王英辉, 薛浩明, 马斌, 李宗璇, 马亚婷, 马蕾, 魏思敏

高等学校化学学报 2024, 45 (8): 20240208-. DOI:10.7503/cjcu20240208

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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.

如图6和图7所示，该反应由?OH亲电攻击N7=C8双键开始，在初始形成的加合物Int17中， O（?OH）…C8（G₂）及H（?OH）…N7（G₂）距离分别为0.264和0.231 nm，表现为弱的非共价结合，计算的自旋密度主要集中在?OH上，也证实了该结论， N7=C8键键长从0.131 nm轻微拉长至0.132 nm，趋向于被活化；该过程需吸热16.3 kJ/mol. 与C4和C5加成类似， Int17中的?OH会继续接近G₂碱基C8原子，经过过渡态TS10后形成C8羟基化产物Int18. 在TS10中， O（?OH）…C8（G₂）距离减小到0.228 nm，表明GGC碱基对与?OH相互作用增强； N7=C8继续被拉长至0.133 nm，进一步被活化. 在Int18中， O（?OH）…C8（G₂）距离为0.140 nm，表明C—O键形成， N7=C8距离变为0.145 nm，已无双键性质，表明C8羟基化过程已完成，计算的自旋密度与C4/C5羟基化产物类似，自旋密度主要位于G₂碱基；能量计算显示， C8加成反应能垒较低，相对于Int17仅为3.4 kJ/mol，放热111.0 kJ/mol.

因为8-OH-G在溶液中不稳定，需通过异构化形成更稳定的酮式构型8-oxoG. Int20并不是合适的异构化反应物，其中， ?HO₂需要重排至合适位置，使H（?HO₂）原子与N7（G₂）配位， O与羟基中的H形成氢键，距离分别为0.146和0.179 nm； ?HO₂的作用类似于C4/C5加成路径中的外加H₂O，充当质子桥角色，使羟基上的H转移至N7原子；该重排反应放热17.2 kJ/mol. 形成的Int21经过TS12便可产生?HO₂配位的8-oxoG（Int22）. 在TS12中，羟基中O—H键拉长至0.102 nm， O（?HO₂）与羟基H距离缩短至0.159 nm， ?HO₂中H位于N7（G₂）和O（?HO₂）之间，距离分别为0.127和0.122 nm，表现出羟基H离去且N7质子化的趋势. 在Int22中， N7—H键形成，键长为0.102 nm，羟基H转移至O₂形成O—H键， C8—O距离缩短至0.125 nm，表明C=O形成. ?HO₂帮助的异构化过程极易发生，能垒为-2.8 kJ/mol，且放热33.1 kJ/mol. 自旋密度计算也证实了?HO₂在异构化反应中的催化作用. 需要指出的是， Int22为?HO₂配位的8-oxoG-GC，需要与?HO₂解离才能形成纯的8-oxoG-GC（图6）， ?HO₂解离需吸热 3.8 kJ/mol.

应该注意的是，计算中溶剂效应使用IEFPCM模型模拟，显性水分子与IEFPCM模型结合会取得与实验更接近的结果；因此，在显性水分子存在时，对C4， C5和C8路径中的决速步骤进行模拟. 根据文献［34］，在反应位点附近的水分子会对相关反应产生影响；基于该结论，结合反平行三链DNA晶体结构，并且为了节省计算资源，在G₂碱基O6， N7及N2附近添加3个水分子（图S6，见本文支持信息）. 从计算结果看，显性水分子的加入对C4路径决速步骤能垒及吸热量影响不大，但对于C5和C8路径决速步骤能垒和反应吸放热量影响较大. C5路径中能垒及吸热量都变小， C8路径中能垒变大，放热量变小，具体见本文支持信息表S1. 显然，要获得更精确的能量或研究?OH与反平行三链的反应，可能需要使用显性水分子+IEFPCM模型处理溶剂化效应.