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Amide isomerization pathways: Electronic and structural background of protonation- and deprotonation-mediated cis-trans interconversions

异构化 质子化 化学 脱质子化 过渡状态 酰胺 二面角 结晶学 立体化学 分子 计算化学 氢键 有机化学 催化作用 离子
作者
Ádám A. Kelemen,András Perczel,Dániel Horváth,Imre Jákli
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:159 (15) 被引量:2
标识
DOI:10.1063/5.0165772
摘要

The cis-trans isomerization of amide bonds leads to wide range of structural and functional changes in proteins and can easily be the rate-limiting step in folding. The trans isomer is thermodynamically more stable than the cis, nevertheless the cis form can play a role in biopolymers' function. The molecular system of N-methylacetamide · 2H2O is complex enough to reveal energetics of the cis-trans isomerization at coupled cluster single-double and coupled cluster single-double and perturbative triple [CCSD(T)] levels of theory. The cis-trans isomerization cannot be oversimplified by a rotation along ω, since this rotation is coupled with the N-atom pyramidal inversion, requesting the introduction of a second dihedral angle "α." Full f(ω,α) potential energy surfaces of the different amide protonation states, critical points and isomerization reaction paths were determined, and the barriers of the neutral, O-protonated and N-deprotonated amides were found too high to allow cis-trans interconversion at room temperature: ∼85, ∼140, and ∼110 kJ mol-1, respectively. For the N-protonated amide bond, the cis form (ω = 0°) is a maximum rather than a minimum, and each ω state is accessible for less than ∼10 kJ mol-1. Here we outline a cis-trans isomerization pathway with a previously undescribed low energy transition state, which suggests that the proton is transferred from the more favorable O- to the N-protonation site with the aid of nearby water molecules, allowing the trans → cis transition to occur at an energy cost of ≤11.6 kJ mol-1. Our results help to explain why isomerase enzymes operate via protonated amide bonds and how N-protonation of the peptide bond occurs via O-protonation.

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