從頭計(jì)算、密度泛函理論和ABEEM-MM-MD分子動力學(xué)模擬研究芳香胺離子的致癌機(jī)理.pdf

1、在過去的三十年里，我們已經(jīng)看到胺離子化學(xué)已經(jīng)成為一個(gè)十分活躍的科研領(lǐng)域。而對該領(lǐng)域的研究興趣主要源于胺離子在最大的一類化學(xué)致癌劑-芳香胺和酰胺致癌進(jìn)程中所發(fā)揮的重要中間體作用。通常為人們接受的觀點(diǎn)是，胺離子是在芳香胺的新陳代謝過程中產(chǎn)生的，并且這些中間體通過與關(guān)鍵的細(xì)胞成分(核酸和蛋白質(zhì)等)的親核殘基反應(yīng)而導(dǎo)致癌癥的發(fā)生。然而這種反應(yīng)所導(dǎo)致的真正后果是極端復(fù)雜的，也是很少為人所知的。因此，研究涉及芳香胺離子的反應(yīng)，對于理解芳香胺的致癌作

2、用，或者可能，對于抗癌藥物的研發(fā)都是非常有價(jià)值的。 本論文在合理構(gòu)建的理論模型基礎(chǔ)上，使用高水平的從頭計(jì)算(ab initio)、密度泛函理論(DFT)和ABEEM/MM-MD分子動力學(xué)模擬方法，研究了芳香胺離子參與的一系列致癌性生物分子反應(yīng)，為理解芳香胺離子的致癌機(jī)理提供了一些新的理論見解，其主要內(nèi)容如下： (1)對芳香胺離子與嘌呤核酸反應(yīng)中得到的最重要的C8加成物的生成機(jī)理提供了詳細(xì)可靠的理論見解。芳香胺是最大的一類

3、化學(xué)致癌劑，而C8加成物是由這種致癌劑導(dǎo)致的最重要的誘發(fā)癌癥的產(chǎn)物。在第三章中，我們使用從頭計(jì)算、密度泛函理論和ABEEM/MM-MD分子動力學(xué)模擬方法，以兩個(gè)模型反應(yīng)和一個(gè)實(shí)際的致癌性反應(yīng)為基礎(chǔ)，研究了C8加成物的生成機(jī)理。首次對這些重要的C8加成物的生成機(jī)理給出了詳細(xì)的理論見解，即，這些C8加成物的生成是芳香胺離子直接進(jìn)攻DNA中嘌呤核酸C8位置的結(jié)果。這個(gè)理論發(fā)現(xiàn)被大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所支持，如反應(yīng)的理論速率常數(shù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有很好的一致

4、性，除此之外，理論所評估的C8中間體的N1位置pKα值和NMR化學(xué)位移值也都與實(shí)驗(yàn)的測量數(shù)據(jù)一致。進(jìn)一步的，實(shí)驗(yàn)中所觀察到的黃苷與芳香胺離子反應(yīng)中生成等量的O6和C8加成物現(xiàn)象，以及腺苷與芳香胺離子反應(yīng)中沒有觀測到C8加成物的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象都根據(jù)我們的理論研究結(jié)果得到了合理的解釋。 (2)揭示了芳香胺離子與嘌呤核酸反應(yīng)中N7和C8加成物間的直接轉(zhuǎn)換機(jī)理。在實(shí)驗(yàn)建議的三個(gè)關(guān)于芳香胺離子與鳥苷和脫氧鳥苷反應(yīng)而生成C8加成物的機(jī)理中，最重要并且最關(guān)

5、鍵的區(qū)別是N7和C8加成物問的直接轉(zhuǎn)換能否發(fā)生。HKG和KNK實(shí)驗(yàn)方案都支持最終生成的C8加成物來自于一個(gè)初始形成的N7加成物的轉(zhuǎn)換，而MDL方案則支持C8加成物的直接生成機(jī)理。很明顯，為了得出一個(gè)關(guān)于C8加成物生成的一致性結(jié)論，首要的事是研究這個(gè)N7和C8加成物問的直接轉(zhuǎn)換過程。 在第四章中，以高水平的從頭計(jì)算的形式，我們研究了芳香胺離子與嘌呤核酸反應(yīng)中N7和C8加成物的直接轉(zhuǎn)換過程。這個(gè)研究第一次揭示了該直接轉(zhuǎn)換機(jī)理的存在，

6、并且首次在理論上證明了C8加成物在液相中要比N7加成物更穩(wěn)定。這些發(fā)現(xiàn)從側(cè)面證明了第三章中發(fā)現(xiàn)的C8加成物直接生成機(jī)理的正確性，即，在這些復(fù)雜的生物分子反應(yīng)中，C8加成物的生成是芳香胺離子直接進(jìn)攻DNA中嘌呤核酸C8位置的結(jié)果。這兩個(gè)重要的結(jié)論也合理的解釋了芳香胺離子與嘌呤核酸反應(yīng)中觀測到的豐富的C8加成物和稀少的N7加成物的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。 (3)使用從頭計(jì)算、密度泛函理論和ABEEM/MM-MD分子動力學(xué)模擬相結(jié)合的方法(QM-M

7、M)，研究了芳香胺離子與嘌呤核酸反應(yīng)中產(chǎn)生的中間體的C8去質(zhì)子化過程。我們已經(jīng)在第三和第四章中提供了芳香胺離子與DNA中的嘌呤核酸反應(yīng)而生成C8加成物的機(jī)理。但是該機(jī)理中還涉及一個(gè)中間體的C8去質(zhì)子化過程，闡明該過程也是十分必要的，有意義的，同時(shí)也是我們的興趣。因此，在第五章中，我們首先以ABEEM/MM-MD分子動力學(xué)模擬的形式展現(xiàn)了與C8去質(zhì)子過程相關(guān)的質(zhì)子線的結(jié)構(gòu)特征，然后在這些動力學(xué)模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了三個(gè)合理的理論模型，并

8、使用從頭計(jì)算和密度泛函方法研究了這個(gè)C8去質(zhì)子化過程。研究結(jié)果表明，這個(gè)C8去質(zhì)子化過程是一個(gè)速率極限的步驟，這一發(fā)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)觀測一致。此外，根據(jù)分子動力學(xué)對C8加成物生成過程的模擬，我們發(fā)現(xiàn)過渡態(tài)在液相中比在氣相中需要更高的激發(fā)能的現(xiàn)象是液相中過渡態(tài)的反應(yīng)中心與水的相互作用比反應(yīng)物的這些位置與水的相互作用更弱的結(jié)果所導(dǎo)致的。所有的這些發(fā)現(xiàn)也都間接的支持了芳香胺離子與DNA中的嘌呤核酸反應(yīng)中的C8加成物的直接生成機(jī)理。 (4)研究

9、了N7位置質(zhì)子化的嘌呤基對于芳香胺離子與這些嘌呤反應(yīng)中C8加成物直接生成機(jī)理的影響。為了闡明質(zhì)子化的嘌呤基對C8加成物直接生成機(jī)理的影響，在第六章中，我們研究了四個(gè)N7質(zhì)子化的嘌呤基同苯和4-聯(lián)苯胺離子間的反應(yīng)。首先是四個(gè)嘌呤基N7位置的pKα值被評估，所得到的結(jié)果很好的一致于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。接下來，我們發(fā)現(xiàn)在涉及N7質(zhì)子化和N7未質(zhì)子化的嘌呤基兩種致癌性反應(yīng)時(shí)，C8加成物的生成機(jī)理是基本相同的。第三，ABEEM/M-MD分子動力學(xué)模擬展現(xiàn)出

10、了N7質(zhì)子化的鳥嘌呤與苯胺離子反應(yīng)中所有反應(yīng)種類的溶解結(jié)構(gòu)特征，并且發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)致過渡態(tài)在氣相和液相中存在巨大的能量差的本質(zhì)原因。最后，我們模擬了在更復(fù)雜的反應(yīng)中，N7質(zhì)子化對C8加成物生成機(jī)理的影響。 根據(jù)以上的研究，我們得到了四個(gè)重要的結(jié)論，(Ⅰ)這個(gè)研究再一次的支持了芳香胺離子與DNA中嘌呤核酸反應(yīng)時(shí)C8加成物的直接生成機(jī)理。(Ⅱ)嘌呤基的N7質(zhì)子化將使這些致癌性反應(yīng)的速率常數(shù)大大的降低，這與實(shí)驗(yàn)的觀察是一致的，并且證實(shí)了實(shí)驗(yàn)

11、的假設(shè)。(Ⅲ)芳香胺離子的復(fù)雜性可能會使有N7質(zhì)子化的嘌呤基參與反應(yīng)的速率常數(shù)降低。(Ⅳ)當(dāng)N7質(zhì)子化的嘌呤基參與這種致癌性反應(yīng)時(shí)，中間體的C8去質(zhì)子化過程仍舊是一個(gè)速率極限的步驟，并且其速率常數(shù)要比N7未質(zhì)子化的嘌呤基參與反應(yīng)的速率常數(shù)大。 (5)模擬了芳香胺離子與腺苷反應(yīng)中得到的特殊的Imine N6加成物的生成機(jī)理。在第七章中，我們使用高水平的從頭計(jì)算和密度泛函理論方法研究了芳香胺離子與腺嘌呤反應(yīng)中的特殊的ImineN6加

12、成物的生成機(jī)理。所有使用的DFT計(jì)算方法都表明由腺嘌呤對4-聯(lián)苯胺離子鄰位(ortho)初始進(jìn)攻所導(dǎo)致的反應(yīng)路徑是Imine加成物生成的最可行路徑，而由腺嘌呤對4-聯(lián)苯胺離子對位初(para)始進(jìn)攻所導(dǎo)致的反應(yīng)路徑是一個(gè)競爭性反應(yīng)路徑。然而，高水平的MP2和QCISD從頭計(jì)算卻提供了與DFT計(jì)算相反的結(jié)論，即，由腺嘌呤對4-聯(lián)苯胺離子對位初(para)始進(jìn)攻所導(dǎo)致的反應(yīng)路徑是Imine加成物生成的最可行路徑。與實(shí)驗(yàn)所評估的數(shù)據(jù)相比，來自

13、于高水平的從頭計(jì)算的結(jié)論最終被支持。我們的這個(gè)研究也顯示，融入一個(gè)額外的水分子到所研究的反應(yīng)體系能夠大大的加速反應(yīng)路徑中涉及的一些氫遷移進(jìn)程。這個(gè)研究也對所研究反應(yīng)的最終產(chǎn)物給出了一個(gè)理論預(yù)言，即除了Imine加成物外，還應(yīng)該包含Azepine加成物，這個(gè)理論預(yù)言也與實(shí)驗(yàn)的推測是一致的。除此之外，該研究也對類似的致癌性反應(yīng)中，芳香胺離子進(jìn)攻嘌呤和嘧啶中的氨基基團(tuán)現(xiàn)象的解釋提供了一些靈感。 總之，芳香胺是最大的一類化學(xué)致癌劑，而C

14、8加成物是由這種致癌劑導(dǎo)致的最重要的誘發(fā)癌癥的產(chǎn)物。我們的研究為致癌劑研究領(lǐng)域的化學(xué)家和生物學(xué)家回答了一個(gè)重要問題，即，什么是C8加成物生成的機(jī)理?除此之外，這篇論文也對所研究的致癌性反應(yīng)中得到的少量加成物，如鳥苷N2加成物，黃苷O6加成物和腺苷N6 Imine等加成物的生成機(jī)理，提供了詳細(xì)可靠的理論見解。目前的理論探索為將來使用分子力場(MM)和量子力學(xué)與分子力學(xué)結(jié)合的方法(QM/MM)來研究真實(shí)的致癌性生物分子反應(yīng)和致癌加成物的結(jié)構(gòu)