水液相环境下半胱氨酸分子的手性对映体转变机理

Mechanism of Chiral Enantiomer Transition of Cysteine in Water/Liquid Phase Environment

摘要

在MP2/SMD/6-311++G(3df, 2pd)//ωB97X-D/SMD/6-311++G(d,p)双理论水平，研究了水液相环境下半胱氨酸（Cys）分子以氨基氮为质子转移桥梁的手性对映体转变及水分子簇的催化作用。反应历程研究发现，半胱氨酸分子经过6个基元反应实现了手性对映体转变。反应历程的势能面计算显示：半胱氨酸分子手性对映体转变反应的速控步骤是第2基元反应，速控步骤的内禀能垒为242.7 kJ·mol^-1； 2个水分子簇的催化使速控步骤的内禀能垒降至104.0 kJ·mol^-1。结果表明，水环境下半胱氨酸分子可以实现手性对映体转变。

Abstract

The chiral enantiomer transition of cysteine molecules with amino nitrogen as a proton transfer bridge and the catalysis of water molecules (clusters) in water/liquid phase environment were studied by using the combined MP2/SMD/6-311++G(3df, 2pd) and ωB97X-D/SMD/6-311++G(d,p) methods based on density functional theory. The reaction mechanism shows that the cysteine molecule undergoes six elementary reactions to realize chiral enantiomer transition. The calculation of the potential energy surface shows that the second elementary reaction is the rate-limiting step with high energy barriers of 242.7 kJ·mol^-1, and that the rate-limiting step was reduced to 104.0 kJ·mol^-1 by the catalysis of two water clusters. Our results show that the catalysis of water molecules clusters in water/liquid phase environment can enable cysteine to realize chiral enantiomer transition slowly.

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 / 能垒 / 自洽反应场理论

Key words

cysteine / chiral enantiomer / density functional theory / transition state / multibody perturbation theory / energy barrier / self consistent reaction field

0　 引 言

半胱氨酸（cysteine，Cys）是组成蛋白质的重要氨基酸，根据旋光性可分为左旋半胱氨酸（L-Cys）和右旋半胱氨酸（D-Cys），按构型可分为S-型半胱氨酸（S-Cys）和R-型半胱氨酸（R-Cys）^[1]。手性分子有的S-型是左旋体，有的S-型是右旋体。若某手性分子S-型是左旋体，那么R-型就是右旋体，反之亦然。对于R-Cys、S-Cys与L-Cys、D-Cys的关系，应首先通过实验确定。L-Cys在生命体内具有活性，其肽链上两个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^[1，2]。L-Cys能够直接或间接参与生物体的金属离子解毒作用，可用作水果和蔬菜的抗褐变保鲜剂^[1，3]、食品加工业的增香剂、添加剂和油脂抗氧剂等^[4]；D-Cys对大肠杆菌具有抑制作用^[5]，可缓解急性酒精中毒^[6]，作为手性药物的重要中间体^[7]，合成头孢类抗生素的原料^[8]，用于生产具有消炎、祛斑、抗皱、美白和润肤等功效的化妆品^[9]。

L-Cys可以从生物体内提取。D-Cys则可以利用不对称合成方法或由化学方法合成的外消旋体拆分获得，但不对称合成需要昂贵的过渡金属作为催化剂，手性拆分也可能得到左旋体。因此，研究Cys的手性转变具有重要意义，既可以为实现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[10]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，但未说明与之镜像对称的S-Cys存在的原因，且该文献选取的D-Cys构象并非最稳定构象，研究工作具有一定的片面性。文献[11]在WB97X-D/SMD/6-311++G(d,p)//MP2/SMD/6-311++G(3df,2pd)水平研究了水汽环境下Cys的手性对映体转变及水分子簇的催化作用，发现2个水分子簇的催化使Cys在优势通道速控步骤的反应能垒从单体的264.7 kJ·mol^-1下降至95.3 kJ·mol^-1，表明潮湿的空气环境下Cys分子容易发生消旋。

由于很多化学反应发生在水溶剂中，生命体内的Cys分子也绝大多数处于水溶液中，而水分子主要以水簇的形式存在，故本论文拟对水液相环境下Cys分子的消旋反应进行研究。

1　 计算方法

为较好地处理各个驻点分子内、分子间的氢键和范德华作用及溶剂效应，采用色散校正泛函的ωB97X-D方法^[12]结合自洽反应场的SMD模型方法^[13]，在ωB97X-D/SMD/6-311++G(d,p)水平全优化驻点的几何构型，同时获得了吉布斯自由能热校正。通过过渡态进行内禀反应坐标（IRC）计算^[14]，对过渡态^[15]的可靠性进行确认。为获得相对精确的反应过程势能面并兼顾计算资源，采用从头算的MP2方法^[16]和高角动量基组，在MP2/SMD/6-311++G(3df,2pd)水平计算各驻点体系的单点能，用G_total=G_tc+E_SP计算总吉布斯自由能(其中，G_tc和E_SP分别为吉布斯自由能热校正和单点能)。2个水分子簇（二聚水）可以在Cys的前面和后面与Cys通过氢键作用形成络合物，分别记作Cys·(H₂O)₂f和Cys·(H₂O)₂b，其他驻点分子与水分子簇的络合物标记与此相似。计算由Gaussian09程序^[17]完成。

2　 结果与讨论

以文献[10]气相环境下R-Cys分子及其手性对映体S-Cys分子的最稳定构象为构型初始猜测，在本工作理论水平下优化得到水液相环境下的构象见图1。

水液相环境下R-Cys的手性对映体转变有两种情况，一是单体R-Cys分子通过质子转移和化学键旋转等过程实现手性对映体转变；二是水分子簇作质子转移的媒介，R-Cys分子实现手性对映体转变。其中，R-Cys向S-Cys的异构反应历程、水分子簇催化质子迁移反应过程分别见图2和图3，反应过程对应的吉布斯自由能势能面见图4。

2.1　水液相环境下单体R-Cys的手性对映体转变

水液相环境下R-Cys向S-Cys的异构反应历程及驻点构型见图2，反应过程的吉布斯自由能势能面见图4。

第1基元反应：R-Cys经9O—8C键俯视顺时针内旋转的过渡态R-TS1m或逆时针内旋转的过渡态R-TS1n，实现了羧基从反式平面结构向顺式平面结构的转变，构象异构成第1中间体R-INT1。从R-Cys到R-TS1m过程，8C—9O键长从0.132 6 nm拉伸至0.136 9 nm，延长了0.004 3 nm；二面角11H—9O—8C—10O从178.59°变为89.22°，9O—8C 顺时针内旋转89.37°。C—O键的微小拉伸及内旋转所需能量不高，R-TS1m产生的内禀能垒为52.8 kJ·mol^-1，该基元反应可以通过分子的碰撞实现。从R-Cys到R-TS1n过程，8C—9O键长从0.132 6 nm拉伸至0.136 5 nm，延长了0.003 9 nm；二面角11H—9O—8C—10O从178.59°变为-89.05°，9O—8C 逆时针内旋转90.46°。与R-Cys到R-TS1n过程相比较，C—O键的拉伸幅度减小，9O—8C键的内旋转角度改变不明显，R-TS1n产生的内禀能垒为50.0 kJ·mol^-1，略小于R-TS1m产生的内禀能垒。经过此基元反应，二面角6H—5N—1C—12H从-34.98°变为-60.83°，氨基氮5N朝向纸面外侧基本裸露出来，负电荷密度增加，5N接受α-氢的能力增强。文献[11]研究表明，气相环境下R-TS1m和R-TS1n产生的能垒分别是56.7和59.2 kJ·mol^-1，说明水溶剂对此基元反应有一定的助催化作用。

第2基元反应：R-INT1经过渡态TS2，实现α-氢12H在纸面外从α-碳向氨基氮5N的迁移，异构成氨基质子化的中间体INT2。从R-INT1到TS2过程，1C—12H键长从0.109 5 nm拉伸至0.138 5 nm断裂，延长了0.021 0 nm；1C—5N键长从0.145 2 nm拉伸至0.153 3 nm，延长了0.008 1 nm；二面角5N—1C—3C—8C从128.39°变为149.28°。C—H键大幅拉伸断裂、C—N键小幅拉伸及骨架显著形变所需能量很高，TS2产生的内禀能垒为242.7 kJ·mol^-1，该基元反应通常难以实现。文献[11]研究表明，气相环境下此基元反应的内禀能垒为251.3 kJ·mol^-1，说明水溶剂起了较弱的催化作用。

第3基元反应：INT2经S—C键逆时针内旋转和键右视逆时针内旋转协同进行的过渡态TS3（14H绕S—C键旋转，S绕1C—3C键旋转），异构成中间体INT3。从INT2到TS3，二面角14H—13S—3C—1C从59.78°变为131.27°，二面角13S—3C—1C—5N从73.51°变为82.32°。该过程S—C和C—C键内旋转的角度不大，只需很少的能量，TS3产生的内禀能垒只有11.7.0 kJ·mol^-1。文献[11]研究表明，气相环境下对应的该基元反应的内禀能垒为22.0 kJ·mol^-1，说明水溶剂对此基元反应有较好的助催化作用。

第4基元反应：INT3经3C—1C键和13S—3C键内旋转协同进行的过渡态TS4，实现了R-基在过渡态矢量负方向的旋转，异构成第4中间体INT4。从INT3到TS4过程，二面角13S—3C—1C—5N从78.08°变为0.78°，二面角14H—13S—3C—1C从-163.93°变为-71.06°，此过程3C—1C键内旋转的幅度明显大于从INT2到TS3过程，TS4产生的能垒为24.8 kJ·mol^-1，远大于TS3产生的内禀能垒。文献[11]研究表明，气相环境下此基元反应的内禀能垒为21.8 kJ·mol^-1，说明水溶剂对此基元反应有阻碍（负催化）作用。结构分析表明，INT4和INT2的构象镜像对称。

第5基元反应：INT4经6H在纸面里侧从氨基氮5N向α-碳1C迁移的过渡态TS5，异构成第5中间体S-INT5，至此R-Cys实现了手性转变（只是旋光异构，但不是手性对映体转变）。从INT4到TS5，5N—6H键长从0.102 2 nm拉伸至0.122 0 nm，延长了0.019 8 nm；1C—5N键长从0.146 8 nm拉伸至0.153 3 nm，延长了0.006 5 nm。此过程N—H的拉伸幅度小于从R-INT1到TS2过程C—H键长的拉伸，1C—5N的拉伸幅度也小于从INT4到TS5过程，且从INT4到TS5是1C从空配状态向满配状态过渡，会释放能量。因此，INT4越过TS5所需能量小于从R-INT1到TS2所需能量，TS5产生的能垒为157.2 kJ·mol^-1。图4表明，TS5和TS2能量相同，前者能垒较低的原因是INT4在势能面的位置远高于R-INT1。结构分析表明，TS5和TS2构象镜像对称，S-INT5和R-INT1构象镜像对称，至此R-Cys基本完成了骨架的镜像对称异构。文献[16]研究表明，气相环境下此基元反应的内禀能垒为117.9 kJ·mol^-1，说明水溶剂对此基元反应有阻碍（负催化）作用。其原因是INT4的偶极矩（6.377 6 C·m）大于TS5的偶极矩（3.873 1 C·m），极性水溶剂的存在使INT4相对于TS5稳定性增加。

第6基元反应：S-INT5经9O—8C键内旋转的过渡态S-TS6m或S-TS6n，实现了羧基从顺式平面结构向反式平面结构的异构，异构成产物P_S-Cys。S-TS6m和S-TS6n产生的内禀能垒分别为43.6、40.8 kJ·mol^-1，分别小于R-TS1m和R-TS1n产生的内禀能垒，其原因是从R-Cys到R-TS1m或R-TS1n，11H从羧基外侧向羧基内侧的旋转需要抵抗5 N的库仑引力作用，而从S-INT5到S-TS6m或S-TS6n过程，5 N的库仑引力有助于11H从羧基内侧向羧基外侧旋转。结构分析表明，P_S-Cys和R-Cys镜像对称，即R-Cys经过前述6个基元反应完成了手性对映体转变。文献[11]研究表明，气相环境下此基元反应的内禀能垒分别为40.7、38.2 kJ·mol^-1，说明水溶剂对此基元反应有阻碍（负催化）作用。

对整个反应过程的驻点结构分析表明：以INT3中心，除去两侧对应的过渡态结构TS3和TS4具有准对称性外，其余驻点构象均为镜像对称，体现了手性对映体转变过程中驻点构象变化的对称美。

2.2　水分子簇对质子转移过程的作用

水液相环境下水分子多以水簇的形式存在，文献[11，18]研究表明，二聚水和三聚水催化氨基酸分子的α-氢向氨基氮迁移的能垒差别不大，均远远优于1个水分子的催化作用，为使问题简化并节约篇幅，此处仅考察二聚水对R-Cys向S-Cys转变过程中质子迁移反应的催化。二聚水催化第2基元和第5基元质子迁移反应过程、驻点构象及过渡态虚频的振动模式见图3，反应过程的吉布斯自由能势能面见图4。

2.2.1　二聚水催化第2基元反应

R-INT1的α-氢和氨基氮与二聚水通过氢键作用形成的中间体复合物R-INT1·(H₂O)₂f，经过渡态TS2·(H₂O)₂f，实现了α-氢从α-碳向氨基氮的净迁移，异构成中间体INT2·(H₂O)₂f。从R-INT1·(H₂O)₂f到TS2·(H₂O)₂f，化学键1C—15H、18O—19H和17O—14H分别从0.109 4、0.097 6和0.099 0 nm拉伸至0.134 4、0.169 7和0.184 4 nm，二面角5N—1C—3C—8C从128.05°变为132.03°，骨架形变不明显。虽然3个化学键的拉伸断裂需要一定的能量，但TS2·(H₂O)₂f七元环结构的3个氢键角1C—15H—18O、18O—19H—17O—14H和17O—14H—5N分别为170.88°、165.06°和157.82°，接近平角，氢键比较强；TS2·(H₂O)₂f的七元环结构二面角1C—15H—18O—19H、18O—19H—17O和19H—17O—14H—5N分别为-10.86°、-6.97°和3.82°，七元环结构趋于共面，TS2·(H₂O)₂f体系较稳定，产生的能垒不会太大。所以从R-INT1·(H₂O)₂f越过TS2·(H₂O)₂f所需要能量不会很高，TS2·(H₂O)₂f产生的内禀能垒为104.0 kJ·mol^-1。该能垒远远小于TS2产生的内禀能垒，2个水分子簇对第2基元的质子迁移反应有极好的催化作用，根本原因有两个，一是2个水分子簇做媒介的过渡态构型相对稳定；二是从R-INT1·(H₂O)₂f到TS2·(H₂O)₂f过程，偶极矩矢量与质子迁移方向矢量的夹角大于π/2，质子迁移相对容易，而R-INT1到TS2过程，偶极矩矢量与质子迁移方向矢量的夹角大于π/2（靠近TS2时，偶极矩矢量与质子迁移方向矢量的夹角趋近于零），质子迁移相对困难。文献[11]研究表明，水汽环境下2个水分子簇催化此基元反应的内禀能垒为122.4 kJ·mol^-1，说明水溶剂对此基元反应有较好的助催化作用。TS2·(H₂O)₂f靠近中间体产物复合物INT2·(H₂O)₂f，为晚期过渡态。

2.2.2　二聚水催化第5基元反应

INT4的α-碳和质子化氨基氮上的14H与二聚水通过氢键作用形成的中间体复合物INT4·(H₂O)₂b，经二聚水作质子转移媒介的过渡态TS5·(H₂O)₂b，实现了H从5N向1C的净迁移，异构成第5中间体与二聚水的复合物S-INT5·(H₂O)₂b。从INT4·(H₂O)₂b到TS5·(H₂O)₂b过程，化学键5C—14H、17O—19H和18O—15H分别从0.103 8、0.097 7和0.098 0 nm拉伸至0.104 0、0.099 4和0.127 3 nm，3个化学键的拉伸幅度远小于从R-INT1·(H₂O)₂f到TS2·(H₂O)₂f过程中的拉伸幅度。结构分析表明，TS5·(H₂O)₂b的七元环结构趋于共面且氢键比较强，因此TS5·(H₂O)₂b比TS2·(H₂O)₂f产生的能垒小许多，仅24.1 kJ·mol^-1。TS5·(H₂O)₂b靠近中间体反应物复合物INT4·(H₂O)₂b，为早期过渡态。

2.3　吉布斯自由能势能面分析

从图4的R-Cys手性对映体转变反应过程的吉布斯自由能势能面可以看出: R-Cys经历了6个过渡态（6个基元反应）实现了手性对映体转变，反应过程的速控步骤为第2基元，速控步骤的内禀能垒为242.7 kJ·mol^-1。另外，除去过渡态TS3和TS4的能量相对于驻点INT3准对称外，其他体系的能量相对于INT3均为绝对的对称，也说明了手性对映体转变反应过程势能面的对称美，与图2互相印证。

从图4的二聚水催化质子转移反应过程的吉布斯自由能势能面可以看出，水分子簇的催化使水液相环境下Cys分子手性转变速控步骤的内禀能垒降至104.0 kJ·mol^-1，该能垒远远小于质子迁移反应的极限能垒167.0 kJ·mol^{-1 [19]}，说明水液相环境下水簇的催化可以使Cys分子缓慢地实现手性对映体转变。

3　 结 论

采用密度泛函理论的WB97X-D方法、从头算的MP2方法结合自洽反应场理论的SMD模型方法，对水液相环境下R-Cys分子以氨基N为H转移桥梁的手性对映体转变及水簇的催化作用进行研究，得到如下结论：

1） Cys分子实现手性对映体转变要经过6个基元反应，各驻点的构象及体系能量（除去过渡态TS3和TS4）关于驻点INT3对称，手性对映体转变反应过程具有对称美；

2） 反应过程的速控步骤是第2基元反应，速控步骤的内禀能垒为242.7 kJ·mol^-1；2个水分子簇的催化使速控步骤的内禀能垒降至104.0 kJ·mol^-1。结果表明，水溶剂对Cys分子的消旋具有较好的助催化作用，水液相环境下水分子簇的催化可使Cys缓慢地消旋。

生命体内还存在大量的氢氧根离子、金属离子和自由基，氨基酸残基也可能处在纳米级的限域环境，因此，研究Cys分子在上述环境下的异构更具有实际意义，相关工作正在进行中。

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基金资助

吉林省科技发展计划自然科学基金(20130101308JC)

吉林省科技发展计划自然科学基金(20160101308JC)