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-.   DOI:10.7503/cjcu20240208

Fig.1 Structure of triplex DNA and GGC motif

正文中引用本图/表的段落

为了揭示氢键对G碱基与?OH反应的影响， 直接选取反平行三链碱基对GGC作为模型进行计算 （图1）， 并未考虑碱基对间的π-π堆积作用； 且将G碱基C9位和C碱基N1位用甲基取代， 该处理不会对G碱基相关反应产生影响. 不同反应路径中涉及物质的电子结构优化在M06-2X/6-31++G（d，p）理论水平上进行， 溶剂化效应采用极化连续介质模型（IEFPCM）模拟. M06-2X泛函可处理存在弱相互作用的体系［31］， 近期已被用于处理DNA氧化损伤相关问题， 且M06-2X泛函与IEFPCM模型结合已被证实可以取得与实验接近的结果［32~37］. 计算中采用相同理论水平通过振动频率分析确认反应物、 产物和过渡态， 过渡态有且仅有一个虚频， 反应物和产物无虚频； 通过反应途径内禀坐标理论（IRC）确认优化得到的过渡态正确关联反应物和产物. 为了得到更精确的能量， 在IEFPCM/M06-2X/6-311++G（d，p）理论水平上进行单点能计算， 吉布斯自由能面使用的能量为单点能与频率分析中得到的吉布斯自由能校正值求和. HOMO和自旋密度在IEFPCM/M06-2X/6-31++G（d，p）理论水平上计算得到. 所有计算均使用Gaussian 16程序包进行［38］.

如图1所示， 在GGC碱基对平面中包含两个G碱基（G₁和G₂）， 因此需要确定?OH与其作用时初始的反应位点. 由于GGC平面是由富含嘌呤的TFO通过反Hoogsteen氢键与目标双链中的均嘌呤链结合形成， 导致目标双链中G碱基（G₁）被TFO保护， 溶剂分子和?OH只能从原目标双链小沟处接近； 而第三条链中G碱基（G₂）完全暴露于溶剂中， 可能导致TFO中的G碱基（G₂）更容易受到?OH进攻作为初始反应位点. 为了进一步确认该结论， 计算了GGC碱基对的HOMO. 如图2所示， 在GGC碱基对中， HOMO完全集中在第三条链中G碱基（G₂）上， 表明在GGC平面中G₂碱基优先与?OH反应， 与结构分析结果 一致.

已有研究表明， ?OH与G碱基可能在C4， C5和C8位置发生加成反应， 或从环外氨基（NH₂）夺氢［9，23］. 其中， 导致不同损伤产物最重要的中间体为鸟嘌呤中性自由基和8-oxoG. 因此， 为了阐明氢键对?OH与G碱基反应的影响， 主要预测了?OH通过加成/消除反应和夺氢反应形成中性自由基以及通过C8加成生成8-oxoG反应的吉布斯自由能面， 其中， 反平行三链碱基对GGC、 ?OH、 氧气（O₂）和两个水分子记为能量零点. 优化的GGC和鸟嘌呤中性自由基G（-H2）?和G（-H1）?结构如图2和图S1（见本文支持信息）所示.

关于自由G碱基的研究结果显示， 羟基化自由基会经过离子对中间体生成G（-H1）?［12］. 然而， 在GGC碱基对中， G₂碱基H1与目标双链中G₁碱基N7原子配位， H1位于Hoogsteen氢键中， 导致H1与羟基之间的水网络难以形成， 阻碍亚稳态的离子对中间体脱H1. 此外， 通过优化G₂（-H1）?-GC碱基对构型发现， 脱G₂碱基中H1使碱基对构型发生巨大变化（图S1）， 在G₂（-H1）?-GC中G₂（-H1）?沿着碱基对平面旋转180°， 且只有N2—H与目标双链中G₁碱基O6间存在氢键作用， 在有碱基堆积作用时， 如此大的构型变化将被抑制. 因此， 即使在GGC环境中计算得到的G（-H1）?比G（-H2）?稳定1.0 kJ/mol， 但只研究了离子对中间体脱N2—H生成G（-H2）?的可能. 此处， 计算得到的中性自由基稳定性顺序与近期报道的G-四链体不同， 在G-四链体中， G（-H2）?为更稳定的中性自由基［39］， 但与自由G碱基和C（H+）GC碱基对一致［11，21］.

本文的其它图/表

• 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
• 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