王佐成, 李晨潔， 董麗榮， 閆紅彥， 佟華*(.白城師范學(xué)院 物理學(xué)院， 吉林 白城 7000； .白城師范學(xué)院 傳媒學(xué)院， 吉林 白城 7000： .吉林師范大學(xué) 物理學(xué)院，吉林 四平 6000； .白城師范學(xué)院 計算機(jī)科學(xué)學(xué)院，吉林 白城 7000)

組氨酸分子幾種穩(wěn)定構(gòu)型的手性轉(zhuǎn)變機(jī)理及水溶劑化效應(yīng)

王佐成1, 李晨潔2， 董麗榮3， 閆紅彥4， 佟華1*
(1.白城師范學(xué)院 物理學(xué)院， 吉林 白城 137000； 2.白城師范學(xué)院 傳媒學(xué)院， 吉林 白城 137000： 3.吉林師范大學(xué) 物理學(xué)院，吉林 四平 136000； 4.白城師范學(xué)院 計算機(jī)科學(xué)學(xué)院，吉林 白城 137000)

采用密度泛函理論的B3LYP方法、微擾理論的MP2方法和自洽反應(yīng)場(SCRF)理論的smd模型方法，研究了組氨酸分子3種最穩(wěn)定構(gòu)型的手性轉(zhuǎn)變機(jī)理及水溶劑化效應(yīng).發(fā)現(xiàn)標(biāo)題反應(yīng)有a、b、c 3條通道，對于構(gòu)型1和2，a是手性碳上的質(zhì)子先以氨基為橋遷移，b是羥基異構(gòu)后手性碳上的質(zhì)子再以氨基為橋遷移，c是以羧基和氨基聯(lián)合作橋?qū)崿F(xiàn)質(zhì)子遷移.對于構(gòu)型3，a是質(zhì)子只以氨基為橋遷移，b是質(zhì)子順次以羰基與氨基為橋遷移，c是質(zhì)子順次以羧基和氨基為橋遷移.計算表明： 構(gòu)型1和2的主反應(yīng)通道都是b，決速步自由能壘分別為250.8和251.7 kJ·mol-1，來源于羥基異構(gòu)后的質(zhì)子從手性碳向氨基氮遷移的過渡態(tài).構(gòu)型3的主反應(yīng)通道是a，決速步自由能壘為250.8 kJ·mol-1，來源于質(zhì)子從手性碳向氨基氮遷移的過渡態(tài).水溶劑效應(yīng)使構(gòu)型1的主反應(yīng)通道決速步自由能壘降到109.1 kJ·mol-1.說明水環(huán)境對組氨酸的旋光異構(gòu)有極好的催化作用.

組氨酸；手性轉(zhuǎn)變；密度泛函理論；過渡態(tài)；微擾理論；自洽反應(yīng)場

0 引 言

組氨酸(His)是一種人體必需的氨基酸，分為左旋體(S-His)和右旋體(R-His).兩種結(jié)構(gòu)的His是機(jī)體蛋白質(zhì)構(gòu)成的氨基酸，也是一些功能蛋白質(zhì)的主要組成氨基酸.生命體內(nèi)His與銅代謝有密切關(guān)系，S-His在生理環(huán)境中能接受和釋放質(zhì)子，起質(zhì)子傳遞作用，還能與蛋白質(zhì)分子中的一些其他基團(tuán)形成氫鍵，而R-His則可用于不對稱轉(zhuǎn)化研究[1-2].

鑒于His的重要作用，人們對其進(jìn)行了大量研究.胡瓊等[3]的研究表明，對于分子中鍵的振動，溶劑的介電常數(shù)越小，振動頻率越高，振動強(qiáng)度越弱.His分子的空間構(gòu)象與其質(zhì)子化狀態(tài)以及介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān).王衛(wèi)寧等[4]研究了His在0.2～2.8THz波段的光譜特性，得到His樣品的特征吸收峰位于0.88，1.64，2.23 THz，與實驗吸收峰位擬合較好.胡瓊等[5]的研究表明： 同一介質(zhì)中，增大計算基組和采用擴(kuò)散函數(shù)，可使計算的單點勢能和振動頻率降低，對應(yīng)光譜強(qiáng)度增高，電離能增加.何發(fā)虎等[6]利用反轉(zhuǎn)恢復(fù)法測得14N的T1值，利用NMR法測得不同pH值環(huán)境下His的14N譜，根據(jù)T1值和14N譜，獲得了His在不同電離情況下的結(jié)構(gòu).

雖然S-His和R-His具有不同的功能，但研究其不同構(gòu)象的旋光異構(gòu)更具意義，目前相關(guān)研究鮮見報道.文獻(xiàn)[7-10]對賴氨酸和α-丙氨酸等分子的一種構(gòu)象的手性轉(zhuǎn)變進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，質(zhì)子可以氨基為橋、羰基和羧基與氨基聯(lián)合為橋從手性碳的一側(cè)遷移到另一側(cè)，實現(xiàn)手性轉(zhuǎn)變.黃志堅[11]的研究表明，His分子能形成多種分子內(nèi)氫鍵，存在很多能量相近的穩(wěn)定構(gòu)型，例如S-His_1、S-His_2和S-His_3(見圖1)是S-His分子的3種穩(wěn)定構(gòu)型.基于此，考慮到生命體內(nèi)的His分子廣泛存在于水環(huán)境中，研究了氣相S-His分子3種穩(wěn)定構(gòu)型的手性轉(zhuǎn)變機(jī)制及水溶劑化效應(yīng).說明了氣相His分子具有穩(wěn)定性，揭示了生命體內(nèi)S-His分子旋光異構(gòu)的一個原因.同時，本研究對進(jìn)一步研究His在復(fù)雜環(huán)境下的立體異構(gòu)，為實驗實現(xiàn)S-His的旋光異構(gòu)，具有重要的指導(dǎo)意義.

1 計算方法

采用密度泛函理論中的B3LYP[12-13]方法，考慮到His分子內(nèi)具有氫鍵，選用6-311++G(d，p)基組，全優(yōu)化S-His向R-His異構(gòu)過程中的各個駐點結(jié)構(gòu).計算溶劑效應(yīng)時，對于無H遷移的分子異構(gòu)過程，將水視為連續(xù)介質(zhì)，采用自洽反應(yīng)場(SCRF)理論及smd模型方法[14].對于有H遷移過程的分子異構(gòu)，水分子直接參與反應(yīng)，將水視為離散介質(zhì)，同時考慮底物分子的水合分子處在連續(xù)介質(zhì)的變化的水環(huán)境中.水環(huán)境中的His分子記作His@water，與水環(huán)境中其他分子表示法相似.通過對過渡態(tài)[15-16]進(jìn)行內(nèi)稟反應(yīng)坐標(biāo)(IRC)[17-18]計算，驗證其為連接所期望的局域極小點.為計算高水平的勢能面，采用微擾理論的MP2方法[19-20]，結(jié)合6-311++G(2df，pd)基組，計算體系的單點能.利用Gtotal=ESP+Gtc(Gtotal為總自由能，ESP為單點能，Gtc為吉布斯自由能熱校正)計算總自由能.計算均由Gaussian09[21]程序完成.

2 結(jié)果與討論

優(yōu)化的S-His_1、S-His_2、S-His_3以及1種R-His的結(jié)構(gòu)如圖1所示.S-His_1、S-His_2和S-His_3在B3LYP/6-311++G(d，p)水平的零點振動能分別為4.24×102，4.23×102和4.22×102kJ·mol-1，逐漸減小，說明它們的穩(wěn)定性依次減弱；在MP2/6-311++G(2df，pd)//B3LYP/6-311++G(d，p)雙水平的能量分別為-1.437 83×106，-1.437 82×106和-1.437 81×106kJ·mol-1，相對逐漸增加，進(jìn)一步說明其穩(wěn)定性依次減弱；因此S-His_1的構(gòu)象最穩(wěn)定.結(jié)構(gòu)分析表明： S-His_1具有氨基和羧基之間分子內(nèi)較強(qiáng)的單氫鍵、氨基氫和咪唑環(huán)上的氮之間的氫鍵以及氨基團(tuán)和咪唑環(huán)間的相互作用；S-His_2與S-His_1相比則不具有氨基團(tuán)和咪唑環(huán)間的相互作用；S-His_3具有氨基和羧基之間的分子內(nèi)雙氫鍵以及氨基氫和咪唑環(huán)上的氮之間的分子內(nèi)氫鍵.因此，十分穩(wěn)定.相對而言，氨基和羧基之間的分子內(nèi)單氫鍵強(qiáng)于雙氫鍵，且S-His_1還具有氨基團(tuán)和咪唑環(huán)間的相互作用，因此更穩(wěn)定，其含量占主導(dǎo)地位.文獻(xiàn)[11]認(rèn)為，對于外消旋的His，R-His_1、R-His_2和R-His_3均存在，只是含量依次減小，說明S-His_2和S-His_3異構(gòu)為S-His_1之后再旋光異構(gòu)并不是His旋光異構(gòu)的唯一機(jī)理，而且S-His_3與S-His_1和S-His_2之間的異構(gòu)要克服羧基內(nèi)氫遷移的能壘，計算得到此能壘為126.9 kJ·mol-1，不是輕易能越過的.因此，本文對S-His_1、S-His_2、S-His_3的旋光異構(gòu)分別進(jìn)行了研究.考慮S-His_1最穩(wěn)定，含量最高，因此對其旋光異構(gòu)進(jìn)行重點討論.

2.1 S-His_1的手性轉(zhuǎn)變機(jī)理

研究發(fā)現(xiàn)，S-His_1的手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)有3條通道，分別為a、b和c，計算的各駐點結(jié)構(gòu)、過渡態(tài)的虛頻振動模式見圖2，反應(yīng)勢能面見圖3.

S-His_1在a通道的手性轉(zhuǎn)變歷程見圖2(a).首先，S-His_1的手性碳10C上的15H經(jīng)過渡態(tài)aTS1_1,沿虛頻振動正向遷移到氨基氮18N上，異構(gòu)成中間體aINT1_1.在S-His_1到aTS1_1過程中，10C-15H鍵長從0.109 69 nm增長到0.137 08 nm，10C-15H鍵斷裂；10C-18N鍵長從0.147 40 nm增長到0.160 22 nm，10C-18N鍵斷裂；二面角14H-13O-11C-10C從-1.925°變?yōu)?7.466°，14H從13O-11C左側(cè)翻轉(zhuǎn)到右側(cè).2個化學(xué)鍵斷裂需要較大的能量，14H繞13O-11C鍵軸旋轉(zhuǎn)也需能量，因此，aTS1_1會產(chǎn)生很高的能壘，為310.3 kJ·mol-1.然后，aINT1_1在紙面里的19H沿過渡態(tài)aTS2_1虛頻的負(fù)向從18N遷移到10C，異構(gòu)成中間體aR-INT2_1，實現(xiàn)手性轉(zhuǎn)變.與aTS1_1相比，aTS2_1僅有2個化學(xué)鍵18N-19H和10C-18N斷裂，無14H繞13O-11C鍵軸的旋轉(zhuǎn)，其能壘較aTS1_1低，為121.7 kJ·mol-1.最后，aR-INT2_1經(jīng)過14H繞13O-11C鍵軸旋轉(zhuǎn)的過渡態(tài)aTS3_1，實現(xiàn)14H從13O-11C右側(cè)向左側(cè)翻轉(zhuǎn)，異構(gòu)成具有氨基和羧基之間分子內(nèi)較強(qiáng)的單氫鍵以及氨基和咪唑環(huán)之間分子內(nèi)氫鍵的穩(wěn)定產(chǎn)物aP_R-His_1.從R-INT2_1到aR-TS3_1中過程無斷鍵，只是14H繞13O-11C鍵軸俯視逆時針旋轉(zhuǎn)，二面角14H-13O-11C-10C從178.402°變?yōu)?94.293°.因此aTS3_1能壘不會太高，為42.8 kJ·mol-1.從反應(yīng)勢能面圖3可以看出，aP_R-His_1到aTS3_1的能壘為56.2 kJ·mol-1，低于常溫下溫和反應(yīng)的能壘84.0 kJ·mol-1[22].因此該通道的產(chǎn)物是aR-INT2_1和aP_R-His_1，前者含量很低.

S-His_1在b通道手性轉(zhuǎn)變的主要歷程見圖2(b).首先，S-His_1經(jīng)過羥基上的14H繞13O-11C鍵軸旋轉(zhuǎn)到過渡態(tài)bS-TS1_1異構(gòu)成中間體bS-INT1_1，二面角14H-13O-11C-12O從179.450°變?yōu)?0.356°，實現(xiàn)了羧基從反式平面結(jié)構(gòu)向順勢平面結(jié)構(gòu)的異構(gòu).從S-His_1到bS-TS1_1的過程是14H繞13O-11C鍵軸俯視逆時針旋轉(zhuǎn)，二面角14H-13O-11C-12O從179.450°變?yōu)?86.499°，無斷鍵.因此，bS-TS1_1能壘較低，只有60.1 kJ·mol-1.然后，bS-INT1_1經(jīng)過渡態(tài)bTS2_1，實現(xiàn)15H向氨基氮18N的遷移，異構(gòu)成中間體bINT2_1.bS-INT1_1到bTS2_1的過程中，10C-15H鍵長從0.109 56 nm增長到0.134 87 nm且鍵斷裂；10C-18N鍵長從0.145 64 nm增長到0.157 91 nm且鍵斷裂.2個化學(xué)鍵斷裂，使bTS2_1產(chǎn)生較高的能壘，該能壘為250.8 kJ·mol-1.計算表明，bINT2_1全同于aINT1_1，bINT2_1以后的異構(gòu)過程同于aINT1_1，此從略.

S-His_1在c通道手性轉(zhuǎn)變的主要歷程見圖2(c).首先是手性碳上的15H經(jīng)過渡態(tài)cTS1_1遷移到羰基12O，S-His_1異構(gòu)成羧基質(zhì)子化的中間體cINT1_1.S-His_1到cTS1_1過程中，鍵長10C-15H從0.109 69 nm增長到0.156 44 nm，鍵長增幅較大，cTS1_1的能壘為297.2 kJ·mol-1.然后，cINT1_1經(jīng)過渡態(tài)cTS2_1，其質(zhì)子化羧基上的14H遷移到18N，異構(gòu)成中間體cINT2_1.此過程13O-14H鍵長從0.098 09 nm增長到0.134 03 nm且鍵斷，過渡態(tài)cTS2_1應(yīng)有一定高度的能壘.但cTS2_1的二面角14H-13O-11C-10O和10C-18N-14H-13O分別為-3.970°和-1.251°，即cTS2_1的5元環(huán)結(jié)構(gòu)共面，因此cTS2_1較穩(wěn)定.cTS2_1能量為156.0 kJ·mol-1，僅比cINT1_1高出43.4 kJ·mol-1.cINT2_1的能量為159.4 kJ·mol-1，使得此基元反應(yīng)的能量來自于cINT2_1，并不是cTS2_1，能壘為46.8 kJ·mol-1.接下來cINT2_1經(jīng)和aTS2_1相似的過渡態(tài)cTS3_1，實現(xiàn)20H從氨基氮18N在紙面里向手性碳10C的遷移，完成手性轉(zhuǎn)變，此從略.

圖2 S-His_1向R-His_1手性轉(zhuǎn)變的反應(yīng)歷程Fig.2 The chiral transition reaction processes of S-His_1 to R-His_1

圖3 S-His_1手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)的吉布斯自由能勢能面Fig.3 Gibbs free potential energy surfaces diagram of S-His_1 chiral transition reaction

從圖3中可以看出： S-His_1向R-His_1手性轉(zhuǎn)變的主反應(yīng)通道是b，決速步驟第2基元反應(yīng)的吉布斯自由能壘為250.8 kJ·mol-1，比a和c通道決速步的能壘310.3和297.2 kJ·mol-1低很多，即b通道比a和c通道具有更大的優(yōu)勢.250.8 kJ·mol-1遠(yuǎn)大于質(zhì)子遷移“極限能壘”167.0 kJ·mol-1[22]，說明S-His_1的手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)難以進(jìn)行，通常情況下S-His_1分子較穩(wěn)定.

2.2 S-His_2和S-His_3的手性轉(zhuǎn)變機(jī)理

研究發(fā)現(xiàn)，S-His_2和S-His_1具有相同的手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)通道a、b和c，計算表明，b通道為主反應(yīng)通道.S-His_3的手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)也有a、b和c 3條通道，a是手性碳上的質(zhì)子只以氨基氮為橋遷移，b是手性碳上的質(zhì)子順次以羰基氧12O和氨基氮18N為橋遷移，c是質(zhì)子以羧基的2個氧和氨基氮為橋遷移，計算說明a通道為主反應(yīng)通道.對于S-His_2和S-His_3的手性轉(zhuǎn)變，僅討論主反應(yīng)通道.

S-His_2和S-His_3在主反應(yīng)通道的手性轉(zhuǎn)變歷程、各駐點結(jié)構(gòu)、過渡態(tài)的虛頻振動模式見圖4(a)和(b)，計算的反應(yīng)勢能面見圖6(由于只討論一個通道，故反應(yīng)歷程和勢能面上各駐點的名稱均取消了通道的標(biāo)記).

對于S-His_2的手性轉(zhuǎn)變： 首先，S-His_2經(jīng)過羥基上的14H繞13O-11C鍵軸旋轉(zhuǎn)的過渡態(tài)S-TS1_2異構(gòu)成中間體S-INT1_2，此基元反應(yīng)過程與S-His_1在b通道的第1基元反應(yīng)相似.接著，S-INT1_2經(jīng)過渡態(tài)S-TS2_2實現(xiàn)了氨基氮18N上的19H和20H從紙面外向紙面里的翻轉(zhuǎn)，異構(gòu)成中間體S-INT2_2.此基元反應(yīng)中，二面角19H-18N-10C-20H從120.257°變?yōu)?117.360°，完成了氨基團(tuán)關(guān)于紙面對稱的異構(gòu)，S-INT2_2的18N朝向讀者的一面裸露出來(有孤對電子)，負(fù)電荷增加，得到質(zhì)子的能力增強(qiáng).然后，S-INT2_2經(jīng)過與bTS2_1和aTS2_1相似的2個過渡態(tài)TS3_2和TS4_2，實現(xiàn)了手性碳的質(zhì)子以氨基氮為橋從紙面外向紙面里遷移的過程，異構(gòu)成中間體R-INT4_2，實現(xiàn)了手性轉(zhuǎn)變.最后，R-INT4_2經(jīng)過和S-TS2_2和aR-TS3_1相似的2個過渡態(tài)R-TS5_2和R-TS6_2，異構(gòu)成具有氨基和羧基之間的分子內(nèi)較強(qiáng)的單氫鍵、氨基和咪唑環(huán)之間的分子內(nèi)氫鍵以及氨基團(tuán)和咪唑環(huán)間的相互作用的穩(wěn)定產(chǎn)物P_R-His_2.

對于S-His_3的手性轉(zhuǎn)變： 首先，S-His_3經(jīng)過和bTS2_1和aTS2_1相似的2個過渡態(tài)TS1_3和TS2_3，實現(xiàn)了手性碳質(zhì)子以氨基氮為橋從紙面外向紙面里的遷移，異構(gòu)成中間體R-INT2_3，實現(xiàn)了手性轉(zhuǎn)變.然后，R-INT2_3經(jīng)14H從羥基的13O向羰基氧12O遷移形成過渡態(tài)R-TS3_3，實現(xiàn)了羧基內(nèi)的質(zhì)子遷移，異構(gòu)成R-INT3_3.此過程的過渡態(tài)R-TS3_3雖然斷鍵，但二面角14H-13O-11C-12O僅有0.202°，即過渡態(tài)R-TS3_3的5元環(huán)結(jié)構(gòu)14H-13O-11C-12O基本共面，因此R-TS3_3較穩(wěn)定.從R-INT2_3到R-TS3_3的過程中，13O-14H鍵長從0.097 25nm增長到0.130 66 nm，增幅較小.因此R-TS3_3的能壘較低，只有126.9 kJ·mol-1.最后，R-INT3_3經(jīng)過和aR-TS3_1相似的過渡態(tài)R-TS3_3，14H從1C-13O右側(cè)翻轉(zhuǎn)到左側(cè)，異構(gòu)成具有氨基和羧基之間的分子內(nèi)較強(qiáng)的單氫鍵、氨基和咪唑環(huán)之間的分子內(nèi)氫鍵的穩(wěn)定產(chǎn)物P_R-His_3.

圖4 S-His_2和S-His_3的手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)歷程Fig.4 The chiral transition reaction processes of S-His_2 and S-His_3

圖5 S-His_2和S-His_3手性轉(zhuǎn)變主反應(yīng)的吉布斯自由能勢能面Fig.5 Gibbs free potential energy surfaces diagram of the main reaction of S-His_2 and S-His_3 chiral transition

圖6 水環(huán)境下S-His_1手性轉(zhuǎn)變主反應(yīng)通道的前半程反應(yīng)歷程及駐點結(jié)構(gòu)Fig.6 The first half reaction process and stationary structure of the main reaction channel of S-His_1 chiral transition under water environment

從圖5可以看出： S-His_2的手性轉(zhuǎn)變經(jīng)歷了6步基元反應(yīng)，決速步驟是第3基元反應(yīng)，其能壘為251.7 kJ·mol-1.第5和第6基元反應(yīng)的逆反應(yīng)能壘分別為5.8和61.0 kJ·mol-1，越過這2個能壘并不困難，因此，S-His_2的手性轉(zhuǎn)變產(chǎn)物中R-INT4_2、R-INT5_2和P_R-His_2共存，其中，P_R-His_2的能量最低，含量最高.S-His_3的手性轉(zhuǎn)變經(jīng)歷了4步，決速步驟是第1基元反應(yīng)，其能壘為250.8 kJ·mol-1，第4基元反應(yīng)的逆反應(yīng)能壘為56.2 kJ·mol-1，越過此能壘并不困難，因此，S-His_3的手性轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為R-INT3_3和P_R-His_3，P_R-His_3的能量低，含量高.251.7和250.8 kJ·mol-1遠(yuǎn)大于質(zhì)子遷移“極限能壘”167.0 kJ·mol-1[22]，說明S-His_2和S-His_3的手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)難以進(jìn)行，通常情況下穩(wěn)定性較好.

2.3 S-His手性轉(zhuǎn)變過程的水溶劑化效應(yīng)

因篇幅所限，僅討論His_1主反應(yīng)通道b的包含決速步的前半程，以說明水溶劑化效應(yīng)對His手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)能壘的影響.第1基元反應(yīng)是羧基14H繞11C-13O俯視逆時針旋轉(zhuǎn)的異構(gòu)，此過程溶劑效應(yīng)采用連續(xù)介質(zhì)模型；第2基元反應(yīng)是質(zhì)子從手性碳10C向氨基18N遷移，此過程水分子作為氫遷移媒介直接參與反應(yīng)，水作為溶劑，同時采用離散介質(zhì)模型和連續(xù)介質(zhì)模型.已有研究表明[9-10,23],2個水分子對氫遷移過程有較好的催化作用，因此采用2個水分子構(gòu)成的鏈作氫遷移媒介.

計算的反應(yīng)歷程的各駐點結(jié)構(gòu)和過渡態(tài)虛頻的振動模式見圖6，結(jié)構(gòu)分析表明，各駐點的構(gòu)象參數(shù)相對于裸環(huán)境略有改變.計算的反應(yīng)過程吉布斯自由能勢能面見圖7.首先，S-His_1@water經(jīng)過渡態(tài)bS-TS1_1@wate，形成中間體bS-INT1_1@water，二面角14H-13O-11C-12O從-179.151 0°變?yōu)?.572 0°，14H從羧基左側(cè)翻轉(zhuǎn)到右側(cè)，完成了水溶劑環(huán)境下的羧基異構(gòu).從S-His_1@wate到bS-TS1_1@water的過程，14H繞13O-11C鍵軸俯視逆時針旋轉(zhuǎn)，二面角14H-13O-11C-12O從-179.151 0°變?yōu)?88.792 0°，此過程無斷鍵，bS-TS1_1@water的能壘較低，只有50.5 kJ·mol-1，較裸反應(yīng)的60.1 kJ·mol-1有所降低，說明水溶劑效應(yīng)對羧基順式和反式平面結(jié)構(gòu)之間的異構(gòu)有催化作用.原因為S-His_1@wate中的13O-14H鍵長為0.099 75 nm，長于裸環(huán)境的0.099 27 nm，13O-14H鍵會變得松弛，導(dǎo)致13O-14H旋轉(zhuǎn)所需的能量降低.bS-INT1_1@water的18N的外側(cè)基本裸露，負(fù)電荷密度增加，易于接受來自其正面的正電荷.然后，bS-INT1_1與10C-18N前面的2個水分子以氫鍵結(jié)合成的復(fù)合分子bINT1_1·2H2O@water，經(jīng)過渡態(tài)bTS2_1·2H2O@water，異構(gòu)成產(chǎn)物中間體bINT2_1·2H2O@water，實現(xiàn)了水環(huán)境下質(zhì)子以2個水分子為媒介，從手性碳10C向氨基氮18N的轉(zhuǎn)移.此基元反應(yīng)過渡態(tài)是7元環(huán)結(jié)構(gòu)，其氫鍵鍵角10C-25H-22O，22O-23H-21O和21O-15H-18N分別為170.769 0°，166.027 0°和159.641 0°，接近平角，對應(yīng)的氫鍵都較強(qiáng)；二面角10C-25H-22O-23H，22O-23H-21O-15H和21O-15H-18N-10C分別為-6.707 0°，-10.228 0°和26.158 0°，7元環(huán)結(jié)構(gòu)接近平面，比較穩(wěn)定.因此，bTS2_1·2H2O@water的能壘不會高.從圖7可看出，此基元(即決速步)的能壘是109.1 kJ·mol-1，與裸反應(yīng)的能壘250.8 kJ·mol-1相比降低了68.9%，說明水環(huán)境對此氫遷移基元反應(yīng)有極好的催化作用.此能壘遠(yuǎn)低于質(zhì)子遷移“極限能壘”167.0 kJ·mol-1[22]，考慮到人體正常溫度約為310.00 K，高于298.15 K，再考慮到體內(nèi)溫度漲落、分子間碰撞以及某種酶的作用等因素，此能壘在生命體內(nèi)能夠越過，說明S-His分子在生命體內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)旋光異構(gòu)，這也是生命體內(nèi)R-His存在的原因之一.

圖7 水溶劑環(huán)境下S-His_1主反應(yīng)通道前半程反應(yīng)歷程的吉布斯自由能勢能面Fig.7 Gibbs free energy profile of the first half S-His_1 main reaction process in water solvent

3 結(jié) 論

研究發(fā)現(xiàn)： S-His分子的3種最穩(wěn)定構(gòu)型的手性轉(zhuǎn)變均有a、b、c 3條通道.對于S-His_1和S-His_2，a是手性碳上的質(zhì)子先以氨基為橋遷移，b是羥基異構(gòu)后手性碳上的質(zhì)子再以氨基為橋遷移，c是質(zhì)子以羧基和氨基聯(lián)合為橋遷移.對于S-His_3，a是質(zhì)子只以氨基為橋遷移，b是質(zhì)子順次以羰基與氨基為橋遷移，c是質(zhì)子順次以羧基和氨基為橋遷移.計算表明,構(gòu)型1和2的主反應(yīng)通道均為b，決速步自由能壘分別為250.8和251.7 kJ·mol-1，來源于羥基異構(gòu)后質(zhì)子從手性碳向氨基氮遷移的過渡態(tài).構(gòu)型3的主反應(yīng)通道是a，決速步自由能壘為250.8 kJ·mol-1，來源于質(zhì)子從手性碳向氨基氮遷移的過渡態(tài).水環(huán)境對His旋光異構(gòu)有極好的催化作用，水溶劑效應(yīng)使S-His_1主反應(yīng)通道的決速步自由能壘降至109.1 kJ·mol-1.結(jié)果表明，孤立環(huán)境下的組氨酸具有穩(wěn)定性，在水環(huán)境中可以緩慢實現(xiàn)旋光異構(gòu).

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WANG Zuocheng1; LI Chenjie2; DONG Lirong3,YAN Hongyan4, TONG Hua1
(1.CollegeofPhysics，BaichengNormalCollege，Baicheng137000，JilinProvince，China;2.CollegeofMedia，BaichengNormalCollege，Baicheng137000，JilinProvince，China;3.CollegeofPhysics，JilinNormalUniversity，Siping136000，JilinProvince,China;4.ComputerScienceCollege，BaichengNormalCollege，Baicheng137000，JilinProvince,China)

Chiraltransitionmechanismandwatersolvationeffectofstableconfigurationsofhistidinemolecules.Journal of Zhejiang University (Science Edition)，2018，45(1)： 103-111

The chiral transition mechanism and water solvation effect of three kinds of the most stable configurations of histidine molecules were studied by adopting the B3LYP method of density functional theory, the MP2 method of perturbation theory, and smd model method of self consistent reaction field theory. Our study on reaction channels shows that there are three channels a, b and c for the title reaction. For the configuration one and two, the proton of the chiral carbon is transferred directly with amino group as the bridge in the channel a, and in b hydroxyl isomerism firstly, then the proton is transferred with amino group as the bridge, while in c it is transferred with carbonyl/amino groups as the bridge. For the configuration three, the proton is transferred with the following respective groups as the bridge for channels a, b and c： only amino group, carbonyl then amino group, carboxyl then amino group. Calculations of potential energy surface show that channel b is the dominant reaction path in the configuration one and two, step-determining gibbs free energy barriers are 250.8 kJ·mol-1and 251.7 kJ·mol-1, respectively, which are generated by the transition state of proton transfering from the chiral carbon to the amino N after hydroxyl isomerism. In addition, channel a is the dominant reaction path in the configuration three, and step-determining gibbs free energy barrier is 250.8 kJ·mol-1that is generated by the transition state of proton transfer from the chiral carbon to the amino N. The water solvation effect reduces the step-determining energy barrier to 109.1 kJ·mol-1for the dominant reaction path in the configuration one. It shows that water environment has an excellent catalytic effect on the histidine optical isomerization.

histidine；chiral transition；density functional theory；transition state；perturbation theory；SCRF

2016-11-17.

吉林省科技發(fā)展計劃資助項目(20130101131JC; 20160101308JC).

王佐成(1963—)，ORCID ： http： //orcid.org/0000-0002-4827-7741，男，碩士，教授，主要從事單分子反應(yīng)機(jī)理研究，E-mail： wangzc188@163.com.

，ORCID： http： //orcid.org/0000-0003-1355-9914,E-mail： 164912372@qq.com.

10.3785/j.issn.1008-9497.2018.01.015

O 641.12

A

1008-9497(2018)01-103-09