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.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 theory
Oxygen， nitrogen， carbon and hydrogen atoms are denoted with red， blue， gray and white balls， respectively. The unit of bond distance is nm.

正文中引用本图/表的段落

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.

首先， 探讨了?OH与GGC碱基对中G₂在C4和C5位通过加成/消除反应生成中性自由基的可能， 优化得到的吉布斯自由能面及相关物质结构见图3、 图4和图S2（见本文支持信息）. 从图4和图S2可见， C4和C5加成/消除路径开始于?OH对G₂中C4=C5双键亲电配位形成Int1和Int8； 在Int1中， ?OH中的O与C4和C5的距离分别为0.259和0.218 nm， 比C—O共价键长， C4—C5键长为0.142 nm， 比GGC碱基对中稍长（0.139 nm）， 表明在Int1中， ?OH与G碱基以非共价作用结合， 未生成C4羟基加合物， 且 C4=C5双键被部分活化， 计算的自旋密度显示出相同的趋势（图3）， 部分自旋密度位于G₂碱基上； ?OH配位过程为去稳定化过程， 需吸热14.9 kJ/mol. 形成的Int8结构与Int1基本相同， 相对能量相差 0.1 kJ/mol， 表明在C4和C5加成/消除路径中， 初始形成的配位化合物相同， 与GC碱基对中类似［15］， 不同于G-四链体DNA和C（H+）GC碱基对［20，21］， 这可能源于在GGC碱基对中G₂暴露程度与GC碱基对类似. 为了形成羟基化产物Int2和Int9， 配合物（Int1或Int8）中的?OH需进一步靠近G₂碱基中的C4或C5位点形成过渡态TS1和TS5； 在TS1中， ?OH中的O与C4和C5的距离分别为0.204和0.246 nm， 而TS5中分别为0.255和0.192 nm， 与形成不同位点羟基化产物趋势一致， C4=C5双键均被拉长至0.143 nm， 表明?OH与G₂碱基相互作用加强； ?OH与C4和C5加成反应分别放热51.0和18.9 kJ/mol， 反应能垒分别为20.4和4.5 kJ/mol， 表明?OH更倾向于C5加成， 但生成的G（C4—OH）?更稳定. 计算得到的C4和C5羟基化产物Int2和Int9为蝴蝶状的非平面结构， 与早期报道的自由G碱基结果一致［12］， 且自旋密度已全部位于G₂平面上； 其中， O（?OH）…C4和O（?OH）…C5距离分别为0.142和0.145 nm， 为典型的C—O单键， C4—C5键分别被拉长至0.151和0.149 nm， 进一步表明羟基化产物已形成. 计算得到的反应热力学性质与Sevilla等［12］前期关于?OH在显性水环境中与G碱基反应结果一致； 反应能垒高于自由G碱基、 GC碱基对及G-四链体DNA［12，15，18，20］， 但低于平行三链DNA碱基对C（H+）GC中G碱基［21］， 这可能源于G碱基C4/C5位点在不同氢键环境中所带电荷不同.

本文的其它图/表

• Fig.1  Structure of triplex DNA and GGC motif
• 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