丝氨酸构象异构化机理的密度泛函理论研究

朱立周，鲍羽鹤，王海光，杨笑春，于佳璇，孟祥军

（1. 唐山师范学院 化学系，河北 唐山 063000；2. 承德技师学院 电气工程技术系，河北 承德 067000）

氨基酸是构成蛋白质的单体，是重要的生命营养物质，参与众多生理反应，发挥着重要生物功能。分子的生物活性与分子的构象变化间存在密切关系，研究氨基酸的构象行为是理解蛋白质、多肽分子动态特征的关键所在。

甘氨酸和丙氨酸的结构较简单，构象研究也较早[1,2]，工作较充分[3,4]。丝氨酸分子式为C3H7O3N，官能团除了氨基和羧基外，还有一个侧链羟基；三个官能团均可作为氢键给体和受体，分子内氢键形式多样，构象较复杂，但它是认识构象氢键效应的一个好模型。2004 年Lambie B 等[5]采用B3LYP/6-31++G**理论方法得到了12 种丝氨酸稳定构象，并用矩阵隔离-傅里叶变换红外光谱法观测到了4 种稳定构象；2007 年Blanco S 等[6]采用超音速射流-傅里叶变换微波谱法观测到了7 种丝氨酸稳定构象，并用MP2/6-311++G**方法对观测构象进行了理论计算。2017 年Wang Y 等[7]将低能电子附着在丝氨酸最稳定的4 种构象上得到形态共振体系，然后用量子散射方法进行了分子解离动力学观测。到目前为止，还缺乏丝氨酸构象转化机理的研究，研究构象转化机理可以深入认识构象变化的微观特征和动态信息[8]。

1 计算方法

密度泛函理论（DFT）现已发展为量子化学计算的最重要手段。之前B3LYP 方法较适用于模拟氨基酸体系的性质[9,10]，现在较新的M06 方法由于包含了许多校正项，能量计算比B3LYP 准确，并且描述氢键较好[11]。本文采用M06/6-31++G**方法优化丝氨酸结构，对所有构型都进行频率确认，对过渡态的正确性进行反应内禀坐标（IRC）验证。然后对各构型进行零点能（ZPE）校正，得到各构型的能量Ecom，进而计算各构型的相对能ΔEr（ΔEr=Ecom-Ecom,min，Ecom,min是最稳定构象能量）以及反应过程的正（逆）反应能垒Ea（Ea'）。所有任务均使用G09 程序完成[12]。

2 结果与讨论

2.1 稳定构象

本文共得到15种丝氨酸稳定构象以及15个过渡态，按照能量升高次序以英文字母对稳定构象命名，过渡态名称由反应物和产物的名称组合而来。稳定构象包含了文献[5]的12 种构象，其中最稳定4 种构象与文献[7]报道的4 种构象一致。为了便于比较和讨论，将这些构象按照转化途径排列于图1，各构象的原子编号一致，参见构象A。

各构象的第一和第二频率值（υ1和υ2）及能量值（相对能ΔE，正逆反应能垒Ea和Ea'）列于表1，υ1为正的构象是稳定态，υ1为负而υ2为正的构象是过渡态。最稳定构象A 中含有3 条氢键，分别为BO2-H1、BO2-H2和BN1-H4。前4 种稳定构象的相对能低于4 kJ·mol-1，能量最高构象O 的相对能为16.53 kJ·mol-1。

丝氨酸过渡态主要由 5 个内旋转自由度（C1-C2 键、C2-C3 键、C1-O1 键、N1-C2 键和C3-O3 键）产生。过渡态I-J 和L-M 对应着氨基（N1-C2 键）的旋转，能垒低于10.16 kJ·mol-1。E-L、F-A 和I-N 对应着C1-C2 键的旋转，能垒低于22.78 kJ·mol-1。B-G、D-H 和N-O 对应着C2-C3键的旋转，能垒低于23.31 kJ·mol-1。A-O、C-K、E-K 和G-H 对应着侧链羟基（O3-C3 键）的旋转，能垒低于24.13 kJ·mol-1。B-M、D-J 则对应着羧羟基（C1-O1 键）的旋转，能垒在39.68～54.80 kJ·mol-1之间。A-F 是质子H1 在O1 和O2 原子间迁移的过渡态，能垒高于129.44 kJ·mol-1。

2.2 构象转化途径和机理

丝氨酸构象转化的途径和能级变化见图2。由于A 是最稳定结构，B 是次稳定结构，这里对A转化到B 的微观机理进行详细讨论（其它路径不赘述）。转化路径为

该路径最高能垒为54.8 kJ·mol-1。构象A 中氢键BO2-H1长229.6 pm，BO2-H2和BN1-H4分别为245.3和221.0 pm，二面角ΦH4-O3-C3-C2为43.4°。由C3-O3键的旋转，二面角ΦH4-O3-C3-C2达到-77.3°时得到过渡态A-O，能量升高24.13 kJ·mol-1；达到-82.4°时得到构象O，能量降低7.60 kJ·mol-1。

通过C3-C2 键的旋转，构象O 变为N-O，二面角ΦO3-C3-C2-C1由177.0°变为128.7°，能量升高12.60 kJ·mol-1，该二面角旋转至75.1°得到N，能量降低18.40 kJ·mol-1。构象N 中ΦO2-C1-C2-C3为142.5°，C1-C2 键的旋转导致ΦO2-C1-C2-C3变为68.1°时得到I-N，能量升高18.15 kJ·mol-1。该二面角转至-20.7°时得到I，能量降低20.85 kJ·mol-1。构象I 中ΦH2-N1-C2-C3为-174.3°，N1-C2 键的旋转导致ΦH2-N1-C2-C3变为-117.0°时得到I-J，能量升高6.07 kJ·mol-1。ΦH2-N1-C2-C3转至-64.3°时得到J，能量降低5.69 kJ·mol-1。

表1 丝氨酸各构象的频率（单位cm-1）及能量（单位kJ·mol-1）

图1 丝氨酸构象及其转化途径

图2 丝氨酸构象转化途径和能级

C1-O1 键的旋转导致J 经由过渡态D-J 转变为D，二面角ΦH1-O1-C1-O2相应地变化，由-0.6°到-97.7°再到176.5°，能量先升高49.72 kJ·mol-1，再降低54.80 kJ·mol-1。C3—C2 键的旋转导致D 经由D-H变为H，二面角ΦO3-C3-C2-C1由64.8°到123.1°再到103.9°，能量先升高23.31 kJ·mol-1，再降低18.64 kJ·mol-1。O3-C3 键的旋转导致H 经由过渡态G-H 转变为G，二面角ΦH4-O3-C3-C2由-123.3°到3.4°再到179.6°，能量先升高14.87 kJ·mol-1，再降低15.49 kJ·mol-1。构象G 通过C3-C2 键的旋转经由B-G 变为B，二面角ΦO3-C3-C2-C1由-179.3°到4.5°再到-63.3°，能量先升高7.49 kJ·mol-1，再降低14.43 kJ·mol-1。

3 结论

运用M06/6-31++G**方法研究丝氨酸构象异构化机理，丝氨酸存在15 种稳定构象，这些构象可以通过分子内化学键的旋转相互转化。氨基旋转的能垒低于10.16 kJ·mol-1，C-C 键旋转的能垒低于23.31 kJ·mol-1；侧链羟基旋转的能垒低于24.13 kJ·mol-1，羧羟基的旋转能垒在 39.68 ～54.80 kJ·mol-1之间。最稳定构象A 转化为次稳定构象B 的路径为A→A-O→O→N-O→N→I-N→I→I-J→J→D-J→D→D-H→H→G-H→G→B-G→B，该路径的最高能垒为54.80 kJ·mol-1。