靳玲俠，閔鎖田,王志銀,趙夢婷，任宏江

(1.陜西理工學院 化學與環(huán)境科學學院,陜西 漢中 723001; 2.西安文理學院 化學工程學院,西安 710065)

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5-羥甲基胞嘧啶pKa值的理論研究

靳玲俠1，閔鎖田1,王志銀1,趙夢婷1，任宏江2

(1.陜西理工學院 化學與環(huán)境科學學院,陜西 漢中 723001; 2.西安文理學院 化學工程學院,西安 710065)

采用兩種不同動力學循環(huán)方案，在B3LYP/6-311++G(d,p)+ZPE和B3LYP/aug-cc-pVTZ//B3LYP/6-311++G(d,p)+ZPE水平上，同時考慮PCM和CPCM模型對5-羥甲基胞嘧啶(5-HMeCyt)中N3、N4、O2不同位點質子化的pKa值進行計算研究.結果表明：采用經(jīng)驗值法，5-HMeCyt中N3位置質子化的pKa值最大；采用質子交換法，以N3質子化的胞嘧啶為參考酸，發(fā)現(xiàn)CPCM模型計算結果對計算方法的依賴性較大.

B3LYP；5-甲基胞嘧啶；胞嘧啶；5-羥甲基胞嘧啶

5-羥甲基胞嘧啶(5-HMeCyt)可能是一個重要的表觀遺傳學標記，也可能是5-甲基胞嘧啶(5-MeCyt)去甲基向胞嘧啶(Cyt)轉化的中間產(chǎn)物.已有文獻報道，pKa值對氫原子轉移、質子交換、電子轉移等反應機制的闡明尤為重要[1-4].Arnott等[5]實驗發(fā)現(xiàn)在一定pH值下，胞嘧啶的N3位質子可轉移至鳥嘌呤.同時，胞嘧啶的堿基序列對pH值會產(chǎn)生一定影響.因此，可通過pKa值控制堿基配對的最佳條件.另外，在酸性介質中，Cyt存在3個可能的質子化位置，分別為N3、O2和N4.綜合文獻報道[6-7]，Cyt在酸性條件下形成6個質子化異構體，用滴定方法較難準確測量有機物具體位點的pKa值.因此采用理論與計算化學估算嘧啶堿基的pKa值對于理解以質子轉移為基礎的化學物質和生物進程具有非常重要的意義.

在實驗方面，F(xiàn)loria′n等人在研究胞嘧啶質子化異構體紅外光譜時發(fā)現(xiàn)，胞嘧啶的N3，N4，O2位置上均可發(fā)生質子化反應，同時發(fā)現(xiàn)N3和O2質子化異構體較其它異構體穩(wěn)定[8].Saenger等人通過實驗檢測到胞嘧啶的pKa值為4.5[9-10].由于胞嘧啶質子化位置的復雜性且部分異構體的不穩(wěn)定性，導致實驗難于準確檢測不穩(wěn)定異構體的pKa值.在理論研究方面，Moser等人[11]采用密度泛函理論方法得出胞嘧啶的pKa值為6.29～6.98，并預測甲基化對胞嘧啶pKa值的影響，而George等采用Poisson-Boltzmann方法對胞嘧啶在第三螺旋結構的N3位置pKa值進了計算，得出N3質子化胞嘧啶的pKa值為4.3[12]，與實驗值極為接近(4.5)，5-HMeCyt是一種重要的表觀遺傳修飾，可能與去甲基化過程有關，但其作用機制仍不明確.鑒于此，本文將系統(tǒng)考察5-HMeCyt不同位點質子化的pKa值(圖1)，同時探討PCM和CPCM對pKa值的影響，解決質子化位置是否起顯著催化作用.

圖1 5-HMeCyt及其N3、O2、N4位質子化結構示意圖

1 計算方法

為比較計算方法對計算結果的影響，本文選用B3LYP/6-311++G(d,p)+ZPE和B3LYP/aug-cc-pVTZ//B3LYP/6-31G(d,p)+ZPE兩種計算方法[13-14]，并且使用兩種循環(huán)方案分別對5-HMeCyt不同位點質子化的pKa值進行計算.以氣相分子作為研究對象，應用Gaussian03程序包[15]，采用密度泛函理論B3LYP方法對5-HMeCyt及其質子化異構體的初始幾何構型進行優(yōu)化和能量計算，并采用頻率進行驗證，以確定其最穩(wěn)定的異構體結構.同時考察CPM和CPCM模型對5-HMeCyt的質子化異構體pKa值的影響，對各異構體的溶劑化自由能進行了計算[16].

1.1 經(jīng)驗值法[17]

Scheme1 經(jīng)驗值法:

↑-ΔGs(C5H8N3O+)↓ΔGs(C5H7N3O2)↓ΔGs(H+)

Scheme2 質子交換法:

↑-ΔGs(C5H8N3O+)↑-ΔGs(C4H5N3O)↓ΔGs(C5H7N3O2)↓ΔGs(C4H6N3O+)

Scheme3采用經(jīng)驗值法計算5-HMeCyt質子化異構體的pKa值:

(1)

pKa=ΔG(aq)/(2.303RT)

(2)

Scheme4采用質子交換法計算5-HMeCyt質子化異構體的pKa值:

(3)

pKa=ΔG(aq)/(2.303RT)+pKa(C4H6N3O+)

(4)

1.2 質子交換法[18]

表1 氣相自由能Gg、吉布斯自由能校正值GZEP、自由能在水溶液中變化值ΔGaq(a.u.)及pKa值

注:aCPCM and PCM,B3LYP/6-311++G(d,p)+ZPE；SP-CPCM and SP-PCM,B3LYP/aug-cc-pVTZ//B3LYP/6-31G(d,p)+ZPE.

2 結果與討論

本文利用上述兩種熱力學循環(huán)方法計算出質子化5-HMeCyt在水溶液中的pKa值.

比較經(jīng)驗值法采用不同模型計算出5-HMeCyt不同位點質子化異構體的pKa值，發(fā)現(xiàn)不同位點質子化異構體的pKa值由N4、O2、N3依次增大，說明5-HMeCyt不同位點質子化異構體的pKa值存在顯著差別.在PCM模型下，5-HMeCyt對計算方法的依賴較小.在CPCM模型下采用B3LYP/6-311++G(d,p)+ZPE與B3LYP/aug-cc-pVTZ方法計算的結果偏差較大.

采用質子交換法運用不同計算方法對5-HMeCyt的N3位質子化異構體pKa值的計算結果表明，在相同計算方法下采用CPCM和PCM模型計算結果存在較大偏差.

3 結論

本文通過密度泛函理論、溶劑化模型和兩種熱力學循環(huán)方案對5-HMeCyt不同位點的pKa值進行了詳細計算研究，得出以下結論：(1)5-HMeCyt不同位點的pKa值具有顯著差別；(2)在PCM模型下5-HMeCyt不同位點pKa值對計算方法的依賴性較小，而CPCM模型對計算方法依賴性較大.

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[責任編輯 馬云彤]

Theoretical Research on pKa Value of the 5-Hydroxymethylcytosine

JIN Ling-xia1, MIN Suo-tian1, WANG Zhi-yin1, ZHAO Meng-ting1, REN Hong-jiang2

(1. College of Chemistry and Environmental Science, Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723001, China; 2. School of Chemical Engineering, Xi’an University, Xi’an 710065, China)

The protonated pKa values in different positions of O2, N3, N4 for 5-hydroxymethylcytosine (5-HMeCyt) are calculated by adopting two different dynamic cycle schemes at the B3LYP/6-311++G(d, p)+ZPE and B3LYP/aug-cc-pVTZ//B3LYP/6-311++G(d, p)+ZPE level, which consider the effect of the PCM and CPCM models. The results show that the protonated pKa value is the largest in the N3 position of the 5-HMeCyt by the empirical value method. The results of CPCM model greatly depend on the calculation method when taking the N3 position of cytosine as reference by the proton exchange method.

B3LYP; the 5-methylcytocine; cytosine; the 5-hydroxymethylcytosine

1008-5564(2016)04-0053-04

2016-03-24

陜西理工學院科研基金資助項目(SLGQD14-10)

靳玲俠(1981—)，女，陜西大荔人，陜西理工學院化學與環(huán)境科學學院講師，博士，主要從事生物小分子反應機理的理論研究.

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