鸟嘌呤受羟基自由基损伤反应机理的量子化学研究

Vol .31
高等学校化学学报
No .2
2010年2月
CHE M I CAL JOURNAL OF CH I N ESE UN I V ERSI TI ES
379～382
鸟嘌呤受羟基自由基损伤反应
机理的量子化学研究
申勇立1
,郝金库
1,2
,曹映玉2,杨恩翠2,刘书文
2
(1.南开大学化学学院,天津300071;2.天津师范大学化学与生命科学学院,天津300387)
摘要　用密度泛函理论(DFT )研究羟基自由基与鸟嘌呤分子加成反应的过渡态,并进行内禀反应坐标
(I RC )反应路径解析,结果表明,羟基自由基加成到鸟嘌呤碳碳双键上.利用B3LYP /6231++G 33对反应
物、反应物络合物、过渡态以及产物络合物等反应通道上各个能量驻点的能量进行了计算,得到反应活化能
E a =2810867kJ /mol .A I M 计算结果显示,过渡态结构中鸟嘌呤分子碳碳双键结构被削弱,羟基自由基氧原
子与鸟嘌呤分子碳碳双键中的C4原子具有较强的相互作用,双键中剩余的π电子离域到了环体系中.关键词　鸟嘌呤;羟基自由基;密度泛函理论;内禀反应坐标
中图分类号　O641 文献标识码　A 文章编号　025120790(2010)022*******
收稿日期:2009203204.
基金项目:天津市自然科学基金(批准号:023606411)和教育部重点科研项目基金(批准号:03009)资助.联系人简介:郝金库,男,教授,博士生导师,主要从事催化与应用量子化学研究.E 2mail:haoeyou@eyou .com
F i g .1　Nu m ber i n g structure of guan i n e
嘌呤碱基和嘧啶碱基是DNA 的基本组成成分,羟基自由基(・
OH )与DNA 嘌呤碱基和嘧啶碱基进
行反应,造成DNA 断键损伤.研究羟基自由基造成DNA 损伤及其修复的机制,在理论和实践上都具
有重要意义[1～3]
.本文利用密度泛函理论(DFT )研究了鸟嘌呤与羟基自由基加成反应的过渡态,并进行了内禀反应坐标(I RC )反应路径解析,阐述了反应体系构型、键级以及单电子自旋密度的变化,对反应物鸟嘌呤及过渡态结构进行了电子密度拓扑学分析.
1　计算方法
用DFT/B3LYP /6231G 和DFT/UB3LYP /6231G 对反应物和产物分子的几何构型进行优化及频率计算,寻找该反应的过渡态结构,对所得过渡态进行内禀反应坐标反应路径分析.用DFT/B3LYP /
6231++G 33和DFT/UB3LYP /6231++G 33
对反应物、反应物络合物、过渡态、产物络合物以及产物进行能量计算,所有的计算均使用Gaussian 03软件包进行.电子密度拓扑学分析采用A I M 2000进行.
2　结果与讨论
2.1　鸟嘌呤分子及羟基自由基构型的优化
2.1.1　羟基自由基构型的优化　在UB3LYP /6231G 水平下对羟基自由基进行结构优化,优化构型中
氧原子和氢原子的电子自旋密度分别为110371和-010371,可见单电子主要集中于羟基自由基的氧原子上,氧原子是羟基自由基与鸟嘌呤反应的反应位原子.
2.1.2　鸟嘌呤分子构型的优化　用DFT/B3LYP /6231G
方法优化鸟嘌呤分子,其优化结构如图1所示.由表1中的结构数据可见,鸟嘌呤为平面共轭结构.2.2　鸟嘌呤与羟基自由基反应过渡态
羟基自由基与鸟嘌呤分子反应发生在C4和C5双
Table 1　Structure param eters of guan i n e fro m B3LY P /6231G ca lcul a ti on s
3
C4—C5011400C5—N8011397N3—C4—C512811022C1—C5—C4—N3010058N3—C4011365C1—O11011243C1—C5—C411913849C1—C5—C4—N617919956C5—C1
011433
C2—N12
011365
N8—C5—C411014163N6—C4—C5—N8-010105N6—C4—C5
10515287
N3—C4—C5—N8
18010000
3Energy:1142×106kJ /mol .Bond lengths are in nm,bond angles and dihedral angles are in degree .
键上,可能产物有2种,如图2所示.由UB3LYP /6231G 33
计算加成到C4和C5的能量分别为产物Ⅰ
(C4)-61813228Hartree,产物Ⅱ(C5)-61813034Hartree,可见羟基自由基加成到C4原子上产物的能量较低,更稳定.单电子自旋密度计算结果显示,产物Ⅰ中O11的单电子自旋密度为010277,而产物Ⅱ中O11的单电子自旋密度为018152,可见在产物Ⅱ中,羟基自由基中的电子已经更多地分散到鸟
嘌呤分子中,结构更稳定[4]
.能量和电子自旋密度综合分析表明,羟基自由基加成到鸟嘌呤分子C4形成的产物结构更稳定.以三元环结构为初始结构,采用DFT/UB3LYP /6231G 寻找羟基自由基与鸟嘌呤分子加成机理的过渡态,得到如图3所示的过渡态结构,其振动频率分析只有一个虚频,结构数据列于表2.
由表2数据可见,过渡态C4—O11键长为011245n m ,与C —O 单键长相近,在羟基自由基与鸟嘌呤反应进程中,羟基自由基破坏了鸟嘌呤分子的C4和C5双键结构,其氧原子可能与鸟嘌呤分子中的C4成键
,产物Ⅰ应为该反应的优势产物.过渡态骨架结构原子间的二面角数据表明,反应物鸟嘌呤分子原平面结构被破坏.自然键轨道(NBO )分析显示过渡态中C4—C5的键级为111495,而鸟嘌呤分子中C4—C5的键级为113384.另外在过渡态结构中,芳香环上各个原子的单电子自旋密度从原来的全部为0,分别变为C1(-010352),C2(010031),N3(-010101),C4(-010752),C5(013044),N17(-010069),可见鸟嘌呤分子的芳香环体系已经被破坏,双键打开以后的羟基自由基单电子已经离域到整个环上,羟基自由基中氧原子的单电子自旋密度也减小为015691,表明羟基自由基已经与鸟嘌呤分子结合.
F i g .2　Possi ble products Ⅰ(C4)(A)and Ⅱ(C5)(B)of
guan i n e react w ith hydroxyl rad i ca l
F i g .3　Nu m ber i n g structure of the tran siti on st a te
of guan i n e react w ith hydroxyl rad i ca l
Table 2　Structura l param eters of the tran siti on st a te of guan i n e react w ith hydroxyl rad i ca l fro m UB3LY P /6231G
3
C4—C5011441　C5—N8
011378　N3—C4—C512510844　C1—C5—C4—N31817019N3—C4011377　C1—O13011245　C1—C5—C411818132　C1—C5—C4—N617010352C5—C1011438　C4—O11011961　N8—C5—C411019226　N3—C4—C5—N8-15716373C4—N6
011394
　O11—H12
010990
　N6—C4—C510314794　N6—C4—C5—N8-613040　O11—C4—C59317602　O11—C4—C5—C1-9210338　H12—O11—C4
10617322　H12—O11—C4—C5
4118295
3I m aginary frequency:-40414806cm -1;energy:-1162×106kJ /mol .Bond lengths are in nm,bond angles and dihedral angles are in
degree .
2.3　鸟嘌呤分子与羟基自由基反应过渡态的电子密度拓扑学分析
采用文献[5～7]方法,反应过渡态结构电子密度拓扑学给出的键鞍点(BCP )和环鞍点(RCP )如图4所示(原子编号同图3).反应物鸟嘌呤及反应过渡态结构电子密度拓扑学数据结果列于表3.化学键的本质是原子之间电子密度的积累,电子在原子之间出现的几率越大,则化学键越牢固.由表3可见,羟基中氧原子与鸟嘌呤分子中的C4原子之间已有一定的电子密度,而鸟嘌呤分子中的C4和C5双键在其与羟基反应的过渡态中电子密度明显减小,其碳碳双键结构被削弱;同时由于羟基自由基抽取了C4C5双键结构中的一个π电子,剩余的π电子离域到环结构中,故相邻的C5N8键却被加强了.由图4(B )中反应位的梯度线可明显看到羟基氧与鸟嘌呤分子中的C4原子之间的键径以及键鞍点.
83高等学校化学学报 Vol .31　
F i g .4　M olecul ar graphs(i n clud i n g cr iti ca l po i n ts)(A)and grad i en t vector f i eld(O11—C4—C5)of charge
den sity of the tran siti on st a te of guan i n e react w ith hydroxyl rad i ca l(B)
Bond paths are denoted by lines,BCPs are denoted by black dots,RCPs are denoted by s olid triangles .
Table 3　Topolog i ca l properti es of electron den sity d istr i buti on s of guan i n e and the tran siti on st a te of guan i n e
react w ith hydroxyl rad i ca l fro m B3LY P /6231G and UB3LY P /6231G ca lcul a ti on s
Item
Reactant
ρb
2ρb
Transiti on state
ρb
2ρb
C4—O11010768-010440 C4—N6012920011862012865011887 C4—N3013099012111013055011997 C4—C5012972011658012795011462 C5—N8012898011734013029011921 C5—C1
012777011508012758011482R ing (C4—C5—N8—C7—N6)
010484-010*********-010985R ing (C4—C5—C1—N17—C2—N3)
010212
-010401
010209
-010391
2.4　鸟嘌呤分子与羟基自由基反应过渡态的内禀反应坐标反应路径解析
2.4.1　鸟嘌呤分子与羟基自由基反应过渡态能量随反应坐标的变化　用UB3LYP /6231G 对所得过渡
F i g .5　Energy curve of guan i n e react w ith
hydroxyl rad i ca l
态结构进行内禀反应坐标反应路径的解析[8～17]
,能量曲线如图5所示.2.4.2　鸟嘌呤分子与羟基自由基反应过渡态反应位键长以及二面角随反应坐标的变化　随着反应的进行,C4与O11之间的距离逐渐减小(由012371n m 变化至011461n m ),即羟基自由基在反应过程中一直接近嘌呤环上的C4原子;而C4与C5之间的距离则逐渐增大(由011411n m 变化至011518nm ),可见二者之间的双键结构已经遭到破坏.过渡态O11—C4—C5的键角为9317602°,二面角C1—C5—C4—N3从-215437°变化至3818707°,
N4—C5—C6—N7从-17912729°变化至-13019030°,表明原嘌呤环共轭结构体系已被破坏.
2.4.3　鸟嘌呤分子与羟基自由基反应过渡态反应位键级随反应坐标的变化　I RC 能量曲线上各点反
应位的键级分析表明,C4—O11之间的键级逐渐增加(由010910变化至018327),可见二者之间随着反应进行的逐渐成键;H12—O11之间的键级则逐渐减小(由018191变化至017564),即随着反应的进行,羟基自由基的H —O 键同时发生了松动;C4—C5之间的键级也逐渐减小(由112531变化至019782),可见随着反应的进行,嘌呤环芳香体系逐渐被破坏,C4—C5之间的作用逐渐减弱.
2.4.4　鸟嘌呤分子与羟基自由基反应过渡态反应位单电子自旋密度随反应坐标的变化　I RC 能量曲
线上各点反应位的单电子自旋密度分析表明,随着反应的进行,O11上的单电子自旋密度在经过很短的一段平稳后,突然减小(由018281变化至010625);而C4上的单电子自旋密度由-010015变化至-010288,可见羟基自由基在反应中逐渐与嘌呤环上的C4结合;C5的单电子自旋密度由011306变化
至014874,即随着反应的进行,嘌呤环的芳香体系逐渐被破坏,双键电子转移到C5和C4原子上.2.5　鸟嘌呤分子与羟基自由基反应过程中各能量驻点的计算
分别在RB3LYP /6231++G 33和UB3LYP /6231++G 33
水平下计算反应物、反应物络合物、产物络
1
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　申勇立等:鸟嘌呤受羟基自由基损伤反应机理的量子化学研究
283高等学校化学学报 Vol.31　
合物以及过渡态的能量,结果如表4所示.由过渡态与反应物络合物的能量差计算得到反应活化能为2810867kJ/mol.
Table4　Acti va ti on energy and energy of a ll the st a ti onary po i n t of guan i n e react w ith hydroxyl rad i ca l
E Reactant/Hartree E Reactant co mp lex/Hartree E Transiti on state/Hartree E Pr oduct co mp lex/Hartree E a/(kJ・mol-1)
-162332118344-162335515947-162332715080-1623406154132810867
参　考　文　献
[1]　V ieira A.J.S.C.,Steenken S..J.Am.Che m.Soc.[J],1990,112:6986—6994
[2]　V ieira A.J.S.C.,Steenken S..J.Phys.Che m.[J],1987,91:4138—4144
[3]　ZHANG Gui2L ing(张桂玲),DA IBai2Q ing(戴柏青).Chin.J.B i oche m.Mol.B i ol.(中国生物化学与分子生物学报)[J],2000,
16(1):120—123
[4]　Z HANG Gui2L ing(张桂玲),ZHANG Yan(张严),DA IBai2Q ing(戴柏青).Natural Science Journal of Harbin Nor mal University(哈尔
滨师范大学自然科学学报)[J],1998,14(4):73—76
[5]　R ichard F.W..Bader Che m.Rev.[J],1991,91:893—928
[6]　ZHANG Yun2hui,HAO Jin2ku,WANG Xia,et al..Journal of Molecular Structure(Theoche m.)[J],1998,455:85—99
[7]　T ANG Ting2hua,F ANG De2cai,Harris on A.G.,et al..Journal ofMolecular Structure(Theoche m.)[J],2004,675:79—93
[8]　WANG W an2De(王万得),Y ANG En2Cui(杨恩翠),HAO Jin2Ku(郝金库),et al..Che m.J.Chinese Universities(高等学校化学学
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[9]　SHEN Yong2L i(申勇立),CAO Ying2Yu(曹映玉),Y ANG En2Cui(杨恩翠),et al..Che m.J.Chinese Universities(高等学校化学学
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[12]　Silva A.M.,Goodman M.J..Tetrahedr on Letters[J],2005,46:2067—2069
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Quan tum Che m i ca l Stud i es on the Damage M echan is m of
Hydroxyl Rad i ca l to Guan i n e
SHEN Yong2L i1,HAO J in2Ku1,23,CAO Ying2Yu2,Y ANG En2Cui2,L IU Shu2W en2
(1.College of Che m istry,N ankai U niversity,Tianjin300071,China;
2.College of Che m istry and L ife Science,T ianjin N or m al U niversity,Tianjin300387,China)
Abstract　Op ti m ize the molecular structure of guanine with B3LYP/6231G,the result show that the molecular is a p lanar structure.Searching the transiti on state of guanine reacted with hydr oxyl radical under UB3LYP/ 6231G.I nternal reacti on coordinate(I RC)calculati on was carried under the sa me theoretical level.The result show that the p lanar structure is br oken by the hydr oxyl radical,the hydr oxyl radical is added t o the carbon2 carbon double bond.More exact energies of all the stati onary points on the reacti on path were calculated under B3LYP/6231G33.The activati on energy was2810867kJ/mol.A I M results showed that the carbon2carbon double bond beca me weaken in the transiti on state.The oxigon at o m of the hydr oxyl radical was bonded with C4at om.
Keywords　Adenosine;Hydr oxyl radical;Density functi on theory(DFT);I nternal reacti on coordinate(I RC)
(Ed.:H,J,Z)。