半胱氨酸的手性对映体转变及水分子簇的催化作用

Chiral Enantiomer Transition of Cysteine and Catalysis of Water Clusters

摘要

采用色散校正密度泛函理论的WB97X-D方法和多体微扰理论的MP2方法研究了2种稳定构象的半胱氨酸分子手性对映体转变及水分子簇的催化。反应通道研究发现：半胱氨酸分子的手性对映体转变可以在3个通道a、b和c实现，a和b通道分别是羧基异构和α-氢向氨基氮迁移分步进行和协同进行，c通道是α-氢向羰基氧迁移后羧基氢再向氨基氮迁移。根据R-基异构和α-氢迁移的顺序不同，每个通道又可分为几条路径。势能面计算表明：a是优势反应通道，构象1在a通道的2条路径上的反应活化能分别为264.7，268.1 kJ·mol^-1，构象2在a通道上的反应活化能为267.6 kJ·mol^-1；2个水分子簇的催化使构象1和2在a通道的反应活化能分别降至95.3，72.4 kJ·mol^-1。结果表明：水分子簇的催化可使半胱氨酸分子实现手性对映体转变。

Abstract

The chiral enantiomer transition of cysteine molecules with two stable conformations and the catalysis of water clusters were studied by means of WB97X-D method based on the dispersion correction of density functional theory and MP2 method of many-body perturbation theory. The study of reaction channels show that the chiral enantiomer transition of cysteine can be realized in three reaction channels a, b and c. In Channel a, carboxyl isomerization and the migration of α-hydrogen to amino nitrogen took place step by step, while in Channel b, that is coordinated. Carboxyl hydrogen is transferred to amino nitrogen after the migration of α-hydrogen to carbonyl oxygen in Channel c. According to the order of R-based isomerization and α-hydrogen migration, each channel can be divided into several paths. The calculation of potential energy surface show that Channel a has the advantage, where the reaction activation energies of Conformation 1 on the two paths are 264.7 and 268.1 kJ·mol^-1 respectively, and that of conformation 2 is 267.6 kJ·mol^-1. The catalysis of two water clusters makes the activation energies of conformations 1 and 2 in Channel a reduce to 95.3 and 72.4 kJ·mol^-1, respectively. The results show that the chiral enantiomer transition of cysteine molecules can be realized by the catalysis of water clusters.

Graphical abstract

关键词

半胱氨酸 / 手性对映体 / 密度泛函理论 / 过渡态 / 多体微扰理论

Key words

cysteine / chiral enantiomer / density functional theory / transition state / many-body perturbation theory

0　 引 言

半胱氨酸（cysteine，Cys）是组成蛋白质的重要手性氨基酸，根据旋光性的不同分为左旋半胱氨酸（L-Cys）和右旋半胱氨酸（D-Cys），根据构型的不同分为S-型半胱氨酸（S-Cys）和R-型半胱氨酸（R-Cys）。L-Cys在生命体内具有活性，肽链上的两个L-Cys残基间以二硫键(—S—S—)连接，保持蛋白质立体结构的稳定性^[1]。L-Cys的盐酸盐在临床上可用于治疗锑等放射性药物中毒和肝炎等疾病^[2]，L-Cys可直接或间接地参与生物体的金属离子解毒作用，抑制癌细胞生长^[3]，还可作为安全型氨基酸广泛用于鲜切水果和蔬菜的抗褐变保鲜剂和采后果实病害控制^[4]，在食品加工业上用于增香剂、添加剂和油脂抗氧剂^[5]。D-Cys对大肠杆菌具有抑制作用^[6]，能够缓解急性酒精中毒^[7]，也可作为手性药物的重要中间体^[8]，还可作为合成头孢类抗生素的原料^[9]，其衍生物则可用于合成抗HIV病毒药物KNI-764等^[10]，还可以用于生产具有消炎、祛斑、抗皱、美白和润肤等功效的化妆品^[11]。

L-Cys可从生物中提取，价格较低。目前D-Cys是利用不对称合成和手性拆分获得，不对称合成需要昂贵的过渡金属作为催化剂，手性拆分也会得到左旋体。因此Cys手性转变的研究尤为重要，既可以为实验上实现L-Cys的旋光异构提供理论指导，又可以解释生命体内D-Cys的存在。文献[12]仅研究了具有氨基与羧基间分子内双氢键的R-Cys的手性转变，未说明与之镜像对称的S-Cys存在的原因，且该文献选取的R-Cys构象并非最稳定构象，研究工作具有片面性。生命体内以及大气中富含水分子，且主要以水簇的形式存在^[13]。已有研究^[14]表明，分子内存在氢键的氨基酸构象稳定。基于此，本工作研究了具有氨基与羧基间分子内单氢键的R-Cys的手性对映体转变及水分子簇对该过程的催化作用。

1　 研究与计算方法

为较好地处理体系分子内及分子之间的氢键等弱相互作用，得到相对可靠的驻点结构，利用色散校正密度泛函的WB97X-D^[15]方法，在弥散基组6-311++G(d, p)水平全优化反应过程中的各驻点。通过对过渡态^[16]进行IRC（内禀反应坐标）计算^[17]，确认过渡态确实连接所期望的局域稳定点。为得到高水平的反应过程势能面，利用多体微扰理论的MP2^[18]方法，在高角动量基组6-311++G(3df,2pd)水平计算驻点的单点能。驻点的总能量用G_total=E_ZPV+E_SP计算(E_ZPV和E_SP分别为各个驻点的零点振动能校正和高水平的单点能)。R-Cys的构型1与2个水分子簇形成的氢键络合物，记作R-Cys_1·(H₂O)₂，其他体系的描述相似，文中计算由Gaussian09^[19]程序完成。

2　 结果与讨论

2.1　孤立环境下R-Cys的手性对映转变

对分子内氨基、羧基和巯基间存在氢键的R-Cys分子进行全势能面扫描，得到4个稳定构象见图1。计算表明，R-Cys_2、R-Cys_3和R-Cys_4相对于R-Cys_1的能量分别是-11.3、14.3、-7.8 kJ·mol^－1。R-Cys_3的稳定性最差，并且R-Cys_1经过C—S键内旋转的过渡态很容易地异构成R-Cys_3。R-Cys_4的稳定性较好，文献[12]对其旋光异构及水分子的作用已经做了粗浅的研究，得到了决速步骤及决速步能垒。因此为兼顾研究工作的重要性并节省篇幅，本工作仅对构象1（R-Cys_1）和构象2（R-Cys_2）的手性对映体转变及水分子簇的催化进行研究。

R-Cys_1和R-Cys_2及其手性对映体结构见图2。研究表明，它们的手性对映体转变均可通过α-氢迁移和R-基上的C—S键与C—C键旋转实现。α-氢迁移又分为羧羟基氢异构后α-氢以氨基氮迁移的分步机理、α-氢只以氨基氮迁移的直接迁移机理和α-氢以羰基氧为桥迁移后羧基氢再以氨基氮为桥迁移3个通道a、b和c。计算表明，无论是R-Cys_1还是R-Cys_2的手性对映转变，优势通道均为a。本文仅对R-Cys_1手性对映转变的各通道进行讨论，对R-Cys_2的手性对映转变仅讨论优势通道a。

2.1.1　孤立环境下R-Cys_1的手性对映转变

孤立环境下R-Cys_1的手性对映转变在各通道上的反应历程见图3~图6，反应过程的势能面见图7。

2.1.1.1　a通道

对于a通道，根据羧羟基异构后C—S键内旋转和α-氢向氨基氮迁移顺序的不同，又分为a1和a2两条路径。C—S键内旋转先进行的路径命名为a1，α-氢向氨基氮迁移先进行的路径命名为a2，下面分别讨论：

1） a1路径

R-Cys_1在a1路径上手性对映体转变的反应历程见图3，反应势能面见图7的a及a1曲线。

第1基元反应：该反应过程是a1和a2两条路径公共的反应基元。反应物R-Cys_1经羧羟基旋转（8C—9O键内旋转）的过渡态a_R-TS1_1，构象异构成第1中间体a_R-INT1_1，完成了羧基10O—8C—9O—11H从反式结构向顺式结构的异构。从R-Cys_1到a_R-TS1_1过程，二面角10O—8C—9O—11H从178.70°变为－91.41°，8O—9C键从0.132 9 nm拉伸至0.137 4 nm，骨架无形变，无断键。因此a_R-TS1_1产生的能垒较低，仅45.3 kJ·mol^－1。经此基元反应，氨基氮基本裸露出来，负电荷密度增加，增加了氨基氮接受正面的质子的能力，为α-氢向其迁移创造了条件。

第2基元反应：a_R-INT1_1经3C—13S键内旋转的过渡态a1_R-TS2_1，构象异构成第2中间体a1_R-INT2_1。从a_R-INT1_1到a1_R-TS2_1过程，二面角14H—13S—3C—1C从-70.30°变为-155.99°，3C—13键从0.182 3 nm拉伸至0.183 3 nm，骨架无形变，无断键。因此a1_R-TS2_1产生的能垒较低，仅7.4 kJ·mol^－1。此基元反应向R-基的镜像对称异构迈出了第一步。

第3基元反应：a1_R-INT2_1经α-氢12H向氨基氮5N迁移的过渡态a1_TS3_1，构型异构成氨基质子化的第3中间体a1_INT3_1。从a1_R-INT2_1到a1_TS3_1过程，1C—12H从0.109 1 nm拉伸至0.133 6 nm，键断裂；1C—5N从0.144 9 nm拉伸至0.155 3 nm；活性中心骨架二面角5N—1C—3C—8C从123.97°变为142.19°，骨架形变较明显。2个化学键的大幅拉伸再加上骨架的形变需要很高的能量，导致a1_TS3_1产生了262.7 kJ·mol^－1的内禀能垒。由于a1_INT3_1的正负电荷分离，且α-碳1C为sp2杂化，处在非满配状态，a1_INT3_1不稳定，使其上面的质子7H在纸面内向α-碳1C迁移变得容易了。

第4基元反应：a1_INT3_1经7H在纸面内向α-碳1C迁移的过渡态a1_TS4_1，构型异构成a1_S-INT4_1，至此R-Cys_1完成了α-氢和骨架5N—1C—3C—8C的镜像对称异构，实现了手性转变。从a1_INT3_1到a1_TS4_1过程，5N—7H从0.102 1 nm拉伸至0.117 5 nm，键断裂；1C—5N从0.147 5 nm拉伸至0.155 6 nm。此过程2个化学键的拉伸幅度小于从a1_R-INT2_1到a1_TS3_1过程，且1C是从sp²杂化向sp³杂化过渡，释放能量。因此，从a1_INT3_1越过a1_TS4_1所需的能量小于从a1_R-INT2_1越过a1_TS3_1所需的能量，a1_TS4_1比a1_TS3_1产生的内禀能垒小，为118.0 kJ·mol^－1。

第5基元反应：a1_S-INT4_1经氨基氢6H和12H左右翻转的过渡态a1_S-TS5_1，异构成a1_S-INT5_1。此过程是非骨架形变且无断键，所需能量很小，a1_S-TS5_1产生的能垒仅15.3 kJ·mol^－1。至此基本完成了氨基团的镜像对称异构。

第6基元反应：a1_S-INT5_1经与a_R-TS1_1相似的过渡态a1_S-TS6_1，异构成中间体a1_S-INT6_1，至此基本实现了除R-基之外所有原子的镜像对称异构。a1_S-TS6_1产生的能垒是44.1 kJ·mol^－1。

第7基元反应：a1_S-INT6_1经3C—1C键和3C—13S键内旋转协同进行的过渡态a1_S-TS7_1，实现了亚甲基2H—3C—4H从纸面内向纸面外的旋转和巯基13S—14H绕3C—13S左视逆时针旋转，异构成产物a1_P_S-Cys_1。从a1_S-INT6_1到a1_S-TS7_1，只是2个化学键内旋转，过渡态产生的能垒不高，仅16.1 kJ·mol^－1。结构分析表明，a1_P_S-Cys_1和R-Cys_1镜像对称，说明至此R-Cys_1在a1路径上实现了手性对映体转变。

2） a2路径

R-Cys_1在a2路径上手性对映体转变的反应历程见图4，反应势能面见图7的a及a2曲线。此路径比a1路径少1个基元，第1基元反应全同于a1路径，其他基元反应与a1路径的不同基元反应相似，只是反应基元进行的时间顺序不同。

第2基元反应：a_R-INT1_1经α-氢12H向氨基氮5N迁移的过渡态a2_R-TS2_1，异构成a2_INT2_1。结构分析表明：此基元反应化学键的变化与骨架的形变与a1路径的第3基元反应相似，a2_TS2_1产生的能垒是261.6 kJ·mol^－1。

第3基元反应：a2_INT2_1经3C—13S键内旋转的过渡态a2_TS3_1，构象异构成第3中间体a2_INT3_1。此基元反应与a1路径的第2基元反应相似，没有化学键的拉伸及骨架的形变，a2_TS3_1产生的能垒较低，仅22.0 kJ·mol^－1。

第4基元反应：a2_INT3_1经与a1_S-TS7_1相似的过渡态a2_TS4_1，3C—1C键左视逆时针内旋转和3C—13S键左视顺时针内旋转协同进行，异构成第4中间体a2_INT4_1。a2_TS4_1产生的能垒是21.8 kJ·mol^－1。结构分析表明，a2_INT4_1与a_INT2_1镜像对称，至此基本完成R-基的镜像对称异构。

第5基元反应：a2_INT4_1经6H在纸面里向1C迁移的过渡态a2_TS5_1，异构成a2_S-INT5_1。此基元反应与a1路径的第4基元反应相似，a2_TS5_1产生的能垒是126.3 kJ·mol^－1。结构分析表明，至此基本完成R-基、氨基、α-氢及手性中心骨架的镜像对称异构。

第6基元反应与a1路径的第6基元反应相似，a2_S-INT5_1经羧羟基旋转的过渡态a2_S-TS6m_1或a2_S-TS6n_1，异构成此路径的产物a2_P_S-Cys_1。a2_S-TS6m_1和a2_S-TS6n_1分别是8O—9C键俯视顺时针和逆时针旋转的过渡态，产生的能垒分别是55.0和45.3 kJ·mol^－1。结构分析表明，a2_P_S-Cys_1与R-Cys_1镜像对称，至此R-Cys_1在此路径实现了手性对映体转变。

结构分析表明，a2路径上以a2_INT3_1中心，两侧对应的各个驻点结构具有对称性，体现了手性对映体转变过程的对称美。

2.1.1.2　b通道

R-Cys_1在b通道上手性对映体转变的反应历程见图5及图4 a2_INT2_1之后的过程，反应势能面见图7的b线及a2_INT2_1之后的a2线。此通道上第1基元反应，R-Cys_1经α-氢12H向氨基氮5N迁移与羧羟基旋转协同进行的过渡态b_TS1_1，构象异构成中间体b_INT1_1。从R-Cys_1到b_TS1_1过程，键1C—12H从0.109 5 nm拉伸至0.138 8 nm，键1C—5N从0.146 0 nm拉伸至0.156 2 nm，键8O—9C从0.132 9 nm拉伸至0.138 1 nm；二面角5N—1C—3C—8C从125.17°变为136.23°，二面角11H—9O—8C—10O从178.70°变为-152.62°。2个化学键的大幅拉伸断裂、1个键的小幅拉伸、骨架的显著形变再加上1个化学键的内旋转需要很高的能量，预示着b_TS1_1会产生很高的能垒，b_TS1_1产生的能垒是306.9 kJ·mol^－1。b_TS1_1产生的能垒是a2_TS1_1和a2_TS2_1产生的能垒之和。结构分析表明，b_INT1_1完全与a2_INT2_1相同，接下来的过程也完全与a2_INT2_1之后的过程相同。

2.1.1.3　c通道

R-Cys_1在c通道上手性对映体转变的反应历程见图6，反应势能面见图7的c线及a2_INT2_1之后的a2线。

第1基元反应：R-Cys_1经α-氢12H向羰基氧10O迁移的过渡态c_TS1_1，构型异构成羧基质子化的中间体c_INT1_1。从R-Cys_1到c_TS1_1过程，键1C—12H从0.109 5 nm拉伸至0.156 0 nm，二面角5N—1C—3C—8C从125.17°变为127.02°。骨架形变虽然较小，但化学键的拉伸幅度较大，c_TS1_1产生的能垒较高，为282.7 kJ·mol^－1。

第2基元反应：c_INT1_1经8C—10O键内旋转的过渡态c_TS2m_1或c_TS2n_1，异构成c_INT2_1。从c_INT1_1到c_TS2m_1或c_TS2n_1过程，只是二面角异构12H—10O—8C—9O异构，c_TS2m_1和c_TS2n_1产生的能垒均很小，分别为6.4和7.7 kJ·mol^－1。

第3基元反应：c_INT2_1经11H从质子化羧基氧9O向氨基氮5N迁移的过渡态c_TS3_1，异构成氨基质子化的c_INT3_1。从c_INT2_1到c_TS3_1过程，只是键9O—11H从0.097 3 nm拉伸至0.131 5 nm断裂，虽然键断裂，但键长拉伸幅度较小，c_TS3_1产生的能垒不大，仅39.9 kJ·mol^－1。c_INT3_1经7H从质子化氨基在纸面内向α-碳1C迁移的过渡态，可以形成R-型半胱氨酸，R-Cys_1实现手性转变。但此转变不是手性对映体转变，本文不予讨论。

中间体产物c_INT3_1的单点能比c_TS3_1的单点能低10.2 kJ·mol^－1，但零点振动能校正后，c_INT3_1的能量比c_TS3_1的能量高了0.9 kJ·mol^－1。说明零点振动能校正后，该基元逆反应是无势垒过程，提供40.8 kJ·mol^－1的能量，质子便可在c_INT2_1和c_INT3_1之间自由地移动，显示其具有较高的离域性。原因之一：c_INT2_1到c_INT3_1过程23H净迁移0.103 3 nm，大于c_INT3_1到c_INT2_1过程23H的净迁移0.090 9 nm，导致c_INT3_1容易向c_INT2_1异构。原因之二：根据DKL理论模型和经典的质子转移理论^[20,21]，c_TS3_1中断裂的氢键，使相关振动的力常数减小，其零点振动能要低于其连接的稳定点的零点振动能，从而可能导致零点振动能校正后c_TS3_1产生的能垒在某一方向消失。

第4基元反应：c_INT3_1经羧基内质子转移的过渡态c_TS4_1，异构成c_INT4_1。从c_INT3_1到c_TS4_1，键 1C—12H从0.096 2 nm拉伸至0.129 4 nm，拉伸幅度不大，产生的能垒也不大，为99.6 kJ·mol^－1。结构分析表明，c_INT4_1同于b_INT1_1，接下来的过程与b_INT1_1之后的过程相似。

从图7可以看出，a通道上a1和a2路径的活化能（表观能垒或总包能垒）分别是268.1和264.7 kJ·mol^－1，在误差允许的范围内可以认为相等。决速步骤分别是第3和第2基元反应，它们的内禀能垒分别是262.7和261.6 kJ·mol^－1。b通道上的活化能是306.9 kJ·mol^－1，决速步骤是第1基元反应，c通道上的活化能是282.7 kJ·mol^－1，决速步骤是第1基元反应，b和c通道的内禀能垒与活化能相同。比较而言，反应通道a具有明显的优势。

从图7还可以看出，a2路径上以a2_INT3_1为中心，R-Cys_1在此路径上手性对映体转变反应过程的势能面具有对称性，从能量角度说明了整个反应过程的各驻点构象具有对称性，体现了手性对映体转变反应过程的对称美。

2.1.2　孤立环境下R-Cys_2的手性对映转变

与2.1.1节R-Cys_1向S-Cys_1手性对映体转变的优势通道a相似，R-Cys_2向S-Cys_2手性对映体转变的优势通道a，羧羟基异构后，根据R-基异构和α-氢迁移的时间顺序不同也可分为2个路径，且2个路径的反应活化能和决速步骤的内禀能垒基本相同。为节省篇幅，此处仅对反应过程的各个驻点构象和势能面均具有准对称性的路径进行讨论，R-Cys_2的手性对映转变在a通道上的反应历程见图8，反应过程的势能面见图9，反应机理与R-Cys_1在a2路径上的手性对映转变相似。

第1基元反应：R-Cys_2经8C—9O键内旋转的过渡态a_R-TS1_2m或a_R-TS1_2n，异构成a_R-INT1_2，完成了羧基10O—8C—9O—11H从反式结构向顺式结构的异构。a_R-TS1_2m和a_R-TS1_2n产生的能垒分别为56.7和59.2 kJ·mol^－1。经此基元反应，氨基氮纸面外的一面基本裸露出来，增加了氨基氮接受α-氢的能力。

第2基元反应：a_R-INT1_2经12H向5N迁移的过渡态a_TS2_2，异构成a_INT2_2。a_TS2_2产生的内禀能垒是251.3 kJ·mol^－1。

第3基元反应，a_INT2_2经3C—13S键内旋转的过渡态a_TS3_2，构象异构成第3中间体a_INT3_2，此基元只是化学键内旋转，a_TS3_2产生的能垒较低，仅22.0 kJ·mol^－1。

第4基元反应：a_INT3_2经1C—3C键内旋转的过渡态a_TS4_2实现了R-基左视顺时针旋转，构象异构成第4中间体a_INT4_2。此基元反应与R-Cys_1在a2路径上的第4基元相似，a_TS4_2产生的能垒是21.8 kJ·mol^－1。结构分析表明，a_INT4_2和a_INT2_2镜像对称，相对于反应物R-Cys_2，基本完成了R-基的镜像对称异构。

第5基元反应：a_INT4_2经6H在纸面内从氨基氮5N向α-碳1C迁移的a_TS5_2，异构成a_S-INT5_2，至此R-Cys_2实现了手性转变。此基元与R-Cys_1在a2路径上的第5基元相似，a_TS5_2产生的能垒是117.9 kJ·mol^－1。结构分析表明，至此基本完成了手性中心骨架的镜像对称异构。

第6基元反应：a_S-INT5_2经过与a1_S-TS5_1相似的过渡态a_S-TS6_2，实现了12H和7H的左右翻转，构象异构成a_S-INT6_2。这为羧羟基从顺式结构向反式结构异构创造了空间条件（消除了空间位阻）。a_S-TS6_2产生的能垒是15.2 kJ·mol^－1。

第7基元反应：a_S-INT6_2经与第1基元反应相似的过渡态a_S-TS7m_2或a_S-TS7n_2，均可异构成产物a_P_S-Cys_2。a_S-TS7m_2和a_S-TS7n_2产生的能垒分别为40.7和38.2 kJ·mol^－1。结构分析表明，a_P_S-Cys_2和R-Cys_2镜像对称，亦即R-Cys_2经前述的7个基元反应完成了手性对映体转变。

对整个反应过程的驻点结构分析表明：以a_INT3_2中心，两侧对应的各个驻点结构具有较好的对称性（除去第5基元的反应物和过渡态），体现了手性对映体转变的过程美。

从图9可以看出，R-Cys_2手性对映体转变反应的活化能是267.6 kJ·mol^－1，反应过程的决速步骤是第2基元反应，内禀能垒是251.3 kJ·mol^－1。同时，除去第5基元的反应物和过渡态部分，整个反应过程的势能面具有准对称性，从能量角度说明了整个反应过程的各驻点构象具有准对称性，体现了手性对映体转变反应过程的对称美。

2.2　水分子簇的催化作用

水环境下，水分子多以水簇的形式存在，文献[12,22]的研究表明，2个和3个水分子簇催化氨基酸分子的α-氢向氨基氮迁移的能垒差别不大，均优于1个水分子的催化作用。为使问题简便，本工作仅考察2个水分子簇对R-Cys向S-Cys转变过程决速步骤的催化。

2.2.1　水分子簇在R-Cys_1向S-Cys_1转变中的催化作用

计算表明，a通道的a1和a2路径，水分子簇在决速步骤的催化作用相差很小，且b通道中，羧羟基氢和氨基氢的位置不利于水簇与R-Cys_1形成可以传递α-氢的氢键配合物。因此，本文仅对a通道的a1路径和c通道上水分子簇的催化进行讨论，反应历程及驻点构象见图10，反应过程的势能面见图12A。

对于a1路径：首先是a1_R-INT2_1的α-氢和和氨基氮与2个水分子簇通过氢键作用形成中间体复合物a1_R-INT2_1·(H₂O)₂。而后，a1_R-INT2_1·(H₂O)₂经过渡态a1_TS3_1·(H₂O)₂，完成了α-氢以水分子簇为媒介向氨基氮迁移，构型异构成中间体产物复合物a1_INT3_1·(H₂O)₂。最后，a1_INT3_1·(H₂O)₂解离成a1_INT3_1和(H₂O)₂ 。a1_R-INT2_1·(H₂O)₂的氢键结合能是-34.9 kJ·mol^－1，a1_INT3_1·(H₂O)₂的氢键解离能是65.2 kJ·mol^－1。从a1_R-INT2_1·(H₂O)₂到a1_TS3_1·(H₂O)₂过程，键1C—15H、18O—19H和17O—14H分别从0.109 9、0.097 3和0.098 0 nm拉伸至0.127 5、0.149 1和0.159 1 nm，二面角5N—1C—3C—8C从127.33°变为127.59°。骨架几乎没有形变，化学键的拉伸幅度也远小于前面讨论的孤立环境的情况，a1_TS3_1·(H₂O)₂产生的能垒比a1_TS3_1产生的能垒小许多。而a1_TS3_1·(H₂O)₂的七元环结构的3条氢键角1C—15H—18O、18O—19H—17O和17O—14H—5N分别为161.32°、159.17°和161.56°，接近平角，氢键比较强；a1_TS3_1·(H₂O)₂的七元环结构偏离平面不大。因此，a1_TS3_1·(H₂O)₂理论上比较稳定，产生的能垒不会太大。综上分析，从a1_R-INT2_1·(H₂O)₂越过a1_TS3_1·(H₂O)₂不需要太多的能量，a1_TS3_1·(H₂O)₂产生的内禀能垒是130.2 kJ·mol^－1。

a1_R-INT2_1·(H₂O)₂的氢键结合能是-34.9 kJ·mol^－1， a1_R-INT2_1·(H₂O) ₂是富能分子，a1_R-INT2_1和2个水分子簇氢键作用形成a1_R-INT2_1·(H₂O)₂释放的能量可以作为下一级反应的可资用能，若不考虑a1_INT3_1·(H₂O)₂的解离过程（计算表明，a1_INT3_1和(H₂O)₂是否解离，对a1_INT3_1继续异构的各个基元反应的能垒并无明显的影响），此基元反应的活化能是95.3 kJ·mol^－1（也叫表观能垒）。

对于c通道：首先是R-Cys_1的α-氢和羰基氧与2个水分子簇通过氢键作用形成反应物复合物c_R-Cys_1·(H₂O)₂，而后c_R-Cys_1·(H₂O)₂经过渡态c_TS1_1·(H₂O)₂，完成了α-氢以水分子簇为媒介向羰基氧迁移，构型异构成中间体产物复合物c_INT1_1·(H₂O)₂。最后，c_INT1_1·(H₂O)₂解离成c_INT1_1和(H₂O)₂。c_R-Cys_1·(H₂O)₂的氢键结合能是-56.5 kJ·mol^－1，c_INT1_1·(H₂O)₂的氢键解离能是53.7 kJ·mol^－1。从c_R-Cys_1·(H₂O)₂到c_TS1_1·(H₂O)₂过程，与从a1_R-INT2_1·(H₂O)₂到a1_TS3_1·(H₂O)₂过程相似，但c_TS1_1·(H₂O)₂产生的内禀能垒是159.9 kJ·mol^－1，大于a1_TS3_1·(H₂O)₂产生的内禀能垒130.2 kJ·mol^－1。原因有二，一是从c_R-Cys_1·(H₂O)₂到c_TS1_1·(H₂O)₂过程键1C—15H拉伸幅度大，二是c_TS1_1·(H₂O)₂的七元环结构偏离平面大些，导致c_TS1_1·(H₂O)₂不稳定。由于R-Cys_1的α-氢和羰基氧与2个水分子簇氢键作用形成c_R-Cys_1·(H₂O)₂所释放的能量可以作为下一级反应的可资用能，所以此基元反应的活化能是103.4 kJ·mol^－1。

2.2.2　水分子簇在R-Cys_2向S-Cys_2转变中的催化作用

水分子簇在a通道催化R-Cys_2向S-Cys_2转变决速步骤的反应历程及驻点构象见图11，反应过程的势能面见图12B。

此基元反应与a1_R-INT2_1·(H₂O)₂ 经a1_TS3_1·(H₂O)₂到a1_INT3_1·(H₂O)₂的过程相似：首先a_R-INT2的α-氢和氨基氮与2个水分子簇通过氢键作用形成底物a_R-INT2_2·(H₂O)₂；而后，a_R-INT2_2·(H₂O)₂经过渡态a_TS3_2·(H₂O)₂，完成了α-氢以水分子簇为媒介向氨基氮的迁移，构型异构成中间体产物配合物a_INT3_2·(H₂O)₂；最后，a_INT3_2·(H₂O)₂解离成a_INT3_2和2聚水(H₂O)₂。a_R-INT2_2·(H₂O)₂的氢键结合能是-50.0 kJ·mol^－1，a_INT3_2·(H₂O)₂的氢键解离能是78.2 kJ·mol^－1。a_TS3_2·(H₂O)₂产生的内禀能垒是122.4 kJ·mol^－1。若不考虑a_INT3_2·(H₂O)₂的解离过程，此基元反应的活化能是72.4 kJ·mol^－1。

从图12可以看出：若不考虑中间体产物络合物的解离过程，a1路径上2个水分子簇催化R-Cys_1向S-Cys_1异构反应略具优势，此路径的反应活化能是95.3 kJ·mol^－1；2个水分子簇催化R-Cys_2向S-Cys_2异构反应的活化能是72.4 kJ·mol^－1。95.3 kJ·mol^－1和72.4 kJ·mol^－1与温和反应的活化能80.0 kJ·mol^{－1 [23]}相差不多，因此在2个水分子簇的催化作用下Cys 可以实现手性对映体转变。与R-Cys_1相比较，R-Cys_2的手性对映体转变反应进行得更快些。

3　 结 论

本文在MP2/6-311++G(3df, 2pd)//WB97X-D/6-311++G(d, p)双水平研究了R-Cys_1和R-Cys_2的手性对映体转变及水分子簇的催化。反应通道研究表明，R-Cys_1和R-Cys_2经过羧羟基旋转、巯基旋转、质子迁移、碳-碳键旋转及氨基翻转等一系列过渡态实现了手性对映体转变。势能面计算表明： R-Cys_1和R-Cys_2在优势反应通道的活化能在264.7至268.1 kJ·mol^-1之间，决速步能垒均来自于α-氢从α-碳向氨基N迁移的过渡态； 2个水分子簇的催化使它们手性对映体转变反应的活化能分别降至95.3和72.4 kJ·mol^-1。结果表明：孤立的Cys分子构象稳定，水分子簇的催化可使Cys分子消旋。生命体是富水环境，还有氢氧根离子、金属离子和自由基等基团存在，同时游离的氨基酸也可能处在纳米限域环境，因此，在本研究基础上进一步开展Cys分子在上述环境下的手性转变研究更具实际意义，相关的工作正在进行中。

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基金资助

吉林省科技发展计划自然科学基金(20130101308JC)