天冬氨酸分子在水环境下手性转变机理的理论研究

闫红彦，姜丽莎，佟　华，王佐成，刘　芳，马宏源

(1. 白城师范学院 计算机科学学院，白城 137000; 2. 辽宁师范大学 化学与材料学院，大连 116000；3. 白城师范学院 物理学院，白城 137000)



天冬氨酸分子在水环境下手性转变机理的理论研究

闫红彦1，姜丽莎2，佟华3，王佐成3，刘芳3，马宏源3

(1. 白城师范学院 计算机科学学院，白城 137000; 2. 辽宁师范大学 化学与材料学院，大连 116000；3. 白城师范学院 物理学院，白城 137000)

摘要：使用密度泛函理论的B3LYP方法和微扰理论的MP2方法，溶剂效应采用离散与连续介质模型，研究了天冬氨酸分子在水环境下的手性转变.反应通道研究发现： 天冬氨酸分子在水环境下的手性转变有4个反应通道a，b，c，d.a是以氨基N为桥实现质子转移；b是顺次以羰基O和氨基N为桥实现质子转移；c是只以羰基O为桥实现质子转移；d是羧基内质子迁移后，质子再以羰基O为桥从手性碳的一侧转移到另一侧.势能面计算表明： a通道是最佳通道，3个水分子构成的链作氢迁移媒介，使最高能垒降到108.9kJ·mol-1，对水分子作桥的质子迁移，远程效应不明显；对非质子转移反应，远程作用溶剂效应使能垒明显升高.结果表明： 考虑到温度的涨落和分子频繁碰撞等因素，左天冬氨酸在生命体内可以少部分异构成右旋体；水环境下质子迁移反应，可以忽略溶剂的远程效应.

关键词:天冬氨酸； 手性转变； 溶剂效应； 密度泛函理论； 过渡态； 微扰理论

根据旋光性的不同，天冬氨酸(Asp)可分为左旋、右旋和外消旋三种类型，按构象的不同，可分为S和R型.左旋体具有生理活性，是组成蛋白质的成分之一, 它的存在可以保持蛋白质的稳定性[1-2].在医药上, S-Asp盐酸盐具有恢复肝功的作用, 用于治疗放射性药物中毒和肝炎等疾病[3-4].在食品工业，它可应用于增香剂、发色剂、油脂抗氧剂和保鲜剂[5-6].R-Asp可作为大肠杆菌的强抑制剂[7]、对急性酒精中毒具有缓解作用[8]、可作为手性药物的重要中间体[9]和头孢类抗生素的合成原料[10], 还是生产具有美白、润肤、消炎、祛斑、抗皱等功效的化妆品的原料[11].

由于Asp具有重要作用，学者对它进行了更广泛的研究.F D Gillin和 L S Diamond[12]的研究表明，色素细胞中所含有的具有巯基(—SH)基团的S-Asp，可调节黑色素的生成.李娟娟等人[13]研究了S-Asp包覆ZnS纳米粒子对诺氟沙星荧光强度的影响.李树白等人[14]进行了S-Asp对酪氨酸酶的抑制动力学的研究表明： S-Asp对酪氨酸酶单酚酶和二酚酶活性均有抑制作用.郝雅琼等人[15]利用表面增强拉曼散射光谱研究了Asp分子在银基底表面的吸附方式、作用机理.文献[16-17]的研究表明，S-Asp手性转变反应有四个通道，质子以氨基N为桥转移是最具优势通道，最高能垒为258.2kJ·mol-1，2个水分子构成的链作为H迁移媒介，使能垒降为117.1kJ·mol-1; 水溶剂效应使手性碳向氨基氮和羧基内的氢转移反应能垒略有升高.

虽然人们对Asp进行的研究已比较广泛，但对于其水环境下手性转变过程的研究却未见报道.生命体内Asp分子广泛地存在与水环境中，研究其在水环境下的手性转变，对于解释生命体内右Asp的存在，以及研究其在纳米孔道与水复合环境下的手性转变均具有重要意义.本工作系统地研究了水环境下 S-Asp 分子向R-Asp分子异构的反应机理，对重要的氢迁移过程，同时考虑到水作为离散介质和连续介质的共同作用，从理论上给出了更切合实际的水环境对质子转移过程的影响.

1研究与计算方法

考虑到长程的相互作用，采用CAM( Coulomb-attenuated hybrid exchange-correlation functional)结合 DFT的杂化密度泛函(长程校正泛函)CAM-B3LYP[18-19]方法，基组选用6-31+g(d,p)，全优化S-Asp向R-Asp异构过程的各驻点.通过对过渡态[20-22]进行内禀反应坐标(IRC)[23-24]计算，对过渡态进行确认.采用微扰理论的MP2方法[25-26]，选择6-311++g(3df, 3pd)基组，计算体系的单点能，零点振动能校正后，计算出反应过程势能面.对于非质子迁移反应的溶剂化效应，把溶剂视为连续介质，同时考虑静电和非静电效应，采用自洽反应场(SCRF)理论的smd模型[27]进行研究；对于质子迁移反应，把溶剂视为具有离散和连续双重特性的介质，水分子作为H迁移媒介直接参与的反应用QM方法研究.水溶剂化的S-Asp分子记作S-Asp@water，其他的水溶剂化分子的标记法雷同.部分过渡态雏形利用我们的YWTS程序获得，文中计算均由Gaussian09[28]程序包完成.

2结果与讨论

在B3LYP/6-31+g(d,p)理论水平，优化得到Asp分子手性对映体结构如图1.

通过对图1的S-Asp和R-Asp构象的分析和计算发现，水环境下S-Asp向R-Asp的异构有a、b、c和d四个通道.a通道是手性碳1C上的12H以氨基5N为桥迁移；b通道是1C上的12H以羰基9O和氨基5N依次为桥迁移；c通道是手性1C上的12H只以羰基9O为桥迁移；d通道是羧基内H迁移实现后，1C上的12H迁移到10O，最后9O上的H在纸面里迁移到1C的另一侧.研究表明，对水环境下质子的迁移，把水视为离散介质采用微溶剂化模型，便解决了主要矛盾，直接参与反应的水分子个数增加，反应能垒降低，3个水分子参与反应时，能垒基本降到最低.对于有质子转移的反应，本工作对1、2和3个水分子参与的情形进行研究,下面对a，b，c和d通道分别进行讨论.

2.1水环境下在a通道S-Asp向R-Asp的异构反应机理

在a通道上S-Asp向R-Asp的异构反应历程见图2，首先S-Asp与1C、5N和12H前面(即纸面外)的1个、2个和3个水分子以氢键结合成水合分子aS-Asp·1H2O，aS-Asp·2H2O和aS-Asp·3H2O，然后它们分别经过渡态aTS1·1H2O，aTS1·2H2O和aTS1·3H2O，实现了质子以水分子为媒介从手性碳向氨基的转移，形成中间体产物aINT1·1H2O(m)，aINT1·2H2O(m)和aINT1·3H2O(m)(这些产物的水分子在纸面外，标记为m)；而后纸面外的水分子脱附离开aINT1，aINT1再与纸面里的水分子以氢键结合，形成新的中间体反应物aINT1·1H2O(n)、aINT1·1H2O(n)和aINT1·1H2O(n)(这些反应物的水分子在纸面外，标记为n)，它们分别经过渡态aTS2·1H2O，aTS2·2H2O和aTS2·3H2O，异构成产物aR-Asp·1H2O、aR-Asp·2H2O和aR-Asp·3H2O，实现了质子在纸面里从质子化氨基向手性碳的转移，从而实现手性转变.篇幅所限，aINT1·3H2O(m)经aTS1·3H2O到aR-Asp·3H2O的过程从略.

在MP2/6-311++g(3df, 3pd)//B3LYP/6-31+g(d, p)理论水平，全优化的各驻点结构、虚频下过渡态的振动模式见图2，过渡态的虚频、零点振动能和单点能见表1，零点能校正后的总能及每步反应过程的相对总能量亦见表1.在B3LYP/6-31+g(d,p)理论水平对过渡态进行的内禀反应坐标(IRC)计算，对诸过渡态进行了确认.实际上，水环境下水分子做H迁移媒介的反应，若再考虑水作为连续介质的溶剂效应，才是更科学的，我们对2个水分子参与的第1步反应，同时考虑水作为连续介质的溶剂效应进行了研究，相关的数据见表1(见第372页).

依据表1的数据，绘制了水环境下S-Asp向R-Asp转变，a通道不同反应阶段的势能面示意图，见图 3.

从图3可以看出，第一步反应，水分子作媒介的质子从手性碳向氨基氮的转移过程，是水环境下S-Asp在a通道手性转变的决速步，3个水分子作质子迁移媒介时，能垒被降到最低值108.9kJ·mol-1，比孤立环境的能垒258.2kJ·mol-1有大幅度的降低.考虑到温度的涨落、分子频繁碰撞以及生命体内某种酶的催化等因素，108.9kJ·mol-1的能垒是有越过的几率的，因此，左天冬氨酸在生命体内是可以少部分异构成右旋体，这从一个方面解释了生命体内右天冬氨酸的存在.从图3的2个水分子作氢迁移媒介的决速步还可以看出，质子迁移过程考虑溶剂化效应，计算的反应能垒微微升高.因这与综合运用微溶剂化离散模型和连续介质模型处理结果的误差只有1.2%，在误差允许的范围之内.所以，质子迁移过程只用微溶剂化离散模型处理即可.因此，本工作对水环境下氢迁移过程的研究，只是把水视为离散介质，水分子直接参与反应.由于本工作采用杂化密度泛函(长程校正泛函)CAM-B3LYP方法，计算的aTS1·2H2O的能垒比以前的能垒117.0kJ·mol-1[16]稍有升高.

2.2水环境下在b和c通道S-Asp向R-Asp的异构反应机理

b和c通道的部分反应历程如图4和图5(见第374页)所示，b和c通道的能量数据见表2.第一步氨基异构是b和c通道的共同的历程，此过程是非质子迁移反应，把水溶剂视为连续介质，反应物b(c)_S-Ala@water经过氨基的6H和7H左右摆动的过渡态b(c)_TS1@water，实现了从左侧向右侧的摆动，异构成产物中间体b(c)_INT1@water.接下来的第二步，水分子作媒介的氢迁移过程，也是b和c通道的共同的历程.此过程是b(c)_INT1与纸面外12H、1C和9O前面的1、2和3个水分子以氢键结合，形成新的反应物中间体b(c)_INT1·1H2O、b(c)_INT1·2H2O和b(c)_INT1·3H2O，他们分别经过渡态b(c)_TS2·1H2O、b(c)_TS2·2H2O和b(c)_TS2·3H2O，实现了质子以水分子为媒介从手性碳向羰基的转移，异构成新的产物中间体b(c)_INT2·1H2O、b(c)_INT2·2H2O和b(c)_INT2·3H2O.b(c)_INT2的水和分子以后的异构路径有2条，1称为b路径，是INT2的质子化羧基的18H以1个水分子为媒介向5N迁移，INT2与纸面上在18H和5N的上部的1个水分子以氢键结合的水和分子记为 b_INT2·1H2O(n)，中间体产物b_INT3即为aINT1，见图4的D，b_INT3以后的过程同于a通道，不再赘述.2称为c路径，是溶剂化的INT2@water，经过氨基和质子化羧基异构的过渡态cTS3@water，异构成11H在纸面外16H在纸面里的中间体产物cINT3@water，见图5.c路径以后的过程是，16H以水分子为媒介在纸面里从质子化羧基转移到手性碳，实现手性转变.这雷同于质子以水分子为媒介从手性碳向羰基的转移过程，从略.

在与2.1节相同的理论水平，全优化的驻点结构、虚频下过渡态的振动模式见图4和5，过渡态的虚频、零点振动能和单点能见表2，零点能校正后的总能及每步反应过程的相对总能量亦见表2.对过渡态进行的内禀反应坐标(IRC)计算，确认了诸过渡态.为了与无溶剂效应的非质子转移过程相比较，计算了b和c通道的无溶剂效应的非质子转移反应能垒，相关的数据见表2.

表2　水环境下S-Asp向R-Asp转变b和c反应通道上驻点的零点振动能、单点能、总能、相对总能及过渡态虚频

(续表)

依据表2的数据，绘制了水环境下S-Asp向R-Asp转变，b和c通道部分反应过程的势能面示意图，见图6.

从图6可以看出，b和c通道的决速步是第二步，即水分子作媒介质子从手性碳向羰基氧9O的迁移过程.在3个水分子作媒介时，能垒被降到最低值131.9kJ·mol-1.从图6还可以看出，cTS3@water比b_TS3·1H2O产生的能垒高出15.4kJ·mol-1，大约是71.6%，因此，b通道比c通道具有优势.从图6的1和3步还可以看出，非质子转移的异构反应，把水视为连续介质的溶剂效应使能垒明显升高.

2.3水环境下在d通道S-Asp向R-Asp的异构反应机理

前半程反应能垒的高低，决定了反应通道的优劣，为节省篇幅，在d通道，只讨论反应过程的前半程，并且只是考虑微溶剂化模型的溶剂效应，水分子参与氢迁移反应，水溶剂的远程作用这里没给予考虑.反应历程见图7，先是纸面上羧基右侧的1、2和3个水分子，以氢键与S-Asp结合成水合分子S-Asp·1H2O、S-Asp·2H2O和S-Asp·3H2O，它们分别经过渡态dTS1·1H2O、dTS1·2H2O和dTS1·3H2O，实现了羧基内的质子迁移，形成产物中间体dINT1·1H2O(m)、dINT1·2H2O(m)和dINT1·3H2O(m)(这些水合分子的水分子在羧基的右侧，加后缀(m)表示).而后dINT1与纸面前下方12H和10O前面的1、2和3个水分子，以氢键结合成水合分子dINT1·1H2O(n)、dINT1·2H2O(n)和dINT1·3H2O(n)(这些水合分子的水分子位置不同于前面，加后缀(n)以示区别)，它们分别经过渡态dTS2·1H2O、dTS2·2H2O和dTS2·3H2O，实现了以水分子为媒介，质子从手性碳向羰基氧10O的迁移，形成产物中间体dINT2·1H2O、dINT2·2H2O和dINT2·3H2O.dINT2·1H2O以后的过程雷同于cINT3@water，dINT2·2H2O和dINT2·3H2O以后的过程类同于b_INT2·1H2O(n)，从略.

同前面，在MP2/6-311++g(3df, 3pd)//B3LYP/6-31+g(d, p)水平计算各驻点结构，见图7；计算的过渡态的虚频、零点振动能、单点能、零点能校正后的总能及相对总能量表3.

在B3LYP/6-31+g(d,p)水平理论水平，优化诸过渡态虚频振动正反方向的结构，得到了过渡态对应的反应物和产物，验证了诸过渡态的可靠性.对诸过渡态进行的IRC计算，进一步验证了诸过渡态的可靠性.

依据表3的数据，绘制了水环境下水分子作为氢迁移媒介，S-Asp向R-Asp转变，在d通道前半程反应历程的势能面示意图，见图8.

从图8可以看出，d通道的决速步是第二步，即水分子作媒介质子从手性碳向羰基氧10O的迁移过程.在3个水分子构成的链作媒介时，能垒被降到最低值151.3kJ·mol-1，比b和c通道的最低高能垒高出19.4kJ·mol-1.结合图3的a通道手性转变的决速步能垒108.9kJ·mol-1，可以得到，a通道是水环境下S-Asp向R-Asp转变的最具优势反应通道.

反应通道研究发现： Asp分子在水环境下的手性转变有a、b、c和d 四个反应通道.分别是以氨基N为桥、顺次以羰基O和氨基N为桥、只以羰基O为桥和羧基内质子迁移后再以羰基O为桥，以水分子为媒介实现质子从手性碳的一侧向另一侧转移.势能面计算表明： a通道最具优势，b通道次之，3个水分子构成的链作氢迁移媒介使高能垒分别降到108.9和131.9kJ·mol-1；对水分子作桥的质子迁移，水作为连续介质的远程效应不明显；对非质子转移反应，远程作用溶剂效应使能垒明显升高.结果表明： 考虑到温度的涨落、分子频繁碰撞以及体内某种酶催化等因素，左天冬氨酸在生命体内可以少部分旋光异构；水环境下质子迁移反应，可以忽略溶剂的远程效应.

本工作找到了水环境下Asp手性转变反应的最优通道，对进一步研究Asp分子在纳米孔道与水复合环境下的手性转变，更好地解释Asp分子在生命体内复杂环境的旋光异构，同时为实验上实现Asp旋光异构提供一个切实可行的新方法，会起到积极的作用，相关的研究工作正在进行中.

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文章编号：0427-7104(2016)03-0369-12

收稿日期：2016-02-26

基金项目：吉林省科技发展计划资助项目自然科学基金(20130101131JC)

作者简介：闫红彦(1979—)，男，讲师；王佐成(1963—)，男，副教授，硕士，通讯联系人，E-mail： wangzc188@163.com.

中图分类号：O 641.12

文献标志码：A

The Theoretical Research of Optical Isomerism Mechanism of Aspartic Acid Molecules in Water Environment

YAN Hongyan1, JIANG Lisha2, TONG Hua3, WANG Zuocheng3, LIU Fang3, MA Hongyuan3

(1.ComputerScienceDepartment,BaichengNormalCollege,Baicheng137000,China;2.CollegeofChemistryandMaterials,LiaoningNormalUniversity,Dalian116000,China;3.PhysicsDepartment,BaichengNormalCollege,Baicheng137000,China)

Abstract：Density functional theory, B3LYP method and perturbation theory, MP2 method were used to study mechanism of optical isomerism of aspartic acid molecular in water environment, and using self-consistent reaction field(SCRF) theory, SMD model for the study of solvent effect. The study of reaction channel showed that there were four channels a, b , c and d in the chiral transition reaction. Amino N in channel a is act as the bridge to realize the proton transfer, in the channel b are carbonyl O and amino N play the part of bridge to realize the proton transfer, carbonyl O in channel c is a bridge for achieve the proton transfer, and in the channel d, within the carboxyl proton transfer, proton transfer from one side to another side of chiral carbon rely on carbonyl O as bridge. Potential energy surface calculation shows that channel a is the best channel, a chain forms from three water molecules to be hydrogen transfer medium, it can make the highest barrier down to 108.9kJ·mol-1. When the water molecules act as a bridge of proton transfer reaction, solvent effect is not obvious, for the nonproton transfer reaction, solvent effects can make the reaction energy barrier significantly increased. The results show that considering the factors such as temperature fluctuations and molecular collision frequency, a few left-handed aspartic acid in the life can be change to the dextroisomer. To make the research more simple we can ignore the solvent effect when deal with the proton transfer reaction under water environment.

Keywords：aspteine; optical isomerism; solvent effect; density functional theory; transition state; perturbation theory