彭奎霖，吳麗丹，曹璐璐，胡兵

(上饒師范學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，江西 上饒 334001)

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羥基自由基與腺嘌呤初始反應(yīng)機(jī)理的理論研究

彭奎霖，吳麗丹*，曹璐璐，胡兵

(上饒師范學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，江西 上饒 334001)

為了解細(xì)胞衰老、死亡、癌變等方面的問(wèn)題，理解導(dǎo)致DNA損傷反應(yīng)的機(jī)理非常重要。其中非常重要的一類導(dǎo)致DNA氧化損傷的反應(yīng)是羥基自由基(·OH)氧化腺嘌呤A和其他堿基。利用量子化學(xué)從頭算的方法研究了腺嘌呤A與·OH初始反應(yīng)機(jī)理。綜合考慮反應(yīng)產(chǎn)物的穩(wěn)定性以及反應(yīng)的能壘，腺嘌呤A與·OH的初始反應(yīng)最可能是·OH奪取腺嘌呤A的N(6)H，其次是·OH加成到腺嘌呤A的C(8)位。計(jì)算所得結(jié)果可為實(shí)驗(yàn)提供理論指導(dǎo)，為實(shí)驗(yàn)上腺嘌呤A與·OH反應(yīng)機(jī)理的提出指明方向。

羥基自由基；腺嘌呤；加成反應(yīng)；奪氫反應(yīng)；反應(yīng)機(jī)理

細(xì)胞DNA包含復(fù)雜的遺傳信息。為了信息傳遞的正確性，生物體必須保持DNA結(jié)構(gòu)的完整性。而正常代謝過(guò)程以及外界環(huán)境都可能損傷DNA。當(dāng)DNA損傷累積到一定程度時(shí)，DNA的損傷就不能被修復(fù)，導(dǎo)致細(xì)胞衰老、死亡和癌變，最終表現(xiàn)為老化、神經(jīng)癥狀和癌癥。

作為一個(gè)反應(yīng)活性非常強(qiáng)的氧化劑，羥基自由基(·OH)在化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)藥和大氣與環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注。在生物學(xué)上，生物體內(nèi)產(chǎn)生的活性氧自由基(ROS)會(huì)導(dǎo)致DNA、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)的氧化損傷[1-3]，而其中·OH是公認(rèn)的反應(yīng)活性最強(qiáng)和危害最大的活性氧自由基。癌癥，關(guān)節(jié)炎和帕金森綜合征就是與·OH有關(guān)的一些疾病[1]。在細(xì)胞的組成成分當(dāng)中DNA對(duì)·OH的氧化最為敏感。DNA由磷酸、戊糖、堿基三部分組成，其中堿基最容易受到·OH氧化損傷。在DNA的四種堿基(鳥(niǎo)嘌呤G、腺嘌呤A、胸腺嘧啶T、胞嘧啶C)中，鳥(niǎo)嘌呤G由于氧化電位最低[4]，最容易受到·OH損傷。因此文獻(xiàn)中有大量研究集中在·OH與G堿基反應(yīng)的機(jī)理[5-7]，已經(jīng)有比較統(tǒng)一的結(jié)論。腺嘌呤A是四種堿基中第二容易受到·OH損傷的[8]，因此也引起了人們的興趣[9-13]。實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為·OH首先加成到A堿基的C4=C5以及N7=C8雙鍵上，生成C(4)、C(8)加成產(chǎn)物A4OH·、A8OH·[9-12]。其中C(4)加成產(chǎn)物A4OH·占81%，進(jìn)一步脫水生成中性自由基A(-H)·。C(8)加成產(chǎn)物A8OH·占18%，進(jìn)一步開(kāi)環(huán)生成FAPyA。對(duì)于A與·OH的理論研究，Schaefer等人[13]計(jì)算了·OH奪取A堿基上各位點(diǎn)H的能壘。在理論上并沒(méi)有A與·OH加成反應(yīng)的研究。

因此，為了明確腺嘌呤A與·OH的初始反應(yīng)機(jī)理究竟是加成還是奪氫，在本文中我們通過(guò)量子化學(xué)理論計(jì)算，在B3LYP/6-311++G(d, p)水平上計(jì)算了腺嘌呤A與·OH發(fā)生加成反應(yīng)、以及奪氫反應(yīng)的路徑，得到了C(4)加成、C(8)加成、以及奪取不同位點(diǎn)氫的能壘。結(jié)果表明腺嘌呤A與·OH的初始反應(yīng)最可能是·OH奪取腺嘌呤A的N(6)H，其次是·OH加成到腺嘌呤A的C(8)位。

1 理論計(jì)算方法

腺嘌呤A與·OH發(fā)生加成反應(yīng)、奪氫反應(yīng)的反應(yīng)物、過(guò)渡態(tài)、中間體及產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)及能量都在HF、M062X、及B3LYP 方法6-31+G(d)基組及 B3LYP/6-311++G(d, p)水平下進(jìn)行了全優(yōu)化。本體系涉及17個(gè)原子，其中6個(gè)重原子，在考慮計(jì)算效率的情況下，B3LYP/6-311++G(d, p)能提供可靠的計(jì)算結(jié)果。所有的駐點(diǎn)通過(guò)頻率分析證明其所有頻率都為正，而過(guò)渡態(tài)則有唯一虛頻。并且所有的過(guò)渡態(tài)通過(guò)內(nèi)稟反應(yīng)坐標(biāo)(IRC)[14]加以確認(rèn)。為了考慮溶劑的影響，計(jì)算得到的能量利用連續(xù)介質(zhì)模型(PCM)[15]進(jìn)行校正。所有的計(jì)算都是利用Gaussian 09程序包[16]完成。

2 結(jié)果與討論

腺嘌呤A與·OH發(fā)生加成反應(yīng)和奪氫反應(yīng)所涉及的反應(yīng)物、過(guò)渡態(tài)、中間體及產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)如圖1～圖6所示，HF/6-31+G(d)，M062X/6-31+G(d)和B3LYP/6-31+G(d)方法給出相似的結(jié)果。以C(4)加成(路徑A)和奪取C(2)氫(路徑G)為例，在不同水平上計(jì)算得到的反應(yīng)能量如表1所示。HF方法計(jì)算得到的能量偏大，相對(duì)來(lái)說(shuō)B3LYP和M062X提供了較為可信的結(jié)果。B3LYP方法計(jì)算得到的能量和M062X方法計(jì)算得到的結(jié)果很相似，因此可以認(rèn)為B3LYP方法能夠給出準(zhǔn)確的結(jié)果。為了得到更精確的能量，反應(yīng)所涉及的中間體及過(guò)渡態(tài)用了B3LYP/6-311++G(d, p)這種精度相對(duì)較高的方法進(jìn)行計(jì)算。在本文中討論的構(gòu)型及能量也都是來(lái)自B3LYP/6-311++G(d, p)方法計(jì)算得到的結(jié)果。

表1 腺嘌呤A與·OH反應(yīng)計(jì)算所得的能量 kJ·mol-1

2.1 腺嘌呤A與·OH加成反應(yīng)

腺嘌呤A與·OH可發(fā)生C(4)加成和C(8)加成反應(yīng)(如圖1所示)，所涉及的反應(yīng)物、過(guò)渡態(tài)、中間體及產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)如圖2所示。在C(4)加成中(路徑A)，腺嘌呤A首先與·OH形成復(fù)合物RA，能量下降9.4 kJ/mol。隨后，經(jīng)過(guò)過(guò)渡態(tài)TSA，·OH加成到腺嘌呤A的C(4)位，形成C(4)加成產(chǎn)物PA?？缭竭^(guò)渡態(tài)TSA需要的能量(ΔE)在B3LYP/6-311++G(d, p)水平上計(jì)算得到為26.4 kJ/mol，產(chǎn)物PA比反應(yīng)物能量低33.2 kJ/mol。在C(8)加成中(路徑B)，腺嘌呤A首先與·OH形成復(fù)合物RB，能量下降35.2 kJ/mol。隨后，經(jīng)過(guò)過(guò)渡態(tài)TSB，·OH加成到腺嘌呤A的C(8)位，形成C(8)加成產(chǎn)物PB。跨越過(guò)渡態(tài)TSB需要的能量(ΔE)在B3LYP/6-311++G(d, p)水平上計(jì)算得到為20.3 kJ/mol，產(chǎn)物PB比反應(yīng)物能量低118.2 kJ/mol。

2.2 腺嘌呤A與·OH奪氫反應(yīng)

腺嘌呤A上總共有5個(gè)氫原子：N(6)位2個(gè)氫原子、C(2)位1個(gè)氫原子、C(8)位1個(gè)氫原子，N(9)位1個(gè)氫原子(如圖3所示)。從腺嘌呤A與·OH結(jié)構(gòu)出發(fā)，有6條路徑可生成奪氫產(chǎn)物(如圖3所示)，所涉及的反應(yīng)物、過(guò)渡態(tài)、中間體及產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)如圖4～圖6所示。在這6條路徑中，·OH奪取腺嘌呤A氫原子的過(guò)程類似：腺嘌呤A首先與·OH形成復(fù)合物，然后經(jīng)過(guò)一個(gè)奪氫過(guò)渡態(tài)，·OH奪取腺嘌呤A氫原子，形成脫氫產(chǎn)物A(-H)·與H2O。

圖1 腺嘌呤A與·OH加成反應(yīng)機(jī)理示意圖

圖2 B3LYP/6-311++G (d, p)方法計(jì)算得到腺嘌呤A與·OH發(fā)生C(4)加成(路徑A)及C(8)加成(路徑B)反應(yīng)的相對(duì)勢(shì)能曲線。括號(hào)里為PCM模型校正能量

B3LYP/6-311++G (d, p)方法計(jì)算得到·OH奪取腺嘌呤N(6)位兩個(gè)氫原子(路徑C及路徑D)的相對(duì)勢(shì)能曲線如圖4所示。在這兩條路徑中，腺嘌呤A與·OH形成的復(fù)合物(RC及RD)能量分別比反應(yīng)物的低17.4 kJ/mol和35.2 kJ/mol，跨越奪氫過(guò)渡態(tài)(TSC及TSD)需要的能量(ΔE)分別為8.2 kJ/mol和14.1 kJ/mol，產(chǎn)物(PC及PD)能量比反應(yīng)物的分別低78.3 kJ/mol和85.2 kJ/mol。

圖3 腺嘌呤A與·OH奪氫反應(yīng)機(jī)理示意圖

圖4 B3LYP/6-311++G (d, p)方法計(jì)算得到·OH奪取腺嘌呤N(6)位氫原子(路徑C及路徑D)的相對(duì)勢(shì)能曲線。括號(hào)里為PCM模型校正能量

B3LYP/6-311++G (d, p)方法計(jì)算得到·OH奪取腺嘌呤C(8)位氫原子(路徑E)及N(9)位氫原子(路徑F)的相對(duì)勢(shì)能曲線如圖5所示。在這兩條路徑中，腺嘌呤A與·OH形成的復(fù)合物(RE及RF)能量都比反應(yīng)物的低34.4 kJ/mol，跨越奪氫過(guò)渡態(tài)(TSE及TSF)需要的能量(ΔE)分別為45.9 kJ/mol和17.2 kJ/mol，產(chǎn)物(PE及PF)能量比反應(yīng)物的分別低38.9 kJ/mol和94.4 kJ/mol。

B3LYP/6-311++G (d, p)方法計(jì)算得到·OH奪取腺嘌呤C(2)位氫原子(路徑G及路徑H)的相對(duì)勢(shì)能曲線如圖6所示。在這兩條路徑中，腺嘌呤A與·OH形成的復(fù)合物(RG及RH)能量分別比反應(yīng)物的低31.8 kJ/mol和34.4 kJ/mol，跨越奪氫過(guò)渡態(tài)(TSG及TSH)需要的能量(ΔE)分別為29.2 kJ/mol和31.8 kJ/mol，產(chǎn)物(PG及PH)能量比反應(yīng)物的分別低64.8 kJ/mol和70.0 kJ/mol。

圖5 B3LYP/6-311++G (d, p)方法計(jì)算得到·OH奪取腺嘌呤C(8)位氫原子(路徑E)及N(9)位氫原子(路徑F)的相對(duì)勢(shì)能曲線。括號(hào)里為PCM模型校正能量

圖6 B3LYP/6-311++G (d, p)方法計(jì)算得到·OH奪取腺嘌呤C(2)位氫原子(路徑G及路徑H)的相對(duì)勢(shì)能曲線。括號(hào)里為PCM模型校正能量

由以上結(jié)果可知，腺嘌呤A與·OH發(fā)生加成或奪氫反應(yīng)得到的產(chǎn)物能量都比反應(yīng)物能量低，說(shuō)明反應(yīng)放熱，所計(jì)算的加成及奪氫反應(yīng)都有可能發(fā)生。在這些產(chǎn)物中，C(8)加成產(chǎn)物最穩(wěn)定(-118.2 kJ/mol)，其次是奪取N(9)H產(chǎn)物(-94.4 kJ/mol)，緊接著是奪取N(6)H的產(chǎn)物(-85.2 kJ/mol)。眾所周知，反應(yīng)能否發(fā)生，反應(yīng)速率的快慢由反應(yīng)能壘決定。從反應(yīng)能壘角度考慮，·OH奪取腺嘌呤N(6)H的能壘最低(8.2 kJ/mol)，其次是C(8)加成(20.3 kJ/mol)。因此，腺嘌呤A與·OH的初始反應(yīng)最可能是·OH奪取腺嘌呤A的N(6)H，其次是·OH加成到腺嘌呤A的C(8)位。實(shí)驗(yàn)上認(rèn)為腺嘌呤A與·OH的主要反應(yīng)是C(4)加成，其次是C(8)加成，并且C(4)加成產(chǎn)物會(huì)進(jìn)一步脫水生成脫氫產(chǎn)物A(-H)·。我們注意到，·OH奪取腺嘌呤A的N(6)H的產(chǎn)物亦是脫氫產(chǎn)物A(-H)·，因此，實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物A(-H)·有可能不是通過(guò)C(4)加成-脫水途徑而得，而是·OH直接奪取腺嘌呤氫原子而得。因此，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不矛盾。

3 結(jié)論

利用量子化學(xué)從頭算的方法計(jì)算了腺嘌呤A與·OH發(fā)生C(4)、C(8)加成反應(yīng)及奪取N(6)H、C(2)H、C(8)H、N(9)H反應(yīng)的路徑。反應(yīng)所涉及的反應(yīng)物、中間體、過(guò)渡態(tài)及產(chǎn)物利用HF/6-31+G(d)、 M062X/6-31+G(d)、B3LYP/6-31+G(d) 和 B3LYP/6-311++G(d, p)方法進(jìn)行了優(yōu)化，并利用以上方法對(duì)每一條反應(yīng)路徑的能量進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算結(jié)果顯示所有反應(yīng)都放熱，都有發(fā)生的可能。根據(jù)產(chǎn)物能量，C(8)加成產(chǎn)物最穩(wěn)定(-118.2 kJ/mol)，其次是奪取N(9)H產(chǎn)物(-94.4 kJ/mol)，緊接著是奪取N(6)H的產(chǎn)物(-85.2 kJ/mol)。根據(jù)反應(yīng)能壘，·OH奪取腺嘌呤N(6)H的能壘最低(8.2 kJ/mol)，最容易發(fā)生；其次是C(8)加成(20.3 kJ/mol)。因此，腺嘌呤A與·OH的初始反應(yīng)最可能是·OH奪取腺嘌呤A的N(6)H，其次是·OH加成到腺嘌呤A的C(8)位。

[1] HALLIWELL B,GUTTERIDGE J M C.Free Radicals in Biology and Medicine[M].Oxford:Oxford University Press,2007,42-45.

[2] WAGNER J R,CADET J.Oxidation reactions of cytosine DNA components by hydroxyl radical and one-electron oxidants in aerated aqueous solutions[J].Acc Chem Res,2010,43(4):564-571.

[3] XU G H,CHANCE M R.Hydroxyl radical-mediated modification of proteins as probes for structural proteomics[J].Chem Rev,2007,107(8):3514-3543.

[4] STEENKEN S,JOVANOVIC S V.How easily oxidizable is DNA? One-electron reduction potentials of adenosine and guanosine radicals in aqueous solution[J].J Am Chem Soc,1997,119(3):617-618.

[5] KUMAR A,POTTIBOYINA V,SEVILLA M D.Hydroxyl radical(·OH) reaction with guanine in an aqueous environment:a DFT study[J]. J Phys Chem B,2011,115(50):15129-15137.

[6] CANDEIAS L P,STEENKEN S.Reaction of HO·with guanine derivatives in aqueous solution:formation of two different redox-active OH-adduct radicals and their unimolecular transformation reactions.Properties of G(-H)·[J].Chem Eur J,2000,6(3):475-484.

[7] CHATGILIALOGLU C,D'ANGELANTONIO M,GUERRA M,et al.A reevaluation of the ambident reactivity of the guanine moiety towards hydroxyl radicals[J].Angew Chem Int Ed,2009,48(12):2214-2217.

[8] SIGMAN D S.Nuclease activity of 1,10-phenanthroline copper-ion[J].Acc Chem Res,1986,19(6):180-186.

[9] STEENKEN S.Purine-bases,nucleosides,and nucleotides-aqueous-solution redox chemistry and transformation reactions of their radical cations and e-and OH adducts[J].Chem Rev,1989,89(3):503-520.

[10] VIEIRA A J S C,STEENKEN S.Pattern of OH radical reaction with adenine and its nucleosides and nucleotides-characterization of 2 types of isomeric OH adduct and their unimolecular transformation reactions[J].J Am Chem Soc,1990,112(19):6986-6994.

[11] VIEIRA A J S C,STEENKEN S.Pattern of OH radical reaction with 6-and 9-substituted purines.Effect of substituents on the rates and activation parameters of unimolecular transformation reactions of two isomeric OH adducts[J].J Phys Chem,1987,91(15):4138-4144.

[12] NAUMOV S,VON SONNTAG C.The energetics of rearrangement and water elimination reactions in the radiolysis of the DNA bases in aqueous solution (eaq-and ·OH attack):DFT calculations[J].Radiat Res,2008,169(3):355-363.

[13] CHENG Q Y,GU J D,COMPAAN K R,et al.Hydroxyl radical reactions with adenine:reactant complexes,transition states,and product complexes[J].Chem Eur J,2010,16(39):11848-11858.

[14] GONZALEZ C,SCHLEGEL H B.An improved algorithm for reaction path following[J].J Chem Phys,1989,90(4):2154-2161.

[15] COSSI M,SCALMANI G,REGA N,et al.New developments in the polarizable continuum model for quantum mechanical and classical calculations on molecules in solution[J].J Chem Phys,2002,117(1):43-54.

[16] FRISCH M J,TRUCKS G W,SCHLEGEL H B,et al.Gaussian 03,revision B.03[M].Wallingford,CT:Gaussian,Inc,2004,3-5.

Mechanism of Adenine Reaction with Hydroxyl Radical: A Theoretical Study

PENG Kuilin, WU Lidan, CAO Lulu, HU Bing

(School of Chemistry and Environmental Science, Shangrao Normal University, Shangrao Jiangxi 334001， China)

In order to address problems such as aging, cell death, and cancer, it is important to understand the mechanisms behind reactions causing DNA damage. One specific reaction implicated in DNA oxidative damage is hydroxyl radical attack on adenine (A) and other nucleic acid bases. In the present study, initial mechanisms of adenine reaction with hydroxyl have been investigated by theoretical calculations. Considering the stability of product and reaction energy barrier, the initial reaction of adenine and hydroxyl radical is most likely to be N(6)H abstraction, followed by C(8) addition. The results obtained can provide theoretical instruction for the experiment, and offer guidance for the proposition of mechanisms of adenine reaction with hydroxyl based on experiment.

hydroxyl radical; adenine; addition reaction; H abstraction reaction; reaction mechanism

2016-12-08

上饒師范學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(2016-CX-11)；江西省教育廳科技項(xiàng)目(GJJ161061)

彭奎霖(1996-)，男，江西吉安人，上饒師范學(xué)院化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院材料化學(xué)專業(yè)學(xué)生。

*通訊作者：吳麗丹,E-mail：wulidan1987@iccas.ac.cn

O625.61

A

1004-2237(2017)03-0084-06

10.3969/j.issn.1004-2237.2017.03.017