【Turbomole应用实例】山东大学成果展示：用QM/MM模拟计算碱基和脱氧核糖核苷的单电子氧化和氧化还原电位

摘要：

我们的工作为QM/MM模拟提供了一种简单的方法，利用线性响应近似估计DNA组分的单电子氧化和氧化还原电位。利用现有和已有的QM/MM计算的参考量，计算了四种脱氧核糖核苷（dRNs）及其碱基的标准单电子氧化和氧化还原电位。dA和dG的氧化势计算值与实验值一致。dRN的氧化还原电位顺序为dG<dA <dC≈dT和dA≈dG<dC≈dT分开。我们的结果表明，核糖对还原电位的影响较大，对dA、dG和dC的氧化电位贡献较小。

 

引言：

DNA的氧化还原特性包括还原势、氧化势、电子亲和势和电离势等，对DNA的复制、突变和降解等功能有很大影响。

 

在此，我们应用量子力学/机械分子(QM/MM)联合模拟计算DNA标准单电子氧化和氧化还原电位。实验证明，B3LYP泛函模拟具有较好的氧化还原性能。我们用线性响应近似(LRA)代替热动力学反应循环来估算DNA单电子氧化还原电位。LRA已成功用于测定单电子氧化还原过程。从溶液中电子转移率的Marcus理论推导出的LRA假设溶剂的极化是溶质电荷的线性函数。因此，溶质的溶剂化自由能也是溶质在溶剂可达表面电荷的线性函数。这种简化方法可以降低DNA氧化还原电位计算的计算成本。

 

计算细节：

在这项工作中，我们使用QM/MM模拟计算了四种碱基(A, G, C和T)的标准单电子氧化和氧化还原电位及其对应的drn (dA, dG, dC, dT)。计算过程遵循之前的研究。本文给出了计算氧化电位和氧化还原电位的重要公式。

 

在QM/MM计算中，采用6-31+G*[39 41]基集的B3LYP理论[37,38]处理QM区域。在该水平上的计算给出了可靠的氧化还原电位。QM计算采用TURBOMOLE程序进行，所有QM/MM计算均采用ChemShell 包进行。我们测试了qm区域大小的收敛性。采用水分子的O原子与dRN各原子之间的最小距离(RQM)分配qm区域的大小。dA、dG、dC和dT的收敛RQM值分别为3.6、3.4、3.4、3.4 Å(见图S2)。在下面的QM/MM计算中应用了包含多个水分子的非常大的QM区域。

 

我们还利用merz - kolman参数计算了QM原子上的静电势电荷。利用drn和碱基上电荷的差异，探讨了垂直电离和绝热电离中的空穴分布。图1显示了四个drn在垂直和绝热电离过程中，drn和碱基上的空穴。垂直分布表明，四个系统的主孔(~0.73e)定位在drn上。孔的大部分(~0.64e)位于碱基上。

表2列出了碱基和drn的氧化和氧化还原自由能变化。对于碱基，所有的氧化自由能变化都是正的，而所有的还原自由能变化都是负的。ΔGO订单是G<a<="" t=""c,<=""span="">，还原自由能变化遵循T和lt的顺序T<c<a<g。鸟嘌呤的碱基ΔGO最低，嘌呤的碱基ΔGO比嘧啶的碱基低。drn的单电子氧化还原自由能变化也有同样的趋势。dRNΔGO的序列为dG<dA<dC≈dT。显然，dG的氧化自由能变化最小。四种drn的还原自由能变化顺序为dT≈dC <dG≈dA。嘧啶drn的ΔGred绝对值大于嘌呤drn的ΔGred绝对值。drn的ΔGred序列表明嘧啶drn是最有利的电子接受中心。

在得到氧化和氧化还原自由能的变化后，我们可以利用公式直接计算标准的单电子氧化和氧化还原势.(1)和(5).表3给出了碱基的标准单电子氧化和氧化还原电位。可极化连续介质模型(PCM)计算得到的数值来自于前人的研究。

表4给出了四种drn的标准单电子氧化电位和氧化还原电位。实验测量得到的腺苷和鸟苷氧化电位也列在表中。四种drn的标准单电子氧化电位顺序为dG<dA<dC≈dT.。dG的单电子氧化电位最低。

我们比较了碱基和dRNs的氧化势(见表3和表4)，dRN标准单电子氧化势除dT和t外与相应碱基接近，碱基与dRNs的Eox0差异小于0.10 V。dT氧化电位比T高0.21V。揭示了核糖会显著增加DNA中T的氧化电位。因此，DNA中的dT很难被氧化，dT成为DNA的负电荷中心。dA与A的氧化还原电位差为0.09 V。其他三种drn (dG、dC和dT)的氧化还原电位比相应碱基高约0.20V。与氧化电位相比，核糖对还原电位的影响更大，并增加DNA组分的氧化还原电位。

 

结论：

在这里，我们提出了一个简单的模型计算单电子氧化和氧化还原电位在QM/MM模拟。该方法采用线性响应近似估计氧化和氧化还原自由能的变化。采用QM/MM模拟计算了四种drn (dA, dG, dC和dT)的VIEs和AIEs，结果表明垂直电离后的阳离子弛豫是一个强过程。电离空穴定位在drn的基础上。我们从目前和以前的质量管理/质量管理计算中收集参考量(VIE， ΔECN, VDE和VEA)。用该量计算了四种drn及其对应碱基的标准单电子氧化电位和氧化还原电位。dA和dG的氧化电位与实验值吻合较好。碱基的氧化势依次为G < A < T < C，还原势依次为G < A < C≈T。drn的氧化电位顺序为dG < dA < dC≈dT，氧化还原电位顺序为dA≈dG < dC≈dT。

 

比较碱基和drn的标准单电子氧化和氧化还原电位可以发现，核糖对氧化还原电位的影响较大，并诱导其升高。而糖环对dA、dG、dC的单电子氧化势影响不大，使dT氧化电位增加0.21V。

 

文章详情：https://doi.org/10.1016/j.cplett.2019.136948

 

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