牟永曉 曹建平 陳媛媛 衛(wèi) 濤 王朝杰

(溫州醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院，溫州 325035)

0 引 言

隨著核能事業(yè)的高速發(fā)展，人類對(duì)能源的需求量與日俱增，其中以鈾(U)為基礎(chǔ)的核能發(fā)電占比越來越大，隨之產(chǎn)生的核廢料也在不斷增加。核廢料具有成分復(fù)雜、化學(xué)毒性和放射性強(qiáng)以及半衰期長(zhǎng)達(dá)數(shù)十萬年的特性，因此如何安全轉(zhuǎn)化和處置核廢料，同時(shí)如何防范核泄漏等問題一直備受關(guān)注。但是，目前對(duì)鈾生物毒性的化學(xué)機(jī)制認(rèn)識(shí)遠(yuǎn)不如放射性機(jī)制，而DNA是生命體系中儲(chǔ)存和傳遞遺傳信息最重要的分子，鈾酰離子(UO22+)是鈾在水體環(huán)境中最穩(wěn)定的存在形式，且在六價(jià)錒酰陽(yáng)離子中尤為突出，故對(duì)鈾酰離子與DNA片段相互作用的研究對(duì)理解鈾酰離子在生物環(huán)境中的遷移以及合成對(duì)鈾酰有較高絡(luò)合能力的功能核酸分子具有重要的意義。

至今針對(duì)鈾酰離子對(duì)DNA分子結(jié)構(gòu)及正常生理功能影響的研究已廣為報(bào)道。研究顯示，鈾在生物體內(nèi)的化學(xué)毒性遠(yuǎn)大于其放射性毒性，低濃度下鈾酰離子可引起生物毒性并造成DNA和多肽結(jié)構(gòu)的氧化損傷[1]。朱壽彭[2]等發(fā)現(xiàn)濃縮鈾(尤其是可溶性的UO2F2)可誘發(fā)精原細(xì)胞染色體斷片，并隨著攝入量的增加，染色體斷片發(fā)生率隨之增高，濃縮鈾還可誘發(fā)初級(jí)精母細(xì)胞染色體畸變和精子DNA鏈斷裂。Nielsen課題組[3]在420 nm可見光條件下，發(fā)現(xiàn)UO22+能催化單鏈DNA產(chǎn)生缺口，其機(jī)制是UO22+與脫氧核苷酸的磷酸基團(tuán)結(jié)合進(jìn)而破壞了DNA結(jié)構(gòu)的完整性。除了鈾酰離子對(duì)DNA分子正常生理功能影響的研究，近年來功能核酸也廣泛應(yīng)用于環(huán)境水體中鈾元素的檢測(cè)。李弘楊等[4]報(bào)道了基于鈾酰離子特異性脫氧核酶的熒光分光光度法檢測(cè)鈾酰離子。Tang[5]等利用二茂鐵修飾的脫氧核酶通過電化學(xué)檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)鈾酰離子的檢測(cè)。相比于實(shí)驗(yàn)研究，國(guó)內(nèi)外對(duì)鈾酰離子與DNA基本結(jié)構(gòu)單元作用體系的理論計(jì)算研究仍然較少[6-7]，兩者具體如何發(fā)生作用還待細(xì)究。

有關(guān)核酸分子結(jié)構(gòu)單元的理論計(jì)算研究主要集中在其與主族和過渡金屬離子的相互作用[8-9]。Mohamadi[7]等首先對(duì)化學(xué)合成的[UO2(L)(DMSO)2](L為芳酰席夫堿)進(jìn)行了表征，并結(jié)合分子對(duì)接方法對(duì)該化合物與鮭魚精子DNA的相互作用進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)該化合物與DNA親和力強(qiáng)，有部分嵌入到了DNA雙鏈小溝中。Terron[10]等報(bào)道了金屬銀與5′-單磷酸胞苷配合物的X射線固態(tài)表征，同時(shí)采用M06-2X方法計(jì)算了銀與胞嘧啶的相互作用性質(zhì)。李振彰[11]等應(yīng)用B3LYP方法研究了鉻(Cr)金屬團(tuán)簇與堿基相互作用體系，發(fā)現(xiàn)鉻團(tuán)簇與堿基環(huán)上氮原子及氧原子結(jié)合形成的鉻-堿基復(fù)合物較為穩(wěn)定。張淑琴[12]在B3LYP/6-311++G**(LANL2DZ)水平詳細(xì)探討了Cu2+與胞嘧啶(鳥嘌呤)核苷分子相互作用體系的空間構(gòu)型及其穩(wěn)定性，研究表明Cu2+易于與胞苷分子以共價(jià)作用形成配位鍵，當(dāng)形成四配位鍵且結(jié)構(gòu)處于同一平面時(shí)較為穩(wěn)定。

本文應(yīng)用密度泛函理論方法M06-2X[13]結(jié)合不同的有效核勢(shì)(effective core potential，ECP)，計(jì)算了系列由4種單磷酸脫氧核苷酸(deoxynucleotide monophosphate，dNMP)與鈾酰離子在水溶液中形成的配離子結(jié)構(gòu)，探索其紅外振動(dòng)光譜和電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)，并考察4種dNMP與鈾酰離子的相互作用特征。

1 計(jì)算方法

采用明尼蘇達(dá)系列泛函中的M06-2X計(jì)算水合鈾酰離子與脫氧核苷酸分子的相互作用體系，該泛函對(duì)計(jì)算非共價(jià)結(jié)合配合物的相互作用能、熱化學(xué)能和異構(gòu)化能等性質(zhì)性能較佳[14-17]，已有較多研究使用該泛函計(jì)算鈾酰離子配合物[18-21]。計(jì)算中對(duì)鈾原子分別采用Stuttgart RLC ECP的“大核勢(shì)”贗勢(shì)基組[22]和ECP60MWB-SEG價(jià)層基組[23]，對(duì)其它原子(H、C、N、O 和 P)采用 6-31++G(d，p)基組。其中 RLC ECP 對(duì)鈾內(nèi)層電子 1s～5s、2p～5p、3d～5d 和 4f共 78 個(gè)電子做凍芯處理，外層14個(gè)電子(5f36s26p66d17s2)做價(jià)電子處理，ECP60MWB-SEG則對(duì)鈾內(nèi)層60個(gè)電子做凍芯處理，外層的32個(gè)電子(5s25p65d105f36s26p66d17s2)為價(jià)層電子。應(yīng)用Gaussian16[24]程序?qū)λ镶欟Ｃ撗鹾塑账崤潆x子體系[UO2(dNMP)(H2O)3]2+進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和振動(dòng)頻率計(jì)算，解析頻率結(jié)果顯示無任何虛頻，表明計(jì)算所得構(gòu)型穩(wěn)定。應(yīng)用Multiwfn3.6程序[25]對(duì)配離子U-dNMP和U-OH2鍵臨界點(diǎn)進(jìn)行QTAIM[26](quantum theory of atoms in molecules)拓?fù)浞治?，并通過原子電荷和分子軌道成分分析探討了在配位前后各片段的電荷轉(zhuǎn)移以及配離子的軌道組成和能級(jí)分布情況，根據(jù)Lu等[27]研究結(jié)果，使用6-31G(d，p)結(jié)合小核勢(shì)基組進(jìn)行波函數(shù)計(jì)算分析。采用極化連續(xù)介質(zhì)模型(polarized continuum model，PCM)[28]模擬水溶液對(duì)結(jié)構(gòu)的溶劑效應(yīng)。

2 結(jié)果與討論

2.1 水合鈾酰脫氧核苷酸配離子的結(jié)構(gòu)性質(zhì)

根據(jù)堿基的不同，有脫氧腺苷酸(dAMP)、脫氧胸苷酸(dTMP)、脫氧鳥苷酸(dGMP)和脫氧胞苷酸(dCMP)共4種脫氧核苷酸。自然界游離脫氧核苷酸中，磷酸最常見是位于戊糖的C-5′上，故本文主要以 5′-脫氧核苷酸(5′-dNMP)配位進(jìn)行分析，其化學(xué)結(jié)構(gòu)式如圖1所示。鑒于脫氧核苷酸分子柔性較大，空間效應(yīng)明顯，首先用GaussView 6.0[29]程序中GMMX分子構(gòu)象搜索模塊分別篩選出 4種5′-dNMP的最低能量構(gòu)象，并在M06-2X/6-31++G(d，p)水平對(duì)水溶液中4種脫氧核苷酸的優(yōu)勢(shì)構(gòu)象進(jìn)行優(yōu)化和振動(dòng)頻率計(jì)算，其結(jié)構(gòu)繪于支持信息圖S1。從圖S1中發(fā)現(xiàn)磷酸基團(tuán)P=O鍵均與堿基環(huán)上和戊糖相連的氮原子鄰位的C-H鍵中氫原子形成了P=O…H氫鍵，其鍵長(zhǎng)范圍在0.218 6～0.227 6 nm，同時(shí)磷酸基團(tuán)羥基與戊糖環(huán)氧原子(Os)形成了長(zhǎng)約0.194 5～0.198 1 nm 的 O-H…Os鍵 (除了 5′-dGMP結(jié)構(gòu))。與其它3種脫氧核苷酸不同的是，5′-dGMP分子磷酸基團(tuán)上P=O鍵和羥基分別與鳥嘌呤氨基氫(N11-H鍵)和N3原子作用形成了距離為0.190 1和0.166 6 nm的氫鍵。由于5′-dNMP中磷酸基團(tuán)(H2PO4-)的p Ka值為7.20，在水溶液中幾乎不發(fā)生電離，主要以分子形態(tài)存在，故本文以中性的5′-dNMP進(jìn)行計(jì)算。

在錒酰陽(yáng)離子赤道平面配位的配體數(shù)量一般取決于配位鍵性質(zhì)和配體的空間體積，以配體與鈾原子作用形成四齒至六齒配位的結(jié)構(gòu)最為常見[30-34]。5′-dNMP結(jié)構(gòu)中磷酸基團(tuán)、戊糖環(huán)羥基和堿基3個(gè)部分均可與鈾酰離子配位形成多種不對(duì)稱性配離子，同時(shí)5′-dNMP分子的柔性和空間效應(yīng)較強(qiáng)，因此本文對(duì)一分子脫氧核苷酸與三水合鈾酰離子配位的結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算討論。采用M06-2X/6-31++G**(RLC ECP)和 M06-2X/6-31++G**(ECP60MWB-SEG)兩 種水平計(jì)算配離子結(jié)構(gòu)[UO2(dNMP)(H2O)3]2+，以M06-2X/6-31++G**(ECP60MWB-SEG)水平計(jì)算得到的吉布斯自由能由低到高的順序，依次編號(hào)為UdN-j(dN代表 4 種 5′-dNMP，分別記為 dA、dT、dG 和 dC，j=1～5)。共計(jì)算得到4種UdA穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，5種UdT結(jié)構(gòu)，4種UdG結(jié)構(gòu)，4種UdC結(jié)構(gòu)，2種水平計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)和能量數(shù)據(jù)如圖S2和表S1所示。下文的分析討論中括號(hào)內(nèi)數(shù)值為M06-2X/6-31++G**(ECP60MWB-SEG)水平的計(jì)算結(jié)果。

圖1 四種單磷酸脫氧核苷酸(5′-dNMP)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic structures of the four kinds of deoxynucleotide monophosphate(5′-dNMP)

脫氧核苷酸與三水合鈾酰離子的配位形式主要有4種情況：第一種是磷酸基團(tuán)P=O鍵與鈾原子形成的單齒配位， 如結(jié)構(gòu) UdA-1、UdG-1、UdC-1和UdT-3，我們發(fā)現(xiàn)在所有配離子中以該配位類型作用形成的結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定(除了UdT體系)。第二種是堿基環(huán)上原子參與的配位，結(jié)構(gòu)UdA-2是氮原子與鈾原子作用形成的單齒配位，其中2個(gè)水分子分別與磷酸基團(tuán)的羥基和堿基環(huán)上的氨基發(fā)生了弱相互作用。UdT-1、UdT-2、UdG-2和UdC-2結(jié)構(gòu)是羰基氧與鈾原子作用形成的單齒配位，發(fā)現(xiàn)羰基氧與鈾原子的作用距離比U-OH2配位鍵稍短。第三種是戊糖環(huán)C-3′位羥基氧(O3′)與鈾酰離子作用形成的單齒配位，如結(jié)構(gòu) UdA-3、UdT-4、UdG-3 和 UdC-3，羥基氧與鈾原子的作用距離比水分子與鈾原子的作用距離稍長(zhǎng)。第四種是磷酸基團(tuán)上2個(gè)羥基氧均與鈾酰離子作用形成的雙齒配位，如結(jié)構(gòu)UdA-4、UdT-5、UdG-4和UdC-4，其配位鍵距離同樣比U-OH2配位鍵長(zhǎng)。與其它3種體系不同的是，UdT體系最穩(wěn)定構(gòu)型是以堿基環(huán)上的O4原子與鈾酰離子配位(UdT-1)，而磷酸基團(tuán)P=O鍵作用結(jié)構(gòu)(UdT-3)的吉布斯自由能比UdT-1結(jié)構(gòu)高15.4(9.9)kJ·mol-1。2種計(jì)算水平得到的構(gòu)型相對(duì)吉布斯自由能順序大致相同。為比較4種脫氧核苷酸與鈾酰離子配位行為的差異，下文對(duì)5′-dNMP中磷酸基團(tuán)P=O鍵與中心鈾原子配位的配離子結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)討論。

優(yōu)化得到的四水合鈾酰離子及UdN體系在水溶液中的結(jié)構(gòu)如圖2所示(以M06-2X/6-31++G**(ECP60MWB-SEG)水平下優(yōu)化構(gòu)型為例)，幾個(gè)關(guān)鍵的鍵長(zhǎng)和鍵角參數(shù)列于表1中。計(jì)算得到四水合鈾酰離子U=O鍵和U-OH2配位鍵的平均鍵長(zhǎng)分別為0.169 8(0.172 6)nm和0.251 6(0.243 2)nm，結(jié)構(gòu)中水分子排列類似于“梯形”，與孫曉玲[35]采用M06-2X/6-311++G**(RLC ECP)水平計(jì)算得到的水溶液中UO2(H2O)42+構(gòu)型一致，其U=O鍵和U-OH2配位鍵長(zhǎng)分別為0.169 4和0.255 7 nm，與本文計(jì)算值相接近。 Cao[36]等采用 B3LYP/RLC ECP和 MP2/RLC ECP計(jì)算水平得到水溶液中四水合鈾酰離子U=O鍵長(zhǎng)分別為0.174 0和0.177 4 nm，U-OH2鍵鍵長(zhǎng)分別為0.239 7和0.238 2 nm，與本文在大核勢(shì)下的計(jì)算結(jié)果相差較大，可能是由于密度泛函方法選取不同。在ECP60MWB-SEG基組水平下的計(jì)算結(jié)果與通過X光吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜(EXAFS)實(shí)驗(yàn)方法[37]測(cè)得的U=O鍵0.176 0 nm、U-OH2鍵0.241 0 nm符合較好，表明應(yīng)用小核勢(shì)基組計(jì)算鈾酰離子脫氧核苷酸體系是較為合適的。

圖2 在M06-2X/6-31++G**(ECP60MWB-SEG)水平水合鈾酰脫氧核苷酸配離子在水溶液中的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structures of hydrated deoxynucleotides coordination uranyl ions in aqueous phase obtained from the M06-2X/6-31++G**(ECP60MWB-SEG)level

表1 水合鈾酰脫氧核苷酸配離子在兩種水平上的結(jié)構(gòu)參數(shù)，括號(hào)中為M06-2X/6-31++G**(ECP60MWB-SEG)方法的計(jì)算結(jié)果Table 1 Equilibrium structure parameters of hydrated deoxynucleotides coordination uranyl ions at the M06-2X/6-31++G**(RLC ECP)and M06-2X/6-31++G**(ECP60MWB-SEG)levels,the results of the M06-2X/6-31++G**(ECP60MWB-SEG)are in parentheses

對(duì)采用ECP60MWB-SEG贗勢(shì)基組的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，我們發(fā)現(xiàn)UdN體系中一水分子均傾向于與脫氧核苷酸配體發(fā)生協(xié)同作用。4種配離子的U=O鍵長(zhǎng)值較接近，最大相差不超過0.000 7 nm，平均鍵長(zhǎng)為0.173 0 nm，與UO2(H2O)42+的U=O鍵長(zhǎng)相比有伸長(zhǎng)趨勢(shì)。而U-OdNMP鍵鍵長(zhǎng)有所不同，最大差值為0.003 9 nm，配離子U-OdNMP鍵長(zhǎng)按照UdA-1(0.237 9 nm)＞UdG-1(0.237 8 nm)＞UdC-1(0.237 0 nm)＞UdT-3(0.234 0 nm)的順序遞減。 文獻(xiàn)[38]采用B3LYP/6-31++G*(RSC ECP)方法計(jì)算水溶液中三水合鈾酰氨甲酰磷酰胺酸配合物體系[UO2(CPO)(H2O)3]2+，配合物結(jié)構(gòu)中U-OP鍵長(zhǎng)0.238 0 nm，與本文在小核勢(shì)基組水平得到的配離子結(jié)構(gòu)U-OdNMP鍵鍵長(zhǎng)相接近。優(yōu)化得到U-OH2鍵長(zhǎng)在0.246 9～0.253 5 nm范圍內(nèi)，這一距離在已報(bào)道的水合鈾酰配合物UOH2距離范圍內(nèi)[39-42]，計(jì)算結(jié)果顯示UdT-3配離子的U-OH2鍵最長(zhǎng)，UdC-1配離子的U-OH2鍵最短。4種配離子的O=U=O角度在171.3°～177.0°之間，近似為線形結(jié)構(gòu)，以UdA-1配離子的O=U=O鍵角最小。對(duì)兩種基組水平的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，ECP60MWB-SEG基組計(jì)算U=O鍵長(zhǎng)比RLC ECP基組計(jì)算值長(zhǎng)約0.002 8 nm，但配位鍵鍵長(zhǎng)比RLC ECP基組計(jì)算值短，表明在ECP60MWB-SEG基組下配位鍵合更強(qiáng)，與辜家芳等[43]分別通過大核和小核有效贗勢(shì)基組計(jì)算環(huán)辛四烯與金屬鈾有機(jī)配合物的結(jié)果相一致。

2.2 水合鈾酰脫氧核苷酸配離子的能量分析

為了分析比較4種配離子穩(wěn)定性及脫氧核苷酸與水合鈾酰離子的結(jié)合強(qiáng)度，并考察形成配離子前后脫氧核苷酸由于形變所產(chǎn)生的能量變化。我們分別計(jì)算了UdN體系的總結(jié)合能(ETotal)，脫氧核苷酸的變形能(ED)，計(jì)算公式如下：

表2 水合鈾酰脫氧核苷酸配離子在兩種水平上的結(jié)合能和變形能Table 2 Binding energies and deforming energies of hydrated deoxynucleotides coordination uranyl ions at the M06-2X/6-31++G**(RLC ECP)and M06-2X/6-31++G**(ECP60MWB-SEG)levels

除了總結(jié)合能，UdT-3結(jié)構(gòu)的單結(jié)合能也較其它3種配離子的低，這是由于UdT-3結(jié)構(gòu)中的一分子水與磷酸的羥基氧作用形成氫鍵，而另3種配離子中一分子水是與堿基環(huán)上氮原子和(或)戊糖環(huán)氧原子作用形成了氫鍵，前者形成的氫鍵強(qiáng)度相對(duì)較弱。對(duì)比2種贗勢(shì)基組的計(jì)算結(jié)果，ECP60MWBSEG基組計(jì)算的配離子單結(jié)合能數(shù)值均比RLC ECP基組的計(jì)算值大，與前文U-dNMP配位鍵鍵長(zhǎng)計(jì)算結(jié)果相對(duì)應(yīng)，同時(shí)2種計(jì)算水平得到的單結(jié)合能強(qiáng)弱順序是一致的，按照UdC-1＞UdG-1＞UdA-1＞UdT-3的順序依次減弱。變形能數(shù)值最小是5′-dAMP，說明5′-dAMP在形成配離子后構(gòu)型變化最小。比較不同配位類型的總結(jié)合能(表S1)，結(jié)果表明，磷酸基團(tuán)P=O參與配位時(shí)，配離子總結(jié)合能最大，而當(dāng)磷酸基團(tuán)上雙羥基氧進(jìn)行配位時(shí)，總結(jié)合能最小。

2.3 水合鈾酰脫氧核苷酸配離子的振動(dòng)光譜

UdN體系的紅外光譜模擬圖如圖3所示，圖中標(biāo)注了 U=O 鍵對(duì)稱(νss)和反對(duì)稱(νas)伸縮振動(dòng)頻率及P=O鍵的伸縮振動(dòng)頻率。例如在ECP60MWBSEG贗勢(shì)基組下，UdA-1結(jié)構(gòu)970和1 021 cm-1處吸收峰分別歸屬于U=O鍵的對(duì)稱和反對(duì)稱伸縮振動(dòng)，1 223 cm-1處吸收峰歸屬于P=O鍵的伸縮振動(dòng)。U=O鍵反對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰強(qiáng)度明顯高于對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰強(qiáng)度，與文獻(xiàn)[36]報(bào)道的結(jié)果一致。計(jì)算得到在ECP60MWB-SEG基組下四水合鈾酰離子U=O鍵對(duì)稱和反對(duì)稱振動(dòng)頻率分別為1 004和1 050 cm-1，文獻(xiàn)[48-49]應(yīng)用EXAFS方法測(cè)定五水合鈾酰離子U=O鍵對(duì)稱和反對(duì)稱振動(dòng)頻率分別為869和965 cm-1，比本文計(jì)算值分別低了135和85 cm-1，其原因是理論方法的不同會(huì)對(duì)頻率計(jì)算造成系統(tǒng)性偏差，同時(shí)隨著鈾酰赤道面配體數(shù)的增加，U=O鍵伸縮振動(dòng)頻率逐漸減弱[6]。

圖3 水合鈾酰脫氧核苷酸配離子在兩種水平上的紅外光譜圖Fig.3 Infrared spectra of hydrated deoxynucleotides coordination uranyl ions at the M06-2X/6-31++G**(RLC ECP)and M06-2X/6-31++G**(ECP60MWB-SEG)levels

與四水合鈾酰離子U=O鍵的伸縮振動(dòng)頻率相比，UdN體系中U=O鍵伸縮振動(dòng)頻率均發(fā)生紅移，以UdA-1配離子變化程度最大，對(duì)稱和反對(duì)稱伸縮振動(dòng)頻率分別紅移了34和29 cm-1。4種配離子U=O鍵的對(duì)稱伸縮振動(dòng)頻率按照UdA-1(970 cm-1)＜UdC-1(980 cm-1)＜UdG-1(982 cm-1)＜UdT-3(991 cm-1)的順序遞增，表明對(duì)應(yīng)U=O鍵變強(qiáng)，鍵長(zhǎng)逐漸減小，與上文給出的鍵長(zhǎng)結(jié)果相對(duì)應(yīng)。文獻(xiàn)[50]表明U=O鍵的振動(dòng)頻率紅移程度越大，則配合物穩(wěn)定性越強(qiáng)，結(jié)合前文結(jié)合能分析，我們得到的結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)論一致。與自由狀態(tài)下5′-dNMP的振動(dòng)頻率值(表S2)相比，形成配離子后P=O鍵的振動(dòng)頻率均發(fā)生紅移，紅移范圍在20～61 cm-1間，表明P=O鍵強(qiáng)度減弱，其中UdA-1配離子的P=O鍵紅移程度最大，紅移最小的是UdC-1配離子。2種計(jì)算水平的結(jié)果表明，RLC ECP基組下計(jì)算得到的紅外振動(dòng)頻率值稍大于ECP60MWB-SEG贗勢(shì)基組下的計(jì)算結(jié)果。

2.4 電子密度拓?fù)浞治?/h3>

為進(jìn)一步分析配離子中U-OdNMP和U-OH2配位鍵性質(zhì)和強(qiáng)度，我們對(duì)其進(jìn)行QTAIM分析。根據(jù)QTAIM理論[26]，2個(gè)相互作用原子之間會(huì)有一鍵臨界點(diǎn)(BCP)，它是電子密度曲線上的鞍點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于電子對(duì)電子密度的最小值。當(dāng)BCP處的電子密度ρ(r)大于0.2且拉普拉斯電子密度▽2ρ(r)小于0時(shí)，說明該配位鍵具有共價(jià)鍵性質(zhì)(開殼層作用)，反之當(dāng)ρ(r)小于0.2且▽2ρ(r)大于0時(shí)，該配位鍵具有離子鍵性質(zhì)(閉殼層作用)。表3為采用2種計(jì)算水平得到的U-OdNMP和U-OH2配位鍵在鍵臨界點(diǎn)處的電子密度和電子密度拉普拉斯值。以ECP60MWB-SEG贗勢(shì)基組計(jì)算結(jié)果為例，UdN體系中U-OdNMP鍵在BCP處的 ρ(r)和▽2ρ(r)分別在 0.061～0.066 和 0.258～0.288范圍內(nèi)，U-OH2鍵在 BCP 處的 ρ(r)和▽2ρ(r)分別在0.045～0.053 和 0.177～0.208 范圍內(nèi)，說明 U-OdNMP和U-OH2配位鍵具有離子鍵性質(zhì)。U-OdNMP鍵臨界點(diǎn)參數(shù)值均比U-OH2鍵的參數(shù)值大，表明5′-dNMP與鈾原子的作用鍵強(qiáng)度大于水分子與鈾原子的作用鍵強(qiáng)度。與四水合鈾酰離子U-OH2鍵的臨界點(diǎn)參數(shù)值相比，形成配離子后U-OH2鍵各參數(shù)值均減小，表明U-OH2配位鍵有減弱趨勢(shì)。2種水平的計(jì)算結(jié)果的定量差異也較為明顯，在RLC ECP基組下計(jì)算的臨界點(diǎn)參數(shù)值偏小。

2.5 電荷轉(zhuǎn)移分析

為考察形成配離子后各片段的電荷轉(zhuǎn)移變化情況，我們將UdN體系分為3個(gè)片段(鈾酰離子、脫氧核苷酸和水分子)進(jìn)行Mulliken電荷分析。在2種計(jì)算水平下鈾酰離子和配體所帶的Mulliken電荷于表4中列出。

自由狀態(tài)下鈾酰離子所帶電荷為2.000，具較強(qiáng)的吸電子能力，可吸引配體向其轉(zhuǎn)移電子。從表4中可以看出，在配位前后，鈾酰離子電荷減少的同時(shí)配體片段電荷有所增加。文獻(xiàn)[36]采用B3LYP/RLC ECP和MP2/RLC ECP水平計(jì)算得到水溶液中四水合鈾酰離子 UO22+的Mulliken電荷分別為 1.150和1.440，本文對(duì)應(yīng)的計(jì)算值在上述2種水平范圍內(nèi)。比較ECP60MWB-SEG贗勢(shì)基組計(jì)算結(jié)果，顯示UdA-1中鈾酰離子片段帶有最少的正電荷，UdC-1配離子次之，表明5′-dAMP和水分子向中心鈾酰離子轉(zhuǎn)移電子數(shù)最多，共為0.822，而鈾酰離子所帶電荷數(shù)最多的是UdT-3配離子，表明5′-dTMP和水分子向鈾酰離子片段轉(zhuǎn)移電子數(shù)最少，共為0.767，與前文配離子的總結(jié)合能結(jié)果相一致，說明配體與鈾酰離子之間轉(zhuǎn)移電子數(shù)越多，配離子結(jié)合強(qiáng)度越大。5′-dNMP失去的電子數(shù)比水分子片段失去的電子數(shù)多(0.138～0.235)，表明 5′-dNMP 更容易轉(zhuǎn)移電子，形成的U-OdNMP配位鍵亦較強(qiáng)。比較2種水平的計(jì)算結(jié)果，RLC ECP基組下計(jì)算得到的配體間電子轉(zhuǎn)移數(shù)較多。

表4 水合鈾酰脫氧核苷酸配離子中各配體在兩種水平上的Mulliken電荷Table 4 Mulliken charges of each ligand in hydrated deoxynucleotides coordination uranyl ions at the M06-2X/6-31G**(RLC ECP)and M06-2X/6-31G**(ECP60MWB-SEG)levels

2.6 前線分子軌道分析

圖4為UdN體系的前線分子軌道能級(jí)圖，圖中Δε表示最高占據(jù)軌道和最低空軌道的能級(jí)差，表5為使用Mulliken方法計(jì)算得到體系原子對(duì)前線分子軌道的貢獻(xiàn)結(jié)果。下文中將最高占據(jù)軌道HOMO簡(jiǎn)寫為H，最低空軌道LUMO簡(jiǎn)寫為L(zhǎng)。結(jié)合圖4和表5可知，4種配離子的高占據(jù)軌道H～H-1主要為堿基或戊糖環(huán)貢獻(xiàn)。對(duì)于H-1軌道，UdA-1中是堿基環(huán)上N1、N3和C5原子各自的2p軌道形成的離域π鍵，其中N1、N3和C5原子2p殼層的貢獻(xiàn)分別為28.6%、14.6%和12.3%。UdC-1配離子H-1軌道與UdA-1類似，同為堿基環(huán)上原子的貢獻(xiàn)。UdT-3和UdG-1配離子中戊糖環(huán)氧原子(Os)和C-3′位羥基氧(O3′)原子2p殼層對(duì)H-1軌道有主要貢獻(xiàn)，后者鳥嘌呤環(huán)上N9原子的2p殼層對(duì)此分子軌道也有少量貢獻(xiàn)。再如4種配離子的H軌道，主要對(duì)應(yīng)堿基環(huán)上雙鍵碳原子2p殼層形成的π鍵，同時(shí)N或O原子的2p殼層也有不同程度的貢獻(xiàn)。4種配離子的L～L+5分子軌道基本屬于U(5f)軌道(圖S3)，且配離子的軌道圖形類似 (除了UdT-3結(jié)構(gòu))，L～L+1和 L+2～L+3 分別對(duì)應(yīng)為 U(5f啄)和 U(5fφ)軌道，L+4～L+5軌道描述的是U(5fπ)與軸向氧原子的2p軌道作用成鍵， 而UdT-3結(jié)構(gòu)中 L+1～L+3為 U(5fφ)軌道。有研究顯示[51-52]，錒系?；x子(AnO22+)鍵合作用中5f軌道成分愈多，錒酰離子軸則愈趨近于線形，而本文計(jì)算的UdA-1配離子O=U=O鍵角變化最大，可能與該結(jié)構(gòu)中U(5f)軌道總貢獻(xiàn)量最少有關(guān)。UdG-1配離子HOMO-LUMO軌道能級(jí)差最小，為5.51 eV，UdC-1軌道能級(jí)差最大。

圖4 在M06-2X/6-31G**(ECP60MWB-SEG)水平上水合鈾酰脫氧核苷酸配離子的部分前線分子軌道能級(jí)圖，軌道等值面為0.04Fig.4 Partial frontier molecular orbitals energy level diagrams of hydrated deoxynucleotides coordination uranyl ions at the M06-2X/6-31G**(ECP60MWB-SEG)level，and the orbital isovalue is set to 0.04

表5 在M06-2X/6-31G**(ECP60MWB-SEG)計(jì)算水平水合鈾酰脫氧核苷酸配離子中前線分子軌道的組成Table 5 Contribution of hydrated deoxynucleotides coordination uranyl ions to frontier molecular orbitals at the M06-2X/6-31G**(ECP60MWB-SEG)level

3 結(jié) 論

運(yùn)用密度泛函理論方法M06-2X在2種 相對(duì)論有效勢(shì)和 6-31++G(d，p)基組水平研究了[UO2dNMP(H2O)3]2+配合物。對(duì)幾何結(jié)構(gòu)、振動(dòng)光譜、結(jié)合能、電子密度拓?fù)鋮?shù)、原子電荷轉(zhuǎn)移及軌道成分等方面進(jìn)行了闡述，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：(1)應(yīng)用小核勢(shì)基組可以更好地描述鈾酰離子脫氧核苷酸體系的結(jié)構(gòu)特征。(2)脫氧核苷酸與三水合鈾酰離子存在4種穩(wěn)定配位方式，以磷酸基團(tuán)P=O鍵與中心鈾原子形成的單齒配位結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定 (除了UdT體系)。(3)4種配離子U=O鍵長(zhǎng)值相接近，但配位鍵距離有所不同。(4)能量分析表明，配離子的總結(jié)合能呈UdA-1＞UdC-1＞UdG-1＞UdT-3 的趨勢(shì)，5′-dAMP 的變形能最小，ECP60MWB-SEG基組計(jì)算的結(jié)合能均比RLC ECP基組計(jì)算值大。(5)紅外振動(dòng)光譜分析發(fā)現(xiàn)，配離子中U=O鍵和P=O鍵伸縮振動(dòng)頻率均發(fā)生紅移，且以UdA-1配離子變化程度最大。(6)QTAIM分析表明U-dNMP配位鍵具有離子鍵性質(zhì)，脫氧核苷酸與鈾原子的作用鍵強(qiáng)度大于水分子與鈾原子的作用鍵強(qiáng)度。(7)Mulliken電荷分析發(fā)現(xiàn)配體片段向鈾酰離子轉(zhuǎn)移了電子，且配體與鈾酰離子之間轉(zhuǎn)移電子數(shù)越多，形成的配離子結(jié)合強(qiáng)度越大。(8)分子軌道分析表明，高占據(jù)軌道貢獻(xiàn)主要來自脫氧核苷酸配體的π軌道，而低階空軌道基本為U的5f電子軌道，UdG-1配離子的HOMO-LUMO能級(jí)差最小。

鈾酰離子與脫氧核苷酸配合物的DFT計(jì)算研究結(jié)果將為我們進(jìn)一步拓展其它酰離子與更復(fù)雜的生物大分子如核酸片段或多肽結(jié)構(gòu)的作用體系奠定基礎(chǔ)。

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