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

正文中引用本图/表的段落

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.

与自由G碱基不同， 羟基化自由基G（C4—OH）?和G（C5—OH）?去羟基之前， 会在水分子（H₂O）帮助下， 通过氢转移（HT）反应将G₂碱基上N2—H2转移至N3， 该过程将促进羟基化产物脱水［20］. 水的引入会使Int2活化， H₂O配位至N3原子吸热14.3 kJ/mol， 形成的Int3稳定性更低， 且N2—H2键长从0.100 nm稍微拉长至0.101 nm. 该过程与近期报道的G-四链体和C（H+）GC碱基对中羟基化产物氢转移过程类似［20，21］. 令人意外的是， H₂O配位至G（C5—OH）?中N3原子放热6.1 kJ/mol， 形成的配合物Int10更稳定， 可能导致随后的氢转移能垒升高， 与前期报道的结果不同. Int3和Int10作为HT反应物， 通过TS2和TS6生成氢转移中间体， 能垒分别为76.4和108.3 kJ/mol， 形成的Int4和Int11更不稳定， 相对于Int3和Int10， 反应分别吸热35.0和70.9 kJ/mol. 在该模型中， 外加水中一个O—H与羟基化产物中N2—H2， C2和N3形成六元环， 以减小环张力， 使HT反应能垒降低； 该结论通过计算无水参与的HT反应被证实， 在无水模型中， N2—H2， C2和N3形成四元环， 能垒分别为196.2和210.1 kJ/mol （图S3和图S4， 见本文支持信息）.

本文的其它图/表

• 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.
• 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