袁 帥 馬 靜 張文英 舒坤賢 豆育升

(重慶郵電大學生物信息研究所,重慶400065)

1 引言

脫氧核糖核酸(DNA)堿基分子由于具有π共軛結(jié)構(gòu)而易吸收紫外光造成損傷,1-3然而自然界中DNA分子的光損傷產(chǎn)率極低,4超快失活機制是DNA堿基具有光穩(wěn)定性的原因,對避免光損傷具有重要意義.單堿基激發(fā)態(tài)衰減主要通過無輻射方式進行,5-8Kohler等9使用飛秒瞬間吸收技術(shù),在2000年第一次精確測量出DNA堿基1ππ*激發(fā)態(tài)的壽命為1 ps.熒光變頻及瞬間吸收等方法對各種核苷酸Sππ*態(tài)壽命的測量10-12也得到相同的結(jié)果,即對于所有的核苷酸,堿基第一單重激發(fā)態(tài)(S1)衰減發(fā)生在亞皮秒的時間范圍內(nèi).

諸多實驗及理論研究認為,S1的超快衰減是由于S1與基態(tài)(S0)間的圓錐交叉(CI)所致,即CI的電子態(tài)之間超快內(nèi)轉(zhuǎn)換通道是核苷亞皮秒級熒光壽命的原因.9,10激發(fā)態(tài)能量對環(huán)的扭曲變形不敏感,其勢能面相對較平坦;但對于基態(tài),由于失去π鍵的穩(wěn)定性(芳香性)后,變得非常不穩(wěn)定,其能量隨著環(huán)的變形程度增大而急劇增加,最終與激發(fā)態(tài)勢能面相交,形成CI.量子化學計算顯示核酸堿基的激發(fā)態(tài)結(jié)構(gòu)是非平面的,13-23通過環(huán)扭曲引發(fā)的平面外變形達到CI.各種水平的理論研究13-23計算了所有天然堿基的CI,這些研究明確地提出,從Franck-Condon區(qū)到CI的路徑幾乎是無能壘的,從而使S1→S0的超快內(nèi)轉(zhuǎn)換得以發(fā)生.嘌呤堿基的振動弛豫模式包括沿C4＝C5鍵的折疊產(chǎn)生環(huán)褶皺以及氨基的平面外扭曲運動22-24等.對于嘧啶堿基,許多研究20-25顯示, C5－C6鍵的扭曲并伴隨C5取代基的平面外運動是失活的關(guān)鍵.

嘧啶類堿基的激發(fā)態(tài)壽命與C5位26密切相關(guān),這可以在C5位添加取代基以限制這一鍵的扭轉(zhuǎn)能力來深入理解.實驗26,27已經(jīng)顯示堿基修飾限制相關(guān)鍵的扭轉(zhuǎn),可以明顯增長激發(fā)態(tài)壽命.例如Malone等26的研究顯示,胞嘧啶(Cyt)的C5原子上的H原子被F原子取代后,S1態(tài)的壽命長達88 ps,幾乎比胞嘧啶高兩個數(shù)量級;5-甲基胞嘧啶的S1態(tài)壽命長達7 ps,比胞嘧啶高約10倍.26,28在尿嘧啶(Ura)和胸腺嘧啶(Thy)分子中也存在類似的現(xiàn)象,5-甲基的存在使得Thy的激發(fā)態(tài)衰減速率比Ura低5倍.29嘧啶C5原子上的H原子被甲基取代后,甲基的作用主要是體現(xiàn)在限制C5原子的扭曲;而被F原子取代后,除了限制C5原子的扭曲以外,還因其存在孤對電子,與嘧啶的芳香環(huán)形成p-π共軛,導致了更復雜的激發(fā)態(tài)性質(zhì).

正確理解一個化學反應的機理需要弄清從反應物到產(chǎn)物的過程中每個原子是如何運動的.然而對于堿基體系而言,受限于過于簡單的反應坐標,從頭算和密度泛函理論(DFT)計算往往難以顧及分子整體的運動.為了克服這一不足,本文采用半經(jīng)典動力學模型模擬Cyt和5m-Cyt激發(fā)態(tài)衰減過程的每一個反應自由度以及能量隨時間的變化,并且通過和完全活性空間自洽場(CASSCF)計算結(jié)果對比,從微觀角度解釋了5m-Cyt比Cyt的S1激發(fā)態(tài)壽命更長的原因.

2 模型與方法

本文采用的模擬激光誘導堿基光化學反應的動力學模型稱為半經(jīng)典電子-輻射-離子動力學(SERID)模型.所謂半經(jīng)典方法是指對電子運動由含時Schr?dinger方程確定,而輻射場和核運動則由經(jīng)典力學處理.這種模擬方法考慮激光場對電子結(jié)構(gòu)的作用,并采用非絕熱動力學的近似方法和緊束縛近似來建立模型.其方法和原理已有詳細報道,30,31此處不再介紹.近年來該模型成功地模擬了幾個DNA堿基分子光化學反應,包括腺嘌呤(Ade)無輻射超快失活,32Thy、Cyt的光致二聚反應33,34及Thy二聚體的光致解離35反應,并描述了堆積的Ade體系、36-38Thy體系39和Ade-Thy體系40,41形成長壽命的激基復合物和成鍵的激基復合物的現(xiàn)象.這些模擬結(jié)果都與實驗現(xiàn)象吻合,并且解釋了許多實驗無法說明的性質(zhì).

由于SERID模型是基于平均場理論,缺乏明確的電子態(tài),而且緊束縛密度泛函(DFTB)方法對于小分子體系的能量計算誤差較大,因此采用合理的量子化學模型對研究體系進行計算是十分必要的.例如,Bu及其合作者42,43采用含時密度泛函(TDDFT)和單激發(fā)組態(tài)相互作用(CIS)等方法很好地描述了Watson-Crick型堿基對之間的電荷轉(zhuǎn)移特征.我們采用CASSCF方法計算了Cyt和5m-Cyt的勢能面,并與模擬結(jié)果比較.Cyt和5m-Cyt分子結(jié)構(gòu)類似,完全的活性空間包括8個π軌道和O7、N3的孤對電子,總共為14電子10軌道.由于S1態(tài)主要是ππ*激發(fā),故我們排除兩對孤對電子,并且將布居數(shù)大于1.99的軌道移出活性空間,所以最終選擇的活性空間為CAS(8,7),在6-311+g(d)的基組水平計算了Cyt和5m-Cyt的垂直激發(fā)能并優(yōu)化了它們的S0、S1和CI的結(jié)構(gòu).

本研究的半經(jīng)典動力學模擬采用的是自行開發(fā)的SERID程序,CASSCF計算采用的是Gaussian 0944量子化學程序包,所有計算在浪潮XEON/E7(32核心/128G內(nèi)存)服務(wù)器上完成.

3 結(jié)果與討論

選擇頻率為4.8 eV,最大半波寬(FWHM)為25 fs的激光脈沖照射5m-Cyt和Cyt分子,脈沖頻率與實驗中采用的267 nm的激發(fā)光波長26,28相吻合.我們對10個不同初始構(gòu)型進行模擬,得到300余條軌跡.模擬發(fā)現(xiàn),超過70%的軌跡中5m-Cyt分子激發(fā)-失活過程的壽命為5-8 ps,與實驗現(xiàn)象26,28符合,遠長于Cyt的激發(fā)態(tài)壽命(模擬結(jié)果為200-800 fs).此處選擇輻射通量密度為228.43 J·m-2的5m-Cyt的一條失活軌跡進行報道.

圖1描述了5m-Cyt分子激發(fā)態(tài)失活的快照.脈沖作用之前分子保持平面構(gòu)型(圖1a);激光作用以后,5m-Cyt的芳香體系被破壞,產(chǎn)生一定程度的扭曲,甲基和H6原子朝不同方向振動(圖1b);此后分子保持扭曲狀態(tài),甲基和H6原子朝相同和不同方向振動(圖1(c,d,e,f,h));7146 fs時,甲基振動幅度最大,體系失活至基態(tài)(圖1g);失活后,分子恢復平面結(jié)構(gòu)(圖1h).從激光停止作用到7146 fs時失活,激發(fā)態(tài)壽命約為7 ps.

圖2描述了C5－C6鍵長隨時間的變化.初始時刻C5－C6鍵長為0.139 nm,是典型的共軛體系C＝C雙鍵鍵長.激光作用以后,由于5m-Cyt分子中π被激發(fā)后π鍵被破壞,C5－C6轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂笑益I性質(zhì),其鍵長延長至平均0.154 nm.7146 fs時由于電子衰減, 5m-Cyt分子返回基態(tài),C5－C6恢復初始的雙鍵結(jié)構(gòu).

圖1 5m-Cyt分子激發(fā)態(tài)失活過程的快照Fig.1 Snapshots for the deactivation of the excited state of 5-methyl cytosine t/fs:(a)0,(b)1955,(c)3088,(d)3950,(e)5073,(f)6034,(g)7146,(h)7480

圖2 5m-Cyt分子C5－C6鍵長隨時間的變化圖Fig.2 Variations with time of C5－C6bond lengths of 5m-Cyt molecule

圖3 5m-Cyt分子θ(N3－C4－C5－C6)二面角和能隙(ΔELUMO-HOMO)隨時間的變化Fig.3 Variations with time of dihedral angle θ(N3－C4－C5－C6)and energy gap(ΔELUMO-HOMO)of 5m-Cyt molecule

圖3描述了二面角θ(N3－C4－C5－C6)隨時間的變化.該二面角的變化表征了C5、C6原子的扭曲變形程度.從圖3看出,激光作用之前,5m-Cyt分子保持平面構(gòu)型,θ(N3－C4－C5－C6)=0°;激光作用以后, θ(N3－C4－C5－C6)二面角發(fā)生顯著改變,表明C5－C6鍵發(fā)生扭曲.θ(N3－C4－C5－C6)的值波動范圍約為±40°,意味著C5－C6鍵發(fā)生強烈的振動.ΔELUMO-HOMO是最低未占據(jù)分子軌道(LUMO)與最高占據(jù)分子軌道(HOMO)的能隙,代表軌道非絕熱耦合的程度. ΔELUMO-HOMO初始值為4.2 eV,隨著C5－C6鍵開始扭曲而減小,意味著C5－C6鍵扭曲有利于體系發(fā)生非絕熱衰減.但是從圖3看出,當甲基和H6原子向同一方向振動時,ΔELUMO-HOMO有增大的趨勢(如圖3(c、e)所示),表明該結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定;當甲基和H6原子向不同方向振動時,ΔELUMO-HOMO趨于減小(如圖3(b、d、f、g)所示),表明該結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,有失活的可能性.在避免交叉點ΔELUMO-HOMO=0.09 eV,θ(N3－C4－C5－C6)達到42°.此時θ(N3－C4－C5－C6)角度值與模擬過程中b、f等結(jié)構(gòu)相比并無顯著變化,表明C5－C6鍵扭曲雖然與ΔELUMO-HOMO密切相關(guān),但并非促成非絕熱衰減的唯一因素.

圖4中θ(N1－C6－H6－C5)和θ(C3－C4－C5－C7)二面角分別表征5m-Cyt分子的H6原子和甲基的平面外扭曲程度.θ(N1－C6－H6－C5)自激光作用以后,迅速從180°降為120°,并一直保持在此值上下波動;7146 fs時達到最小值90°,表明此時H6原子幾乎和環(huán)面垂直.θ(C3－C4－C5－C7)則在模擬過程中一直在130°-240°之間波動,表明甲基在模擬過程中一直在上下振動;衰減時刻θ(C3－C4－C5－C7)達到其最大值254°(意味著甲基與環(huán)面近似垂直),明顯大于模擬過程中θ(C3－C4－C5－C7)的振動范圍.這意味著甲基和H6原子的環(huán)面外振動對5m-Cyt分子的失活起著決定性的作用,是到達超快無輻射失活的CI點的必需途徑.

圖4 5m-Cyt分子的θ(N1－C6－H6－C5)和θ(C3－C4－C5－C7)二面角與時間關(guān)系Fig.4 Variation with time of the θ(N1－C6－H6－C5)and θ(C3－C4－C5－C7)dihedral angles of 5m-Cyt molecule

圖5 Cyt分子θ(H6－C6－C5－H5)和θ(N3－C4－C5－C6)二面角隨時間的變化Fig.5 Variations of θ(H6－C6－C5－H5)and θ(N3－C4－C5－C6)dihedral angles of cytosine molecule with time

由于Cyt分子的模擬結(jié)果與5m-Cyt基本相似,主要差別在激發(fā)態(tài)壽命不同,此處僅簡單介紹.圖5描述了Cyt分子的θ(H6－C6－C5－H5)和θ(N3－C4－ C5－C6)二面角隨時間的變化,這兩個二面角分別表征H5、H6原子平面外振動的幅度和C5－C6鍵的扭曲程度.該模擬軌跡的脈沖頻率為4.8 eV,輻射通量密度為214.52 J·m-2.該軌跡中Cyt分子在210 fs時發(fā)生非絕熱躍遷失活至基態(tài).在避免交叉點時,θ(H6－C6－C5－H5)達到了其最小值-152°,而θ(N3－C4－C5－C6)=-39°,與其它時刻相比變化不明顯.因此, Cyt的ΔELUMO-HOMO對C5－C6鍵的扭曲不敏感,促使激發(fā)態(tài)衰減的振動主要是H5、H6原子平面外振動.由于C5、C6原子強烈的扭曲,其pz軌道與π體系不再耦合,并保持單占據(jù),從而具有雙自由基的性質(zhì). Zgierski等45的理論計算提出,Cyt分子的ππ*態(tài)將沿著C5－C6扭曲的坐標演化為“雙自由基態(tài)”而失活.“雙自由基態(tài)”中,H5、H6原子幾乎與環(huán)面垂直,并且指向相反方向.從結(jié)構(gòu)來看,本文模擬的結(jié)果與量子化學計算符合得很好.

圖6 Cyt和5m-Cyt分子的S0-S1勢能面Fig.6 S0-S1potential energy surfaces of Cyt and 5m-Cyt molecules

圖6描述了CASSCF(8,7)/6-311+g(d)水平計算的Cyt和5m-Cyt分子的S0和S1勢能面.Cyt分子的垂直激發(fā)能為5.53 eV,比實驗值4.6 eV46高,原因在于未包含動態(tài)相關(guān)能,但是與Robb等22在CASSCF (14,10)水平計算得到的5.21 eV接近.雖然本文的CASSCF計算比較粗糙,但是定性比較能壘高低是足夠的.Cyt垂直激發(fā)能和絕熱激發(fā)能和5m-Cyt分子都接近,但是CI的能量比后者低0.3 eV,意味著5m-Cyt分子達到CI比Cyt慢,也驗證了模擬結(jié)果.

4 結(jié)論

采用半經(jīng)典動力學方法對激光誘導下5m-Cyt和Cyt分子的最低激發(fā)態(tài)的失活過程進行了模擬.模擬脈沖頻率與實驗值相當,為4.8 eV,FWHM=25 fs.激光作用以后,5m-Cyt和Cyt分子的C5－C6鍵發(fā)生扭曲,在甲基(或H5)和H6原子平面外振動幅度最大形成“雙自由基態(tài)”,體系發(fā)生非絕熱失活.失活時甲基(或H5)和H6原子幾乎與環(huán)面垂直.由于甲基的空間位阻效應,5m-Cyt形成“雙自由基態(tài)”的時間約為7 ps,遠長于Cyt的210 fs.CASSCF計算證實, 5m-Cyt的(S1/S0)CI能量比Cyt高0.3 eV,意味著5m-Cyt的失活需要克服更高的能壘,因此其S1激發(fā)態(tài)壽命更長.

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