陽離子對 8-氧 -7,8-二氫 -2′-去氧鳥嘌呤核苷構(gòu)型的影響

鄭 妍, 梁曉琴, 李來才

（四川師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院,四川成都610066）

1 研究背景

去氧鳥苷是DNA的基本組成之一,由一個(gè)鳥嘌呤堿基和一個(gè)去氧核糖通過N—糖苷鍵連接而成.活性氧（ROS）進(jìn)攻鳥嘌呤導(dǎo)致幾種氧化產(chǎn)物,其中最容易進(jìn)攻的位置是C8原子,而相應(yīng)的氧化產(chǎn)物是8-氧-7,8-二氫鳥嘌呤（8-oxoG）.在DNA復(fù)制時(shí),8-oxoG可直接引起堿基對由G∶C到T∶A轉(zhuǎn)化,因?yàn)?-oxoG具有與腺嘌呤配對的趨勢［1］.8-oxoG被普遍認(rèn)為是引起變異發(fā)生、致癌作用和老化的高度危險(xiǎn)因素之一,因此,8-oxoG在過去的數(shù)十年里受到了廣泛的關(guān)注［2-3］.在8-氧-7,8-二氫-2′-去氧鳥嘌呤核苷（8-oxodG）中,N—糖苷鍵連接著8-oxoG堿基和去氧核糖糖環(huán).N—糖苷鍵的斷裂和水解是其堿基剪切修復(fù)（BER）中最重要的過程,也由此維持儲存在基因中的遺傳信息的完整性.人體8-羥基鳥嘌呤DNA糖苷酶（hOGG1）能選擇性地識別8-oxoG∶C堿基對,并破壞8-氧-2′-去氧鳥苷（8-oxodG）中8-oxoG堿基與去氧核糖環(huán)間的N—糖苷鍵從而將氧化形式的8-oxoG敲除［4-5］.這樣的反應(yīng)依賴于特殊糖苷鍵的活性,具有重要意義的是研究8-oxodG中N—糖苷鍵的內(nèi)在性質(zhì)和評估某些因素,比如氧化、質(zhì)子化和陽離子化等對N—糖苷鍵穩(wěn)定性的影響.近年來,有許多實(shí)驗(yàn)對核苷中N—糖苷鍵性質(zhì)進(jìn)行了研究.比如,N—糖苷鍵的非酶催化水解反應(yīng),環(huán)境和化學(xué)物質(zhì)（如:H+,金屬離子,烷基化的化合物）對N—糖苷鍵的影響.這些研究旨在了解N—糖苷鍵水解的內(nèi)在化學(xué)性質(zhì).最近,針對這方面進(jìn)行的理論計(jì)算有所增加.M.Hotokka等［6］用半經(jīng)驗(yàn)和從頭算法HF/3-21G方法計(jì)算了腺苷及其衍生物的電子分布、質(zhì)子親和力和N—糖苷鍵的異裂,R.Rios-Font等［7］用量子化學(xué)的 B3LYP、MP2和CCSD（T）方法研究了氧化、質(zhì)子化和用Cu+和Cu2+陽離子化對2′-去氧鳥苷中N—糖苷鍵強(qiáng)度的影響；他們的研究結(jié)果表明,鳥嘌呤上引入正電荷將抑制N—糖苷鍵的均裂過程,但是在很大程度上支持N—糖苷鍵的異裂過程.有關(guān)8-oxodG的陽離子化的理論研究仍不足.選取Na+是因?yàn)檫@個(gè)離子非常普通并且是在生物體內(nèi)與生物學(xué)最相關(guān)的金屬陽離子,存在于富含AT序列的小空穴中［8］.本文重點(diǎn)研究8-oxodG的陽離子化（H+和Na+）對N—糖苷鍵的構(gòu)型和穩(wěn)定性的影響.

2 計(jì)算方法

依照以前報(bào)道的類似2′-去氧鳥苷的結(jié)構(gòu)［9］,計(jì)算模型和原子編號見圖1.在這個(gè)模型中,堿基相對于糖環(huán)來說處于反式（90.0°≦χ≦270.0°,表示二面角O4′-C1′-N9-C4的值）.事實(shí)上,在8-oxodG的堿基環(huán)上,有3個(gè)位點(diǎn),即N3、O6和O8原子,可與質(zhì)子和鈉離子結(jié)合,由此將在這3個(gè)位點(diǎn)引起競爭.本文中研究的化合物包括堿基環(huán)上所有可能的單質(zhì)子化和陽離子化衍生物.氣態(tài)中,用密度泛函方法和6-311++G（d,p）基組對化合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化［10］.M05方法用于開殼層體系的計(jì)算,穩(wěn)定點(diǎn)的性質(zhì)通過在相同水平上的振動(dòng)頻率分析來確認(rèn):每個(gè)穩(wěn)定點(diǎn)的所有頻率都為正.在298.15 K和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下通過頻率分析也得到零點(diǎn)能（ZPVE）.在相同水平下,應(yīng)用自然鍵軌道（NBO）［11］計(jì)算了自然原子電荷,并用極化連續(xù)模型［12-13］計(jì)算了溶劑效應(yīng),用氣態(tài)優(yōu)化結(jié)構(gòu)考慮水作為溶劑.所有的計(jì)算用Gaussian09程序包計(jì)算［14］.

鍵的斷裂通常遵循以下2種典型的過程,即均裂和異裂過程:

這里,（1）式表示均裂過程,而（2）和（3）式表示異裂過程.就8-oxodG及其衍生物而言,M和N分別代表8-oxoA或相應(yīng)的衍生物和去氧糖環(huán).然而,N—糖苷鍵以（3）式的方式異裂在能量上并不占優(yōu)勢,因此在本文中沒有考慮（3）式的異裂.

3 結(jié)果與討論

本研究工作以8-氧-7,8-二氫-2′-去氧鳥嘌呤核苷為研究對象,考慮了質(zhì)子化和陽離子對8-oxodG的構(gòu)型和N—糖苷鍵穩(wěn)定性的影響.研究結(jié)果表明,質(zhì)子化和陽離子降低了N—糖苷鍵的穩(wěn)定性,有利于N—糖苷鍵的斷裂,且支持異裂過程.所研究體系的優(yōu)化結(jié)構(gòu)及部分結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2所示,而相關(guān)的部分重要結(jié)構(gòu)參數(shù)列于表1和2列出了8-oxodG的質(zhì)子化產(chǎn)物離解能.為敘述方便,文中采用了下述符號:a代表8-oxodG的質(zhì)子化產(chǎn)物,而b則代表8-oxodG與陽離子的絡(luò)合物,而堿基上3個(gè)配位點(diǎn)N3、O6和O8原子分別用3、6和8表示.例如,b3表示Na+通過與N3原子相互作用得到的8-oxodG-Na+的絡(luò)合物.

3.1 各物質(zhì)的幾何結(jié)構(gòu)分析如圖2～3所示,8-oxodG與其衍生物在結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)出顯著的差別,以下的討論都是以8-oxodG這個(gè)物質(zhì)為參照物進(jìn)行的.在a3和b3中,Na+（或H+）同時(shí)與N3和O4′原子相互作用,Na—N3和Na—O4′鍵長分別約為0.225 2和0.226 9 nm；而H—N3和H—O4′鍵長分別約為0.102 6和0.191 7 nm.N3和O4′原子的孤對電子分別與Na+（或H+）的空軌道相互作用,分別導(dǎo)致 N3—N2、N3—C4、C1′—O4′和 C4′—O4′等鍵減弱,鍵長增長；結(jié)果,在b3中,C1′原子和N9原子的相互作用增加,使N9—C1′鍵強(qiáng)度增強(qiáng),鍵長縮短（△d＝-0.001 1 nm）.同時(shí)O4′原子和鈉離子的相互作用也引起去氧核苷構(gòu)型的改變和糖環(huán)構(gòu)型的改變.分子內(nèi)相互作用,N3—H（Na）…O4′,導(dǎo)致N—糖苷鍵的扭轉(zhuǎn)而使化合物由初始物的反式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樽罱K的順式結(jié)構(gòu),其χ值在a3和b3中分別為328.3°和 281.3°.

表1 N—糖苷鍵的分析結(jié)果Table 1 Structural parameters of N—glycosidic

在a8和b8中,Na+（或H+）分別與O8′和O4′相互作用.當(dāng)質(zhì)子以順式或鈉離子與O8原子結(jié)合,存在分子內(nèi)的相互作用,即 O8—H（Na）…O4′,同時(shí)O4′原子也會(huì)轉(zhuǎn)移出部分電子密度.因此,O4′原子和C1′原子間的相互作用減弱,這也導(dǎo)致C1′—O4′鍵鍵長增加（b8）或幾乎保持不變（a8）.另一方面,分子內(nèi)的相互作用也引起N—糖苷鍵的改變.例如,在a8中,N9—C1′鍵增長0.003 0 nm,而在b8中,N9—C1′鍵縮短了0.001 2 nm.這些變化與2個(gè)因素有關(guān):體系引入正電荷和O4′原子與正離子間的相互作用.

如圖2和3所示,除了以上討論的差別外,核苷衍生物與核苷相比較仍有一些規(guī)律可循.由于引入正電荷,N9—C1′鍵鍵長（表2）增長,其變化范圍從0.001 2 nm（b6）到0.002 8 nm（a8′）（除 b8 和b3外）.對糖環(huán)而言,首先,C4′—O4′鍵鍵長增長而C1′—O4′鍵鍵長縮短（除 b8 和 b3 外）.其次,堿基相對于糖環(huán)來說是反式,相應(yīng)的χ值在187.5°～258.5°之間.

8-oxodG衍生物相對于8-oxodG的變化主要?dú)w結(jié)于以下幾個(gè)因素:一方面,在去氧糖環(huán)中,“異頭碳影響”和反平面孤對假設(shè)（ALPH）有利于電子流從糖環(huán)向離去基團(tuán)偏移,從而促進(jìn)N—糖苷鍵斷裂.結(jié)果,N—糖苷鍵鍵長增長而C1′—O4′鍵鍵長縮短.另一方面,當(dāng)堿基與質(zhì)子或陽離子結(jié)合時(shí),堿基環(huán)處于缺電子狀態(tài)而成為電子受體.因此,那些與堿基環(huán)結(jié)合的富電子基團(tuán)傾向于向堿基環(huán)提供電子以補(bǔ)償電子不足.事實(shí)上,除了上述主要原因外,仍有其它的因素影響所研究的體系,比如,分子間相互作用、靜電影響和極化影響等,并且上述變化是這些因素同時(shí)作用的結(jié)果.

表2 均裂過程和異裂過程的離解能Table 2 Dissociation energies of homolytic and heterolytic processes kJ/mol

3.2 離解能分析N—糖苷鍵的強(qiáng)度能夠通過計(jì)算鍵的離解能評估.鍵離解能定義為各部分離解產(chǎn)物的能量和與反應(yīng)物的差值.表2列出了所有研究體系的離解能.

氣態(tài)時(shí),核苷的陽離子化可以改變N—糖苷鍵的離解能.對8-oxodG而言,N—糖苷鍵均裂過程的離解能比其異裂過程的離解能低大約298 kJ/mol,因而均裂過程在氣態(tài)中是首選離解方式.有趣的是,其衍生物體系的N—糖苷鍵異裂過程的離解能比8-oxodG的異裂過程的離解能減弱293～416 kJ/mol,而均裂過程的裂解能與中性物質(zhì)相比則變化要小得多（ ｜△E ｜≤94 kJ/mol）,即對 8-oxodG的衍生物體系而言,異裂過程的離解能較低,是優(yōu)勢離解方式.因此,堿基團(tuán)引入正離子非常有利于N—糖苷鍵的異裂過程從而使異裂成為首選過程而均裂過程相對較難進(jìn)行.這些結(jié)果表明堿基基團(tuán)的陽離子化對促進(jìn)核苷中N—糖苷鍵的斷裂起著重要的作用.

由于真實(shí)的裂解反應(yīng)都是在溶劑中進(jìn)行的,所以對于所有體系也考慮了溶劑化效應(yīng).溶劑化效應(yīng)對離解能帶來顯著的變化.其中受溶劑效應(yīng)影響最大的是8-oxodG.其異裂過程的離解能降低了大約440 kJ/mol,而其均裂的離解能僅僅下降了約107 kJ/mol.結(jié)果,考慮到溶劑效應(yīng),對8-oxodG而言首選裂解過程是異裂過程.而對其衍生物體系來說,雖然均裂和異裂過程的離解能也都有所下降,但是異裂過程的離解能仍然比對應(yīng)的均裂過程的離解能低得多,所以前者仍然是首選的裂解過程.因此,異裂過程占據(jù)優(yōu)勢地位,正電荷引入能促進(jìn)N—糖苷鍵的斷裂.

4 結(jié)語

在本研究工作中,采用了DFT理論的M05方法選用6-311++G（d,p）機(jī)組對8-氧-7,8-二氫-2′-去氧鳥嘌呤核苷的構(gòu)型和糖苷鍵的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究,考慮了質(zhì)子和陽離子對8-oxodG的N—糖苷鍵穩(wěn)定性的影響.研究結(jié)果表明,質(zhì)子化和陽離子降低了N—糖苷鍵的穩(wěn)定性,有利于N—糖苷鍵的斷裂.與8-oxodG相比較而言,其衍生物在結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)出顯著的差別.N9—C1′鍵鍵長增長（除b3和b8外）,其變化范圍從0.001 2 nm（b6）到0.002 8 nm（a8′）；C4′—O4′鍵鍵長增長而C1′—O4′鍵鍵長縮短（除b8和b3外）.研究表明,“異頭碳影響”和由于在堿基引入正電荷而引起的缺電子影響促進(jìn)N—糖苷鍵以異裂過程進(jìn)行裂解,正電荷引入對促進(jìn)N—糖苷鍵的斷裂起著重要的作用.而且,異裂過程是糖苷鍵斷裂的首選方式,這與文獻(xiàn)［7］的結(jié)論吻合.

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