水環(huán)境下具有氨基和羧基間雙氫鍵的纈氨酸旋光異構(gòu)及羥自由基致?lián)p傷的機(jī)理*

趙宇，湯振宇，吳怡，張育凱，楊曉翠，王佐成

（1.白城師范學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，吉林白城137000；2.白城師范學(xué)院物理學(xué)院，吉林白城137000）

纈氨酸（valine，Val）是生命體必需氨基酸，根據(jù)旋光性和構(gòu)象的不同，分為左纈氨酸（S-Val）和右纈氨酸（R-Val）。S-Val對生命體有重要作用，缺乏會(huì)導(dǎo)致機(jī)體停止發(fā)育和神經(jīng)系統(tǒng)疾病，還用于配制氨基酸輸液和動(dòng)物飼料添加劑[1]。R-Val用于合成農(nóng)藥氯氟戊菊酯，由其制得的纈氨酸殺蟲菊酯是廣譜的殺蟲殺螨劑[2]。R-Val也廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)研究中，用于抑制纖維細(xì)胞的生長[3]，R-Val還是重要的手性藥物原料，可用于合成抗腫瘤藥物[4]。

基于其右旋體的重要作用以及探討S-Val的旋光異構(gòu)對人類健康的作用，人們對S-Val的旋光異構(gòu)進(jìn)行了廣泛的研究。Neuberger等[5]的研究表明，高濃度的質(zhì)子容易使游離的Val消旋，Smith等[6]通過研究苯氨基乙酸消旋動(dòng)力學(xué)，證實(shí)了高濃度的質(zhì)子可使 Val消旋。Sullivan等[7]和閆紅彥等[8]的研究表明，S-Val的旋光異構(gòu)裸反應(yīng)有4個(gè)通道，α-碳上的H以氨基N為橋遷移是優(yōu)勢通道，水分子對H遷移反應(yīng)有較好的催化作用。文獻(xiàn)[2]的研究表明，S-Val在醛的催化下可在羧酸中旋光異構(gòu)。文獻(xiàn)[9]的研究表明，在激發(fā)態(tài)S-Val的α-碳上的H可以羰基氧或氨基氮為橋遷移。

雖然人們對Val旋光異構(gòu)進(jìn)行了一些研究，然而，對于其在水分子簇催化及水溶劑環(huán)境下旋光異構(gòu)的研究并不十分深入，羥自由基致其損傷的研究也未見報(bào)道。大氣富含水汽并有羥自由基存在，水是重要的溶劑，生命體是富水環(huán)境并存在對生物體危害極大的羥基自由基[10]。文獻(xiàn)[11-12]研究表明，水分子團(tuán)簇對質(zhì)子遷移過程具有催化作用?；诖?，本工作研究了水汽相和水液相環(huán)境下Val分子旋光異構(gòu)及羥自由基致其損傷的機(jī)理。

1 研究與計(jì)算方法

在B3LYP[13]/6-31＋G（d，p）水平，全優(yōu)化標(biāo)題反應(yīng)的駐點(diǎn)結(jié)構(gòu)。通過對過渡態(tài)[14]進(jìn)行內(nèi)稟反應(yīng)坐標(biāo)（IRC）[15]計(jì)算，驗(yàn)證它們確是連接所期望的局域極小點(diǎn)。采用微擾理論的 MP2方法[16]，在 MP2/6-311＋＋G（2df，pd）水平，計(jì)算體系的高水平單點(diǎn)能。溶劑化構(gòu)象和單點(diǎn)能的計(jì)算，把水視為連續(xù)介質(zhì)，采用自洽反應(yīng)場（SCRF）理論的 smd模型方法[17]。利用Gtotal＝ESP＋Gtc（ESP和Gtc分別為單點(diǎn)能和吉布斯自由能熱校正）計(jì)算總自由能，繪制反應(yīng)過程的勢能面。水溶劑環(huán)境下，S型Val分子與其右側(cè)的2個(gè)水分子簇通過氫鍵作用形成的氫鍵絡(luò)合物，記作S-Val·2H2O（l）＠water[用l、n和m分別表示水分子簇在其右側(cè)、前面和后面與其絡(luò)合），其它體系表示法相似。計(jì)算均由Gaussian09[18]程序完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 水環(huán)境下纈氨酸分子的旋光異構(gòu)機(jī)理

文獻(xiàn)[19]基于密度泛函理論的研究表明，氨基與羧基間為分子內(nèi)單氫鍵及雙氫鍵時(shí)氨基酸分子構(gòu)象穩(wěn)定，基于此，計(jì)算了氨基與羧基之間為分子內(nèi)單氫鍵及雙氫鍵時(shí)Val分子的能量，前者E＝-401.474 67 a.u，后者E＝-401.475 75 a.u，相對能量后者高于前者2.76 kJ，后者構(gòu)象穩(wěn)定。篇幅所限，本工作僅對氨基與羧基之間為分子內(nèi)雙氫鍵的Val分子的標(biāo)題反應(yīng)進(jìn)行研究。具有氨基和羧基間雙氫鍵的Val分子手性對映體的幾何構(gòu)象，見圖1，Val分子具有氨基和羧基間2條分子內(nèi)氫鍵，構(gòu)象穩(wěn)定。實(shí)現(xiàn)S-Val向R-Val的構(gòu)象轉(zhuǎn)變（旋光異構(gòu)），就是實(shí)現(xiàn)質(zhì)子2H從α-碳1C的外側(cè)向里側(cè)遷移。研究表明，水環(huán)境下纈氨酸的旋光異構(gòu)可以在3個(gè)通道a、b和c實(shí)現(xiàn)，分別是質(zhì)子以水分子簇為媒介以氨基氮、羰基氧和羧基為橋梁，下面分別進(jìn)行討論。

2.1.1 水液相環(huán)境下，S-Val分子在a通道的旋光異構(gòu) 水汽環(huán)境下此通道的旋光異構(gòu)已有研究[12]，本工作只對水液相環(huán)境下的旋光異構(gòu)進(jìn)行討論。文獻(xiàn)[8，11]研究表明，2個(gè)和3個(gè)水分子團(tuán)簇對氨基酸內(nèi)質(zhì)子遷移的催化作用，遠(yuǎn)好于1個(gè)水分子作質(zhì)子遷移媒介的情形，因此，這里只討論2個(gè)和3個(gè)水分子團(tuán)簇作H遷移媒介水溶劑環(huán)境下的旋光異構(gòu)，旋光異構(gòu)歷程含2個(gè)基元反應(yīng)，見圖2，反應(yīng)過程的吉布斯自由能勢能剖面見圖3。

圖1 S型與R型纈氨酸分子的幾何結(jié)構(gòu)Fig.1 S-type and R-type geometries of valine molecules

圖2 水液相環(huán)境2個(gè)和3個(gè)水分子簇作氫遷移媒介，S-Val分子在a通道的旋光異構(gòu)歷程及駐點(diǎn)結(jié)構(gòu)Fig.2 Reaction process of optical isomerization and stationary point structures of S-Val molecules in channel a，by 2 or 3 water cluster as medium in water liquid phase environment

圖3 水液相環(huán)境下S-Val分子在a通道旋光異構(gòu)反應(yīng)的吉布斯自由能勢能剖面Fig.3 Gibbs free energy sectional surfaces diagram of optical isomerization reaction of S-Val molecule in channel a in water liquid phase environment

對于第一基元反應(yīng)。

2個(gè)水分子簇作質(zhì)子遷移媒介時(shí)，首先是SVal與其氨基氮4N和20H前面的2個(gè)水分子通過氫鍵作用形成的絡(luò)合物a＿S-Val·2H2O（m）＠water，經(jīng)過渡態(tài) a＿TS1·2H2O（m）＠water，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)子從α-碳1C向氨基氮4N的凈遷移，異構(gòu)成氨基質(zhì)子化的中間體產(chǎn)物絡(luò)合物a＿INT1·2H2O（m）＠water。a＿TS1·2H2O（m）＠water的七圓環(huán)結(jié)構(gòu)的氫鍵鍵角1C-20H-25O、25O-22H-24O和24O-2H-4N分別是172.98°、167.07°和160.88°，接近平角，3個(gè)氫鍵均較強(qiáng)；二面角1C-20H-25O-22H、25O-22H-24O-2H和22H-24O-2H-4N 分 別 是 3.95°、-8.46°和-11.67°，均接近平角，因此 a＿TS1·2H2O（m）＠water較穩(wěn)定。又從a＿S-Val·2H2O（m）＠water到a＿TS1·2H2O（m）＠water過程，反應(yīng)活性中心骨架二面角 4N-1C-3C-7C從 126.54°變?yōu)?29.29°，1C-4N從0.146 6 nm增加到0.150 6 nm，骨架形變甚小，因此，a＿TS1·2H2O（m）＠water產(chǎn)生的能壘不會(huì)很高。但從a＿S-Val·2H2O（m）＠water到 a＿TS1·2H2O（m）＠water過程，1C-20H、25O-22H和24O-2H分別從0.109 6、0.098 7和0.100 4 nm增加到0.139 3、0.168 0和0.191 6 nm，3個(gè)化學(xué)鍵大幅的拉伸斷裂畢竟需要一定的能量，因此，a＿TS1·2H2O（m）＠water產(chǎn)生了不是很低的能壘114.26 kJ·mol-1。這遠(yuǎn)低于裸反應(yīng)的能壘257.60 kJ·mol-1，與水汽相環(huán)境下的能壘124.40 kJ·mol-1[8]相比也明顯降低，說明水溶劑對此基元反應(yīng)的助催化作用較好。此過渡態(tài)的22H-24O和2H-54N已基本成鍵，靠近產(chǎn)物，是后過渡態(tài)，此基元反應(yīng)是3質(zhì)子協(xié)同非同步遷移，與水汽相環(huán)境下的3質(zhì)子協(xié)同同步遷移[8]情況有所不同。a＿INT1·2H2O（m）＠water的結(jié)構(gòu)分析表明，4N-1C-7C-8O-90基本共面，形成了5中心派鍵，水分子以及水分子和質(zhì)子化氨基之間形成了較強(qiáng)的氫鍵，水分子和1C之間形成了稍氫鍵，因此a＿INT1·2H2O（m）＠water是稍穩(wěn)定的中間體絡(luò)合物。但 a＿INT1的 α-碳1C是 sp2雜化，處在非滿配狀態(tài)，質(zhì)子化氨基又不穩(wěn)定，因此，a＿INT1·2H2O（m）＠water是壽命很短的中間體產(chǎn)物。

3個(gè)水分子簇作質(zhì)子遷移媒介時(shí)，a＿S-Val·3H2O（m）＠water，經(jīng)過渡態(tài)a＿TS1·3H2O（m）＠water，異構(gòu)成中間體產(chǎn)物絡(luò)合物a＿INT1·3H2O（m）＠water。九圓環(huán)結(jié)構(gòu)過渡態(tài) a＿TS1·3H2O（m）＠water的氫鍵鍵角1C-20H-25O、25O-27H-26O、26O-22H-24O和24O-2H-4N分別是179.38°、176.33°、173.18°和171.60°，趨于平角程度大于a＿TS1·2H2O（m）＠water，4個(gè)氫鍵都很強(qiáng)，這會(huì)使a＿TS1·3H2O（m）＠water穩(wěn)定性更好。但二面角1C-20H-25O-27H、25O-27H-26O-22H、26O-22H-24O-2H和22H-24O-2H-4N分別是 11.93°、-31.43°、-1.34°和-102.41°，其九圓環(huán)結(jié)構(gòu)偏離平角程度大于a＿TS1·2H2O（m）＠water的七圓環(huán)結(jié)構(gòu)，又導(dǎo)致構(gòu)象穩(wěn)定性差。因此綜合看，a＿TS1·3H2O（m）＠water與a＿TS1·2H2O（m）＠water產(chǎn)生的能壘相差不會(huì)太多。結(jié)構(gòu)分析表明，從a＿S-Val·3H2O（m）＠water到 a＿TS1·3H2O（m）＠water過程，反應(yīng)活性中心骨架二面角的變化及化學(xué)鍵的拉伸斷裂情況相似于從a＿S-Val·2H2O（m）＠water到a＿TS1·2H2O（m）＠water過程，不再贅述。a＿TS1·3H2O（m）＠water產(chǎn)生了113.24 kJ·mol-1的能壘，可認(rèn)為與a＿TS1·2H2O（m）＠water產(chǎn)生的能壘114.26 kJ·mol-1相同。這說明3個(gè)水分子簇的催化并不比2個(gè)水分子簇的催化具有優(yōu)勢。過渡態(tài)a＿TS1·3H2O（m）＠water也是后過渡態(tài)，此基元反應(yīng)是4質(zhì)子協(xié)同非同步遷移過程。

對于第二基元反應(yīng)。

a＿INT1·2H2O（m）和 a＿INT1·3H2O（m）的分子間氫鍵解離，a＿INT1在其后面的水分子簇的作用下，實(shí)現(xiàn)質(zhì)子在紙面里從質(zhì)子化氨基向α-碳遷移，完成旋光異構(gòu)。

2個(gè)水分子簇作質(zhì)子遷移媒介時(shí)，a＿INT1與其后面的2個(gè)水分子簇通過氫鍵作用形成的絡(luò)合物a＿INT1·2H2O（n）＠water經(jīng)過渡態(tài) a＿TS2·2H2O（n）＠water，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)子從氨基氮4N向α-碳1C的凈遷移，異構(gòu)成產(chǎn)物絡(luò)合物 a＿P＿R-Val·2H2O（n）＠water，完成旋光異構(gòu)。

過渡態(tài) a＿TS2·2H2O（n）＠water七圓環(huán)結(jié)構(gòu)的氫鍵角4N-2H-24O、24O-22H-25O和25O-20H-1C分 別 是 161.32°、167.10°和173.00°，接近平角；二面角4N-2H-24O-22H、24O-22H-25O-20H和22H-25O-20H-1C分別是13.00°、0.61°和-2.97°，接近平角，因此，a＿TS2·2H2O（n）＠water較穩(wěn)定。從 a＿INT1·2H2O（n）＠water到 a＿TS2·2H2O（n）＠water過程，4N-2H、24O-22H和25O-20H鍵長分別從0.103 9、0.098 5和0.099 0 nm增加到0.103 9、0.100 4和0.124 2 nm，4N-2H的鍵長沒變，其他的增幅也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于從a＿S-Val·2H2O（m）＠water到a＿TS1·2H2O（m）＠water過程鍵長的增幅；又從a＿INT1·2H2O（n）＠water到 a＿TS2·2H2O（n）＠water過程，α-碳1C從sp2雜化變?yōu)闇?zhǔn)sp3雜化，從非滿配向準(zhǔn)滿配狀態(tài)過渡，活性中心骨架的形變會(huì)放熱，因此，越過a＿TS2·2H2O（n）＠water需要的能量很低，只有19.95 kJ·mol-1。過渡態(tài) a＿TS2·2H2O（n）＠water的 4N-2H和24O-22H未斷裂，是成鍵狀態(tài)，其靠近反應(yīng)物是前過渡態(tài)。產(chǎn)物a＿P＿R-Val·2H2O（n）＠water的α-碳1C是sp3雜化，處于滿配狀態(tài)，且a＿P＿R-Val·2H2O（n）＠water存在氨基和羧基之間的分子內(nèi)雙氫鍵和2個(gè)較強(qiáng)的分子間氫鍵，因此，a＿P＿R-Val·2H2O（n）＠water穩(wěn)定。

3個(gè)水分子簇作質(zhì)子遷移媒介時(shí)，a＿INT1·3H2O（n）＠water經(jīng)過渡態(tài) a＿TS2·3H2O（n）＠water，實(shí)現(xiàn)質(zhì)子從氨基氮4N向α-碳1C凈遷移，異構(gòu)成穩(wěn)定的產(chǎn)物絡(luò)合物 a＿P＿R-Val·3H2O（n）＠water。此基元反應(yīng)能壘是17.12 kJ·mol-1，在計(jì)算誤差范圍內(nèi)可認(rèn)為與前面討論的2個(gè)水分子簇作質(zhì)子遷移媒介的能壘19.95 kJ·mol-1相同，反應(yīng)機(jī)理也相似于2個(gè)水分子簇的情況，不再贅述。

由圖3可知：S-Val在a通道旋光異構(gòu)的決速步是第1基元反應(yīng)，2個(gè)和3個(gè)水分子簇作氫遷移媒介時(shí)決速步能壘分別是114.26和113.24 kJ·mol-1，基本相同，說明2個(gè)水分子簇不比3個(gè)水分子簇的催化作用差。這兩個(gè)能壘遠(yuǎn)低于質(zhì)子遷移“極限能壘”167.00 kJ·mol-1[20]，但高于質(zhì)子遷移溫和反應(yīng)的能壘 84.02 kJ·mol-1[20]，說明水液相環(huán)境下，水分子簇的催化可以使Val分子在a通道緩慢地實(shí)現(xiàn)旋光異構(gòu)。

2.1.2 水環(huán)境下，S-Val分子在b通道旋光異構(gòu)的決速步驟 文獻(xiàn)[12]研究表明，在b通道旋光異構(gòu)決速步驟是反應(yīng)的前半程，即質(zhì)子從α-碳向羰基氧遷移的反應(yīng)，為節(jié)省篇幅，水汽及水液相環(huán)境下此通道的旋光異構(gòu)本工作只討論反應(yīng)的前半程，并且只討論2個(gè)和3個(gè)水分子團(tuán)簇作H遷移媒介的情況，反應(yīng)歷程見圖4，反應(yīng)的吉布斯自由能勢能剖面見圖5。

水汽環(huán)境下2個(gè)水分子簇作質(zhì)子遷移媒介時(shí)，首先是S-Val與其羰基氧8O和α-碳上的質(zhì)子19H前面的2個(gè)水分子通過氫鍵作用形成的絡(luò)合物b＿SVal·2H2O（m），經(jīng)過渡態(tài) b＿TS1·2H2O（m），實(shí)現(xiàn)了質(zhì)子從α-碳1C向羰基氧8O的凈遷移，異構(gòu)成羧基質(zhì)子化的中間體產(chǎn)物絡(luò)合物b＿INT1·2H2O（m）。b＿TS1·2H2O（m）的七圓環(huán)結(jié)構(gòu)的氫鍵鍵角1C-19H-20O、20O-24H-21O和21O-22H-8O分別是 164.12°、163.09°和 169.74°，接近平角，3個(gè)氫鍵均較強(qiáng)；二面角1C-19H-20O-24H、20O-24H-21O-22H和24H-21O-22H-8O分別是-18.04°、-13.23°和-25.64°，七圓環(huán)結(jié)構(gòu)偏離平角程度遠(yuǎn)大于 a＿TS1·2H2O（m）的七圓環(huán)結(jié)構(gòu)，因此b＿TS1·2H2O（m）的穩(wěn)定性較a＿TS1·2H2O（m）差。從b＿S-Val·2H2O（m）到b＿TS1·2H2O（m）過程，反應(yīng)活性中心骨架二面角3N-1C-2C-6C從129.00°變?yōu)?41.68°，骨架形變大于從 a＿S-Val·2H2O（m）到 a＿TS1·2H2O（m）過程，

因此，b＿TS1·2H2O（m）產(chǎn)生的能壘會(huì)高于a＿TS1·2H2O（m）。從 b＿S-Val·2H2O（m）到 b＿TS1·2H2O（m）過程，1C-19H、20O-24H和21O-22H分別從0.109 9、0.097 8和0.097 9 nm增加到0.142 9、0.130 0和0.122 8 nm，3個(gè)化學(xué)鍵的拉伸斷裂尤其1C-19H大幅度的拉伸需要一定的能量，因此，b＿TS1·2H2O（m）產(chǎn)生的能壘大于 a＿TS1·2H2O（m）產(chǎn)生的能壘許多，是163.86 kJ·mol-1。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于裸反應(yīng)此通道的能壘314.40 kJ·mol-1[8]，說明水2個(gè)水分子簇對此基元反應(yīng)的催化作用極好。b＿INT1·2H2O（m）的結(jié)構(gòu)分析表明，3N-1C-6C-7O-8O趨于共面，形成了基本共軛的5中心派鍵，水分子以及水分子和質(zhì)子化羧基之間形成了比較強(qiáng)的氫鍵，水分子和1C之間也形成了稍弱的氫鍵，因此，b＿INT1·2H2O（m）是稍穩(wěn)定的中間體產(chǎn)物絡(luò)合物。但b＿INT1的α-碳1C是 sp2雜化，處在非滿配狀態(tài)，質(zhì)子化的羧基又不穩(wěn)定，因此，b＿INT1·2H2O（m）是中間體產(chǎn)物，壽命很短。

圖4 水環(huán)境下S-Val分子在b通道旋光異構(gòu)反應(yīng)的前半程及駐點(diǎn)結(jié)構(gòu)Fig.4 The first half section of reaction process of optical isomerization and stationary point structures of S-Val molecules in channel b in water environment

圖5 水環(huán)境下S-Val分子在b通道旋光異構(gòu)反應(yīng)前半程的吉布斯自由能勢能面Fig.5 Gibbs free energy sectional surfaces diagram of the first half section of optical isomerization reaction of S-Val molecule in channel b in water environment

溶劑化計(jì)算表明，液相環(huán)境 b＿TS1·2H2O（m）＠water產(chǎn)生的能壘是159.84 kJ·mol-1，與b＿TS1·2H2O（m）產(chǎn)生的能壘163.86 kJ·mol-1相比沒有明顯降低，說明水溶劑效應(yīng)對此基元反應(yīng)的助催化作用極小。

3個(gè)水分子簇作質(zhì)子遷移媒介時(shí)，水汽相b＿TS1·3H2O（m）產(chǎn) 生 的 能 壘 是 159.26 kJ·mol-1，與2個(gè)水分子簇作質(zhì)子遷移媒介的b＿TS1·2H2O（m）產(chǎn)生的能壘163.86 kJ·mol-1相比較沒有明顯降低，說明3個(gè)水分子簇與2個(gè)水分子簇對此基元反應(yīng)的催化作用差別不明顯。溶劑化效應(yīng)的計(jì)算表明，水液相環(huán)境下b＿TS1·3H2O（m）＠water產(chǎn)生的能壘是154.17 kJ·mol-1，與水汽相b＿TS1·3H2O（m）產(chǎn)生的能壘159.26 kJ·mol-1相比較并沒有明顯降低，說明水溶劑效應(yīng)對此基元反應(yīng)影響也甚小。

從圖5看知，汽相和液相環(huán)境b通道的決速步能壘均接近或比較接近質(zhì)子遷移的 “極限能壘”167.00 kJ·mol-1[20]，這說明水汽相和液相環(huán)境水分子簇的催化只能使Val分子在b通道痕量地旋光異構(gòu)。

2.1.3 水環(huán)境下，S-Val分子在c通道旋光異構(gòu)的前半程 文獻(xiàn)[8]的研究表明，在c通道旋光異構(gòu)的決速步驟是第二基元反應(yīng)，是質(zhì)子從α-碳向新羰基氧遷移反應(yīng)，位于前半程，為節(jié)省篇幅，此通道的旋光異構(gòu)只討論反應(yīng)的前半程，由于3個(gè)水分子團(tuán)簇作H遷移媒介并不具有明顯的優(yōu)勢，因此只討論2個(gè)水分子團(tuán)簇作H遷移媒介的情況，反應(yīng)歷程見圖6，反應(yīng)過程的吉布斯自由能勢能剖面見圖7。

首先是第一基元反應(yīng)，S-Val與其羧基右側(cè)的2個(gè)水分子簇通過氫鍵作用形成的絡(luò)合物c＿S-Val·2H2O（l），經(jīng)過渡態(tài) c＿TS1·2H2O（l），實(shí)現(xiàn)了羧基內(nèi)的質(zhì)子凈遷移，異構(gòu)成中間體產(chǎn)物絡(luò)合物c＿INT1·2H2O（l）。c＿TS1·2H2O（l）的七圓環(huán)結(jié)構(gòu)的氫鍵鍵角8O-22H-25O、25O-21H-20O和 20O-19H-7O分別是 174.15°、161.63°和174.45°，接近平角程度好于前面的過渡態(tài)結(jié)構(gòu)，3個(gè)氫鍵均較強(qiáng)；二面角8O-22H-25O-21H、25O-21H-20O-19H和21H-20O-19H-7O分別是-10.59°、-20.26°和10.19°，七圓環(huán)結(jié)構(gòu)接近平角程度較好。從c＿S-Val·2H2O（l）到c＿TS1·2H2O（l）過程，反應(yīng)活性中心骨架二面角1C-6C-8O-7O從179.34°變?yōu)?79.29°，骨架幾乎沒有形變，c＿TS1·2H2O（l）產(chǎn)生的能壘可能會(huì)較低。又從 c＿S-Val·2H2O（l）到 c＿TS1·2H2O（l）過程，8O-22H、25O-21H和20O-19H分別從0.100 5、0.098 7和0.098 3 nm增加到0.132 7、0.121 1和0.111 9 nm，3個(gè)化學(xué)鍵的拉伸幅度較小，因此c＿TS1·2H2O（l）產(chǎn)生的能壘較小，是45.84 kJ·mol-1，比此基元裸反應(yīng)能壘127.40 kJ·mol-1顯著降低[12]，說明水分子簇起了極好的催化作用。水溶劑效應(yīng)又使該能壘進(jìn)一步降到34.97 kJ·mol-1，降幅為23.8%，說明水溶劑效應(yīng)對該反應(yīng)起了較好的助催化作用。

然后是第二基元反應(yīng)，c＿INT1·2H2O（l）與水分子的氫鍵解離，2個(gè)水分子簇在c＿INT1的前面與α-碳1C上的質(zhì)子19H及新羰基氧8O通過氫鍵作用形成的中間體反應(yīng)物絡(luò)合物c＿INT1·2H2O（m），經(jīng)過渡態(tài)c＿TS2·2H2O（m），實(shí)現(xiàn)了質(zhì)子從α-碳1C向新羰基氧8O的凈遷移，異構(gòu)成中間體產(chǎn)物絡(luò)合物c＿INT1·2H2O（m）。反應(yīng)機(jī)理相似于前面討論的b通道的第一基元反應(yīng)，反應(yīng)能壘是163.28 kJ·mol-1，

這比此基元裸反應(yīng)能壘298.70 kJ·mol-1顯著降低[8]，說明水分子簇對該反應(yīng)起了極好的催化作用。水溶劑環(huán)境下該能壘是162.07 kJ·mol-1，幾乎沒變，說明水溶劑效應(yīng)對該反應(yīng)沒有助催化作用。

圖6 水環(huán)境下S-Val分子在c通道旋光異構(gòu)反應(yīng)的前半程及駐點(diǎn)結(jié)構(gòu)Fig.6 The first half section of reaction process of optical isomerization and stationary point structures of S-Val molecules in channel c in water environment

圖7 水環(huán)境下S-Val分子在c通道旋光異構(gòu)反應(yīng)前半程的吉布斯自由能勢能面Fig.7 Gibbs free energy sectional surfaces diagram of the first half section of optical isomerization reaction of S-Val molecule in channel c in water environment

從圖7可以看出，水汽相和液相環(huán)境c通道的決速步能壘分別是163.28和162.07 kJ·mol-1，已經(jīng)很接近質(zhì)子遷移的 “極限能壘”167.00 kJ·mol-1[20]，這說明水汽相和液相環(huán)境下，水分子簇的催化只能使Val分子在c通道痕量地旋光異構(gòu)。

2.2 水環(huán)境下羥自由基抽氫致纈氨酸損傷機(jī)理

研究表明，羥自由基水分子鏈在羥自由基奪取α-氫時(shí)可致纈氨酸損傷，反應(yīng)發(fā)生在a通道，水汽環(huán)境和液相環(huán)境下的機(jī)理不同，反應(yīng)歷程見圖8，反應(yīng)過程的勢能面剖面見圖9，下面分別討論：

水汽環(huán)境下，S-Val與4N和20H前面的水分子和羥自由基通過氫鍵作用形成前驅(qū)絡(luò)合物a＿SVal·[（OH·）·H2O]，a＿S-Val·[（OH·）·H2O]經(jīng)過渡態(tài) a＿TS·[（OH·）·H2O]得到產(chǎn)物絡(luò)合物 a＿P*·2H2O。a＿P*的手性已經(jīng)不存在，不具有纈氨酸的特性，即是損傷的纈氨酸。

圖8 水環(huán)境下水分子與羥基自由基鏈致纈氨酸損傷的反應(yīng)過程及駐點(diǎn)結(jié)構(gòu)Fig.8 The reaction and structures of stationary point structures of water molecules and hydroxyl radical chains induce valine damage in water environment

圖9水環(huán)境下水分子與羥基自由基鏈致纈氨酸損傷反應(yīng)過程的勢能面示意圖Fig.9 Gibbs free energy sectional surfaces diagram of water molecules and hydroxyl radical chains induce valine damage in water environment

從圖 8（A）以及對 a＿TS·[（OH·）·H2O]做的IRC計(jì)算可以看出，此反應(yīng)過程是單質(zhì)子遷移過程，水分子并沒有參與反應(yīng)，只是起到了穩(wěn)定羥自由基空間位置的作用。使羥自由基得以實(shí)現(xiàn)抽取α-碳上的氫的目的，從而使纈氨酸損傷。過渡態(tài)a＿TS·[（OH·）·H2O]的氫鍵角 1C-20H-23O是 172.82°，過渡態(tài)較穩(wěn)定，又 a＿S-Val·[（OH·）·H2O]到 a＿TS·[（OH·）·H2O]過程，1C-20H從0.109 9 nm增加到0.114 6 nm，增幅較小。又反應(yīng)活性中心骨架二面角4N-1C-3C-7C從126.20°變?yōu)?27.21°，1C-4N從0.147 4 nm微縮到0.145 6 nm，骨架基本沒有形變，因此，a＿TS·[（OH·）·H2O]產(chǎn)生的能壘較低，只有25.34 kJ·mol-1。對產(chǎn)物絡(luò)合物a＿P*·2H2O進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析表明，水分子以及水分子和a＿P*的羧基存在較強(qiáng)的氫鍵，水分子和a＿P*的氨基以及甲基存在弱氫鍵，且4N、1C、7C、8O和9O形成了共軛大派鍵，因此a＿P*·2H2O的穩(wěn)定性遠(yuǎn)好于a＿SVal·[（OH·）·H2O]。

水溶劑環(huán)境下，a＿S-Val·[（OH·）·H2O]＠water經(jīng)過渡態(tài) a＿TS·[（OH·）·H2O]＠water得到纈氨酸損傷的產(chǎn)物絡(luò)合物a＿P*·2H2O＠water。此過程水分子參與了反應(yīng)，對a＿TS·[（OH·）·H2O]＠water進(jìn)行的IRC計(jì)算表明，此過程是3質(zhì)子協(xié)同非同步遷移，這導(dǎo)致溶劑環(huán)境下S-Val損傷的能壘會(huì)高于水汽相的。又NBO電荷計(jì)算表明，由于 a＿TS·[（OH·）·H2O]＠water的氨基已經(jīng)質(zhì)子化，正負(fù)電荷中心分離程度大于a＿TS·[（OH·）·H2O]，其穩(wěn)定性弱于 a＿TS·[（OH·）·H2O]。所以 a＿TS·[（OH·）·H2O]＠water產(chǎn)生的能壘一定會(huì)高于a＿TS·[（OH·）·H2O]產(chǎn)生的能壘許多。

a＿TS·[（OH·）·H2O]＠water七圓環(huán)結(jié)構(gòu)的氫鍵鍵角1C-20H-23O、23O-21H-22O和22O-2H-4N分別是 168.99°、167.89°和 163.25°，接近平角，3個(gè)氫鍵均較強(qiáng)；二面角1C-20H-23O-21H、23O-21H-22O-2H和21H-22O-2H-4N分別是30.61°、-14.66°和-5.04°，均接近平角，因此 a＿TS·[（OH·）·H2O]＠water較穩(wěn)定。又從 a＿S-Val·[（OH·）·H2O]＠water到 a＿TS·[（OH·）·H2O]＠water過程，反應(yīng)活性中心骨架二面角4N-1C-3C-7C從 126.48°變?yōu)?128.70°，1C-4N從0.146 7 nm增到0.149 3 nm，骨架形變微小，因此，a＿TS·[（OH·）·H2O]＠water產(chǎn)生的能壘不會(huì)很高。但從a＿S-Val·[（OH·）·H2O]＠water到a＿TS·[（OH·）·H2O]＠water過程，1C-20H、23O-21H和22O-2H分別從0.109 6、0.101 2和0.100 8 nm增加到0.123 8、0.153 0和0.173 1 nm。結(jié)構(gòu)分析表明，這3個(gè)化學(xué)鍵拉伸的幅度小于a＿SVal·2H2O＠water到 a＿TS·2H2O＠water許多。因此，a＿TS·[（OH·）·H2O]＠water產(chǎn)生的能壘雖然不會(huì)很低，但是會(huì)低于a＿TS·2H2O＠water產(chǎn)生的能壘許多，是83.31 kJ·mol-1。與水汽相環(huán)境的能壘25.34 kJ·mol-1相比明顯升高，說明水溶劑效應(yīng)起了較大的阻礙作用。結(jié)構(gòu)分析表明a＿P*·2H2O＠water構(gòu)象穩(wěn)定性很好。

從圖9可以看出，水汽相環(huán)境下纈氨酸損傷的能壘已遠(yuǎn)低于質(zhì)子遷移溫和反應(yīng)的能壘84.02 kJ·mol-1[20]，這說明水汽環(huán)境下羥自由基的存在可以使Val分子在a通道迅速地?fù)p傷。水液相環(huán)境下纈氨酸損傷的能壘也略低于質(zhì)子遷移溫和反應(yīng)的能壘84.02 kJ·mol-1[20]，水液相環(huán)境下羥自由基致 Val分子在a通道損傷的速度也較快，這說明生命體內(nèi)羥自由基是纈氨酸損傷的殺手。

過渡態(tài) a＿TS·[（OH·）·H2O]＠water連接的產(chǎn)物是a＿P*·2H2O＠water，是乎令人費(fèi)解，對過渡態(tài)的IRC計(jì)算，證明了a＿P*·2H2O＠water的確是a＿TS·[（OH·）·H2O]＠water連接的局域極小點(diǎn)。從過渡態(tài)的IRC路徑上取了幾個(gè)重要的結(jié)構(gòu)，并對這些結(jié)構(gòu)做了NBO電荷計(jì)算，比較清晰地說明了從過渡態(tài)a＿TS·[（OH·）·H2O]＠water到產(chǎn)物a＿P*·2H2O＠water的簡明過程，見圖10。

首先，質(zhì)子20H向氧負(fù)離子23O遷移，同時(shí)質(zhì)子2H與4N鍵拉伸斷裂，向氫氧根22O-24H的氧遷移，質(zhì)子21H極緩慢地向23O遷移。然后，20H較快地向23O移動(dòng)并與之成鍵，形成氫氧根23O-20H。接著21H快速地向23O遷移并與之成鍵，形成水分子20H-21H-23O，這同時(shí)伴隨著2H向22O緩慢移動(dòng)。再接下來是2H快速遷移到22O上，形成水分子24H-2H-22O，損傷產(chǎn)物的水分子絡(luò)合物雛形形成。最后，產(chǎn)物水分子絡(luò)合物雛形繼續(xù)異構(gòu)，得到穩(wěn)定的損傷產(chǎn)物絡(luò)合物a＿P*·2H2O＠water。從過渡態(tài) a＿TS·[（OH·）·H2O]＠water到產(chǎn)物 a＿P*·2H2O＠water，α-碳從負(fù)電性變?yōu)檎娦?，絡(luò)合物a＿P*·2H2O的a＿P*和2個(gè)H2O均為電中性，是穩(wěn)定的產(chǎn)物。

圖 10 水液相環(huán)境下從過渡態(tài) a＿TS·[（OH·）·H2 O]到產(chǎn)物 a＿P*·2H2 O的簡明過程Fig.10 A brief process from the transition state TS3·[（OH·）·H2 O]to product P*·2H2O in water liquid phase environment

3 結(jié) 論

綜上得到如下結(jié)論：

1）水環(huán)境下纈氨酸的旋光異構(gòu)有3個(gè)通道a、b和c，分別是質(zhì)子以氨基氮、羰基氧和羧基為橋遷移，a通道具有優(yōu)勢；水分子輔助羥自由基抽氫致纈氨酸損傷發(fā)生在a通道。

2）水分子簇對旋光異構(gòu)反應(yīng)有極好的催化作用，水溶劑效應(yīng)在優(yōu)勢a通道有較好的助催化作用，對b和c通道影響不大。S-Val分子在a通道旋光異構(gòu)的決速步驟是第1基元反應(yīng)，水液相環(huán)境下2個(gè)和3個(gè)水分子簇作氫遷移媒介時(shí)的決速步能壘分別是114.26和113.24 kJ·mol-1，說明生命體內(nèi)纈氨酸的旋光異構(gòu)可以緩慢地在a通道實(shí)現(xiàn)。

3）水汽相環(huán)境纈氨酸損傷的能壘是25.34 kJ·mol-1，說明水汽環(huán)境下羥自由基的存在可以使Val分子迅速地?fù)p傷。水液相環(huán)境下纈氨酸損傷的能壘是83.81 kJ·mol-1，水溶劑效應(yīng)對此反應(yīng)雖然有較大的阻礙作用，但生命體內(nèi)的水液相環(huán)境下，羥自由基也可致Val分子較快地?fù)p傷。

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