Lys分子的旋光异构及羟自由基致损伤机理*

刘戎，王佐成，杨晓翠，高峰，闫红彦，佟华

(1.白城师范学院化学学院，吉林 白城137000; 2.白城师范学院物理学院，吉林 白城 137000；3.白城师范学院计算机科学学院，吉林 白城137000)

赖氨酸(lysine，Lys)是生命体极其重要的必须氨基酸，根据其构象和旋光性的不同，分为左旋赖氨酸(S-Lys)和右旋赖氨酸(R-Lys)两种异构体，在生命体内S-Lys具有活性，是优构体，R-Lys无活性，是劣构体。S-Lys对改善免疫系统、降低甘油三酯和促进吸收钙等具有重要作用，也用作食品添加剂，补充生命体内的S-Lys，R-Lys主要用在生物化学研究。

由于Lys具有重要作用，科研工作者对它进行了比较广泛的研究。文献[1]研究了S-Lys在水溶液中的构象。文献[2]研究了S-Lys与还原糖美拉德反应的产物的理化特性和抗氧化活性。文献[3-6]研究了裸环境、MOR分子筛以及扶手椅型单壁碳纳米管限域环境下，具有氨基和羧基之间的分子内双氢键的Lys分子的手性转变机理。研究发现，以氨基氮为质子迁移媒介进行旋光异构的反应通道具有绝对优势。其裸反应优势通道上的决速步吉布斯自由能垒为252.60 kJ·mol-1；MOR分子筛12元环孔道的限域催化作用，使优势通道上的决速步吉布斯自由能垒降为229.78 kJ·mol-1；在SWCNT(5,5)内，优势通道上的决速步吉布斯自由能垒被降到192.81 kJ·mol-1。

文献[7]研究表明，氨基酸的羟基与氨基之间为分子内单氢键时氨基酸分子构型最稳定，文献[8]的研究表明，水溶剂在有机反应中起着很重要的作用。基于此，考虑到生命体是富水环境，并有少量的对生物体危害极大的羟基自由基存在[9]，本工作研究了Lys分子的最稳构型旋光异构裸反应、水分子簇的催化、羟自由基致赖氨酸损伤和水溶剂效应。

1 研究与计算方法

采用密度泛函理论的B3LYP[10]方法，选用6-31+G(d, p)基组，优化标题反应驻点结构。水溶剂环境下，S型Lys与2个水分子通过氢键作用形成的络合物记作S-Lys·2H2O@water，其它体系表示法相似。通过对过渡态[11]进行内禀反应坐标(IRC)[12]计算，对过渡态进行确认。为计算出高水平的反应过程势能面，采用微扰理论的MP2方法[13]，在MP2/6-311++G(3df, 2pd)水平计算体系的单点能。溶剂化单点能利用气相结构采用自洽反应场(SCRF)理论的smd模型方法[14]计算。利用Etotal=ESP+EZPV(ESP为单点能，EZPV为零点振动能，Etotal为总能量)计算总能量。计算均由Gaussian09[15]程序完成。

2 结果与讨论

2.1 赖氨酸分子旋光异构裸反应机理

在B3LYP/6-31+G(d,p)水平上计算的具有氨基和羧基间单氢键的Lys分子手性对映体的几何构象，见图1。从图1的A和C可以看出，实现Lys分子从S型向R型的构象转变，就是实现质子12H从手性碳1C的外侧向里侧迁移。研究表明，羧基异构与质子迁移分步进行和协同进行机理的通道a和b，相对于其他通道(12H以羰基氧10O为桥迁移和11H先迁移到氨基氮后12H再以羰基氧9O为桥迁移的通道)均具有较大的优势，篇幅所限，本工作只对通道a和b进行讨论。

图1 S型与R型赖氨酸分子的几何结构lFig.1 The geometries of S-type and R-type lysine molecule

在a通道的反应历程，见图2A，反应势能面见图3。

首先是羧基异构，S-Lys经过渡态a_S-TS1，羟基上的11H绕8C-9O键旋转到羧基内侧(二面角11C-9O-8C-10O从179.58°变为-1.71°)，同时，氨基的6H和7H绕1C-5N键轴俯视顺时针稍许旋转(二面角6H-5N-1C-12H从-22.59°变为-58.01°)，异构成中间体产物a_S-INT1。a_S-INT1的氨基氮6N朝向读者的一面裸露出来(负电荷密度增大)，获得质子的能力增强。此过程无断键，反应活性中心骨架结构也基本没变(二面角5N-1C-3C-8C从124.42°变为125.15°，二面角1C-8C-10O-9O从-178.14°变为176.88°)，只是两个二面角异构。因此，a_S-TS1产生的能垒不太高，只有49.10 kJ·mol-1。

然后，a_S-INT1的手性碳上的12H经过渡态a_TS2沿虚频振动的正方向迁移到6N上，异构成氨基质子化的产物中间体a_INT2。在a_S-INT1到a_TS2过程，1C-12H键长从0.109 48 nm增加到0.137 12 nm断裂，增幅是0.027 64 nm；1C-6N键长从0.146 25 nm增加到0.158 64 nm，增幅 0.012 39 nm；反应活性中心骨架二面角5N-1C-3C-8C从125.15°增加到142.02°，增幅是16.87°。两个化学键较长的拉伸和骨架结构明显的形变需要一定的能量，因此a_TS2产生了较高的能垒，能垒值是259.90 kJ·mol-1。质子从1C迁移到5N形成的中间体a_INT2，正负电荷的分离和氨基的质子化导致a_INT2结构不稳定，处在势能面较高的位置上。

接着是a_INT2经过渡态a_TS3异构成中间体a_R-INT3，实现旋光异构。从a_INT2到a_TS3过程，5N-6H键长从0.103 26 nm增加到0.116 66 nm断裂，增幅是0.013 40 nm；1C-6N键长从0.148 81 nm增加到0.159 99 nm，增幅0.011 18 nm。此过程两个化学键的增幅小于a_S-INT1到a_TS2过程许多，

并且反应活性中心骨架二面角5N-1C-3C-8C从160.17°增加到-146.28°，1C从sp2杂化向sp3杂化过渡，是放热过程。因此，过渡态a_TS3产生的能垒远小于过渡态a_TS2产生的能垒，只有110.32 kJ·mol-1。

最后，a_R-INT3经过12H和7H左右摆动的过渡态a_R-TS4异构成中间体a_R-INT4，a_R-INT4经过和a_S-TS1相似的过渡态a_R-TS5，11H绕8C-9O键从羧基内侧转到外侧，异构成产物a_P_R-Lys。这两个基元反应只是二面角异构，无断键且骨架形变很小，需要越过的能垒都较低，分别是17.77和40.09 kJ·mol-1。结构分析表明，a_P_R-Lys的氨基和羧基之间形成了分子内较强的单氢键，a_P_R-Lys是最稳定产物的构型。

S-Lys在b通道旋光异构反应的部分历程见图2B，反应势能面见图3。首先，S-Lys经12H从α-碳向氨基氮5N迁移与11H绕8C-9O旋转协同进行的过渡态b_TS1，异构成中间体b_INT1。从S-Lys到b_TS1过程，1C-12H键长从0.109 80 nm增加到0.139 74 nm断裂，增幅是0.029 94 nm；1C-6N键长从0.147 81 nm增加到0.160 23 nm，增幅 0.012 42 nm；反应活性中心骨架二面角5N-1C-3C-8C从124.42°增加到141.17°，增幅是16.75°。两个化学键长的增幅度高于a_S-INT1到a_TS2过程，形变需要的能量较高，羟基的旋转异构也需要一定的能量，因此a_TS2产生了较高的能垒，能垒是311.07 kJ·mol-1。结构分析表明：b_INT1全同于a_INT2。其以后的异构过程同于a_INT2的异构过程，不再赘述。

由图3看出：S-Lys旋光异构裸反应的a通道为主反应通道，决速步骤是第2个基元反应，决速步能垒是259.90 kJ·mol-1，来源于质子从手性碳向氨基氮转移的过渡态。259.90 kJ·mol-1的能垒远高于质子迁移的“极限能垒”167.00 kJ·mol-1[16]，常温下难以逾越，这说明通常情况下Lys分子具有稳定性。

2.2 水和羟自由基对Lys分子异构反应的影响

2.2.1 水分子簇对Lys分子旋光异构的催化和水分子羟自由基链致赖氨酸损伤 以往的研究表明[4]，水分子对氨基酸旋光异构过程中的氢迁移异构反应具有催化作用，并且2个水分子簇催化作用远远好于单个水分子，与3个水分子簇的催化作用相差很小。因此，研究了2个水分子簇催化主反应通道氢迁移反应，反应历程见图4的A和B，势能面见图5。

首先，a_S-INT1与1C、5N和25H右侧的2个水分子通过氢键作用形成前驱络合物a_S-INT1·2H2O(m)(m表示水分子簇在右边与底物络合)，氢键能是65.09 kJ·mol-1。a_S-INT1·2H2O(m)经过渡态a_TS2·2H2O(m)，实现了质子从手性碳向氨基氮的净迁移，异构成中间体络合物a_INT2·2H2O(m)。七圆环过渡态a_TS2·2H2O(m)的氢键键角1C-25H-30O、30O-26H-29O和29O-12H-5N分别是164.80°、160.94°和168.63°，接近平角，氢键较强；二面角1C-25H-30O-26H、30O-26H-29O-12H和29O-12H-5N-1C分别是16.06°、1.09°和10.34°，接近平角，因此a_TS2·2H2O(m)比较稳定。又从a_S-INT1·2H2O(m)到a_TS2·2H2O(m)过程，反应活性中心骨架二面角5N-1C-3C-8C从128.96°变为126.81°，骨架基本没形变。因此a_TS2·2H2O(m)产生的能垒不高。

图2 在B3LYP/6-31+g(d,p)水平上的赖氨酸手性转变路径及路径上的驻点Fig.2 The chiral transferred path and stationary points of lysine in B3LYP/6-31+g(d,p) level

但从a_S-INT1·2H2O(m)到a_TS2·2H2O(m)过程，1C-25H、30O-26H和29O-12H分别从0.110 23、0.097 33和0.098 92 nm增加到0.133 27、0.144 51和0.159 14 nm，3个化学键的断裂需要一定的能量，a_TS2·2H2O(m)产生的能垒是145.80 kJ·mol-1。这比裸反应的情形降低了43.9%，说明2个水分子簇有较好的催化作用，但这比文献[4]研究的2个水分子簇催化羟基与氨基之间为分子内双氢键的Lys分子在此通道的决速步能垒123.9 kJ·mol-1略高，说明水汽环境下本文研究的Lys分子的异构要困难些。a_INT2·2H2O(m)脱去水分子，需要克服的氢键能是100.43 kJ·mol-1。

图3 S-Lys分子的旋光异构反应势能面示意图Fig.3 Schematic diagram of the potential energy surface of the optical isomer of S-Lys molecule

然后，a_INT2·2H2O(m)脱去水分子，在与左侧的2个水分子簇通过氢键作用形成络合物a_INT2·2H2O (n)(n表示水分子簇在左边与底物络合)，氢键能是89.08 kJ·mol-1。a_INT2·2H2O (n) 经过渡态a_TS3·2H2O(n)，实现了质子从氨基氮向手性碳的净迁移，异构成中间体络合物a_R-INT3·2H2O(n),完成旋光异构。过渡态a_TS3·2H2O(n)的七圆环结构的氢键角1C-26H-29O、29O-28H-25O和25O-24H-5N分别是161.71°、160.54°和161.40°，接近平角；二面角1C-26H-29O-28H和29O-28H-25O-24H分别是26.30°和8.55°，接近平角，a_TS3·2H2O(n)比较稳定。从a_INT2·2H2O (n)到a_TS3·2H2O(n)过程，5N-24H、25O-28H和29O-26H分别从0.104 25、0.099 14和0.100 85 nm增加到0.106 82、0.104 83和0.130 28 nm，增幅远小于从a_S-INT1·2H2O(m)到a_TS2·2H2O(m)过程相应的化学键的增幅。因此，a_TS3·2H2O(n)产生的能垒较低，只有13.52 kJ·mol-1。决速步能垒145.80 kJ·mol-1已经低于质子迁移的“极限能垒”167.00 kJ·mol-1[16]许多，说明水汽相环境下赖氨酸可以缓慢地消旋化。

134.22 kJ·mol-1已经低于质子迁移的“极限能垒”167.00 kJ·mol-1[16]许多，再加上产物a_INT2*·2H2O非常稳定，说明水汽相环境下，羟自由基的存在可导致赖氨酸损伤。这和文献[4]研究的羟自由基的存在可使羟基与氨基之间为分子内双氢键的Lys分子旋光异构迥然不同。综合本工作和文献[4]的研究说明：水分子羟自由基链对不同构象的Lys分子可能会产生截然不同的作用。

2.2.2 水溶剂环境下赖氨酸分子旋光异构及羟自由基致损伤 用水汽相环境下，2个水分子簇催化的赖氨酸分子旋光异构及羟自由基致损伤反应过程的各个驻点，计算溶剂化单点能，加上气相的零点振动能，得到了水溶剂环境下赖氨酸分子旋光异构及羟自由基致损伤反应过程的势能剖面，见图5@water曲线。

比较图3和图5的A与B可知，溶剂效应对非质子迁移过程影响很小，水分子簇的催化与水溶剂效应(助催化)的共同作用，使决速步能垒降到111.22 kJ·mol-1。此能垒已远低于质子迁移的“极限能垒”167.00 kJ·mol-1[16]，这说明水溶剂相环境下，左旋赖氨酸可以缓慢实现旋光异构，生命体必须适量地补充左旋赖氨酸。

从图5C可以看出，水溶剂环境羟自由基和水分子链致赖氨酸损伤的能垒降到32.62 kJ·mol-1，已远低于质子迁移温和反应的能垒84.02 kJ·mol-1 [16]，这说明羟自由基的存在会使赖氨酸迅速地损伤。

图5 水环境下S-Lys分子旋光异构及羟自由基致损伤的势能面示意图Fig.5 Schematic diagram of potential energy surface of S-Lys molecule and hydroxyl radical damage in water environment

3 结 论

反应通道研究发现：具有氨基和羧基间单氢键的赖氨酸分子的旋光异构反应有2个通道a和b，分别是羧基异构和质子迁移分步和协同进行。势能面计算表明：路径a具有优势，水分子簇的催化可以使赖氨酸缓慢地消旋化，羟自由基和水分子链可导致赖氨酸损伤；水溶剂效应会进一步加速赖氨酸的消旋，生命体必须不断地补充左旋赖氨酸；水溶剂环境下，羟自由基的存在会使赖氨酸迅速地损伤，人们应尽最大的努力减少体内的羟自由基。

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