B型DNA中鳥嘌呤-胞嘧啶堿基對內雙質子轉移反應

林月霞 王紅艷 高思敏 吳穎曦 李汝虎

(西南交通大學物理科學與技術學院,成都610031)

1 引言

電離輻射能夠破壞DNA結構,進而誘發基因突變,因此電離輻射導致的DNA結構變化受到越來越多科學家的關注.兩條DNA鏈依靠彼此堿基之間的氫鍵而結合成雙螺旋結構,氫鍵中的質子在受到輻射時容易發生轉移,形成新的異構體,導致DNA在復制、轉錄過程中出錯.因此研究堿基對氫鍵間質子轉移反應具有重要意義.其中一些自由基異構體已在實驗中檢測到,1-4而中性DNA堿基對結構因為其相對穩定,相對于離子結構較難發生質子轉移反應,但是理論和實驗研究都表明中性DNA分子的質子轉移反應也是導致基因變異的主要因素之一,4-6因此研究中性DNA分子的質子轉移機理是十分必要的.

早期科學家的研究主要集中在堿基、堿基對性質7-11以及堿基對內質子轉移反應上.12-16堿基對內質子轉移反應受到多種環境因素的影響,水溶劑、堿基序列、堆積效應和各種離子等都會影響堿基對內質子轉移.因此科學家開始關注這些環境因素的作用,17-32目前的研究結果表明,水分子有助于堿基對陰離子發生單質子轉移反應,17,18不同堿基排序對堿基對陰離子的單質子轉移分別起到促進和阻礙作用,19堆積效應在質子轉移過程中改變氫鍵鍵長并保持堿基對的平面性,20一些金屬離子也有助于單質子轉移反應的發生.32,33因此各種環境因素對于堿基對氫鍵間質子轉移反應發揮著重要作用,不容忽視.

雖然已經有DNA三聚體陰離子單質子轉移反應的一些報道,但是對于DNA三聚體的雙質子轉移反應則鮮見文獻報道.堿基對氫鍵間雙質子轉移反應較單質子轉移反應更為復雜,因此我們選取單個GC堿基對和含GC堿基對的四種排序的DNA三聚體為研究對象,分析其在氣相和水溶劑中雙質子轉移途徑以及轉移過程中能量和結構特性,探索堿基排序和水溶劑對堿基對氫鍵間質子轉移反應的影響,進一步了解雙質子轉移機理.

2 理論方法

文中所選用的單個鳥嘌呤-胞嘧啶堿基對(GC)和四種不同排序的B型DNA三聚體(d(5?-AGA-3?)·d(3?-TCT-5?)、d(5?-GGG-3?)·d(3?-CCC-5?)、d(5?-TGT-3?)·d(3?-ACA-5?)、d(5?-CGC-3?)·d(3?-GCG-5?))通過 HyperChem軟件包34中的核酸數據庫構建.在文中為了方便識別每一層的堿基對,將其簡記為dATGCAT、dGCGCGC、dTAGCTA、dCGGCCG.

單個GC堿基對直接采用M06-2X/6-31G*方法35-38優化結構和尋找過渡態,為了節約機時并保證計算精度,四種DNA三聚體均采用ONIOM(M06-2X/6-31G*:PM3)分層計算方法,39-45如圖1所示,中間層GC堿基對采用M06-2X/6-31G*優化,核糖-磷酸和上下相鄰堿基對采用PM3方法46并凍結.M06-2X方法是由Zhao等35-38發展的適用于非鍵作用(如π-π堆積作用、氫鍵)體系的新密度泛函方法,已被應用于多種研究體系,研究結果與實驗數據和其它理論數據對比,證明此方法可以得到精確的化學反應能壘.36水溶劑中采用PCM極化模型,47-49所有結構優化計算方法與氣相中相同.文中所有計算在Gaussian 09程序50中完成.

圖1 dATGCAT三聚體結構及其中間GC堿基對的雙質子轉移路徑和原子編號Fig.1 Structure of dATGCAT trimer as well as double-proton-transfer pathway and atomic numbers in the middle GC base pair

3 結果與討論

堿基對氫鍵間雙質子轉移機理分為協同轉移和分步轉移兩種,協同轉移機理指兩個質子H1和H4a同時轉移到對面堿基,得到雙質子轉移產物(DPT);分步轉移機理指質子H1先轉移到胞嘧啶C的N3位得到單質子轉移產物(SPT),然后質子H4a再轉移到鳥嘌呤的O6位得到雙質子轉移產物(圖1).文中DTS、STS1和STS2分別表示雙質子轉移過程中對應的過渡態、第一個質子H1轉移過程中形成的過渡態和第二個質子H4a轉移過程中形成的過渡態.

3.1 氣相中質子轉移反應

3.1.1 氣相中質子轉移方式

單個中性GC堿基對和含GC堿基對的三種排序的DNA三聚體dATGCAT、dGCGCGC和dTAGCTA中發生雙質子協同轉移,而dCGGCCG排序的DNA三聚體則發生了分步雙質子轉移.分析表明質子轉移方式主要由堿基對間的靜電相互作用和質子接受位的質子親和勢兩個因素決定.電荷分布表明DNA三聚體中間堿基對GC的兩個堿基單體在質子轉移前后沒有產生明顯的電荷差,但是由于上下相鄰堿基對的偶極矩存在,不同堿基排序影響了中間堿基對質子轉移.圖2所示的偶極矩示意圖中,AT堿基對偶極矩約為6.7×10-30C·m,GC堿基對偶極矩約為2.0×10-29C·m,方向從A/G指向T/C,中間堿基對質子轉移是氫原子攜帶正電荷轉移,其轉移方向與上下堿基對偶極矩方向相反時恰形成靜電吸引作用.因此上下相鄰堿基對與中間堿基對的靜電相互作用使得dATGCAT和dGCGCGC的排序有助于中間堿基對GC中H4a質子轉移(從胞嘧啶C轉移到鳥嘌呤G),dTAGCTA和dCGGCCG的排序有助于中間堿基對中H1質子轉移(從鳥嘌呤G轉移到胞嘧啶C),且dGCGCGC和dCGGCCG中上下鄰近GC偶極矩大于dATGCAT和dTAGCTA中AT偶極矩,因此對中間堿基對的質子轉移方式影響更大.同時胞嘧啶C的N3位質子親和勢比鳥嘌呤G的O6位大21.3 kJ·mol-1,從質子親和勢角度看,質子H1轉移比質子H4a轉移容易.

單個GC堿基對中兩質子H4a和H1轉移速度相當,發生了協同雙質子轉移,過渡態結構如圖3(a)所示.dATGCAT三聚體中靜電相互作用有助于質子H4a轉移,而質子親和勢有助于質子H1轉移.由于AT堿基對偶極矩較小,靜電相互作用微弱,因此質子轉移方式與單個GC堿基對相同,發生協同雙質子轉移(圖3(b)).dGCGCGC中靜電相互作用有助于H4a轉移,而質子親和勢有助于H1轉移,兩種因素平衡結果使dGCGCGC中仍保持協同轉移機理.質子轉移過程中由于GC堿基對間較大的靜電相互作用,過渡態結構(圖3(c))中質子H4a轉移比質子H1更快,O6…H4a鍵長僅為0.1058 nm.dTAGCTA中靜電相互作用和質子親和勢作用都促進質子H1轉移,但因為AT的偶極矩較小,上下相鄰堿基對對中間堿基對的作用很小,因此仍保持協同轉移方式.圖3(d)中過渡態結構顯示出質子H1轉移較快,H4a轉移較慢,H4a…N4鍵長仍為0.1097 nm.dCGGCCG中兩個因素同時有助于質子H1轉移,且GC的偶極矩較大,上下相鄰堿基對對中間堿基對的作用較強,因此發生了分步雙質子轉移方式.質子H1先轉移到C上得到單質子轉移產物,然后質子H4a再轉移到G上,最后得到雙質子轉移產物,過渡態結構見圖3(e,f).因此在中性DNA三聚體結構中,上下相鄰堿基對的靜電相互作用和質子接受位的質子親和勢共同影響質子轉移速率.

圖2 腺嘌呤-腺嘧啶(AT)和GC堿基對的偶極矩示意圖Fig.2 Diagrams for dipole moment of the adenine-thymine(AT)and GC base pairs

圖3 GC、dATGCAT、dGCGCGC、dTAGCTA和dCGGCCG五種模型的過渡態結構Fig.3 Transition state structures for five models of GC,dATGCAT,dGCGCGC,dTAGCTA,and dCGGCCG

3.1.2 氣相中質子轉移能線圖

圖4(a)描繪出了氣相中五種選定的中性體系的雙質子轉移反應能線圖.dATGCAT和dTAGCTA三聚體中,雙質子轉移反應的能壘與單個GC堿基對的能壘65.3 kJ·mol-1僅相差1.7和0.4 kJ·mol-1.主要是因為AT/TA堿基對的偶極矩約為6.7×10-30C·m(圖2),上下相鄰堿基對為AT/TA時,對中間堿基對的靜電相互作用不明顯.在dGCGCGC三聚體中,反應能壘比單個GC堿基對中的能壘小3.8 kJ·mol-1,主要是因為GC/CG的偶極矩約為2.0×10-29C·m(圖2),上下相鄰堿基對為GC/CG時對中間堿基對的靜電相互作用顯著.dCGGCCG三聚體中,分步轉移過程中相對能明顯地相差較小,第一、二個質子轉移能壘分別為58.2和54.0 kJ·mol-1.

在五種模型中,雙質子轉移反應都是吸熱反應.dATGCAT和dGCGCGC三聚體發生雙質子轉移反應的反應能分別為34.3和33.5 kJ·mol-1,與其它體系相比較小,這主要是因為AT/GC堿基對中偶極矩方向是從A/G指向T/C(圖2),dATGCAT和dGCGCGC三聚體中三個堿基對的偶極矩方向相同,由于堿基對間靜電排斥作用,結構不穩定,容易發生質子轉移反應.相反,dTAGCTA和dCGGCCG三聚體由于靜電吸引作用,結構相對穩定,較難發生質子轉移反應,其對應的反應能較大,分別為39.3和41.8 kJ·mol-1.雖然五個模型中質子轉移反應都為吸熱反應,但其反應能壘(53.1-65.3 kJ·mol-1)在合理的范圍(12.6-117.2 kJ·mol-1)內,且其反應能(33.5-41.8 kJ·mol-1)小于～54.4 kJ·mol-1,滿足經典的過渡態理論和異構體存在的能差,12因此當外部條件滿足時,雙質子轉移反應就可能發生.

圖4 氣相(a)和水溶液(b)中五種模型雙質子轉移能線圖,包含協同轉移和分步轉移Fig.4 Energy profiles for double-proton transfer of the five models in gas phase(a)and in aqueous solution(b),including the concerted and stepwise processes

3.1.3 氣相中質子轉移反應的氫鍵變化

質子轉移過程中氫鍵變化最明顯.在發生協同轉移的過渡態中,轉移質子H4a和H1所在的氫鍵O6…H4a―N4和N1―H1…N3均明顯縮短(表1)有利于質子轉移.在dATGCAT的過渡態中O6…H4a―N4氫鍵比轉移前縮短了0.0303 nm,N1―H1…N3氫鍵縮短了0.0279 nm.對于發生分步轉移的dCGGCCG三聚體,第一過渡態中N1―H1…N3氫鍵由0.2942 nm縮短到0.2695 nm,第二過渡態中O6…H4a―N4氫鍵由0.2841 nm縮短到0.2492 nm,極大地方便了質子轉移.兩氫鍵在雙質子轉移完成后又有所增長,但較質子轉移前略短.沒有發生質子轉移的氫鍵N2―H2a…O2鍵長變化較小,且變化沒有規律性.

3.2 水溶劑中質子轉移反應

3.2.1 水溶劑中質子轉移方式

考慮水溶劑作用后,雙質子轉移中分步轉移機理占據了絕對優勢,沒有得到協同轉移的過渡態,這是因為水溶劑對SPT結構的穩定作用.表2中列出了質子轉移過程中各結構的電荷分布,可以看出在原始反應物和雙質子轉移產物中中間堿基對的兩堿基間幾乎沒有電荷差,而其單質子轉移產物中存在明顯的電荷差,正電荷主要分布在胞嘧啶C上而負電荷主要分布在鳥嘌呤G上,這種電荷分布不均衡的結構在氣相中是極不穩定的,而在水溶劑中,這樣的極化結構卻被水溶劑大大地穩定,因此分步轉移機理占優勢.

表1 氣相和水溶液(括號中數據)中五種模型對應的原始結構(WC)、過渡態結構(TS)和質子轉移結構(PT)中處于中間的堿基對結構的三個氫鍵鍵長Table 1 Three hydrogen-bond lengths for the middle GC base pair of the canonical Watson-Crick(WC),transition state(TS),and proton-transferred(PT)base pair structures in the five neutral models in gas phase and in aqueous solution(in brackets)

表2 水溶劑中五種模型的原始結構、單質子轉移產物和雙質子轉移產物中處于中間的堿基對結構的鳥嘌呤和胞嘧啶單體電荷分布Table 2 Charge distribution for the guanine and cytosine moieties of the middle GC base pairs of the canonical Watson-Crick,single-proton-transferred,and double-proton-transferred base pairs in the five neutral models in aqueous solution

3.2.2 水溶劑中質子轉移能線圖

圖4顯示水溶劑中分步雙質子轉移的反應能壘較氣相中協同轉移能壘降低(分步轉移能壘約51.5 kJ·mol-1,協同轉移能壘約63.6 kJ·mol-1).上下相鄰堿基對對中間堿基對的靜電相互作用被減弱,不同排序DNA三聚體在質子轉移過程中表現出相似的能量變化趨勢.單個GC堿基對中質子H1轉移能壘為42.7 kJ·mol-1,明顯低于四種DNA三聚體的質子轉移能壘(約為51.7 kJ·mol-1),這主要是因為STS1_GC結構中氫鍵N1―H1…N3較短的鍵長(0.2624 nm)有利于H1轉移(DNA三聚體中N1―H1…N3氫鍵鍵長為0.2682-0.2692 nm),質子轉移過程中結構的氫鍵鍵長見表1.水溶劑中堿基對的雙質子轉移仍為吸熱反應.

3.2.3 水溶劑中質子轉移反應的氫鍵變化

水溶劑作用后,質子轉移過程中變化最明顯的部分仍為氫鍵.從表1中可以看出,第一個過渡態結構中氫鍵N1―H1…N3明顯縮短,這極大地方便了質子H1轉移,其次氫鍵O6…H4a―N4也有較明顯縮短,為質子H4a轉移提供了便利.質子H1轉移到對面胞嘧啶C的N3位后,H4a開始轉移,在第二個過渡態結構中氫鍵O6…H4a―N4進一步縮短到0.2480-0.2492 nm,這極大地方便了質子H4a轉移到對面鳥嘌呤G的O6位.質子轉移反應完成之后,在雙質子轉移產物結構中氫鍵O6…H4a―N4和N1―H1…N3較反應前都有縮短趨勢,而未發生質子轉移的氫鍵N2―H2a…O2則增長.

4 結論

計算結果表明,氣相中觀測到協同轉移和分步轉移兩種雙質子轉移方式,主要是由上下相鄰堿基對的靜電相互作用和質子接受位的質子親和勢大小來決定.dATGCAT和dGCGCGC排序有助于質子H4a轉移,而dTAGCTA和dCGGCCG排序有助于質子H1轉移.胞嘧啶的N3質子親和勢較鳥嘌呤的O6位大,使H1質子較易轉移.溶劑化效應使得靜電相互作用被減弱,也穩定了分步雙質子轉移過程中電荷分布不均衡的單質子轉移產物,因此分步機理占據了絕對優勢.

氣相中,dATGCAT和dGCGCGC排序的DNA三聚體具有較小的雙質子轉移反應能,而dTAGCTA和dCGGCCG排序的DNA三聚體具有相對較大的反應能,主要是因為上下相鄰堿基對的靜電相互作用.溶劑化效應使得五種模型雙質子轉移過程中各結構能量變化趨勢相似,水溶劑中雙質子轉移的反應能都比氣相中增大,從熱力學方面分析水溶劑雖然有助于單質子轉移,卻不利于雙質子轉移反應.所選五種模型的GC堿基對雙質子轉移過程中氫鍵N1―H1…N3和O6…H4a―N4鍵長有先縮短再增長的變化趨勢,有利于質子轉移.

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