【Turbomole应用实例】山东大学通过QM/MM模拟计算了碱基和脱氧核糖核苷的单电子氧化和氧化还原电位

摘要：

在QM/MM模拟估计单电子氧化和氧化还原电位的DNA组分的线性响应近似。四种脱氧核糖核酸苷(drn)及其碱基的标准单电子氧化和氧化还原电位是使用来自现在和以前的QM/MM计算的参考量计算的。dA和dG的计算氧化电位与实验值一致。dRN氧化还原电位顺序为dG＜dA＜dC≈dT和dA≈dG＜dC≈dT。结果表明，核糖对dA、dG和dC的还原电位有较大的影响，而对氧化电位的贡献较小。

引言：

DNA的氧化还原特性，包括还原电位、氧化电位、电子亲和势和电离势，极大地影响DNA的复制、突变和降解等功能。为了获得准确的标准氧化还原电位值和识别DNA碱基的电子选择性趋势，Kristen L.等人利用DFT/M06-2X杂化元官能计算了DNA碱基的氧化还原性质。对碱基标准氧化还原电位的研究表明，加入特定的水可以显著降低计算误差。

本文采用量子力学/机械分子(QM/MM)联合模拟计算DNA标准单电子氧化电位和氧化还原电位。经实验验证，B3LYP泛函模拟可获得较好的氧化还原性能。我们采用线性响应近似(LRA)来估计DNA的单电子氧化还原电位，而不是使用热动力学反应循环。LRA已成功用于确定单电子氧化还原过程。从Marcus溶液中电子转移速率理论导出的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电荷在溶剂可及表面的线性函数。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QM/MM计算中，采用6- 31+G*/B3LYP来处理QM区域。在该水平上的计算得到了可靠的氧化还原电位,采用TURBOMOLE 6.4程序进行QM计算,ChemShell 3.5软件包进行所有QM/MM计算。

我们测试了QM区域大小的收敛性。采用水分子O原子与dRN各原子之间的最小距离(RQM)来分配QM区域的大小。dA、dG、dC、dT的RQM收敛值分别为3.6、3.4、3.4、3.4 Å(见图S2)。在接下来的QM/MM计算中，应用了包括几个水分子在内的非常大的QM区域。

结果与讨论：

作者计算了四种drn在水中的QM/MM VIEs和AIEs。计算这两个量的公式和过程与Ref.中的模拟相似。表1显示了4个drn的QM/MM VIEs和aie。

作者还利用merz - kolman参数计算了QM原子上的静电电势电荷。利用drn和碱基上电荷的差异来研究垂直电离和绝热电离过程中的空穴分布。图1显示了四个drn垂直电离和绝热电离过程中，drn和碱基上的空洞。

表2列出了碱基和drn的氧化和氧化还原自由能的变化。对于碱基，氧化自由能变化均为正，还原自由能变化均为负。

比较了碱基和drn的氧化自由能变化。可以发现，dA、dG和dC的ΔGO比它们对应的碱基高0.05eV。ΔGO dT与T之差为0.19eV。说明核糖对氧化自由能的变化有较大的影响。相比之下，核糖对还原自由能变化的影响更为显著。

在得到氧化自由能和氧化还原自由能的变化后，作者直接计算标准的单电子氧化和氧化还原电位。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)的计算结果来源于前人的研究。这将导致模拟结果(VIE、VDE和VEA)在QM/MM和PCM计算之间存在偏差。

表4给出了四个drn的标准单电子氧化和氧化还原电位。通过实验测量得到的腺苷和鸟苷的氧化电位。

作者比较了碱基和dRN的氧化电位(见表3和表4)。dRN标准单电子氧化电位除dT和t外，与相应碱基的氧化电位接近，碱基与dRN的Eox 0差值小于0.10V。相反，dT的氧化电位比T高0.21V。这表明核糖会显著增加DNA中T的氧化电位。因此，dT在DNA中很难被氧化，成为DNA的负电荷中心。dA和A的氧化还原电位差为0.09V。其它3种drn (dG、dC和dT)的氧化还原电位均比相应碱基高约0.20V。与氧化电位相比，核糖对还原电位的影响更大，增加了DNA组分的氧化还原电位。

总结：

在此，作者提出了一个简单的模型来计算单电子氧化和氧化还原电位的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dRNs (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烈的过程。电离空穴位于drn的基部。我们从现在和以前的QM/ MM计算中收集参考数量(VIE、ΔECN、VDE和VEA)。用这些量计算了四个drn及其对应的碱基的标准单电子氧化和氧化还原电位。dA和dG的氧化电位与实验值符合得很好。碱基的氧化电位顺序为G<A<T<C，还原电位顺序为G<A<C≈T。dRNs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的标准单电子氧化电位和氧化还原电位，可以发现核糖对氧化还原电位有较大的影响，并导致其升高。糖环对dA、dG和dC的单电子氧化势影响很小。它使dT氧化电位增加0.21V。

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

本文采用了CHEMSHELL和TURBOMOLE程序包得以实现对QMMM研究，北京泰科博思科技有限公司是TURBOMOLE和CHEMSHELL官方指定代理商，有关软件详情或者技术支持请咨询北京泰科。

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