B型DNA中鸟嘌呤-胞嘧啶碱基对内双质子转移反应

林月霞 王红艳 高思敏 吴颖曦 李汝虎

引用本文: 林月霞, 王红艳, 高思敏, 吴颖曦, 李汝虎. B型DNA中鸟嘌呤-胞嘧啶碱基对内双质子转移反应[J]. 物理化学学报, 2013, 29(06): 1233-1239. doi: 10.3866/PKU.WHXB201304022 shu
Citation:  LIN Yue-Xia, WANG Hong-Yan, GAO Si-Min, WU Ying-Xi, LI Ru-Hu. Double-Proton-Transfer Reaction in Guanine-Cytosine Base Pair Embedded in B-Form DNA[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2013, 29(06): 1233-1239. doi: 10.3866/PKU.WHXB201304022 shu

B型DNA中鸟嘌呤-胞嘧啶碱基对内双质子转移反应

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(10974161, 11174237) (10974161, 11174237)

    国家重点基础研究发展规划项目(973) (2013CB328904) (973) (2013CB328904)

    中央高校基本科研业务费专项基金(2010ZT06)资助 (2010ZT06)

摘要:

采用ONIOM(M06-2X/6-31G*:PM3)方法研究了单个鸟嘌呤-胞嘧啶(GC)碱基对和含GC碱基对的四种排序的DNA三聚体(dATGCAT, dGCGCGC, dTAGCTA, dCGGCCG)的双质子转移反应. 通过分析其双质子转移方式、质子转移过程中各结构的能量和氢键变化, 总结出环境因素对GC碱基对双质子转移机理的影响. 气相中, dCGGCCG三聚体中发生分步双质子转移, 其它四种模型中均发生协同双质子转移. 分析发现质子转移方式受上下相邻碱基对的静电相互作用和质子接受位的质子亲和势影响, dATGCAT和dGCGCGC排序有助于质子H4a转移, 而dTAGCTA和dCGGCCG排序有助于质子H1转移, 胞嘧啶的N3位较高的质子亲和势有助于质子H1转移. 水溶剂中, 上下相邻碱基对的静电相互作用被减弱, 水溶剂稳定了分步转移过程中的单质子转移产物, 因此分步转移机理占据优势, 五种模型中均出现分步双质子转移, 在此过程中能量变化趋势相似. 溶剂效应有利于单质子转移, 却增加了双质子转移反应的反应能.

English

    1. [1]

      (1) Kobayashi, K.; Tagawa, S. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 10213.doi: 10.1021/ja036211w

      (1) Kobayashi, K.; Tagawa, S. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 10213.doi: 10.1021/ja036211w

    2. [2]

      (2) Kobayashi, K.; Yamagami, R.; Tagawa, S. J. Phys. Chem. B2008, 112, 10752. doi: 10.1021/jp804005t(2) Kobayashi, K.; Yamagami, R.; Tagawa, S. J. Phys. Chem. B2008, 112, 10752. doi: 10.1021/jp804005t

    3. [3]

      (3) Yamagami, R.; Kobayashi, K.; Tagawa, S. J. Am. Chem. Soc.2008, 130, 14772. doi: 10.1021/ja805127e(3) Yamagami, R.; Kobayashi, K.; Tagawa, S. J. Am. Chem. Soc.2008, 130, 14772. doi: 10.1021/ja805127e

    4. [4]

      (4) Adhikary, A.; Khanduri, D.; Sevilla, M. D. J. Am. Chem. Soc.2009, 131, 8614. doi: 10.1021/ja9014869(4) Adhikary, A.; Khanduri, D.; Sevilla, M. D. J. Am. Chem. Soc.2009, 131, 8614. doi: 10.1021/ja9014869

    5. [5]

      (5) rb, L.; Podolyan, Y.; Dziekonski, P.; Sokalski,W. A.;Leszczynski, J. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 10119. doi: 10.1021/ja049155n(5) rb, L.; Podolyan, Y.; Dziekonski, P.; Sokalski,W. A.;Leszczynski, J. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 10119. doi: 10.1021/ja049155n

    6. [6]

      (6) Zoete, V.; Meuwly, M. J. Chem. Phys. 2004, 121, 4377. doi: 10.1063/1.1774152(6) Zoete, V.; Meuwly, M. J. Chem. Phys. 2004, 121, 4377. doi: 10.1063/1.1774152

    7. [7]

      (7) Sevilla, M. D.; Besler, B.; Colson, A. O. J. Phys. Chem. 1995,99, 1060. doi: 10.1021/j100003a032(7) Sevilla, M. D.; Besler, B.; Colson, A. O. J. Phys. Chem. 1995,99, 1060. doi: 10.1021/j100003a032

    8. [8]

      (8) Hutter, M.; Clark, T. J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 7574. doi: 10.1021/ja953370+(8) Hutter, M.; Clark, T. J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 7574. doi: 10.1021/ja953370+

    9. [9]

      (9) Smets, J.; Houben, L.; Schoone, K.; Maes, G.; Adamowicz, L.Chem. Phys. Lett. 1996, 262, 789. doi: 10.1016/S0009-2614(96)01151-7(9) Smets, J.; Houben, L.; Schoone, K.; Maes, G.; Adamowicz, L.Chem. Phys. Lett. 1996, 262, 789. doi: 10.1016/S0009-2614(96)01151-7

    10. [10]

      (10) Podolyan, Y.; rb, L.; Leszczynski, J. J. Phys. Chem. A 2000,104, 7346. doi: 10.1021/jp000740u(10) Podolyan, Y.; rb, L.; Leszczynski, J. J. Phys. Chem. A 2000,104, 7346. doi: 10.1021/jp000740u

    11. [11]

      (11) Noguera, M.; Rodríguez-Santia , L.; Sodupe, M.; Bertran, J.J. Mol. Struct. 2001, 537, 307.(11) Noguera, M.; Rodríguez-Santia , L.; Sodupe, M.; Bertran, J.J. Mol. Struct. 2001, 537, 307.

    12. [12]

      (12) Florián, J.; Leszczyński, J. J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 3010.doi: 10.1021/ja951983g(12) Florián, J.; Leszczyński, J. J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 3010.doi: 10.1021/ja951983g

    13. [13]

      (13) Noguera, M.; Bertran, J.; Sodupe, M. J. Phys. Chem. A 2004,108, 333. doi: 10.1021/jp036573q(13) Noguera, M.; Bertran, J.; Sodupe, M. J. Phys. Chem. A 2004,108, 333. doi: 10.1021/jp036573q

    14. [14]

      (14) Noguera, M.; Sodupe, M.; Bertrán, J. Theor. Chem. Acc. 2007,118, 113. doi: 10.1007/s00214-007-0248-z(14) Noguera, M.; Sodupe, M.; Bertrán, J. Theor. Chem. Acc. 2007,118, 113. doi: 10.1007/s00214-007-0248-z

    15. [15]

      (15) Lin, Y.;Wang, H.; Gao, S.; Schaefer, H. F. J. Phys. Chem. B2011, 115, 11746. doi: 10.1021/jp205403f(15) Lin, Y.;Wang, H.; Gao, S.; Schaefer, H. F. J. Phys. Chem. B2011, 115, 11746. doi: 10.1021/jp205403f

    16. [16]

      (16) Lin, Y.;Wang, H.; Gao, S.; Li, R.; Schaefer, H. F. J. Phys. Chem. B 2012, 116, 8908. doi: 10.1021/jp3048746(16) Lin, Y.;Wang, H.; Gao, S.; Li, R.; Schaefer, H. F. J. Phys. Chem. B 2012, 116, 8908. doi: 10.1021/jp3048746

    17. [17]

      (17) Gupta, A.; Jaeger, H. M.; Compaan, K. R.; Schaefer, H. F.J. Phys. Chem. B 2012, 116, 5579. doi: 10.1021/jp211608b(17) Gupta, A.; Jaeger, H. M.; Compaan, K. R.; Schaefer, H. F.J. Phys. Chem. B 2012, 116, 5579. doi: 10.1021/jp211608b

    18. [18]

      (18) Chen, H. Y.; Kao, C. L.; Hsu, S. C. N. J. Am. Chem. Soc. 2009,131, 15930. doi: 10.1021/ja906899p(18) Chen, H. Y.; Kao, C. L.; Hsu, S. C. N. J. Am. Chem. Soc. 2009,131, 15930. doi: 10.1021/ja906899p

    19. [19]

      (19) Chen, H. Y.; Yeh, S.W.; Hsu, S. C. N.; Kao, C. L.; Dong, T. Y.Phys. Chem. Chem. Phys. 2011, 13, 2674. doi: 10.1039/c0cp01419b(19) Chen, H. Y.; Yeh, S.W.; Hsu, S. C. N.; Kao, C. L.; Dong, T. Y.Phys. Chem. Chem. Phys. 2011, 13, 2674. doi: 10.1039/c0cp01419b

    20. [20]

      (20) Cerón-Carrasco, J. P.; Zúñiga, J.; Requena, A.; Perpète, E. A.;Michaux, C.; Jacquemin, D. Phys. Chem. Chem. Phys. 2011, 13,14584. doi: 10.1039/c1cp20946a(20) Cerón-Carrasco, J. P.; Zúñiga, J.; Requena, A.; Perpète, E. A.;Michaux, C.; Jacquemin, D. Phys. Chem. Chem. Phys. 2011, 13,14584. doi: 10.1039/c1cp20946a

    21. [21]

      (21) Šponer, J.; Leszczynski, J.; Hobza, P. J. Mol. Struct. -Theochem2001, 573, 43. doi: 10.1016/S0166-1280(01)00537-1(21) Šponer, J.; Leszczynski, J.; Hobza, P. J. Mol. Struct. -Theochem2001, 573, 43. doi: 10.1016/S0166-1280(01)00537-1

    22. [22]

      (22) Chen, H. Y.; Chao, I. ChemPhysChem 2004, 5, 1855.(22) Chen, H. Y.; Chao, I. ChemPhysChem 2004, 5, 1855.

    23. [23]

      (23) Ray, S. G.; Daube, S. S.; Naaman, R. Proc. Natl. Acad. Sci.2005, 102, 15. doi: 10.1073/pnas.0407020102(23) Ray, S. G.; Daube, S. S.; Naaman, R. Proc. Natl. Acad. Sci.2005, 102, 15. doi: 10.1073/pnas.0407020102

    24. [24]

      (24) Yakovchuk, P.; Protozanova, E.; Frank-Kamenetskii, M. D.Nucl. Acids Res. 2006, 34, 564. doi: 10.1093/nar/gkj454(24) Yakovchuk, P.; Protozanova, E.; Frank-Kamenetskii, M. D.Nucl. Acids Res. 2006, 34, 564. doi: 10.1093/nar/gkj454

    25. [25]

      (25) Kumar, A.; Sevilla, M. D. J. Phys. Chem. B 2007, 111, 5464.doi: 10.1021/jp070800x(25) Kumar, A.; Sevilla, M. D. J. Phys. Chem. B 2007, 111, 5464.doi: 10.1021/jp070800x

    26. [26]

      (26) Šponer, J.; Riley, K. E.; Hobza, P. Phys Chem. Chem. Phys.2008, 10, 2595. doi: 10.1039/b719370j(26) Šponer, J.; Riley, K. E.; Hobza, P. Phys Chem. Chem. Phys.2008, 10, 2595. doi: 10.1039/b719370j

    27. [27]

      (27) Matsui, T.; Sato, T.; Shigeta, Y. Int. J. Quantum Chem. 2009,109, 2168. doi: 10.1002/qua.v109:10(27) Matsui, T.; Sato, T.; Shigeta, Y. Int. J. Quantum Chem. 2009,109, 2168. doi: 10.1002/qua.v109:10

    28. [28]

      (28) Chen, H. Y.; Young, P. Y.; Hsu, S. C. N. J. Chem. Phys. 2009,130, 165101. doi: 10.1063/1.3120604(28) Chen, H. Y.; Young, P. Y.; Hsu, S. C. N. J. Chem. Phys. 2009,130, 165101. doi: 10.1063/1.3120604

    29. [29]

      (29) Chen, H. Y.; Hsu, S. C. N.; Kao, C. L. Phys. Chem. Chem. Phys.2010, 12, 1253. doi: 10.1039/b920603e(29) Chen, H. Y.; Hsu, S. C. N.; Kao, C. L. Phys. Chem. Chem. Phys.2010, 12, 1253. doi: 10.1039/b920603e

    30. [30]

      (30) Kumar, A.; Sevilla, M. D. J. Phys. Chem. B 2011, 115, 4990.doi: 10.1021/jp200537t(30) Kumar, A.; Sevilla, M. D. J. Phys. Chem. B 2011, 115, 4990.doi: 10.1021/jp200537t

    31. [31]

      (31) Gu, J.;Wang, J.; Leszczynski, J. Chem. Phys. Lett. 2011, 512,108. doi: 10.1016/j.cplett.2011.06.085(31) Gu, J.;Wang, J.; Leszczynski, J. Chem. Phys. Lett. 2011, 512,108. doi: 10.1016/j.cplett.2011.06.085

    32. [32]

      (32) Cerón-Carrasco, J. P.; Requena, A.; Jacquemin, D. Theor. Chem. Acc. 2012, 131, 1188. doi: 10.1007/s00214-012-1188-9(32) Cerón-Carrasco, J. P.; Requena, A.; Jacquemin, D. Theor. Chem. Acc. 2012, 131, 1188. doi: 10.1007/s00214-012-1188-9

    33. [33]

      (33) Zhang, F.;Wang, H. Y.; Lin, Y. X. Acta Phys. -Chim. Sin. 2011,27, 2799. [张凤, 王红艳, 林月霞. 物理化学学报, 2011, 27,2799.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20112799(33) Zhang, F.;Wang, H. Y.; Lin, Y. X. Acta Phys. -Chim. Sin. 2011,27, 2799. [张凤, 王红艳, 林月霞. 物理化学学报, 2011, 27,2799.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20112799

    34. [34]

      (34) HyperChem Professional 8.0.3; Hypercube, Inc., 1115 NW 4thStreet, Gainesville, FL 32601.(34) HyperChem Professional 8.0.3; Hypercube, Inc., 1115 NW 4thStreet, Gainesville, FL 32601.

    35. [35]

      (35) Zhao, Y.; Truhlar, D. G. Theor. Chem. Acc. 2007, 120, 215.(35) Zhao, Y.; Truhlar, D. G. Theor. Chem. Acc. 2007, 120, 215.

    36. [36]

      (36) Zhao, Y.; Truhlar, D. G. Accounts Chem. Res. 2008, 41, 157.doi: 10.1021/ar700111a(36) Zhao, Y.; Truhlar, D. G. Accounts Chem. Res. 2008, 41, 157.doi: 10.1021/ar700111a

    37. [37]

      (37) Zhao, Y.; Truhlar, D. G. Theor. Chem. Acc. 2008, 119, 525. doi: 10.1007/s00214-007-0401-8(37) Zhao, Y.; Truhlar, D. G. Theor. Chem. Acc. 2008, 119, 525. doi: 10.1007/s00214-007-0401-8

    38. [38]

      (38) Zhao, Y.; Truhlar, D. G. Chem. Phys. Lett. 2011, 502, 1. doi: 10.1016/j.cplett.2010.11.060(38) Zhao, Y.; Truhlar, D. G. Chem. Phys. Lett. 2011, 502, 1. doi: 10.1016/j.cplett.2010.11.060

    39. [39]

      (39) Maseras, F.; Morokuma, K. J. Comput. Chem. 1995, 16, 1170.(39) Maseras, F.; Morokuma, K. J. Comput. Chem. 1995, 16, 1170.

    40. [40]

      (40) Matsubara, T.; Sieber, S.; Morokuma, K. Int . J. Quantum Chem.1996, 60, 1101.(40) Matsubara, T.; Sieber, S.; Morokuma, K. Int . J. Quantum Chem.1996, 60, 1101.

    41. [41]

      (41) Humbel, S.; Sieber, S.; Morokuma, K. J. Chem. Phys. 1996,105, 1959. doi: 10.1063/1.472065(41) Humbel, S.; Sieber, S.; Morokuma, K. J. Chem. Phys. 1996,105, 1959. doi: 10.1063/1.472065

    42. [42]

      (42) Svensson, M.; Humbel, S.; Froese, R. D. J.; Matsubara, T.;Sieber, S.; Morokuma, K. J. Phys. Chem. 1996, 100, 19357. doi: 10.1021/jp962071j(42) Svensson, M.; Humbel, S.; Froese, R. D. J.; Matsubara, T.;Sieber, S.; Morokuma, K. J. Phys. Chem. 1996, 100, 19357. doi: 10.1021/jp962071j

    43. [43]

      (43) Svensson, M.; Humbel, S.; Morokuma, K. J. Chem. Phys. 1996,105, 3654. doi: 10.1063/1.472235(43) Svensson, M.; Humbel, S.; Morokuma, K. J. Chem. Phys. 1996,105, 3654. doi: 10.1063/1.472235

    44. [44]

      (44) Dapprich, S.; Komáromi, I.; Byun, K. S.; Morokuma, K.;Frisch, M. J. J. Mol. Struct. -Theochem 1999, 462, 1.(44) Dapprich, S.; Komáromi, I.; Byun, K. S.; Morokuma, K.;Frisch, M. J. J. Mol. Struct. -Theochem 1999, 462, 1.

    45. [45]

      (45) Vreven, T.; Morokuma, K. J. Comput. Chem. 2000, 21, 1419.(45) Vreven, T.; Morokuma, K. J. Comput. Chem. 2000, 21, 1419.

    46. [46]

      (46) Stewart, J. J. P. J. Comp. Chem. 1989, 10, 209.(46) Stewart, J. J. P. J. Comp. Chem. 1989, 10, 209.

    47. [47]

      (47) Miertus, S.; Scrocco, E.; Tomasi, J. Chem. Phys. 1981, 55, 117.doi: 10.1016/0301-0104(81)85090-2(47) Miertus, S.; Scrocco, E.; Tomasi, J. Chem. Phys. 1981, 55, 117.doi: 10.1016/0301-0104(81)85090-2

    48. [48]

      (48) Miertus, S.; Tomasi, J. Chem. Phys. 1982, 65, 239. doi: 10.1016/0301-0104(82)85072-6(48) Miertus, S.; Tomasi, J. Chem. Phys. 1982, 65, 239. doi: 10.1016/0301-0104(82)85072-6

    49. [49]

      (49) Cossi, M.; Barone, V.; Cammi, R.; Tomasi, J. Chem. Phys. Lett.1996, 255, 327. doi: 10.1016/0009-2614(96)00349-1(49) Cossi, M.; Barone, V.; Cammi, R.; Tomasi, J. Chem. Phys. Lett.1996, 255, 327. doi: 10.1016/0009-2614(96)00349-1

    50. [50]

      (50) Frisch, M. J.; Trucks, G.W.; Schlegel, H. B.; et al. Gaussian 09,Revision A.1; Gaussian Inc.:Wallingford, CT, 2009.

      (50) Frisch, M. J.; Trucks, G.W.; Schlegel, H. B.; et al. Gaussian 09,Revision A.1; Gaussian Inc.:Wallingford, CT, 2009.

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  548
  • 文章访问数:  1389
  • HTML全文浏览量:  61
文章相关
  • 发布日期:  2013-05-17
  • 收稿日期:  2012-12-17
  • 网络出版日期:  2013-04-02
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章