三-(五氟苯基)咔咯錳配合物與DNA堿基的相互作用理論研究

李 皎, 徐 艷, 許 旋, 徐志廣*

(1. 華南師范大學化學學院∥教育部環境理論化學重點實驗室, 廣州 510006; 2. 珠峰實驗學校, 珠海 519000)

DNA是自然界中許多生命有機體內的重要抗腫瘤藥物靶標分子，小分子和DNA作用可能會損傷DNA，影響相關蛋白質的合成和翻譯，若與腫瘤細胞的DNA作用，可抑制腫瘤細胞的增殖，從而起到抗癌作用[1-2]. 小分子化合物與DNA的相互作用及其核酸酶活性一直是生物化學的重要研究課題之一[3-5]. 小分子和DNA的結合模式主要有2種：共價結合、非共價結合. 一般認為咔咯等卟啉類化合物與DNA的相互作用模式是非共價結合，主要分為4種類型[6]：插入結合、靜電作用、溝槽結合和外部結合，其中插入結合和外部結合是咔咯和DNA相互作用中最常見的結合模式[7-8].

有關卟啉化合物及其衍生物與DNA相互作用的研究已有大量報道[9-13]，但作為卟啉類似物的芳香大環化合物，咔咯和DNA相互作用的研究相對較少. 近些年，科研人員不斷合成出高氧化態的金屬咔咯，并在實驗中發現金屬咔咯能夠與DNA相互作用、催化斷裂DNA，在光動力治療和抗腫瘤等生物醫學應用方面具有良好前景[14]. 咔咯金屬配合物和DNA的相互作用及其核酸酶活性逐漸成為生物化學領域的熱點研究之一[15-17]. 咔咯錳配合物的活性中心Mn原子具有良好的氧化還原特性，在結合DNA、催化氧化DNA斷裂等方面表現出較好的化學生物活性. 為了從分子水平深入探究咔咯錳配合物和DNA的相互作用機制及構效關系，本文對(TPFC)Mn(Ⅲ)與DNA的堿基以及堿基對的軸向配位性質進行理論計算，為實驗研究提供新的理論依據.

1 計算方法

DNA的雙鏈結構非常復雜，因此本文將DNA雙鏈結構分解，選取DNA的4個堿基片段：腺嘌呤(Adenine，A)、鳥嘌呤(Guanine，G)、胞嘧啶(Cytosine，C)、胸腺嘧啶(Thymine，T)，對(TPFC)Mn(Ⅲ)與4種堿基以及A=T、C≡G堿基對的軸向配位性質進行理論研究，均以1∶1的數量比進行配位. 實驗研究發現，金屬咔咯與DNA的主要結合模式為插入結合和外部結合，因此設計了10種(TPFC)Mn(Ⅲ)與A、T、C、G堿基軸向配位的分子模型以及12種(TPFC)Mn(Ⅲ)與A=T、C≡G堿基對軸向配位的分子模型，主要涉及插入結合和外部結合2種結合模式.

本課題組的前期研究[18-19]對(TPFC)Mn(Ⅲ)的理論計算發現其基態是五重態，結構最穩定，故本文研究的所有分子模型均在五重態下進行全優化計算，所有配合物均采用DFT/B3LYP方法進行計算，其中非金屬元素(C、N、F、H、O)采用6-31G**基組，金屬元素(Mn)采用LanL2DZ 基組[20]，分子的NPA電荷、韋伯鍵級(Wiberg bond Index,WI)、二級微擾穩定化能等均采用Gaussian 03(Revision D.01版)的NBO[21]程序計算. 所有分子的計算過程均采用Gaussian 03程序[22].

2 結果與討論

2.1 (TPFC)Mn(Ⅲ)和堿基的軸向配位性質

DNA的4種堿基結構以及與(TPFC)Mn(Ⅲ)的軸向配位模型見圖1，其中，以G的2個N原子(1、2號)及O原子(3號)、A的3個N原子(1、2、3號)、C的N原子(1號)和O原子(2號)、T的2個O原子(1、2號)作為配位原子和(TPFC)Mn(Ⅲ)配位. 根據每個堿基的配位原子編號，將本文所設計的A、C、G、T和(TPFC)Mn(Ⅲ)軸向配位的10個模型分子，依次命名為GN1、GN2、GO3、AN1、AN2、AN3、CN1、CO2、TO1和TO2(優化幾何結構見圖2),各個配合物的頻率計算均無虛頻，結構穩定，對應的幾何參數見表1.

圖1 A、C、G、T和(TPFC)Mn(Ⅲ)(L)的分子結構

圖2 (TPFC)Mn(Ⅲ)(L)的優化幾何結構

表1 (TPFC)Mn(Ⅲ)(L)的部分幾何結構參數和結合能Table 1 The selected geometrical parameters and binding energy of (TPFC)Mn(Ⅲ)(L)

Mn偏離咔咯平面環的程度越大，越向堿基靠近，(TPFC)Mn(Ⅲ)和堿基的配位結合越強，dMn-4N由0.032 7 nm(CO2)降至0.024 4 nm(GN2)；配位鍵鍵長dMn-L越短，結合能ΔE的絕對值越大，配合物的結構越穩定，堿基和(TPFC)Mn(Ⅲ)的配位能力越強，配位鍵鍵長dMn-L從0.217 3 nm(CO2)增至的0.247 2 nm(GN2)，ΔE從-68.39 kJ/mol(CO2)降至的-36.17 kJ/mol(GN2)；因此在(TPFC)Mn(Ⅲ)(L)中，配位能力由大到小為：CO2、GO3、TO2、TO1、AN3、AN2、AN1、GN1、CN1、GN2，且堿基上的O原子和Mn原子的結合能力更強.

電荷轉移是化學反應的基本過程，根據自然電荷布局分析(表2)，ΔQL為堿基與(TPFC)Mn(Ⅲ)配位前后電荷的變化量(堿基與(TPFC)Mn(Ⅲ)配位前電荷為0)，ΔQL越大，堿基向(TPFC)Mn(Ⅲ)轉移的電子就越多，堿基與(TPFC)Mn(Ⅲ)的配位作用越強，因此配位能力由大到小為：CO2、TO2(或CN1)、GO3、GN1、AN3、AN2、AN1、TO1、GN2，與前面所得結論不一致. 為了深入探討以上結論不一致的原因，引入韋伯鍵級WIMn-L作為輔助依據(表2)判斷堿基和(TPFC)Mn(Ⅲ)之間的配位性質，WIMn-L越大，堿基和(TPFC)Mn(Ⅲ)的配位作用越強. 由此可判斷(TPFC)Mn(Ⅲ)和堿基之間的結合能力由大到小依次為：CO2、GO3、TO2、TO1、AN3、AN2、AN1、GN1、CN1、GN2，與前面結構參數和結合能所得結論一致.

表2 (TPFC)Mn(Ⅲ)(L)的NPA電荷和韋伯鍵級Table 2 The NPA charge and Wiberg bond Index (WI) of (TPFC)Mn(Ⅲ)(L)

為理解(TPFC)Mn(Ⅲ)的Mn原子和堿基配位原子的軌道作用情況，對其進行二級微擾穩定化能(E(2))分析(表3)，主要包括配位原子的孤對電子軌道(LP(N)或LP(O))與Mn原子的空電子軌道(LP*Mn)的作用. 由表3可知，ΣE(2)是α和β軌道的E(2)之和，但主要由β軌道的E(2)貢獻. 配合物GO3中β軌道的E(2)由LP(L)對LP*(Mn,4s)和π*(O—Mn)的作用組成(π*(O—Mn)是堿基G的配位氧原子和(TPFC)Mn(Ⅲ)之間形成的O—Mn鍵π反鍵軌道)，其它分子的α和β軌道的E(2)都由LP(L)對LP*(Mn,4s)的作用組成. ΣE(2)越大，配位原子和Mn原子之間的相互作用越強，即(TPFC)Mn(Ⅲ)和堿基之間的結合越強. ΣE(2)由186.98 kJ/mol(CO2)降至82.34 kJ/mol(GN2)，ΣE(2)由大到小的順序為：CO2、GO3、TO2、TO1、AN3、AN2、AN1、GN1、CN1、GN2，與結構參數、結合能以及WIMn—L數據分析的結論一致.

綜上所述，DNA的4個堿基都可以單獨與(TPFC)Mn(Ⅲ)進行軸向配位，(TPFC)Mn(Ⅲ) 和堿基之間的結合由強到弱為：CO2、GO3、TO2、TO1、AN3、AN2、AN1、GN1、CN1、GN2，每個堿基的配位能力都會因自身獨特的結構而不同. 當以同一堿基的不同原子作為配位原子時，堿基上的O原子和Mn原子的結合能力最強；對不同的堿基而言，當以O原子配位時，(TPFC)Mn(Ⅲ)與C的結合最強，與T的結合最弱；當以N原子配位時，(TPFC)Mn(Ⅲ)與A的結合最強.

表3 (TPFC)Mn(Ⅲ)(L)的二級微擾穩定化能

2.2 (TPFC)Mn(Ⅲ)和堿基對的軸向配位性質

在(TPFC)Mn(Ⅲ)與DNA堿基的軸向配位性質理論研究的基礎上，對(TPFC)Mn(Ⅲ)與A=T、C≡G堿基對的軸向配位性質進行理論研究，分子模型見圖3，幾何優化結構見圖4，依次命名為AT1、AT2、AT3、AT4、AT5、AT6、GC1、GC2、GC3、GC4、GC5和GC6，AT1～AT6是A=T與(TPFC)Mn(Ⅲ)的配合物，GC1～GC6是C≡G與(TPFC)Mn(Ⅲ)的配合物. 在AT1～AT4及GC6中，堿基對在(TPFC)Mn(Ⅲ)平面的上方，近似于平行，表現為外部結合模式，AT1和AT2的2個堿基發生了扭曲，不再處于同一個平面上. 在AT5、AT6、GC1～GC5中，(TPFC)Mn(Ⅲ)插入堿基對之間，A、T(或G、C)分布在(TPFC)Mn(Ⅲ)平面的兩側，堿基對之間的氫鍵被破壞.

圖3 (TPFC)Mn(Ⅲ)(A=T)和(TPFC)Mn(Ⅲ)(C≡G)的分子結構

圖4 (TPFC)Mn(Ⅲ)與DNA堿基對的優化幾何結構

(TPFC)Mn(Ⅲ)(A=T)配合物的部分結構參數和結合能ΔE見表4. 當(TPFC)Mn(Ⅲ)與A=T以外部結合模式形成配合物(AT1～AT4)時，由配位鍵鍵長dMn—O或dMn—N可知，AT1～AT3均形成有效配位，其配位鍵長分別為0.238 7、0.248 5、0.232 1 nm，AT4未形成有效配位. AT1～AT3的結合能ΔE分別為-3.65、-12.72、-16.64 kJ/mol，且在AT2和AT3中(TPFC)Mn(Ⅲ)均與A配位，說明在(TPFC)Mn(Ⅲ)以外部結合模式與A=T結合時，A的配位能力強于T.

當以插入結合模式形成配合物AT5、AT6時，均形成有效配位，A和T分別以N原子和O原子作為配位原子. 在AT5中，配位鍵長dMn—O和dMn—N分別為0.261 3、0.253 2 nm，在AT6中，dMn—O和dMn—N分別為0.264 1、0.2564 nm. 通過比較，dMn—O

表4 (TPFC)Mn(Ⅲ)(A=T)的部分幾何結構參數和結合能Table 4 The selected geometrical parameters and binding energy of (TPFC)Mn(Ⅲ)(A=T)

(TPFC)Mn(Ⅲ)(C≡G)配合物的部分結構參數和結合能ΔE見表5，當(TPFC)Mn(Ⅲ)與C≡G以插入結合模式形成配合物(GC1至GC5)時，C和G均分布在(TPFC)Mn(Ⅲ)的兩側，但不能同時與(TPFC)Mn(Ⅲ)配位；在GC1和GC2中均為(TPFC)Mn(Ⅲ)直接和G的配位，配位鍵長分別為0.220 4、0.220 2 nm；在GC3、GC4和GC5中均為(TPFC)Mn(Ⅲ)直接與C的配位，配位鍵長分別為0.243 9、0.243 4、0.221 1 nm，且(TPFC)Mn(Ⅲ)與G的|ΔE|均大于與C的|ΔE|，由此可知在插入結合方式中G的配位能力強于C. 而以外部結合時，在AT6中C≡G和(TPFC)Mn(Ⅲ)不能有效配位，且結構不穩定，因此(TPFC)Mn(Ⅲ)和C≡G的作用以插入結合方式為主.

表5 (TPFC)Mn(Ⅲ)(C≡G)的部分幾何結構參數和結合能Table 5 The selected geometrical parameters and binding energy of (TPFC)Mn(Ⅲ)(C≡G)

在(TPFC)Mn(Ⅲ)與堿基對配位形成的配合物中，選取穩定性較好的配合物作為代表進行NPA分析(表6)，即對AT1、AT3、AT5、GC1、GC4和GC5進行分析討論. 在A=T堿基對中，外部結合的AT1和AT3分別是堿基T和A與(TPFC)Mn(Ⅲ)配位，AT3的ΔQL大于AT1，且AT3的ΔQA(0.156 e)大于AT1的ΔQT(0.120 e)，說明A的配位能力強于T；在插入結合中，AT5是A和T同時與(TPFC)Mn(Ⅲ)配位，ΔQA(0.130 e)大于ΔQT(0.111 e)，可知在A=T堿基對中，A的配位能力強于T. 在C≡G堿基對中，對于GC1、GC4、GC5分別是G、C、C與(TPFC)Mn(Ⅲ)配位，各配位堿基電荷轉移量分別為0.192 e、0.140 e、0.156 e，可知在C≡G堿基對中，G的配位能力強于C.

表6 (TPFC)Mn(Ⅲ)(A=T)和(TPFC)Mn(Ⅲ)(C≡G)的NPA電荷Table 6 The NPA charge of (TPFC)Mn(Ⅲ)(A=T) and (TPFC)Mn(Ⅲ)(C≡G)

QA、QT是形成A=T堿基對后A與T的電荷，QG、QC是形成C≡G堿基對后G與C的電荷，在配位之前，QA、QT、QG和QC分別為0.019 e、-0.019 e、-0.055 e和0.055 e.

3 結論

采用DFT/B3LYP 的方法對(TPFC)Mn(Ⅲ)與DNA的4種堿基以及堿基對的軸向配位性質進行理論研究. 計算結果表明：以相同堿基的不同原子作為配位原子時，堿基上的O原子與(TPFC)Mn(Ⅲ)配位能力最強；對不同的堿基而言，當配位原子為O原子時，(TPFC)Mn(Ⅲ)與C的結合最強，與T的結合最弱；當配位原子為N原子時，(TPFC)Mn(Ⅲ)與A的結合最強. 對比研究與A=T和C≡G堿基對軸向配位的結果表明：(TPFC)Mn(Ⅲ)主要以插入方式與A=T和C≡G結合；對于A=T堿基對，A的配位能力強于T；對于C≡G堿基對，G的配位能力強于C.