氢键对羟基自由基与鸟嘌呤反应影响的理论研究

doi:10.7503/cjcu20240208

高等学校化学学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (8): 20240208.doi: 10.7503/cjcu20240208

氢键对羟基自由基与鸟嘌呤反应影响的理论研究

王英辉¹(), 薛浩明², 马斌², 李宗璇³, 马亚婷², 马蕾¹, 魏思敏⁴()

^1.长安大学理学院
^2.建筑工程学院
^3.公路学院, 西安 710064
^4.陕西中医药大学, 陕西中药资源产业化省部共建协同创新中心, 咸阳 712083

收稿日期:2024-04-23 出版日期:2024-08-10 发布日期:2024-05-13
通讯作者: 王英辉 E-mail:wangyinghui@chd.edu.cn;weismiccas@163.com
作者简介:魏思敏, 女, 博士, 副教授, 主要从事纳米载药体系构建方面的研究. E-mail: weismiccas@163.com
基金资助:
国家自然科学基金(22103007);陕西省青年科技新星项目(2023KJXX-063);陕西省重点研发计划项目(2024SF-YBXM-517);西安市科技计划项目(22GXFW0153);陕西中医药大学2023年度科技创新人才体系建设计划项目(2023-LJRC-03);大学生创新创业训练计划项目(S202310710221);陕西省自然科学基础研究计划项目(2024JC-YBQN-0586)

Theoretical Studies of Effect of Hydrogen Bond on Reaction of Hydroxyl Radicals and Guanine

WANG Yinghui¹(), XUE Haoming², MA Bin², LI Zongxuan³, MA Yating², MA Lei¹, WEI Simin⁴()

^1.School of Science
^2.School of Civil Engineering
^3.School of Highway，Chang’an University，Xi’an 710064，China
^4.Co?construction Collaborative Innovation Center for Chinese Medicine Resources Industrialization by Shaanxi & Education Ministry，Shaanxi University of Chinese Medicine，Xianyang 712083，China

Received:2024-04-23 Online:2024-08-10 Published:2024-05-13
Contact: WANG Yinghui E-mail:wangyinghui@chd.edu.cn;weismiccas@163.com
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(22103007);the Science and Technology Youth Stars Project of Shaanxi Province, China(2023KJXX-063);the Key Research and Development Plan of Shaanxi Province, China(2024SF-YBXM-517);the Xi’an Science and Technology Plan Project, China(22GXFW0153);the Science and Technology Innovation Talent System Construction Plan of Shaanxi University of Chinese Medicine, China(2023-LJRC-03);the Innovation and Entrepreneurship Training Program for College Students, China(S202310710221);the Natural Science Foundation of Shaanxi Province, China(2024JC-YBQN-0586)

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摘要/Abstract

摘要：

羟基自由基(^•OH)是一种有代表性的活性氧物质（ROS）, 可与DNA分子反应导致DNA损伤. 研究结果表明， ^•OH与鸟嘌呤(G)反应具有氢键依赖特性, 反平行三链中G碱基氢键环境与已报道的体系不同, 且更复杂, 可能导致反平行三链中^•OH与G碱基衰变反应不同. 基于此, 本文选取反平行三链碱基对GGC为模型, 通过结构分析、最高占据轨道计算、构建C4， C5， C8加成和夺氨基氢(⁃H2)反应吉布斯自由能面等研究了氢键对G与^•OH反应的影响. 结果显示， ^•OH可与第三条链中的G碱基通过直接夺氢反应生成中性自由基G(-H2)^•; C8加成自由基在O₂参与时易生成8-oxoG, 能垒低于夺氢路径, 为主反应通道, 但夺氢路径可与之竞争; 此外, 离子对中间体稳定性受氢键影响, 在GGC碱基对中, 羟基化自由基比离子对中间体更稳定.

关键词: 羟基自由基, 氢键, 反平行三链DNA, 加成反应, 夺氢反应

Abstract:

Hydroxyl radical（^•OH） is a representative reactive oxygen species（ROS） with high oxidation potential， and could lead to the indiscriminate chemical modification on DNA causing oxidative damage. Interestingly， it has documented that the reaction of ^•OH and guanine（G） reveals hydrogen bond-dependent fashion. Due to the highly specific binding of triplex forming oligonucleotide（TFO） to target duplex DNA leading to various surroundings of G， it makes triplex DNA as a prototype model to be examined. Inspired by this， by selecting the building block of antiparallel triplex DNA-GGC motif as the substrate， a comprehensive theoretical investigation was performed to illuminate the influence of hydrogen bond on the obscure reaction of ^•OH and G by structural analysis， HOMO calculation and mapping the energy profiles for both addition and hydrogen abstraction reactions. Results reveal that the G located in TFO is more susceptible to the attack of ^•OH. In GGC base pair， the neutral radical G（-H2）^• could be formed by direct H-abstraction， where the participation of explicit water is adverse to H-abstraction from N2 of G. The electrophilic attack of ^•OH to C8 of G resulting in 8-oxoG is the most favorable course due to the lowest energy barrier in comparison with H-abstraction pathway. And the stability of ion-pairs appears to significantly influence by hydrogen bond， which is less stable than the hydroxylated radicals different with free G. These results show clearly that the hydrogen bonds guide the reaction flux of ^•OH and G.

Key words: Hydroxyl radical, Hydrogen bond, Antiparallel triplex DNA, Addition reaction, Hydrogen abstraction reaction

中图分类号:

O641

TrendMD:

王英辉, 薛浩明, 马斌, 李宗璇, 马亚婷, 马蕾, 魏思敏. 氢键对羟基自由基与鸟嘌呤反应影响的理论研究. 高等学校化学学报, 2024, 45(8): 20240208.

WANG Yinghui, XUE Haoming, MA Bin, LI Zongxuan, MA Yating, MA Lei, WEI Simin. Theoretical Studies of Effect of Hydrogen Bond on Reaction of Hydroxyl Radicals and Guanine. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(8): 20240208.

图/表 8

Fig.1 Structure of triplex DNA and GGC motif

Fig.2 Optimized geometries of GGC and G(⁃H2)•⁃GC, the HOMO of GGC obtained at IEFPCM/M06⁃2X/6⁃31++G(d, p) level of theoryOxygen， nitrogen， carbon and hydrogen atoms are denoted with red， blue， gray and white balls， respectively. The unit of bond distance is nm.

Fig.3 Spin density and relative energy(kJ/mol) for related species along with C4(black) and C5 pathway(red) obtained at IEFPCM/M06⁃2X/6⁃31++G(d, p) and IEFPCM/M06⁃2X/6⁃311++G(d, p) level, respectivelyThe structural formulas in the curves are derived from the oxidized G.

Fig.4 Optimized geometries for related species along with C4 pathway obtained at IEFPCM/M06⁃2X/6⁃31++G(d, p) level

Table 1 Charge distribution of Int5, Int6, Int12 and Int13 obtained at IEFPCM/M06-2X/6-31++G(d, p) level

Int	Charge distribution/\|e\|
Int	OH group	G₂	Extra water
5	-0.270	0.233	0.004
6	-0.428	0.357	-0.040
12	-0.268	0.150	-0.002
13	-0.441	0.355	-0.035

Fig.5 Spin density and relative energy(kJ/mol) for related species along with hydrogen abstraction obtained at IEFPCM/M06⁃2X/6⁃31++G(d, p) and IEFPCM/M06⁃2X/6⁃311++G(d, p) level, respectively(A), optimized geometries for related species along with hydrogen abstraction obtained at IEFPCM/M06⁃2X/6⁃31++G(d, p) level(B)

Fig.6 Spin density and relative energy(kJ/mol) for related species along with C8 pathway obtained at IEFPCM/M06⁃2X/6⁃31++G(d, p) and IEFPCM/M06⁃2X/6⁃311++G(d, p) level, respectively

Fig.7 Optimized geometries for related species along with C8 pathway obtained at IEFPCM/M06⁃2X/6⁃31++G(d, p) level

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氢键对羟基自由基与鸟嘌呤反应影响的理论研究

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