理论研究8-氮杂鸟嘌呤自由基阳离子脱质子反应

王英辉 魏思敏 王康 徐蓉蓉 赵红梅

引用本文: 王英辉, 魏思敏, 王康, 徐蓉蓉, 赵红梅. 理论研究8-氮杂鸟嘌呤自由基阳离子脱质子反应[J]. 化学学报, 2020, 78(3): 271-278. doi: 10.6023/A19120435 shu
Citation:  Wang Yinghui, Wei Simin, Wang Kang, Xu Rongrong, Zhao Hongmei. A Theoretical Study of 8-Azaguanine Radical Cation Deprotonation[J]. Acta Chimica Sinica, 2020, 78(3): 271-278. doi: 10.6023/A19120435 shu

理论研究8-氮杂鸟嘌呤自由基阳离子脱质子反应

    通讯作者: 魏思敏, E-mail: weisimin@iccas.ac.cn; 赵红梅, E-mail: hmzhao@iccas.ac.cn
  • 基金项目:

    项目受国家自然科学基金(No.21705029)和陕西省高校科协青年人才托举计划(No.20190307)资助

摘要: 由于8-氮杂鸟嘌呤(8-AG)的氧化还原电势比鸟嘌呤(G)更低,所以单电子氧化嵌有8-AG的DNA后,空穴最终会被8-AG捕获形成8-氮杂鸟嘌呤自由基阳离子(8-AG·+).因为酸性的急剧增强,8-AG·+一般会发生脱质子反应.在本工作中,在M06-2X/6-31+G(d)理论水平,使用显性水分子和连续溶剂化模型模拟8-AG·+的溶剂化效应,对其脱亚氨基质子(N(1)-H)反应进行了研究.发现位于8-AG·+中N(1)-H、O(6)、N(2)-H附近以及在O(6)水分子附近稍微远离8-AG·+的4个水分子会对8-AG·+脱质子反应产生重要影响,质子从8-AG·+传递到溶液中具有方向性;最后,通过进一步在N(2)-H、N(3)、O(6)、N(7)和N(8)等位点附近添加水分子(9H2O)得到了更加精确的8-AG·+脱质子反应能垒(19.5 kJ/mol).

English

  • 核酸碱基类似物是一类重要的分子, 它们与正常的核酸碱基结构类似, 但是在光化学与光物理以及生物化学活性(致癌和抗肿瘤效应)等方面却有很大的差别[1~4]. 8-氮杂鸟嘌呤(8-Azaguanine, 简称8-AG)是一种重要的DNA碱基类似物, 当将鸟嘌呤碱基8号位上的碳原子用氮原子取代后形成, 结构如图 1所示.在生物学层面, 8-AG可以通过嵌入肿瘤细胞信使核糖核酸(mRNA)片段, 抑制肿瘤细胞蛋白质的合成[5, 6].在临床上, 8-AG已被成功应用于治疗急性白血病、子宫癌和乳腺癌等.此外, 有报道显示:在缺氧条件下, 只要有微摩尔量级一氧化氮(NO, 辐射增敏剂)的存在, γ-辐射2′-脱氧鸟苷单磷酸盐(dGMP)就会有2′-脱氧-8-氮鸟苷单磷酸盐生成(8-azadGMP); 进一步的γ-辐射质粒DNA后也会检测到8-azadGMP生成, 基于此他们推测:在缺氧条件下, NO引发的辐射增敏效应可能源于8-azadGMP等碱基类似物的生成[7].因此, 8-AG已受到各国科研工作者的广泛关注.但是目前对于氮杂嘌啉碱基的研究主要集中在其光物理性质的研究, 对于光化学反应的研究很少[8~10].

    图 1

    图 1.  单电子氧化(a) G; (b) 8-AG后G•+和8-AG•+脱质子反应
    Figure 1.  The deprotonation pathway of (a) G•+ and (b) 8-AG•+ after one-electron oxidation of G and 8-AG

    当将DNA分子暴露于电离辐射、光敏剂或者单电子氧化试剂如SO4-•等时, DNA分子会失去一个电子形成DNA自由基阳离子(空穴), 形成的空穴会沿着DNA链传递[11~16].因为在四个DNA碱基分子中, G碱基的氧化还原电势最低(G<A<C<T), 所以初始产生的DNA自由基阳离子最终会被G碱基捕获形成鸟嘌呤自由基阳离子(G•+)[17, 18].因为电子的损失使得G碱基中活性质子的酸性急剧增强, 所以G•+会首先发生脱质子反应形成G(-H)并进一步通过与O2等反应生成咪唑啉酮(imidazolone, 简称Iz)、噁唑酮(oxazolone, 简称Oz)等损伤产物, 或者当脱质子反应被轻微抑制时(pH<3.9或者处于DNA链中), G•+也可与水分子反应生成7, 8-二氢-8-氧鸟嘌呤(7, 8-dihydro-8-oxoguanine, 简称8-oxoG)等损伤产物, 从而造成DNA单电子氧化损伤[19~22].如果这些损伤不被移除, 最终可能加速细胞的衰老、死亡甚至导致癌症等疾病[23].因此了解单电子氧化DNA后形成的自由基阳离子的反应已被广泛关注.根据文献[24]报道, 当G碱基的8号位C被N取代形成8-AG后其氧化还原电势会降低, 所以单电子氧化包含有8-AG的DNA后, 空穴最终会被8-AG捕获形成8-AG自由基阳离子(8-AG•+).因此研究8-AG被单电子氧化后的反应本身就具有其生物学意义.

    在本工作中, 我们通过密度泛函M06-2X, 在6-31+G(d)理论水平上, 使用显性水分子与连续极化介质模型(PCM)模拟8-AG•+的微环境, 构建了8-AG•+脱质子反应模型——4H2O-PCM模型, 并在4H2O-PCM模型的基础上对不同位置的水分子在8-AG•+脱质子过程中的作用进行了研究.我们发现:在溶剂水分子帮助下的8-AG•+脱质子反应中, 脱质子位点N(1)—Ha附近须有4个水分子, 其中3个水分子与8-AG•+直接通过氢键发生作用, 分别位于8-AG•+中的N(1)—Ha、O(6)和N(2)—H附近, 第四个水分子必须位于8-AG•+中O(6)原子附近的水分子周围, 因为如果其位于N(2)—H附近的水分子周围后, N(1)—Ha将不会被传递到与8-AG•+有直接相互作用的第一水合层, 而是被N(1)和其附近水分子中的氧原子共享; 当我们在8-AG•+脱质子模型中将稍微远离8-AG•+的第四个水分子移除后, 8-AG•+将会发生一个分子内的质子转移反应, H+最终会从8-AG•+中的N(1)位点被转移到O(6)位点; 如果将位于N(2)—H附近的水分子移除, 虽然8-AG•+脱质子反应路径不会被影响, 但是脱质子反应的能垒会被影响.进一步的, 在另一个氨基质子N(2)—H附近添加第五个水分子后, 8-AG•+脱质子反应的过程和能垒都不被影响; 最后, 我们通过添加更多水分子(9H2O)以更加真实地模拟其微环境得到了8-AG•+脱质子反应的能垒为19.5 kJ/mol.

    对于DNA碱基自由基阳离子脱质子反应, 早期的DFT计算都是在气相中进行的.如Li等[25]在气相条件下用B3LYP/6-31+G*方法计算了碱基对G•+: C中的质子转移反应.他们发现碱基对G•+: C比G(-H): (H+)C更加稳定, 其能量值相差5.9 kJ/mol; 由此他们预言: G•+: C碱基对中位于G碱基上的亚氨基质子N(1)—H不能通过氢键转移到与之配对的C碱基上.然而, Li等的理论计算结果与相关的pKa分析结果以及G•+: C碱基对中质子转移反应很容易发生的实验现象不符.经过后期的研究发现:造成这种不一致的主要原因在于早期的计算忽略了溶剂分子的环境效应.当使用11个显性水分子来模拟碱基对G•+: C的水合环境时, DFT计算得到的G(-H): (H+)C能量比G•+: C低5.0 kJ/mol[26].这就很好地解释了之前的实验结果.由此可见, DNA分子体系的环境效应对于理论描述反应机理是至关重要的.基于这样的研究背景, 我们课题组在前期研究G•+在三链DNA中的降解反应以及G•+在G-四链体中的脱质子反应时, 充分考虑溶剂水分子对单电子氧化过程中形成的稳定中间体和损伤产物振动频率以及脱质子反应能垒的影响, 通过添加显性水分子模拟碱基分子附近的微环境, 并且结合极化连续介质模型(PCM)模拟远离碱基分子的环境, 最终取得了与实验结果完全一致的结果[19, 27].

    为了深入理解8-AG•+脱质子反应, 揭示溶剂水分子与8-AG•+相互作用机理, 我们使用密度泛函M06-2X方法[28]在6-31+G(d)基组水平下对这一过程进行了量子化学计算.之所以使用M06-2X密度泛函主要是因为: (1) M06-2X泛函已经被证明在计算包含自由基开壳层体系的构型及能量时可以取得较好的结果; (2)我们前期理论与实验研究G•+在G-四链体中的脱质子反应时, 使用M06-2X泛函建立的模型取得了与实验值相近的能垒[27, 29~31].溶剂化效应我们也通过添加显性水分子并且结合PCM模型来模拟.

    根据文献报道[32], 在G•+中, 亚氨基质子N(1)—H的pKa为3.9, 比氨基质子N(2)—H (4.7)小, 所以G•+主要脱掉亚氨基质子N(1)—H, 因此对于8-AG•+脱质子反应, 我们也主要探讨其脱N(1)—H的过程.我们前期在建立G-四链体中G•+脱质子反应模型时发现:影响G•+脱质子反应能垒的主要是位于脱质子位点附近的水分子[27].因此, 我们首先在8-AG•+中的亚氨基质子N(1)—H附近可能存在水分子的位置添加了四个水分子, 具体位置如图 2所示.因为亚氨基质子N(1)—H要从8-AG•+上脱到水溶液中必须要有质子受体, 所以水分子W1位于亚氨基质子N(1)—H附近; 随后我们在水分子W1附近添加了水分子W2和W3, 其中水分子W2不但与W1之间通过氢键作用, 还与8-AG•+中C(6)=O中的氧原子形成氢键, 而水分子W3位于水分子W1的另外一边, 与水分子W1通过氢键作用, 由于水分子W3中氧原子上还存在孤对电子, 所以可以与8-AG•+中环外氨基上的质子形成氢键; 此外, 因为质子从8-AG•+上脱下来后最终会被传到远离碱基分子的溶液中, 所以我们在稍微远离8-AG•+的位置添加了第四个水分子W4, W4只与水分子W2形成氢键, 而不与水分子W1和W3以及8-AG•+形成氢键, 水分子W4可以帮助水分子W2将脱掉的质子稳定在其附近, 如果没有W4, 质子将无法从8-AG•+上脱除(见下文).我们放置的4个水分子实际上都是位于8-AG•+附近, 这是因为我们主要关注质子从8-AG•+上转移到第一层水分子中的过程, 而对于质子从第一层水分子扩散到更外层水中的后续过程我们并没有进行讨论, 因为这一过程类似于已被广泛研究的纯水中的质子传递过程.

    图 2

    图 2.  4H2O-PCM模型中, 在M06-2X/6-31+G(d)理论水平上优化得到的8-AG•+脱质子过程中反应物(R)、过渡态(TS)以及产物(P)的结构和在M06-2X/6-311++G(d, p)理论水平上计算得到的相对能量(所有的能量都经过零点能校正, 并且以反应物的能量为零点进行校正; 其中碳、氧、氮和氢原子分别用灰色、红色、蓝色和白色小球表示)
    Figure 2.  Optimized structures and relative energies obtained at the M06-2X/6-31+G(d) and M06-2X/6-311++G(d, p) level, respectively, for 8-AG•+ deprotonation under the 4H2O-PCM model (all energies given are relative to the reactant complex. Carbon, oxygen, nitrogen and hydrogen atoms are denoted with gray, red, blue and white balls, respectively)

    在4H2O-PCM溶剂模型下, 我们优化了8-AG•+脱质子过程中的反应物、过渡态以及产物的结构, 并得到了每个结构所对应的相对能量, 构建了8-AG•+脱质子反应的势能面.如图 2所示.从图中可以看出被单电子氧化后的8-AG(8-AG•+)和4个H2O首先通过氢键形成了一个复合物R-4H2O-PCM.随着反应的进行, 8-AG•+中的N(1)—Ha键的键长逐渐变长, 从0.105 nm变到0.143 nm, 质子逐渐靠近水分子W1, N(1)—Ha与水分子W1中的氧原子距离从0.174 nm缩短到0.111 nm, 这促使水分子W1中与W2形成氢键的一个氢原子Hb逐渐远离W1, 而靠近W2中的氧原子, W1中氧原子与Hb以及Hb与W2中氧原子的键长分别从0.100 nm和0.167 nm变化到0.113 nm和0.130 nm, 最终形成过渡态TS-4H2O-PCM.在TS-4H2O-PCM结构中, Ha还未完全从8-AG•+的N(1)上脱离, Hb被水分子W1和W2共享.经过过渡态TS-4H2O-PCM后, Hb与水分子W2中氧原子的距离进一步减小至0.101 nm, 相应的W2中的O…Hc和O…Hd键长分别从0.100 nm和0.098 nm变化到0.102 nm和0.104 nm, 形成H3O+; 同时, Ha与8-AG•+中的N(1)距离进一步增大至0.182 nm, 相应的与水分子W1中的氧原子距离减小至0.099 nm最终形成共价键.至此, 8-AG•+中的亚氨基质子N(1)—Ha从N(1)原子上完全脱离, 形成脱质子产物8-AG(-H)(P-4H2O-PCM).为了确认势能面中正电荷(H+)在各物种上的分布, 我们做了自然键轨道(Natural Bond Orbital, 简称为NBO)分析.如表 1所示.在反应初始时刻, 质子几乎都分布在8-AG•+ (0.893 |e|), 周围水分子保持中性(0.104 |e|); 当形成过渡态分子时, 质子被周围的水分子W1和W2所共享, W1…H…W2所带电荷为0.763 |e|; 当形成脱质子产物时, 质子已经被转移到W2上(0.742 |e|), 形成H3O+.这一质子迁移路径, 清楚地描述了质子从8-AG•+上转移到第一层水的过程.考虑到质子在纯水中的迁移效率极高, 几乎无势垒[33, 34], 因此8-AG•+脱N(1)—Ha过程主要克服的势垒就是质子转移到第一层水的能垒, 从势能面中可以看出8-AG•+脱N(1)—Ha过程的能垒为24.8 kJ/mol.

    表 1

    表 1  4H2O-PCM模型下8-AG•+脱质子过程中各结构的电荷分布(|e|)
    Table 1.  Charge distribution (|e|) of species in 8-AG•+ deprotonation in 4H2O-PCM model
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    8-AG•+ W1 W1…H…W2 W2 W3 W4
    R 0.893 0.023 0.016 0.034 0.031
    TS 0.157 0.763 0.104 0.033 0.048
    P 0.12 0.035 0.742 0.025 0.081

    从势能面和NBO分析中我们注意到水分子W3和W4似乎并没有参与质子迁移过程.因此我们分别考察了水分子W3和W4对于8-AG•+脱质子反应的影响.首先, 我们通过建立3H2O-PCM-a模型考察了第二层水分子W4对8-AG•+脱质子反应的影响.在4H2O-PCM模型的基础上, 我们直接去掉稍微远离8-AG•+的水分子W4构建了3H2O-PCM-a模型, 势能面如图 3所示.在缺少水分子W4时, 在反应初始时刻8-AG•+也会和其附近的水分子(W1, W2和W3)形成一个复合物, 这与4H2O-PCM类似.随着反应的进行N(1)和Ha之间的距离也会逐渐增大, 从0.104 nm到0.159 nm, 相应的Ha和水分子W1中氧原子距离从0.176 nm缩短到0.104 nm, 而Hb与W1中氧原子的距离从0.099 nm增大到0.122 nm, 与W2中氧原子的距离从0.173 nm缩短到0.119 nm, 形成过渡态TS-3H2O-PCM-a.在过渡态TS-3H2O-PCM-a中Ha也被8-AG•+和W1共享, Hb被W1和W2共享.经过过渡态TS-3H2O-PCM-a后, 由于缺少水分子W4, 质子并没有像在4H2O-PCM中向着更外层水传递; 与之相反, W2中的氧原子与Hc之间的距离逐渐增大, Hc逐渐靠近8-AG•+中的O(6)原子, 距离分别从0.100 nm和0.167 nm变到0.150 nm和0.104 nm, Hc与8-AG•+中的O(6)原子形成Hc—O键, 最终形成产物P-3H2O-PCM-a.我们可以清楚地从势能面中看到, 在缺少水分子W4时, 单电子氧化8-AG形成8-AG•+后将会发生分子内的质子转移过程.为了确认这一分子内质子转移过程, 我们也进行了相应的NBO分析.如表 2所示, 在反应初始时刻, 质子几乎都分布在8-AG•+ (0.899|e|), 周围水分子保持中性(0.099|e|); 当形成过渡态分子时, 质子被周围的水分子W1和W2所共享, W1…H…W2所带电荷为0.834 |e|; 当形成脱质子产物时, 质子已经被转移到8-AG•+上(0.842|e|), 与O(6)原子形成O—H键.从势能面上可进一步看出, 该分子内质子转移过程的能垒为37.6 kJ/mol.由此可以确认:在构建8-AG•+脱质子反应模型时在稍微远离8-AG•+而更加靠近更外层水的位置添加水分子W4的必要性.

    图 3

    图 3.  3H2O-PCM-a模型中, 在M06-2X/6-31+G(d)理论水平上优化得到的8-AG•+脱质子过程中反应物(R)、过渡态(TS)以及产物(P)的结构和在M06-2X/6-311++G(d, p)理论水平上计算得到的相对能量(所有的能量都经过零点能校正, 并且以反应物的能量为零点进行校正; 其中碳、氧、氮和氢原子分别用灰色、红色、蓝色和白色小球表示)
    Figure 3.  Optimized structures and relative energies obtained at the M06-2X/6-31+G(d) and M06-2X/6-311++G(d, p) level, respectively, for 8-AG•+ deprotonation under the 3H2O-PCM-a model (all energies given are relative to the reactant complex. Carbon, oxygen, nitrogen and hydrogen atoms are denoted with gray, red, blue and white balls, respectively)

    表 2

    表 2  3H2O-PCM-a模型下8-AG•+脱质子过程中各结构的电荷分布(|e|)
    Table 2.  Charge distribution (|e|) of species in 8-AG•+ deprotonation in 3H2O-PCM-a model
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    8-AG•+ W1 W1…H…W2 W2 W3
    R 0.899 0.033 0.031 0.035
    TS 0.134 0.834 0.167 0.031
    P 0.842 0.055 0.072 0.031

    随后我们探讨了水分子W3在8-AG•+脱质子反应中的作用.我们在4H2O-PCM模型的基础上通过去掉水分子W3建立了3H2O-PCM-b模型, 其势能面如图 4所示.从图中可以看出, 当水分子W3不存在时, 亚氨基质子Ha从8-AG•+上传到更外层水的路径与4H2O- PCM模型基本一致.首先都是由水分子和8-AG•+形成一个复合物(R-3H2O-PCM-b), 随着8-AG•+中N(1)—Ha键断裂, Ha被传递到W1中氧原子附近, 同时W1中的O…Hb键键长逐渐增大, 当Hb被W1和W2中的氧原子共享时形成过渡态TS-3H2O-PCM-b; 经过过渡态后, 质子会进一步向水分子W2传递并通过形成H3O+被稳定在水分子W2附近, 最终形成脱质子产物8-AG(-H) (P-3H2O-PCM-b). NBO分析也确认了这一质子转移过程(表S1).但同时我们从势能面图上也可以看出, 在3H2O-PCM-b模型中, 8-AG•+脱质子过程的能垒只有16.3 kJ/mol, 要比4H2O-PCM模型中小8.5 kJ/mol. 3H2O-PCM-b模型的结果说明:虽然水分子W3不影响脱质子反应路径, 但是会通过对水分子W1产生一个牵引力从而影响脱质子反应的能垒, 所以在建立8-AG•+脱质子反应模型时在8-AG•+环外氨基附近添加水分子W3也很有必要.

    图 4

    图 4.  3H2O-PCM-b模型中, 在M06-2X/6-31+G(d)理论水平上优化得到的8-AG•+脱质子过程中反应物(R)、过渡态(TS)以及产物(P)的结构和在M06-2X/6-311++G(d, p)理论水平上计算得到的相对能量(所有的能量都经过零点能校正, 并且以反应物的能量为零点进行校正; 其中碳、氧、氮和氢原子分别用灰色、红色、蓝色和白色小球表示)
    Figure 4.  Optimized structures and relative energies obtained at the M06-2X/6-31+G(d) and M06-2X/6-311++G(d, p) level, respectively, for 8-AG•+ deprotonation under the 3H2O-PCM-b model (all energies given are relative to the reactant complex. Carbon, oxygen, nitrogen and hydrogen atoms are denoted with gray, red, blue and white balls, respectively)

    此外, 我们还同时去掉水分子W3和W4, 建立了2H2O-PCM模型.令我们意外的是, 在只有水分子W1和W2时, 8-AG•+并没有像在3H2O-PCM-a模型中因缺少更外层水分子W4而发生一个分子内的质子转移过程, 与之对应的是质子最终传递到水分子W2附近, 并被水分子W2稳定, 形成H3O+, 如图 5中P-2H2O-PCM所示.在P-2H2O-PCM中, Hb和Hd与水分子W2中的氧原子距离分别为0.108 nm和0.105 nm, 而Hc与W2中的氧原子距离因为没有更外层水分子的存在, 所以没有相应的变长, 为0.098 nm; 这进一步说明更外层水分子W4的重要性.此外, 在2H2O-PCM模型中, 8-AG•+脱质子过程形成的过渡态也与4H2O-PCM中不同.在TS-2H2O-PCM中, Ha并没有被8-AG•+与W1共享, 而是直接与W1中的氧原子成键(0.101 nm), 与之对应的是Hb更靠近W2中的氧原子, 与W1和W2中氧原子的距离分别为0.127 nm和0.115 nm, 这和4H2O-PCM模型中正好相反.在4H2O-PCM模型的过渡态中Hb更靠近W1中的氧原子, 而非W2中的氧原子.同样的, 我们在2H2O-PCM中也进行了NBO分析, 确认了这一过程中质子转移的路径, 如表S2所示.在2H2O-PCM中, 质子虽然与4H2O-PCM一样被最终稳定在水分子W2附近, 但是由于在2H2O-PCM中缺少更外层的水分子W4, 稳定在W2附近的质子将不会被进一步的传递到溶剂相中, 这是与实际情况不相符的.

    图 5

    图 5.  2H2O-PCM模型中, 在M06-2X/6-31+G(d)理论水平上优化得到的8-AG•+脱质子过程中反应物(R)、过渡态(TS)以及产物(P)的结构和在M062X/6-311++G(d, p)理论水平上计算得到的相对能量(所有的能量都经过零点能校正, 并且以反应物的能量为零点进行校正; 其中碳、氧、氮和氢原子分别用灰色、红色、蓝色和白色小球表示)
    Figure 5.  Optimized structures and relative energies obtained at the M06-2X/6-31+G(d) and M06-2X/6-311++G(d, p) level, respectively, for 8-AG•+ deprotonation under the 2H2O-PCM model (all energies given are relative to the reactant complex. Carbon, oxygen, nitrogen and hydrogen atoms are denoted with gray, red, blue and white balls, respectively)

    随后, 我们对稍微远离8-AG•+的水分子W4的位置进行了研究.我们注意到水分子W4除可以位于水分子W2附近之外, 还可以被放置到水分子W3附近.基于此, 我们建立了4H2O-PCM-a模型, 在此模型下优化得到的反应物、过渡态及产物的构型及势能面如图 6所示.为了与4H2O-PCM中的第四个水分子进行区分, 在此模型中加入的第四个水分子我们定义为W4ʹ.从图 6中可以看出:在反应的初始阶段, 8-AG•+与4个水分子也会形成一个复合物(R-4H2O-PCM-a), 随着反应的进行, 8-AG•+中的亚氨基质子Ha与N(1)之间的距离从0.107 nm增加至0.139 nm, 而更靠近水分子W1中的氧原子(0.113 nm).与4H2O-PCM中不同的是, 在4H2O-PCM-a模型中我们并没有观察到水分子W1中的O…H键键长发生明显变化, 在R-4H2O-PCM-a中分别为0.098 nm和0.098 nm, 在过渡态TS-4H2O-PCM-a中为0.101 nm和0.100 nm, Ha被N(1)与W1中的O原子所共享.经过过渡态后, 质子并没有像4H2O-PCM中一样进一步传递到W2, 并以H3O+的形式被稳定在W2上, 而是仍然处于N(1)和W1中氧原子之间, 距离分别为0.143 nm和0.110 nm, 产物结构(P-4H2O-PCM-a)与过渡态结构基本类似. NBO分析的结果也显示在反应物中质子完全位于8-AG•+上(0.883 |e|), 周围水分子保持中性(0.118 |e|); 当形成过渡态分子时, 质子被8-AG•+和W1所共享(0.877 |e|); 当形成产物时, 质子仍然被8-AG•+和W1所共享(0.862 |e|) (表 3).这些结果意味着质子Ha并没有被完全传递到离8-AG•+最近的第一层水中. 4H2O-PCM-a模型的结果表明在建立8-AG•+脱质子反应模型时, 稍微远离8-AG•+的第四个水分子应该添加在水分子W2附近, 而非水分子W3附近.实际上, 从4H2O-PCM-a模型中可以看出, 当质子从8-AG•+的N(1)原子上失去之后, 有两个潜在的迁移方向, 分别为: (1)经过W1到W2; (2)经过W1到W3;虽然在此模型中水分子W2附近并没有放置第二层水分子, 但是根据我们上文建立的3H2O-PCM-a模型, 第二层水分子W4主要作用是将质子稳定在W2附近, 质子Ha是满足向这两个方向传递的条件的; 然而, Ha并没有沿着这样的路径去传递, 而是被最终稳定在W1附近, 所以可以确定8-AG•+脱N(1)—Ha有一定的方向性.

    图 6

    图 6.  4H2O-PCM-a模型中, 在M06-2X/6-31+G(d)理论水平上优化得到的8-AG•+脱质子过程中反应物(R)、过渡态(TS)以及产物(P)的结构和在M062X/6-311++G(d, p)理论水平上计算得到的相对能量(所有的能量都经过零点能校正, 并且以反应物的能量为零点进行校正; 其中碳、氧、氮和氢原子分别用灰色、红色、蓝色和白色小球表示)
    Figure 6.  Optimized structures and relative energies obtained at the M06-2X/6-31+G(d) and M06-2X/6-311++G(d, p) level, respectively, for 8-AG•+ deprotonation under the 4H2O-PCM-a model (all energies given are relative to the reactant complex. Carbon, oxygen, nitrogen and hydrogen atoms are denoted with gray, red, blue and white balls, respectively)

    表 3

    表 3  4H2O-PCM-a模型下8-AG•+脱质子过程中各结构的电荷分布(|e|)
    Table 3.  Charge distribution (|e|) of species in 8-AG•+ deprotonation in 4H2O-PCM-a model
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    8-AG•+ W1 W1…H…W2 W2 W3 W4ʹ
    R 0.883 0.034 0.017 0.028 0.039
    TS 0.184 0.693 0.050 0.038 0.044
    P 0.167 0.695 0.054 0.040 0.044

    接着, 我们在4H2O-PCM模型的基础上继续添加了一个水分子建立了5H2O-PCM模型, 以验证更多的水分子是否会对8-AG•+脱质子路径和能垒产生影响.第五个水分子我们添加在水分子W3附近, 并与8-AG•+中环外氨基上另外一个N(2)—H形成氢键.之所以这么添加水分子主要是考虑到要将水分子包含在已经添加的四个水分子的氢键网络中, 如果添加的水分子不在氢键网络中, 将不可能会对8-AG•+脱质子路径和能垒产生大的影响.势能面如图S1所示.从图中我们可以看出第五个水分子的添加并没有影响8-AG•+脱质子反应的路径, 亚氨基质子N(1)—H都是通过水分子W1的传递最终被稳定在W2附近形成H3O+, 相应的脱质子反应能垒也只是从24.8 kJ/mol变化到25.5 kJ/mol, 表明第五个水分子的加入对8-AG•+脱质子反应的能垒影响已经很小.这进一步表明:描述亚氨基质子从8-AG•+上脱到溶液中只需要4个水分子, 但是如果要得到更加精确的脱质子能垒则需要添加更多的水分子, 因为第五个水分子的加入还是使脱质子能垒发生了微小变化.

    根据之前的研究, 在DNA碱基分子中, 溶剂水分子大部分都是位于N, O等原子附近.所以, 为了得到更加精确的8-AG•+脱质子反应能垒, 我们在4H2O-PCM的基础上继续在N(2)—H, N(3), O(6), N(7)和N(8)等原子附近添加了5个水分子, 以尽可能真实地模拟8-AG•+周围的水环境, 建立了9H2O-PCM模型, 如图 7所示.我们并没有在N(9)-H附近添加水分子, 这主要是因为在碱基分子中, N(9)位置一般会被戊糖基取代, 水分子不可能在N(9)附近与之形成氢键.从优化的反应物、过渡态及产物的构型可以看出, 8-AG•+脱质子反应的路径并没有因为在以上位置增加额外的水分子而被改变, 与4H2O-PCM模型中一样, 这意味着亚氨基质子Ha可以从8-AG•+上传递到离8-AG•+最近的第一层水中.相应的NBO分析结果也证实了这一结果, 如表S3.通过9H2O-PCM模型下建立的势能面我们得到8-AG•+脱质子反应的能垒为19.5 kJ/mol, 比直接用4H2O-PCM模型得到的能垒低5.3 kJ/mol, 能垒的变化可能是源于不同模型中8-AG•+中N(1)的给质子能力以及N(1)—H附近水分子中O的接受质子能力不同.

    图 7

    图 7.  9H2O-PCM模型中, 在M06-2X/6-31+G(d)理论水平上优化得到的8-AG•+脱质子过程中反应物(R)、过渡态(TS)以及产物(P)的结构和在M06-2X/6-311++G(d, p)理论水平上计算得到的相对能量(所有的能量都经过零点能校正, 并且以反应物的能量为零点进行校正; 其中碳、氧、氮和氢原子分别用灰色、红色、蓝色和白色小球表示)
    Figure 7.  Optimized structures and relative energies obtained at the M06-2X/6-31+G(d) and M06-2X/6-311++G(d, p) level, respectively, for 8-AG•+ deprotonation under the 9H2O-PCM model (all energies given are relative to the reactant complex. Carbon, oxygen, nitrogen and hydrogen atoms are denoted with gray, red, blue and white balls, respectively)

    值得注意的是, 我们从9H2O-PCM模型中得到的8-AG•+脱质子反应能垒只是相对于4H2O-PCM和5H2O-PCM中的更加精确.在本工作中, 为了节省计算机时, 我们建立的所有8-AG•+脱质子模型都没有考虑磷酸和戊糖对能垒的影响, 并且只是考虑了与8-AG•+有直接相互作用的水分子.所以, 如果想要得到与实际更加接近的8-AG•+脱质子反应能垒则需要在实验基础上建立更加接近实际情况的模型.

    在本工作中, 我们首先通过密度泛函理论, 在M06-2X/6-31+G(d)理论水平上建立了8-AG•+脱亚氨基质子N(1)—H反应模型, 其中溶剂化效应通过显性水分子与PCM模型结合来模拟.我们的结果显示要模拟8-AG•+脱质子反应过程至少需要4个显性水分子.其中3个水分子分别位于N(1)—Ha, 环外氨基质子N(2)—H以及O(6)原子附近, 与8-AG•+直接通过氢键作用; 第四个水分子必须位于稍微远离8-AG•+的第二水合层, 如果缺少第二水合层的水分子, 质子将不能从8-AG•+中的N(1)—Ha传递到溶液中; 与之对应, 其将会把N(1)—Ha通过一个分子内质子转移过程转移到O(6)原子上或者稳定在O(6)原子附近的水分子周围; 此外, 对于第二层水的位置其必须位于O(6)原子附近的水分子周围, 如果将第二层水分子添加到环外氨基质子N(2)—H附近的水分子周围, N(1)—Ha将不能从8-AG•+上脱到溶液中, N(1)—Ha将被8-AG•+和其附近的水分子共享; 虽然环外氨基质子N(2)—H附近的水分子不影响脱质子反应的路径, 但是其会对8-AG•+脱质子反应的能垒产生影响.最后, 我们通过添加更多的水分子尽可能模拟8-AG•+周围真实的水环境得到了8-AG•+脱质子反应的能垒为19.5 kJ/mol.我们的这些结果将有助于更加深入地了解8-AG的物理化学性质, 并且为揭示DNA单电子氧化损伤机理提供进一步的理论基础.

    反应物、过渡态和产物的优化构型及自然键轨道(NBO)结果均在M06-2X/6-31+G(d)理论水平上计算获得.通过振动频率分析确认反应物和产物无虚频, 过渡态有且仅有一个虚频.在此基础之上, 依据反应途径的内禀反应坐标(IRC)理论, 进行了相应的极小能量途径计算, 以正确关联过渡态和相应的反应物和产物.计算中的溶剂效应采用显性水分子结合经典的极化连续介质模型(PCM)进行模拟.为了获得更加精确的能量, 我们还使用了6-311++G(d, p)基组对计算结果进行了单点能校正.所得到的能量都经过了零点能校正.此外, 我们也使用了其它密度泛函, 如B3LYP和WB97XD, 在6-311++G(d, p)理论水平下对8-AG•+脱质子反应的能垒进行计算, 结果显示不同水分子模型下, 8-AG•+脱质子反应能垒的变化趋势与使用密度泛函M06-2X时一致(表S4), 以此来排除不同密度泛函对计算结果的影响.所有的计算都是通过Gaussian 09程序包进行的[35].


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  • 图 1  单电子氧化(a) G; (b) 8-AG后G•+和8-AG•+脱质子反应

    Figure 1  The deprotonation pathway of (a) G•+ and (b) 8-AG•+ after one-electron oxidation of G and 8-AG

    图 2  4H2O-PCM模型中, 在M06-2X/6-31+G(d)理论水平上优化得到的8-AG•+脱质子过程中反应物(R)、过渡态(TS)以及产物(P)的结构和在M06-2X/6-311++G(d, p)理论水平上计算得到的相对能量(所有的能量都经过零点能校正, 并且以反应物的能量为零点进行校正; 其中碳、氧、氮和氢原子分别用灰色、红色、蓝色和白色小球表示)

    Figure 2  Optimized structures and relative energies obtained at the M06-2X/6-31+G(d) and M06-2X/6-311++G(d, p) level, respectively, for 8-AG•+ deprotonation under the 4H2O-PCM model (all energies given are relative to the reactant complex. Carbon, oxygen, nitrogen and hydrogen atoms are denoted with gray, red, blue and white balls, respectively)

    图 3  3H2O-PCM-a模型中, 在M06-2X/6-31+G(d)理论水平上优化得到的8-AG•+脱质子过程中反应物(R)、过渡态(TS)以及产物(P)的结构和在M06-2X/6-311++G(d, p)理论水平上计算得到的相对能量(所有的能量都经过零点能校正, 并且以反应物的能量为零点进行校正; 其中碳、氧、氮和氢原子分别用灰色、红色、蓝色和白色小球表示)

    Figure 3  Optimized structures and relative energies obtained at the M06-2X/6-31+G(d) and M06-2X/6-311++G(d, p) level, respectively, for 8-AG•+ deprotonation under the 3H2O-PCM-a model (all energies given are relative to the reactant complex. Carbon, oxygen, nitrogen and hydrogen atoms are denoted with gray, red, blue and white balls, respectively)

    图 4  3H2O-PCM-b模型中, 在M06-2X/6-31+G(d)理论水平上优化得到的8-AG•+脱质子过程中反应物(R)、过渡态(TS)以及产物(P)的结构和在M06-2X/6-311++G(d, p)理论水平上计算得到的相对能量(所有的能量都经过零点能校正, 并且以反应物的能量为零点进行校正; 其中碳、氧、氮和氢原子分别用灰色、红色、蓝色和白色小球表示)

    Figure 4  Optimized structures and relative energies obtained at the M06-2X/6-31+G(d) and M06-2X/6-311++G(d, p) level, respectively, for 8-AG•+ deprotonation under the 3H2O-PCM-b model (all energies given are relative to the reactant complex. Carbon, oxygen, nitrogen and hydrogen atoms are denoted with gray, red, blue and white balls, respectively)

    图 5  2H2O-PCM模型中, 在M06-2X/6-31+G(d)理论水平上优化得到的8-AG•+脱质子过程中反应物(R)、过渡态(TS)以及产物(P)的结构和在M062X/6-311++G(d, p)理论水平上计算得到的相对能量(所有的能量都经过零点能校正, 并且以反应物的能量为零点进行校正; 其中碳、氧、氮和氢原子分别用灰色、红色、蓝色和白色小球表示)

    Figure 5  Optimized structures and relative energies obtained at the M06-2X/6-31+G(d) and M06-2X/6-311++G(d, p) level, respectively, for 8-AG•+ deprotonation under the 2H2O-PCM model (all energies given are relative to the reactant complex. Carbon, oxygen, nitrogen and hydrogen atoms are denoted with gray, red, blue and white balls, respectively)

    图 6  4H2O-PCM-a模型中, 在M06-2X/6-31+G(d)理论水平上优化得到的8-AG•+脱质子过程中反应物(R)、过渡态(TS)以及产物(P)的结构和在M062X/6-311++G(d, p)理论水平上计算得到的相对能量(所有的能量都经过零点能校正, 并且以反应物的能量为零点进行校正; 其中碳、氧、氮和氢原子分别用灰色、红色、蓝色和白色小球表示)

    Figure 6  Optimized structures and relative energies obtained at the M06-2X/6-31+G(d) and M06-2X/6-311++G(d, p) level, respectively, for 8-AG•+ deprotonation under the 4H2O-PCM-a model (all energies given are relative to the reactant complex. Carbon, oxygen, nitrogen and hydrogen atoms are denoted with gray, red, blue and white balls, respectively)

    图 7  9H2O-PCM模型中, 在M06-2X/6-31+G(d)理论水平上优化得到的8-AG•+脱质子过程中反应物(R)、过渡态(TS)以及产物(P)的结构和在M06-2X/6-311++G(d, p)理论水平上计算得到的相对能量(所有的能量都经过零点能校正, 并且以反应物的能量为零点进行校正; 其中碳、氧、氮和氢原子分别用灰色、红色、蓝色和白色小球表示)

    Figure 7  Optimized structures and relative energies obtained at the M06-2X/6-31+G(d) and M06-2X/6-311++G(d, p) level, respectively, for 8-AG•+ deprotonation under the 9H2O-PCM model (all energies given are relative to the reactant complex. Carbon, oxygen, nitrogen and hydrogen atoms are denoted with gray, red, blue and white balls, respectively)

    表 1  4H2O-PCM模型下8-AG•+脱质子过程中各结构的电荷分布(|e|)

    Table 1.  Charge distribution (|e|) of species in 8-AG•+ deprotonation in 4H2O-PCM model

    8-AG•+ W1 W1…H…W2 W2 W3 W4
    R 0.893 0.023 0.016 0.034 0.031
    TS 0.157 0.763 0.104 0.033 0.048
    P 0.12 0.035 0.742 0.025 0.081
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    表 2  3H2O-PCM-a模型下8-AG•+脱质子过程中各结构的电荷分布(|e|)

    Table 2.  Charge distribution (|e|) of species in 8-AG•+ deprotonation in 3H2O-PCM-a model

    8-AG•+ W1 W1…H…W2 W2 W3
    R 0.899 0.033 0.031 0.035
    TS 0.134 0.834 0.167 0.031
    P 0.842 0.055 0.072 0.031
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    表 3  4H2O-PCM-a模型下8-AG•+脱质子过程中各结构的电荷分布(|e|)

    Table 3.  Charge distribution (|e|) of species in 8-AG•+ deprotonation in 4H2O-PCM-a model

    8-AG•+ W1 W1…H…W2 W2 W3 W4ʹ
    R 0.883 0.034 0.017 0.028 0.039
    TS 0.184 0.693 0.050 0.038 0.044
    P 0.167 0.695 0.054 0.040 0.044
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  • 发布日期:  2020-03-15
  • 收稿日期:  2019-12-18
  • 网络出版日期:  2020-02-09
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
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    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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