（凝聚态物理专业论文）dna损伤的密度泛函计算和分子动力学模拟.pdf

山东大学博士学位论文 摘要 电离辐射会导致d n a 的损伤。d n a 分子直接吸收电离辐射中的能量，造 成电离而发生物理化学变化，称之为直接损伤：电离辐射作用于d n a 分子的 周围介质( 主要是水) 生成水的辐解自由基：o h ，h 和e 。等中间物，这些中 间物再攻击d n a 分子，造成d n a 的间接损伤。其中o h 是主要的辐解产物， 它可以和d n a 碱基或脱氧核糖发生反应，形成碱基或脱氧核耱的氢氧化自由基 和脱氢自由基。这些自由基进一步反应，最终导致d n a 产生无碱基位点、d n a 链断裂、d n a 一蛋白质交联等损伤。 d n a 的损伤必须得到修复，如得不到修复，就会造成基因的缺陷，导致 疾病或起致癌作用。d n a 的修复过程中需要通过一系列的修复酶催化而实现 修复，修复酶起到识别损伤、切除损伤等作用。例如：在d n a 的复制过程中， 仍有一定的d n a 碱基错配几率，m u t s 修复酶能识别d n a 中的g ：t 错配碱基， 丌始修复过程的第一步。一些原因会导致胞嘧啶脱氨基生成尿嘧啶，d n a 修复 酶u d g 能识别尿嘧啶并催化糖苷键的水解，切除尿嘧啶。 在本论文中，通过从头计算方法中的密度泛函计算研究o h 自由基和四个碱 基的反应、脱氧核糖五个脱氢自由基的结构和能量、以及脱氧核糖脱氢对各 d n a 碱基脱落和d n a 链断裂的影响，从而深入研究电离辐射对d n a 的损伤 机制。通过分子动力学模拟研究含g ：t 错配碱基的d n a 分子与修复酶m u t s 之问相互作用、u d g 糖苷酶和受损d n a 分子中尿嘧啶之问可能的相互作用 模式，又结合密度泛函理论，探讨糖苷键的水解机制。计算得到如下结论： 1 密度泛函( d f t ) 计算表明：o h 自由基攻击胸腺嘧啶c 5 位置的加合反应 有一个约为0 7 0 k c a l m o l 的反应能垒，而o h 自由基攻击胸腺嘧啶c 6 位置的加合反 应是一个无垒反应，且c 6 0 h 的能量小于c 5 0 h 的能量，所以o h 自由基攻击c 6 原子的加合反应要优先于攻击c 5 原子的加合反应。o h 自由基攻击胸腺嘧啶c 5 上 甲基的脱氢反应必须克服一个约为1 8 8k c a l m o l 的能垒，所以反应几率最小。 2 从密度泛函计算，得出结论，o h 自由基攻击胞嘧啶的c 5 和c 6 原子的 加合反应要比攻击n 3 和c 。原子的加合反应容易得多。在o h 自由基引起的胞嘧 啶脱氢的三个反应中，脱h 4 2 的反应是最容易。胞嘧啶脱h 4 2 的反应与o h 自出 山东大学博士学位论文 基加合到c 6 位置的反应有大约相同的能量势垒，但是，脱h 4 2 反应的产物的能 量要比c 6 0 h 高约8 ，7 9 k c a l m o l ，所以，与o h 自由基攻击胞嘧啶c 5 和c 6 原子 的加合反应相比，o h 自由基引起的胞嘧啶脱h 4 2 反应的反应几率要小得多，即 在产物中i - h 2 一a b s t r a c t e d 自由基的比例要比c 5 0 h 和c 6 0 h 小，在实验上可能是 观察不到的。 3 密度泛函计算表明：在o h 自由基与腺嘌呤的加合反应中，o h 自由基 加合到腺嘌呤的c 4 、c 5 和c 8 位置的反应需克服的能量势垒相对较小。在o h 自由基引起的腺嘌呤的脱氢反应中，氮基脱氢反应相对较容易。但是加合反应和 脱氢反应相比，氨基脱氢反应需克服的能量势垒仍大于o h 自由基加合到腺嘌呤 的c 4 、c 5 和c 8 位置的反应。所以从反应动力学方面看，在o h 自由基与腺嘌呤 的所有反应中，o h 自由基攻击腺嘌呤的c 4 、c 5 和c 8 位置的加合反应的反应几 率大于别的反应。 4 密度泛函计算表明：在t o h 自由基与鸟嘌呤的加合反应中，o h 自由基 加合到鸟嘌呤的c t 、c 5 和c 8 位置相对较容易。在脱氢反应中氨基脱氢反应需 克服的能量势垒小于o h 自由基加合到鸟嘌呤中c 。位鼍的反应能垒。所以在o h 自由基与鸟嘌呤的所有反应中，o h 自由基攻击鸟嘌呤c 5 和c 8 位置的加合反应 的反应几率大于别的可能的反应，然后可能的反应是鸟嘌呤上氨基的脱氢反应。 5 密度泛函计算表明，在脱氧核糖c l 一c 5 位上脱氢以后，形成的自由 基中，c 2 自由基的能量最高，c 4 和c l 能量相对较低。而c 4 原子位于d n a 螺旋结构的外侧，辐射产生的o h 、h 对其攻击，在c 4 位置发生脱氢反应的 可能性最大。 6 ，各脱氧核苷的c 1 - c 5 原子脱氢以后整个分子的化学活性增强，导致 糖苷的断键能降低，碱基更易脱落。其中胞嘧啶脱氧核苷、鸟嘌呤脱氧核苷 和腺嘌呤脱氧核苷脱氧核营的c 2 自由基中糖苷的断键能最低，碱基最易脱 落。但是c 2 自由基的能量相对比较高，且c 2 位于螺旋结构的内侧，形成c 2 自由基的可能性较小，所以由于c 2 原子上脱氢，最终导致碱基脱落可能性较 小。c 4 和c l 咱由基的能量相对比较低，碱基脱落所需的能量相对相应的脱 氧核苷也是有很大的降低，但是在真实的d n a 双螺旋结构中c l 原子位于螺 旋结构的内侧，受辐射后产生的o h 、- h 的攻击并发生脱氢反应可能性较小 山东大学博士学位论文 所以脱氧核糖c 。7 原子脱氢最终导致碱基脱落的几率最大。 7 l 一氨基3 磷酸一2 一脱氧核糖和1 一氨基一5 磷酸2 脱氧核糖的c l 至c 5 原子脱氢以后整个分子的化学活性增强，c 3 f _ 0 3 键和c 5 0 5 键的断键能都 有一定的减低。其中，c 2 原子上的氢原子脱落使c 3 0 3 键的断键能大幅的下 降，c 4 原子上的氢原子脱落同时使c 3 。- 0 3 键和c 5 0 5 键的断键能大幅地下 降，下降幅度都在5 0 以上。所以d n a 分子中c 2 和c 4 原子脱氢会导致d n a 链断裂，但是在真实的d n a 双螺旋结构中c 2 原子位于螺旋结构的内侧，受 辐射后产生的o h 、h 攻击并发生脱氢反应可能性较小。相比之下脱氧核糖 c 4 原子脱氢对d n a 链的断裂影响最大。 8 用a m b e r 力场模拟了含g ：t 错配碱基的d n a 分子的动力学过程，结 果表明，胸腺嘧啶t 与鸟嘌呤g 之间形成三个氢键相互作用，维持了d n a 分子 的j 下常结构。同时模拟了含g ：t 错配碱基的d n a 分子与修复酶m u t s 之间相互 作用的动力学过程：从构造的m u t s 与d n a 复合物的结构出发，在动力学模拟 过程中，其d n a 链在与m u t s 的结合处发生了一定弯曲。而从含g ：t 错配碱基 的d n a 分子与m u t s 的结晶结构出发，在模拟过程中，d n a 链保持原有的在 g ：t 错配碱基处的弯曲。从结晶结构中含g ：t 错配碱基的d n a 分子出发，在动 力学模拟过程中，g ：t 错配碱基位置处的弯曲逐渐变小。从上述结论出发，假设 了大肠杆菌m u t s 修复酶识别g ：t 错配碱基的可能机制。 l o 用a m b e r 力场模拟了含尿嘧啶的受损d n a 分子的动力学过程结果 表明，尿嘧啶类似胸腺嘧啶，与腺嘌呤之间会形成很好的碱基对相互作用，维持 了正常的d n a 分子的结构。同时模拟了含尿嘧啶的受损d n a 分子与糖苷酶u d g 的动力学过程，结果表明：尿嘧啶与糖苷酶u d g 有很强的非键相互作用，糖苷 酶u d g 活性中心与尿嘧啶的结构有利于糖苷酶催化糖苷键的断裂，切除尿嘧啶。 又结合密度泛函方法，研究了脱氧尿苷0 4 原子质子化以后对糖苷键断裂的影响， 结果表明：质子化以后的脱氧尿苷中糖苷键的绝热断键能和垂直断键能都大幅下 降，c - 一n 1 之间的糖苷键更易断裂。 主要的创新性表现在以下几个方面： 1 用密度泛函理论，系统地研究了- o h 自由基与d n a 各碱基的化学反应过 程，理论上确定了o h 自由基与每个碱基的反应中加合反应和碱基脱氢反应的倾 当奎奎兰苎圭兰簦鎏奎 向性。绝大部分的理论结果与实验一致，小部分理论结果与实验不一致，一可能 是因为理论不能很好地模拟有氧气、二氧化碳等物质存在的水环境：也可能与实 验有关，e s r 数据和最终产物的确定都对应于稳念的自由基和最终产物的浓度， 而最初生成的氢氧化自由基和脱氢自由基接着会很快地与氧气发生反应。其 中o h 自由基与胞嘧啶和腺嘌呤反应的计算结果是未见报道的新结果。 2 用密度泛函理论，计算了脱氧核糖中c i 至c 5 五个碳原予脱氢前后， 脱氧核糖与碱基之间的糖苷键的断键能和d n a 骨架上碳原子与氧原子之间的 磷酸酯键的断键能，得出结论：脱氧核糖c 4 原子脱氢最终导致碱基脱落和 d n a 链断裂的几率最大此理论结果和实验结论吻合也为未见报道的新的 理论结果。 3 用分子动力学模拟研究d n a 分子中g ：t 错配碱基之间的结构模式、整 个含g ：t 错配碱基的d n a 分子的结构特殊性、以及含g ：t 错配碱基的d n a 分子与修复酶m u t s 之间相互作用的动力学过程。假设了大肠杆菌m u t s 修复 酶识别g ：t 错配碱基的可能机制，也是未见报道的新的模拟结果。 4 密度泛函计算得出结论：质子化以后的脱氧尿营中糖苛键的绝热断键能 和垂直断键能都大幅下降，c i - n 。之间的糖苷键更易断裂，此也是未见报道的新 的理论结果。 关键词：电离辐射；d n a 损伤；密度泛函理论；分子动力学模拟； o h 自由基；d n a 修复酶 山东大学博士学位论文 _ l - l _ - - l _ - l - _ l - _ _ _ - i _ - _ - l l _ _ _ _ _ i _ _ _ - l _ - l _ l l l - _ a b s t r a c t i o n i z i n gr a d i a t i o nc a l lc m s ed n ad a m a g ei nt w od i f f e r e n tw a y o n e i st h ed i r e c t d n a d a m a g e ，i e t h ed n aa b s o r b sr a d i a t i o ne n e r g ya n dy i e l d sr a d i c a li o n sa n dt h e i r d i r e c tf r a g m e n t a t i o np r o d u c t s t h eo t h e ri s t h ei n d i r e c td n ad a m a g e ，i e ，s m a l l s u r r o u n d i n gm o l e c u l e s ，p r i m a r i l yw a t e r , a b s o r bt h er a d i a t i o ne n e r g ya n di n t e r m e d i a t e s ， s u c ha s o h ，ha n de ，a r et h e r e b yf o r m e d ，w h i c hc a l lc h e m i c a l l ya t t a c kt h ed n a h y d r o x y lr a d i c a l s ( t o h ) a r et h em a i ns p e c i e s ，w h i c hc a nr e a c tw i t hd n a b a s e sa n d d e o x y n b o s e t of o r mh y d r o x y l a t e dr a d i c a l sa n dd e h y d r o g e n a t e dr a d i c a l s t h eh y d r o x y l r a d i c a l m e d i a t e do x i d a t i o no fd n ai su s u a l l yt h ef i r s ts t e p ，w h i c hi se v e r t t u a r y l e a d i n g t od n as t r a n db r e a k s ，d n a p r o t e i nl i n k a g e ，a n da b a s i cs i t e s t h ed n a d a m a g e ，i fn o tr e p a i r e d ，w i l lc a u s ed i s e a s eo rc a n c e r as e d e so fr e p a i r e n z y m e sa r en e e d e di nd n ar e p a i r f o re x a m p l e ，d n am i s m a t c hr e p a i re n z y m e ， m u t s ，c a nr e c o g n i z ea n db o n dt oag ：tm i s m a t c h ，w h i c hi st h ef i r s ts t e po fd n a m i s m a t c hr e p a i r u r a c i l - d n ag l y c o s y l a s e ( u d g ) c a r lr e c o g n i z eau r a c i li nd n aa n d e x c i s e st h eu r a c i lf r o md n a b yc a t a l y z i n gt h eh y d r o l y s i so f t h eg l y c o s y l i cb o n d i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，d e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r y ( d f t ) w a su s e dt os t u d yt h e r e a c t i o n so f o hw i t hf o u rd n ab a s e s ，d e o x y f i b o n u c l e o s i d er a d i c a l s ，a n dt h ee r i e c t s o ft h eh y d r o g e na b s t r a c t i o nf r o mt h ed e o x y f i b o s eo nt h er e l e a s eo fd n ab a s e sa n d s t r a n db r e a k m o l e c u l a rd y n a m i cs i m u l a t i o n sw e r ep e r f o r m e dt os t u d yt h ei n t e r a c t i o n o fag ：tm i s m a t c h e dd n a 、v i t l li t sr e p a i re n z y m e ，m u t s ，a n dt h ei n t e r a c t i o no fa d n a c o n t a i n i n gau r a c i lw i t hu d g t h ed e t a i l e dr e s u l t si nt h i sd i s s e r t a t i o na r el i s t e d a sf o l l o w i n g s ： 1 d f tc a l c u l a t i o n si n d i c a t et h a tt h er e a c t i o no fa o hr a d i c a la t t a c k i n gt oc 5 p o s i t i o no fat h y m i n eh a sa ne n e r g yb a r r i e ro f o 7 0 k c a l m 0 1 w h i l et h er e a c t i o no f a o hr a d i c a la t t a c k i n gt oc 6p o s i t i o no ft h et h y m i n ei se n e r g yb a r r i e r - f r e er e a c t i o n s t h e c 6 一h y d r o x y l a t e dt h y m i n e i s f o u n de n e r g e t i c a l l y m o r ef a v o r a b l et h a n c 5 一h y d r o x y l a t e dt h y m i n e g e n e r a l l ys p e a k i n g ，t h ea d d i t i o no f 。o hr a d i c a lt oc 6 s i t ei s s l i g h t l yp r e f e r r e dt oa d d i t i o nt ot h ec 5s i t e s t h er e a c t i o no f 蹰o hf r e e r a d i c a l s 山东大学博士学位论文 a b s t r a c t i n gah y d r o g e nf r o mt h ec 5m e t h y lg r o u po ft h y m i n eh a st oo v e r c o m ea n e n e r g yb a r r i e ro f - 1 9 8k c a l m o la n d t h u sl e s sl i k e l yo c c i n s 2 d f tc a l c u l a t i o n si n d i c a t et h a t o hr a d i c a la d d i t i o nt oc sa n dc 6s i t e so f c y t o s i n ei se n e r g e t i c a l l ym o r ef a v o r a b l et h a nt oc 4o rn ss i t e s a m o n gt h et h r e e h y d r o g e na b s t r a c t i o nr e a c t i o n so fc y t o s i n eb y o hr a d i c a l ，t h eh 4 2a t o ma b s t r a c t i o n r e a c t i o ni sm o s tf a v o r a b l e t h i sh y d r o g e na t o ma b s 仃a c t i o nr e a c t i o nh a sa l m o s tt h e s a m ee n e r g yb a r r i e r 船t h a to f o ha d d i t i o nt oc 6s i t e b u tt h ee n e r g yo ft h eh 4 2 a b s t r a c t i o np r o d u c t s ，t h ei - h 2 - a b s t r a c t e dr a d i c a la n daw a t e rm o l e c u l e ，i sa b o u t & 7 9 k c a l m o lh i g h e rt h a nt h a to ft h e6 - h y d r o x y l a t c dr a d i c a l i nc o m p a r i s o n 、v i t i l t h e + o ha d d i t i o nt oc so rc 6s i t eo fc y t o s i n e ，t h e 地2a t o ma b s t r a c t i o nr e a c t i o nh a s l e s sr e a c t i o np r o b a b i l i t y t h e r e f o r ei nc o m p a r i s o nw i t ht h ec s - h y d r o x y l a t e da n d c 6 - h y d r o x y l a t e dr a d i c a l s ，t h ep r o p o r t i o no ft h eh 4 2 a b s t r a c t e dr a d i c a l sa m o n gt h e p r o d u c t si ss m a l la n dm a yb eu n d e t e c t a b l ee x p e r i m e n t a l l y 3 d f tc a l c u l a t i o n si n d i c a t et h a t o hr a d i c a la d d i t i o nt oc 4 ，c sa n dc 8s i t e so f a n a d e n i n eh a v er e l a t i v el o we n e r g yb a r r i e ra m o n ga l lt h ea d d u c t i o nr e a c t i o n so f - o h w i t ha d e n i n e a m o n ga l lt h eh y d r o g e na b s t r a c t i o nr e a c t i o n so fa d e n i n eb y o hr a d i c a l t h eh y d r o g e na b s t r a c t i o nf r o mt h ea m i n og r o u po fa d e n i n ei sm o s tf a v o r a b l e w l l i l e t h i sh y d r o g e na t o ma b s t r a c t i o nr e a c t i o nh a sl a r g e re n e r g yb a r r i e rt h a nt h a to ft h e r e a c t i o no fo hr a d i c a la d d i t i o nt oc 4s i t e s ok i n e t i c a l l y , a m o n ga l lt h er e a c t i o n s o f o h 、v i t ha d e n i n e ，t h ea d d u c t i o nr e a c t i o n so f o hr a d i c a lt oc 4 ，c 5a n dc 8s i t e s h a v eh i g h e rr e a c t i o np m b a b i l i t y 4 d f tc a l c u l a t i o n si n d i c a t et h a t o hr a d i c a la d d i t i o nt oc 4 ，c 5a n dc 2s i t e so fa g u a n i n ea r er e l a t i v ee a s ya m o n ga l lt h ea d d u c t i o nr e a c t i o n so f o hr a d i c a l 埘t l l g u a n i n e 耵l eh y d r o g e na b s t r a c t i o nf r o mt h ea m i n og r o u po fg l l r n j n eh a ss m a l l e r e n e r g yb a r r i e rt h a nt h a to f t h er e a c t i o no f o hr a d i c a la d d i t i o nt oc 4s i t e s ok i n e f i e a l l y , a m o n ga l lt h er e a c t i o n so f o hr a d i c a lw i t hg u a n i n e ，t h ea d d u c t i o nr e a c t i o n so f o h r a d i c a lt oc sa n dc gs i t e sh a v eh i g h e rr e a c t i o n p r o b a b i l i t ya n dt h en e x tp o s s i b l e r e a c t i o ni st h eh y d r o g e na b s t r a c t i o nf r o mt h ea m i n og r o u po f g u a n i n e 5 d f tc a l c u l a t i o n si n d i c a t et h a ta m o n ga l lr a d i c a l s ，w h i c ha r ef o r m e db y h y d r o g e na b s t r a c t i o nf r o mc t ，c 2 ，c 3 ，c 4 a n dc 5 s i t e so ft h ed e o x y r i b o s e , 6 当耋盔主丝主兰竺鎏塞 t h e c 2 7r a d i c a lh a st h eh i g h e s te n e r g y t h ee n e r g i e so ft h e c 4 a n d + c 1 r a d i c a l sa l e 1 0 w e rt h a nt h a to ft h eo t h e rt h r e er a d i c a l s t h ec 4 a t o mi so u t s i d et h ed o u b l eh e l i x e s o fd n aa n di t sa c c e s s i b i l i t yt o o ha n d hs p e c i e s w h i c ha f ef o r m e di nr a d i a t i o n f i e l d ，i sh i g h e r s oa m o n ga l lh y d r o g e na b s t r a c t i o nr e a c t i o n so ft h ed e o x y r i b o s e ，t h e a b s t r a c t i o no fah y d r o g e na t o mf r o mc d s i t eh a st h eh i g h e s tp r o b a b i l i t y 6 d f tc a l c u l a t i o n si n d i c a t et h a tt h ea b s t r a c t i o no fah y d r o g e na t o mf r o ma c a r b o na t o mo ft h ed e o x y r i b o s em a k e sd e o x y r i b o n u c l e o s i d ec h e m i c a l l ym o r ea c t i v e f o rs u b s e q u e n tb a s er e l e a s ei nd n a t h ee n e r g i e sf o rg l y c o s y l i cb o n dd i s s o c i a t i o n i n c 2 r a d i c a l so fd e o x y c y t i d i n e ，d e o x y g u a n o s i n ea n dd e o x y a d e n o s i n ea r el o w e ra n d t h eb a s er e l e a s e ss h o u l db ee a s i e r h o w e v e r , t h ee n e r g yo ft h e c 2 r a d i c a l sa r er e l a t i v e h i g ha n dt h ec 2 a t o mi si n s i d et h ed o u b l eh e l i x e s s ot h ep r o b a b i l i t yo fb a s er e l e a s e i n d u c e db yt h eh y d r o g e na b s t r a c t i o nf r o mc 2 4 a t o mi sa c t u a l l yl o w t h ee n e r g i e so f t h e c 4 a n dcl r a d i c a l sa r el o w e ra n dt h ee n e r g i e sf o rg l y c o s y l i cb o n dd i s s o c i a t i o ni n t h et w or a d i c a l sa r em u c hl o w e rt h a nt h a ti nt h e i rd e o x y r i b o n u c l e o s i d e b e c a u s e t h ec l a t o mi si n s i d et h ed o u b l eh e l i x e so fd n a ，t h ep r o b a b i l i t yo fb a s er e l e a s e i n d u c e db yt h eh y d r o g e na b s t r a c t i o nf r o mc a a t o mi st h e r e f o r et h el a r g e s t 7d f tc a l c u l a t i o n si n d i c a t et h a tt h ea b s t r a c t i o no fh y d r o g e na t o mf r o mci ，c 2 ， c c 4 a n dc 5 a t o m so f d e o x y r i b o s em a k e1 一a m i n 0 3 p h o s p h a t e 2 - 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o h + d n a o d n a ( + o h ) i 粥+ d n a l 4 ( 一抒) + 日2 d + d n a 寸( d n a ) 。 d n a 。+ h 2 0 呻d n a ( + h ) + o