鳥嘌呤與nH2O(n=1、2)的水化去氨基反應(yīng)機理的理論研究

李 瀾,張愛華,張燦云

(1.上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院,上海 201418;2.首都醫(yī)科大學(xué) 燕京醫(yī)學(xué)院,北京 順義 101300)

0 引言

DNA是生物體儲存和傳遞信息的必要基礎(chǔ)，可由不同的堿基分子組成.常見堿基分子有四種，它們是鳥嘌呤(G)、胞嘧啶(C)、腺嘌呤(A)和胸腺嘧啶(T).由于堿基分子的結(jié)構(gòu)特點，決定了在堿基上能夠發(fā)生諸如烷基化、脫氨、鹵化等多種反應(yīng)，而在堿基分子上發(fā)生的變化會直接影響基因序列，引起遺傳信息的改變，其積累效應(yīng)會導(dǎo)致基因突變[1].通常情況下，這些堿基都是穩(wěn)定的,由堿基變化引起的自發(fā)基因突變的概率很小，但是堿基的這一變化將改變基因的序列，造成 DNA的損傷，被認(rèn)為是生物肌體衰老和人類各種遺傳性疾病、癌癥的主要誘因.在引起基因突變的因素中，堿基的水化去氨基反應(yīng)被認(rèn)為是引起DNA發(fā)生突變的重要因素之一[2]，已經(jīng)引起了實驗和理論兩方面研究者的廣泛關(guān)注.

理論研究方面，YAO等[3]曾用雙層的ONIOM模型，在B3LYP/6-31G*的水平下研究了酶催化鳥嘌呤水化去氨基的過程，結(jié)果表明金屬Zn催化酶在鳥嘌呤的催化斷鍵中起著非常重要的作用.張愛華等[4]在B3LYP/6-31G**的水平下研究了腺嘌呤(A)的水解去氨基的反應(yīng)通道，發(fā)現(xiàn)了兩種不同的水解去氨基機理.近年來，張愛華等[5]也討論了5-甲基胞嘧啶與一分子水發(fā)生水解去氨基反應(yīng)的機理.SPONE等[6]從實驗和理論兩方面研究了胞嘧啶及其衍生物水化去氨基反應(yīng)的機理，他們用PCM模型考慮了胞嘧啶在OH-存在下發(fā)生去氨基反應(yīng)的溶劑化效應(yīng).對4個常見堿基分子的水化去氨基反應(yīng)機理的研究，關(guān)于鳥嘌呤的實驗和理論研究相對胞嘧啶而言比較少.我們曾經(jīng)詳細(xì)地討論過四個堿基的甲基化[7]致癌，以及吡咯烷亞硝胺的終致癌物與鳥嘌呤生成DNA致癌加合物的過程[8]，作為對堿基分子上發(fā)生變化導(dǎo)致基因突變和致癌問題的深入探討，本文用量子化學(xué)的方法，研究了鳥嘌呤堿基在一分子水和兩分子水的作用下的水化去氨基反應(yīng)機理.

一般情況下，鳥嘌呤自發(fā)的水解反應(yīng)進行得很慢[9]，反應(yīng)后生成產(chǎn)物黃嘌呤H(hypoxanthine)，其轉(zhuǎn)化過程見圖1.如果在DNA復(fù)制前和復(fù)制中黃嘌呤(H)不被修復(fù)，它將替代鳥嘌呤(G)與胞嘧啶(C)配對，產(chǎn)生堿基錯配，從而引起DNA的損傷，進一步導(dǎo)致遺傳疾病和癌癥.

圖1 鳥嘌呤水解反應(yīng)示意圖Fig. 1 Reaction formula of the hydrolytic deamination of guanine

1 計算方法

應(yīng)用Gusssian09量子化學(xué)程序包，采用密度泛函DFT中的B3LYP[10]方法，在6-31G**基組下對所有水化脫氨基反應(yīng)涉及的反應(yīng)物、復(fù)合物、過渡態(tài)、產(chǎn)物進行了幾何構(gòu)型優(yōu)化的計算,所有的能量駐點都做了頻率分析.為了考慮溶劑對反應(yīng)的影響，選取連續(xù)介質(zhì)模型(PCM)[11](計算水平：B3LYP/6-31G**)，在水溶劑(介電常數(shù)ε=78.39，298.15 K)的條件下，對反應(yīng)途徑上的各駐點做了溶劑中的優(yōu)化及頻率分析，以及各單點做了單點能計算.對于過渡態(tài)，在振動頻率分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)Fukui的IRC理論,用同樣的方法和基組分別從過渡態(tài)的唯一虛振動模式的正方向和反方向出發(fā)，采用Morokuma的數(shù)值方法計算了內(nèi)稟反應(yīng)坐標(biāo)IRC[12]勢能曲線，討論了鳥嘌呤分別與一分子水和兩分子水的水化去氨基反應(yīng)機理.

2 結(jié)果與討論

2.1 鳥嘌呤與一分子水的水化去氨基反應(yīng)

2.1.1 去氨基反應(yīng)機理

對鳥嘌呤在一分子水的作用下發(fā)生的水化去氨基反應(yīng)，量子化學(xué)計算表明是一個兩步反應(yīng)，找到的反應(yīng)途徑如下式：

G+H2O→COM1→TS1→IM1→TS2→COM2從上式中可以看出，去氨基反應(yīng)的進程為鳥嘌呤和H2O形成具有典型氫鍵性質(zhì)的復(fù)合物COM1，復(fù)合物經(jīng)過過渡態(tài)TS1，形成中間體IM1.第二步為中間體IM1經(jīng)過過渡態(tài)TS2，脫去一分子NH3，形成復(fù)合物COM2.圖2中給出了鳥嘌呤水化去氨基反應(yīng)的主要幾何構(gòu)型及其關(guān)鍵鍵參數(shù)(計算水平：B3LYP/6-31G**).為了便于討論，各構(gòu)型中也標(biāo)出了發(fā)生反應(yīng)關(guān)鍵部位的原子元素符號及標(biāo)號.

圖2 反應(yīng)物、過渡態(tài)、中間體及產(chǎn)物的幾何結(jié)構(gòu)圖

從圖2中可以看出，當(dāng)水分子逐漸靠近鳥嘌呤時，由于分子間的靜電相互作用，形成具有典型氫鍵的復(fù)合物COM1(3N-12H、11O-12H之間的鍵距分別為0.1959和0.0981 nm).當(dāng)兩個反應(yīng)物進一步靠近時，水分子中2C位上的氧原子進攻鳥嘌呤上的親核位3N，經(jīng)過四元環(huán)結(jié)構(gòu)的過渡態(tài)TS1(其中2C-3N 、3N-12H、11O-12H和11O-2C間的鍵距分別為0.1411、0.1154、0.1434和0.1973 nm)，形成以2C為中心的四配位中間體IM1，以上屬于反應(yīng)的第一步.去氨基反應(yīng)的第二步為分子內(nèi)的氫遷移，IM1中11O上的13H經(jīng)扭轉(zhuǎn)遷移到10N位，經(jīng)四元環(huán)過渡態(tài)TS2(其中：2C-11O、13H-11O、13H-10N和2C-10N間的間距分別為0.1327、0.1324、0.1231和0.1647 nm)，最后形成黃嘌呤(H)和一分子NH3組成的復(fù)合物COM2.復(fù)合物COM2中，11O-2C之間的鍵距為0.1228 nm，已形成典型的C=O雙鍵，而2C-10N之間的鍵距為0.1841 nm，已斷裂.復(fù)合物COM2中的黃嘌呤(H)，是鳥嘌呤去氨基反應(yīng)的最終產(chǎn)物，導(dǎo)致 H在DNA復(fù)制中將替代G與C配對，使得基因序列中原本G-C配對，轉(zhuǎn)變成A-T…H-C堿基突變.如果H不被修復(fù)的話，在DNA復(fù)制中將產(chǎn)生堿基突變，會在子代的DNA復(fù)制中可能引起遺傳疾病和癌癥.

2.1.2 水化去氨基反應(yīng)的能量性質(zhì)

為了說明鳥嘌呤在一分子水的參與下去氨基反應(yīng)的能量性質(zhì)，圖3給出了氣相和溶劑化效應(yīng)的相對勢能面(單位：kcal/mol)，其中，相對能量是以反應(yīng)物的零點校正為標(biāo)準(zhǔn)，各駐點的能量均經(jīng)過零點能校正.從圖3中可以看出，在氣相條件下(計算水平：B3LYP/6-31G**)，由于氫鍵的作用，復(fù)合物COM1比反應(yīng)物更穩(wěn)定(相對能低12.8 kcal/mol).對水化去氨基反應(yīng)，復(fù)合物COM1經(jīng)過渡態(tài)TS1，需要越過57.3 kcal/mol的活化位壘，形成中間體IM1.第二步為分子內(nèi)的氫遷移，IM1經(jīng)過渡態(tài)TS2，脫去一分子NH3形成復(fù)合物COM2，其活化位壘為31.0 kcal/mol.第一步比第二步的活化位壘高26.3 kcal/mol，為一分子水參與下鳥嘌呤的水化去氨基反應(yīng)的速控步.可以看出，氣相下一分子水參與的鳥嘌呤水化去氨基反應(yīng)的速控步活化位壘比較高，在動力學(xué)上難以進行.眾所周知，生物體內(nèi)是一個90%以上都是水分子的開放體系，必須考慮水環(huán)境對去氨基反應(yīng)的影響.因此，我們用連續(xù)介質(zhì)的PCM模型，在同樣的計算水平下(B3LYP/6-31G**)，考慮了鳥嘌呤水化去氨基反應(yīng)的溶劑化效應(yīng).從圖3中可以看出，溶劑化效應(yīng)并不改變反應(yīng)的進程，但是會影響各駐點的相對能以及活化位壘.對速控步，考慮溶劑化效應(yīng)的活化位壘為54.2 kcal/mol，比氣相中(57.3 kcal/mol)低.第二步氫遷移的活化位壘是30.0 kcal/mol，比氣相下低1.9 kcal/mol.但是，不管在氣相下還是水溶劑中，鳥嘌呤在一分子水參與下自發(fā)地進行的水化去氨基過程，速控步有比較高的活化位壘，在動力學(xué)上是難以進行的反應(yīng).

圖3 鳥嘌呤水化脫氨基反應(yīng)的勢能面示意圖Fig. 3 The potential surface of hydrolytic deamination reaction

2.2 鳥嘌呤與兩分子水的去氨基反應(yīng)

2.2.1 去氨基反應(yīng)機理

圖4中列出了鳥嘌呤與兩分子水發(fā)生去氨基反應(yīng)中各幾何構(gòu)型及其關(guān)鍵參數(shù).從圖4中可以看出，兩分子水與鳥嘌呤首先形成典型的氫鍵復(fù)合物COM1(3N-12H、11O-16H及15O-14H之間的距離分別為0.1758、0.1816和0.1833 nm)，比一分子水與鳥嘌呤形成的復(fù)合物中有更多的氫鍵，復(fù)合物更穩(wěn)定.當(dāng)兩個水分子進一步靠近鳥嘌呤時，其中一個水分子中11O位上的12H進攻鳥嘌呤上的親核位N3，另外一個水分子中的16H遷移到11O上，同時15O靠近鳥嘌呤的2C位，經(jīng)六元環(huán)結(jié)構(gòu)的過渡態(tài)TS1，形成四配位中間體IM1，為反應(yīng)的第一步.與一分子水參與下鳥嘌呤去氨基反應(yīng)的第一步相比較，進攻鳥嘌呤的水分子的作用相同，而另外一個水分子提供H質(zhì)子，使H質(zhì)子在分子間穿梭，起到催化劑的作用.

圖4 反應(yīng)物、過渡態(tài)、中間體及產(chǎn)物的幾何結(jié)構(gòu)圖Fig. 4 Optimized geometries and some of parameters

第二步為分子內(nèi)的氫遷移，中間體IM1中15O上的13H經(jīng)扭轉(zhuǎn)遷移到10N位，經(jīng)四元環(huán)過渡態(tài)TS2(其中：2C-15O、17H-15O、17H-10N和2C-10N間的鍵距分別為0.1355、0.1314、0.1239和0.1619 nm)，最后形成具體有氫鍵的復(fù)合物COM2，復(fù)合物中包括黃嘌呤(H)、一分子NH3和一分子H2O.從兩分子水與鳥嘌呤發(fā)生去氨基反應(yīng)的整個過程來看，第一步反應(yīng)為H質(zhì)子從兩個水分子間穿梭至鳥嘌呤上，第二步反應(yīng)為分子內(nèi)的氫遷移，最后仍然形成一分子水.因此，兩分子水作用下鳥嘌呤的去氨基反應(yīng)，其中一分子水起催化劑的作用.去氨基反應(yīng)最后形成黃嘌呤(H)，如果H不被修復(fù)的話，在DNA復(fù)制中將產(chǎn)生堿基突變，可能引起生物體的遺傳疾病和癌癥.

2.2.2 水化去氨基反應(yīng)的能量性質(zhì)

圖5給出了兩分子水與鳥嘌呤發(fā)生去氨基反應(yīng)的勢能剖面示意圖(單位：kcal/mol).從圖5中可以看出，在氣相條件下(計算水平：B3LYP/6-31G**)，由于氫鍵的作用，復(fù)合物COM1比反應(yīng)物相對能低19.1 kcal/mol.與一分子水參與的鳥嘌呤水化去氨基反應(yīng)形成的復(fù)合物COM1相比較，由于氫鍵數(shù)目更多，也更穩(wěn)定.兩分子水參與下的水化去氨基反應(yīng)，復(fù)合物COM1經(jīng)過渡態(tài)TS1，需要越過44.8 kcal/mol的活化位壘，形成中間體IM1.由于更多氫鍵的影響，第一步的活化位壘比一分子水參與下的低.

圖5 鳥嘌呤與兩分子水的水化去氨基反應(yīng)的勢能面示意圖Fig. 5 The potential surface of hydrolytic deamination reaction

第二步分子內(nèi)的氫遷移，中間體IM1經(jīng)過渡態(tài)TS2，形成包括一分子水的復(fù)合物COM2，其活化位壘為31.1 kcal/mol.和一分子水參與下的水化去氨基反應(yīng)一樣，第一步活化位壘高，為反應(yīng)的速控步.由速控步活化位壘可以看出，氣相下兩分子水參與的鳥嘌呤水化去氨基反應(yīng)的活化位壘比較高，在動力學(xué)上難以進行.在同樣的計算水平下(B3LYP/6-31G**)，用連續(xù)介質(zhì)模型(PCM)計算了去氨基反應(yīng)的溶劑化效應(yīng)，從圖5中可以看出，溶劑化效應(yīng)并不改變反應(yīng)的進程，但是會影響各駐點的相對能以及活化位壘.對速控步，溶劑化效應(yīng)的活化位壘為41.9 kcal/mol，比氣相中低.第二步氫遷移的活化位壘是30.6 kcal/mol，與氣相下相似.但是，不管在氣相下還是水溶劑中，鳥嘌呤在兩分子水參與下的水化去氨基反應(yīng)，必須克服比較高的活化位壘，是一個在動力學(xué)上相對不容易進行的反應(yīng).

分析表明：不論是一分子水還是兩分子水參與下的鳥嘌呤水化去氨基反應(yīng)，都是分兩步進行的，第一步為反應(yīng)的速控步，第二步屬于分子內(nèi)氫遷移.去氨基反應(yīng)的相對勢能面計算表明，速控步有比較高的活化位壘，在動力學(xué)上自發(fā)的水化去氨基反應(yīng)難以進行,與實驗結(jié)果相一致[9].兩分子水參與的鳥嘌呤去氨基反應(yīng)，其中一分子水起催化劑的作用.由此可以推斷，多分子水參與的鳥嘌呤去氨基反應(yīng)，只有一分子水真正參與反應(yīng)，其余都起催化劑的作用，這一推論有待進一步的研究來證實.

3 結(jié)論

在B3LYP/6-31G**的研究水平上，計算了氣相和水溶劑中，一分子水和兩分子水分別與鳥嘌呤發(fā)生水化去氨基反應(yīng)的機理.研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：鳥嘌呤在不同數(shù)目水分子參與下的水化去氨基反應(yīng)，都是分兩步進行.第一步為速控步，第二步為分子內(nèi)氫遷移，速控步在氣相和水溶劑中都有較高的活化位壘，表明在動力學(xué)上自發(fā)的水化去氨基反應(yīng)難以進行.兩分子水參與的鳥嘌呤去氨基反應(yīng)中，一分子水起催化劑作用.