5-羟甲基胞嘧啶pKa值的理论研究

靳玲侠，闵锁田,王志银,赵梦婷，任宏江

(1.陕西理工学院 化学与环境科学学院,陕西 汉中 723001; 2.西安文理学院 化学工程学院,西安 710065)



5-羟甲基胞嘧啶pKa值的理论研究

靳玲侠1，闵锁田1,王志银1,赵梦婷1，任宏江2

(1.陕西理工学院 化学与环境科学学院,陕西 汉中 723001; 2.西安文理学院 化学工程学院,西安 710065)

采用两种不同动力学循环方案，在B3LYP/6-311++G(d,p)+ZPE和B3LYP/aug-cc-pVTZ//B3LYP/6-311++G(d,p)+ZPE水平上，同时考虑PCM和CPCM模型对5-羟甲基胞嘧啶(5-HMeCyt)中N3、N4、O2不同位点质子化的pKa值进行计算研究.结果表明：采用经验值法，5-HMeCyt中N3位置质子化的pKa值最大；采用质子交换法，以N3质子化的胞嘧啶为参考酸，发现CPCM模型计算结果对计算方法的依赖性较大.

B3LYP；5-甲基胞嘧啶；胞嘧啶；5-羟甲基胞嘧啶

5-羟甲基胞嘧啶(5-HMeCyt)可能是一个重要的表观遗传学标记，也可能是5-甲基胞嘧啶(5-MeCyt)去甲基向胞嘧啶(Cyt)转化的中间产物.已有文献报道，pKa值对氢原子转移、质子交换、电子转移等反应机制的阐明尤为重要[1-4].Arnott等[5]实验发现在一定pH值下，胞嘧啶的N3位质子可转移至鸟嘌呤.同时，胞嘧啶的碱基序列对pH值会产生一定影响.因此，可通过pKa值控制碱基配对的最佳条件.另外，在酸性介质中，Cyt存在3个可能的质子化位置，分别为N3、O2和N4.综合文献报道[6-7]，Cyt在酸性条件下形成6个质子化异构体，用滴定方法较难准确测量有机物具体位点的pKa值.因此采用理论与计算化学估算嘧啶碱基的pKa值对于理解以质子转移为基础的化学物质和生物进程具有非常重要的意义.

在实验方面，Floria′n等人在研究胞嘧啶质子化异构体红外光谱时发现，胞嘧啶的N3，N4，O2位置上均可发生质子化反应，同时发现N3和O2质子化异构体较其它异构体稳定[8].Saenger等人通过实验检测到胞嘧啶的pKa值为4.5[9-10].由于胞嘧啶质子化位置的复杂性且部分异构体的不稳定性，导致实验难于准确检测不稳定异构体的pKa值.在理论研究方面，Moser等人[11]采用密度泛函理论方法得出胞嘧啶的pKa值为6.29～6.98，并预测甲基化对胞嘧啶pKa值的影响，而George等采用Poisson-Boltzmann方法对胞嘧啶在第三螺旋结构的N3位置pKa值进了计算，得出N3质子化胞嘧啶的pKa值为4.3[12]，与实验值极为接近(4.5)，5-HMeCyt是一种重要的表观遗传修饰，可能与去甲基化过程有关，但其作用机制仍不明确.鉴于此，本文将系统考察5-HMeCyt不同位点质子化的pKa值(图1)，同时探讨PCM和CPCM对pKa值的影响，解决质子化位置是否起显著催化作用.

图1 5-HMeCyt及其N3、O2、N4位质子化结构示意图

1 计算方法

为比较计算方法对计算结果的影响，本文选用B3LYP/6-311++G(d,p)+ZPE和B3LYP/aug-cc-pVTZ//B3LYP/6-31G(d,p)+ZPE两种计算方法[13-14]，并且使用两种循环方案分别对5-HMeCyt不同位点质子化的pKa值进行计算.以气相分子作为研究对象，应用Gaussian03程序包[15]，采用密度泛函理论B3LYP方法对5-HMeCyt及其质子化异构体的初始几何构型进行优化和能量计算，并采用频率进行验证，以确定其最稳定的异构体结构.同时考察CPM和CPCM模型对5-HMeCyt的质子化异构体pKa值的影响，对各异构体的溶剂化自由能进行了计算[16].

1.1 经验值法[17]

Scheme1 经验值法:

↑-ΔGs(C5H8N3O+)↓ΔGs(C5H7N3O2)↓ΔGs(H+)

Scheme2 质子交换法:

↑-ΔGs(C5H8N3O+)↑-ΔGs(C4H5N3O)↓ΔGs(C5H7N3O2)↓ΔGs(C4H6N3O+)

Scheme3采用经验值法计算5-HMeCyt质子化异构体的pKa值:

(1)

pKa=ΔG(aq)/(2.303RT)

(2)

Scheme4采用质子交换法计算5-HMeCyt质子化异构体的pKa值:

(3)

pKa=ΔG(aq)/(2.303RT)+pKa(C4H6N3O+)

(4)

1.2 质子交换法[18]

表1 气相自由能Gg、吉布斯自由能校正值GZEP、自由能在水溶液中变化值ΔGaq(a.u.)及pKa值

注:aCPCM and PCM,B3LYP/6-311++G(d,p)+ZPE；SP-CPCM and SP-PCM,B3LYP/aug-cc-pVTZ//B3LYP/6-31G(d,p)+ZPE.

2 结果与讨论

本文利用上述两种热力学循环方法计算出质子化5-HMeCyt在水溶液中的pKa值.

比较经验值法采用不同模型计算出5-HMeCyt不同位点质子化异构体的pKa值，发现不同位点质子化异构体的pKa值由N4、O2、N3依次增大，说明5-HMeCyt不同位点质子化异构体的pKa值存在显著差别.在PCM模型下，5-HMeCyt对计算方法的依赖较小.在CPCM模型下采用B3LYP/6-311++G(d,p)+ZPE与B3LYP/aug-cc-pVTZ方法计算的结果偏差较大.

采用质子交换法运用不同计算方法对5-HMeCyt的N3位质子化异构体pKa值的计算结果表明，在相同计算方法下采用CPCM和PCM模型计算结果存在较大偏差.

3 结论

本文通过密度泛函理论、溶剂化模型和两种热力学循环方案对5-HMeCyt不同位点的pKa值进行了详细计算研究，得出以下结论：(1)5-HMeCyt不同位点的pKa值具有显著差别；(2)在PCM模型下5-HMeCyt不同位点pKa值对计算方法的依赖性较小，而CPCM模型对计算方法依赖性较大.

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[责任编辑 马云彤]

Theoretical Research on pKa Value of the 5-Hydroxymethylcytosine

JIN Ling-xia1, MIN Suo-tian1, WANG Zhi-yin1, ZHAO Meng-ting1, REN Hong-jiang2

(1. College of Chemistry and Environmental Science, Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723001, China; 2. School of Chemical Engineering, Xi’an University, Xi’an 710065, China)

The protonated pKa values in different positions of O2, N3, N4 for 5-hydroxymethylcytosine (5-HMeCyt) are calculated by adopting two different dynamic cycle schemes at the B3LYP/6-311++G(d, p)+ZPE and B3LYP/aug-cc-pVTZ//B3LYP/6-311++G(d, p)+ZPE level, which consider the effect of the PCM and CPCM models. The results show that the protonated pKa value is the largest in the N3 position of the 5-HMeCyt by the empirical value method. The results of CPCM model greatly depend on the calculation method when taking the N3 position of cytosine as reference by the proton exchange method.

B3LYP; the 5-methylcytocine; cytosine; the 5-hydroxymethylcytosine

1008-5564(2016)04-0053-04

2016-03-24

陕西理工学院科研基金资助项目(SLGQD14-10)

靳玲侠(1981—)，女，陕西大荔人，陕西理工学院化学与环境科学学院讲师，博士，主要从事生物小分子反应机理的理论研究.

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