水液相下羟基自由基(水分子簇)诱导脯氨酸分子损伤的机理

罗香怡，高浩溟，姜 丰，刘 军，范艳杰，姜春旭，王佐成

(1. 白城师范学院 物理学院，吉林 白城 137000； 2. 解放军第三二一医院 眼科，吉林 白城 137000；3. 那丹伯镇中学，吉林 辽源 136000； 4. 白城师范学院 计算机科学学院，吉林 白城 137000)

脯氨酸(Proline, Pro)是手性氨基酸，是构成蛋白质的主要成分。按构象分为S-型(S-Pro)和R-型(R-Pro)，按旋光性分为左旋(L-Pro)和右旋(D-Pro)。L-Pro在生命体内有活性，对促进胶原蛋白合成及软骨修复有积极作用[1]，可催化对硝基苯甲醛与丙酮的不对称Aldol反应以及水杨醛与丙二酸二乙酯的Knoevenagel反应等分子间缩合反应[2-3]，还可催化分子内不对称羟醛的缩合反应[4]。D-Pro用于生物化学研究和甜味食品添加剂，但在生命体内过量的D-Pro会对健康产生不利的影响[5-7]。

由于旋光性不同的Pro有不同的作用，人们在其旋光异构方面做了很多工作。文献[8]的研究表明，气相中性Pro的构象稳定，水分子对Pro的旋光异构具有催化作用，水汽下的Pro可缓慢地消旋。文献[9]的研究表明，水液相下的Pro多以两性存在，水分子的催化使Pro旋光异构能垒降到101.9 kJ·mol-1，水液相下Pro可缓慢地旋光异构。文献[10]的研究表明，水液相下羟基负离子水分子簇催化Pro旋光异构的自由能垒均在70.8 kJ·mol-1，碱性环境下Pro的消旋反应会温和地进行。

生命体是富水环境，糟糕的情绪、吸烟和电磁辐射都会使体内产生羟基自由基，紫外线的照射会使皮肤表面产生自由基[11]。研究羟基自由基对生命体内重要分子的影响，对指导人们健康的生活具有重要意义。文献[12-13]的研究表明，羟基自由基抽取α-H原子、次甲基氢原子及加成到苯环均可诱导布洛芬分子损伤。文献[14-17]的研究表明，水液相下羟基自由基抽取赖氨酸、丙氨酸、丝氨酸和天冬氨酸的α-H原子可以诱导赖氨酸和丙氨酸损伤。目前对水液相下羟基自由基对Pro作用的研究未见报道，基于文献[9-10,12-17]的研究经验，同时考虑到羟基自由基会和水分子(簇)氢键作用形成羟基自由基(水分子簇)，本工作对水液相下羟基自由基(水分子簇)诱导的两性Pro损伤进行了理论研究。

1 研究与计算方法

采用密度泛函理论的杂化泛函M06-2X方法[18]，结合自洽场理论的SMD模型[19]方法，在6-311+G(d,p)基组下，全优化水液相下羟基自由基(水分子簇)抽H诱导Pro损伤反应的稳定点和过渡态。对过渡态[20]进行IRC(内禀反应坐标)[21]计算以确认其可靠性；采用自然键轨道NBO(Natural Bond Orbital)方法计算相关体系的NPA(Natural Population Analysis)电荷。为获得精确的反应过程势能面，采用高精度的杂化泛函MN15方法[22]在6-311++G(3df,2pd)基组下计算驻点的单点能。驻点的总自由能等于其自由能热校正与单点能之和(自由能校正的温度和压力分别是298.15 K和1.013 25×105Pa)。S-Pro在a通道与OH氢键作用记作S-Pro·OHa，S-Pro在a通道与OH·H2O(羟基自由基1水分子簇)氢键作用记作S-Pro·(OH·H2O)a，在d通道S-产物型与(H2O)3(3水分子簇)氢键作用的络合物记作S-P·(H2O)3d，没有手性的产物记作P，其他体系表示法相似。文中计算工作采用Gaussian16程序[23]。

2 结果与讨论

文献[9-10]优化的水液相下最稳定的两性脯氨酸手性对映体见图1，本工作研究水液相下羟基自由基(水分子簇)诱导S-Pro损伤的机理(诱导R-Pro损伤的机理完全相同，不必赘述)。S-Pro的各个原子的NPA电荷分布亦见图1。

图1 两性脯氨酸分子手性对映体的几何构型及电荷分布Fig.1 Geometric configuration of amphoteric proline chiral enantiomers and its charge distribution

研究表明，羟基自由基(水分子簇)抽取氨基H，可以把抽取的H传递到羰基O，进而实现S-Pro向R-Pro异构，不会造成脯氨酸损伤，本工作不予讨论。羟基自由基(水分子簇)抽取α-H使脯氨酸失去手性，导致其严重损伤；抽取五元杂环上的H会不同程度地改变骨架的电荷分布，导致脯氨酸损伤。抽取α-H的反应通道命名为a通道，抽取五元杂环的6H、7H、8H、9H、10H和11H的反应通道分别命名为b、c、d、e、f和g通道。下面分别进行讨论：

2.1 a通道(羟基自由基(水分子簇)抽α-H原子)

水液相下羟基自由基可少量单独存在，多数以羟基自由基水分子簇的形式存在。本节讨论羟基自由基和羟基自由基水分子簇抽H的过程。考虑到α-H与氨基H和羰基O之间的空间不是很大，自由基水分子簇与它们作用时，采用自由基1水分子簇和自由基2水分子簇。自由基水分子簇与α-H和氨基H作用的反应用m表示，自由基水分子簇与α-H和羰基O作用的反应用n表示。此通道3个过程的损伤产物相同，记作Pa。a通道上羟基自由基(水分子簇)抽α-H的反应历程见图2(第106页)，反应过程势能面见图3(第107页)。

首先OH攻击S-Pro的α-H，形成氢键络合物S-Pro·OHa。此过程是无过渡态过程，需要能量12.5 kJ·mol-1，此能量较小，此过程可通过分子间碰撞实现。然后，S-Pro·OHa经过渡态T·OHa，OH抽取α-H，异构成P·H2Oa。NPA电荷计算表明，P·H2Oa中的H2O电荷代数和为零，这说明OH抽取的α-H是氢原子1)(1)注： 1) NPA电荷计算表明，详细的情况是α-H从α-C向OH迁移的过程中，正电荷量逐渐减小，OH上的O的负电荷量逐渐增加，也就是体系的负电荷部分向OH上的O移动，P·H2Oa形成后，Pa的总电荷略小于零，H2O的总电荷略大于零。计算表明本工作的抽氢均是抽氢原子，后面不再解释。，此过程是放热反应，释放能量104.6 kJ·mol-1。P·H2Oa的α-碳失去了手性，是损伤的脯氨酸与水分子的络合物。从S-Pro·OHa到T·OHa过程，4C—12H键从0.108 9 nm拉伸至0.117 7 nm，二面角17N—4C—3C—13C从117.7°变为122.6°，C—H较小的拉伸和骨架很小的形变所需能量不多，从S-Pro·OHa越过T·OHa需要的能量是28.8 kJ·mol-1，此过程可以通过分子间的碰撞实现(能量小于40.0 kJ·mol-1的反应可通过分子间碰撞自发地实现[24])。最后，P·H2Oa经无过渡态过程解离为损伤的脯氨酸产物Pa和H2O，释放能量18.2 kJ·mol-1。

图2 羟基自由基(水分子簇)抽α-氢原子的过程Fig.2 The process of hydroxyl radicals(water molecules clusters) extracting α-H atoms

图3 羟基自由基(水分子簇)抽α-氢原子反应过程的自由能势能面Fig.3 Gibbs free-energy profiles of the reaction process that hydroxyl radicals(water molecules clusters) extract α-H atoms

S-Pro·OHa是亚稳态中间体，寿命较短，整个反应过程也可以认为是OH从“物理的无穷远”经过渡态T·OHa，直接抽取S-Pro的α-H，得到损伤产物Pa和H2O，需越过的总自由能垒是41.3 kJ·mol-1，整个反应过程放热110.3 kJ·mol-1。

羟基自由基1水分子簇抽α-H的m过程：首先OH·H2O攻击S-Pro的α-H，OH·H2O与5H和α-H氢键作用，形成络合物S-Pro·(OH·H2O)am。相似于前面的讨论，此过程是无过渡态过程，需要能量25.5 kJ·mol-1，此过程可通过分子间的碰撞实现。然后，S-Pro·(OH·H2O)am经过渡态T·(OH·H2O)am，异构成P·(H2O)2am。此过程是放热反应，释放能量134.4 kJ·mol-1。P·(H2O)2am的α-碳失去了手性，是损伤的Pro与二聚水的络合物。从S-Pro·(OH·H2O)am到T·(OH·H2O)am，4C—12H键从0.108 8 nm拉伸至0.116 4 nm，二面角17N—4C—3C—13C从118.7°变为122.8°，C—H键的小幅拉伸和骨架微小的形变所需能量很少，从S-Pro·(OH·H2O)am越过T·(OH·H2O)am需要的能量是22.0 kJ·mol-1，此过程也可通过分子间的碰撞实现。此反应中，水分子21H—20O—22H没参与反应，只是起了稳定羟基自由基在空间的位置和过渡态的作用，使得从S-Pro·(OH·H2O)am越过T·(OH·H2O)am需要的能量小于从S-Pro·OHa越过T·OHa需要的能量。最后，P·(H2O)2am经无过渡态过程解离为Pa和(H2O)2，释放能量21.6 kJ·mol-1。同前，整个反应可认为是OH·H2O从“无穷远”经过渡态T·(OH·H2O)am，直接抽取S-Pro的α-H，得到损伤产物Pa和(H2O)2。需越过的总自由能垒是47.5 kJ·mol-1，整个反应过程放热108.5 kJ·mol-1。

羟基自由基2水分子簇抽α-H的m过程：首先OH·(H2O)2的OH同时与α-H和16O氢键作用；(H2O)2同时与5H和16O氢键作用，形成络合物S-Pro·[OH·(H2O)2]am，此过程需能量19.9 kJ·mol-1。然后，S-Pro·[OH·(H2O)2]am经过渡态T·[OH·(H2O)2]am，异构成P·(H2O)3am，P·(H2O)3am的α-碳失去了手性。从S-Pro·[OH·(H2O)2]am到T·[OH·(H2O)2]am，4C—12H键从0.108 9 nm拉伸至0.117 6 nm，二面角17N—4C—3C—13C微增5.1°，从S-Pro·(OH·H2O)am越过T·(OH·H2O)am需能量28.4.0 kJ·mol-1。此反应中，二聚水起了稳定自由基在空间的位置和过渡态的作用。最后，P·(H2O)3am经无过渡态过程解离为Pa和(H2O)3，释放能量18.9 kJ·mol-1。反应也可认为是OH·(H2O)2从“无穷远”经过渡态T·[OH·(H2O)2]am，抽取α-H，得到损伤产物Pa和(H2O)3。需越过的总自由能垒是48.3 kJ·mol-1，整个反应过程放热105.1 kJ·mol-1。

羟基自由基水分子簇抽α-H的n过程与羟基自由基水分子簇抽α-H的m过程相似，只做一般讨论。

羟基自由基1水分子簇抽α-H的n过程：首先OH·H2O攻击S-Pro的α-H，OH·H2O与16O和α-H氢键作用，形成络合物S-Pro·(OH·H2O)an，需要能量27.6 kJ·mol-1。然后，S-Pro·(OH·H2O)an经过渡态T·(OH·H2O)an，异构成P·(H2O)2an。从S-Pro·(OH·H2O)an到T·(OH·H2O)an，4C—12H从0.108 9 nm变为0.116 3 nm，二面角17N—4C—3C—13C从117.4°变为122.6°，从S-Pro·(OH·H2O)an越过T·(OH·H2O)an需要能量14.2 kJ·mol-1。最后，P·(H2O)2an经无过渡态过程解离为Pa和(H2O)2，释放能量133.5 kJ·mol-1。整个反应也可认为是OH·H2O从“无穷远”，经过渡态T·(OH·H2O)an，直接抽取S-Pro的α-H，需越过的总自由能垒是41.8 kJ·mol-1，整个过程放热108.5 kJ·mol-1。

羟基自由基2水分子簇抽α-H的n过程：此过程分为n1和n2两种情况，一是OH·(H2O)2的OH同时与α-H和羰基氧16O氢键作用，(H2O)2与羰基氧16O氢键作用；二是OH·(H2O)2的OH同时与α-H和氨基氢15H氢键作用，(H2O)2与羰基16O氢键作用。形成的具有稳定氢键网络体系的络合物分别命名为S-Pro·[OH·(H2O)2]an1和S-Pro·[OH·(H2O)2]an2。

n1情况，S-Pro·[OH·(H2O)2]an1经过渡态T·[OH·(H2O)2]an1，异构得到P·(H2O)3an1。从S-Pro·[OH·(H2O)2]an1到T·[OH·(H2O)2]an1，4C—12H从0.108 9 nm变为0.116 5 nm，二面角17N—4C—3C—13C从117.2°变为122.2°，从S-Pro·[OH·(H2O)2]an1越过T·[OH·(H2O)2]an1需要的能量是7.1 kJ·mol-1。最后，P·(H2O)3an1经无过渡态过程解离为Pa和(H2O)3，释放能量22.9 kJ·mol-1。整个反应过程也可以认为是OH·(H2O)2从“物理的无穷远”，经过渡态T·[OH·(H2O)2]an1，直接抽取S-Pro的α-H，需越过的总自由能垒是45.6 kJ·mol-1，整个过程放热105.1 kJ·mol-1。

n2情况，S-Pro·[OH·(H2O)2]an2经过渡态T·[OH·(H2O)2]an2，异构得到P·(H2O)3an2。从S-Pro·[OH·(H2O)2]an2到T·[OH·(H2O)2]an2，4C—12H从0.109 0 nm变为0.116 5 nm，二面角17N—4C—3C—13C从115.1°变为120.3°，从S-Pro·[OH·(H2O)2]an2越过T·[OH·(H2O)2]an2需要的能量是15.7 kJ·mol-1。最后，P·(H2O)3an2经无过渡态过程解离为Pa和(H2O)3，释放能量26.5 kJ·mol-1。整个反应过程也可以认为是OH·(H2O)2从“物理的无穷远”，经过渡态T·[OH·(H2O)2]an2，直接抽取S-Pro的α-H，需越过的自由能垒是47.3 kJ·mol-1，整个过程放热105.1 kJ·mol-1。

从图3可以看出，羟自由基1水分子簇抽α-H的n过程和羟自由基抽α-H的过程略具优势，羟自由基2水分子簇抽氢略具劣势。羟自由基2水分子簇抽氢的能垒最高不过48.3 kJ·mol-1(图3)，低于温和反应能垒80.4 kJ·mol-1[24]。因此，羟基自由基水分子簇抽α-H诱导的脯氨酸损伤m和n过程都易实现。损伤修复自由能垒最小是147.0 kJ·mol-1，接近极限反应自由能垒160.0 kJ·mol-1[24]，因此，羟基自由基抽α-H诱导的脯氨酸损伤极难修复。

2.2 羟基自由基(水分子簇)抽五元杂环的氢原子

同于2.1节，只在b通道讨论羟基自由基自己抽H，对于羟基自由基水分子簇抽H，考虑到杂环上不同的H和氨基H及羰基O之间的空间范围，对于d和e通道考察了羟基自由基和2水分子簇抽H以及羟基自由基和1水分子簇抽H，其他的b、c、f和g通道考察的都是羟基自由基和1水分子簇抽H。羟基自由基(水分子簇)抽五元杂环不同位置H的反应历程见图4，反应过程的势能面见图5(第110页)。羟基自由基抽6H至9H的过程相似，对抽6H过程详细讨论，其它做一般讨论；羟基自由基抽10H和11H的过程也相似，对抽10H过程详细讨论，对抽11H过程做一般讨论。

图4 羟基自由基(水分子簇)抽五元杂环氢原子的过程及产物的电荷分布Fig.4 The process of hydroxyl radicals(water molecules clusters) extracting H atoms at different positions on the five-membered heterocycle and the charge distribution of its product

图5 羟基自由基(水分子簇)抽五元杂环上氢原子反应过程的自由能势能面Fig.5 Gibbs free-energy profiles of the reaction process of hydroxyl radicals(water clusters) extracting H atoms at different positions on the five-membered heterocycle

2.2.1 b通道-羟基自由基(水分子簇)抽6H

1) 羟基自由基抽6H的过程

首先，OH攻击S-Pro的6H，OH与6H和14O形成络合物S-Pro·OHb，此过程需能量18.8 kJ·mol-1。然后，S-Pro·OHb经过渡态S-T·OHb，异构成S-P·H2Ob。S-P·H2Ob上的1C、2C、3C和4C的电荷分别是-0.081、-0.530、-0.223和-0.497，S-Pro上的1C、2C、3C和4C的电荷分别是-0.400、-0.368、-0.327和-0.252。S-P·H2Ob与S-Pro相比较，骨架电荷变化明显，脯氨酸损伤了，S-P·H2Ob是损伤的脯氨酸与水分子的络合物。从S-Pro·OHb到S-T·OHb，1C—6H键从0.109 0 nm拉伸至0.118 9 nm，从S-Pro·OHb越过S-T·OHb需要能量23.8 kJ·mol-1，此过程可通过分子间的碰撞实现。从S-Pro·OHb到S-P·H2Ob过程释放热量63.4 kJ·mol-1。最后，S-P·H2Ob经无过渡态过程解离为产物S-Pb和H2O，释放能量22.3 kJ·mol-1。S-Pb上的17N、1C、2C、3C、4C和12C的电荷分别是-0.093、-0.132、-0.431、-0.308、-0.428和0.300，S-Pro上的17N、1C、2C、3C、4C和12C的电荷分别是-0.141、-0.400、-0.368、-0.327、-0.252和0.244.S-Pb与S-Pro相比较，骨架电荷显著改变，说明S-P·H2Ob解离的产物S-Pb损伤加重。同于2.1节，此反应过程也可以认为是OH从“无穷远”经过渡态S-T·OHb直接抽6H，需越过的总自由能垒是42.0 kJ·mol-1。

2) 羟基自由基1水分子簇抽6H的过程

首先OH·H2O攻击S-Pro的6H，OH·H2O与14O和6H氢键作用，形成络合物S-Pro·(OH·H2O)b。此过程无过渡态，需要能量30.5 kJ·mol-1。然后，S-Pro·(OH·H2O)b经过渡态S-T·(OH·H2O)b，水分子辅助羟基自由基抽取6H，异构成S-P·(H2O)2b。S-P·(H2O)2b五元杂环上碳的电荷与S-Pro五元杂环上碳的电荷相比较变化明显，Pro损伤了。从S-Pro·(OH·H2O)b到S-T·(OH·H2O)b，1C—6H键从0.108 8 nm拉伸至0.117 9 nm，从S-Pro·(OH·H2O)b越过S-T·(OH·H2O)b需要能量12.9 kJ·mol-1。最后，S-P·(H2O)2b经无过渡态过程解离为S-Pb和(H2O)2，释放能量27.0 kJ·mol-1。S-Pb与S-Pro骨架上的电荷相比较发生显著改变，说明S-P·(H2O)2b解离的产物S-Pb损伤加重。此过程可认为是OH·H2O从“无穷远”经过渡态S-T·(OH·H2O)b直接抽6H，需越过的能垒是42.9 kJ·mol-1。

2.2.2 c通道-羟基自由基1水分子簇抽7H

首先OH·H2O攻击7H，OH·H2O与5H及7H氢键作用，形成S-Pro·(OH·H2O)c。然后，S-Pro·(OH·H2O)c经过渡态S-T·(OH·H2O)c，异构成络合物S-P·(H2O)2c，S-P·(H2O)2c是损伤的脯氨酸与水分子的络合物。从S-Pro·(OH·H2O)c到S-T·(OH·H2O)c需要能量20.0 kJ·mol-1。此反应过程可认为是OH·H2O从“无穷远”经过渡态S-T·(OH·H2O)c抽取7H，需越过自由能垒48.9 kJ·mol-1。

2.2.3 d通道-羟基自由基水分子簇抽8H

1) 羟基自由基1水分子簇抽8H

首先OH·H2O攻击8H，OH·H2O与5H及8H氢键作用，形成S-Pro·(OH·H2O)d。然后，S-Pro·(OH·H2O)d经过渡态S-T·(OH·H2O)d，异构成损伤的脯氨酸络合物S-P·(H2O)2d。从S-Pro·(OH·H2O)d到S-T·(OH·H2O)d需要能量7.3 kJ·mol-1。此反应过程也可认为是OH·H2O从“无穷远”经过渡态S-T·(OH·H2O)d直接抽取8H，需越过自由能垒37.0 kJ·mol-1。

2) 羟基自由基2水分子簇抽8H

首先OH·(H2O)2攻击8H，OH·(H2O)2与5H与8H氢键作用，形成S-Pro·[OH·(H2O)2]d。然后，S-Pro·[OH·(H2O)2]d经过渡态S-T·[OH·(H2O)2]d，异构成损伤的脯氨酸络合物S-P·(H2O)3d。从S-Pro·[OH·(H2O)2]d到S-T·[OH·(H2O)2]d过程，需要能量18.0 kJ·mol-1。此过程也可认为是OH·(H2O)2从“无穷远”经过渡态S-T·[OH·(H2O)2]d直接抽8H，需越过自由能垒45.3 kJ·mol-1。

2.2.4 e通道-羟基自由基水分子簇抽9H

1) 羟基自由基1水分子簇抽9H

首先OH·H2O攻击9H，OH·H2O与14O及9H氢键作用，形成S-Pro·(OH·H2O)e，此过程需能量26.8 kJ·mol-1。然后，S-Pro·(OH·H2O)e经过渡态S-T·(OH·H2O)e，异构成损伤的脯氨酸络合物S-P·(H2O)2e。从S-Pro·(OH·H2O)e到S-T·(OH·H2O)e需要能量11.5 kJ·mol-1。此反应也可认为是OH·H2O从“无穷远”经过渡态S-T·(OH·H2O)e直接抽9H，需越过自由能垒38.3 kJ·mol-1。

2) 羟基自由基2水分子簇抽9H

首先OH·(H2O)2攻击9H，OH·(H2O)2与16O及8H氢键作用，形成络合物S-Pro·[OH·(H2O)2]e，此过程需能量28.4 kJ·mol-1。然后，S-Pro·[OH·(H2O)2]e经过渡态S-T·[OH·(H2O)2]e，异构成损伤的脯氨酸络合物S-P·(H2O)3e。从S-Pro·[OH·(H2O)2]e到S-T·[OH·(H2O)2]e需要能量14.9 kJ·mol-1。此反应也可认为是OH·(H2O)2从“无穷远”经过渡态S-T·[OH·(H2O)2]e直接抽9H，需越过自由能垒43.3 kJ·mol-1。

2.2.5 f通道-羟基自由基水分子簇抽10H

本通道，自由基水分子簇与α-H和氨基H作用的反应过程用m表示，自由基1水分子簇与α-H和羰基O作用的反应过程用n表示。此通道两个过程的损伤产物构象相同，记作S-Pf。

1) 羟基自由基水分子簇抽10H的m过程

首先OH·H2O攻击10H，OH·H2O与5H和10H氢键作用，形成络合物S-Pro·(OH·H2O)fm，此过程需要能量18.3 kJ·mol-1。然后，S-Pro·(OH·H2O)fm经过渡态S-T·(OH·H2O)fm，异构成S-P·(H2O)2fm，放热91.6 kJ·mol-1。从S-Pro·(OH·H2O)fm到S-T·(OH·H2O)fm过程，3C—10H键从0.109 2 nm拉伸至0.116 1 nm，需要的能量是16.6 kJ·mol-1。最后，S-P·(H2O)2fm经无过渡态过程解离为S-Pf和(H2O)2，释放能量28.7 kJ·mol-1。整个反应可以认为是OH·H2O从“无穷远”经过渡态S-T·(OH·H2O)fm直接抽10H，得到损伤产物Pf和(H2O)2，需越过自由能垒34.9 kJ·mol-1，整个反应过程放热102.0 kJ·mol-1。

2) 羟基自由基水分子簇抽10H的n过程

首先，OH·H2O攻击10H，OH·H2O与16O和10H氢键作用，形成络合物S-Pro·(OH·H2O)fn，需能量16.3 kJ·mol-1。然后，S-Pro·(OH·H2O)fn经过渡态S-T·(OH·H2O)fn，异构成S-P·(H2O)2fn。从S-Pro·(OH·H2O)fn到S-T·(OH·H2O)fn，3C—10H键从0.108 9 nm拉伸至0.116 5 nm，需能量17.3 kJ·mol-1。最后，S-P·(H2O)2fn经无过渡态过程解离为S-Pf和(H2O)2，释放能量25.7 kJ·mol-1。此过程也可认为是OH·H2O从“无穷远”经S-T·(OH·H2O)fn直接抽10H，得到S-Pf和(H2O)2，能垒是33.6 kJ·mol-1。

2.2.6 g通道-羟基自由基水分子簇抽11H

本通道，自由基水分子簇与11H和羰基氧14O作用的反应过程用m表示，自由基水分子簇与与11H和羰基氧16O作用的反应过程用n表示。此通道两个过程的损伤产物构象相同，记作S-Pg。

1) 羟基自由基水分子簇抽11H的m过程

首先OH·H2O攻击11H，OH·H2O与14O和11H氢键作用，形成络合物S-Pro·(OH·H2O)gm，此过程需要能量27.1 kJ·mol-1。然后，S-Pro·(OH·H2O)gm经过渡态S-T·(OH·H2O)gm，异构成S-P·(H2O)2gm。从S-Pro·(OH·H2O)gm到S-T·(OH·H2O)gm需要能量9.4 kJ·mol-1。整个反应可认为是OH·H2O从“无穷远”经过渡态S-T·(OH·H2O)gm直接抽取11H，得到损伤产物S-Pg和(H2O)2。

2) 羟基自由基水分子簇抽11H的n过程

首先OH·H2O攻击11H，OH·H2O与16O和11H氢键作用，形成络合物S-Pro·(OH·H2O)gn，需能量21.4 kJ·mol-1。然后，S-Pro·(OH·H2O)gn经过渡态S-T·(OH·H2O)gn，异构成S-P·(H2O)2gn。从S-Pro·(OH·H2O)gn到S-T·(OH·H2O)gn需能量11.9 kJ·mol-1。整个反应可认为是OH·H2O从“无穷远”经过渡态S-T·(OH·H2O)gn直接抽11H，得到损伤产物S-Pg和(H2O)2，需越过自由能垒是33.3 kJ·mol-1。

从图5可以看出，羟基自由基(水分子簇)抽五元杂环H的自由能垒在33.3至48.9 kJ·mol-1之间。其中在f和g通道的损伤反应最具优势，自由能垒在33.3至36.5 kJ·mol-1之间，在b和c通道的损伤反应稍具略势，自由能垒在42.9至48.9 kJ·mol-1之间。原因是在f和g通道反应过渡态的构象较b和c通道反应的过渡态构象稳定(过渡态结构分析可知)。羟基自由基(水分子簇)抽取五元杂环H的最高自由能垒有48.9 kJ·mol-1远低于温和反应自由能垒80.4 kJ·mol-1[24]，损伤修复的最低自由能垒是126.9 kJ·mol-1，远高于温和反应自由能垒80.4 kJ·mol-1[24]，接近极限反应自由能垒160.0 kJ·mol-1[24]，因此，羟基自由基(水分子簇)抽取五元杂环的H容易致脯氨酸损伤，且损伤后较难修复。

3 结 论

本工作在MN15/6-311++G(3df,2pd)//M06-2X/6-311+G(d,p)双水平下，研究了水液相下羟基自由基(水分子簇)诱导的S-Pro损伤，得到如下结论：

1) 羟基自由基(水分子簇)抽取α-H原子可导致S-Pro失去手性，S-Pro严重损伤；羟基自由基(水分子簇)抽取五元杂环上不同位置的H原子不改变S-Pro的手性，而是使骨架的电荷分布严重改变而诱导S-Pro损伤。

2) 羟基自由基(水分子簇)诱导S-Pro损伤，可认为是羟基自由基(水分子簇)与S-Pro氢键作用，形成亚稳态中间体反应物，再经过过渡态，形成损伤产物与水分子(簇)的络合物，最后通过碰撞过程解离成损伤产物和水分子(簇)。

3) 羟基自由基(水分子簇)诱导S-Pro还可认为是羟基自由基(水分子簇)直接抽H的过程，抽取α-H的自由能垒在41.3至48.3 kJ·mol-1之间，抽取五元杂环的H的自由能垒在33.3至48.9 kJ·mol-1之间。抽取五元杂环与α-C邻位C的H的损伤反应最具优势，自由能垒在33.3至36.5 kJ·mol-1之间。损伤修复的最低自由能垒是126.9 kJ·mol-1。

结果表明，水液相下羟基自由基存在时脯氨酸分子很容易损伤，并且损伤后很难修复。