幾種穩(wěn)定構(gòu)型酪氨酸分子的手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)機(jī)理及水溶劑化效應(yīng)

董麗榮，王佐成，閆紅彥

(1.吉林師范大學(xué)物理學(xué)院，吉林 四平 136000；2.白城師范學(xué)院物理與電子信息學(xué)院，吉林 白城 137000；3.白城師范學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，吉林 白城 137000)

幾種穩(wěn)定構(gòu)型酪氨酸分子的手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)機(jī)理及水溶劑化效應(yīng)

董麗榮1，王佐成2，閆紅彥3

(1.吉林師范大學(xué)物理學(xué)院，吉林 四平 136000；2.白城師范學(xué)院物理與電子信息學(xué)院，吉林 白城 137000；3.白城師范學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，吉林 白城 137000)

采用密度泛函理論的B3LYP方法、微擾理論的MP2方法和自洽反應(yīng)場(chǎng)(SCRF)理論的smd模型方法，研究了3種最穩(wěn)定構(gòu)型的酪氨酸分子的手性轉(zhuǎn)變機(jī)理及水溶劑化效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)標(biāo)題反應(yīng)均有3條通道a、b和c。對(duì)于構(gòu)型1和2，分別是手性碳上的質(zhì)子在羧基順?lè)串悩?gòu)后以氨基、直接以氨基和羧基與氨基聯(lián)合為橋遷移。對(duì)于構(gòu)型3，分別是手性碳上的質(zhì)子只以氨基、羰基與氨基聯(lián)合以及羧基內(nèi)氫遷移后再以氨基為橋遷移。勢(shì)能面計(jì)算表明：構(gòu)型1和2的主反應(yīng)通道都是a，決速步自由能壘分別為257.0和264.0kJ·mol-1，構(gòu)型3的主反應(yīng)通道是a和c，決速步自由能壘分別為257.4和257.0kJ·mol-1，它們均來(lái)源于質(zhì)子從手性碳向氨基氮遷移的過(guò)渡態(tài)。水溶劑效應(yīng)使構(gòu)型1的主反應(yīng)通道決速步能壘降到113.1kJ·mol-1。結(jié)果表明：?jiǎn)误w酪氨酸分子具有穩(wěn)定性；水溶劑環(huán)境下酪氨酸的手性轉(zhuǎn)變可以緩慢進(jìn)行。

酪氨酸；手性；密度泛函理論；過(guò)渡態(tài)；微擾理論；自洽反應(yīng)場(chǎng)

酪氨酸(Tyr)是重要的非天然芳香氨基酸，根據(jù)構(gòu)象的不同，分為S-Tyr和R-Tyr型，根據(jù)旋光性不同，分為左旋酪氨酸和右旋酪氨酸。左旋體在生物體內(nèi)具有重要生理功能和藥理特性，可用于醫(yī)藥領(lǐng)域，已經(jīng)應(yīng)用于包括丹參素在內(nèi)的多種重要藥物分子的合成。右旋體應(yīng)用于生化研究、組織培養(yǎng)、肝功能測(cè)定和食品增味劑領(lǐng)域[1-3]。

基于Tyr的重要作用，人們對(duì)它進(jìn)行了大量的研究。研究了Cu2+濃度和壓力對(duì)酪氨酸熒光光譜的影響，結(jié)果表明：Cu2+濃度越高，對(duì)酪氨酸熒光猝滅作用越強(qiáng)；壓力對(duì)酪氨酸熒光的影響因Cu2+濃度的不同而不同, Cu2+濃度較低時(shí)，壓力的熒光增敏作用較弱[4]。酪氨酸在太赫茲波段存在特征頻譜響應(yīng)，觀察到0.23和2.46 THz附近存在吸收峰[5]。酪氨酸在900 nm處產(chǎn)生一個(gè)1/3分頻熒光峰，在600 nm處產(chǎn)生一個(gè)1/2分頻熒光峰，在300 nm處產(chǎn)生一個(gè)熒光峰，此3峰具有相似的熒光特性[6]。陽(yáng)振樂(lè)等[7]通過(guò)熒光光譜和紅外光譜研究了陰離子型表面活性劑十二烷基硫酸鈉與光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)的相互作用。結(jié)果表明，PSⅡ表現(xiàn)出酪氨酸熒光的特性。在蛋白質(zhì)內(nèi)部，存在酪氨酸之間以及這種氨基酸殘基與葉綠素a之間的能量傳遞。SDS的存在使酪氨酸殘基的結(jié)構(gòu)和蛋白的骨架結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。

目前已報(bào)道在動(dòng)物體內(nèi)的右旋氨基酸有丙氨酸、絲氨酸、脯氨酸、亮氨酸、谷氨酸和蘇氨酸[8]，在生命體內(nèi)是否存在右旋酪氨酸，理論上的研究對(duì)實(shí)驗(yàn)的探索會(huì)給予指導(dǎo)作用。S-Tyr和R-Tyr又具有不同的作用，因此，Tyr分子手性轉(zhuǎn)變機(jī)理的研究具有重要意義，但目前鮮見報(bào)道。孤立環(huán)境下賴氨酸、α-丙氨酸、纈氨酸和半胱氨酸等氨基酸的手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)，是手性碳上的質(zhì)子以氨基、羰基為橋遷移，并且質(zhì)子以氨基為橋遷移是優(yōu)勢(shì)反應(yīng)通道[9-12]?；诖?，并考慮到生命體內(nèi)S-Tyr分子廣泛地存在于水環(huán)境，研究了氣相S-Tyr分子3種最穩(wěn)定構(gòu)型的手性轉(zhuǎn)變機(jī)制及水溶劑化效應(yīng)。說(shuō)明了氣相Tyr分子具有穩(wěn)定性，揭示了生命體內(nèi)S-Tyr分子可以旋光異構(gòu)。對(duì)進(jìn)一步研究Trp在復(fù)雜環(huán)境下的立體異構(gòu)，以及為實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)Trp的旋光異構(gòu)，均具有重要的指導(dǎo)意義。

1 模型選取與計(jì)算方法

Tyr分子內(nèi)有多種氫鍵, 存在很多能量相近的構(gòu)型。以S-Tyr的平面構(gòu)型為參考，改變氨基和羧基的氫原子取向，同時(shí)改變側(cè)鏈對(duì)甲基苯基的方位，得到多種構(gòu)型初始猜。采用B3LYP[13-14]方法對(duì)各個(gè)構(gòu)型進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)能量最低原理，得到3種最穩(wěn)構(gòu)型S-Tyr_1、S-Tyr_2和S-Tyr_3 (見圖1)。把它們做為反應(yīng)物，研究它們的旋光異構(gòu)。采用密度泛函理論的B3LYP方法，結(jié)合6-31+G(d, p)基組，全優(yōu)化S-Tyr向R-Tyr異構(gòu)過(guò)程中的各個(gè)駐點(diǎn)結(jié)構(gòu)。計(jì)算溶劑效應(yīng)時(shí)，對(duì)沒有H遷移的分子異構(gòu)過(guò)程，把水視為連續(xù)介質(zhì)，采用自洽反應(yīng)場(chǎng)(SCRF)理論的smd模型方法[15]。對(duì)H遷移過(guò)程，水分子直接參與反應(yīng)，把水視為離散介質(zhì)，同時(shí)還考慮底物分子的水合分子處在連續(xù)介質(zhì)的水環(huán)境。水環(huán)境下的Tyr分子記作Tyr@water，水環(huán)境下的其它分子表示法相似。通過(guò)對(duì)過(guò)渡態(tài)[16-17]進(jìn)行內(nèi)稟反應(yīng)坐標(biāo)(IRC)[18-19]計(jì)算，驗(yàn)證它們卻是連接所期望的局域極小點(diǎn)。為計(jì)算出高水平的勢(shì)能面，采用微擾理論的MP2方法[20]，結(jié)合6-311++G(2df, pd)基組，計(jì)算體系的單點(diǎn)能。利用Gtotal=Esp+Gtc(Gtotal為熱校正的總自由能，Esp為單點(diǎn)能，Gtc為B3LYP/6-31+G(d, p)水平的吉布斯自由能熱校正)計(jì)算熱校正的總自由能。計(jì)算均由Gaussian09[21]程序完成。

2 結(jié)果與討論

2.1S-Tyr向R-Tyr手性轉(zhuǎn)變的反應(yīng)通道

優(yōu)化的S-Tyr_1、S-Tyr_2、S-Tyr_3和一種R-Tyr的結(jié)構(gòu)如圖1。結(jié)構(gòu)分析表明：S-Tyr_1具有氨基和羧基之間的分子內(nèi)較強(qiáng)的單氫鍵以及氨基和側(cè)鏈對(duì)甲基苯基的π氫鍵作用，S-Tyr_2具有氨基和羧基之間的分子內(nèi)單氫鍵以及氨基和側(cè)鏈對(duì)甲基苯基的相互作用作用，S-Tyr_3具有氨基和羧基之間的分子內(nèi)雙氫鍵及氨基和側(cè)鏈對(duì)甲基苯基的π氫鍵相互作用，它們均為穩(wěn)定構(gòu)型。

圖1 酪氨酸的最穩(wěn)定幾何構(gòu)型Fig.1 Several stable configurations of tyrinine molecules

2.2S-Tyr的手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)機(jī)理

對(duì)圖1的結(jié)構(gòu)分析表明，S-Tyr_1和S-Tyr_2具有相似的活性中心，其手性轉(zhuǎn)變機(jī)理基本相同，S-Tyr_3的手性轉(zhuǎn)變機(jī)理會(huì)不同于S-Tyr_1和S-Tyr_2。因此，對(duì)S-Tyr_1和S-Tyr_3的旋光異構(gòu)給予詳細(xì)討論，對(duì)S-Tyr_2只討論主反應(yīng)通道包含決速步的主要過(guò)程。對(duì)反應(yīng)過(guò)程的水溶劑效應(yīng)，篇幅所限，只討論S-Tyr_1旋光異構(gòu)主反應(yīng)通道包含決速步的主要過(guò)程。

2.2.1S-Tyr_1和S-Tyr_2的手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)S-Tyr_1的手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)3條通道a、b和c上的各駐點(diǎn)結(jié)構(gòu)、過(guò)渡態(tài)的虛頻振動(dòng)模式見圖2，計(jì)算的各駐點(diǎn)自由能及反應(yīng)勢(shì)能面見圖3。

對(duì)于通道a見圖2(A)。首先S-Tyr_1經(jīng)過(guò)羧基上的22H繞6C-21O鍵軸旋轉(zhuǎn)的過(guò)渡態(tài)a_S-TS1_1，異構(gòu)成中間體a_S-INT1_1。二面角22H-21O-6C-10O從179.14°變?yōu)?.13°，實(shí)現(xiàn)了羧基從反式向順式平面結(jié)構(gòu)的異構(gòu)。此過(guò)程是鍵旋轉(zhuǎn)，無(wú)斷鍵，從S-Tyr_1到a_S-TS1_1的能壘只有54.9 kJ·mol-1。然后，a_S-INT1_1經(jīng)過(guò)渡態(tài)a_TS2_1，實(shí)現(xiàn)4H從手性碳3C向氨基氮1N的遷移，異構(gòu)成中間體a_INT2_1。a_S-INT1_1到a_TS2_1過(guò)程中，3C-4H鍵長(zhǎng)從0.109 63 nm增加到0.136 59 nm且鍵斷裂；3C-1N鍵長(zhǎng)從0.145 59 nm增加到0.158 03 nm且鍵斷裂。兩個(gè)化學(xué)鍵斷裂，使a_TS2_1具有較高的能量，并產(chǎn)生了257.0 kJ·mol-1高度的能壘。接著a_INT2_1經(jīng)過(guò)渡態(tài)a_TS3_1，實(shí)現(xiàn)2H在紙面里從氨基氮1N向手性碳3C的遷移，異構(gòu)成中間體a_R-INT3_1，此時(shí)已實(shí)現(xiàn)手性轉(zhuǎn)變。由于a_INT2_1的能量高于a_S-INT1_1，a_TS3_1的能量與a_TS2_1相近，因此，此基元反應(yīng)的能壘低于前一基元反應(yīng)。最后，a_R-INT3_1經(jīng)過(guò)氨基異構(gòu)的過(guò)渡態(tài)a_R-TS4_1和羧基異構(gòu)的過(guò)渡態(tài)a_R-TS5_1，異構(gòu)成具有氨基和羧基之間的分子內(nèi)單氫鍵以及氨基和側(cè)鏈對(duì)甲基苯基的π氫鍵作用的穩(wěn)定產(chǎn)物a_P_R-Tyr_1。a_R-TS4_1和a_R-TS5_1是鍵旋轉(zhuǎn)過(guò)渡態(tài)，無(wú)斷鍵，產(chǎn)生的能壘不高，分別為24.0和51.8 kJ·mol-1。由勢(shì)能面可以看出，S-Tyr_1在a通道的產(chǎn)物是a_R-INT3_1、a_R-INT3_1和a_P_R-Tyr_1共存，只是a_P_R-Tyr_1含量較高。

S-Tyr_1在b通道手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)前半程，見圖2(B)，S-Tyr_1經(jīng)手性碳3C上的4H向氨基氮1N遷移的過(guò)渡態(tài)b_TS1_1，異構(gòu)成中間體b_INT1_1，實(shí)現(xiàn)了氨基質(zhì)子化和羧基從反式向順式平面結(jié)構(gòu)的異構(gòu)。結(jié)構(gòu)分析與能量計(jì)算表明，b_INT1_1的構(gòu)象全同于aINT2_1。其以后的異構(gòu)過(guò)程同于aINT2_1的異構(gòu)過(guò)程，見圖2(A)。在S-Tyr_1到b_TS1_1過(guò)程中，3C-4H鍵長(zhǎng)從0.109 74 nm增加到0.138 69 nm斷裂；3C-1N鍵長(zhǎng)從0.147 21 nm增加到0.159 99 nm鍵斷裂；二面角22H-21O-6C-10O從179.14°變?yōu)?36.74°，22H繞21O-6C旋轉(zhuǎn)。兩個(gè)化學(xué)鍵斷裂需要較大的能量，羥基的旋轉(zhuǎn)也需能量，并且S-Tyr_1到b_TS1_1過(guò)程鍵長(zhǎng)的增長(zhǎng)大于a_S-INT1_1到a_TS2_1過(guò)程，因此，bTS1_1產(chǎn)生了311.7 kJ·mol-1的能壘，較a_TS2_1產(chǎn)生的能壘高。

S-Tyr_1在c通道的手性轉(zhuǎn)變主要?dú)v程(決速步驟)見圖2(C)。首先手性碳上的4H經(jīng)過(guò)渡態(tài)cTS1_1遷移到羰基氧21O，S-Tyr_1異構(gòu)成羧基質(zhì)子化的中間體cINT1_1。S-Tyr_1到cTS1_1過(guò)程中，鍵長(zhǎng)3C-4H從0.109 74 nm增加到0.155 64 nm，增幅較大，cTS1_1產(chǎn)生了288.9 kJ·mol-1的能壘。然后22H向1N遷移，形成中間體cINT2_1(氨基質(zhì)子化)[相似與S-Tyr_3在b通道的第3基元反應(yīng)，見圖4(B)]，cINT2_1質(zhì)子化氨基上的2H再在紙面里向手性碳遷移，形成中間體cINT3_1[相似于S-Tyr_1在a通道的第3基元反應(yīng)，見圖2(A)]，實(shí)現(xiàn)手性轉(zhuǎn)變。最后，再經(jīng)羧基異構(gòu)形成穩(wěn)定的產(chǎn)物。計(jì)算表明，此通道第1基元反應(yīng)為決速步驟，篇幅所限，本工作只給出了第1基元反應(yīng)過(guò)程。

圖2 S-Tyr_1和S-Tyr_2手性轉(zhuǎn)變的反應(yīng)歷程Fig.2 The reaction processes of S-Tyr_1 chiral conversion

S-Tyr_2手性轉(zhuǎn)變主反應(yīng)通道包含決速步的反應(yīng)歷程見圖2(D)。反應(yīng)過(guò)程相似于S-Tyr_1到中間體a_INT2_1，第一基元反應(yīng)的能壘是47.7 kJ·mol-1，較S-Tyr_1到a_S-TS1_1的能壘54.9 kJ·mol-1低些，這可能是S-Tyr_2側(cè)鏈上的對(duì)甲基苯基與羧基上的22H的作用較弱的緣故。第二基元反應(yīng)的能壘與S-Tyr_1的基本一致。以后的反應(yīng)過(guò)程相似于a_INT2_1的異構(gòu)，從略。

從圖3可以看出，S-Tyr_1和S-Tyr_2手性轉(zhuǎn)變主反應(yīng)通道是a，決速步自由能壘分別為257.0和264.0 kJ·mol-1，來(lái)源于第一中間體的手性碳上的質(zhì)子向氨基氮遷移的過(guò)渡態(tài)。257.0和264.0 kJ·mol-1都遠(yuǎn)大于質(zhì)子遷移的“極限能壘”167.0 kJ·mol-1[23]，說(shuō)明S-Tyr_1和S-Tyr_2的手性轉(zhuǎn)變裸反應(yīng)難以進(jìn)行，通常情況下S-Tyr_1和S-Tyr_2分子具有穩(wěn)定性。

2.2.2S-Tyr_3的手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)S-Tyr_3的手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)在a、b和c通道上的各駐點(diǎn)結(jié)構(gòu)、過(guò)渡態(tài)的虛頻振動(dòng)模式，見圖4，計(jì)算的各駐點(diǎn)自由能及反應(yīng)勢(shì)能面，見圖5。

S-Tyr_3在a通道的手性轉(zhuǎn)變歷程，見圖4(A)。首先，S-Tyr_3經(jīng)4H從手性碳3C向氨基氮1N遷移的過(guò)渡態(tài)aTS1_3，異構(gòu)成中間體aINT1_3。在S-Tyr_3到aTS1_3過(guò)程中，3C-4H鍵長(zhǎng)從0.109 8 nm增加到0.135 2 nm，鍵斷；3C-1N鍵長(zhǎng)從0.145 3 nm增加到0.157 0 nm，鍵斷。兩個(gè)化學(xué)鍵斷裂且鍵長(zhǎng)增幅較大，一定需要較大的能量，aTS1_3產(chǎn)生的能壘是257.4 kJ·mol-1。然后，aINT1_3的質(zhì)子化氨基上的2H沿過(guò)渡態(tài)aTS2_3虛頻的負(fù)向在紙面里從1N遷移到3C，異構(gòu)成具有氨基和羧基之間的分子內(nèi)雙氫鍵的中間體產(chǎn)物a_R-INT2_3，實(shí)現(xiàn)手性轉(zhuǎn)變。aTS2_3與aTS1_3的活性中心基本對(duì)稱相似，能量略大些，但aINT1_3的能量比S-Tyr_3高很多，因此，aTS2_3產(chǎn)生的能壘低于aTS1_3。接著，a_R-INT2_3經(jīng)過(guò)氨基上的2個(gè)H左右翻轉(zhuǎn)的過(guò)渡態(tài)a_R-TS3_3異構(gòu)成中間體a_R-INT3_3，此過(guò)程二面角20H-1N-3C-4H從117.5°變?yōu)?121.2°，是氨基的左右翻轉(zhuǎn)異構(gòu)，無(wú)斷鍵，能壘只有11.2 kJ·mol-1，此過(guò)程很容易實(shí)現(xiàn)。再接著是a_R-INT3_3經(jīng)過(guò)羧基內(nèi)的氫遷移異構(gòu)成a_R-INT4_3。從a_R-INT3_3到a_R-TS4_3雖然有一鍵斷裂，但21O-22H鍵長(zhǎng)從0.097 3 nm

圖3 S-Tyr_1和S-Tyr_2手性轉(zhuǎn)變主反應(yīng)通道上的吉布斯自由能勢(shì)能面Fig.3 Potential energy surfaces of gibbs free energy of S-Tyr_1 and S-Tyr_2chiral conversion reaction in the dominant reactions

圖4 S-Tyr_3的手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)歷程Fig.4 The reaction processes of S-Tyr_3 chiral conversion

增加到0.130 3 nm，增幅不大；二面角22H-10O-6C-21O是0.2°，a_R-TS4_3的4元環(huán)過(guò)渡態(tài)基本共面，因此，此基元反應(yīng)的活化能不會(huì)太高，只有127.9 kJ·mol-1。最后，a_R-INT4_3經(jīng)過(guò)和a_R-TS5_1相似的過(guò)渡態(tài)a_R-TS5_3，異構(gòu)為具有氨基和羧基之間的分子內(nèi)較強(qiáng)的單氫鍵和氨基與側(cè)鏈對(duì)甲基苯基π氫鍵作用的穩(wěn)定產(chǎn)物a_P_R-Tyr_3。

S-Tyr_3在b通道手性轉(zhuǎn)變主要?dú)v程見圖4(B)。首先，S-Tyr_3經(jīng)氨基上的20H和2H左右翻轉(zhuǎn)的過(guò)渡態(tài)b(c)S-TS1_3，異構(gòu)成中間體b(c)S-INT1_3(此基元反應(yīng)也是c通道的第1基元反應(yīng))。經(jīng)此基元反應(yīng)，二面角2H-1N-3C-20H從116.9°變?yōu)?21.7°，2H和20H翻轉(zhuǎn)到1N-3C-4H左側(cè)。此過(guò)程是鍵旋轉(zhuǎn)無(wú)斷鍵，b(c)S-TS1_3產(chǎn)生的能壘較低，只有18.9 kJ·mol-1。接著b(c)S-INT1_3經(jīng)過(guò)渡態(tài)bTS2_3，實(shí)現(xiàn)4H從手性碳3C向羰基氧10O遷移，異構(gòu)成中間體bINT2_3。在b(c)S-INT1_3到bTS2_3過(guò)程中，3C-4H鍵長(zhǎng)從0.109 72 nm增加到0.155 49 nm鍵斷裂，此斷鍵過(guò)程3C-4H鍵長(zhǎng)增加幅度較大，bTS2_3產(chǎn)生了310.8 kJ·mol-1高度的能壘。然后，bINT2_3經(jīng)過(guò)渡態(tài)bTS3_3，實(shí)現(xiàn)質(zhì)子4H從質(zhì)子化羧基的10O向氨基氮的遷移，異構(gòu)成中間體bINT3_3。bTS3_3的二面角4H-1N-6C-10O和1N-3C-10O-4H分別是0.5°和-0.2°，bTS3_3的5元環(huán)過(guò)渡態(tài)基本共面，因此其構(gòu)形較穩(wěn)定，其能量基本同于b_INT3_3，導(dǎo)致此基元反應(yīng)無(wú)明顯的過(guò)渡態(tài)，勢(shì)壘是b_INT3_3和bINT2_3的能量差47.9 kJ·mol-1。計(jì)算表明，bINT3_3的構(gòu)象和能量全同于aINT1_3，其以后的異構(gòu)過(guò)程同于aINT1_3，不再贅述。

S-Tyr_3在c通道手性轉(zhuǎn)變主要?dú)v程見圖4(B)和(C)。第一基元反應(yīng)同于b通道。接著是b(c)_S-INT1_3經(jīng)過(guò)羧基內(nèi)氫遷移的過(guò)渡態(tài)c_S-TS2_3，異構(gòu)成第2中間體c_S-INT2_3。c_S-TS2_3相似于a_R-TS4_3，此4元環(huán)過(guò)渡態(tài)共面，并且斷鍵的幅度不大，其產(chǎn)生的能壘遠(yuǎn)低于質(zhì)子從手性碳向氨基氮和羰基氧轉(zhuǎn)移的能壘，只有127.3 kJ·mol-1。計(jì)算表明，c_S-INT2_3的構(gòu)象和能量全同于a_S-INT1_1，其以后的異構(gòu)過(guò)程同于a_S-INT1_1，不再贅述。

從圖5可以看出，S-Tyr_3手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)的優(yōu)勢(shì)通道是a，決速步驟是第1基元反應(yīng)，能壘是257.4 kJ·mol-1。257.4 kJ·mol-1遠(yuǎn)大于質(zhì)子遷移的“極限能壘”167.0 kJ·mol-1[23]，說(shuō)明S-Tyr_3的手性轉(zhuǎn)變裸反應(yīng)通常情況下難以進(jìn)行，S-Tyr_3分子具有穩(wěn)定性。

2.3S-Tyr手性轉(zhuǎn)變過(guò)程的水溶劑化效應(yīng)

篇幅所限，僅討論S-Tyr_1主反應(yīng)通道a的包含決速步的前半程，說(shuō)明水溶劑對(duì)S-Tyr手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)能壘的影響。此過(guò)程的第一基元反應(yīng)是羥基旋轉(zhuǎn)異構(gòu)，第二基元反應(yīng)是質(zhì)子從手性碳向氨基氮遷移。已有研究表明，2個(gè)水分子對(duì)氫遷移過(guò)程有著較好的催化作用[11-12,22]，因此，氫遷移反應(yīng)考察水的微溶劑效應(yīng)用2個(gè)水分子構(gòu)成的鏈。第一基元反應(yīng)歷程的各駐點(diǎn)結(jié)構(gòu)和過(guò)渡態(tài)虛頻的振動(dòng)模式同于裸反應(yīng)，見圖2(A)，第二基元反應(yīng)歷程的各駐點(diǎn)結(jié)構(gòu)和過(guò)渡態(tài)虛頻的振動(dòng)模式見圖6。反應(yīng)過(guò)程的吉布斯自由能勢(shì)能面，見圖3。

圖5 S-Tyr_3手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)的吉布斯自由能勢(shì)能面Fig.5 Potential energy surfaces of gibbs free energy of S-Tyr_3 chiral conversion reaction

首先，S-Tyr_1@water經(jīng)過(guò)渡態(tài)a_S-TS1_1@wate，形成中間體a_S-INT1_1@water，機(jī)理同于裸反應(yīng)。反應(yīng)能壘是47.7 kJ·mol-1，比裸反應(yīng)的54.9 kJ·mol-1有所降低，說(shuō)明水溶劑效應(yīng)對(duì)羧基順?lè)雌矫娼Y(jié)構(gòu)之間的異構(gòu)有催化作用。此基元反應(yīng)各駐點(diǎn)的幾何參數(shù)相對(duì)于裸環(huán)境略有改變，這里從略。然后，a_S-INT1_1與3C-1N前面的2個(gè)水分子通過(guò)氫鍵作用，形成水合分子a_S-INT1_1·2H2O@water，經(jīng)過(guò)渡態(tài)a_TS2_1·2H2O@water，異構(gòu)成中間體a_INT2_1·2H2O@water，實(shí)現(xiàn)了水環(huán)境下以2個(gè)水分子為媒介，質(zhì)子從手性碳3C向氨基氮1N的轉(zhuǎn)移。a_TS2_1·2H2O是7元環(huán)結(jié)構(gòu)，其氫鍵角3C-4H-26O、26O-28H-25O和25O-27H-1N分別為162.0°、159.5°和164.0°，均接近平角，3個(gè)氫鍵都較強(qiáng)；二面角3C-4H-26O-28H、26O-28H-25O-27H和25O-27H-1N-3C分別為11.9°、-1.8°和14.0°，7元環(huán)結(jié)構(gòu)接近平面，因此過(guò)渡態(tài)a_TS2_1·2H2O@water結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，其產(chǎn)生的能壘不會(huì)高。從圖3看出，a_TS2_1·2H2O@water產(chǎn)生的能壘是113.1 kJ·mol-1，與裸反應(yīng)此過(guò)程的能壘257.0 kJ·mol-1相比較大幅降低，說(shuō)明水環(huán)境對(duì)此氫遷移反應(yīng)有極好的催化作用。此能壘比常溫下質(zhì)子遷移“極限能壘”167.0 kJ·mol-1[23]低很多。人體正常溫度約為310.00 K，高于298.15 K，再考慮到溫度漲落、分子間碰撞以及某種酶的作用等因素，在生命體內(nèi)113.1 kJ·mol-1的能壘是可以越過(guò)的。這說(shuō)明S-Tyr分子在生命體內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)手性轉(zhuǎn)變，生命體內(nèi)R-Tyr可以存在。

圖6 水環(huán)境下S-Tyr_1手性轉(zhuǎn)變主反應(yīng)通道第2基元反應(yīng)及駐點(diǎn)結(jié)構(gòu)Fig.6 The second elementary reaction processes and stagnation point structures of S-Tyr_1 chiral conversion in the dominant reaction path under water environment

3 結(jié) 論

反應(yīng)通道研究發(fā)現(xiàn)：3種最穩(wěn)定構(gòu)型的酪氨酸分子的手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)均有3條通道a、b和c。對(duì)于構(gòu)型1和2，分別是手性碳上的質(zhì)子在羧基順?lè)串悩?gòu)后以氨基為橋、直接以氨基為橋和羧基與氨基聯(lián)合為橋遷移。對(duì)于構(gòu)型3，分別是手性碳上的質(zhì)子只以氨基為橋、羰基與氨基聯(lián)合為橋和羧基內(nèi)氫遷移后再以氨基為橋遷移。勢(shì)能面計(jì)算表明：構(gòu)型1和2的主反應(yīng)通道都是a，決速步自由能壘分別為257.0和264.0 kJ·mol-1，構(gòu)型3的主反應(yīng)通道是a和c，決速步自由能壘分別為257.4和257.0 kJ·mol-1，這些決速步驟的能壘均來(lái)源于質(zhì)子從手性碳向氨基氮遷移的過(guò)渡態(tài)。水溶劑效應(yīng)使構(gòu)型1主反應(yīng)通道的決速步能壘降到113.1 kJ·mol-1。結(jié)果表明：?jiǎn)误w酪氨酸分子具有穩(wěn)定性；考慮到溫度漲落、分子間碰撞以及某種酶的作用等因素，在生命體內(nèi)水環(huán)境下Tyr分子可以實(shí)現(xiàn)手性轉(zhuǎn)變，生命體內(nèi)R-Tyr可以存在。

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Chiralconversionmechanismandwatersolvationeffectofseveraltyrosinemoleculesofstableconfigurations

DONGLirong1,WANGZuocheng2,YANHongyan3

(1.CollegeofPhysics,JilinNormalUniversity,Siping136000,China;2.CollegeofPhysicsandElectronicInformation,BaichengNormalUniversity,Baicheng137000,China;3.CollegeofComputerScience,BaichengNormalUniversity,Baicheng137000,China)

The chiral conversion mechanism and water solvation effect of three kinds of the most stable configurations of tyrosine molecules were researched by using the B3LYP method of density functional theory, the MP2 method of perturbation theory, and smd model method of self consistent reaction field theory. The study of reaction channels shows that there are three channels a, b and c in the title reaction. For the configuration one and two, the proton of the chiral carbon is transferred with amino group after the carboxyl cis-trans isomerism, amino group and carboxyl/amino groups as the bridge, respectively. For the configuration three, the proton is transferred with amino group and carboxyl/amino groups as the bridge, and transferred proton of the carboxyl is transferred with amino group as the bridge, respectively. Calculations of potential energy surface show that channel a is the dominant reaction path in the configuration one and two, step-determining gibbs free energy barriers are 257.0 and 264.0 kJ·mol-1，respectively. In addition, channel b and c are the dominant reaction paths in the configuration three, step-determining gibbs free energy barriers are 257.4 and 257.0 kJ·mol-1, which are generated by the transition state of proton transfer from the chiral carbon to the amino N. The water solvation effect enables the step-determining energy barrier is reduced to 113.1 kJ·mol-1for the dominant reaction path in the configuration one. The results show that: monomer tyrosine molecule is stable, tyrosine chiral conversion can be proceeded slowly in water environment.

tyrosine; chirality; density functional theory；transition state；perturbation theory；SCRF

10.13471/j.cnki.acta.snus.2017.04.013

2016-12-06 基金項(xiàng)目：吉林省科技發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目自然科學(xué)基金(20130101308JC)

董麗榮(1965年生)，女；研究方向：原子與分子物理；E-mail：DLR5640@163.com

王佐成(1963年生)，男；研究方向：?jiǎn)畏肿臃磻?yīng)機(jī)理；E-mail:wangzc188@163.com

O

A

0529-6579(2017)04-0075-09