從頭計算、密度泛函理論和ABEEM-MM-MD分子動力學模擬研究芳香胺離子的致癌機理.pdf

1、在過去的三十年里，我們已經(jīng)看到胺離子化學已經(jīng)成為一個十分活躍的科研領域。而對該領域的研究興趣主要源于胺離子在最大的一類化學致癌劑-芳香胺和酰胺致癌進程中所發(fā)揮的重要中間體作用。通常為人們接受的觀點是，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鍵的細胞成分(核酸和蛋白質(zhì)等)的親核殘基反應而導致癌癥的發(fā)生。然而這種反應所導致的真正后果是極端復雜的，也是很少為人所知的。因此，研究涉及芳香胺離子的反應，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)都是非常有價值的。 本論文在合理構(gòu)建的理論模型基礎上，使用高水平的從頭計算(ab initio)、密度泛函理論(DFT)和ABEEM/MM-MD分子動力學模擬方法，研究了芳香胺離子參與的一系列致癌性生物分子反應，為理解芳香胺離子的致癌機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中得到的最重要的C8加成物的生成機理提供了詳細可靠的理論見解。芳香胺是最大的一類

3、化學致癌劑，而C8加成物是由這種致癌劑導致的最重要的誘發(fā)癌癥的產(chǎn)物。在第三章中，我們使用從頭計算、密度泛函理論和ABEEM/MM-MD分子動力學模擬方法，以兩個模型反應和一個實際的致癌性反應為基礎，研究了C8加成物的生成機理。首次對這些重要的C8加成物的生成機理給出了詳細的理論見解，即，這些C8加成物的生成是芳香胺離子直接進攻DNA中嘌呤核酸C8位置的結(jié)果。這個理論發(fā)現(xiàn)被大量的實驗數(shù)據(jù)所支持，如反應的理論速率常數(shù)與實驗結(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化學位移值也都與實驗的測量數(shù)據(jù)一致。進一步的，實驗中所觀察到的黃苷與芳香胺離子反應中生成等量的O6和C8加成物現(xiàn)象，以及腺苷與芳香胺離子反應中沒有觀測到C8加成物的實驗現(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中N7和C8加成物間的直接轉(zhuǎn)換機理。在實驗建議的三個關于芳香胺離子與鳥苷和脫氧鳥苷反應而生成C8加成物的機理中，最重要并且最關

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實驗方案都支持最終生成的C8加成物來自于一個初始形成的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理。很明顯，為了得出一個關于C8加成物生成的一致性結(jié)論，首要的事是研究這個N7和C8加成物問的直接轉(zhuǎn)換過程。 在第四章中，以高水平的從頭計算的形式，我們研究了芳香胺離子與嘌呤核酸反應中N7和C8加成物的直接轉(zhuǎn)換過程。這個研究第一次揭示了該直接轉(zhuǎn)換機理的存在，

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加成物直接生成機理的正確性，即，在這些復雜的生物分子反應中，C8加成物的生成是芳香胺離子直接進攻DNA中嘌呤核酸C8位置的結(jié)果。這兩個重要的結(jié)論也合理的解釋了芳香胺離子與嘌呤核酸反應中觀測到的豐富的C8加成物和稀少的N7加成物的實驗現(xiàn)象。 (3)使用從頭計算、密度泛函理論和ABEEM/MM-MD分子動力學模擬相結(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中的嘌呤核酸反應而生成C8加成物的機理。但是該機理中還涉及一個中間體的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分子動力學模擬的形式展現(xiàn)了與C8去質(zhì)子過程相關的質(zhì)子線的結(jié)構(gòu)特征，然后在這些動力學模擬結(jié)果的基礎上，構(gòu)建了三個合理的理論模型，并

8、使用從頭計算和密度泛函方法研究了這個C8去質(zhì)子化過程。研究結(jié)果表明，這個C8去質(zhì)子化過程是一個速率極限的步驟，這一發(fā)現(xiàn)與實驗觀測一致。此外，根據(jù)分子動力學對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)的反應中心與水的相互作用比反應物的這些位置與水的相互作用更弱的結(jié)果所導致的。所有的這些發(fā)現(xiàn)也都間接的支持了芳香胺離子與DNA中的嘌呤核酸反應中的C8加成物的直接生成機理。 (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中C8加成物直接生成機理的影響。為了闡明質(zhì)子化的嘌呤基對C8加成物直接生成機理的影響，在第六章中，我們研究了四個N7質(zhì)子化的嘌呤基同苯和4-聯(lián)苯胺離子間的反應。首先是四個嘌呤基N7位置的pKα值被評估，所得到的結(jié)果很好的一致于實驗數(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時，C8加成物的生成機理是基本相同的。第三，ABEEM/M-MD分子動力學模擬展現(xiàn)出

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

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

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

13、于高水平的從頭計算的結(jié)論最終被支持。我們的這個研究也顯示，融入一個額外的水分子到所研究的反應體系能夠大大的加速反應路徑中涉及的一些氫遷移進程。這個研究也對所研究反應的最終產(chǎn)物給出了一個理論預言，即除了Imine加成物外，還應該包含Azepine加成物，這個理論預言也與實驗的推測是一致的。除此之外，該研究也對類似的致癌性反應中，芳香胺離子進攻嘌呤和嘧啶中的氨基基團現(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致癌劑，而C

14、8加成物是由這種致癌劑導致的最重要的誘發(fā)癌癥的產(chǎn)物。我們的研究為致癌劑研究領域的化學家和生物學家回答了一個重要問題，即，什么是C8加成物生成的機理?除此之外，這篇論文也對所研究的致癌性反應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等加成物的生成機理，提供了詳細可靠的理論見解。目前的理論探索為將來使用分子力場(MM)和量子力學與分子力學結(jié)合的方法(QM/MM)來研究真實的致癌性生物分子反應和致癌加成物的結(jié)構(gòu)