生命相关体系辐射电子诱导的化学反应机理研究

摘要

现阶段，放射性疗法与化学疗法以及光动力疗法一起构成了三种最常用的癌症治疗方法。高能辐射导致的DNA损伤已被证实为导致癌细胞凋亡或死亡的主要原因。因此，机理性研究高能辐射如何损伤DNA将有助于更为高效的抗癌放射性疗法的开发。目前，业已开展了大量的实验以及理论研究工作并提出了若干可能的DNA损伤机理。但这些工作主要集中于常规的DNA组分或片段上，而忽视了真实细胞中DNA所处的生理环境。事实上，高能辐射（或者说低能电子结合）会导致DNA碱基与质子供体（比如氨基酸）间自发的无垒质子转移，生成相应的氢化碱基衍生物。因此，生理条件下高能辐射导致的DNA损伤机理仍有待进一步研究。此外，高能辐射对DNA的损伤效率会因厌氧环境而成倍数下降。因此，在癌症放射性治疗中引入辐射增敏剂是非常必要的。然而，已知的辐射增敏剂的放射性敏化机理迄今为止依然是未知的，在一定程度上阻碍了新型、更为高效的辐射增敏剂的设计与开发。除导致DNA损伤外，高能辐射在生命起源过程中亦扮演了关键角色。另外，乙腈水溶液高能辐解产物被认为与生物有机分子的形成密切相关，但由于其超快的反应动力学，这些关键中间体的存在与否仍需从理论上进一步证实。针对上述问题，我们开展了一系列工作，主要结论如下:
　　1)生理条件下低能电子结合会导致碱基T与氨基酸残基间自发的无垒质子转移生成O4-氢化胸腺嘧啶衍生物。密度泛函理论(DFT)研究发现O4-氢化胸腺嘧啶衍生物低能电子结合后核苷内质子转移可导致高效且可观的单链DNA非3'-末端T位点骨架断裂以及3'-末端T位点碱基释放。构建的两模型化合物，O4-氢化3'-脱氧胸苷一磷酸(3'-dT(O4H)MPH)以及O4-氢化5'-脱氧胸苷一磷酸(5'-dT(O4H)MPH)，均具有相当大的电子亲和能力且形成的相应负离子具有足够的电子稳定性来应对接下来的键断裂反应。[3'-dT(O4H)MPH]-分子内C2位点与C6原子间的H2a'质子转移伴随着C3'-O3'键断裂，而由于O3'-磷酸根的缺失，[5'-dT(O4H)MPH]-分子内H2a'质子转移后导致的则是N1-糖苷键断裂。相对最低的活化能需求表明O4-氢化胸腺嘧啶衍生物低能电子结合后核苷内质子转移是最为高效且可能的路径或机理，导致单链DNA碱基T位点骨架断裂以及碱基释放行为。当前的研究结果为生理条件下高能辐射导致的单链DNA碱基T位点的损伤行为提供了一定的理论依据。
　　2)由于很弱的电子亲和能力，碱基A位点在导致DNA损伤方面一直被认为是不重要的。但低能电子结合同样会导致碱基A与氨基酸残基间自发的无垒质子转移，并生成N7-氢化腺嘌呤衍生物。因此，本文利用DFT方法进一步研究了N7-氢化3'-脱氧腺苷一磷酸(3'-dA(N7H)MPH)以及N7-氢化5'-脱氧腺苷一磷酸(5'-dA(N7H)MPH)不存在以及存在低能电子结合时可能的键断裂反应。研究结果表明两模型化合物均难以通过分子内C2位点与C8原子间的H2a'原子转移导致各式DNA损伤。但是，N7-氢化腺嘌呤衍生物具有与氢化嘧啶类衍生物相类似的电子亲和能力。通过分子内H2a'质子转移，低能电子结合也会导致3'-dA(N7H)MPH C3'-O3'键以及5'-dA(N7H)MPH N9-糖苷键断裂，并且这些断键过程中的活化能需求与低能电子结合导致的氢化嘧啶类衍生物中的相应过程的活化能需求是差不多的。换句话说，先前被忽视的碱基A位点在导致单链DNA骨架断裂以及碱基释放方面处于与嘧啶类碱基位点同等重要的地位。当前的研究工作首次从理论上阐明了生理条件下碱基A位点在导致单链DNA损伤方面所扮演的关键角色。
　　3)实验上广泛研究的5-卤代脱氧尿苷(5XdU)的辐射敏化机理迄今为止依然是未知的。DFT研究发现5XdU的放射性敏化行为与其低能电子结合脱X-后形成的自由基的核苷间氢原子夺取密切相关。研究结果表明5'-TU·-3'序列中uracil-5-yl自由基核苷间C2'-Ha原子夺取后5'C3'-O3键均裂以及核苷间C3'-H原子夺取后5'P-O3键均裂均能导致单链DNA骨架断裂，其中以5'C3'-O3'键均裂路径为主。此外，uracil-5-yl自由基核苷间C2'-Ha原子夺取后5'N1-糖苷键均裂可导致5'临位碱基释放。另一方面，缺电子的5'-TU·-3'序列能够捕获能量＜4eV的低能电子，甚至是水合电子，生成5'-TU--3'负离子。5'-TU--3'序列虽可通过核苷间C2'-Ha质子夺取导致5'C3'-O3键断裂，但该路径在导致单链DNA骨架断裂方面仅是次要的。上述理论预测与实验观测结果是一致的。当前的研究结果表明5BrdU相比于其异构体6BrdU具有更强的放射性增敏能力，而不是先前理论研究所认为的更弱。本部分工作首次从理论上阐明了5XdU在导致单链DNA损伤方面可能的辐射敏化机理，为后续更为高效的放射性增敏剂的开发提供了一定的理论支撑。
　　4)8-溴代脱氧腺苷(8BrdA)也被认为是一种潜在的放射性增敏剂。虽然先前的理论研究发现adenine-8-yl自由基可通过核苷内氢原子夺取均裂邻近的P-O键，但预测的断键产物在后续的实验工作中并未观测到。因此，8BrdA的辐射敏化机理到目前为止依然是不明确的。在5XdU部分相关结果的启发下，本文利用DFT方法进一步研究了DNA序列5'-TA·-3'不存在以及存在低能电子结合时可能的键断裂反应。研究发现5'-TA·-3'序列中adenine-8-yl自由基核苷间C2'-Ha原子夺取后5' C3'-O3键或N1-糖苷键均裂以及核苷间C3'-H原子夺取后5'P-O3键均裂可导致单链DNA骨架断裂或碱基释放。此外，5'-TA·-3'序列也能够捕获水合电子且生成的5'-TA--3'负离子可通过核苷间C2'-H。质子夺取断裂5' C3'-O3'键，但该路径在导致DNA骨架破碎方面仅是次要的。上述adenine-8-yl自由基核苷间氢夺取所需活化自由能要低于其核苷内C3位点氢夺取所需活化自由能且当前的理论预测能够在一定程度上解释实验观测结果。综合5'-TU·-3'序列以及5'-TA·-3'序列相关研究结果可得出如下初步结论:当不同的卤代脱氧核苷被修饰进单链DNA后，其辐射敏化行为最有可能通过一个共同的（其低能电子结合脱卤负离子后形成的自由基的）核苷间氢夺取路径导致单链DNA骨架断裂以及碱基释放。当前的研究工作进一步加深了我们对卤代脱氧核苷辐射敏化机理的了解。
　　5)考虑到乙腈水溶液高能辐解产物在生命起源过程中所扮演的关键角色，本文利用从头算分子动力学模拟在微观水平下探讨了水簇中CH3CN-的形成过程及其后续可能的质子化路径与产物。研究结果表明∠CCN弯曲振动与周围水环境的稳定化效应间的协同作用最终导致垂直添加的过剩电子定域到乙腈分子上形成CH3CN-。初生的CH3CN-处于CN瞬态，但溶剂热力学涨落会将其转变为准C2或准N共振态。不同的准共振态对周围水分子具有不同的极化效应，从而控制了不同的质子化路径与产物。亚稳定的CH3CN-N位点质子化产物trans-CH3CNH自由基最有可能通过水介导氢原子转移路径转化为稳定的C2位点质子化产物CH3CHN自由基。当前的动力学模拟研究从理论上证实了CH3CN-以及CH3CNH自由基的存在，从而为生命起源过程的机理推测提供了一定的理论依据。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究现状

1．1．1 辐射电子导致的DNA损伤形式以及可能的损伤机理研究

1．1．2 卤代脱氯核苷可能的放射性敛化机理研究

1．1．3 乙脯及其水溶液与辐射电子间的相互作用

1．2 计算方法概述

1．3 本文开展的主要工作

参考文献

第二章 碱基T位点电子结合导致DNA损伤的机理性研究

2．1 引言

2．2 计算方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 3’-dT(O4H)MPH自旋密度分布以及电子亲和能力分析

2．3．2 低能电子结合导致的3’-dT(O4H)MPH C3’-O3’键断裂

2．3．3 5’-dT(O4H)MPH自旋密度分布以及电子亲和能力分析

2．3．4 低能电子结合导致的5’-dT(O4H)MPH N1-C1’键断裂

2．4 小结

辅助材料

参考文献

第三章 碱基A位点电子结合导致DNA损伤的机理性研究

3．1 引言

3．2 计算方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 3’-dA(N7H)MPH自由基分子内氢原子转移行为

3．3．2 低能电子结合导致的3’-dA(N7H)MPH C3’-O3’键断裂

3．3．3 5’-dA(N7H)MPH自由基分子内氢原子转移行为

3．3．4 低能电子结合导致的5’-dA(N7H)MPH N9-C1’键断裂

3．4 小结

辅助材料

参考文献

第四章 5-卤代脱氧尿苷对DNA损伤的辐射敏化机理研究

4．1 引言

4．2 计算方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 5’临位脱氯糖环C2’-Ha原子夺取反应

4．3．2 核苷间C2’-Ha原子夺取后可能的键断裂反应

4．3．3 5’临位脱氧糖环C3’-H原子夺取反应

4．3．4 核苷间C3’-H原子夺取后可能的键断裂反应

4．3．5 可能的低能电子结合导致的键断裂反应

4．4 小结

辅助材料

参考文献

第五章 8-溴代脱氧腺苷对DNA损伤的辐射敏化机理研究

5．1 引言

5．2 计算方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 5’临位脱氧糖环C2’-Ha原子夺取反应

5．3．2 核苷间C2’-Ha原子夺取后可能的键断裂反应

5．3．3 5’临位脱氯糖环C3’-H原子夺取反应

5．3．4 核苷间C3’-H原子夺取后可能的键断裂反应

5．3．5 可能的低能电子结合导致的键断裂反应

5．4 小结

参考文献

第六章 动力学模拟研究乙腈水溶液高能辐解产物的形成机理

6．1 引言

6．2 模拟方法

6．3 结果与讨论

6．3．1 过剩电子在乙腈-水二元团簇中的溶剂化动力学行为

6．3．2 乙腈负离子在氰基碳以及氮位点的质子化行为

6．3．3 不同质子化产物间可能的相互转化

6．4 小结

辅助材料

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的论文

外文论文