温度对甘氨酸构象异构化反应的影响

宋 浩，李子春，鲍羽鹤，王海光，马瑞红，宿秋晗



温度对甘氨酸构象异构化反应的影响

宋 浩1，李子春2，鲍羽鹤3，王海光3，马瑞红1，宿秋晗1

（1. 唐山师范学院 化学系，河北 唐山 063000；2. 唐山市第二中学，河北 唐山 063600；3. 承德技师学院电气工程技术系，河北 承德 067000）

采用M06/6-31++G**方法，研究温度对甘氨酸构象异构化反应的影响，得到7个稳定构象和9个过渡态。结果表明，甘氨酸分子内C-C键、C-N键和C-O键的旋转导致构象间的转变。温度升高，甘氨酸稳定构象的吉布斯自由能降低。异构化反应的活化自由能a逐渐增大，甘氨酸异构化反应的反应速率常数逐渐升高。

甘氨酸；异构化；温度；速率

氨基酸是组成蛋白质的基本结构单元，在生物体的生命过程中发挥着重要作用。研究氨基酸分子结构和性质是深入探讨它们在生化反应中变化情况的基石[1-2]，也是理解复杂生物分子（如多肽和蛋白质等）结构和功能的基础。

甘氨酸（Glycine）在20种天然氨基酸中结构最简单，是实验和理论研究的首选测试体系。人们对于甘氨酸构象和稳定性的认识已经比较清晰[3-11]。量子化学理论研究[3-8]得到7种甘氨酸分子稳定构象，实验观测（电子衍射技术[9]、基质隔离红外光谱技术[10]、振动拉曼光谱技术[11]）得到3种稳定构象，但未见有关温度对甘氨酸构象结构及其性质影响的研究报道。本文探讨温度对甘氨酸构象异构化的影响。

1 计算方法

采用M06方法优化甘氨酸结构，采用QST2方法优化过渡态结构，然后对各构象进行频率计算，经频率确认得到正确结构。对各构象的能量进行零点能校正，获得各构象相对能Δr（Δr=-min，min为最稳定构象能量）、正反应活化能a（a=T–R，即过渡态能量T与反应物能量R之差）和逆反应活化能E'（E'=T–P，即过渡态能量T与产物能量P之差）。最后计算6个其它温度下各构象的自由能、各反应的活化自由能a和反应速率常数，讨论温度对构象异构化反应的影响。所有计算任务均使用G09程序完成。

2 结果与讨论

2.1 稳定构象

本文共得到7个稳定构象，分别记作Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅷ，其稳定性次序为Ⅰ>Ⅱ>Ⅳ>Ⅲ>Ⅴ>Ⅵ>Ⅷ，示于图1。得到9个过渡态（其名称按“反应物-产物”标记）。各构象的结构参数及所有构象的第一频率1和第二频率2（单位cm-1）列于附表；1为正表明构象稳定性极小，1为负而2为正表明它是过渡态。各构象的能量、相对能Δr及反应的活化能a列于表1。

图1 甘氨酸构象转化图

表1 甘氨酸构象的能量（kcal·mol-1）

2.2 构象转化途径和机理

由图1可以看出，最稳定构象Ⅰ转化到次稳定构象Ⅱ的反应通道有6条，分别为：（1）Ⅰ→Ⅰ-Ⅲ→Ⅲ→Ⅲ-Ⅴ→Ⅴ→Ⅱ-Ⅴ→Ⅱ；（2）Ⅰ→Ⅰ-Ⅳ→Ⅳ→Ⅳ-Ⅴ→Ⅴ→Ⅱ-Ⅴ→Ⅱ；（3）Ⅰ→Ⅰ-Ⅳ→Ⅳ→Ⅳ-Ⅷ→Ⅷ→Ⅱ-Ⅷ→Ⅱ；（4）Ⅰ→Ⅰ-Ⅵ→Ⅵ→Ⅵ-Ⅷ→Ⅷ→Ⅱ-Ⅷ→Ⅱ；（5）Ⅰ→Ⅰ-Ⅲ→Ⅲ→Ⅲ-Ⅴ→Ⅴ→Ⅳ-Ⅴ→Ⅳ→Ⅳ-Ⅷ→Ⅷ→Ⅱ-Ⅷ→Ⅱ；（6）Ⅰ→Ⅰ-Ⅵ→Ⅵ→Ⅵ-Ⅷ→Ⅷ→Ⅳ-Ⅷ→Ⅳ→Ⅳ-Ⅴ→Ⅴ→Ⅱ-Ⅴ→Ⅱ。比较这6条反应通道决速步骤的活化能可知，通道1是最可几通道，决速步骤的活化能为10.87 kcal·mol−1。

结合图1、表1和附表可知，沿着通道1构象异构化机理具体如下：（1）在稳定构象Ⅰ中，(N5–C2–C1–O4)为-179.9°，经C1-C2键旋转，该二面角变为94.8°，能量升高3.54 kcal·mol-1，得到过渡态I-III；C1-C2键进一步旋转，该二面角变为0.0°，能量下降2.56 kcal·mol-1，得到稳定构象Ⅲ；（2）在稳定构象Ⅲ中，(H9–N5–C2–C1)为-59.6°；经N5–C2键旋转，该二面角变为129.4°，得到过渡态III-V，能量升高2.39 kcal·mol-1；N5–C2键进一步旋转，该二面角变为178.8°，能量下降1.20 kcal·mol-1，得到稳定构象Ⅴ；（3）在稳定构象Ⅴ中，(C2–C1–O4–H6)为-178.0°；经C1–O4键旋转，该二面角变为94.2°，能量升高10.87 kcal·mol-1，得到过渡态Ⅱ-Ⅴ；C1–O4键进一步旋转，该二面角变为0.6°，能量下降12.58 kcal·mol-1，得到稳定构象Ⅱ。

2.3 温度对构象转化的影响

文献[12]报道，甘氨酸在555 K发生裂解。本文选取298.15 K、350 K、400 K、450 K、500 K和540 K共6个温度，依次计算各温度下最可几通道中甘氨酸构象的吉布斯自由能，将其相对值Δ列于表2（注：构象I在540 K时自由能最低，为-284.280 205 Hartree）。不同温度下最可几通道中各异构化反应的a及列于表3。

表2 最可几通道中各构象吉布斯自由能的相对值ΔG

表3 最可几通道中异构化反应的活化自由能Ga（kcal·mol-1）和反应速率常数K（s-1）

由表2可知，随着温度逐渐升高，甘氨酸稳定构象和过渡态的逐渐降低。由表3可知，异构化反应Ⅰ→Ⅲ、Ⅲ→Ⅴ、Ⅴ→Ⅱ的a随温度的升高，逐渐增大，即稳定构象的自由能比过渡态的自由能降低得快，甘氨酸异构化反应的逐渐升高。

3 结论

采用M06/6-31++G**方法研究了温度对甘氨酸构象异构化的影响，得到以下结果。

一是，甘氨酸的7个稳定构象经由9个过渡态进行相互转化，转化方式包括C-C键旋转、C-O键旋转和C-N键旋转。

二是，由最稳定构象Ⅰ转化到次稳定构象Ⅱ的最可几反应通道为Ⅰ→(I-III)→Ⅲ→(Ⅲ-V)→V→(Ⅱ-V)→Ⅱ。

三是，温度逐渐升高，甘氨酸稳定构象的吉布斯自由能逐渐降低；异构化反应的活化自由能a逐渐增大，反应速率常数逐渐升高。

[1] 田善喜.氨基酸分子构象稳定性与光电离解离动力学的氢键效应[J].化学进展,2009,21(4):601-605.

[2] 裴玲,郝玮.甘氨酸与6-羟基嘌呤氢键作用的理论研究[J].唐山师范学院学报,2018,40(6):36-40.

[3] 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.

[4] Csaszar A G. Conformers of gaseous glycine[J]. J Am Chem Soc, 1992, 114(24): 9568-9575.

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

[6] Ke H W, Rao L, Xu X, et al. Theoretical study of glycine conformers[J]. J Theor Comput Chem, 2008, 7(4): 889- 909.

[7] Balabin R M. Conformational equilibrium in glycine: Focal-point analysis and abinitio limit[J]. Chem Phys Lett, 2009, 479(4-6): 195-200.

[8] Hidenori M, Misako A. Ab Initio QM/MM-MC Study on Hydrogen Transfer of Glycine Tautomerization in Aqueous Solution: Helmholtz Energy Changes along Water-mediated and Direct Processes[J]. Chem Lett, 2013, 42(6): 598-600.

[9] 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.

[10] 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.

[11] 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): 99-103.

[12] 李菲斐,郝菊芳,郭吉兆,等.5种氨基酸热失重行为及其热解生成氢氰酸的研究[J].烟草科技,2012,45(3): 31-33.

Effect of Temperature on Glycine Conformational Isomerization

SONG Hao1, LI Zi-chun2, BAO Yu-he3, WANG Hai-guang3, MA Rui-hong1, SU Qiu-han1

(1. Department of Chemistry, Tangshan Normal University, Tangshan 063000, China; 2.Tangshan No.2 Senior Middle School, Tangshan 063600, China; 3. Department of Electrical Engineering Technology, Chengde Technicians College, Chengde 067000, China)

M06/6-31++G** method was used to study the conformational isomerization of glycine and the effect of temperature on them. Seven stable conformations and nine transition states were found, the conversion of conformation was induced by rotation of covalent bonds (C-C bond, C-N bond and C-O bond) of glycine. With the rising of temperature, Gibbs free energy of each conformation reduced, free energy of activation and reaction rate constant increased gradually.

glycine; isomerization; temperature; rate

O641

A

1009-9115(2019)03-0019-03

10.3969/j.issn.1009-9115.2019.03.006

唐山师范学院化学系创青春项目基金（CX201719），唐山师范学院创业训练项目（201710099020）

2018-10-23

2019-03-11

宋浩（1994-），男，河北承德人，本科，研究方向为化学。

（责任编辑、校对：琚行松）