水液相环境下赖氨酸旋光异构及羟自由基致其损伤的机理

佟 华, 佟海霞, 刘红艳, 张雪婷, 孙秀莲, 张金猛, 王佐成, 杨晓翠

(白城师范学院 物理与电子信息学院, 吉林 白城 137000)

赖氨酸(lysine, Lys)是生命体内重要的氨基酸, 根据旋光性的不同, 可分为左旋赖氨酸(S-Lys)和右旋赖氨酸(R-Lys)两种异构体.S-Lys在生命体内是优构体, 具有活性;R-Lys是劣构体, 无活性.S-Lys对改善免疫系统、 促进钙吸收以及降低甘油三酯等具有重要作用;R-Lys主要用于生物化学研究. 文献[1]研究了S-Lys分子在水液相环境下的构象； 文献[2]研究了S-Lys分子与糖Maillard反应产物的理化特性及抗氧化活性; 文献[3-8]分别研究了裸环境、 水气相环境、 MOR分子筛以及扶椅型单壁碳纳米管限域环境下Lys的手性转变机理. 研究表明, 以氨基氮为氢迁移媒介旋光异构的反应通道具有绝对优势, 构象1和构象2两种Lys分子裸反应优势通道的决速步骤Gibbs自由能垒分别为259.90,252.60 kJ/mol； MOR分子筛十二元环孔道的限域催化作用, 使优势通道的决速步骤自由能垒降至229.78 kJ/mol； 在SWCNT(5,5)内, 该能垒降至192.81 kJ/mol； 2个水分子簇使该能垒降至123.9 kJ/mol.

文献[9]研究表明, 氨基酸的羟基与氨基间为分子内单氢键和双氢键时氨基酸分子构型最稳定. 水溶剂在有机反应中具有重要作用, 可改变反应机理, 生命体是富水环境, 并含有少量对生物体危害极大的羟自由基[10-11]. 基于此, 本文研究水液相环境下具有氨基与羧基间单氢键和双氢键的两种Lys分子, 基于氨基作为质子转移桥梁的旋光异构及羟自由基致其损伤的机理.

1 计算方法

采用自洽反应场(SCRF)理论的SMD模型方法[12], 在B3LYP/6-31+G(d,p)水平[13]下优化水液相环境下赖氨酸旋光异构反应的驻点结构. 通过对过渡态[14]进行内禀反应坐标(IRC)[15]计算, 验证其连接所期望的局域极小点. 为计算高水平的反应过程势能面, 采用微扰理论的MP2方法[16], 在MP2/6-311++G(2df,pd)水平下计算体系的单点能. 利用

Gtotal=ESP+Gtc

计算总自由能, 并绘制反应过程的自由能势能面. 其中ESP和Gtc分别为高水平的单点能和Gibbs自由能热校正.S型Lys分子与2个水分子簇通过氢键作用形成的氢键配合物, 记作S-Lys·2H2O, 其他体系表示法类似. 计算均由Gaussian09程序[17]完成.

2 结果与讨论

2.1 赖氨酸分子旋光异构机理

在水液相环境下, 具有氨基和羧基间单氢键及双氢键的Lys分子手性对映体的几何构象如图1所示. 由图1可见, 实现Lys分子从S型向R型的构象转变, 即为实现质子12H从手性C(1C)的外侧向里侧迁移.

2.1.1S-Lys_1分子旋光异构反应机理 水液相环境下S-Lys_1的旋光异构为羧基异构与质子迁移的分步机理, 反应过程分别如图2～图5所示, 反应过程的Gibbs自由能势能面如图6所示.

1) 羧基异构. 反应物S-Lys_1经过渡态S-TS1_1, 羟基的11H绕8C—9O键旋转至羧基内侧, 二面角11H-9O-8C-10O由-179.57°变为-0.21°, 异构成第一中间体S-INT1_1, 实现羧基从反式结构向顺式结构的异构. 由于S-Lys_1到S-TS1_1过程仅二面角异构且无断键, 因此S-TS1_1产生的能垒仅为53.59 kJ/mol.

2) 氨基异构. 中间体S-INT1_1经氨基2个质子左右翻转的过渡态S-TS2_1, 异构成第二中间体S-INT2_1.S-INT2_1前面的空间相对较大, 为水分子簇在其前面与其形成氢键创造了条件. 从S-INT1_1到S-TS2_1, 仅二面角6H-5N-1C-8C由-169.51°变为-85.76°,S-TS2_1产生的能垒仅为15.31 kJ/mol.S-INT2_1具有氨基和羧基间两条弱氢键, 构象比S-INT1_1略稳定.

图1 水液相环境下S型和R型赖氨酸分子的几何构象Fig.1 Geometric conformation of S-type and R-type lysine molecule in water liquid phase environment

图2 S-Lys_1旋光异构过程中的羧基异构与氨基异构Fig.2 Carboxyl isomerism and amino isomerism of S-Lys_1 in process of optical isomerism

图3 S-INT2_1的12H以水分子簇为媒介向5N的迁移过程Fig.3 Migration process of 12H of S-INT2_1 to 5N with water cluster as medium

图4 INT3_1的质子以水分子簇为媒介向1C的迁移过程Fig.4 Migration process of proton of INT3_1 to 1C with water cluster as medium

图5 R-INT4_1形成分子内单氢键的过程Fig.5 Forming intramole cular hydrogen bond process of R-INT4_1

图6 水液相环境下S-Lys_1分子旋光异构反应的Gibbs自由能势能面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以水分子簇为媒介向氨基N(5N)迁移. 当2个和3个水分子簇作为质子迁移媒介时, 氨基酸内质子从1C向5N迁移能垒降低的幅度远大于1个水分子作质子迁移媒介的情形[18-19], 因此本文仅讨论2个和3个水分子簇作为质子迁移媒介的情形.

① 2个水分子簇作为质子迁移媒介.S-INT2_1与5N和25H前面的2个水分子簇通过氢键作用形成的前驱配合物S-INT2_1·2H2O(m)(m表示水分子簇在前面与底物配合), 经过渡态TS3_1·2H2O(m), 实现质子从1C向5N的净迁移, 异构成氨基质子化的中间体配合物INT3_1·2H2O(m). 过渡态TS3_1·2H2O(m)七元环结构的氢键键角30O…25H…1C,29O—26H…30O,5N—12H…29O分别为173.44°,167.37°,162.45°, 3个氢键均较强； 二面角26H-29O-12H-5N,30O-26H-29O-12H和1C-25H-30O-26H分别为-25.27°,-3.94°,3.67°, 因此TS3_1·2H2O(m)构象较稳定. 从S-INT2_1·2H2O(m)到TS3_1·2H2O(m)过程, 反应活性中心骨架二面角5N-1C-3C-8C由126.88°变为129.72°, 1C—5N的键长由0.147 0 nm增至0.151 4 nm, 骨架形变微小. 但该过程中1C—25H,30O—26H和29O—12H的键长分别由0.109 5,0.098 7,0.100 3 nm增至0.138 3,0.166 4,0.191 9 nm, 3个化学键较大幅度的拉伸均需一定的能量. TS3_1·2H2O(m)产生的能垒为116.02 kJ/mol, 远低于裸反应能垒259.90 kJ/mol和水气相环境下的能垒145.80 kJ/mol[8]. 表明2个水分子簇与水溶剂的助催化共同作用, 使反应能垒大幅度降低. 该过渡态的26H—29O和12H—5N已基本成键, 其靠近产物为后过渡态, 该基元反应为3质子协同的非同步迁移过程, 与水气相环境下3质子协同同步迁移[8]的情形不同. 结构分析表明, INT3_1·2H2O(m)的5N-1C-8C-10O-9O基本共面, 形成5中心大π键, 水分子间以及水分子和质子化氨基间形成较强的氢键, 水分子与1C间形成中等强度的氢键, 因此, INT3_1·2H2O(m)为稍稳定的中间体配合物. 但由于INT3_1·2H2O(m)的1C是sp2杂化, 为非满配状态, 其质子化氨基又不稳定, 因此其寿命较短.

② 3个水分子簇作为质子迁移媒介. 与2个水分子簇作为质子迁移媒介的情形类似,S-INT2_1·3H2O(m)经过渡态TS3_1·3H2O(m), 实现质子由1C向5N的净迁移, 异构成氨基质子化的中间体配合物INT3_1·2H2O(m). 九元环结构过渡态TS3_1·3H2O(m)的氢键键角1C…25H…26O,26O…33H—31O,31O…28H—29O,28H—29O…5N分别为176.97°,175.94°,173.75°,169.99°, 3个氢键均较强, 使TS3_1·3H2O(m)的稳定性较好. 但二面角1C-25H-26O-33H,26O-33H-31O-28H,31O-28H-29O-12H,28H-29O-12H-5N分别为-55.91°,8.87°,-11.48°,95.76°, 构象稳定性较差. TS3_1·3H2O(m)与TS3_1·2H2O(m)产生的能垒相近. 结构分析表明, 从S-INT2_1·3H2O(m)到TS3_1·3H2O(m)过程, 反应活性中心骨架二面角的变化以及化学键的拉伸断裂情形与从S-INT2_1·2H2O(m)到TS3_1·2H2O(m)过程类似, 故略. TS3_1·3H2O(m)产生了112.71 kJ/mol的能垒, 在允许误差范围内, 可认为与TS3_1·2H2O(m)产生的能垒116.02 kJ/mol相同. 表明3个水分子簇的催化不比2个水分子簇的催化更具优势. 过渡态TS3_1·3H2O(m)为后过渡态, 该基元反应为4质子协同非同步迁移过程.

4) INT3_1·2H2O(n)(n表示水分子簇在后面与底物配合)与INT3_1·3H2O(n)的分子间氢键解离. INT3_1在其后面的水分子簇作用下, 实现24H在纸面里由质子化氨基向1C迁移, 完成旋光异构. 该基元反应仅讨论2个和3个水分子簇作为质子迁移媒介的情形.

① 2个水分子簇作为质子迁移媒介. INT3_1·2H2O(n)经过渡态TS4_1·2H2O(n), 实现质子从5N向1C的净迁移, 异构成中间体R-INT4·2H2O(n), 完成旋光异构. 过渡态TS4_1·2H2O(n)七元环结构的氢键角1C…26H…29O,29O…28H—25O,25O…24H—5N分别为169.29°,167.07°,157.08°； 二面角1C-26H-29O-28H,29O-28H-25O-24H,28H-25O-24H-5N分别为26.33°,-2.48°,15.94°, 因该过渡态a_TS3·2H2O(n)较稳定. 从INT3_1·2H2O(n)到TS4_1·2H2O(n)过程, 5N—24H,25O—28H,29O—26H的键长分别由0.103 9,0.098 5,0.098 6 nm增至0.104 1,0.100 4,0.125 3 nm, 键长增幅远小于从S-INT2·2H2O(m)到TS3·2H2O(m)的过程； 该过程中1C从sp2杂化变为准sp3杂化, 由非满配态向准满配状态过渡, 活性中心骨架的形变会放热, 因此TS4·2H2O(n)产生的能垒仅为22.34 kJ/mol. 过渡态TS4_1·2H2O(n)的5N—24H和25O—28H未断裂, 为成键状态, 靠近反应物, 为前过渡态, 该基元反应为3质子协同非同步迁移过程.R-INT4·2H2O(n)中的1C为sp3杂化, 处于满配状态, 且R-INT4·2H2O(n)存在氨基和羧基间较弱的分子间氢键、 2个较强的分子间氢键和1个较弱的分子间氢键, 因此其构象较稳定.

② 3个水分子簇作为质子迁移媒介. INT3_1·3H2O(n)经过渡态TS4_1·3H2O(n), 实现质子从5N向1C净迁移, 异构成较稳定的中间体配合物R-INT4·3H2O(n). 该基元反应与前面讨论的2个水分子簇作为质子迁移媒介的情形类似, 反应能垒为19.11 kJ/mol, 故略.

5)R-INT4·3H2O(n)的分子间氢键解离.R-INT4经与S-TS2_1相似的过渡态R-TS5_1, 实现11H和6H由右向左的翻转异构, 异构成第五中间体R-INT5, 能垒为23.55 kJ/mol. 最后,R-INT5再经与S-TS1_1相似的过渡态R-TS6_1, 实现羧基的顺反异构, 异构成最终产物P_R-Lys_1, 能垒为39.27 kJ/mol. P_R-Lys_1具有氨基和羧基间较强的分子内单氢键, 构象更稳定.

由图6可见：S-Lys_1分子旋光异构的决速步骤为第三基元反应, 2个和3个水分子簇作为氢迁移媒介时的决速步骤能垒分别为116.02,112.71 kJ/mol, 来源于质子由手性C向氨基N迁移的过渡态. 这两个能垒远低于质子迁移的极限能垒167.00 kJ/mol[20], 且远高于质子迁移的温和反应能垒84.02 kJ/mol[20], 表明水液相环境下, 水分子簇的催化可使Lys_1分子缓慢地实现旋光异构. 第五和第六基元正负反应的能垒均较低, 表明R-INT4_1,R-INT5_1与P_R-Lys_1可共存, 其中P_R-Lys_1处于势能面较低的位置, 其含量远高于R-INT4_1和R-INT5_1.

2.1.2S-Lys_2分子旋光异构过程的决速步骤基元反应机理S-Lys_2旋光异构过程由2个相似准对称的基元反应构成, 第一基元反应为决速步骤, 且反应机理与S-Lys_1旋光异构的第三基元反应相似, 因此仅讨论决速步骤反应过程.

S-Lys_2旋光异构决速步骤的反应过程如图7所示, 反应过程的Gibbs自由能势能剖面如图8所示. 由图7(A)可见, 当2个水分子簇作为质子迁移媒介时,S-Lys_2与其前面的2个水分子簇通过氢键作用形成配合物分子S-Lys_2·2H2O(m), 经过渡态TS1_2·2H2O(m), 实现质子从1C向5N的净迁移, 异构成中间体配合物INT1_2·2H2O(m). 结构分析表明, TS1_2·2H2O(m)七元环结构的氢键键角均接近平角, 二面角也均接近平角, 因此TS1_2·2H2O(m)构象较稳定, 且该过程的反应活性中心骨架形变较小. 但该过程存在3个较大幅度拉伸断裂的化学键, 因此, TS1_2·2H2O(m)产生的能垒为110.27 kJ/mol. 过渡态TS1_2·2H2O(m)为后过渡态, 该基元反应为3质子协同非同步迁移过程. 由图7(B)可见, 当3个水分子簇作为质子迁移媒介时,S-Lys_2·3H2O(m)经过渡态TS1_2·3H2O(m), 异构成中间体配合物INT1_2·32H2O(m), 反应能垒为114.29 kJ/mol, 在允许误差范围内, 可认为与TS1_2·2H2O(m)产生的能垒110.27 kJ/mol相同.

图7 水液相环境下S-Lys_2分子旋光异构反应的决速步骤Fig.7 Rate-determining step of optical isomerism reaction of S-Lys_2 molecule in water liquid phase environment

图8 水液相环境下S-Lys_2分子旋光异构反应决速步骤的Gibbs自由能势能面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

能垒110.27,114.29 kJ/mol均远低于质子迁移的极限能垒167.00 kJ/mol[20], 表明水液相环境下Lys_2分子可在水分子簇的催化作用下缓慢地实现旋光异构.

2.2 羟自由基水分子链致赖氨酸损伤机理

1个羟自由基和1个水分子构成的链作为氢迁移媒介可致赖氨酸损伤, 对S-Lys_1的损伤发生在第三基元反应, 对S-Lys_2的损伤发生在第一基元反应. 反应过程如图9所示, 反应过程的势能面如图10所示.

图9 水液相环境下水分子与羟自由基链致赖氨酸损伤的反应过程Fig.9 Reaction process of lysine damage induced by water molecules and hydroxyl radical chains in water liquid phase environment

图10 水液相环境下水分子与羟自由基链致赖氨酸损伤反应过程的势能面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的损伤 首先,S-INT2_1与1C和25H右侧的水分子和羟自由基通过氢键作用形成前驱配合物S-INT2_1·[(OH·)·H2O]. 其次,S-INT2_1·[(OH·)·H2O]经过渡态TS3_1·[(OH·)·H2O], 异构成配合物P_1*·2H2O. 由图10可见, 该基元反应为无势垒反应, 由水气相环境下的能垒为134.12 kJ/mol[5]可知, 水溶剂具有催化作用, 加速了S-Lys_1的损伤. 该基元反应的无势垒与文献[8]的能垒为32.62 kJ/mol不同. 由图9(A)可见, 该基元反应的过渡态为3质子协同非同步的过渡态, 由于考虑了溶剂化对驻点构象的影响, 因此可更好地揭示水液相环境下S-Lys_1的损伤机理. 水液相环境下基元反应为无势垒反应, 即水溶剂效应使过渡态相对于反应物的能量大幅度降低, 这是由于过渡态远大于反应物的偶极矩, 在极性水溶剂中被极化, 导致体系能量显著降低.

2.2.2S-Lys_2的损伤 首先,S-Lys_2与1C和25H右侧的水分子和羟自由基通过氢键作用形成前驱配合物S-Lys_2·[(OH·)·H2O]. 其次,S-Lys_2·[(OH·)·H2O]经过渡态TS_2·[(OH·)·H2O], 异构成配合物P_2*·2H2O. 由图10可见, 该基元反应结果为S-Lys_2损伤且反应无势垒. 表明在考虑溶剂对驻点构象的影响后, 改变了水分子羟自由基链与S-Lys_2反应的机理.

2.2.3 IRC计算S-Lys_1和S-Lys_2损伤过程的过渡态连接产物为P_1*·2H2O和P_2*·2H2O, 对过渡态的IRC计算证明了反应过程的可靠性. 水液环境下从过渡态TS3_1·[(OH·)·H2O]到产物P_1*·2H2O的过程如图11所示, TS_2·[(OH·)·H2O]异构成配合物P_2*·2H2O的过程与此类似, 故略.

由图11可见: 首先, 质子26H向氧负离子29O迁移； 其次, 在28O—27H的作用下, 12H与5N断键向28O迁移, 在12H向28O迁移的过程中, 26H向29O迁移, 且先迁移至氢氧根29O—25H上, 形成水分子25H—29O—26H； 然后, 12H迁移至氢氧根28O—27H上, 形成水分子12H—28O—27H； 最后得到稳定损伤配合物P_1*·2H2O.

由图10可见, 该基元反应放热328.06 kJ/mol, 产物P_1*·2H2O非常稳定. 这是由于5N,1C,8C,10O和9O形成5中心大π键, 且配合物P_1*·2H2O的水分子间以及水分子和P_1*存在较强的分子间氢键所致.SLys_2·[(OH·)·H2O]到P_2*·2H2O的基元反应放热323.12 kJ/mol, 产物P_2*·2H2O也非常稳定.

图11 水液相环境下由过渡态TS3_1·[(OH·)·H2O]到产物P_1*·2H2O的过程Fig.11 Process from transition state TS3_1·[(OH·)·H2O] to product P_1*·2H2O in water liquid phase environment

3 结 论

综上, 本文可得如下结论：

1) 在水液相环境下,S-Lys_1和S-Lys_2的旋光异构分别经6个和2个基元反应, 决速步骤分别为第三和第一基元反应. 当2个和3个水分子簇作为氢迁移媒介时,S-Lys_1旋光异构决速步骤的Gibbs自由能垒分别为116.02,112.71 kJ/mol,S-Lys_2旋光异构决速步骤的Gibbs自由能垒分别为110.27,114.29 kJ/mol. 在水液相环境下, 赖氨酸分子可缓慢地旋光异构.

2) 当羟自由基与水分子链作为氢迁移媒介时, 羟自由基抽氢致S-Lys_1和S-Lys_2损伤的Gibbs自由能垒分别为-53.06,-56.05 kJ/mol, 均为无势垒反应, 羟自由基与水分子组合可致赖氨酸迅速损伤.