金屬離子(Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Zn2+)與鳥(niǎo)嘌呤異構(gòu)體配合物的穩(wěn)定性

趙永平 艾洪奇 陳金鵬 楊?lèi)?ài)彬 齊中囡

(濟(jì)南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,濟(jì)南 250022)

金屬離子(Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Zn2+)與鳥(niǎo)嘌呤異構(gòu)體配合物的穩(wěn)定性

趙永平 艾洪奇*陳金鵬 楊?lèi)?ài)彬 齊中囡

(濟(jì)南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,濟(jì)南 250022)

在B3LYP/6-311++G**水平上用極化連續(xù)介質(zhì)模型(PCM)系統(tǒng)研究了金屬離子(M+/2+=Na+,K+,Ca2+, Mg2+,Zn2+)和十三種鳥(niǎo)嘌呤異構(gòu)體形成的配合物GnxM+/2+(n為鳥(niǎo)嘌呤異構(gòu)體的編號(hào),x表示M+/2+與鳥(niǎo)嘌呤異構(gòu)體的結(jié)合位點(diǎn))在氣(g)液(a)兩相中的穩(wěn)定性順序.著重探討了液相中配合物的穩(wěn)定性差異,并且從溶質(zhì)-溶劑效應(yīng)、結(jié)合能、形變能及異構(gòu)體的相對(duì)能量等幾個(gè)方面分析了造成穩(wěn)定順序發(fā)生變化的原因.報(bào)道了溶液中這五種金屬離子與鳥(niǎo)嘌呤異構(gòu)體結(jié)合形成的六種基態(tài)配合物:aG1N2,N3Na+,aG1N2,N3K+,aG1O6,N7Ca2+,aG1N2,N3Mg2+(aG1O6,N7Mg2+),aG2N3,N9Zn2+.可以看出,除了在Zn2+配合物中鳥(niǎo)嘌呤異構(gòu)體為G2外,構(gòu)成其余四種金屬離子配合物的鳥(niǎo)嘌呤異構(gòu)體都是G1,但結(jié)合位點(diǎn)不同.同時(shí)對(duì)氣相中各類(lèi)配合物穩(wěn)定性也進(jìn)行了系統(tǒng)的排序,并報(bào)道了幾種較穩(wěn)定的配合物,如:gG3N1,O6K+,gG5N1,O6K+,gG3N1,O6Ca2+/Mg2+,gG4O6,N7Ca2+/Mg2+.

鳥(niǎo)嘌呤異構(gòu)體;穩(wěn)定性;金屬離子;溶質(zhì)-溶劑效應(yīng);結(jié)合能

金屬離子-堿基相互作用參與了許多的生理過(guò)程,如維持三倍體、四倍體DNA螺旋的穩(wěn)定性以及Z-DNA的穩(wěn)定性[1];一些金屬離子可以擾亂DNA的復(fù)制過(guò)程[2],這與金屬離子和DNA堿基對(duì)相互作用的穩(wěn)定性有關(guān)[3-4].堿金屬及堿土金屬離子能夠引發(fā)堿基上電子的重新分布,使部分高能異構(gòu)體趨于穩(wěn)定[5];這些高能異構(gòu)體的存在增加了DNA堿基錯(cuò)配的可能性,導(dǎo)致一些自發(fā)的基因突變[7].Pettitt等[7]研究GC堿基對(duì)時(shí)發(fā)現(xiàn)鳥(niǎo)嘌呤N7位上結(jié)合二價(jià)金屬離子時(shí)其N(xiāo)1位上的氫會(huì)轉(zhuǎn)移到胞嘧啶的N3位. Oliva等[8]發(fā)現(xiàn)三水合金屬離子的結(jié)合可以明顯地提高氣相中GC對(duì)和G堿基的穩(wěn)定性.

Sabio等[9]對(duì)各類(lèi)鳥(niǎo)嘌呤異構(gòu)體的模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn),烯酮式鳥(niǎo)嘌呤異構(gòu)體的能量要比最穩(wěn)定的烯醇式異構(gòu)體的能量至少低8.4 kJ·mol-1,這和Choi等[10]用紅外線激光器的研究結(jié)果一致.而Hanus等[11]的研究發(fā)現(xiàn),在氣相和一水或二水條件下,鳥(niǎo)嘌呤各異構(gòu)體的穩(wěn)定順序基本不變,但在溶劑條件下,三種稀有異構(gòu)體的穩(wěn)定性要大于典型鳥(niǎo)嘌呤異構(gòu)體.

Kabelac等[12]在研究Na+、Mg2+、Zn2+與各鳥(niǎo)嘌呤異構(gòu)體相互作用時(shí)發(fā)現(xiàn),氣相中典型鳥(niǎo)嘌呤異構(gòu)體的金屬離子配合物的穩(wěn)定能比稀有鳥(niǎo)嘌呤異構(gòu)體的要高.Mazzuca等[13]研究發(fā)現(xiàn),金屬離子Al3+和核酸堿基異構(gòu)體相互作用導(dǎo)致鳥(niǎo)嘌呤的高能異構(gòu)體變得相當(dāng)穩(wěn)定.Pedersen等[14]采用兩類(lèi)稀有鳥(niǎo)嘌呤異構(gòu)體與Al3+相互作用時(shí),發(fā)現(xiàn)烯酮式鳥(niǎo)嘌呤異構(gòu)體復(fù)合物比烯醇式的要穩(wěn)定.Russo等在研究氣相中一價(jià)金屬離子M+=Na+/K+與五種鳥(niǎo)嘌呤異構(gòu)體的相互作用時(shí)發(fā)現(xiàn)所得配合物的穩(wěn)定性順序?yàn)镚1M+＞G2M+＞G7M+＞G6M+＞G8M+,這與鳥(niǎo)嘌呤異構(gòu)體的自身的順序G2＞G1＞G6＞G8＞G7有很大不同[15];二價(jià)金屬離子Ca2+和Mg2+配合物的穩(wěn)定性順序[16]為G1M2+＞G7M2+＞G2M2+＞G6M2+＞G8M2+,也表現(xiàn)了很大不同.

由此可見(jiàn),人們對(duì)鳥(niǎo)嘌呤異構(gòu)體金屬離子配合物的穩(wěn)定性研究主要集中在氣相或微水環(huán)境[17-18](體系中含有一到五個(gè)水分子).微水環(huán)境只是局部的水合作用,與整個(gè)水合的環(huán)境還有很大的區(qū)別[19].鳥(niǎo)嘌呤異構(gòu)體在微水環(huán)境和整個(gè)水合環(huán)境穩(wěn)定性表現(xiàn)出很大的差異就已證明了這一點(diǎn)[11].考慮到整個(gè)水溶劑環(huán)境中配合物穩(wěn)定性研究目前尚未見(jiàn)報(bào)道,本文將研究M+/2+=Na+,K+,Ca2+,Mg2+,Zn2+五種金屬離子與各鳥(niǎo)嘌呤異構(gòu)體形成的配合物在整個(gè)水溶液中的穩(wěn)定性順序以及其影響因素,找出溶液中這些配合物的最穩(wěn)定存在形式,并與氣相中的穩(wěn)定性結(jié)果進(jìn)行了比較.

1 計(jì)算模型和方法

計(jì)算是用Gaussian 03程序[20]在聯(lián)想Pentium IV計(jì)算機(jī)上采用B3LYP/6-311++G**//6-31+G*方法進(jìn)行.采用PCM模型模擬整個(gè)水溶液環(huán)境.Hunter等[19]和Kumar等[21]曾利用這一方法和模型開(kāi)展過(guò)對(duì)GC堿基對(duì)溶劑效應(yīng)的研究,艾洪奇等[22]曾利用此方法研究了在溶液中鋅離子與腺嘌呤異構(gòu)體配合物的穩(wěn)定性順序,Gustavsson等[23]以水為溶劑利用PCM模型優(yōu)化了十一種尿嘧啶異構(gòu)體,計(jì)算所得異構(gòu)體激發(fā)態(tài)壽命結(jié)果與在紫外熒光檢測(cè)儀測(cè)得的數(shù)據(jù)非常一致,從而證實(shí)了PCM模型在該類(lèi)體系中的可靠性.

Shukla等[24]用PCM模型計(jì)算了四種(aG1,aG2, aG6,aG7)鳥(niǎo)嘌呤異構(gòu)體的相對(duì)能量,Hanus等[11]則用COSMORS模型計(jì)算了七種(aG1-aG7)異構(gòu)體的相對(duì)能量,發(fā)現(xiàn)兩實(shí)驗(yàn)中所得aG1,aG2,aG6,aG7四種異構(gòu)體的穩(wěn)定順序一致,為了驗(yàn)證所選模型對(duì)所研究體系的可用性,本文又選用了PCM模型結(jié)合六種原子半徑(UAO,UAHF,UFF,PAULING,BONDI, KLAMT)和COSMORS模型默認(rèn)原子半徑(KLAMT)模擬計(jì)算了aGnxNa+前六種配合物的相對(duì)能量.由Supporting Information(SI)表S1中各模型的相對(duì)能量值可以看出,除了采用BONDI半徑的PCM模型的第二三位配合物的穩(wěn)定順序發(fā)生顛倒,其余五種原子半徑的PCM模型計(jì)算所得配合物穩(wěn)定順序一致.Gustavsson等[23,25]在研究尿嘧啶時(shí)也已經(jīng)證明了原子半徑的選擇并不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果,采用KLAMT半徑的COSMORS模型計(jì)算所得配合物的穩(wěn)定順序與采用UAO半徑PCM模型所得順序也非常一致.

因此為了便于與已知的液相中鳥(niǎo)嘌呤異構(gòu)體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[11,24]進(jìn)行比較,本文繼續(xù)采用了UAO原子半徑及PCM模型,以水作為溶劑(ε=78.39,ε為介電常數(shù))計(jì)算了十三種鳥(niǎo)嘌呤異構(gòu)體及其各種金屬配合物,其中鳥(niǎo)嘌呤異構(gòu)體選取是根據(jù)文獻(xiàn)[10-12, 15]所得.體現(xiàn)穩(wěn)定性的相對(duì)能量選擇了經(jīng)零點(diǎn)能修正后的能量.

考慮到溶液中配合物的穩(wěn)定性主要由溶質(zhì)-溶劑作用能量值(Es)、結(jié)合能(Eb)、形變能(Ed)及鳥(niǎo)嘌呤異構(gòu)體自由能(EG)這四項(xiàng)決定,故擬用這四項(xiàng)能量值的相對(duì)大小來(lái)分析構(gòu)成配合物穩(wěn)定性變化的主要原因,即ΔEbsd=ΔEs+ΔEb+ΔEd+ΔEG.加上“Δ”表示取相對(duì)值,如ΔEbsd為考慮上述四種因素后得到的相對(duì)能量.Eb為經(jīng)BSSE校正后配合物能量EGnM+/2+(BSSE很小,用氣相中得到的BSSE校正)與各反應(yīng)物能量和之差[26],即定義為配合物中鳥(niǎo)嘌呤的能量(EGn')與其相應(yīng)自由鳥(niǎo)嘌呤的能量之差,其中n表示鳥(niǎo)嘌呤異構(gòu)體的編號(hào),n=1,2,…, 13.

圖1顯示了得到的液氣兩相中十三種鳥(niǎo)嘌呤異構(gòu)體與五種金屬離子(M+/2+=Na+,K+,Ca2+,Mg2+,Zn2+)相互作用得到的290種配合物GnxM+/2+,其中x表示M+/2+與鳥(niǎo)嘌呤異構(gòu)體的結(jié)合位點(diǎn).每一種異構(gòu)體都根據(jù)金屬離子結(jié)合位點(diǎn)的不同可得到二到三種金屬配合物.后面正文中只對(duì)每一aGn中最穩(wěn)定的配合物進(jìn)行了穩(wěn)定性排序及原因分析.如G1異構(gòu)體可在其N(xiāo)2,N3及O6,N7處分別結(jié)合一個(gè)金屬離子形成G1N2,N3M+/2+和G1O6,N7M+/2+兩種配合物(詳見(jiàn)圖1中第一行左側(cè)),原子的編號(hào)詳見(jiàn)圖中第一個(gè)配合物.為敘述方便,氣(g)液(a)兩相中的配合物分別加上了這兩個(gè)前綴,如gGnxM+/2+和aGnxM+/2+.

2 結(jié)果與討論

2.1 液相中的穩(wěn)定性排序及影響因素

在SI表S2中列出了液氣兩相中G異構(gòu)體及GnxM+(M+=Na+,K+)配合物的各項(xiàng)能量.結(jié)果顯示:液相中各鳥(niǎo)嘌呤異構(gòu)體的穩(wěn)定性順序?yàn)閍G1＞aG2＞aG3＞aG4＞aG6＞aG7＞aG8＞aG5＞aG12＞aG9＞aG10＞aG11＞aG13.可見(jiàn),Hanus等[11]用COSMORS模型計(jì)算的aG1,aG2,aG3,aG4,aG5,aG6,aG7穩(wěn)定順序,及Shukla等[24]用B3LYP方法和PCM模型計(jì)算的四種鳥(niǎo)嘌呤異構(gòu)體的相對(duì)自由能aG1(0.0 kJ·mol-1), aG2(2.2 kJ·mol-1),aG6(29.3 kJ·mol-1),aG7(35.3 kJ· mol-1)都與我們的計(jì)算值相近,且穩(wěn)定順序完全一致(詳見(jiàn)表S2).從而驗(yàn)證了該模型在GnxM+/2+體系中的適用性.

結(jié)合Na+后配合物穩(wěn)定性順序變?yōu)閍G1N2,N3Na+＞aG2O6Na+＞aG3N1,O6Na+＞aG4O6,N7Na+＞aG5N1,O6Na+＞aG6O6,N7Na+＞aG7N3,N9Na+＞aG8N1,O6Na+＞aG9O6,N7Na+＞aG10N1,O6Na+＞aG11N1,O6Na+＞aG12N2,N3Na+＞aG13O6,N7Na+.為討論方便,本文僅以最穩(wěn)定的前六種配合物為例(下同),將它們液相中以aG1N2,N3M+為基準(zhǔn)得到的各項(xiàng)相對(duì)能量指標(biāo)列于表S3,取其前六種最穩(wěn)定配合物的各相對(duì)能量列于表1.比較顯示由Na+和K+配合物的ΔEbsd所得穩(wěn)定順序與由其相應(yīng)的配合物自由能相對(duì)值(ΔE)得到的順序非常一致,說(shuō)明用ΔEbsd的構(gòu)成來(lái)分析配合物的穩(wěn)定是合理的.aG1N2,N3Na+的ΔEs和ΔEb比aG2O6Na+的分別要低10.8、3.7 kJ·mol-1,且aG1的ΔEG比aG2的低3.4 kJ·mol-1,由此可見(jiàn),是ΔEs,ΔEb和ΔEG共同決定了aG1N2,N3Na+的穩(wěn)定性大于aG2O6Na+.aG3N1,O6Na+的ΔEs和ΔEb比aG4O6,N7Na+的分別高1.2、3.4 kJ·mol-1,而aG3的ΔEG比aG4的低13.8 kJ·mol-1,可見(jiàn)是ΔEG抵消了ΔEs和ΔEb的不利影響并決定了aG3N1,O6Na+的穩(wěn)定性大于aG4O6,N7Na+.由于aG5的自由能比aG6高8.6 kJ·mol-1,其配合物的ΔEs和ΔEb比aG6O6,N7Na+分別低2.1和10.4 kJ·mol-1,因此ΔEs和ΔEb抵消了ΔEG的升高,并決定了aG5N1,O6Na+比aG6O6,N7Na+穩(wěn)定.總的來(lái)說(shuō),形變能貢獻(xiàn)都不大.由此可見(jiàn),這幾個(gè)影響因素在各個(gè)配合物的穩(wěn)定性排序上面發(fā)揮的作用各不相同.

與aGnxNa+配合物順序相比,aGnxK+配合物中只有aG5N1,O6K+與aG6O6,N7K+的順序發(fā)生顛倒.分析發(fā)現(xiàn),aG5N1,O6K+的穩(wěn)定性降低的原因是其ΔEs和ΔEG比aG6O6,N7K+的分別高2.5和8.6 kJ·mol-1,故不利于aG5N1,O6K+的穩(wěn)定,盡管該配合物中K+與G5的結(jié)合強(qiáng)度比與G6的強(qiáng)5.1 kJ·mol-1,但仍不足以補(bǔ)償ΔEs和其異構(gòu)體ΔEG引起的配合物能量升高.

SI中表S4列出了液氣兩相中GnxM2+配合物(M=Mg,Ca,Zn)的各項(xiàng)能量.其中aGnxCa2+配合物的穩(wěn)定性順序?yàn)閍G1O6,N7Ca2+＞aG2N3,N9Ca2+＞aG4O6,N7Ca2+＞aG5N1,O6Ca2+＞aG3N1,O6Ca2+＞aG7N3,N9Ca2+＞aG9O6,N7Ca2+＞aG10N1,N2Ca2+＞aG12N7Ca2+＞aG6N1,N2Ca2+＞aG8N2,N3Ca2+＞aG13O6,N7Ca2+＞aG11N7Ca2+.與aGnxNa+配合物穩(wěn)定性順序相比較,排在前五位的只有aG3N1,O6Ca2+發(fā)生了變化,排到了第五位,而排在第六至十三位的配合物穩(wěn)定性順序有較大的變化.表2列出了液相中以aG1O6,N7M2+為基準(zhǔn)得到的前六個(gè)最穩(wěn)定配合物的各項(xiàng)相對(duì)能量指標(biāo)(全部十三種aG1xM2+的各相對(duì)能量詳見(jiàn)表S5中),ΔEG值與表1中相同.比較顯示, aG2N3,N9Ca2+比aG1O6,N7Ca2+能量高的原因是其不利的ΔEs(16.9 kJ·mol-1),ΔEb(15.5 kJ·mol-1)和ΔEG(3.4 kJ· mol-1)能量,而其低的ΔEd(-23.8 kJ·mol-1)不足以補(bǔ)償這些損失所致.aG3N1,O6Ca2+變得不如aG5N1,O6Ca2+穩(wěn)定的原因是,后者在溶液中的ΔEs(9.6 kJ·mol-1)和ΔEb(-13.0 kJ·mol-1)分別比aG3N1,O6Ca2+降低了18.1、30.6 kJ·mol-1,彌補(bǔ)了其不利的ΔEd(0.8 kJ·mol-1)和ΔEG5(39.7 kJ·mol-1)貢獻(xiàn),從而致使二者穩(wěn)定順序發(fā)生變化.aG4O6,N7Ca2+和aG5N1,O6Ca2+的穩(wěn)定性排在第四和第五位置的原因與一價(jià)的aG4O6,N7Na+和aG5N1,O6Na+類(lèi)似,不再贅述.aG6N1,N2Ca2+的穩(wěn)定性跌至第九主要是由其異常高的形變能(ΔEd=54.0 kJ·mol-1)和不穩(wěn)定的異構(gòu)體能(ΔEG=31.1 kJ·mol-1)造成的.

圖1 GnxM+/2+配合物優(yōu)化構(gòu)型及其相對(duì)自由能Fig.1 Geometries and relative free energies of GnxM+/2+complexes M denotes the metal ion,and active sites of guanine isomers bound by the metal ions are associated with dashed lines.Those complexes formed by identical guanine isomer with its different active sites are put on the same row,thus 13 rows of complexes formed by 13 guanine isomers are displayed according to their relative energy orderings.Relative energies in aqueous(in bold)and gas phases(in bold and italic)are listed under each corresponding complex and shown as x1/x2/x3/x4/x5 forms,which denote the relative energies of Na+/K+/Ca2+/Mg2+/Zn2+-complexes, respectively.“-”indicates that the complex is absent or not obtained.Energy is in kJ·mol-1.

表1 液相中配合物aGnxM+的各項(xiàng)相對(duì)能量Table 1 Various relative energies of complexes aGnxM+

在液相中aGnxMg2+配合物的穩(wěn)定性的順序?yàn)閍G1N2,N3Mg2+=aG1O6,N7Mg2+＞aG3N1,O6Mg2+＞aG4O6,N7Mg2+＞aG5N1,O6Mg2+＞aG2N3,N9Mg2+＞aG6O6,N7Mg2+＞aG7N3,N9Mg2+＞aG12N3,N9Mg2+＞aG10N2,N3Mg2+＞aG11N7Mg2+＞aG8N1,O6Mg2+＞aG13N3,N9Mg2+＞aG9N9Mg2+.即溶液中Mg2+與G1的N2, N3或O6,N7位雙齒結(jié)合得到的配合物穩(wěn)定性幾乎是相同的,而Ca2+與G1結(jié)合時(shí)只得到aG1O6,N7Ca2+.由表2數(shù)據(jù)表明,aG2N3,N9Ca2+的穩(wěn)定性在其配合物中排第二,而aG2N3,N9Mg2+則下降到了第五.原因是:排到第二至第四的配合物aG3N1,O6Mg2+、aG4O6,N7Mg2+、aG5N1,O6Mg2+的ΔEs和ΔEb都遠(yuǎn)低于aG2N3,N9Mg2+的相應(yīng)值所致.aG6O6,N7Mg2+的穩(wěn)定性依然排在第六位是其弱的ΔEb和高的ΔEG所致,該原因與aG2N3,N9Mg2+在其異構(gòu)體穩(wěn)定性中排在第五位的原因有所不同

在液相中aGnxZn2+配合物的穩(wěn)定性的順序?yàn)閍G2N3,N9Zn2+＞aG1O6,N7Zn2+＞aG3N1,O6Zn2+＞aG5N1,O6Zn2+＞aG4O6,N7Zn2+＞aG6O6,N7Zn2+＞aG9N1Zn2+＞aG10N3,N9Zn2+＞aG7N3,N9Zn2+＞aG11N7Zn2+＞aG13N3,N9Zn2+＞aG8N1,O6Zn2+＞aG12N3,N9Zn2+,其中最穩(wěn)定的構(gòu)型aG2N3,N9Zn2+對(duì)應(yīng)的鳥(niǎo)嘌呤異構(gòu)體是aG2,而與前面四種金屬離子形成最穩(wěn)定配合物的異構(gòu)體是aG1.aG1在液相中的穩(wěn)定性排第一[11,24].表2顯示,aG2N3,N9Zn2+配合物的各項(xiàng)能量指標(biāo)(ΔEs,ΔEb,ΔEd和ΔEG)都比aG1O6,N7Zn2+配合物的低,說(shuō)明G2構(gòu)型非常適合Zn2+的結(jié)合,從而使得aG2N3,N9Zn2+取代aG1O6,N7Zn2+成為最穩(wěn)定的配合物.與aG3xMg2+,aG4xMg2+,aG5xMg2+穩(wěn)定性順序不同,aG3N1,O6Zn2+和aG4O6,N7Zn2+變成第三和第五穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),而aG5N1,O6Zn2+變成第四穩(wěn)定的結(jié)構(gòu).很顯然,除了aG6O6,N7Mg2+與aG6O6,N7Zn2+的穩(wěn)定性順序一致都排第六位以外,前五個(gè)配合物的穩(wěn)定性順序盡管鳥(niǎo)嘌呤異構(gòu)體相同,結(jié)合位點(diǎn)也一樣,卻因結(jié)合離子的不同而導(dǎo)致穩(wěn)定性順序都發(fā)生重大變化.SI中表S4顯示,構(gòu)成aGnxZn2+穩(wěn)定性的四個(gè)要素除了Es外,其他三項(xiàng)基本變化不大(對(duì)各配合物的總能量貢獻(xiàn)較小,不影響穩(wěn)定排序).比較起來(lái),前五個(gè)aGnxZn2+(n=1-5)的Es比aGnxMg2+的相應(yīng)值分別低171.1,204.2,169.2,150.1,167.8 kJ·mol-1.由此可見(jiàn)這是一組比較大但沒(méi)有規(guī)律的數(shù)據(jù),這組數(shù)據(jù)證明鋅離子與某一特定異構(gòu)體結(jié)合會(huì)“感受”到不同大小的溶劑效應(yīng),導(dǎo)致其穩(wěn)定性順序不同于相應(yīng)的aGnxMg2+排序,而且這種“感受”要比aGnxMg2+強(qiáng)烈得多.產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能與Zn2+(Ar[3d104s0]2+)和Mg2+(Ne[3s0]2+)不同的電子排布有關(guān).

表2 液相中配合物aGnxM2+的各項(xiàng)相對(duì)能量Table 2 Various relative energies of complexes aGnxM2+

2.2 氣相中的穩(wěn)定性排序

氣相中鳥(niǎo)嘌呤異構(gòu)體的穩(wěn)定性順序?yàn)間G2＞gG1＞gG6＞gG8＞gG7＞gG3＞gG9＞gG10＞gG12＞gG4＞gG5＞gG11＞gG13,這一順序與Hanus[11]和Russo[15]等使用B3LYP/6-311+G**方法得到的結(jié)果一致.與液相中的穩(wěn)定性順序比較發(fā)現(xiàn),只有前兩位的gG1,gG2和最后兩位的gG11,gG13的穩(wěn)定性順序相同,中間異構(gòu)體的穩(wěn)定性都發(fā)生了變化.很顯然,溶劑效應(yīng)扮演了很重要的角色.

在氣相中g(shù)GnxNa+配合物的穩(wěn)定性的順序?yàn)間G1O6,N7Na+＞gG3N1,O6Na+＞gG2N3,N9Na+＞gG7N3,N9Na+＞gG5N1,O6Na+＞gG6O6,N7Na+＞gG4O6,N7Na+＞gG8N1,O6Na+＞gG9O6,N7Na+＞gG12N2,N3Na+＞gG11N7Na+＞gG10N3,N9Na+＞gG13N3,N9Na+.gGnxK+與gGnxNa+相比,只有g(shù)G2N3,N9K+和gG3N1,O6K+,配合物gG5N1,O6K+和gG6O6,N7K+的順序發(fā)生顛倒.這與Kabelac等[12]以MP2方法以及Russo等[15]以B3LYP/6-311+G**所得的穩(wěn)定順序一致,不同的是我們得到了gGnxNa+所有可能的配合物并比較了它們的能量,得出了各配合物的穩(wěn)定性順序,而且在研究gGnxK+配合物時(shí),補(bǔ)充發(fā)現(xiàn)了若干非常穩(wěn)定的配合物,如排名第二和第六位的gG3N1,O6K+和gG5N1,O6K+.

gGnxCa2+配合物的穩(wěn)定性順序?yàn)間G1O6,N7Ca2+＞gG5N1,O6Ca2+＞gG4O6,N7Ca2+＞gG3N1,O6Ca2+＞gG2N3,N9Ca2+＞gG7N3,N9Ca2+＞gG6O6,N7Ca2+＞gG9O6,N7Ca2+＞gG12N2,N3Ca2+= gG12N3,N9Ca2+＞gG11N7Ca2+＞gG8N1,O6Ca2+＞gG13N3,N9Ca2+= gG13N2,N3Ca2+＞gG10N3,N9Ca2+.gGnxMg2+配合物中除了gG2N3,N9Mg2+和gG7N3,N9Mg2+的穩(wěn)定性順序顛倒外,其余的與gGnxCa2+配合物的基本相同,并且金屬離子的結(jié)合位點(diǎn)也完全一樣.該穩(wěn)定順序與Russo[16]在Ca2+/Mg2+與鳥(niǎo)嘌呤異構(gòu)體(G1,G2,G6,G7,G8)相互作用所得配合物的穩(wěn)定順序也完全一致.不同的是我們又補(bǔ)充發(fā)現(xiàn)了gG3N1,O6Ca2+/Mg2+,gG4O6,N7Ca2+/ Mg2+,gG5N1,O6Ca2+/Mg2+六種比較穩(wěn)定的配合物.與gGnxMg2+配合物的穩(wěn)定性順序相比,gGnxZn2+中只有三個(gè)配合物的順序發(fā)生變化,即gG9O6,N7Zn2+＞gG12N3,N9Zn2+＞gG6O6,N7Zn2+,這與Kabelac等[12]的結(jié)果完全一致,但找到了第六穩(wěn)定的配合物gG7N3,N9Zn2+.這些穩(wěn)定異構(gòu)體的補(bǔ)充對(duì)人們了解生物體內(nèi)可能的離子結(jié)合及引起的功能變化至關(guān)重要.

比較表S2和表S4發(fā)現(xiàn),gGnxM2+配合物中金屬離子與配體的結(jié)合強(qiáng)度遠(yuǎn)大于gGnxM+配合物中結(jié)合強(qiáng)度,導(dǎo)致鳥(niǎo)嘌呤異構(gòu)體發(fā)生比較大的形變,并對(duì)配合物的穩(wěn)定性順序產(chǎn)生重要影響.對(duì)于這些結(jié)合強(qiáng)度(Eb),Kabelac等[12]利用MP2方法計(jì)算的一價(jià)金屬離子結(jié)果與我們的相比,大小及順序都非常一致.但二價(jià)金屬離子配合物的結(jié)果差別則較大,有的甚至多達(dá)100 kJ·mol-1,原因是其采用了MP2方法并對(duì)計(jì)算結(jié)果未采取零點(diǎn)校正所致.而與Russo等[15-16]利用B3LYP/6-311+G**方法計(jì)算的數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn),不管對(duì)一價(jià)還是二價(jià)配合物的結(jié)合能差值都在20 kJ·mol-1以內(nèi),具有合理的一致性,并且我們使用的基組更大,因而結(jié)果應(yīng)該更可靠.

3 結(jié)論

采用B3LYP/6-311++G**//6-31+G*方法計(jì)算模擬了液(PCM模型)氣兩相中十三種鳥(niǎo)嘌呤異構(gòu)體與五種生物體中常見(jiàn)金屬離子形成的290個(gè)配合物的穩(wěn)定結(jié)構(gòu).

系統(tǒng)報(bào)道了液相中十三種鳥(niǎo)嘌呤的異構(gòu)體與五種生物體中常見(jiàn)的金屬離子配合物的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性順序,確定了這些配合物的基態(tài)結(jié)構(gòu): aG1N2,N3Na+/K+,aG1O6,N7Ca2+,aG1N2,N3Mg2+(aG1O6,N7Mg2+), aG2N3,N9Zn2+.并從溶劑-溶質(zhì)相互作用能、形變能、結(jié)合能及異構(gòu)體的自由能四方面分析了這些金屬離子-配合物穩(wěn)定性差異的原因.結(jié)果發(fā)現(xiàn),液相中兩個(gè)不同一價(jià)金屬離子與鳥(niǎo)嘌呤異構(gòu)體形成的配合物的穩(wěn)定性順序基本一致,而三個(gè)不同二價(jià)金屬離子配合物的穩(wěn)定性順序則表現(xiàn)出不同的規(guī)律.而導(dǎo)致它們穩(wěn)定性順序不同的原因又各不相同.

同時(shí)系統(tǒng)完善了氣相中所有金屬離子配合物的穩(wěn)定性排序,并補(bǔ)充報(bào)道了很多前人未報(bào)道的非常穩(wěn)定的配合物結(jié)構(gòu),如gG3N1,O6K+(第三穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)),gG5N1,O6K+(第六穩(wěn)定配合物),gG3N1,O6Ca2+/Mg2+(第四穩(wěn)定配合物),gG4O6,N7Ca2+/Mg2+(第三穩(wěn)定配合物).

簡(jiǎn)言之,盡管液氣兩相中GnxM+/2+配合物的穩(wěn)定性順序發(fā)生了很大的變化,且結(jié)合位點(diǎn)也不盡相同,但其最穩(wěn)定的配合物對(duì)應(yīng)的鳥(niǎo)嘌呤異構(gòu)體構(gòu)型都是G1(液相中aG2N3,N9Zn2+除外),這些配合物的基態(tài)分別是:aG1N2,N3Na+/K+和gG1O6,N7Na+/K+,a/gG1O6,N7Ca2+, aG1N2,N3Mg2+(aG1O6,N7Mg2+)和gG1O6,N7Mg2+,aG2N3,N9Zn2+和gG1O6,N7Zn2+.

Supporting Information Available: Table S1 lists the relative energies of the complexes aGnxNa+obtained by different models.Various energy values of complexes a/gGnM+and a/gGnxM2+,including solute-solvent interaction energy,binding energy,deformation energy,and relative free energy of the guanine isomers,are given in Tables S2 and S4,respectively. Various values of relative energy of complexes aGnxM+/aGnxM2+based on aG1xM+/aG1xM2+are shown in Tables S3 and S5,respectively.This information is available free of charge via the internet at http://www.whxb.pku.edu.cn.

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August 13,2010;Revised:September 24,2010;Published on Web:November 3,2010.

Stability of Complexes Combined by Metal Ions(Na+,K+,Ca2+,Mg2+,Zn2+) and Guanine Isomers

ZHAO Yong-Ping AI Hong-Qi?CHEN Jin-Peng YANG Ai-Bin QI Zhong-Nan
(School of Chemistry and Chemical Engineering,University of Jinan,Jinan 250022,P.R.China)

The order of stability for complexes of differently coordinated metal ions(M+/2+=Na+,K+,Ca2+, Mg2+,Zn2+)with thirteen guanine isomers in gas(g)and aqueous(a)phases was systematically investigated at the B3LYP/6-311++G**level in combination with the polarized continuum model(PCM).Special effort was devoted to differences in the order of stability for aGnxM+/2+(n is the label of guanine isomers,x denotes binding site of M+/2+and guanine isomers)complexes that were obtained in aqueous solutions.An analysis was also performed to determine the reason for these differences with respect to the solute-solvent effect,binding energy,deformation energy,and relative free energy of the guanine isomers. The most stable complexes generated by the five metal ions were:aG1N2,N3Na+,aG1N2,N3K+,aG1O6,N7Ca2+, aG1N2,N3Mg2+(aG1O6,N7Mg2+),and aG2N3,N9Zn2+.The isomer of guanine in the most stable Zn2+complex in the aqueous solution was G2 whereas in the other four most stable complexes it was G1,i.e.,the different active sites in G1 generate the four most stable complexes.Additionally,we report on stable complexes in the gas phase such as gG3N1,O6K+,gG5N1,O6K+,gG3N1,O6Ca2+/Mg2+,and gG4O6,N7Ca2+/Mg2+.

Guanine isomer;Stability;Metal ion;Solute-solvent effect;Binding energy

O641

?Corresponding author.Email:chm_aihq@ujn.edu.cn;Tel:+86-531-82765475

The project was supported by National Natural Science Foundation of China(20973084,20573047),Natural Science Foundation of Shandong Province,China(Y2008B56)and Research Fund for Young and Middle-aged People of Shandong Province,China(2007BS02009).

國(guó)家自然科學(xué)基金(20973084,20573047),及山東省自然科學(xué)基金（Y2008B56）和優(yōu)秀中青年科研獎(jiǎng)勵(lì)基金（2007BS02009）資助項(xiàng)目