史俊友 董麗花 劉永軍

(1中國(guó)科學(xué)院西北高原生物研究所,西寧 810001;2中國(guó)科學(xué)院研究生院,北京 100049)

羥基加成反應(yīng)對(duì)A-T堿基對(duì)結(jié)構(gòu)和質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程的影響

史俊友1,2,*董麗花1,2劉永軍1

(1中國(guó)科學(xué)院西北高原生物研究所,西寧 810001;2中國(guó)科學(xué)院研究生院,北京 100049)

應(yīng)用密度泛函理論在B3LYP/6-31++G(d,p)//B3LYP/6-31G(d,p)水平上對(duì)羥基化堿基對(duì)A-T的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究,經(jīng)計(jì)算共得到8種穩(wěn)定的羥基化加成產(chǎn)物,其能量的相對(duì)順序?yàn)?OHA-T＜A-T6OH＜A-T5OH＜2OHA-T＜4OHA-T＜5OHA-T＜A-T2OH＜A-T4OH(數(shù)字表示羥基加成進(jìn)攻的原子在腺嘌呤或胸腺嘧啶中的編號(hào)),這與其加成反應(yīng)前后結(jié)構(gòu)變化的大小密切相關(guān).當(dāng)羥基對(duì)腺嘌呤端進(jìn)行加成時(shí),A-T間的相互作用能略有增加,而當(dāng)羥基對(duì)胸腺嘧啶進(jìn)行加成時(shí),A-T之間的相互作用能略有減小.另外,還以能量較低的加成產(chǎn)物8OHA-T和A-T6OH為例對(duì)羥基化堿基對(duì)中A和T之間的質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程進(jìn)行了研究,結(jié)果表明羥基化產(chǎn)物中A與T之間的質(zhì)子轉(zhuǎn)移機(jī)理由未加成前的分步雙質(zhì)子轉(zhuǎn)移變?yōu)閰f(xié)同雙質(zhì)子轉(zhuǎn)移,且其勢(shì)壘低于未加成的A-T發(fā)生第一步(決速步驟)質(zhì)子轉(zhuǎn)移的勢(shì)壘.

密度泛函理論;堿基對(duì);羥基化;質(zhì)子轉(zhuǎn)移;單電子占據(jù)軌道

在DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)中,各個(gè)堿基之間通過氫鍵相互作用以A-T(腺嘌呤-胸腺嘧啶)或G-C(鳥嘌呤-胞嘧啶)的方式進(jìn)行配對(duì).由于受環(huán)境因素的影響,這些堿基對(duì)之間的結(jié)合能力可能會(huì)發(fā)生變化,甚至誘發(fā)突變.生物體系內(nèi)的水分子經(jīng)紫外線輻射或細(xì)胞的正常代謝后可分解產(chǎn)生活性基團(tuán)如H·、等.這些活性基團(tuán)可與核苷作用導(dǎo)致DNA發(fā)生一系列的變化,如單、雙螺旋鏈結(jié)構(gòu)的變化，堿基對(duì)間的錯(cuò)配，突變等.由于這些自由基與核苷的反應(yīng)具有嚴(yán)重的破壞性，其反應(yīng)機(jī)理已經(jīng)受到人們的密切關(guān)注.

人們通過實(shí)驗(yàn)及理論研究發(fā)現(xiàn)·OH與DNA中的嘧啶(胸腺嘧啶或胞嘧啶)及嘌呤(腺嘌呤或鳥嘌呤)發(fā)生加成反應(yīng),且其相關(guān)產(chǎn)物已得到分離和鑒定[1-2].·OH與嘧啶的加成反應(yīng)主要發(fā)生在C5及C6位,其中C5位的加成產(chǎn)物具有還原性,C6位的加成產(chǎn)物具有氧化性;·OH與嘌呤的加成反應(yīng)可發(fā)生在C2、C4、C5、C8等位置,其產(chǎn)物中氧化性和還原性物質(zhì)呈等量關(guān)系[3-5].這些加成產(chǎn)物仍比較活潑,不但可與其它生物分子發(fā)生反應(yīng),還可發(fā)生分子內(nèi)的開環(huán)反應(yīng)、分子內(nèi)及分子間的抽氫反應(yīng)等[5-6].通常情況下,核酸中的嘌呤和嘧啶主要以氨基和酮類的形式通過分子間氫鍵進(jìn)行配對(duì),但在少數(shù)情況下,嘌呤和嘧啶也以亞氨基和烯醇的形式存在(圖1).后一種情況的發(fā)生是由于嘌呤與嘧啶之間發(fā)生了質(zhì)子轉(zhuǎn)移[7-9];它所占比例雖然很小,卻可以誘發(fā)基因突變,改變遺傳密碼[10].

為探討堿基對(duì)之間的質(zhì)子轉(zhuǎn)移及其在基因突變中的作用,人們開展了許多相關(guān)的實(shí)驗(yàn)及理論研究.結(jié)果表明G-C間的質(zhì)子轉(zhuǎn)移遵循協(xié)同雙質(zhì)子轉(zhuǎn)移機(jī)理[11],但對(duì)于堿基對(duì)A-T間的質(zhì)子轉(zhuǎn)移機(jī)理,人們得到的結(jié)論并不完全一致,如Floribn[12]和Gorb[13]等認(rèn)為堿基對(duì)A-T間的質(zhì)子轉(zhuǎn)移機(jī)理為協(xié)同雙質(zhì)子轉(zhuǎn)移,而近期Kryachk等[14]和Villani[15]的研究發(fā)現(xiàn)A-T間的質(zhì)子轉(zhuǎn)移為分步質(zhì)子轉(zhuǎn)移.在分步質(zhì)子轉(zhuǎn)移中,首先胸腺嘧啶的H8由N3轉(zhuǎn)移到腺嘌呤的N1上,形成離子型中間體A-T',然后腺嘌呤N10上的氫原子轉(zhuǎn)移到胸腺嘧啶的O9上形成A'T'(圖1); Kryachk等[14]在HF/6-31+g(d)水平上計(jì)算得到的分步質(zhì)子轉(zhuǎn)移的能壘分別為70.26和37.22 kJ·mol-1.

活性自由基與堿基相互作用的研究引起了人們的極大關(guān)注[119],但由于這些自由基活性較高,采用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)其研究具有較大的局限性,于是人們采用多種理論方法對(duì)羥基與單個(gè)堿基的相互作用進(jìn)行了較為深入的研究,但對(duì)于羥基與堿基對(duì)之間的相互作用及其對(duì)堿基對(duì)之間質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程影響的研究還相對(duì)較少.Zhang等[20]用密度泛函方法研究了羥基自由基與G-C堿基對(duì)的加成反應(yīng)及堿基之間的質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程，他們發(fā)現(xiàn)羥基加成對(duì)于G與C之間的相互作用有輕微的影響，但加成位置對(duì)G與C之間的質(zhì)子轉(zhuǎn)移勢(shì)壘有不同的影響.到目前為止,對(duì)于羥基自由基與堿基對(duì)A-T之間的加成反應(yīng)尚未見文獻(xiàn)報(bào)道.因此本文用密度泛函理論[21-22]對(duì)羥基加成后堿基對(duì)的結(jié)構(gòu)變化以及A-T間的質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程進(jìn)行了研究,以期加深對(duì)DNA損傷和修復(fù)過程的理解.

圖1 堿基對(duì)A-T和G-C及其質(zhì)子轉(zhuǎn)移產(chǎn)物的原子編號(hào)標(biāo)注示意圖Fig.1 Atom numbering scheme ofA-T and G-C base pairs and their proton transfer products

1 計(jì)算方法

因本文研究體系涉及到較多的氫鍵相互作用,我們采用已被證明對(duì)氫鍵體系十分有效的B3LYP方法[23-24]在6-31G(d,p)水平上對(duì)可能的羥基化產(chǎn)物及其質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程涉及到的各駐點(diǎn)的構(gòu)型進(jìn)行了全優(yōu)化,并通過頻率計(jì)算加以確認(rèn);所有的局域最小點(diǎn)沒有虛頻,而相應(yīng)的過渡態(tài)只有一個(gè)虛頻;過渡態(tài)還通過內(nèi)稟反應(yīng)坐標(biāo)(IRC)加以確認(rèn),自然布居通過自然鍵軌道分析(NBO)得到.為使計(jì)算過程中所涉及的復(fù)合物、過渡態(tài)及產(chǎn)物的能量更加準(zhǔn)確，在B3LYP/6-31++G(d,p)水平上對(duì)各優(yōu)化構(gòu)型進(jìn)行了單點(diǎn)計(jì)算,下文中提到的能量都是指B3LYP/ 6-31++G(d,p)單點(diǎn)計(jì)算后所得到的能量(包含零點(diǎn)能校正).全部計(jì)算采用Gaussian 03程序包[25]完成.

為從本質(zhì)上闡述A-T堿基對(duì)之間質(zhì)子轉(zhuǎn)移勢(shì)壘變化的原因,本文還計(jì)算了有關(guān)羥基化堿基的質(zhì)子親和勢(shì)(PA)與去質(zhì)子焓(DPE).

對(duì)于質(zhì)子化過程:B+H+→BH+

反應(yīng)的吉布斯自由能變化通過下式計(jì)算:

其中E(i)、Evib(i)和S(i)分別代表各物種i的總能量、零點(diǎn)振動(dòng)能及熵;T和R分別為物質(zhì)的絕對(duì)溫度及氣體常數(shù);質(zhì)子親和勢(shì)PA為吉布斯自由能變化(ΔG)的負(fù)值.對(duì)于質(zhì)子化過程來說,PA的值越大,則該堿的堿性越強(qiáng).

對(duì)于去質(zhì)子化過程:BH→B-+H+

其焓變計(jì)算公式與式(1)相似:

去質(zhì)子焓DPE為該過程函變(ΔH)的負(fù)值.一般情況下,去質(zhì)子焓越小表明該物質(zhì)(BH)的酸性越強(qiáng).

本文中所涉及的原子編號(hào)始終與圖1中A-T的編號(hào)一致.依據(jù)羥基加成位置的不同本文將·OH與A-T的加成產(chǎn)物命名為MOHA-T或A-TNOH,前者代表羥基加成到腺嘌呤上,后者代表羥基加成到胸腺嘧啶上,M和N分別代表羥基加成進(jìn)攻的原子在腺嘌呤和胸腺嘧啶中的編號(hào),MOHA-T(Ts/P)和A-TNOH(Ts/ P)分別代表質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程的過渡態(tài)或轉(zhuǎn)移后的產(chǎn)物.

2 結(jié)果與討論

2.1 加成產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)

對(duì)A-T堿基對(duì)中所有可能與·OH發(fā)生加成反應(yīng)的不飽和原子進(jìn)行了嘗試,包括腺嘌呤(A)中的2-8位原子,胸腺嘧啶(T)中的2-6位原子.經(jīng)計(jì)算得到了8種穩(wěn)定的加成產(chǎn)物,分別是2OHA-T、4OHA-T、5OHA-T、8OHA-T、A-T2OH、A-T4OH、A-T5OH和A-T6OH.

表1中列出了羥基氧原子與被加成原子所形成鍵的鍵長(zhǎng)及相關(guān)原子上的電子自旋密度.可以看出，羥基氧原子上的電子自旋密度都很小，表明其單電子已經(jīng)轉(zhuǎn)移到被加成堿基上;羥基與被加成原子形成了穩(wěn)定的化學(xué)鍵,鍵長(zhǎng)在0.1398-0.1445 nm之間.

表2列出了8種羥基化產(chǎn)物的總能量和相對(duì)能量,其中8OHA-T的能量最低,A-T4OH能量最高,其能量由低到高的順序?yàn)?OHA-T＜A-T6OH＜A-T5OH＜2OHA-T＜4OHA-T＜5OHA-T＜A-T2OH＜A-T4OH.在腺嘌呤端的4種加成產(chǎn)物中,8OHA-T的能量最低,2OHA-T次之,而4OHA-T和5OHA-T的能量較高.在胸腺嘧啶端的4種產(chǎn)物中, A-T6OH的能量最低,A-T5OH次之;而A-T2OH與A-T4OH能量相當(dāng)高,它們分別比8OHA-T的能量高144.42和153.20 kJ·mol-1,這與在溶液中未得到A-T2OH和A-T4OH的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[3-5]相一致.由于羥基的加成位置對(duì)產(chǎn)物的穩(wěn)定性有較大的影響,我們對(duì)腺嘌呤和胸腺嘧啶加成產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了討論.

表1 羥基化堿基對(duì)中相關(guān)原子的電子自旋密度及X—OH的鍵長(zhǎng)Table 1 Electron spin density of related atoms and bond length of X—OH for hydroxylated base pairs

表2 羥基化堿基對(duì)A-T的相對(duì)能量(ER)及相應(yīng)堿基間的相互作用能(ΔEinter)Table 2 Relative energies(ER)of hydroxylatedA-T and interaction energies(ΔEinter)between related bases

2.1.1 腺嘌呤端的加成產(chǎn)物

圖2列出了4種腺嘌呤端加成產(chǎn)物的結(jié)構(gòu).8OHA-T是·OH與腺嘌呤的C8加成反應(yīng)的產(chǎn)物,其能量在·OH與腺嘌呤端的加成產(chǎn)物中最低.當(dāng)·OH進(jìn)攻C8時(shí),C8的雜化方式由sp2轉(zhuǎn)化為sp3,C8與N7間的距離由0.1310 nm增長(zhǎng)到0.1459 nm,即C8與N7間的化學(xué)鍵由雙鍵變?yōu)閱捂I.在8OHA-T中，盡管C8上的氫原子向嘌呤環(huán)外發(fā)生扭曲,但嘌呤環(huán)的整體構(gòu)型改變很小,仍基本保持Cs對(duì)稱性.2OHA-T的情況與8OHA-T類似,腺嘌呤部分的結(jié)構(gòu)變化不大,基本保持Cs對(duì)稱性.而在4OHA-T和5OHA-T中,由于橋連碳原子C4和C5的雜化方式由sp2轉(zhuǎn)化為sp3,嘌呤環(huán)結(jié)構(gòu)變化較大,五元環(huán)與六元環(huán)間呈蝶形扭曲.

羥基與腺嘌呤發(fā)生加成后,堿基對(duì)A-T間的氫鍵鍵長(zhǎng)稍有變化.在8OHA-T、2OHA-T、4OHA-T和5OHA-T中,氫鍵N10—H11…O9較A-T(氫鍵為0.1930 nm)中分別縮短了0.0020、-0.0013、0.0030和0.0019 nm,氫鍵N3—H8…N1基本未變，其相應(yīng)的相互作用能分別增加了2.49、0.74、6.23和4.02 kJ·mol-1(表2).這說明羥基對(duì)腺嘌呤C8、C2、C4和C5的加成對(duì)A-T間的氫鍵有增強(qiáng)作用.

2.1.2 胸腺嘧啶端的加成產(chǎn)物

圖2 B3LYP/6-31G(d,p)水平上優(yōu)化得出的四種MOHA-T的相關(guān)構(gòu)型Fig.2 Four structures ofMOHA-T optimized at the B3LYP/6-31G(d,p)levelThe unit of bond length in this figure and the following figures is nm.

圖3 B3LYP/6-31G(d,p)水平上優(yōu)化得出的四種A-TNOH的構(gòu)型Fig.3 Four structures ofA-TNOHoptimizedat the B3LYP/6-31G(d,p)level

圖3為胸腺嘧啶端加成產(chǎn)物的結(jié)構(gòu).在A-T5OH的胸腺嘧啶端,C5的雜化方式由sp2轉(zhuǎn)化為sp3,C5與C6間的距離由0.1364 nm增長(zhǎng)到0.1489 nm,二面角C2—N3—C4—C5與C2—N1—C6—C5分別由0°增加到10.67°和22.63°,表明C5已經(jīng)脫離嘧啶環(huán)所在平面.而二面角N1—C2—N3—C4和C6—N1—C2—N3僅為4.32°和0.51°,表明胸腺嘧啶環(huán)中的其它五個(gè)原子仍基本保持共平面.A-T6OH與A-T5OH類似,C6脫離原嘧啶環(huán)所在平面,其它五個(gè)原子仍基本保持共平面,這說明A-T5OH與A-T6OH中的堿基T的結(jié)構(gòu)變化較小.當(dāng)羥基與胸腺嘧啶的C2與C4加成時(shí)引起堿基T的結(jié)構(gòu)變化較大.在A-T2OH和A-T4OH中,C2與C4脫離嘧啶環(huán)所在的面,而O7與O9向面的另一側(cè)扭曲,其中C2—O7和C4—O9間的距離分別由0.1220和0.1235 nm增長(zhǎng)到0.1323和0.1381 nm.在A-T4OH中,由于腺嘌呤中氨基與已扭曲的O9之間的氫鍵相互作用,導(dǎo)致嘌呤環(huán)和嘧啶環(huán)由共面變?yōu)楫惷?這可能導(dǎo)致DNA鏈的扭曲.

在A-T5OH、A-T6OH、A-T2OH和A-T4OH中,氫鍵N10—H11…O9較 在 A-T中 分 別 變 化 了 0.0033、0.0029、-0.0015和0.0067 nm,氫鍵N3—H8…N1的鍵長(zhǎng)分別增長(zhǎng)了0.0000、0.0009、0.0062和0.0051 nm,相應(yīng)的相互作用能分別降低了1.86、3.06、4.37、10.52 kJ·mol-1.這表明羥基對(duì)胸腺嘧啶C5、C6、C2和C4的加成對(duì)A-T間的氫鍵有削弱作用.

通過分析8種加成產(chǎn)物的構(gòu)型與能量發(fā)現(xiàn),當(dāng)加成產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)在A-T基礎(chǔ)上變化較大時(shí),其能量較高,反之能量較低.當(dāng)A發(fā)生羥基化時(shí),堿基間的相互作用增強(qiáng),而T發(fā)生羥基化時(shí),相互作用減弱.

2.1.3 A-T羥基加成產(chǎn)物的電子結(jié)構(gòu)

圖4列出了羥基與單個(gè)堿基和堿基對(duì)加合時(shí)產(chǎn)物的單電子占據(jù)軌道(SOMO)的能量值.與各單體加成產(chǎn)物的單電子占據(jù)軌道比較,堿基對(duì)A-T加成產(chǎn)物的單電子占據(jù)軌道能量普遍增高.復(fù)合物4OHA-T、5OHA-T及8OHA-T中單電子軌道的能量分別升高了0.003、0.006和0.005 a.u.,而2OHA-T的單電子軌道能量基本不變.A-T2OH、A-T4OH、A-T5OH和A-T6OH中的單電子占據(jù)軌道能量分別升高了0.032、0.010、 0.007和0.027 a.u..在腺嘌呤的四種加成產(chǎn)物中,5OHA-T的單電子軌道能量較高,易失去電子,其還原性較強(qiáng).與之相反,2OHA-T和4OHA-T單電子軌道能量較低,易得到電子,具有較強(qiáng)的氧化性.胸腺嘧啶的四種加成產(chǎn)物中,A-T5OH的單電子占據(jù)軌道能量較高,具有較強(qiáng)的還原性;A-T2OH和A-T6OH的單電子占據(jù)軌道能量較低,氧化性較強(qiáng),這與文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果[16]一致.

圖4 羥基化堿基單體OH-A/T(虛線)與相應(yīng)的羥基化堿基對(duì)OH-A/T(實(shí)線)的單電子占據(jù)軌道(SOMO)的能量Fig.4 Singly occupied molecular orbital(SOMO) energies of monomers OH-A/T(dashed)and corresponding hydroxylation adducts OH-A/T(solid)

圖5 復(fù)合物MOHA-T和A-TNOH的單電子占據(jù)軌道圖Fig.5 SOMO populations of adductsMOHA-T andA-TNOH

圖5給出了8種羥基化產(chǎn)物SOMO的分布情況.當(dāng)堿基對(duì)中的腺嘌呤羥基化加成時(shí),SOMO主要分布在腺嘌呤一側(cè);但是當(dāng)羥基對(duì)胸腺嘧啶加成時(shí),SOMO的分布情況與加成位置有很大關(guān)系,如 A-T4OH和A-T5OH的SOMO主要分布在胸腺嘧啶一側(cè),而A-T2OH和A-T6OH的SOMO主要分布在腺嘌呤一側(cè).2OHA、4OHA、5OHA和8OHA的SOMO的能量分別為-0.195、-0.188、-0.160和-0.181 a.u.,遠(yuǎn)高于胸腺嘧啶的最高占據(jù)軌道(HOMO)的能量(-0.241a.u.),故當(dāng)它們與胸腺嘧啶的HOMO作用時(shí),SOMO主要分布在腺嘌呤一側(cè).T2OH、T4OH、T5OH及T6OH的SOMO能量分別為-0.245、-0.208、-0.187和-0.239 a.u.,由于T4OH和T5OH的SOMO能量高于腺嘌呤的HOMO能量(-0.216 a.u.),故A-T4OH和A-T5OH的SOMO主要分布在胸腺嘧啶一側(cè),而A-T2OH和A-T6OH的SOMO能量低于腺嘌呤的HOMO能量，因此它們的SOMO主要分布在腺嘌呤一側(cè).

圖6 8OHA-T與A-T6OH質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程所涉及的過渡態(tài)與產(chǎn)物的優(yōu)化構(gòu)型Fig.6 Optimized structures of transition states and products of8OHA-T andA-T6OH corresponding to the proton transfer reaction

表3 8OHA-T與A-T6OH質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程所涉及的能壘和反應(yīng)熱Table 3 Calculated activation barriers and reaction energies for the proton transfer reactions of 8OHA-T andA-T6OH

2.2 質(zhì)子轉(zhuǎn)移的反應(yīng)機(jī)理

本文以能量較低的兩種加成產(chǎn)物8OHA-T和A-T6OH為例對(duì)羥基化A-T間的質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程進(jìn)行了研究.為便于比較,在B3LYP/6-31++G(d,p)//B3LYP/ 6-31G(d,p)水平上對(duì)未羥基化A-T間的質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)A-T間的質(zhì)子轉(zhuǎn)移為分步質(zhì)子轉(zhuǎn)移，其能壘分別為62.31和48.78 kJ·mol-1,與Kryachk等人的計(jì)算結(jié)果[14]基本一致.

圖6顯示了羥基化堿基對(duì)之間質(zhì)子轉(zhuǎn)移的過渡態(tài)及產(chǎn)物的構(gòu)型.表3中列出了8OHA-T與A-T6OH質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程所涉及的能壘和反應(yīng)熱.我們對(duì)質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程中可能存在的離子型中間體進(jìn)行了優(yōu)化,但未能找到穩(wěn)定的中間體,即整個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程是協(xié)同進(jìn)行的.本文對(duì)所得到的過渡態(tài)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了振動(dòng)頻率計(jì)算,并通過IRC路徑分析予以確認(rèn).

計(jì)算表明羥基化A-T間的雙質(zhì)子轉(zhuǎn)移發(fā)生在氫鍵N10(A)··O9(T)及N1(A)··N3(T)之間,H11由腺嘌呤轉(zhuǎn)移到胸腺嘧啶的O9上,同時(shí)胸腺嘧啶的H8向腺嘌呤的N1轉(zhuǎn)移.當(dāng)8OHA-T和A-T6OH形成過渡態(tài)時(shí)過渡態(tài)的構(gòu)型更接近產(chǎn)物.此結(jié)果符合Hammond假設(shè)[26],即若質(zhì)子轉(zhuǎn)移的過程為吸熱過程,反應(yīng)的過渡態(tài)與產(chǎn)物的構(gòu)型更相近.

表3表明,8OHA-T和A-T6OH發(fā)生協(xié)同雙質(zhì)子轉(zhuǎn)移時(shí),其勢(shì)壘分別為42.01和50.27 kJ·mol-1,均低于A-T發(fā)生第一步質(zhì)子轉(zhuǎn)移(決速步驟)的能壘,這說明羥基對(duì)于腺嘌呤的8號(hào)位和胸腺嘧啶的6號(hào)位的羥基加成有利于A-T間質(zhì)子轉(zhuǎn)移的進(jìn)行.另外,兩種加成產(chǎn)物質(zhì)子轉(zhuǎn)移后的產(chǎn)物比質(zhì)子轉(zhuǎn)移前的能量高48.34和55.67 kJ·mol-1,且與質(zhì)子轉(zhuǎn)移過渡態(tài)的能量相差極小，所以它們質(zhì)子轉(zhuǎn)移的產(chǎn)物極不穩(wěn)定.8OHA-T和A-T6OH發(fā)生質(zhì)子轉(zhuǎn)移的勢(shì)壘之所以比A-T發(fā)生第一步質(zhì)子轉(zhuǎn)移的勢(shì)壘低,與堿基對(duì)中堿基酸堿性的變化有關(guān).表4中列出了A/T及8OHA/T6OH中相關(guān)位置的質(zhì)子親和勢(shì)與去質(zhì)子焓.在8OHA中,8OHA端N10H11的去質(zhì)子焓為1420.51 kJ·mol-1,與堿基A相比減小了25.92 kJ·mol-1,表明其酸性增強(qiáng);N1位的質(zhì)子親和勢(shì)僅減小了13.74 kJ·mol-1,這表明此位置的堿性基本不變.在T6OH中,N3位的去質(zhì)子焓與T相比減小17.41 kJ·mol-1,酸性增強(qiáng);但O9位置質(zhì)子親和勢(shì)僅降低4.08 kJ·mol-1,堿性基本不變.在對(duì)應(yīng)堿基不變的情況下,羥基化堿基的堿性基本不變,酸性增強(qiáng),質(zhì)子更易解離,故經(jīng)羥基加成后A-T間的質(zhì)子轉(zhuǎn)移勢(shì)壘降低.

表4 A/T及8OHA/T6OH中相關(guān)位置的去質(zhì)子焓與質(zhì)子親和勢(shì)Table 4 Deprotonation enthalpies(DPE)and proton affinities(PA)for the relative positions ofA/T and8OHA/T6OH

3 結(jié)論

應(yīng)用密度泛函理論在B3LYP/6-31G(d,p)水平上對(duì)羥基化堿基對(duì)A-T的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究,并在B3LYP/6-31++G(d,p)水平上對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行單點(diǎn)能計(jì)算.經(jīng)優(yōu)化后共得到8種穩(wěn)定的羥基化產(chǎn)物,產(chǎn)物能量的高低與加成發(fā)生前后的結(jié)構(gòu)變化有密切關(guān)系,能量的相對(duì)順序?yàn)?OHA-T＜A-T6OH＜A-T5OH＜2OHA-T＜4OHA-T＜5OHA-T＜A-T2OH＜A-T4OH.當(dāng)羥基進(jìn)攻腺嘌呤時(shí)，堿基對(duì)間的相互作用增加;而當(dāng)羥基進(jìn)攻胸腺嘧啶時(shí),其相互作用減弱.在腺嘌呤端的4種加成產(chǎn)物中,2OHA-T和4OHA-T具有較強(qiáng)的氧化性,5OHA-T具有較強(qiáng)的還原性;在胸腺嘧啶端4種加成產(chǎn)物中,A-T5OH的還原性較強(qiáng),A-T2OH和A-T4OH的氧化性較強(qiáng);經(jīng)羥基化后A-T的質(zhì)子轉(zhuǎn)移機(jī)理由分步雙質(zhì)子轉(zhuǎn)移變?yōu)閰f(xié)同雙質(zhì)子轉(zhuǎn)移,且其勢(shì)壘低于A-T發(fā)生質(zhì)子轉(zhuǎn)移的勢(shì)壘.

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August 2,2010;Revised:September 13,2010;Published on Web:October 18,2010.

Effect of Hydroxylation on Structures and Proton Transfer of A-T Base Pairs

SHI Jun-You1,2,*DONG Li-Hua1,2LIU Yong-Jun1
(1Northwest Institute of Plateau Biology,Chinese Academy of Sciences,Xining 810001,P.R.China;
2Graduate University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,P.R.China)

The structures and proton transfer processes of hydroxylated A-T base pairs were theoretically studied at the B3LYP/6-31++G(d,p)//B3LYP/6-31G(d,p)level.Our calculations revealed that hydroxyl radical could react with A-T at different positions to form eight stable adducts.The order of these adducts in energy is8OHA-T＜A-T6OH＜A-T5OH＜2OHA-T＜4OHA-T＜5OHA-T＜A-T2OH＜A-T4OH(the number denotes the label of the atom in the A/T which is attacked by hydroxyl),which relates well with their structural changes upon the addition of hydroxyl radical.The interaction energy between A and T would increase slightly when hydroxyl radical reacts with the adenine,but it would decrease when the radical reacts with thymine. To study the proton transfer processes of the hydroxylated A-T base pairs,the most stable adducts,8OHA-T and A-T6OH,were selected to give calculations.The calculated results indicate that the proton transfer processes of8OHA-T and A-T6OHfollow the concerted mechanism,which is different from the stepwise mechanism of A-T.What is more,its energy barrier is lower than the corresponding energy of the latter's first step(rate-determining step).

Density functional theory;Base pair;Hydroxylation;Proton transfer;Singly occupied molecular orbital

O641

?Corresponding author.Email:shijunyou123@126.com;Tel:+86-15809781546.

The project was supported by the Program of“One Hundred Talents Program”of the ChineseAcademy of Sciences.中國(guó)科學(xué)院“百人計(jì)劃”研究項(xiàng)目資助