水环境下具有氨基和羧基间双氢键的缬氨酸旋光异构及羟自由基致损伤的机理*

赵宇，汤振宇，吴怡，张育凯，杨晓翠，王佐成

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

缬氨酸（valine，Val）是生命体必需氨基酸，根据旋光性和构象的不同，分为左缬氨酸（S-Val）和右缬氨酸（R-Val）。S-Val对生命体有重要作用，缺乏会导致机体停止发育和神经系统疾病，还用于配制氨基酸输液和动物饲料添加剂[1]。R-Val用于合成农药氯氟戊菊酯，由其制得的缬氨酸杀虫菊酯是广谱的杀虫杀螨剂[2]。R-Val也广泛应用于生物医学研究中，用于抑制纤维细胞的生长[3]，R-Val还是重要的手性药物原料，可用于合成抗肿瘤药物[4]。

基于其右旋体的重要作用以及探讨S-Val的旋光异构对人类健康的作用，人们对S-Val的旋光异构进行了广泛的研究。Neuberger等[5]的研究表明，高浓度的质子容易使游离的Val消旋，Smith等[6]通过研究苯氨基乙酸消旋动力学，证实了高浓度的质子可使 Val消旋。Sullivan等[7]和闫红彦等[8]的研究表明，S-Val的旋光异构裸反应有4个通道，α-碳上的H以氨基N为桥迁移是优势通道，水分子对H迁移反应有较好的催化作用。文献[2]的研究表明，S-Val在醛的催化下可在羧酸中旋光异构。文献[9]的研究表明，在激发态S-Val的α-碳上的H可以羰基氧或氨基氮为桥迁移。

虽然人们对Val旋光异构进行了一些研究，然而，对于其在水分子簇催化及水溶剂环境下旋光异构的研究并不十分深入，羟自由基致其损伤的研究也未见报道。大气富含水汽并有羟自由基存在，水是重要的溶剂，生命体是富水环境并存在对生物体危害极大的羟基自由基[10]。文献[11-12]研究表明，水分子团簇对质子迁移过程具有催化作用。基于此，本工作研究了水汽相和水液相环境下Val分子旋光异构及羟自由基致其损伤的机理。

1 研究与计算方法

在B3LYP[13]/6-31＋G（d，p）水平，全优化标题反应的驻点结构。通过对过渡态[14]进行内禀反应坐标（IRC）[15]计算，验证它们确是连接所期望的局域极小点。采用微扰理论的 MP2方法[16]，在 MP2/6-311＋＋G（2df，pd）水平，计算体系的高水平单点能。溶剂化构象和单点能的计算，把水视为连续介质，采用自洽反应场（SCRF）理论的 smd模型方法[17]。利用Gtotal＝ESP＋Gtc（ESP和Gtc分别为单点能和吉布斯自由能热校正）计算总自由能，绘制反应过程的势能面。水溶剂环境下，S型Val分子与其右侧的2个水分子簇通过氢键作用形成的氢键络合物，记作S-Val·2H2O（l）＠water[用l、n和m分别表示水分子簇在其右侧、前面和后面与其络合），其它体系表示法相似。计算均由Gaussian09[18]程序完成。

2 结果与讨论

2.1 水环境下缬氨酸分子的旋光异构机理

文献[19]基于密度泛函理论的研究表明，氨基与羧基间为分子内单氢键及双氢键时氨基酸分子构象稳定，基于此，计算了氨基与羧基之间为分子内单氢键及双氢键时Val分子的能量，前者E＝-401.474 67 a.u，后者E＝-401.475 75 a.u，相对能量后者高于前者2.76 kJ，后者构象稳定。篇幅所限，本工作仅对氨基与羧基之间为分子内双氢键的Val分子的标题反应进行研究。具有氨基和羧基间双氢键的Val分子手性对映体的几何构象，见图1，Val分子具有氨基和羧基间2条分子内氢键，构象稳定。实现S-Val向R-Val的构象转变（旋光异构），就是实现质子2H从α-碳1C的外侧向里侧迁移。研究表明，水环境下缬氨酸的旋光异构可以在3个通道a、b和c实现，分别是质子以水分子簇为媒介以氨基氮、羰基氧和羧基为桥梁，下面分别进行讨论。

2.1.1 水液相环境下，S-Val分子在a通道的旋光异构 水汽环境下此通道的旋光异构已有研究[12]，本工作只对水液相环境下的旋光异构进行讨论。文献[8，11]研究表明，2个和3个水分子团簇对氨基酸内质子迁移的催化作用，远好于1个水分子作质子迁移媒介的情形，因此，这里只讨论2个和3个水分子团簇作H迁移媒介水溶剂环境下的旋光异构，旋光异构历程含2个基元反应，见图2，反应过程的吉布斯自由能势能剖面见图3。

图1 S型与R型缬氨酸分子的几何结构Fig.1 S-type and R-type geometries of valine molecules

图2 水液相环境2个和3个水分子簇作氢迁移媒介，S-Val分子在a通道的旋光异构历程及驻点结构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

图3 水液相环境下S-Val分子在a通道旋光异构反应的吉布斯自由能势能剖面Fig.3 Gibbs free energy sectional surfaces diagram of optical isomerization reaction of S-Val molecule in channel a in water liquid phase environment

对于第一基元反应。

2个水分子簇作质子迁移媒介时，首先是SVal与其氨基氮4N和20H前面的2个水分子通过氢键作用形成的络合物a＿S-Val·2H2O（m）＠water，经过渡态 a＿TS1·2H2O（m）＠water，实现了质子从α-碳1C向氨基氮4N的净迁移，异构成氨基质子化的中间体产物络合物a＿INT1·2H2O（m）＠water。a＿TS1·2H2O（m）＠water的七圆环结构的氢键键角1C-20H-25O、25O-22H-24O和24O-2H-4N分别是172.98°、167.07°和160.88°，接近平角，3个氢键均较强；二面角1C-20H-25O-22H、25O-22H-24O-2H和22H-24O-2H-4N 分 别 是 3.95°、-8.46°和-11.67°，均接近平角，因此 a＿TS1·2H2O（m）＠water较稳定。又从a＿S-Val·2H2O（m）＠water到a＿TS1·2H2O（m）＠water过程，反应活性中心骨架二面角 4N-1C-3C-7C从 126.54°变为129.29°，1C-4N从0.146 6 nm增加到0.150 6 nm，骨架形变甚小，因此，a＿TS1·2H2O（m）＠water产生的能垒不会很高。但从a＿S-Val·2H2O（m）＠water到 a＿TS1·2H2O（m）＠water过程，1C-20H、25O-22H和24O-2H分别从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个化学键大幅的拉伸断裂毕竟需要一定的能量，因此，a＿TS1·2H2O（m）＠water产生了不是很低的能垒114.26 kJ·mol-1。这远低于裸反应的能垒257.60 kJ·mol-1，与水汽相环境下的能垒124.40 kJ·mol-1[8]相比也明显降低，说明水溶剂对此基元反应的助催化作用较好。此过渡态的22H-24O和2H-54N已基本成键，靠近产物，是后过渡态，此基元反应是3质子协同非同步迁移，与水汽相环境下的3质子协同同步迁移[8]情况有所不同。a＿INT1·2H2O（m）＠water的结构分析表明，4N-1C-7C-8O-90基本共面，形成了5中心派键，水分子以及水分子和质子化氨基之间形成了较强的氢键，水分子和1C之间形成了稍氢键，因此a＿INT1·2H2O（m）＠water是稍稳定的中间体络合物。但 a＿INT1的 α-碳1C是 sp2杂化，处在非满配状态，质子化氨基又不稳定，因此，a＿INT1·2H2O（m）＠water是寿命很短的中间体产物。

3个水分子簇作质子迁移媒介时，a＿S-Val·3H2O（m）＠water，经过渡态a＿TS1·3H2O（m）＠water，异构成中间体产物络合物a＿INT1·3H2O（m）＠water。九圆环结构过渡态 a＿TS1·3H2O（m）＠water的氢键键角1C-20H-25O、25O-27H-26O、26O-22H-24O和24O-2H-4N分别是179.38°、176.33°、173.18°和171.60°，趋于平角程度大于a＿TS1·2H2O（m）＠water，4个氢键都很强，这会使a＿TS1·3H2O（m）＠water稳定性更好。但二面角1C-20H-25O-27H、25O-27H-26O-22H、26O-22H-24O-2H和22H-24O-2H-4N分别是 11.93°、-31.43°、-1.34°和-102.41°，其九圆环结构偏离平角程度大于a＿TS1·2H2O（m）＠water的七圆环结构，又导致构象稳定性差。因此综合看，a＿TS1·3H2O（m）＠water与a＿TS1·2H2O（m）＠water产生的能垒相差不会太多。结构分析表明，从a＿S-Val·3H2O（m）＠water到 a＿TS1·3H2O（m）＠water过程，反应活性中心骨架二面角的变化及化学键的拉伸断裂情况相似于从a＿S-Val·2H2O（m）＠water到a＿TS1·2H2O（m）＠water过程，不再赘述。a＿TS1·3H2O（m）＠water产生了113.24 kJ·mol-1的能垒，可认为与a＿TS1·2H2O（m）＠water产生的能垒114.26 kJ·mol-1相同。这说明3个水分子簇的催化并不比2个水分子簇的催化具有优势。过渡态a＿TS1·3H2O（m）＠water也是后过渡态，此基元反应是4质子协同非同步迁移过程。

对于第二基元反应。

a＿INT1·2H2O（m）和 a＿INT1·3H2O（m）的分子间氢键解离，a＿INT1在其后面的水分子簇的作用下，实现质子在纸面里从质子化氨基向α-碳迁移，完成旋光异构。

2个水分子簇作质子迁移媒介时，a＿INT1与其后面的2个水分子簇通过氢键作用形成的络合物a＿INT1·2H2O（n）＠water经过渡态 a＿TS2·2H2O（n）＠water，实现了质子从氨基氮4N向α-碳1C的净迁移，异构成产物络合物 a＿P＿R-Val·2H2O（n）＠water，完成旋光异构。

过渡态 a＿TS2·2H2O（n）＠water七圆环结构的氢键角4N-2H-24O、24O-22H-25O和25O-20H-1C分 别 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分别是13.00°、0.61°和-2.97°，接近平角，因此，a＿TS2·2H2O（n）＠water较稳定。从 a＿INT1·2H2O（n）＠water到 a＿TS2·2H2O（n）＠water过程，4N-2H、24O-22H和25O-20H键长分别从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的键长没变，其他的增幅也远远小于从a＿S-Val·2H2O（m）＠water到a＿TS1·2H2O（m）＠water过程键长的增幅；又从a＿INT1·2H2O（n）＠water到 a＿TS2·2H2O（n）＠water过程，α-碳1C从sp2杂化变为准sp3杂化，从非满配向准满配状态过渡，活性中心骨架的形变会放热，因此，越过a＿TS2·2H2O（n）＠water需要的能量很低，只有19.95 kJ·mol-1。过渡态 a＿TS2·2H2O（n）＠water的 4N-2H和24O-22H未断裂，是成键状态，其靠近反应物是前过渡态。产物a＿P＿R-Val·2H2O（n）＠water的α-碳1C是sp3杂化，处于满配状态，且a＿P＿R-Val·2H2O（n）＠water存在氨基和羧基之间的分子内双氢键和2个较强的分子间氢键，因此，a＿P＿R-Val·2H2O（n）＠water稳定。

3个水分子簇作质子迁移媒介时，a＿INT1·3H2O（n）＠water经过渡态 a＿TS2·3H2O（n）＠water，实现质子从氨基氮4N向α-碳1C净迁移，异构成稳定的产物络合物 a＿P＿R-Val·3H2O（n）＠water。此基元反应能垒是17.12 kJ·mol-1，在计算误差范围内可认为与前面讨论的2个水分子簇作质子迁移媒介的能垒19.95 kJ·mol-1相同，反应机理也相似于2个水分子簇的情况，不再赘述。

由图3可知：S-Val在a通道旋光异构的决速步是第1基元反应，2个和3个水分子簇作氢迁移媒介时决速步能垒分别是114.26和113.24 kJ·mol-1，基本相同，说明2个水分子簇不比3个水分子簇的催化作用差。这两个能垒远低于质子迁移“极限能垒”167.00 kJ·mol-1[20]，但高于质子迁移温和反应的能垒 84.02 kJ·mol-1[20]，说明水液相环境下，水分子簇的催化可以使Val分子在a通道缓慢地实现旋光异构。

2.1.2 水环境下，S-Val分子在b通道旋光异构的决速步骤 文献[12]研究表明，在b通道旋光异构决速步骤是反应的前半程，即质子从α-碳向羰基氧迁移的反应，为节省篇幅，水汽及水液相环境下此通道的旋光异构本工作只讨论反应的前半程，并且只讨论2个和3个水分子团簇作H迁移媒介的情况，反应历程见图4，反应的吉布斯自由能势能剖面见图5。

水汽环境下2个水分子簇作质子迁移媒介时，首先是S-Val与其羰基氧8O和α-碳上的质子19H前面的2个水分子通过氢键作用形成的络合物b＿SVal·2H2O（m），经过渡态 b＿TS1·2H2O（m），实现了质子从α-碳1C向羰基氧8O的净迁移，异构成羧基质子化的中间体产物络合物b＿INT1·2H2O（m）。b＿TS1·2H2O（m）的七圆环结构的氢键键角1C-19H-20O、20O-24H-21O和21O-22H-8O分别是 164.12°、163.09°和 169.74°，接近平角，3个氢键均较强；二面角1C-19H-20O-24H、20O-24H-21O-22H和24H-21O-22H-8O分别是-18.04°、-13.23°和-25.64°，七圆环结构偏离平角程度远大于 a＿TS1·2H2O（m）的七圆环结构，因此b＿TS1·2H2O（m）的稳定性较a＿TS1·2H2O（m）差。从b＿S-Val·2H2O（m）到b＿TS1·2H2O（m）过程，反应活性中心骨架二面角3N-1C-2C-6C从129.00°变为141.68°，骨架形变大于从 a＿S-Val·2H2O（m）到 a＿TS1·2H2O（m）过程，

因此，b＿TS1·2H2O（m）产生的能垒会高于a＿TS1·2H2O（m）。从 b＿S-Val·2H2O（m）到 b＿TS1·2H2O（m）过程，1C-19H、20O-24H和21O-22H分别从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个化学键的拉伸断裂尤其1C-19H大幅度的拉伸需要一定的能量，因此，b＿TS1·2H2O（m）产生的能垒大于 a＿TS1·2H2O（m）产生的能垒许多，是163.86 kJ·mol-1。这远远低于裸反应此通道的能垒314.40 kJ·mol-1[8]，说明水2个水分子簇对此基元反应的催化作用极好。b＿INT1·2H2O（m）的结构分析表明，3N-1C-6C-7O-8O趋于共面，形成了基本共轭的5中心派键，水分子以及水分子和质子化羧基之间形成了比较强的氢键，水分子和1C之间也形成了稍弱的氢键，因此，b＿INT1·2H2O（m）是稍稳定的中间体产物络合物。但b＿INT1的α-碳1C是 sp2杂化，处在非满配状态，质子化的羧基又不稳定，因此，b＿INT1·2H2O（m）是中间体产物，寿命很短。

图4 水环境下S-Val分子在b通道旋光异构反应的前半程及驻点结构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

图5 水环境下S-Val分子在b通道旋光异构反应前半程的吉布斯自由能势能面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

溶剂化计算表明，液相环境 b＿TS1·2H2O（m）＠water产生的能垒是159.84 kJ·mol-1，与b＿TS1·2H2O（m）产生的能垒163.86 kJ·mol-1相比没有明显降低，说明水溶剂效应对此基元反应的助催化作用极小。

3个水分子簇作质子迁移媒介时，水汽相b＿TS1·3H2O（m）产 生 的 能 垒 是 159.26 kJ·mol-1，与2个水分子簇作质子迁移媒介的b＿TS1·2H2O（m）产生的能垒163.86 kJ·mol-1相比较没有明显降低，说明3个水分子簇与2个水分子簇对此基元反应的催化作用差别不明显。溶剂化效应的计算表明，水液相环境下b＿TS1·3H2O（m）＠water产生的能垒是154.17 kJ·mol-1，与水汽相b＿TS1·3H2O（m）产生的能垒159.26 kJ·mol-1相比较并没有明显降低，说明水溶剂效应对此基元反应影响也甚小。

从图5看知，汽相和液相环境b通道的决速步能垒均接近或比较接近质子迁移的 “极限能垒”167.00 kJ·mol-1[20]，这说明水汽相和液相环境水分子簇的催化只能使Val分子在b通道痕量地旋光异构。

2.1.3 水环境下，S-Val分子在c通道旋光异构的前半程 文献[8]的研究表明，在c通道旋光异构的决速步骤是第二基元反应，是质子从α-碳向新羰基氧迁移反应，位于前半程，为节省篇幅，此通道的旋光异构只讨论反应的前半程，由于3个水分子团簇作H迁移媒介并不具有明显的优势，因此只讨论2个水分子团簇作H迁移媒介的情况，反应历程见图6，反应过程的吉布斯自由能势能剖面见图7。

首先是第一基元反应，S-Val与其羧基右侧的2个水分子簇通过氢键作用形成的络合物c＿S-Val·2H2O（l），经过渡态 c＿TS1·2H2O（l），实现了羧基内的质子净迁移，异构成中间体产物络合物c＿INT1·2H2O（l）。c＿TS1·2H2O（l）的七圆环结构的氢键键角8O-22H-25O、25O-21H-20O和 20O-19H-7O分别是 174.15°、161.63°和174.45°，接近平角程度好于前面的过渡态结构，3个氢键均较强；二面角8O-22H-25O-21H、25O-21H-20O-19H和21H-20O-19H-7O分别是-10.59°、-20.26°和10.19°，七圆环结构接近平角程度较好。从c＿S-Val·2H2O（l）到c＿TS1·2H2O（l）过程，反应活性中心骨架二面角1C-6C-8O-7O从179.34°变为179.29°，骨架几乎没有形变，c＿TS1·2H2O（l）产生的能垒可能会较低。又从 c＿S-Val·2H2O（l）到 c＿TS1·2H2O（l）过程，8O-22H、25O-21H和20O-19H分别从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个化学键的拉伸幅度较小，因此c＿TS1·2H2O（l）产生的能垒较小，是45.84 kJ·mol-1，比此基元裸反应能垒127.40 kJ·mol-1显著降低[12]，说明水分子簇起了极好的催化作用。水溶剂效应又使该能垒进一步降到34.97 kJ·mol-1，降幅为23.8%，说明水溶剂效应对该反应起了较好的助催化作用。

然后是第二基元反应，c＿INT1·2H2O（l）与水分子的氢键解离，2个水分子簇在c＿INT1的前面与α-碳1C上的质子19H及新羰基氧8O通过氢键作用形成的中间体反应物络合物c＿INT1·2H2O（m），经过渡态c＿TS2·2H2O（m），实现了质子从α-碳1C向新羰基氧8O的净迁移，异构成中间体产物络合物c＿INT1·2H2O（m）。反应机理相似于前面讨论的b通道的第一基元反应，反应能垒是163.28 kJ·mol-1，

这比此基元裸反应能垒298.70 kJ·mol-1显著降低[8]，说明水分子簇对该反应起了极好的催化作用。水溶剂环境下该能垒是162.07 kJ·mol-1，几乎没变，说明水溶剂效应对该反应没有助催化作用。

图6 水环境下S-Val分子在c通道旋光异构反应的前半程及驻点结构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

图7 水环境下S-Val分子在c通道旋光异构反应前半程的吉布斯自由能势能面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

从图7可以看出，水汽相和液相环境c通道的决速步能垒分别是163.28和162.07 kJ·mol-1，已经很接近质子迁移的 “极限能垒”167.00 kJ·mol-1[20]，这说明水汽相和液相环境下，水分子簇的催化只能使Val分子在c通道痕量地旋光异构。

2.2 水环境下羟自由基抽氢致缬氨酸损伤机理

研究表明，羟自由基水分子链在羟自由基夺取α-氢时可致缬氨酸损伤，反应发生在a通道，水汽环境和液相环境下的机理不同，反应历程见图8，反应过程的势能面剖面见图9，下面分别讨论：

水汽环境下，S-Val与4N和20H前面的水分子和羟自由基通过氢键作用形成前驱络合物a＿SVal·[（OH·）·H2O]，a＿S-Val·[（OH·）·H2O]经过渡态 a＿TS·[（OH·）·H2O]得到产物络合物 a＿P*·2H2O。a＿P*的手性已经不存在，不具有缬氨酸的特性，即是损伤的缬氨酸。

图8 水环境下水分子与羟基自由基链致缬氨酸损伤的反应过程及驻点结构Fig.8 The reaction and structures of stationary point structures of water molecules and hydroxyl radical chains induce valine damage in water environment

图9水环境下水分子与羟基自由基链致缬氨酸损伤反应过程的势能面示意图Fig.9 Gibbs free energy sectional surfaces diagram of water molecules and hydroxyl radical chains induce valine damage in water environment

从图 8（A）以及对 a＿TS·[（OH·）·H2O]做的IRC计算可以看出，此反应过程是单质子迁移过程，水分子并没有参与反应，只是起到了稳定羟自由基空间位置的作用。使羟自由基得以实现抽取α-碳上的氢的目的，从而使缬氨酸损伤。过渡态a＿TS·[（OH·）·H2O]的氢键角 1C-20H-23O是 172.82°，过渡态较稳定，又 a＿S-Val·[（OH·）·H2O]到 a＿TS·[（OH·）·H2O]过程，1C-20H从0.109 9 nm增加到0.114 6 nm，增幅较小。又反应活性中心骨架二面角4N-1C-3C-7C从126.20°变为127.21°，1C-4N从0.147 4 nm微缩到0.145 6 nm，骨架基本没有形变，因此，a＿TS·[（OH·）·H2O]产生的能垒较低，只有25.34 kJ·mol-1。对产物络合物a＿P*·2H2O进行结构分析表明，水分子以及水分子和a＿P*的羧基存在较强的氢键，水分子和a＿P*的氨基以及甲基存在弱氢键，且4N、1C、7C、8O和9O形成了共轭大派键，因此a＿P*·2H2O的稳定性远好于a＿SVal·[（OH·）·H2O]。

水溶剂环境下，a＿S-Val·[（OH·）·H2O]＠water经过渡态 a＿TS·[（OH·）·H2O]＠water得到缬氨酸损伤的产物络合物a＿P*·2H2O＠water。此过程水分子参与了反应，对a＿TS·[（OH·）·H2O]＠water进行的IRC计算表明，此过程是3质子协同非同步迁移，这导致溶剂环境下S-Val损伤的能垒会高于水汽相的。又NBO电荷计算表明，由于 a＿TS·[（OH·）·H2O]＠water的氨基已经质子化，正负电荷中心分离程度大于a＿TS·[（OH·）·H2O]，其稳定性弱于 a＿TS·[（OH·）·H2O]。所以 a＿TS·[（OH·）·H2O]＠water产生的能垒一定会高于a＿TS·[（OH·）·H2O]产生的能垒许多。

a＿TS·[（OH·）·H2O]＠water七圆环结构的氢键键角1C-20H-23O、23O-21H-22O和22O-2H-4N分别是 168.99°、167.89°和 163.25°，接近平角，3个氢键均较强；二面角1C-20H-23O-21H、23O-21H-22O-2H和21H-22O-2H-4N分别是30.61°、-14.66°和-5.04°，均接近平角，因此 a＿TS·[（OH·）·H2O]＠water较稳定。又从 a＿S-Val·[（OH·）·H2O]＠water到 a＿TS·[（OH·）·H2O]＠water过程，反应活性中心骨架二面角4N-1C-3C-7C从 126.48°变为 128.70°，1C-4N从0.146 7 nm增到0.149 3 nm，骨架形变微小，因此，a＿TS·[（OH·）·H2O]＠water产生的能垒不会很高。但从a＿S-Val·[（OH·）·H2O]＠water到a＿TS·[（OH·）·H2O]＠water过程，1C-20H、23O-21H和22O-2H分别从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。结构分析表明，这3个化学键拉伸的幅度小于a＿SVal·2H2O＠water到 a＿TS·2H2O＠water许多。因此，a＿TS·[（OH·）·H2O]＠water产生的能垒虽然不会很低，但是会低于a＿TS·2H2O＠water产生的能垒许多，是83.31 kJ·mol-1。与水汽相环境的能垒25.34 kJ·mol-1相比明显升高，说明水溶剂效应起了较大的阻碍作用。结构分析表明a＿P*·2H2O＠water构象稳定性很好。

从图9可以看出，水汽相环境下缬氨酸损伤的能垒已远低于质子迁移温和反应的能垒84.02 kJ·mol-1[20]，这说明水汽环境下羟自由基的存在可以使Val分子在a通道迅速地损伤。水液相环境下缬氨酸损伤的能垒也略低于质子迁移温和反应的能垒84.02 kJ·mol-1[20]，水液相环境下羟自由基致 Val分子在a通道损伤的速度也较快，这说明生命体内羟自由基是缬氨酸损伤的杀手。

过渡态 a＿TS·[（OH·）·H2O]＠water连接的产物是a＿P*·2H2O＠water，是乎令人费解，对过渡态的IRC计算，证明了a＿P*·2H2O＠water的确是a＿TS·[（OH·）·H2O]＠water连接的局域极小点。从过渡态的IRC路径上取了几个重要的结构，并对这些结构做了NBO电荷计算，比较清晰地说明了从过渡态a＿TS·[（OH·）·H2O]＠water到产物a＿P*·2H2O＠water的简明过程，见图10。

首先，质子20H向氧负离子23O迁移，同时质子2H与4N键拉伸断裂，向氢氧根22O-24H的氧迁移，质子21H极缓慢地向23O迁移。然后，20H较快地向23O移动并与之成键，形成氢氧根23O-20H。接着21H快速地向23O迁移并与之成键，形成水分子20H-21H-23O，这同时伴随着2H向22O缓慢移动。再接下来是2H快速迁移到22O上，形成水分子24H-2H-22O，损伤产物的水分子络合物雏形形成。最后，产物水分子络合物雏形继续异构，得到稳定的损伤产物络合物a＿P*·2H2O＠water。从过渡态 a＿TS·[（OH·）·H2O]＠water到产物 a＿P*·2H2O＠water，α-碳从负电性变为正电性，络合物a＿P*·2H2O的a＿P*和2个H2O均为电中性，是稳定的产物。

图 10 水液相环境下从过渡态 a＿TS·[（OH·）·H2 O]到产物 a＿P*·2H2 O的简明过程Fig.10 A brief process from the transition state TS3·[（OH·）·H2 O]to product P*·2H2O in water liquid phase environment

3 结 论

综上得到如下结论：

1）水环境下缬氨酸的旋光异构有3个通道a、b和c，分别是质子以氨基氮、羰基氧和羧基为桥迁移，a通道具有优势；水分子辅助羟自由基抽氢致缬氨酸损伤发生在a通道。

2）水分子簇对旋光异构反应有极好的催化作用，水溶剂效应在优势a通道有较好的助催化作用，对b和c通道影响不大。S-Val分子在a通道旋光异构的决速步骤是第1基元反应，水液相环境下2个和3个水分子簇作氢迁移媒介时的决速步能垒分别是114.26和113.24 kJ·mol-1，说明生命体内缬氨酸的旋光异构可以缓慢地在a通道实现。

3）水汽相环境缬氨酸损伤的能垒是25.34 kJ·mol-1，说明水汽环境下羟自由基的存在可以使Val分子迅速地损伤。水液相环境下缬氨酸损伤的能垒是83.81 kJ·mol-1，水溶剂效应对此反应虽然有较大的阻碍作用，但生命体内的水液相环境下，羟自由基也可致Val分子较快地损伤。

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