鄭 妍，尤 勇，梁曉琴

（四川師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，成都610066）

1 引 言

基因信息由DNA鏈上的堿基確定，這些堿基的任何改變都將大大的影響遺傳物質(zhì)的整體性．然而這些堿基可能被氧化損傷，這種氧化是由活性氧（reactive oxygen species，ROS）引起的一種化學(xué)修飾，不僅電離輻射或者長波紫外線（UVA）照射可產(chǎn)生活性氧，而且由尼古丁和煙草煙霧引起的有機(jī)自由基也可產(chǎn)生活性氧．另外，正常細(xì)胞的新陳代謝也能引起堿基的損傷．

DNA中糖苷鍵的斷裂是一個(gè)重要的過程，在自然界中發(fā)生的頻率非常高．然而，DNA的穩(wěn)定性使得糖苷鍵斷裂成為一個(gè)高能量的反應(yīng)，需要各種酶的催化[1]．例如，參與DNA修復(fù)過程的DNA糖苷酶使糖苷鍵斷裂，從而將受損的核苷堿基從雙螺旋結(jié)構(gòu)中切除．已經(jīng)提出的不同酶催化DNA糖苷鍵斷裂的機(jī)理具有許多相似之處．特別的是由于核苷的穩(wěn)定性，所提出的機(jī)理包括一個(gè)親核試劑的進(jìn)攻（例如，在水解酶、蓖麻蛋白毒素A鏈和一些DNA糖苷酶中的水分子、一些DNA糖苷酶的一個(gè)活性部位氨基酸和磷酸酶的磷酸氫鹽）[1－6]．有些酶催化糖苷鍵斷裂的機(jī)理包括類氧碳正離子過渡態(tài)的形成．例如，已提出的DNA糖苷酶（尿嘧啶DNA糖苷酶，UDG）水解機(jī)理包括核苷堿基陰離子的形成，該陰離子的產(chǎn)生是由于堿基－核糖鍵的斷裂，并且假設(shè)酶通過其活性部位殘基與堿基陰離子中間體之間的氫鍵相互作用來穩(wěn)定堿基陰離子中間體．而且，盡管一些糖苷酶（MutY）被認(rèn)為在堿基離去之前質(zhì)子化嘌呤或嘧啶，但是有證據(jù)表明其他一些受損嘌呤（8-氧鳥嘌呤）能通過陰離子中間體的形成來修復(fù)受損核苷[7]．另外，機(jī)理包括或至少部分包括離去核苷堿基的穩(wěn)定，這種穩(wěn)定是通過離去核苷堿基與酶的活性位點(diǎn)氨基酸之間氫鍵相互作用來達(dá)到的．

計(jì)算化學(xué)能提供有關(guān)短期存在的過渡態(tài)的有用信息，這種過渡態(tài)在實(shí)驗(yàn)中很難得到．事實(shí)上，很多研究運(yùn)用計(jì)算化學(xué)方法來研究糖苷鍵斷裂的路徑．然而，這些研究通常僅僅集中在糖苷鍵被特定酶催化斷裂．由于這些酶催化反應(yīng)機(jī)理的相似性，我們認(rèn)為在不考慮核苷堿基在特定活性部位的相互作用的情況下，研究這種反應(yīng)，即研究酶催化糖苷鍵斷裂的基本原理是必要的．為了更好的了解核苷堿基在糖苷鍵裂解過程的活化作用，Wetmore[8]等人作了大量的工作．他們研究了氫原子結(jié)合到正常的核苷堿基或者是受損的核苷堿基對(duì)堿基酸性的影響以及尿嘧啶核苷的N-糖苷鍵的水解機(jī)理．在目前的工作中，用計(jì)算化學(xué)的方法研究了有單個(gè)水分子參與的8-氧-2＇-去氧鳥嘌呤核苷的N-糖苷鍵水解反應(yīng)機(jī)理．選擇水分子作為親核試劑不僅是由于水在生物體中的重要性，而且還由于水在由幾種酶催化的糖苷鍵斷裂過程中的重要作用．

2 計(jì)算原理和方法

為了減小去氧核糖糖環(huán)上羥基與親核試劑水分子和堿基的環(huán)外O8原子之間的氫鍵相互作用，在本文最終使用的計(jì)算模型中，用甲氧基代替了糖環(huán)上的O5＇-H羥基基團(tuán)和O3＇-H羥基基團(tuán)．

氣態(tài)中，用密度泛函B3LYP方法在標(biāo)準(zhǔn)的6－31＋＋G（d，p）基組對(duì)8-oxodG的水解反應(yīng)進(jìn)行了研究[9]．對(duì)各反應(yīng)途徑的反應(yīng)物、過渡態(tài)及產(chǎn)物的幾何構(gòu)型進(jìn)行了優(yōu)化，得到各駐點(diǎn)的能量，在優(yōu)化的幾何構(gòu)型基礎(chǔ)上進(jìn)行了振動(dòng)頻率計(jì)算，對(duì)各優(yōu)化駐點(diǎn)的總電子能量進(jìn)行了零點(diǎn)振動(dòng)能校正，并從過渡態(tài)分別向產(chǎn)物方向和反應(yīng)物方向進(jìn)行了內(nèi)稟反應(yīng)坐標(biāo)（IRC[10]）計(jì)算．所有的過渡態(tài)都通過振動(dòng)分析和IRC計(jì)算而得以確認(rèn)．非限制自旋UB3LYP方法用于開殼層體系的解析計(jì)算，穩(wěn)定點(diǎn)的性質(zhì)通過在相同水平上的振動(dòng)頻率分析來確認(rèn)：每個(gè)穩(wěn)定點(diǎn)的所有頻率為正，過渡態(tài)通過振動(dòng)模式分析，只含有一個(gè)虛頻，并且虛頻的振動(dòng)方向沿著反應(yīng)坐標(biāo)方向．在298．15K和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下通過頻率分析我們也得到零點(diǎn)能（ZPVE）、熱量校正、焓和吉布斯自由能．

在相同水平下，應(yīng)用自然鍵軌道（NBO）[11]計(jì)算了自然原子電荷和鍵級(jí)，并以氣態(tài)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，考慮水作為溶劑，用極化連續(xù)模型[12，13]溶劑效應(yīng)．所有的計(jì)算用Gaussian03程序包計(jì)算[14]

3 結(jié)果與討論

3．1 各穩(wěn)定點(diǎn)的幾何結(jié)構(gòu)

對(duì)于8-oxodG與單個(gè)水分子作用的水解反應(yīng)中，一方面，我們考慮水分子有三種進(jìn)攻方式，即水分子可以從去氧核糖糖環(huán)的前方、下方和上方進(jìn)攻異頭碳C1＇（圖2）；另一方面，8-氧鳥嘌呤堿基的O8原子和N9原子都可以摘取去氧糖糖環(huán)的Ha2＇．

當(dāng)水分子按i）方向進(jìn)攻時(shí)，去氧核糖的環(huán)內(nèi)鍵O4＇-C1＇鍵斷裂，從而使糖環(huán)開環(huán)．因?yàn)樘黔h(huán)開環(huán)是雙功能DNA糖苷酶催化N-糖苷鍵斷裂的步驟之一．這些酶用其一個(gè)氮端的氨基基團(tuán)作為親核試劑，先打開糖環(huán)再與開環(huán)產(chǎn)物形成一個(gè)席夫堿，從而得到最終產(chǎn)物．然而，在我們的理論模型中，親核試劑不是氨基基團(tuán)，而是水分子，因此不可能形成席夫堿．而且，計(jì)算結(jié)果表明，水分子以i）方向親核進(jìn)攻得到的開環(huán)中間體能量非常高（約60kcal／mol），因此該反應(yīng)機(jī)理在后文中不予考慮，只考慮另外兩種進(jìn)攻方式．事實(shí)上，Zoltewicz[15]和他的的合作者的實(shí)驗(yàn)研究表明，一些嘌呤核苷的酸催化水解包括了C-O鍵斷裂，水解機(jī)理為：第一步是核苷堿基質(zhì)子化，第二步是N－糖苷鍵斷裂．

圖1 8－氧-2′-去氧鳥嘌呤核苷的結(jié)構(gòu)和原子編號(hào)Fig．1 Structures of 8-oxo-2＇-deoxyguanosine and atomic numbers

圖2 水分子進(jìn)攻8－氧-7，8-二氫-2′-去氧鳥嘌呤核苷的三種進(jìn)攻方式Fig．2 Three ways of 8-oxo-2＇-deoxyguanosine attacked by water

因此，在本研究工作中，我們考慮了四條反應(yīng)通道，即ii）進(jìn)攻方向上的O8摘?dú)浞磻?yīng)機(jī)理和N9摘?dú)浞磻?yīng)機(jī)理，以及iii）進(jìn)攻方向上的O8摘?dú)浞磻?yīng)機(jī)理和N9摘?dú)浞磻?yīng)機(jī)理．在去氧核苷的水解反應(yīng)中，最重要的步驟是N-糖苷鍵的斷裂，因此，我們將主要關(guān)注N-糖苷鍵的斷裂的能量和結(jié)構(gòu)，即反應(yīng)第一步的能量和結(jié)構(gòu)．

途徑一 在第一條反應(yīng)途徑中，親核試劑水分子從去氧核糖糖環(huán)的下方進(jìn)攻異頭碳C1＇原子并且由8-氧鳥嘌呤的N9原子摘取去氧糖糖環(huán)的Ha2＇，這條反應(yīng)途徑意味著異頭碳C1＇的結(jié)構(gòu)反轉(zhuǎn)．如圖3所示，在這種情況下，反應(yīng)的第一步通過將去氧核糖糖環(huán)的Ha2＇質(zhì)子轉(zhuǎn)移到堿基的N9原子產(chǎn)生一個(gè)類二氫呋喃中間體．第二步包括水分子加成到C-C雙鍵上，而勢(shì)能剖面圖和反應(yīng)物、過渡態(tài)、中間體和產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)見圖3．

水分子先與受損的去氧鳥苷作用形成8－氧去氧鳥苷－水復(fù)合物Ra，我們把Ra作為該反應(yīng)通道的反應(yīng)物．緊接著N-糖苷鍵發(fā)生扭轉(zhuǎn)，使二面角O4＇-C1＇-N9-C4逐漸減小，在反應(yīng)物中為261．46°，減小到第一個(gè)過渡態(tài)N-TSa1中的229．66°，但仍然保持反式結(jié)構(gòu)；同時(shí)N-糖苷鍵逐漸拉長，由反應(yīng)物中的1．455到N-TSa1中的2．965，從圖中可看出，N-TSa1結(jié)構(gòu)的N9-C1＇鍵已經(jīng)斷裂，且鍵級(jí)為零．而Ha2＇氫原子與N9原子的距離也逐漸縮短，直到 N-TSa1中的1．879?．而從 NTSa1到第一個(gè)中間體N-INTa1的過程中，N9原子已與Ha2＇質(zhì)子相結(jié)合．而質(zhì)子化的受損堿基發(fā)生翻轉(zhuǎn)，不僅使二面角 O4＇-C1＇-N9-C4逐漸增大，由 N-TSa1中的229．66°，增加到 N-INTa1的254．32°，但仍然保持反式結(jié)構(gòu)；而且使堿基環(huán)外氨基的Ha2與OW之間發(fā)生氫鍵相互作用，OW與堿基上Ha2的距離為1．866?，鍵角OW－Ha2-N2為172．74°．

圖3 以途徑一進(jìn)行的8－氧-2′-去氧鳥嘌呤核苷水解吉布斯自由能剖面圖（kcal／mol）和優(yōu)化結(jié)構(gòu)及部分結(jié)構(gòu)參數(shù)（鍵長：?）Fig．3 Gibbs free energy cross-section（kcal／mol）of 8-oxo-2＇-deoxyguanosine hydrolysis according to the first pathway and optimized structures along with their selected configuration parameters（bond lengths（in?））．

途徑二 在第二條反應(yīng)途徑中，水分子從糖環(huán)的上方進(jìn)攻異頭碳C1＇原子并且由8-氧鳥嘌呤的N9原子摘取去氧糖糖環(huán)的Ha2＇，這條反應(yīng)途徑意味著異頭碳C1＇的結(jié)構(gòu)保持．從圖4中可以看出，在這種情況下，反應(yīng)的第一步通過將去氧核糖糖環(huán)的Ha2＇質(zhì)子轉(zhuǎn)移到堿基的N9原子產(chǎn)生一個(gè)類二氫呋喃中間體．第二步包括水分子加成到C-C雙鍵上，而勢(shì)能剖面圖和反應(yīng)物、過渡態(tài)、中間體和產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)見圖4．

水分子先與受損的去氧鳥苷作用形成8-氧去氧鳥苷－水復(fù)合物Rb，我們把Rb作為該反應(yīng)通道的反應(yīng)物．緊接著N-糖苷鍵發(fā)生扭轉(zhuǎn)，使二面角O4＇-C1＇-N9-C4逐漸減小，在反應(yīng)物中為257．81°，減小到第一個(gè)過渡態(tài)N-TSb1中的229．30°，但仍然保持反式結(jié)構(gòu)；同時(shí)N-糖苷鍵逐漸拉長，由反應(yīng)物中的1．456?到N-TSb1中的3．034?，從圖中可看出，N-TSb1結(jié)構(gòu)的N9-C1＇鍵已經(jīng)斷裂，且鍵級(jí)為零．而 Ha2＇氫原子與OW間的距離以及HaW原子與N9原子的距離也逐漸縮短，分別由反應(yīng)物中的2．626?和3．808?縮短到N-TSb1中的1．427?和1．398?，鍵角 OW－HaW－N9和C2＇-Ha2＇-OW分別為173．10°和171．06°．而從 N-TSb1到第一個(gè)中間體N-INTb1的過程中，N9原子與HaW質(zhì)子相結(jié)合，而OW與Ha2＇質(zhì)子相結(jié)合．二面角 O4＇-C1＇-N9-C4逐漸增大，由 N-TSb1中的229．30°，增加到N-INTb1的253．39°，但仍然保持反式結(jié)構(gòu)；堿基環(huán)與新形成的水分子之間發(fā)生氫鍵相互作用，OW與堿基N9上的HaW（由親核試劑水分子轉(zhuǎn)移到堿基上的質(zhì)子）的距離為1．875?，鍵角 OW－HaW－N9為174．30°．

途徑三 在第三條反應(yīng)途徑中，親核試劑水分子從去氧核糖糖環(huán)的下方進(jìn)攻異頭碳C1＇原子并且由8－氧鳥嘌呤的O8原子摘取去氧糖糖環(huán)的Ha2＇，這條反應(yīng)途徑意味著異頭碳C1＇的結(jié)構(gòu)反轉(zhuǎn)．從圖5中可以看出，在這種情況下，反應(yīng)的第一步通過將去氧核糖糖環(huán)的Ha2＇質(zhì)子轉(zhuǎn)移到堿基的O8原子產(chǎn)生一個(gè)類二氫呋喃中間體．第二步包括水分子加成到C-C雙鍵上，而勢(shì)能剖面圖和反應(yīng)物、過渡態(tài)、中間體和產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)見圖5．

圖4 以途徑二進(jìn)行的8-氧-2′-去氧鳥嘌呤核苷水解吉布斯自由能剖面圖（kcal／mol）和優(yōu)化結(jié)構(gòu)及部分結(jié)構(gòu)參數(shù)（鍵長：?）Fig．4 Gibbs free energy cross-section（kcal／ mol）of 8-oxo-2＇-deoxyguanosine hydrolysis according to the second pathway and optimized structures along with their selected configuration parameters（bond lengths（in?））．

水分子先與受損的去氧鳥苷作用形成8-氧去氧鳥苷－水復(fù)合物Ra，我們把Ra作為該反應(yīng)通道的反應(yīng)物．緊接著N－糖苷鍵發(fā)生扭轉(zhuǎn)，使二面角O4＇-C1＇-N9-C4逐漸增加，在反應(yīng)物中為261．46°，增加到第一個(gè)過渡態(tài)中O-TSa1的263．36°，但仍然保持反式結(jié)構(gòu)；同時(shí)N-糖苷鍵逐漸拉長，由反應(yīng)物中的1．468?到O-TSa1中的2．644?，從圖中可看出，O-TSa1結(jié)構(gòu)的N9-C1＇鍵已經(jīng)斷裂，且鍵級(jí)為零．而Ha2＇氫原子與O8原子的距離也逐漸縮短，直到 O-TSa1中的1．395?．而從 OTSa1到第一個(gè)中間體O-INTa1的過程中，O8原子已與 Ha2＇質(zhì)子相結(jié)合．二面角 O4＇-C1＇-N9-C4繼續(xù)逐漸增大，由O-TSa1中的263．36°，增加到OINTa1的287．86°，從而使堿基與糖環(huán)間的相對(duì)位置由反式變?yōu)榱隧槃?shì)．

途徑四 在第四條反應(yīng)途徑中，水分子從糖環(huán)的上方進(jìn)攻異頭碳C1＇原子并且由8-氧鳥嘌呤的O8原子摘取去氧糖糖環(huán)的Ha2＇，這條反應(yīng)途徑意味著異頭碳C1＇的結(jié)構(gòu)保持．從圖6中可以看出，在這種情況下，反應(yīng)的第一步通過將去氧核糖糖環(huán)的Ha2＇質(zhì)子轉(zhuǎn)移到堿基的O8原子產(chǎn)生一個(gè)類二氫呋喃中間體．第二步包括水分子加成到C-C雙鍵上，而勢(shì)能剖面圖和各條反應(yīng)通道的反應(yīng)物、過渡態(tài)、中間體和產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)見圖6．

水分子先與受損的去氧鳥苷作用形成8－氧去氧鳥苷－水復(fù)合物Rb，我們把Rb作為該反應(yīng)通道的反應(yīng)物．緊接著N－糖苷鍵發(fā)生扭轉(zhuǎn)，使二面角O4＇-C1＇-N9-C4逐漸增大，在反應(yīng)物中為257．81°，增大到第一個(gè)過渡態(tài)O-TSb1中的274．36°，從而使堿基與糖環(huán)間的相對(duì)位置由反式變?yōu)榱隧槃?shì)；同時(shí)N－糖苷鍵逐漸拉長，由反應(yīng)物中的1．456到O-TSb1中的2．715，從圖中可看出，OTSb1結(jié)構(gòu)的N9-C1＇鍵已經(jīng)斷裂，且鍵級(jí)為零．而Ha2＇氫原子與OW間的距離以及HaW與O8原子的距離也逐漸縮短，分別由反應(yīng)物中的2．626?和3．808? 縮短到 O-TSb1中的1．365? 和1．272 ?，鍵角 OW－HaW－O8和 C2＇-Ha2＇-OW分別為168．91°和179．85°．

圖5 以途徑三進(jìn)行的8－氧-2′-去氧鳥嘌呤核苷水解吉布斯自由能剖面圖（kcal／mol）和優(yōu)化結(jié)構(gòu)及部分結(jié)構(gòu)參數(shù)（鍵長：?）Fig．5 Gibbs free energy cross-section（kcal／mol）of 8-oxo-2＇-deoxyguanosine hydrolysis according to the third pathway and optimized structures along with their selected configuration parameters（bond lengths（in?））．

圖6 以途徑四進(jìn)行的8-氧-7，8-二氫-2′-去氧鳥嘌呤核苷水解吉布斯自由能剖面圖（kcal／mol）和優(yōu)化結(jié)構(gòu)及部分結(jié)構(gòu)參數(shù)（鍵長：?）Fig．6 Gibbs free energy cross-section（kcal／mol）of 8-oxo-2＇-deoxyguanosine hydrolysis according to the fourth pathway and optimized structures along with their selected configuration parameters（bond lengths（in?））．

而從O-TSb1到第一個(gè)中間體O-INTb1的過程中，O8原子與HaW質(zhì)子相結(jié)合，而OW與Ha2＇質(zhì)子相結(jié)合．二面角 O4＇-C1＇-N9-C4再逐漸減小，由 O-TSb1 中的 274．36°，減小 到 O-INTb1 的256．30°，從而使堿基與糖環(huán)間的相對(duì)位置再由順式變回原來的反勢(shì)；堿基環(huán)與新形成的水分子之間發(fā)生弱相互作用，OW與堿基上O8原子的HaW（由親核試劑水分子轉(zhuǎn)移到堿基上的質(zhì)子）的距離為1．598 ?，鍵角 OW－HaW－O8 為 152．55°，且NBO分析表明，OW的孤對(duì)電子供給HaW－O8反鍵軌道的二階穩(wěn)定化能為37．79kcal／mol．

3．2 NBO分析

鍵級(jí)分析 鍵級(jí)的變化反映了化學(xué)鍵強(qiáng)度的變化，它與化學(xué)反應(yīng)有著密切的聯(lián)系，反映了化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì)．對(duì)于該模型體系的所有駐點(diǎn)，我們?cè)贐3LYP／6-31＋＋G（d，p）水平上計(jì)算所得的部分鍵級(jí)分別列于表1中．從表1中可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于途徑一，反應(yīng)物中的C1-C2鍵和O4＇-C1鍵正常成鍵，其鍵級(jí)分別是0．9922和0．9012，到第一個(gè)過渡態(tài)時(shí)，由于N-糖苷鍵斷裂及C2＇-H的削弱，C1＇原子與C2＇原子間的相互作用和C1＇原子與O4＇原子間的相互作用增加，鍵級(jí)分別增加到1．1302和1．3898，已具有部分雙鍵性質(zhì)．最后在第一個(gè)中間體中，由于N－糖苷鍵斷裂及C2＇-H鍵的完全斷裂，C1＇原子與C2＇原子間的相互作用進(jìn)一步增加，C1＇-C2＇鍵的鍵級(jí)增加到1．8171，且成鍵軌道分析表明，C1＇-C2＇鍵確實(shí)包括一個(gè)σ鍵和一個(gè)π鍵，是典型的雙鍵；由于C1＇-C2＇鍵雙鍵的形成，C1＇原子與C2＇原子間的相互作用進(jìn)一步增加，從而C1＇原子與O4＇原子間的相互作用減小，使其鍵級(jí)減小到1．0091，恢復(fù)到單鍵．而反應(yīng)物、過渡態(tài)和中間體中C1＇-C2＇鍵的鍵長分別為1．537?、1．452 ?和1．339?，O4＇-C1＇鍵的鍵長分別為1．437?、1．275?和1．371?，這與其鍵級(jí)的變化是一致的．其他反應(yīng)途徑的相應(yīng)鍵長和鍵級(jí)的變化與途徑一的相似．

表1 8-氧-2′-去氧鳥嘌呤核苷水解過程中部分物質(zhì)結(jié)構(gòu)參數(shù)（原子凈電荷：a．u．；鍵長：?；鍵級(jí)）Table 1 Selected configuration parameters of 8-oxo-2＇-deoxyguanosine hydrolysis．（atomic charge（in a．u．），bond length（in?）and bond order（in a．u．））

電荷分析 原子凈電荷的變化反映了該原子在化學(xué)反應(yīng)過程中所起的作用，甚至是直接參與成鍵、斷鍵，它與化學(xué)反應(yīng)有著密切的聯(lián)系，反映了化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì)．對(duì)于該模型體系的所有駐點(diǎn)，我們?cè)贐3LYP／6-31＋＋G（d，p）水平上計(jì)算所得的部分原子凈電荷分別列于表1中．從表1中可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于途徑一，反應(yīng)物中的C1＇原子、C2＇原子和 O4＇原子的原子凈電荷分別為0．2567、-0．4992和-0．6041．隨著反應(yīng)的進(jìn)行，三個(gè)原子的原子凈電荷也發(fā)生了改變．在第一個(gè)過渡態(tài)中，由于N-糖苷鍵斷裂是以異裂過程進(jìn)行，異頭碳C1＇原子帶正電荷，有利于O4＇原子的孤對(duì)電子離域到C1＇原子的空軌道，從而使O4＇原子的原子凈電荷減小到-0．4278，而C1＇原子的原子凈電荷增加到0．5288．由二階穩(wěn)定化能分析發(fā)現(xiàn)，由O4＇孤對(duì)電子C1＇的p空軌道的穩(wěn)定化能為5．71kcal／mol．又由于C2＇-H的削弱，使C2＇原子的原子凈電荷增加到-0．62116．最后在第一個(gè)中間體中，由于C2＇-H鍵的完全斷裂，Ha2＇以質(zhì)子形式脫離糖環(huán)，使C2＇原子的負(fù)電荷增加，從而C1＇原子與C2＇原子間的相互作用進(jìn)一步增加，正負(fù)電荷部分抵消，結(jié)果是C1＇原子與C2＇原子間形成雙鍵，且C1＇原子與C2＇原子的凈電荷分別降低到0．1592和-0．3850．由于C1＇＝C2＇雙鍵的形成，C1＇原子的凈電荷降低，則O4＇原子的孤對(duì)電子離域到C1＇原子的空軌道的能力減低，結(jié)果O4＇原子的原子凈電荷又增加到-0．5603．用相同的方法可以分析其他反應(yīng)途徑的相應(yīng)原子凈電荷的變化，可得出與途徑一相似的結(jié)論．

其實(shí)，這四個(gè)反應(yīng)途徑中，C1＇原子上的正電荷和 O4＇-C1＇鍵 及 C1＇-C2＇鍵的縮短都可以用過渡態(tài)中去氧核糖糖環(huán)的氧碳正離子性質(zhì)來解釋．從圖3—圖6中可看出，這四條反應(yīng)途徑中，第一個(gè)過渡態(tài)結(jié)構(gòu)的N9-C1＇鍵已經(jīng)斷裂，鍵級(jí)為零．因此，在堿基和去氧核糖糖環(huán)之間存在重要的電荷分離．在反應(yīng)途徑一中，整個(gè)8-鳥嘌呤和去氧核糖糖環(huán)的電荷分別為-0．857和＋0．850，而在反應(yīng)途徑二中，則分別為-0．752和＋0．743，在反應(yīng)途徑三中，則分別為-0．700和＋0．717，在反應(yīng)途徑四中，則分別為-0．733和＋0．704．

3．3 能量分析

根據(jù)在B3LYP／6-31＋＋G（d，p）水平上計(jì)算所得的相對(duì)能量的變化趨勢(shì)所描繪的能級(jí)示意圖如圖3-圖6所示．從圖中可以發(fā)現(xiàn)，四條反應(yīng)途徑中，第一步即糖苷鍵斷裂的相對(duì)能量最高，分別為49．34、47．31、42．50和41．99kcal／mol．第三條和第四條反應(yīng)途徑的活化能壘相近，只相差0．51kcal／mol；而第一條和第二條反應(yīng)途徑的活化能壘相近，相差2．03kcal／mol，且二者所需活化能較高．因此，從動(dòng)力學(xué)上看，第三條和第四條反應(yīng)途徑比另外兩條途徑具有優(yōu)勢(shì)，反應(yīng)主要通過途徑三和途徑四進(jìn)行水解．

另一方面，這兩種進(jìn)攻方式的重要區(qū)別在于水分子在反應(yīng)過程所起的作用不同．對(duì)N9原子摘取質(zhì)子的反應(yīng)而言，在途徑一中，水分子沒有直接參與到反應(yīng)中，N9原子直接從去氧核糖糖環(huán)的C2＇原子摘取 Ha2＇質(zhì)子，然而，在途徑二中，C2＇原子的Ha2＇質(zhì)子遷移到水分子，而后水分子的另一個(gè)質(zhì)子再遷移到N9原子．后者是一種“溶劑輔助”效應(yīng)，與反轉(zhuǎn)方式相比較，降低活化能壘大約2 kcal／mol．這個(gè)過程降低能壘的程度不如其他過程降低活化能的程度大[16]，因?yàn)檫@一步所需的能量主要作用于N－糖苷鍵的裂解．

由于真實(shí)的水解反應(yīng)都是在溶劑中進(jìn)行的，所以對(duì)于模型反應(yīng)我們也考慮了溶劑化效應(yīng)．我們選取水作為溶劑，在PCM／B3LYP／6-31＋＋G（d，p）／／B3LYP／6-31＋＋G（d，p）水平上計(jì)算了各駐點(diǎn)的單點(diǎn)能，其相對(duì)能量變化如圖3-圖6所示．從圖中可以看出，溶劑水對(duì)上述反應(yīng)的溶劑化效應(yīng)不明顯，其相對(duì)自由能有所下降，但總的反應(yīng)趨勢(shì)沒有發(fā)生改變，與氣態(tài)中的反應(yīng)趨勢(shì)相同．所以，在水溶劑中，途徑三和途徑四仍然是優(yōu)勢(shì)途徑．

4 小 結(jié)

本文用密度泛函DFT方法研究了N－糖苷鍵水解的反應(yīng)機(jī)理．對(duì)模型體系采用了B3LYP方法在6-31＋＋G（d，p）基組上對(duì)所有駐點(diǎn)進(jìn)行了全優(yōu)化．為了更好的理解水解反應(yīng)機(jī)理，我們還研究了反應(yīng)過程中鍵級(jí)和原子凈電荷的變化、溶劑水對(duì)反應(yīng)的溶劑化效應(yīng)．研究結(jié)果表明，從水分子的進(jìn)攻方向來看，8-oxodG與單個(gè)水分子作用的水解反應(yīng)中，水分子有兩個(gè)進(jìn)攻方向，即水分子可以從去氧核糖糖環(huán)的上方和下方進(jìn)攻異頭碳C1＇．結(jié)果，當(dāng)水分子從去氧核糖糖環(huán)的下方進(jìn)攻異頭碳C1＇時(shí)，異頭碳C1＇反應(yīng)前后構(gòu)型發(fā)生反轉(zhuǎn)，而當(dāng)水分子從去氧核糖糖環(huán)的上方進(jìn)攻異頭碳C1＇時(shí)，異頭碳C1＇反應(yīng)前后構(gòu)型保持不變．另一方面，8-氧鳥嘌呤堿基的O8原子和N9原子都可以摘取去氧核糖糖環(huán)的 Ha2＇．因此，8-oxodG與單個(gè)水分子作用的水解反應(yīng)有四條不同的反應(yīng)通道，且每條反應(yīng)通道都包括兩步，都形成類雙氫呋喃中間體．計(jì)算結(jié)果表明，O8原子摘取去氧糖糖環(huán)Ha2＇的反應(yīng)的兩條反應(yīng)途徑的第一步的活化能相近，途徑三的活化能為42．50kcal／mol，比途徑四的高0．51kcal／mol；而N9原子摘取去氧糖糖環(huán)Ha2＇的反應(yīng)的兩條反應(yīng)途徑的第一步的活化能也相近，反轉(zhuǎn)過程的活化能為49．34kcal／mol，比保留過程的活化能（47．31kcal／mol）高2．03kcal／mol．

由于N-糖苷鍵異裂的裂解能太高，N-糖苷鍵水解所需的活化能仍然相當(dāng)高，因此，N-糖苷鍵的水解需要有催化劑的參與，而在人體內(nèi)，存在各種酶參與N-糖苷鍵的水解．事實(shí)上，類二氫呋喃中間體的形成是一種保持生物體系內(nèi)電中性的有利途徑．

[1]Berti P J，McCann J A B．Toward a detailed under-standing of base excision repair enzymes：transition state and mechanistic snalyses of N-glycoside hydrolysis and N-glycoside transfer．[J]Chem．Rev．，2006，106（2）：506．

[2]Mazumder D，Kahn K，Bruice T C．Computer simulations of trypanosomal nucleoside hydrolase：Determination of the protonation state of the bound transition-state analogue[J]．J．Am．Chem．Soc．，2002，124（30）：8825．

[3]Versees W，Barlow J，Steyaert J．Transition-state complex of the purine-specific nucleoside hydrolase of T．vivax：enzyme conformational changes and implications for catalysis[J]．J．Mol．Biol．，2006，359（2）：331．

[4]Roday S，Amukele T，Evans G B，etal．Inhibition of ricin A-chain with pyrrolidine mimics of the oxacarbenium ion transition state[J]．Biochemistry．2004，43（17）：4923．

[5]Osakabe T，F(xiàn)ujii Y，Hata M，etal．Targeting the undruggable proteome：the small molecules of my dreams[J]．Chem-BioInf．J．，2004，4（1）：73．

[6]Zaika E I，Perlow R A，Matz E，etal．Substrate discrimination by formamidopyrimidine-DNA glycosylase：a mutational analysis[J]．J．Biol．Chem．，2004，279（6）：4849．

[7]Bruner S D，Norman D P G，Verdine G L，etal．Structural basis for recognition and repair of the endogenous mutagen 8-oxoguanine in DNA[J]．Nature，2000，403：859．

[8]Laudo M D，Whittleton S R，Wetmore S D M，et al．The effects of hydrogen bonding on the acidity of uracil[J]．J．Phys．Chem．A，2003，107（46）：10406．

[9]Petersson G A，Al-Laham M A．A complete basis set model chemistry（II）：Open-shel1systems and the total energies of the first-row atoms[J]．J．Chem．Phys．，1991，94（9）：6081．

[10]Fukui K．A formulation of the reaction coordinate[J]．J．Phys．Chem．，1970，74（23）：4161．

[11]Reed A E，Curtiss L A，Weinhold F．Intermolecular interactions from a natural bond orbital，donoracceptor viewpoint[J]．Chem．Rev．，1988，88（6）：899．

[12]Barone V，Cossi M．Quantum calculation of molecular energies and energy gradients in solution by a conductor solvent model[J]．J．Phys．Chem．A，1998，102（11）：1995．

[13]Cossi M，Rega N，Scalmani G，Barone V．Energies，structures，and electronic properties of molecules in solution with the C-PCM solvation model[J]．Comput．Chem．，2003，24（6）：669．

[14]Frisch M J，Trucks G W，Schlegel H B，etal．Gaussian03D．01．Pittsburgh，PA：Gaussian，Inc．：2005．

[15]Zoltewicz J A，Clark D F，Sharpless T W，etal．Kinetics and mechanism of the acid-catalyzed hydrolysis of some purine nucleosides[J]．J．Am．Chem．Soc．，1970，92（6）：1741．

[16]Constantino E，Solans-Monfort X，Sodupe M，et al．Basic and acidic bifunctional catalysis：application to the tautomeric equilibrium of formamide[J]．J．Chem．Phys．，2003，295（2）：151．