生命相關(guān)體系輻射電子誘導(dǎo)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理研究.pdf

1、現(xiàn)階段，放射性療法與化學(xué)療法以及光動(dòng)力療法一起構(gòu)成了三種最常用的癌癥治療方法。高能輻射導(dǎo)致的DNA損傷已被證實(shí)為導(dǎo)致癌細(xì)胞凋亡或死亡的主要原因。因此，機(jī)理性研究高能輻射如何損傷DNA將有助于更為高效的抗癌放射性療法的開發(fā)。目前，業(yè)已開展了大量的實(shí)驗(yàn)以及理論研究工作并提出了若干可能的DNA損傷機(jī)理。但這些工作主要集中于常規(guī)的DNA組分或片段上，而忽視了真實(shí)細(xì)胞中DNA所處的生理環(huán)境。事實(shí)上，高能輻射（或者說低能電子結(jié)合）會(huì)導(dǎo)致DNA堿基與

2、質(zhì)子供體（比如氨基酸）間自發(fā)的無(wú)壘質(zhì)子轉(zhuǎn)移，生成相應(yīng)的氫化堿基衍生物。因此，生理?xiàng)l件下高能輻射導(dǎo)致的DNA損傷機(jī)理仍有待進(jìn)一步研究。此外，高能輻射對(duì)DNA的損傷效率會(huì)因厭氧環(huán)境而成倍數(shù)下降。因此，在癌癥放射性治療中引入輻射增敏劑是非常必要的。然而，已知的輻射增敏劑的放射性敏化機(jī)理迄今為止依然是未知的，在一定程度上阻礙了新型、更為高效的輻射增敏劑的設(shè)計(jì)與開發(fā)。除導(dǎo)致DNA損傷外，高能輻射在生命起源過程中亦扮演了關(guān)鍵角色。另外，乙腈水溶液高

3、能輻解產(chǎn)物被認(rèn)為與生物有機(jī)分子的形成密切相關(guān)，但由于其超快的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，這些關(guān)鍵中間體的存在與否仍需從理論上進(jìn)一步證實(shí)。針對(duì)上述問題，我們開展了一系列工作，主要結(jié)論如下:
　　1)生理?xiàng)l件下低能電子結(jié)合會(huì)導(dǎo)致堿基T與氨基酸殘基間自發(fā)的無(wú)壘質(zhì)子轉(zhuǎn)移生成O4-氫化胸腺嘧啶衍生物。密度泛函理論(DFT)研究發(fā)現(xiàn)O4-氫化胸腺嘧啶衍生物低能電子結(jié)合后核苷內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)移可導(dǎo)致高效且可觀的單鏈DNA非3'-末端T位點(diǎn)骨架斷裂以及3'-末端T位點(diǎn)堿

4、基釋放。構(gòu)建的兩模型化合物，O4-氫化3'-脫氧胸苷一磷酸(3'-dT(O4H)MPH)以及O4-氫化5'-脫氧胸苷一磷酸(5'-dT(O4H)MPH)，均具有相當(dāng)大的電子親和能力且形成的相應(yīng)負(fù)離子具有足夠的電子穩(wěn)定性來應(yīng)對(duì)接下來的鍵斷裂反應(yīng)。[3'-dT(O4H)MPH]-分子內(nèi)C2位點(diǎn)與C6原子間的H2a'質(zhì)子轉(zhuǎn)移伴隨著C3'-O3'鍵斷裂，而由于O3'-磷酸根的缺失，[5'-dT(O4H)MPH]-分子內(nèi)H2a'質(zhì)子轉(zhuǎn)移后導(dǎo)致的則

5、是N1-糖苷鍵斷裂。相對(duì)最低的活化能需求表明O4-氫化胸腺嘧啶衍生物低能電子結(jié)合后核苷內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)移是最為高效且可能的路徑或機(jī)理，導(dǎo)致單鏈DNA堿基T位點(diǎn)骨架斷裂以及堿基釋放行為。當(dāng)前的研究結(jié)果為生理?xiàng)l件下高能輻射導(dǎo)致的單鏈DNA堿基T位點(diǎn)的損傷行為提供了一定的理論依據(jù)。
　　2)由于很弱的電子親和能力，堿基A位點(diǎn)在導(dǎo)致DNA損傷方面一直被認(rèn)為是不重要的。但低能電子結(jié)合同樣會(huì)導(dǎo)致堿基A與氨基酸殘基間自發(fā)的無(wú)壘質(zhì)子轉(zhuǎn)移，并生成N7-氫化

6、腺嘌呤衍生物。因此，本文利用DFT方法進(jìn)一步研究了N7-氫化3'-脫氧腺苷一磷酸(3'-dA(N7H)MPH)以及N7-氫化5'-脫氧腺苷一磷酸(5'-dA(N7H)MPH)不存在以及存在低能電子結(jié)合時(shí)可能的鍵斷裂反應(yīng)。研究結(jié)果表明兩模型化合物均難以通過分子內(nèi)C2位點(diǎn)與C8原子間的H2a'原子轉(zhuǎn)移導(dǎo)致各式DNA損傷。但是，N7-氫化腺嘌呤衍生物具有與氫化嘧啶類衍生物相類似的電子親和能力。通過分子內(nèi)H2a'質(zhì)子轉(zhuǎn)移，低能電子結(jié)合也會(huì)導(dǎo)致3

7、'-dA(N7H)MPH C3'-O3'鍵以及5'-dA(N7H)MPH N9-糖苷鍵斷裂，并且這些斷鍵過程中的活化能需求與低能電子結(jié)合導(dǎo)致的氫化嘧啶類衍生物中的相應(yīng)過程的活化能需求是差不多的。換句話說，先前被忽視的堿基A位點(diǎn)在導(dǎo)致單鏈DNA骨架斷裂以及堿基釋放方面處于與嘧啶類堿基位點(diǎn)同等重要的地位。當(dāng)前的研究工作首次從理論上闡明了生理?xiàng)l件下堿基A位點(diǎn)在導(dǎo)致單鏈DNA損傷方面所扮演的關(guān)鍵角色。
　　3)實(shí)驗(yàn)上廣泛研究的5-鹵代脫氧

8、尿苷(5XdU)的輻射敏化機(jī)理迄今為止依然是未知的。DFT研究發(fā)現(xiàn)5XdU的放射性敏化行為與其低能電子結(jié)合脫X-后形成的自由基的核苷間氫原子奪取密切相關(guān)。研究結(jié)果表明5'-TU·-3'序列中uracil-5-yl自由基核苷間C2'-Ha原子奪取后5'C3'-O3鍵均裂以及核苷間C3'-H原子奪取后5'P-O3鍵均裂均能導(dǎo)致單鏈DNA骨架斷裂，其中以5'C3'-O3'鍵均裂路徑為主。此外，uracil-5-yl自由基核苷間C2'-Ha原子

9、奪取后5'N1-糖苷鍵均裂可導(dǎo)致5'臨位堿基釋放。另一方面，缺電子的5'-TU·-3'序列能夠捕獲能量＜4eV的低能電子，甚至是水合電子，生成5'-TU--3'負(fù)離子。5'-TU--3'序列雖可通過核苷間C2'-Ha質(zhì)子奪取導(dǎo)致5'C3'-O3鍵斷裂，但該路徑在導(dǎo)致單鏈DNA骨架斷裂方面僅是次要的。上述理論預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果是一致的。當(dāng)前的研究結(jié)果表明5BrdU相比于其異構(gòu)體6BrdU具有更強(qiáng)的放射性增敏能力，而不是先前理論研究所認(rèn)為的

10、更弱。本部分工作首次從理論上闡明了5XdU在導(dǎo)致單鏈DNA損傷方面可能的輻射敏化機(jī)理，為后續(xù)更為高效的放射性增敏劑的開發(fā)提供了一定的理論支撐。
　　4)8-溴代脫氧腺苷(8BrdA)也被認(rèn)為是一種潛在的放射性增敏劑。雖然先前的理論研究發(fā)現(xiàn)adenine-8-yl自由基可通過核苷內(nèi)氫原子奪取均裂鄰近的P-O鍵，但預(yù)測(cè)的斷鍵產(chǎn)物在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)工作中并未觀測(cè)到。因此，8BrdA的輻射敏化機(jī)理到目前為止依然是不明確的。在5XdU部分相關(guān)結(jié)果

11、的啟發(fā)下，本文利用DFT方法進(jìn)一步研究了DNA序列5'-TA·-3'不存在以及存在低能電子結(jié)合時(shí)可能的鍵斷裂反應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)5'-TA·-3'序列中adenine-8-yl自由基核苷間C2'-Ha原子奪取后5' C3'-O3鍵或N1-糖苷鍵均裂以及核苷間C3'-H原子奪取后5'P-O3鍵均裂可導(dǎo)致單鏈DNA骨架斷裂或堿基釋放。此外，5'-TA·-3'序列也能夠捕獲水合電子且生成的5'-TA--3'負(fù)離子可通過核苷間C2'-H。質(zhì)子奪取斷裂

12、5' C3'-O3'鍵，但該路徑在導(dǎo)致DNA骨架破碎方面僅是次要的。上述adenine-8-yl自由基核苷間氫奪取所需活化自由能要低于其核苷內(nèi)C3位點(diǎn)氫奪取所需活化自由能且當(dāng)前的理論預(yù)測(cè)能夠在一定程度上解釋實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果。綜合5'-TU·-3'序列以及5'-TA·-3'序列相關(guān)研究結(jié)果可得出如下初步結(jié)論:當(dāng)不同的鹵代脫氧核苷被修飾進(jìn)單鏈DNA后，其輻射敏化行為最有可能通過一個(gè)共同的（其低能電子結(jié)合脫鹵負(fù)離子后形成的自由基的）核苷間氫奪取路

13、徑導(dǎo)致單鏈DNA骨架斷裂以及堿基釋放。當(dāng)前的研究工作進(jìn)一步加深了我們對(duì)鹵代脫氧核苷輻射敏化機(jī)理的了解。
　　5)考慮到乙腈水溶液高能輻解產(chǎn)物在生命起源過程中所扮演的關(guān)鍵角色，本文利用從頭算分子動(dòng)力學(xué)模擬在微觀水平下探討了水簇中CH3CN-的形成過程及其后續(xù)可能的質(zhì)子化路徑與產(chǎn)物。研究結(jié)果表明∠CCN彎曲振動(dòng)與周圍水環(huán)境的穩(wěn)定化效應(yīng)間的協(xié)同作用最終導(dǎo)致垂直添加的過剩電子定域到乙腈分子上形成CH3CN-。初生的CH3CN-處于CN瞬態(tài)