5-甲基胞嘧啶及胞嘧啶無輻射失活的半經典動力學模擬和CASSCF計算

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共軛結構而易吸收紫外光造成損傷,1-3然而自然界中DNA分子的光損傷產率極低,4超快失活機制是DNA堿基具有光穩定性的原因,對避免光損傷具有重要意義.單堿基激發態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,在2000年第一次精確測量出DNA堿基1ππ*激發態的壽命為1 ps.熒光變頻及瞬間吸收等方法對各種核苷酸Sππ*態壽命的測量10-12也得到相同的結果,即對于所有的核苷酸,堿基第一單重激發態(S1)衰減發生在亞皮秒的時間范圍內.

諸多實驗及理論研究認為,S1的超快衰減是由于S1與基態(S0)間的圓錐交叉(CI)所致,即CI的電子態之間超快內轉換通道是核苷亞皮秒級熒光壽命的原因.9,10激發態能量對環的扭曲變形不敏感,其勢能面相對較平坦;但對于基態,由于失去π鍵的穩定性(芳香性)后,變得非常不穩定,其能量隨著環的變形程度增大而急劇增加,最終與激發態勢能面相交,形成CI.量子化學計算顯示核酸堿基的激發態結構是非平面的,13-23通過環扭曲引發的平面外變形達到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區到CI的路徑幾乎是無能壘的,從而使S1→S0的超快內轉換得以發生.嘌呤堿基的振動弛豫模式包括沿C4＝C5鍵的折疊產生環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鍵.

嘧啶類堿基的激發態壽命與C5位26密切相關,這可以在C5位添加取代基以限制這一鍵的扭轉能力來深入理解.實驗26,27已經顯示堿基修飾限制相關鍵的扭轉,可以明顯增長激發態壽命.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態的壽命長達88 ps,幾乎比胞嘧啶高兩個數量級;5-甲基胞嘧啶的S1態壽命長達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象,5-甲基的存在使得Thy的激發態衰減速率比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,與嘧啶的芳香環形成p-π共軛,導致了更復雜的激發態性質.

正確理解一個化學反應的機理需要弄清從反應物到產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,本文采用半經典動力學模型模擬Cyt和5m-Cyt激發態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)計算結果對比,從微觀角度解釋了5m-Cyt比Cyt的S1激發態壽命更長的原因.

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典電子-輻射-離子動力學(SERID)模型.所謂半經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典力學處理.這種模擬方法考慮激光場對電子結構的作用,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象.這些模擬結果都與實驗現象吻合,并且解釋了許多實驗無法說明的性質.

由于SERID模型是基于平均場理論,缺乏明確的電子態,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)和單激發組態相互作用(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,并與模擬結果比較.Cyt和5m-Cyt分子結構類似,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態主要是ππ*激發,故我們排除兩對孤對電子,并且將布居數大于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的垂直激發能并優化了它們的S0、S1和CI的結構.

本研究的半經典動力學模擬采用的是自行開發的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內存)服務器上完成.

3 結果與討論

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的激發光波長26,28相吻合.我們對10個不同初始構型進行模擬,得到300余條軌跡.模擬發現,超過70%的軌跡中5m-Cyt分子激發-失活過程的壽命為5-8 ps,與實驗現象26,28符合,遠長于Cyt的激發態壽命(模擬結果為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分子激發態失活的快照.脈沖作用之前分子保持平面構型(圖1a);激光作用以后,5m-Cyt的芳香體系被破壞,產生一定程度的扭曲,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,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(圖1g);失活后,分子恢復平面結構(圖1h).從激光停止作用到7146 fs時失活,激發態壽命約為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被激發后π鍵被破壞,C5－C6轉變為具有σ鍵性質,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,C5－C6恢復初始的雙鍵結構.

圖1 5m-Cyt分子激發態失活過程的快照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分子保持平面構型,θ(N3－C4－C5－C6)=0°;激光作用以后, θ(N3－C4－C5－C6)二面角發生顯著改變,表明C5－C6鍵發生扭曲.θ(N3－C4－C5－C6)的值波動范圍約為±40°,意味著C5－C6鍵發生強烈的振動.ΔELUMO-HOMO是最低未占據分子軌道(LUMO)與最高占據分子軌道(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),表明該結構相對穩定;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),表明該結構不穩定,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等結構相比并無顯著變化,表明C5－C6鍵扭曲雖然與ΔELUMO-HOMO密切相關,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分子的模擬結果與5m-Cyt基本相似,主要差別在激發態壽命不同,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時發生非絕熱躍遷失活至基態.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,促使激發態衰減的振動主要是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,從而具有雙自由基的性質. Zgierski等45的理論計算提出,Cyt分子的ππ*態將沿著C5－C6扭曲的坐標演化為“雙自由基態”而失活.“雙自由基態”中,H5、H6原子幾乎與環面垂直,并且指向相反方向.從結構來看,本文模擬的結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分子的垂直激發能為5.53 eV,比實驗值4.6 eV46高,原因在于未包含動態相關能,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垂直激發能和絕熱激發能和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,也驗證了模擬結果.

4 結論

采用半經典動力學方法對激光誘導下5m-Cyt和Cyt分子的最低激發態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”,體系發生非絕熱失活.失活時甲基(或H5)和H6原子幾乎與環面垂直.由于甲基的空間位阻效應,5m-Cyt形成“雙自由基態”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激發態壽命更長.

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