【Turbomole应用实例】大连化学物理研究所韩克利教授团队成果：核酸碱基在水中的电离和电子附着力

大连化学物理研究所韩克利教授团队采用量子力学/分子力学(QM/MM)方法研究了碱基在水中的电离和电子附着。为了得到收敛的结果，大连化学物理研究所韩克利教授团队首先研究了快照数量和QM区域大小。20个快照的计算可以得到聚合物理量，收敛的QM区域包含约100个原子。该团队计算了五种碱基在显式水溶液中的垂直电离能(VIEs)、绝热电离能、垂直电子亲和能、绝热电子亲和能和垂直剥离能。计算得到的胞嘧啶和胸腺嘧啶在水溶液中的VIEs与实验值吻合较好。

核酸碱基的电离和电子附着力是辐射与活细胞相互作用的两个重要过程。垂直电离能(VIE)和绝热电离能(AIE)是碱基上电子转移的障碍，垂直电子亲和能(VEA)、绝热电子亲和能(AEA)和垂直剥离能(VDE)描述了被捕获电子与碱基过量附着的能力。这五个量通常用来研究五个核酸碱基的电离和电子附着。对于完全溶剂化的DNA片段，结合量子力学/分子力学(QM/MM)计算表明，环境导致VIE增加了3.2-3.4eV。此外，实验和计算研究表明，在较低的能量(Ee＜30eV)可能导致干DNA的单链和双链断裂。游离电子附着被认为是dry-DNA损伤的原因。早期关于电子捕获的研究主要集中在计算和测量气相和微水化环境中碱基的VEAs、AEAs和VDEs。理论计算与实验测量结果一致，表明多余的电子可以首先附着在碱基的反键π*环轨道上形成共价阴离子。然而，大约70%的活细胞由水分子组成。水环境可能在过量电子附着引起的DNA损伤中起重要作用。用偏振连续介质模型(PCM)计算得到的五种碱基的AEAs和VDEs均远大于气相的数值。在较低电子碰撞能(＜3.0eV)下的分子束实验表明，微水合碱基中少量的水分子会阻止碱基的解离。QM/MM计算表明，电子在水溶液中的附着导致DNA组分的电子密度重排，导致DNA损伤。因此，大连化学物理研究所韩克利教授团队使用QM/MM方法探索了5个碱基在水中的电离和电子附着，并研究了物理量(VIE、AIE、VEA、AEA和VDE)来描述这两个过程。QM/MM方法已广泛应用于水溶液中各种复杂体系的模拟，并得到了令人信服的结果。

将5个碱基(腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶和尿嘧啶)溶解在半径为30.0Å的水球中。水球的大小已被证明足以得到聚合电子亲和力。图1给出了五个碱基的结构，每个重原子都有标记。

大连化学物理研究所韩克利教授团队在最后1000ps的轨迹中以50ps的间隔提取结构，以获得QM/MM优化的初始几何图形。在QM/MM计算中，首先使用收敛的QM区域对每个系统的每个快照处的中性结构进行优化。QM/MM优化的初始几何形状来自采样。随后，在中性结构上优化了阳离子和阴离子的几何形状。该团队使用ChemShell3.5包执行所有的QM/MM计算，使用TURBOMOLE 6.4程序进行QM计算，ESP由TURBOMOLE完成。QM采用B3LYP/6-31+G*计算水平。

水分子和碱基之间的距离是由水分子的氧原子到每个碱基原子的最小长度定义的。我们在QM/MM计算中使用距离来分配QM区域大小，如图2所示。

图3显示了中性、负离子和阳离子的腺嘌呤上的ESP总平均电荷。在非常小的RQM区(＜2.2 Å)， QM区最多包含两个水分子。

大连化学物理研究所韩克利教授团队计算了QM/MM、pol-QM和gas-QM计算的平均VIEs和AIEs，以探索水中碱基的电离(图4)。

该团队利用ΔGLRA值计算了目前的QM/MM氧化还原电位(见表1)。五个碱基的QM/MM氧化还原电位由实验值组成。实验结果验证了所提出的QM/MM VIEs和AIEs的可靠性。计算了水碱基的VEAs、AEAs和VDEs，以检查电子附着和剥离。

图5显示了QM/MM、pol-QM和gas-QM方法计算的三个量及其相应的方差。

图6显示了中性、阳离子和阴离子体系结构弛豫中QM/MM、pol-QM和gas-QM计算的能量下降。

电离和过量的电子附着后，阳离子或阴离子结构将放松到系统具有最小能量的几何形状。图7显示了选定的四个DNA碱基快照的阳离子和阴离子结构弛豫前后QM区域的几何形状。碱基和QM区大的RMSDs表现出明显的QM原子运动。因此，图6中中性和阴离子的QM/MM值和pol-QM值比较接近。图7还显示了阳离子和阴离子优化前后的RMSDs。图8显示了电离和电子附着过程中碱基上的空穴和多余电子。

DNA碱基的电离和电子附着是活细胞损伤的关键过程，可导致活细胞死亡。大连化学物理研究所韩克利教授团队采用QM/MM法对碱基在水中的两个过程进行了研究。在计算中，该团队发现大体积水的QM区域极化对电离和电子附着有明显的影响。它增加或减少5个碱基的VIEs、AIEs、VEAs、AEAs和VDEs的值。对能量组分的深入分析表明，极化显著降低了中性和带电(阴离子和阳离子)体系的能量，并使其稳定。它使平衡结构附近的阳离子和阴离子的PESs变得非常陡峭。大连化学物理研究所韩克利教授团队探讨了优化过程中的结构和电荷分布。结果表明，QM区的原子在阳离子弛豫和阴离子弛豫中有较大的运动。电荷再分配减少了本体水和量子力学原子之间的静电相互作用。对于正离子和负离子，电荷不应该完全分配给碱基，因为部分电荷定位在碱基上。

文章详情: 

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpcb.8b09435

本文通讯作者是大连化学物理研究所韩克利教授。

韩克利   中国科学院大连化学物理研究所

中国科学院大连化学物理研究所分子反应动力学国家重点实验室复杂分子体系反应动力学研究组（1101）组长，研究员，博士生导师。1983年毕业于山东大学物理系获理学学士学位，1986年中国科学院大连化学物理研究所获硕士学位，1990年中国科学院大连化学物理研究所获博士学位。美国加州大学、Emory大学和纽约大学的博士后和访问教授。1998年获得国家杰出青年基金项目资助。

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2022年第9期应用实例赏析-01