外电场对胸腺嘧啶分子性质的影响

陈 琳,吴 宇，隆正文,梁 琍，冉茂武

(1.铜仁学院 a.物理与应用工程系;b. 生物与化学工程系，贵州 铜仁 554300；2.贵州师范学院 物理与电子科学学院，贵州 贵阳 550025；3.贵州大学 物理系，贵州 贵阳 550025)

0 引言

分子受到外电场的作用，结构和电荷分布改变，由原来的能级跃迁到新的能级[1-2]，从而导致分子的化学反应活性以及光学特性的改变，这些微观分子的特性改变还会引起物质宏观性质的变化，例如有些生物电磁效应就是分子微观特性改变的结果.胸腺嘧啶是生物体中一种非常重要的分子，主要存在两种异构体(酮式胸腺嘧啶和烯醇式胸腺嘧啶)，在pH2.0～7.0时通常以酮式胸腺嘧啶存在.在DNA中，胸腺嘧啶与脱氧核糖结合形成脱氧核糖胸腺嘧啶核苷，是组成DNA的一种基本单位，是构成生命体的必需分子，研究表明，胸腺嘧啶缺乏会引起细胞死亡，这一现象已经被用来制造以胸腺嘧啶作为靶标的抗菌药、抗疟疾药和抗癌药[3-5].另一方面，很多物理或化学因素都会引起胸腺嘧啶性质改变进而导致DNA突变，例如在紫外线照射下，相邻两个胸腺嘧啶形成二聚体，无法与腺嘌呤正常配对从而引起DNA突变甚至形成癌症.关于地磁场对生物分子性质影响的研究主要集中在紫外线及频率较低的射频电场，人们普遍认为静电场对生物分子影响非常微弱，实际上很多生物分子属于极性分子，有些分子尤其是酶还有金属离子，静电荷在微环境中形成电场对于稳定分子结构十分重要. Mayburov等人认为酶表面电荷的静电场在碱基识别过程中起着非常重要作用[6]，徐仲等人的研究表明外电场对于A-T碱基间氢键结构和能量有明显影响[7].本文利用密度泛函方法B3LYP，选用6-311+G基组对电场作用下的胸腺嘧啶分子性质进行了研究，考查了x、y、z三个方向不同强度电场作用下胸腺嘧啶分子键长、键角、偶极矩、能量等物理性质的变化.

1 理论和计算方法

胸腺嘧啶是一极性分子，具有一定的固有电偶极矩，在外电场作用下，各原子发生相对移动，分子结构、电偶极矩和能量都将发生变化.设分子无外场时的哈密顿量为H0，由于外电场作用引起的附加能量的哈密顿量为H′，电场作为经典场处理，则分子总的哈密顿量为：

H=H0+H′.

(1)

在偶极近似条件下，附加哈密顿量可写成：

(2)

使用密度泛函理论B3LYP方法，运用Gausian03软件包[8]在6-311+G基组水平上研究了不同方向不同强度电场对胸腺嘧啶结构特性的影响.本文采用高斯计算中常用的单位制，能量单位为哈特里(1 Hartree=4.359 74×10-18J)，电场强度单位为原子单位(1 au=5.135 32×1011V/m),电偶极矩单位为德拜(1德拜=3.335 64×10-30C).

2 结果与讨论

2.1 胸腺嘧啶基态稳定结构

胸腺嘧啶为嘧啶衍生物，结构如图1所示，对称点群为C1群.基态能量-454.125 827 3哈特里,固有电偶极矩4.960 1德拜.

2.2 电场对分子结构的影响

用F表示外电场强度，Fx、Fy、Fz分别代表电场沿x、y、z方向，共计算了x、y、z方向上强度分别为-0.005、-0.004、-0.003、-0.002、-0.001、0.000、0.001、0.002、0.003、0.004、0.005原子单位电场33种情况胸腺嘧啶分子的结构和能量以及振动频率，所有频率计算没有出现虚频，表明所获结构均为分子稳定结构.数据显示，电场强度不同，方向不同，对胸腺嘧啶分子的影响也不同.因数据过于庞大，本文中只列出电场为零和沿x、y、z方向电场为0.005 au时分子的键长(表1)、键角(表2)、二面角(表3)几个结构参数作对比，揭示胸腺嘧啶分子对电场响应的各向异性特性.

图1 胸腺嘧啶分子结构Fig.1 Structure of the thymine molecular

从表1、表2、表3可以看出，强度相同方向不同的电场对于胸腺嘧啶分子的结构影响是一样的.表1显示键长受电场影响较小，在Fz=0.005 au超强电场下(B6)键长变化最大,为0.000 765 540 nm；表2表明键角受电场影响要明显得多，其中键角A3(15O—4C—3N)在Fy=0.005 au时改变了6.809 039 55度，在Fz=0.005 au时改变7.485 006 49度，这是因为15号氧原子和3号氮原子为负电性，受电场力与电场方向相反，4号碳原子正电性，受电场力与电场方向相反，因键角O15—C4—N3开口朝x、y正方向，最后键角变大.表3说明分子二面角最容易受电场影响，其中D5(10C—5C—2C—3N)、D6(11H—10C—5C—2C)、D7(12H—10C—5C—2C)、D8(13H—10C—5C—2C)在电场Fy=0.005 au时改变均大于10度，是甲基键在y方向电场作用下绕B7(10C—5C)键发生转动的结果.综合上面分析，电场对于胸腺嘧啶分子结构有明显影响，由于结构决定性质，分子偶极矩、能量、光谱、磁屏蔽张量的物理性质的改变.

2.3 电场对于胸腺嘧啶电偶极矩的影响

外电场作用下胸腺嘧啶分子结构发生变化，同时各原子电荷分布也有改变，这种现象称为位移极化，位移极化改变了分子固有电偶极矩，也改变了各原子的磁屏蔽状况.图2列出分子总电偶极矩随电场的变化关系.由图可见，加负x方向的电场，总电偶极矩随电场强度增加而减少；加正x向电场偶极矩随电场强度增加先减小，0.001 au附近有个极小值，随后又随电场强度增加而增加.加正、负y方向电场，电偶极矩均随电场强度增加而增大.加负z向电场时，电偶极矩随电场强度增加而增加，加正z向方向电场，偶极矩随电场强度增加而减小.充分说明胸腺嘧啶分子的位移极化具有明显得各向异性特性和复杂性.

表1 电场F=0和Fx、Fy、Fz=0.005 au时胸腺嘧啶分子键长Tab.1 The bonds length of the thymine molecular under electric field F=0 and Fx、Fy、Fz=0.005 au

表2 F=0和Fx、Fy、Fz=0.05 au胸腺嘧啶分子部分键角Tab.2 bonds angle of the thymine molecular under electric field F=0 and Fx、Fy、Fz=0.005 au

表3 电场F=0和Fx、Fy、Fz=0.005 au胸腺嘧啶分子二面角Tab.3 Dihedral of the thymine molecular under electric field F=0 and Fx、Fy、Fz=0.005 au

图2 不同电场中胸腺嘧啶偶极矩Fig.2 Electric dipole of the thymine in different electric field

2.4 电场对分子能量的影响

分子稳定性与势能有关，化学反应活性则与前线轨道HOMO轨道和LUMO轨道能量EL和对称性有关，LUMO轨道能量为负表示易得到电子，有较强反应活性.根据公式(1)可知，分子处于电场中能量将发生变化，这种能量变化包括两部分，一是分子内各原子间的相互作用能变化，二是增加了分子和电场的作用能.不同电场中胸腺分子相互作用能量如表4所示.

由表4显示，分子处于电场中能量发生变化，分子能量变化不仅与电场强度有关，而且与方向也有关系，在本文计算的数据中， 电场Fx=0.004 au时分子能量改变最大，为0.009 846哈特里， 这个值与较弱氢键的能量相当，远小于前线轨道能量间隙(0.194 68哈特里), 文献[7]说明外电场对胸腺嘧啶氢键形成有显著影响.分子前线轨道理论认为，决定化学反应活性的主要是前线轨道中LUMO轨道和HOMO轨道能量和轨道对称性.胸腺嘧啶前线轨道能量随电场变化如图3所示，为了对比效果能级间距采用了EL-EH.

表4 外电场中胸腺嘧啶分子单点能

由图3可知，不同方向不同强度电场对胸腺嘧啶分子前线轨道能级影响不同，x方向和z方向电场对分子前线轨道能量影响比较明显，y方向电场对分子前线轨道能量影响较小.负x方向电场LUMO轨道和HOMO轨道能级均增加，较没有电场时更容易失去电子同时得电子更难；能级差增大，表明需更大能量使分子由最高占据轨道跃迁到最低空轨道.正x方向电场LUMO轨道和HOMO轨道能级随电场变化有一定的振荡特性，在Fx=0.005 au时改变最大，约为0.004 0哈特里；y方向电场对分子前线轨道能量级和能级差影响微小，能级差稍有变小.正z方向电场使前线轨道能量向高级移动，失电子能力变强得电子能力变弱；负z方向电场使之向低能方向移动，失电子能力变弱得电子能力变强.正z方向电场使前线轨道能级间距增大，电子由HOMO轨道跃迁到LUMO轨道变得更困难;负z方向电场使前线轨道能级间距减小，激发变得更容易.其中Fz=0.004 au前线轨道能级差减小最大，为0.004 04哈特里,合0.109 9 eV.由以上分析可以看出电场对胸腺嘧啶化学性质影响是比较明显的，但是不同强度、不同方向的电场影响是不一样的，且这种影响与强度间没有简单的线性关系.

图3 胸腺嘧啶前线轨道能量随电场变化关系Fig.3 Frontier orbital energy of the thymine in different electric field

3 结论

本文利用密度泛函方法B3LYP，选用6-311+G基组对胸腺嘧啶稳定结构进行优化，然后考查了x、y、z三个方向不同强度电场对胸腺嘧啶分子键长、键角等结构参数以及电偶极矩、能量等物理性质的影响.结果表明，在强电场作用下，胸腺嘧啶分子构象发生明显变化，由于结构决定性质，分子的电荷分布、电偶极矩、能量等特性也随之改变.虽然不能仅仅依据电场对于单个胸腺嘧啶分子的影响就判断静电场会对DNA复制或生物体内其他化学反应产生影响，但是DNA复制过程依赖于多种酶的催化作用，酶分子含有极性残基或者金属离子，其静电场在改变底物分子构象方面可能起到重要作用，因分子结构和电荷分布等特性与外电场方向和强度有关，因此我们猜想强静电场将影响DNA复制等生物化学过程.