， a_INT3_1·2H2O(m)比a_S-INT2_1·[(OH-)·H2O(m)]能量降低的程度小.

4) 第四基元為第三基元的逆反應, 2個水分子簇在a_INT3_1的后面與3N和1C通過氫鍵作用形成配合物a_INT3_1·2H2O(n), 經過渡態a_TS4_1·[(OH-)·H2O(n)], 實現20H從水分子20H…24O…21H向α-C的遷移, 形成產物配合物a_R-INT4_1·[(OH-)·H2O(n)]. 在該基元反應中, 水分子19H—23O—22H未參與反應, 起到穩定另一個水分子20H—24O—21H空間位置的作用, 為α-C抽取20H—24O—21H上的質子20H創造了條件. 從a_INT3_1·2H2O(n)到a_TS4_1·[(OH-)·H2O(n)]過程, 24O—20H從0.100 7 nm增加至0.125 7 nm, 拉伸幅度為0.025 0 nm, 小于第三基元的反應物至過渡態1C…20H的增幅0.026 5 nm, 因此, a_TS4_1·[(OH-)·H2O(n)]小于a_TS3_1·[(OH-)·H2O(n)]產生的能壘, 僅為10.53 kJ/mol.

結構分析表明, a_R-INT4_1·[(OH-)·H2O(n)]具有兩個分子間強氫鍵和一個分子間弱氫鍵, 且其α-C為sp3雜化, 處于滿配狀態, 使a_R-INT4_1·[(OH-)·H2O(n)]比a_INT3_1·2H2O(n)處于勢能面略低的位置. 水溶劑化效應使該基元反應的能壘升高至28.57 kJ/mol, a_R-INT4_1·[(OH-)·H2O(n)]@water相對于a_INT3_1·2H2O(n)@water的能量大幅度降低, 原因與第三基元反應類似.

經第三、 四基元反應, 完成了α-H從紙面外向紙面內的凈遷移,S-INT2_1實現了旋光異構, 即S-Val_1實現了旋光異構.

5) a_R-INT4_1經第五、 六基元反應異構成更穩定的產物a_R-Val_1, 結構分析表明, a_R-Val_1為S-Val_1的手性對映體.

2.1.2 通道b內的旋光異構 氫氧根水分子簇催化Val_1在通道b的旋光異構反應過程如圖6所示, 反應過程的Gibbs自由能勢能面如圖5所示. 本文僅討論水液相環境下的反應機理.

圖6 氫氧根水分子簇催化S-Val_1在通道b的旋光異構Fig.6 Optical isomerism of hydroxyl water clusters catalyzed S-Val_1 in channel b

1) 第一基元. 氫氧根水分子簇在S-Val_1的前面與20H和8O通過氫鍵作用形成前驅配合物b_S-Val_1·[(OH-)·H2O(m)]@water, 前驅配合物經過渡態配合物b_TS1_1·[(OH-)·H2O(m)]@water, 形成中間體產物配合物b_INT1_1·2H2O(m)@water, 氫氧根抽取α-H形成水分子. 該基元反應與通道a的第三基元反應相似, 水分子19H—23O—22H未參與反應, 僅起到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條氫鍵均較強, 其結構穩定； 從b_S-Val_1·[(OH-)·H2O(m)]@water到b_TS1_1·[(OH-)·H2O(m)]@water過程, 反應活性中心骨架二面角3N-1C-2C-6C由123.88°變為135.38°, 1C—3N鍵長從0.147 6 nm縮小至0.147 4 nm, 骨架形變較小, b_TS1_1·[(OH-)·H2O(m)]@water產生的能壘較低. 但1C…20H從0.109 6 nm拉伸至0.143 6 nm, 需要一定的能量, 因此b_TS1_1·[(OH-)·H2O(m)]@water產生了56.76 kJ/mol的能壘. 結構分析表明, b_INT1_1·2H2O(m)@water具有水分子間及水分子與b_INT1_1間的強氫鍵, 并具有水分子與b_INT1_1間的弱氫鍵, 因此b_INT1_1·2H2O(m)@water為較穩定的中間體配合物.

2) 第二基元. 2個水分子簇在b_INT1_1的后面與α-C和羰基O通過氫鍵作用, 形成中間體反應配合物b_INT1_1·2H2O(n)@water, 經過渡態配合物b_TS2_1·[(OH-)·H2O(n)]@water, b_INT1_1·2H2O(n)@water的b_INT1_1抽取水分子20H—24O—21H上的質子20H, 形成產物配合物b_R-Val_1·[(OH-)·H2O(n)]@water. 從b_INT1_1·2H2O(n)@water到b_TS2_1·[(OH-)·H2O(m)]@water過程, 1C—3N鍵長從0.145 9 nm拉伸至0.147 4 nm, 24O…20H鍵長從0.098 9 nm拉伸至0.121 2 nm, 幅度較小. 反應活性中心骨架二面角3N-1C-2C-6C由163.19°變為135.38°,α-C從sp2雜化(空配狀態)向sp3雜化(滿配狀態)過渡, 是放熱過程. 因此, b_TS2_1·[(OH-)·H2O(n)]@water低于b_TS1_1·[(OH-)·H2O(m)]@water產生的能壘, 僅為18.67 kJ/mol.

經第一、 二基元反應,α-H在氫氧根水分子簇與2個水分子簇的作用下, 實現了從紙面外向紙面內的凈遷移,S-Val_1在通道b實現了旋光異構, 即S-Val_1在通道b實現了手性對映體轉變.

由圖5可見, 在水液相環境下, 氫氧根水分子簇催化Val_1旋光異構反應的優勢通道為通道b, 決速步驟能壘為56.76 kJ/mol, 通道a的決速步驟能壘為60.57 kJ/mol. 這兩個能壘均遠小于水分子簇催化Val_1在這兩個通道中旋光異構的決速步驟能壘110.61,156.43 kJ/mol, 表明氫氧根水分子簇對Val_1旋光異構反應的催化作用明顯優于水分子簇, 尤其在通道b中氫氧根水分子簇顯示了極好的催化作用. 56.76,60.57 kJ/mol均小于質子遷移溫和反應能壘84.00 kJ/mol[19], 因此, 當生命體內存在大量氫氧根時, Val_1會較快地旋光異構, 嚴重影響健康. 水氣相環境下,S-Val_1在通道a旋光異構的決速步驟為第一基元反應, 能壘為50.36 kJ/mol, 由于該通道的正反應和逆反應能壘均較低, 因此通道a中反應物、 損傷產物、 旋光異構產物及其他中間體可平衡共存.

2.2 氫氧根水分子簇催化Val_2旋光異構

1) 通道a. 氫氧根水分子簇催化Val_2在通道a旋光異構反應過程如圖7(A)所示, 反應勢能面如圖8所示. 其機理與Val_1在通道a旋光異構過程的第三、 四基元反應相似, 即在羥自由基水分子簇與2個水分子簇的作用下,α-H實現從紙面外向紙面內的凈遷移, 故略.

由圖8可見, 決速步驟為第一基元反應, 水氣相環境的決速步能壘為9.24 kJ/mol, 水液相環境下該能壘升高至65.24 kJ/mol, 表明水溶劑對該反應的阻礙作用較大. 水氣相環境下第一、 二基元逆反應能壘分別為5.17,9.24 kJ/mol, 容易越過, 反應物、 中間體和產物共存. INT1_2的α-C失去手性, INT1_2已損傷的Val_2.

圖7 氫氧根水分子簇催化S-Val_2的旋光異構過程Fig.7 Optical isomerism of hydroxyl water clusters catalyzed S-Val_2

圖8 通道a氫氧根水分子簇催化Val_2旋光異構反應的Gibbs自由能勢能面Fig.8 Gibbs free energy potential energy surface of optical isomerism reaction of Val_2 catalyzed by hydroxyl water clusters in channel a

水氣相環境的決速步驟能壘為9.24 kJ/mol， 遠低于質子遷移溫和反應能壘84.00 kJ/mol, 表明水汽環境下, Val_2會迅速損傷和消旋. 水液相環境下的決速步驟能壘65.24 kJ/mol也低于質子遷移溫和反應的能壘84.00 kJ/mol[19], 表明Val_2在生命體內水環境下也會較快地消旋.

2) 通道b. 水液相環境下氫氧根水分子簇催化Val_2在通道b的旋光異構反應過程如圖7(B)所示， 反應勢能面如圖8所示. 首先， 第一基元反應, 水分子簇作為氫遷移媒介, 10H從9O遷移至8O, 形成中間體b_S-INT1_2, 反應能壘為34.97 kJ/mol[11]. 其次， 第二基元反應(相似于Val_1在通道b旋光異構的第一基元), 氫氧根水分子簇與b_S-INT1_2的α-H及新羰基氧9O通過氫鍵作用形成的配合物b_S-INT1_2·[(OH-)·H2O(m)]@water, 經過渡態b_TS2_2·[(OH-)·H2O(m)]@water, 氫氧根抽取α-H, 形成b_INT2_2·2H2O(m)@water, 該基元反應為決速步驟, 能壘為64.11 kJ/mol. 最后， 第三基元反應為α-C在另一側抽取水分子的質子, Val_2在通道b完成旋光異構, 相似于Val_1在通道b旋光異構的第二基元反應, 故略.

2.3 在通道b中羥自由基水分子簇致Val損傷

1) Val_1. 羥自由基水分子簇致Val_1在通道b損傷的反應過程如圖9(A)所示, 反應勢能面如圖10所示.

圖9 羥自由基水分子簇致Val在通道b的損傷過程Fig.9 Damage process of Val induced by water clusters of hydroxy radicals in channel b

圖10 羥自由基水分子簇致Val在通道b損傷反應的Gibbs自由能勢能面Fig.10 Gibbs free energy potential energy surface of Val damage induced by water clusters of hydroxy radicals in channel b

首先， 羥自由基水分子簇在S-Val_1的前面, 通過與20H和8O的氫鍵作用形成前驅配合物b_S-Val_1·[(HO·)·H2O(m)]. 其次， 經過渡態配合物b_TS1_1·[(HO·)·H2O(m)], 羥自由基抽取Val_1的α-H形成水分子, 得至產物配合物b_P*_1·2H2O(m)(*表示產物為損傷的氨基酸, 下同). b_P*_1的α-C失去手性, 即P*_1是已損傷的Val_1產物. 該基元反應與通道a的第三基元反應相似, 水分子19H—23O—22H未參與反應, 僅起到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條氫鍵均較強, 其結構穩定； 從b_S-Val_1·[(HO·)·H2O(m)]到b_TS1_1·[(HO·)·H2O(m)]過程, 反應活性中心骨架二面角3N-1C-2C-6C由123.62°變為124.43°, 骨架基本未形變, 1C—3N鍵長從0.147 7 nm縮小至0.145 8 nm, 釋放能量, 1C…20H鍵長從0.109 7 nm拉伸至0.114 7 nm, 幅度較小, 所需能量低. 因此, b_TS1_1·[(HO·)·H2O(m)]產生的能壘較低, 僅為25.63 kJ/mol. 結構分析表明, b_P*_1·2H2O(m)具有3條較強的分子間強氫鍵及1條分子內單氫鍵, 骨架原子3N,1C,6C,7O,8O形成五中心離域大π鍵. 因此, b_P*_1·2H2O(m)結構穩定.

水溶劑化計算表明, 水溶劑效應使損傷能壘升至26.91 kJ/mol, 但損傷產物配合物變得更穩定了, 水溶劑效應對羥自由基的水分子簇致Val_1在通道b的損傷僅有微弱的阻礙作用, 可忽略.

2) Val_2. Val_2在通道b損傷的反應過程如圖9(B)所示, 反應勢能面如圖10所示. 羥自由基水分子簇與b_S-INT1_2的α-H及新羰基9O通過氫鍵作用形成配合物b_S-INT1_2·[(HO·)·H2O(m)], 經過渡態b_TS2_2·[(HO·)·H2O(m)], 羥自由基抽取α-H, 形成b_P*_2·2H2O(m). 機理與Val_1在通道b的損傷相似, 故略. 計算表明, 水氣相環境下的損傷能壘為27.15 kJ/mol, 水溶劑效應使該能壘降至26.23 kJ/mol, 水溶劑僅起微弱的助催化作用.

3 結 論

綜上, 本文可得如下結論：

1) 纈氨酸的旋光異構可在2個通道a和b實現, 通道a為氫氧根水分子簇與α-H和氨基通過氫鍵作用形成底物, 氫氧根抽取α-H后,α-C在另一側抽取水分子的H； 通道b為氫氧根水分子簇與α-H和羰基通過氫鍵作用形成底物, 氫氧根抽取α-H后,α-C在另一側抽取水分子的H. 在通道b中, 水分子輔助羥自由基抽取α-H可致纈氨酸損傷.

2) 水液相環境下, 構象Val_1旋光異構的主反應通道為通道b, 決速步驟能壘為56.76 kJ/mol； 構象Val_2在兩個通道a和b旋光異構的能壘分別為65.24,64.11 kJ/mol. 表明生命體內的氫氧根會導致纈氨酸較快地旋光異構, 且Val_1的旋光異構具有優勢.

3) 水氣相環境下, Val_1和Val_2在通道b的損傷能壘分別為25.63,27.15 kJ/mol, 水溶劑效應對損傷能壘影響較小, 表明生命體內的羥自由基會導致纈氨酸較快地損傷.