DNA塩基及び塩基対が水溶液中で持つ光安定性機構の第一原理分子動力学法による解明

利用第一原理分子动力学方法阐明水溶液中 DNA 碱基和碱基对的光稳定性机制

基本信息

批准号：
10J00040
负责人：
山崎祥平
金额：
$ 1.79万
依托单位：
Hokkaido University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2010
资助国家：
日本
起止时间：
2010 至 2012
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-10J00040/
关键词：
核酸塩基ワトソン・クリック塩基対水和クラスター水素結合光化学過程無輻射失活励起状態プロトン移動量子化学核酸塩基対光化学励起状態プロトン移動分子軌道法密度汎関数法 DNA ポテンシャルエネルギー曲面円錐交差

项目摘要

核酸塩基や関連分子の単量体・二量体・水和クラスターで起こる光化学過程について、分子軌道法や密度汎関数法といった量子化学計算手法並びに分子動力学シミュレーション法を駆使した機構解明を推進した。まず、二つの核酸塩基分子が互いに水素結合したワトソン・クリック塩基対を対象とし、その光励起後に起こりうるとされる種々の過程についてポテンシャルエネルギー曲面の詳細な計算を行った。いわゆる長距離補正を施した時間依存密度汎関数法を採用することにより、従来では困難だった、複数の反応経路間におけるエネルギーの直接比較を行うことに成功した。計算の結果、各塩基分子内における高速な無輻射失活過程並びに二つの塩基間で起こる励起状態単一プロトン移動反応の両方ともが塩基対の光安定性に寄与しうることが初めて示唆された。次に、モデル塩基と呼ばれる7-アザインドール分子が水分子三つと水素結合して形成するクラスターにおいて、光励起の直後に水素結合の組み替えがほぼエネルギー障壁無しで起こること、そしてこの再配置の結果として励起状態多重プロトン移動反応による光異性化の障壁が著しく減少することを見出した。特に、水素結合が励起状態で組み替わるとする本研究の計算結果は、当該クラスターの電子スペクトル実験で見られる特異な観測結果とよく対応している。さらに、前年度までにポテンシャル曲面の計算を行った核酸塩基の一つチミンについて励起状態動力学のシミュレーションを実行し、水溶液中での無輻射失活が気相中にはない新たな分子機構によって起こる可能性を提示した。また、実験の研究グループ(横浜市立大学・三枝洋之教授)と協力し、プリン代謝の最終生成物である尿酸の光化学過程に対する一分子水和の影響について量子化学計算による検討を進めた。以上のように、水素結合の影響下における核酸塩基の光安定性機構について、理論研究によって一定の成果を得た。

充分利用分子轨道理论、密度泛函理论等量子化学计算方法以及分子动力学模拟，促进对核碱基单体、二聚体、水合簇及相关分子中发生的光化学过程机理的阐明方法。。首先，我们关注沃森-克里克碱基对，其中两个核碱基分子彼此氢键结合，并对光激发后被认为发生的各种过程的势能曲线进行了详细计算。通过采用所谓的具有长程校正的时间相关密度泛函理论，我们成功地直接比较了多个反应路径之间的能量，这在以前是很困难的。计算首次表明，每个碱基分子内的快速非辐射失活过程和两个碱基之间的激发态单质子转移反应都有助于碱基对的光稳定性。接下来，在被称为模型基础的7-氮杂吲哚分子与三个水分子形成氢键形成的簇中，我们发现光激发后立即发生氢键重排，几乎没有能量障碍，并且作为这种重排的结果，我们发现由于激发态多重质子转移反应导致的光异构化势垒显着降低。特别是，本研究假设氢键在激发态重排的计算结果与团簇电子能谱实验中独特的观测结果非常吻合。此外，我们对胸腺嘧啶的激发态动力学进行了模拟，胸腺嘧啶是我们在前一年计算出潜在表面的核酸碱基之一。此外，我们与实验研究小组（横滨市立大学 Hiroyuki Saegusa 教授）合作，利用量子化学计算研究了单分子水合对嘌呤代谢最终产物尿酸光化学过程的影响。如上所述，我们通过对氢键影响下核碱基光稳定性机制的理论研究，取得了一定的成果。