鸟嘌呤与nH2O(n=1、2)的水化去氨基反应机理的理论研究

李 澜,张爱华,张灿云

(1.上海应用技术学院,上海 201418;2.首都医科大学 燕京医学院,北京 顺义 101300)

0 引言

DNA是生物体储存和传递信息的必要基础，可由不同的碱基分子组成.常见碱基分子有四种，它们是鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)、腺嘌呤(A)和胸腺嘧啶(T).由于碱基分子的结构特点，决定了在碱基上能够发生诸如烷基化、脱氨、卤化等多种反应，而在碱基分子上发生的变化会直接影响基因序列，引起遗传信息的改变，其积累效应会导致基因突变[1].通常情况下，这些碱基都是稳定的,由碱基变化引起的自发基因突变的概率很小，但是碱基的这一变化将改变基因的序列，造成 DNA的损伤，被认为是生物肌体衰老和人类各种遗传性疾病、癌症的主要诱因.在引起基因突变的因素中，碱基的水化去氨基反应被认为是引起DNA发生突变的重要因素之一[2]，已经引起了实验和理论两方面研究者的广泛关注.

理论研究方面，YAO等[3]曾用双层的ONIOM模型，在B3LYP/6-31G*的水平下研究了酶催化鸟嘌呤水化去氨基的过程，结果表明金属Zn催化酶在鸟嘌呤的催化断键中起着非常重要的作用.张爱华等[4]在B3LYP/6-31G**的水平下研究了腺嘌呤(A)的水解去氨基的反应通道，发现了两种不同的水解去氨基机理.近年来，张爱华等[5]也讨论了5-甲基胞嘧啶与一分子水发生水解去氨基反应的机理.SPONE等[6]从实验和理论两方面研究了胞嘧啶及其衍生物水化去氨基反应的机理，他们用PCM模型考虑了胞嘧啶在OH-存在下发生去氨基反应的溶剂化效应.对4个常见碱基分子的水化去氨基反应机理的研究，关于鸟嘌呤的实验和理论研究相对胞嘧啶而言比较少.我们曾经详细地讨论过四个碱基的甲基化[7]致癌，以及吡咯烷亚硝胺的终致癌物与鸟嘌呤生成DNA致癌加合物的过程[8]，作为对碱基分子上发生变化导致基因突变和致癌问题的深入探讨，本文用量子化学的方法，研究了鸟嘌呤碱基在一分子水和两分子水的作用下的水化去氨基反应机理.

一般情况下，鸟嘌呤自发的水解反应进行得很慢[9]，反应后生成产物黄嘌呤H(hypoxanthine)，其转化过程见图1.如果在DNA复制前和复制中黄嘌呤(H)不被修复，它将替代鸟嘌呤(G)与胞嘧啶(C)配对，产生碱基错配，从而引起DNA的损伤，进一步导致遗传疾病和癌症.

图1 鸟嘌呤水解反应示意图Fig. 1 Reaction formula of the hydrolytic deamination of guanine

1 计算方法

应用Gusssian09量子化学程序包，采用密度泛函DFT中的B3LYP[10]方法，在6-31G**基组下对所有水化脱氨基反应涉及的反应物、复合物、过渡态、产物进行了几何构型优化的计算,所有的能量驻点都做了频率分析.为了考虑溶剂对反应的影响，选取连续介质模型(PCM)[11](计算水平：B3LYP/6-31G**)，在水溶剂(介电常数ε=78.39，298.15 K)的条件下，对反应途径上的各驻点做了溶剂中的优化及频率分析，以及各单点做了单点能计算.对于过渡态，在振动频率分析的基础上，根据Fukui的IRC理论,用同样的方法和基组分别从过渡态的唯一虚振动模式的正方向和反方向出发，采用Morokuma的数值方法计算了内禀反应坐标IRC[12]势能曲线，讨论了鸟嘌呤分别与一分子水和两分子水的水化去氨基反应机理.

2 结果与讨论

2.1 鸟嘌呤与一分子水的水化去氨基反应

2.1.1 去氨基反应机理

对鸟嘌呤在一分子水的作用下发生的水化去氨基反应，量子化学计算表明是一个两步反应，找到的反应途径如下式：

G+H2O→COM1→TS1→IM1→TS2→COM2从上式中可以看出，去氨基反应的进程为鸟嘌呤和H2O形成具有典型氢键性质的复合物COM1，复合物经过过渡态TS1，形成中间体IM1.第二步为中间体IM1经过过渡态TS2，脱去一分子NH3，形成复合物COM2.图2中给出了鸟嘌呤水化去氨基反应的主要几何构型及其关键键参数(计算水平：B3LYP/6-31G**).为了便于讨论，各构型中也标出了发生反应关键部位的原子元素符号及标号.

图2 反应物、过渡态、中间体及产物的几何结构图

从图2中可以看出，当水分子逐渐靠近鸟嘌呤时，由于分子间的静电相互作用，形成具有典型氢键的复合物COM1(3N-12H、11O-12H之间的键距分别为0.1959和0.0981 nm).当两个反应物进一步靠近时，水分子中2C位上的氧原子进攻鸟嘌呤上的亲核位3N，经过四元环结构的过渡态TS1(其中2C-3N 、3N-12H、11O-12H和11O-2C间的键距分别为0.1411、0.1154、0.1434和0.1973 nm)，形成以2C为中心的四配位中间体IM1，以上属于反应的第一步.去氨基反应的第二步为分子内的氢迁移，IM1中11O上的13H经扭转迁移到10N位，经四元环过渡态TS2(其中：2C-11O、13H-11O、13H-10N和2C-10N间的间距分别为0.1327、0.1324、0.1231和0.1647 nm)，最后形成黄嘌呤(H)和一分子NH3组成的复合物COM2.复合物COM2中，11O-2C之间的键距为0.1228 nm，已形成典型的C=O双键，而2C-10N之间的键距为0.1841 nm，已断裂.复合物COM2中的黄嘌呤(H)，是鸟嘌呤去氨基反应的最终产物，导致 H在DNA复制中将替代G与C配对，使得基因序列中原本G-C配对，转变成A-T…H-C碱基突变.如果H不被修复的话，在DNA复制中将产生碱基突变，会在子代的DNA复制中可能引起遗传疾病和癌症.

2.1.2 水化去氨基反应的能量性质

为了说明鸟嘌呤在一分子水的参与下去氨基反应的能量性质，图3给出了气相和溶剂化效应的相对势能面(单位：kcal/mol)，其中，相对能量是以反应物的零点校正为标准，各驻点的能量均经过零点能校正.从图3中可以看出，在气相条件下(计算水平：B3LYP/6-31G**)，由于氢键的作用，复合物COM1比反应物更稳定(相对能低12.8 kcal/mol).对水化去氨基反应，复合物COM1经过渡态TS1，需要越过57.3 kcal/mol的活化位垒，形成中间体IM1.第二步为分子内的氢迁移，IM1经过渡态TS2，脱去一分子NH3形成复合物COM2，其活化位垒为31.0 kcal/mol.第一步比第二步的活化位垒高26.3 kcal/mol，为一分子水参与下鸟嘌呤的水化去氨基反应的速控步.可以看出，气相下一分子水参与的鸟嘌呤水化去氨基反应的速控步活化位垒比较高，在动力学上难以进行.众所周知，生物体内是一个90%以上都是水分子的开放体系，必须考虑水环境对去氨基反应的影响.因此，我们用连续介质的PCM模型，在同样的计算水平下(B3LYP/6-31G**)，考虑了鸟嘌呤水化去氨基反应的溶剂化效应.从图3中可以看出，溶剂化效应并不改变反应的进程，但是会影响各驻点的相对能以及活化位垒.对速控步，考虑溶剂化效应的活化位垒为54.2 kcal/mol，比气相中(57.3 kcal/mol)低.第二步氢迁移的活化位垒是30.0 kcal/mol，比气相下低1.9 kcal/mol.但是，不管在气相下还是水溶剂中，鸟嘌呤在一分子水参与下自发地进行的水化去氨基过程，速控步有比较高的活化位垒，在动力学上是难以进行的反应.

图3 鸟嘌呤水化脱氨基反应的势能面示意图Fig. 3 The potential surface of hydrolytic deamination reaction

2.2 鸟嘌呤与两分子水的去氨基反应

2.2.1 去氨基反应机理

图4中列出了鸟嘌呤与两分子水发生去氨基反应中各几何构型及其关键参数.从图4中可以看出，两分子水与鸟嘌呤首先形成典型的氢键复合物COM1(3N-12H、11O-16H及15O-14H之间的距离分别为0.1758、0.1816和0.1833 nm)，比一分子水与鸟嘌呤形成的复合物中有更多的氢键，复合物更稳定.当两个水分子进一步靠近鸟嘌呤时，其中一个水分子中11O位上的12H进攻鸟嘌呤上的亲核位N3，另外一个水分子中的16H迁移到11O上，同时15O靠近鸟嘌呤的2C位，经六元环结构的过渡态TS1，形成四配位中间体IM1，为反应的第一步.与一分子水参与下鸟嘌呤去氨基反应的第一步相比较，进攻鸟嘌呤的水分子的作用相同，而另外一个水分子提供H质子，使H质子在分子间穿梭，起到催化剂的作用.

图4 反应物、过渡态、中间体及产物的几何结构图Fig. 4 Optimized geometries and some of parameters

第二步为分子内的氢迁移，中间体IM1中15O上的13H经扭转迁移到10N位，经四元环过渡态TS2(其中：2C-15O、17H-15O、17H-10N和2C-10N间的键距分别为0.1355、0.1314、0.1239和0.1619 nm)，最后形成具体有氢键的复合物COM2，复合物中包括黄嘌呤(H)、一分子NH3和一分子H2O.从两分子水与鸟嘌呤发生去氨基反应的整个过程来看，第一步反应为H质子从两个水分子间穿梭至鸟嘌呤上，第二步反应为分子内的氢迁移，最后仍然形成一分子水.因此，两分子水作用下鸟嘌呤的去氨基反应，其中一分子水起催化剂的作用.去氨基反应最后形成黄嘌呤(H)，如果H不被修复的话，在DNA复制中将产生碱基突变，可能引起生物体的遗传疾病和癌症.

2.2.2 水化去氨基反应的能量性质

图5给出了两分子水与鸟嘌呤发生去氨基反应的势能剖面示意图(单位：kcal/mol).从图5中可以看出，在气相条件下(计算水平：B3LYP/6-31G**)，由于氢键的作用，复合物COM1比反应物相对能低19.1 kcal/mol.与一分子水参与的鸟嘌呤水化去氨基反应形成的复合物COM1相比较，由于氢键数目更多，也更稳定.两分子水参与下的水化去氨基反应，复合物COM1经过渡态TS1，需要越过44.8 kcal/mol的活化位垒，形成中间体IM1.由于更多氢键的影响，第一步的活化位垒比一分子水参与下的低.

图5 鸟嘌呤与两分子水的水化去氨基反应的势能面示意图Fig. 5 The potential surface of hydrolytic deamination reaction

第二步分子内的氢迁移，中间体IM1经过渡态TS2，形成包括一分子水的复合物COM2，其活化位垒为31.1 kcal/mol.和一分子水参与下的水化去氨基反应一样，第一步活化位垒高，为反应的速控步.由速控步活化位垒可以看出，气相下两分子水参与的鸟嘌呤水化去氨基反应的活化位垒比较高，在动力学上难以进行.在同样的计算水平下(B3LYP/6-31G**)，用连续介质模型(PCM)计算了去氨基反应的溶剂化效应，从图5中可以看出，溶剂化效应并不改变反应的进程，但是会影响各驻点的相对能以及活化位垒.对速控步，溶剂化效应的活化位垒为41.9 kcal/mol，比气相中低.第二步氢迁移的活化位垒是30.6 kcal/mol，与气相下相似.但是，不管在气相下还是水溶剂中，鸟嘌呤在两分子水参与下的水化去氨基反应，必须克服比较高的活化位垒，是一个在动力学上相对不容易进行的反应.

分析表明：不论是一分子水还是两分子水参与下的鸟嘌呤水化去氨基反应，都是分两步进行的，第一步为反应的速控步，第二步属于分子内氢迁移.去氨基反应的相对势能面计算表明，速控步有比较高的活化位垒，在动力学上自发的水化去氨基反应难以进行,与实验结果相一致[9].两分子水参与的鸟嘌呤去氨基反应，其中一分子水起催化剂的作用.由此可以推断，多分子水参与的鸟嘌呤去氨基反应，只有一分子水真正参与反应，其余都起催化剂的作用，这一推论有待进一步的研究来证实.

3 结论

在B3LYP/6-31G**的研究水平上，计算了气相和水溶剂中，一分子水和两分子水分别与鸟嘌呤发生水化去氨基反应的机理.研究结果发现：鸟嘌呤在不同数目水分子参与下的水化去氨基反应，都是分两步进行.第一步为速控步，第二步为分子内氢迁移，速控步在气相和水溶剂中都有较高的活化位垒，表明在动力学上自发的水化去氨基反应难以进行.两分子水参与的鸟嘌呤去氨基反应中，一分子水起催化剂作用.