天门冬氨酸分子手性转变机理及水分子和羟自由基的催化作用

刘　芳，高　峰，闫红彦，马宏源，王佐成，佟　华

(白城师范学院 物理学院，白城 137000)



天门冬氨酸分子手性转变机理及水分子和羟自由基的催化作用

刘芳，高峰，闫红彦，马宏源，王佐成，佟华

(白城师范学院 物理学院，白城 137000)

采用密度泛函理论的B3LYP方法和微扰理论的MP2方法，研究了单体天门冬氨酸分子手性转变机理及水分子和羟自由基对氢迁移反应的催化作用.反应通道研究发现：天门冬氨酸手性转变有a，b，c和d 4个反应通道.a是手性C上的H以氨基N为桥，转移到手性C另一侧；b是手性C上的H顺次以羰基O和氨基N为桥，转移到手性碳另一侧；c是手性C上的H只以羰基O为桥，转移到手性碳另一侧；d是羧基内H迁移后，手性C上的H再以羰基O为桥，转移到手性碳另一侧.势能面计算表明：a通道是优势反应通道，最高能垒为258.2kJ·mol-1，来自手性C上的H向氨基N转移的过渡态；2个水分子构成的链使该能垒降为 117.1kJ·mol-1，水分子和羟自由基构成的链使该能垒降为98.6kJ·mol-1.

手性； 天门冬氨酸； 密度泛函理论； 过渡态； 微扰论

根据旋光性的不同，天门冬氨酸(Asp)可以分为左旋和右旋两种异构体.左旋体在生命体内具有生理活性，是动物体合成蛋白质所需氨基酸之一.左旋天门冬氨酸广泛存在于生物体内，尤其是在海洋无脊椎动物和圆口纲脊椎动物体内广泛地存在[1].左旋天门冬氨酸具有解除缺血、再灌注心肌能量代谢障碍和保护心肌的作用.右旋体可作为食品添加剂和调味品，也是一种重要的医药工业原料[2].

大约40年前人们一直认为动物体内只存在左旋氨基酸，随着分析技术和方法的提高与发展，近年来在生命体内发现了越来越多的右旋氨基酸以单体氨基酸存在，这些右旋氨基酸在生命体内的分布、来源、生理作用及其与疾病的关系倍受关注[3-5].关于右旋天门冬氨酸的存在和重要作用，人们进行了较为深入的研究. Aniello等[6]的研究表明.右旋天门冬氨酸对激素分泌有重要的调节作用. Fisher[7]和Wolosker[8]等人的研究表明，右旋天门冬氨酸在内分泌腺中的含量从出生后一直增加到达到最高，而在大脑中则是迅速减少，体内右旋天门冬氨酸含量过低是导致老年痴呆症的一个原因.

虽然人们对天门冬氨酸进行了比较广泛的研究，但关于其手性转变机理的研究却未见报道，对于生命体内右旋天门冬氨酸的存在并没有给出十分令人满意的解释.

已往的研究表明[9-11]，单体α-丙氨酸的手性转变主要有4个反应通道，手性碳上的H可以羰基、氨基、羰基和氨基联合以及羟基作为桥梁，迁移到手性碳的另一侧，实现手性转变，但反应能垒很高.文献[10,12-13]的研究表明，水分子对α-丙氨酸、沙利度胺和布洛芬等分子手性转变过程中的H迁移反应具有较好的催化作用，文献[14-15]的研究表明羟自由基与水分子构成的链，对氢迁移过程有更好的催化作用.基于此，本工作系统地研究了单体天门冬氨酸分子的手性转变过程，考虑到生命体内有大量的水分子和极少量存在的羟自由基存在，研究了水分子及羟自由基对天门冬氨酸分子手性转变过程中主要H迁移过程的催化作用.可使人们了解天门冬氨酸的手性转变机理，较好地从一个侧面解释生命体内右旋天门冬氨酸的存在.同时，对深入研究天门冬氨酸在不同环境条件下的手性转变机制，以及为天门冬氨酸手性转变的实验研究提供积极的理论参考.

1　研究与计算方法

采用基于密度泛函理论的B3LYP[16-17]方法，选择6-31+g(d,p)基组，全参数优化S型Asp向R型Asp转变过程中的各个驻点.通过对过渡态[18-20]进行内禀反应坐标(IRC)[21-22]计算，对过渡态进行确认.采用微扰理论的MP2方法[23-24]，选择6-311++g(2df,pd)基组，计算体系的单点能，利用Etotal=ESP+EZPV校正零点振动能，计算总能量，计算出反应过程势能面.文中计算均由Gaussian09[25]程序包完成.

2　结果与讨论

2.1单体S-Asp向R-Asp转变的反应机理

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构型进行分析和计算得到，S-Asp向R-Asp转变有a、b、c和d 4个反应通道.在a通道，手性C上的H以氨基N为桥迁移，完成手性转变；在b通道，手性C上H以羰基O和氨基N为桥迁移，完成手性转变；在c通道，手性C上的H只以羰基O为桥迁移，完成手性转变；在d通道，先是羧基内H迁移, 而后，手性C上的H迁移到10O，最后9O上的H迁移到手性C的另一侧，完成手性转变.各通道的反应历程见图2、3、4和5，在B3LYP/6-31+g(d,p)理论水平计算的驻点结构，如图2、3、4和5所示.下面分别进行讨论.

在a通道上，先是S-Asp的12H经图2所示的过渡态aTS1，从手性碳1C迁移到氨基5N上，异构成中间体aINT1；而后经过与aTS1对称的过渡态aTS2，aINT1的6H在纸面里从5N迁移到手性碳1C的另一侧，异构成为产物R型Asp，记为aR-Asp, 完成手性转变.过渡态aTS1的1C-12H和1C-5N键是断键，这预示着aTS1会产生较高的能垒.

在b通道上，图2所示的S-Asp的12H，经图3所示的过渡态bTS1从手性碳1C迁移到羰基氧9O上，异构成中间体bINT1；而后经过渡态bTS2，12H从9O向氨基5N迁移，形成与a通道上的aINT1相同的中间体，记作bINT2(aINT1)，后面的过程全同于a通道上aINT12以后的过程.过渡态bTS2的1C-12H是断键，要克服1C-12H间较强的库伦力作用，并且1C和9O的距离较远(大约0.24395nm)，预示着aTS2会产生更高的能垒.

在c通道上，第一步反应过程同于b通道，异构成的中间体cINT1, 亦即bINT1，记作c(b)INT1，见图3；接着经过图4所示的羧基氨基异构的过渡态cTS2，11H和12H分别摆出纸面外侧和摆进到纸面里侧，6H和7H沿着cTS3虚频的反向旋转到纸面外，异构成有利于12H在纸面里向手性1C迁移的中间体cINT2；cINT2经过渡态cTS3，实现12H在纸面里从9O向1C迁移，同时伴随着氨基上的6H和7H绕1C-5N轴俯视逆时针旋转，异构为产物cR-Asp，实现手性转变.

在d通道，先是羟基10O上的11H经图5所示的过渡态dTS1迁移到羰基9O，异构成中间体dINT1；然后，手性C上的12H经过渡态dTS2从手性1C迁移到羰基10O，形成中间体dINT2.以后是dINT2的11H在纸面里向手性碳1C迁移的过程，雷同于c通道的cINT2以后的过程，这里从略.

在MP2/6-311++g(2df,pd)//B3LYP/6-31+g(d,p)水平上，计算的各驻点的零点振动能、单点能及过渡态的虚频见表1，零点能校正后的总能及相对总能量亦见表1.

表1　S-Asp向R-Asp转变各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

在B3LYP/6-31+g(d,p)水平上，优化诸过渡态沿其虚频振动的两个方向调节得到的结构，分别得到了每个过渡态对应的反应物和产物，验证了诸过渡态的可靠性.在相同的理论水平上对诸过渡态进行内禀反应坐标(IRC)计算，进一步验证了诸过渡态的可靠性.

依据表1的数据，绘制了单体S-Asp向R-Asp转变，不同的反应通道完整过程和部分过程的势能面示意图，见图6.

从图6可以看出，a通道上的最高能垒为258.2kJ·mol-1，由手性1C上的12H向氨基5N迁移的过渡态aTS1产生；b和c通道具有相同的最高能垒318.5kJ·mol-1，由手性1C上的12H向羰基9O迁移的过渡态b(c)TS1产生；d通道上的最高能垒为299.2kJ·mol-1，由手性1C上的12H向羟基10O迁移的过渡态dTS2产生的.比较可知a通道为最具优势反应通道，但258.2kJ·mol-1的能垒在常温下也难以逾越，说明通常情况下的Asp分子具有稳定性.

2.2S-Asp→aTS1→aINT1和dINT1→dTS2→dINT2过程水分子和羟自由基的催化作用

为了比较水分子和羟自由基作用下不同反应通道上最高能垒的变化，计算了水分子和羟自由基作用下不同反应通道上的最高能垒，S-Asp→aTS1→aINT1和dINT1→dTS2→dINT2过程是a和d通道产生最高能垒的过程，篇幅所限，只讨论2个水分子链催化的S-Asp→aTS1→aINT1和dINT1→dTS2→dINT2过程，水分子和羟自由基链催化的S-Asp→aTS1→aINT1过程.

水分子链催化S-Asp→aTS1→aINT1和dINT1→dTS2→dINT2反应过程以及计算的各个驻点结构，见图7的(a)与(b)，水分子和羟自由基链催化S-Asp→aTS1→aINT1反应过程以及计算的各个驻点结构(图8，见第220页)优化诸过渡态沿其虚频振动的两个方向调节得到的结构，分别得到了每个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IRC路径探测，进一步验证了诸过渡态的可靠性.

为获得高水平的反应过程势能面，在MP2/6-311++g(2df,2pd)//B3LYP/6-31+g(d,p)理论水平上，计算各驻点的零点振动能、单点能及过渡态虚频见表2，零点能校正后的总能及相对总能亦见表2.

表2　水分子链、水分子和羟自由基链为氢迁移媒介，S-Asp→aTS1→aINT1和dINT1→dTS2→dINT2过程各驻点的零点振动能、单点能、总能、相对总能及过渡态虚频

依据表2的数据，绘制了2个水分子构成的链作为氢迁移媒介，S-Asp→aTS1→aINT1和dINT1→dTS2→dINT2过程的势能面示意图，绘制了水分子和羟自由基构成的链作为氢迁移媒介，S-Asp→aTS1→aINT1过程的势能面示意图，见图9.

比较图6和9可知，水环境及水和羟基自由基复合环境对氢迁移过程有较好的催化作用，水环境下仍以a通道为优势通道.2个水分子的链使S-Asp→aTS1→aINT1的能垒从单体的258.2kJ·mol-1降到117.1kJ·mol-1，水分子和羟自由基构成的链使S-Asp→aTS1→aINT1的能垒降到98.6kJ·mol-1，考虑到温度涨落、分子间碰撞和体内某种酶的作用等因素，在体温下117.1kJ·mol-1和98.6kJ·mol-1高度的能垒都可以被越过，后者的几率更大，这说明了生命体内右旋Asp部分来源于左旋Asp在水环境下以及水和羟基自由基复合环境下的旋光异构，如果某种因素导致体内的羟自由基数量增加，这种异构过程将会加快.

在MP2/6-311++g(2df,pd)//B3LYP/6-31+g(d,p)理论水平，研究了天门冬氨酸的手性转变过程及水分子和羟自由基对主要的H迁移过程的催化机理.理论研究发现：Asp分子的手性转变反应可以在a、b、c、d 4个通道实现.a是手性C上的H以氨基N为桥，转移到手性C另一侧；b是手性C上的H顺次以羰基O和氨基N为桥，转移到手性碳另一侧；c是手性C上的H只以羰基O为桥，转移到手性碳另一侧；d是羧基内H迁移后，手性C上的H再以羰基O为桥，转移到手性碳另一侧.势能面计算表明：a通道是最具优势反应通道，孤立环境下的最高能垒为258.2kJ·mol-1；2个水分子构成的链作为H迁移媒介，高能垒为117.1kJ·mol-1，水分子和羟自由基构成的链使该能垒降为98.6kJ·mol-1，说明水分子和羟自由基构成的链对H迁移反应具有更好的催化作用.结果表明：通常情况下Asp分子具有稳定性，不会发生异构现象.水和羟基自由基复合环境下，天门冬氨酸分子实现手性转变的几率增加，这是生命体内左旋Asp分子向其右旋体旋光异构的主要因素.

本工作找到了单体Asp手性转变反应的最优通道，对进一步研究Asp分子在纳米限域环境下的手性转变机制，更好地解释Asp分子在生命体内复杂环境的旋光异构，为实验上利用左旋Asp获得右旋Asp提供一个可行的新方法，都会起到积极的参考作用，相关的工作正在进行中.

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Chiral Transformation Mechanism of Aspteine Molecules and Catalytic Action of Water Molecules Hydroxyl Free Radicals

LIU Fang, GAO Feng, YAN Hongyan, MA Hongyuan, WANG Zuocheng, TONG Hua

(Physics Department, Baicheng Normal College, Baicheng 137000, China)

The chiral transformation mechanism of the aspteine monomer and the catalytic effect of water molecules and hydroxyl radicals on the hydrogen transfer reaction were studied based on the B3LYP methods of density functional theory and the MP2 methods of perturbation theory. The study of reaction channel showed that there were four channels a, b, c and d in the chiral transformation reaction. In the channel a, the hydrogen of chiral carbon used the imino N as a bridge and was transferred to the other side of chiral carbon. In the channel b, the hydrogen of chiral carbon successively used the carbonyl O and imino N as a bridge and was transferred to the other side of chiral carbon. In the channel c, the hydrogen of chiral carbon used the carbonyl O as a bridge and was transferred to the other side of chiral carbon. In the channel d, the hydrogen was firstly transferred in the carbonyl, then the hydrogen of chiral carbon used the carbonyl O as a bridge and was transferred to the other side of chiral carbon. Calculation of potential energy surface showed that the channel a was the most dominant reaction channel and the highest energy barrier was 258.2kJ·mol-1. it came from transition state that H transfer from chiral C to the amino N. Besides, using the chain composed of two water molecules and the chain composed of hydroxyl free radical and one water molecule as the hydrogen migration vector, the high-energy barriers were reduced to 117.1kJ·mol-1and 98.6kJ·mol-1, respectively.

chiral; aspteine; density functional theory; transition state; perturbation theory

0427-7104(2016)02-0215-08

2015-11-01

吉林省科技发展计划项目(20130101131JC)

刘芳(1983—)，女，讲师，E-mail：liufang830121@163.com; 通讯联系人：王佐成(1963—)，男，副教授，E-mail：wangzc188@163.com;佟华(1970—)，女，教授，E-mail：tonghua699@126.com.

O 641.12

A