Cu2+对腺嘧啶-胸腺嘧啶碱基对阴离子质子转移的影响

张 凤 王红艳 林月霞

(西南交通大学物理科学与技术学院,成都610031)

Cu2+对腺嘧啶-胸腺嘧啶碱基对阴离子质子转移的影响

张 凤 王红艳*林月霞

(西南交通大学物理科学与技术学院,成都610031)

采用B3LYP/DZP++方法研究了腺嘌呤-胸腺嘧啶(A-T)碱基对阴离子(AT)-的单质子转移机理以及金属离子Cu2+对(AT)-碱基对质子转移的影响.(AT)-碱基对的单质子转移路径是由胸腺嘧啶N25位上的质子H26沿分子间的氢键N25－H26…N10转移到腺嘌呤的N10位.金属Cu2+可通过络合作用分别吸附在(AT)-碱基对O24、O28、N4、N13上,从而影响(AT)-碱基对中质子转移过程.Cu2+络合作用在胸腺嘧啶(T)的O24、O28上时,发生了从胸腺嘧啶到腺嘌呤方向上的单质子转移反应;而作用在腺嘌呤(A)的N4、N13上时,得到了双质子转移的稳定产物.

密度泛函理论;碱基对;质子转移;络合作用;DNA破损

1 引言

脱氧核糖核酸(DNA)分子的双螺旋结构是由A-T和G-C碱基通过氢键配对来维持的,当氢键上的质子发生转移,可能会导致基因的突变,造成DNA破损.DNA破损是导致生物变异的主要原因,是肿瘤、遗传病、代谢病等许多疾病的主要形成因素,所以研究氢键内的质子转移机理具有重要的意义.

A-T和G-C碱基对中质子转移机理的研究已有很多文献报道.1-6Shimizua等7采用6-31G(d,p)基组, B3LYP、MP2、HF方法对中性的A-T碱基对的质子转移机理进行了研究,认为中性的A-T碱基对可以发生双质子转移和由胸腺嘧啶到腺嘌呤方向上的单质子转移.Villani8采用动力学的方法研究了A-T碱基对发生双质子转移的同分异构体,由氢键的键长变化得到了A-T碱基对的势能面.过渡金属(Fe、 Cu、Mn等)离子对碱基有相当重要的络合作用,金属离子的络合作用是生物体系发生氧化还原反应的关键,研究金属离子与生物大分子间的相互作用是目前的一个热点课题.9-112008年Noguera等12采用B3LYP/6-31++G(d,p)的方法,讨论了金属阳离子Cu+/Cu2+络合作用对中性A-T碱基对质子转移的影响,在胸腺嘧啶O28的位置加入Cu+,得到从胸腺嘧啶到腺嘌呤方向上的单质子转移,在腺嘌呤的N4和N13位置分别加一个Cu+得到了双质子转移的产物.

当生物组织受到电离辐射时,产生的低能电子参与生物反应,会形成DNA碱基对阴离子,更易于与金属离子络合,很可能会造成DNA的损伤.13-16然而目前对于(AT)-碱基对的研究主要集中在电子亲和势方面,4,15,17但关于(AT)-质子转移路径的研究却未见报道.本文采用密度泛函理论的B3LYP/DZP++方法分析了(AT)-碱基对中的质子转移机理,并讨论了过渡金属离子Cu2+的络合作用对(AT)-碱基对质子转移的影响.

2 计算方法

采用B3LYP/DZP++方法,应用Gaussian 03程序18计算了气相下(AT)-碱基对的质子转移过程. B3LYP的方法是以Becke三参数交换泛函与Becke19和Lee等20设计的动力学相关泛函(LYP)相结合组成的杂化密度泛函,该方法经常用于含氢键体系的研究.21-23DZP++基组是在全电子双ζ极化基组DZP中加入弥散函数构成.24,25对于H原子在Huzinaga-Dunning的ζ基组中加上一个p态的极化函数,对于C、N、O原子是在Huzinaga-Dunning紧缩双ζ基组中加上五个d态的极化函数[αp(H)=0.75,αd(C)=0.75, αd(N)=0.80,αd(O)=0.85],收缩基函数为(9s5p1d/ 4s2p1d).对于 Cu原子采用的收缩基函数为(14s11p6d/10s8p3d),即在Wachters初始函数中加入两个p态和一个d态函数.26,27对于(AT)-碱基对,所采用的DZP基函数为427个,当加入Cu2+后,形成的Cu2+(AT)-络合物的总基组为476个,计算过程中的收敛精度为10-8.

计算中对反应物和产物进行了全空间优化和频率分析,反应物和产物所有的频率为正,过渡态采用Berny的方法进行优化,过渡态的频率只出现一个虚频,而且该虚频的振动模式对应反应物和生成物.

3 结果与讨论

3.1 A-T碱基对阴离子的单质子转移机理

A-T碱基对中存在两种可能的单质子转移路径(图1):(1)胸腺嘧啶N25位上的质子H26沿N25－H26…N10氢键转移到腺嘌呤的N10位上;(2)腺嘌呤N7位上的质子H9沿N7－H9…O24氢键转移到胸腺嘧啶的O24位上.A-T碱基对受到电离辐射后形成阴离子(AT)-,分别计算了(AT)-碱基对两种可能的单质子转移路径1、2,即把H26和H9分别放到N10和O24位置附近,并进行优化,结果只发现沿路径1的单质子转移过程(图2),质子H9未发生转移.我们考虑了(AT)-碱基对的两种双质子转移机理.第一种为协同机理,即把H26和H9同时放到N10和O24位置附近,并进行优化;第二种为分步机理,首先,我们优化得到H26沿氢键N25－H26…N10发生单质子转移后的结构,然后把腺嘌呤上的H9放到胸腺嘧啶的O24附近,再对此结构进行优化.由以上两种计算方式我们均未得到(AT)-碱基对双质子转移的过渡态和产物.所以确定(AT)-碱基对只存在一种单质子转移,即胸腺嘧啶N25位上的质子H26沿N25－H26…N10氢键转移到腺嘌呤的N10位上.在阴离子(AT)-中负电荷主要分布在胸腺嘧啶上,胸腺嘧啶上各个原子的自然键轨道(NBO)电荷总和为-0.90,腺嘌呤上各个原子的NBO电荷总和为-0.10,胸腺嘧啶的负电荷总量比腺嘌呤所带的负电荷总量多0.80.

(AT)-碱基对中胸腺嘧啶N25位上的质子H26沿N25－H26…N10氢键转移到腺嘌呤的N10位,生成单质子转移产物(AT)-PT.质子转移前后与氢键相邻的键长发生了明显的变化:腺嘌呤上的C6－N7、N10－C6和N10－C11的键长分别增加了0.0073、0.0047和0.0006 nm,胸腺嘧啶上C23－O24、N25－C23和N25－C27的键长分别减小了0.0031、0.0064和0.0019 nm.单质子转移的过程中,氢键N25－H26…N10的距离减小了0.0273 nm,N7－H9…O24的距离增加了0.0371 nm.(AT)-发生单质子转移,反应物的能量比质子转移后产物能量低28.5 kJ·mol-1,单质子转移的能垒为47.0 kJ·mol−1,说明单质子转移产物的结构没有反应物稳定,(AT)-碱基对中质子转移不易发生.

图1 A-T碱基对的单质子转移路径Fig.1 Single proton transfer processes forA-T base pair

3.2 Cu2+络合作用对(AT)-碱基对质子转移的影响

3.2.1 Cu2+(AT)-中质子转移途径

(AT)-碱基对中的O24、O28、N4、N13原子上分别存在孤对电子,可以作为电子给予体与金属Cu2+作用,分别在这四个位置加上Cu2+,并采用与(AT)-碱基对相同的质子转移的计算方法计算Cu2+(AT)-这四种络合物的单质子转移和双质子转移路径.我们得到, Cu2+吸附在胸腺嘧啶的O24、O28位置时,只发生了从胸腺嘧啶到腺嘌呤方向上的单质子转移,双质子转移没有发生;Cu2+吸附在腺嘌呤的N4和N13位置时,发生了分子间的双质子转移,两种路径上的单质子转移均没有发生.以上计算结果表明Cu2+络合作用对(AT)-碱基对的质子转移影响显著.

图3给出了Cu2+(ATO24)-、Cu2+(ATO28)-、Cu2+(AN4T)-和Cu2+(AN13T)-四种络合物发生质子转移的反应物、过渡态以及产物的结构和主要几何参数的变化. Cu2+(ATO24)-和Cu2+(ATO28)-中胸腺嘧啶N25位上的质子H26沿N25－H26…N10氢键转移到腺嘌呤的N10位上,发生单质子转移.腺嘌呤上与氢键相邻的N10－C6的键长分别增加0.0009和0.0011 nm,N10－C11分别增加0.0008和0.0013 nm,C6－N7键长分别减小0.0016和0.0017 nm,胸腺嘧啶上N25－C23的键长分别减小0.0023和0.0023 nm,N25－C27分别减小0.0020和 0.0020 nm,C23－O24键长分别增加0.0024和0.0019 nm.质子转移前后,腺嘌呤和胸腺嘧啶位于同一平面,未改变碱基对的平面结构.Cu2+(AN4T)-中Cu2+同时与腺嘌呤中的N4和N7作用,形成一个较稳定的五元环,发生双质子转移.胸腺嘧啶N25位上的质子H26沿N25－H26…N10氢键转移到腺嘌呤的N10位上,腺嘌呤N7位上的质子H9沿N7－H9…O24氢键转移到胸腺嘧啶O24位上,A、T两个碱基单体发生平面偏移旋转,形成两个新的氢键N7－H8…N25和N10－H26…O28,络合物结构发生了显著变化.Cu2+(AN13T)-中胸腺嘧啶N25位上的质子H26和腺嘌呤N7位上的质子H9同时转移,与氢键相邻的N10－C6、N10－C11的键长分别增加0.0040和0.0006 nm,C6－N7键长减小0.0035 nm,N25－C23、N25－C27的键长分别减小0.0057和0.0007 nm,C23－O24键长增加0.0070 nm,质子转移前后结构变化不明显.

3.2.2 Cu2+络合作用对(AT)-碱基对中氢键的影响

Cu2+的络合作用对氢键的影响非常明显,表1给出四种络合结构的反应物、过渡态和产物分别与(AT)-碱基对相比时的氢键变化,对于Cu2+(AN4T)-双质子转移产物,表1中将Cu2+(AN4T)-双质子转移产物新形成的氢键N7－H8…N25和N10－H26…O28分别与(AT)-产物中的两个氢键N7…H9－O24和N10－H26…N25进行比较.

对于反应物,Cu2+络合作用使得(AT)-碱基对中的N25－H26…N10的键长减小,N7－H9…O24的键长增加.当Cu2+的络合作用在胸腺嘧啶上与络合作用在腺嘌呤上时相比较,N25－H26…N10的距离发生了明显的减小,N7－H9…O24的距离发生了明显的增加,所以当Cu2+吸附在胸腺嘧啶的O24、O28位时,更有利于发生沿N25－H26…N10路径上的单质子转移;比较质子转移后的产物,Cu2+吸附在胸腺嘧啶的O24、O28和腺嘌呤的N13位时,两个氢键的长度都发生了减小,说明Cu2+的络合作用使得产物更加稳定;而吸附在胸腺嘧啶的N4位时,产物的结构发生了很大的变化,A、T两个碱基单体发生平面偏移,新的氢键N7－H8…N25和N10－H26…O28生成,其中N10－H26…O28与(AT)-碱基对中的N10－H26…N25相比,长度减小了0.0130 nm,N7－H8…N25与N7…H9－O24相比,长度增加了0.0276 nm.

图3 Cu2+(AT)-中质子转移途径Fig.3 Proton-transfer processes in Cu2+(AT)-distance in nm

表1 (AT)-和Cu2+(AT)-的反应物、过渡态和产物中的氢键键长(L/nm)Table 1 Hydrogen bond distances(L/nm)in reactant,transition state,and product of the(AT)-and Cu2+(AT)-

表2 (AT)-和Cu2+(AT)-的反应物、过渡态和产物的能量Table 2 Energies of reactant,transition state,and product for(AT)-and Cu2+(AT)-

图4 Cu2+(AT)-质子转移的能垒图及相对能量Fig.4 Relative energy profiles of proton-transfer processes in Cu2+(AT)-R,TS,and P are corresponding to reactant,transition state,and product.

3.2.3 Cu2+络合作用对(AT)-碱基对质子转移过程

中能量的影响

不考虑零点能修正,Cu2+(ATO24)-、Cu2+(ATO28)-、Cu2+(AN4T)-和Cu2+(AN13T)-的反应物、过渡态以及产物的能量如表2所示,当Cu2+吸附在腺嘌呤的N4位时,质子转移后的产物Cu2+(AN4T)-PT的能量最低,结构最稳定.

以Cu2+(AN4T)-R作为能量零点,图4绘出了四种络合结构在发生质子转移过程的能量变化.当Cu2+络合作用在胸腺嘧啶的O24和O28位时,反应物易越过能垒发生质子转移,且Cu2+(ATO24)-和Cu2+(ATO28)-的产物的能量比反应物的能量分别低21.1和18.7 kJ·mol-1,产物更加稳定,Cu2+络合作用有利于质子转移.当Cu2+络合作用在腺嘌呤的N13位,反应的势垒为66.9 kJ·mol-1,且产物的能量与过渡态的能量仅差1.5 kJ·mol-1,过渡态更容易向着反应物的方向发生,因此双质子转移过程不易发生.Cu2+络合作用在胸腺嘧啶的N4位时,A、T两个碱基单体发生平面偏移旋转,形成两个新的氢键,产物比反应物的能量低17.5 kJ·mol-1,产物的结构更加稳定,过渡态易于向着产物的方向发生,双质子转移过程可能发生.

4 结论

B3LYP/DZP++计算结果表明:(AT)-碱基对中只存在单质子转移,胸腺嘧啶N25位上的质子H26沿分子内的氢键N25－H26…N10转移到腺嘌呤的N10位,但是质子转移前(AT)-的能量比质子转移后产物低28.5 kJ·mol-1,单质子转移不易发生.金属Cu2+通过O24、O28、N4、N13位分别与(AT)-碱基对发生络合反应,Cu2+的络合作用对络合物的结构和氢键影响显著,在形成的四种络合物Cu2+(ATO24)-、Cu2+(ATO28)-、Cu2+(AN4T)-和Cu2+(AN13T)-中,Cu2+(AN4T)-的能量最低,结构最稳定.络合作用使得(AT)-碱基对中的N25－H26…N10的键长减小、N7－H9…O24的键长增加.Cu2+与胸腺嘧啶的O24、O28络合时,促进了胸腺嘧啶到腺嘌呤方向上的单质子转移;Cu2+与腺嘌呤的N13络合时,不易发生双质子转移.但是Cu2+与腺嘌呤的N4络合时,有利于双质子转移,A、T两个碱基单体发生了平面偏移,形成新的氢键,可能造成DNA的损伤.

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June 28,2011;Revised:September 10,2011;Published on Web:September 27,2011.

Effects of Cu2+on Proton Transfer Processes in an Adenine-Thymine Anion Base Pair

ZHANG Feng WANG Hong-Yan*LIN Yue-Xia
(School of Physical Science and Technology,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,P.R.China)

The proton-transfer processes of the adenine-thymine(A-T)base pair anion(AT)-and the Cu2+cationized(A-T)base pair anion were investigated using the B3LYP/DZP++method.A single protontransfer process was found for the(A-T)base pair anion in which proton H26at the N25site of thymine transferred to the N10site of adenine.The metal cation Cu2+can coordinate to the N4and N13sites of adenine as well as the O24and O28sites of thymine in(AT)-by coordination interactions.For Cu2+coordinated to the O24and O28sites of thymine the single proton transfer from thymine to adenine is possible.However,when Cu2+interacts with the N4or N13of adenine the double proton-transferred product was found to be stable.

Density functional theory;Base pair;Proton-transfer;Coordination;DNA damage

10.3866/PKU.WHXB20112799

*Corresponding author.Email:fengfeng0514@126.com;Tel:+86-18080923034.

The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(10974161,11004160)and Fundamental Research Funds for the Central Universities,China(SWJTU09CX079,2010ZT06).

国家自然科学基金(10974161,11004160)和中央高校基本科研业务费专项基金(SWJTU09CX079,2010ZT06)资助项目

O641