DFT study on the enantiotropy of amphoteric His molecule in water-liquid phase environment

NIU Heli; XU Yan; YANG Ying; SUN Yanyu; HAO Chengxin; JIANG Chunxu; WANG Zuocheng; YANG Xiaocui

doi:10.13471/j.cnki.acta.snus.2023C008

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DFT study on the enantiotropy of amphoteric His molecule in water-liquid phase environment

Research articles | 更新时间：2024-04-10

- DFT study on the enantiotropy of amphoteric His molecule in water-liquid phase environment
- Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni Vol. 63, Issue 2, Pages: 168-180(2024)
- 作者机构：
  
  1.白城医学高等专科学校医学技术学院，吉林白城 137000
  2.白城师范学院理论计算中心，吉林白城 137000
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.13471/j.cnki.acta.snus.2023C008
  CLC： O641.12
- Published：25 March 2024，
  
  Published Online：05 December 2023，
  
  Received：21 July 2023，
  
  Accepted：03 November 2023
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牛鹤丽,徐岩,杨应等.水液相下两性组氨酸分子对映异构的密度泛函理论[J].中山大学学报(自然科学版)(中英文),2024,63(02):168-180.

NIU Heli,XU Yan,YANG Ying,et al.DFT study on the enantiotropy of amphoteric His molecule in water-liquid phase environment[J].Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni,2024,63(02):168-180.
牛鹤丽,徐岩,杨应等.水液相下两性组氨酸分子对映异构的密度泛函理论[J].中山大学学报(自然科学版)(中英文),2024,63(02):168-180. DOI： 10.13471/j.cnki.acta.snus.2023C008.

NIU Heli,XU Yan,YANG Ying,et al.DFT study on the enantiotropy of amphoteric His molecule in water-liquid phase environment[J].Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni,2024,63(02):168-180. DOI： 10.13471/j.cnki.acta.snus.2023C008.

摘要

采用DFT的M06-2X和MN15杂化泛函方法，结合处理溶剂效应的SMD模型方法，对标题反应进行研究。研究发现：His分子可在

-H质子以羧基（质子化的）下面的O为桥迁移；H质子从氨基（质子化的）N迁移到质子化羧基上面的O后，

-H再以N和羧基（质子化的）下面的O分别为桥迁移；质子从氨基（质子化的）N迁移到咪唑环上的N后，

-H再以氨基（质子化的）N和羧基（质子化的）下面的O分别为桥迁移5个反应通道实现对映异构。势能面计算表明：隐性溶剂效应下5个通道决速步的自由能垒分别是245.6、238.1、297.3、270.9和257.7 kJ/mol；显性溶剂效应下这些能垒分别降到139.9、120.7、161.7、142.7和157.3 kJ/mol。结果表明，水液相下His只能少量的消旋，生命体补充His比较安全。

Abstract

The title reaction was performed using the M06-2X and MN15 methods of DFT combined with the Slovation Model Density （SMD） model method based on self-consistent reaction field theory. The results showed that

His molecule can be transferred when the carbonyl O atom as the only bridge of

-H proton

and

-H transfers with amino group N and carbonyl O atom as bridges after the proton of protonated amino group N transfers to carbonyl O atom，respectively；Also

-H achieves enantiotropy in five channels using amino group N and carbonyl group O as bridges after the proton transfers from the protonated amino group N to the N of the imidazole ring，respectively. Investigation on the potential energy surface showed that the free energy barriers of rate-determining step for each of the five channels are 245.6， 238.1， 297.3， 270.9 and 257.7 kJ/mol under the effect of recessive solvent； the energy barriers are reduced to about 139.9，120.7，161.7，142.7 and 157.3 kJ/mol under the effect of dominant solvent. The results show that His can racemize with a small amount in the water-liquid environment， and it is relatively safe to be used to supply His for life.

关键词

组氨酸对映异构密度泛函理论过渡态吉布斯自由能垒

Keywords

histidineenantiotropydensity functional theorytransition stateGibbs free energy

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