核酸碱基的非谐性振动: III, DNA 叠加二聚体的一维和二维红外光谱

doi:10.6023/A1105251

摘要/Abstract

用量子化学计算方法研究了DNA 碱基单体及其15个B 型和2 个G-四链体的叠加二聚体的非谐性振动光谱特征. 研究发现, 从碱基单体到二聚体, C＝O 伸缩模式之间的相互作用很强, 表现在其非谐性振动频率和非谐性常数都发生了明显的改变, 特别是在含碱基G 的叠加体中. 这些变化能在一维和二维红外光谱中很好地表现出来. 利用振动模式的势能分布和非谐性常数的组成分析, 讨论了叠加二聚体中C＝O 模式的离域化程度.

关键词: 量子化学计算, B 型DNA 叠加二聚体, G-四链体叠加二聚体, 非谐性频率, 非谐性常数

In this work, DNA base monomers, 15 B-form stacking dimers and two G-quadruplex stacking dimers were studied by quantum chemical computations. Detailed anharmonic vibrational analysis was carried out to reveal vibrational signatures for structural aspect of the base monomers and dimers. It was found that from isolated base monomers to stacking dimers, particularly those containing guanine, the interaction between the C＝O stretching is very strong, as depicted by the significant changes of their vibrational frequencies and anharmonicities. Such changes can be manifested well in simulated 1D IR and 2D IR spectra. Delocalization degree of the C＝O vibrational modes in stacking dimers, represented by the potential energy distribution and the contribution to the diagonal anharmonicity composition from the vibrators, was found to have significant variations in comparison with isolated bases, which resulted from the influences of the C＝O stretching and the nearby vibrations of stacking bases.

Key words: quantum chemical computation, B-form DNA stacking dimers, G-quadruplex stacking dimers, anharmonic vibration, anharmonicity

引用此文

王桂秀, 王建平. 核酸碱基的非谐性振动: III, DNA 叠加二聚体的一维和二维红外光谱[J]. 化学学报, 2012, 0(04): 411-422.

Wang Guixiu, Wang Jianping. Anharmonic Vibrations of Nucleobases: III, Structural Basis of Oneand Two-Dimensional Infrared Spectra for DNA Stacking Dimers[J]. Acta Chimica Sinica, 2012, 0(04): 411-422.

导出引用 EndNote|Reference Manager|ProCite|BibTeX|RefWorks

分享此文

参考文献

1 Nowak, M. J.; Lapinski, L.; Kwiatkowski, J. S.; Leszczynski, J. J. Phys. Chem. 1996, 10, 3527.

2 Szczepaniak, K.; Szczesniak, M. M.; Person, W. B. J. Phys. Chem. A 2000, 104, 3852.

3 Szczesniak, M.; Szczepaniak, K.; Kwiatkowski, J. S.; KuBulat, K.; Person, W. B. J. Am. Chem. Soc. 1988, 110, 8319.

4 Szczesniak, M.; Nowak, M. J.; Rostkowska, H.; Szczepaniak, K.; Person, W. B.; Shugar, D. J. Am. Chem. Soc. 1983, 105, 5969.

5 Szczepaniak, K.; Szczesniak, M.; Person, W. B. Chem. Phys. Lett. 1988, 153, 39.

6 Sheina, G. G.; Stepanian, S. G.; Radchenko, E. D.; Blagoi, Y. P. J. Mol. Struct. 1987, 158, 275.

7 Szczepaniak, K.; Szczesniak, M. J. Mol. Struct. 1987, 156, 29.

8 Schoone, K.; Maes, G.; Adamowicz, L. J. Mol. Struct. 1999, 480-481, 505.

9 Nir, E.; Janzen, C.; Imhof, P.; Kleinermanns, K.; de Vries, M. S. J. Chem. Phys. 2001, 115, 4604.

10 .Mons, M.; Dimicoli, I.; Piuzzi, F.; Tardivel, B.; Elhanine, M. J. Phys. Chem. A 2002, 106, 5088.

11 Seefeld, K.; Brause, R.; H?ber, T.; Kleinermanns, K. J. Phys. Chem. A 2007, 111, 6217.

12 Kyogoku, Y.; Lord, R. C.; Rich, A. J. Am. Chem. Soc. 1967, 89, 496.

13 Rozenberg, M.; Jung, C.; Shoham, G. Spectrochim. Acta A 2005, 61, 733.

14 Adam, S.; Liquier, J.; Taboury, J. A.; Taillandier, E. Biochemistry 1986, 25, 3220.

15 Plützer, C.; Hünig, I.; Kleinermanns, K.; Nir, E.; de Vries, M. S. ChemPhysChem 2003, 4, 838.

16 Nir, E.; Plützer, C.; Kleinermanns, K.; de Vries, M. S. Eur. Phys. J. 2002, 20, 317.

17 Fritzsche, H. J. Mol. Struct. 1991, 242, 245.

18 Ouali, M.; Gousset, H.; Geinguenaud, F.; Liquier, J.; Gabarro-Arpa, J.; Bret, M. L.; Taillandier, E. Nucleic Acids Res. 1997, 25, 4816.

19 Liquier, J.; Taillandier, E. Infrared Spectroscopy of Biomolecules, Eds.; Mantsch, H. H.; Chapman, D., John Wiley & Sons Inc., New York, 1996, pp. 131～158.

20 Maevsky, A. A.; Sukhorukov, B. I. Nucleic Acids Res. 1980, 8, 3029.

21 Zanni, M. T.; Asplund, M. C.; Hochstrasser, R. M. J. Chem. Phys. 2001, 114, 4579.

22 Hamm, P.; Lim, M.; Hochstrasser, R. M. J. Phys. Chem. B 1998, 102, 6123.

23 Asplund, M. C.; Zanni, M. T.; Hochstrasser, R. M. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2000, 97, 8219.

24 Wang, J. Chin. Sci. Bull. 2006, 52, 1221.

25 Scheurer, C.; Piryatinski, A.; Mukamel, S. J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 3114.

26 Golonzka, O.; Khalil, M.; Demird?ven, N.; Tokmakoff, A. Phys. Rev. Lett. 2001, 86, 2154.

27 Zanni, M. T.; Gnanakaran, S.; Stenger, J.; Hochstrasser, R. M. J. Phys. Chem. B 2001, 105, 6520.

28 Massari, A. M.; Finkelstein, I. J.; McClain, B. L.; Goj, A.; Wen, X.; Bren, K. L.; Loring, R. F.; Fayer, M. D. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 14279.

29 Asbury, J. B.; Steinel, T.; Stromberg, C.; Gaffney, K. J.; Piletic, I. R.; Fayer, M. D. J. Chem. Phys. 2003, 119, 12981.

30 Gnanakaran, S.; Hochstrasser, R. M. J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 12886.

31 Kim, Y. S.; Wang, J.; Hochstrasser, R. M. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 7511.

32 Moran, A.; Mukamel, S. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2004, 101, 506.

33 Vorobyev, D. Y.; Kuo, C.-H.; Kuroda, D. G.; Scott, J. N.; Vanderkooi, J. M.; Hochstrasser, R. M. J. Phys. Chem. B 2010, 114, 2944.

34 Krummel, A. T.; Mukherjee, P.; Zanni, M. T. J. Phys. Chem. B 2003, 107, 9165.

35 Krummel, A. T.; Zanni, M. T. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 13991.

36 Wang, J.; Cai, K.; Ma, X. ChemPhysChem 2009, 10, 2242.

37 Barone, V. J. Chem. Phys. 2005, 122, 014108.

38 Barone, V.; Festa, G.; Grandi, A.; Rega, N.; Sanna, N. Chem. Phys. Lett. 2004, 388, 279.

39 Biczysko, M.; Panek, P.; Barone, V. Chem. Phys. Lett. 2009, 475, 105.

40 Wang, G.; Ma, X.; Wang, J. Chin. J. Chem. Phys. 2009, 22, 563.

41 Wang, G.; Zhao, J.; Wang, J. Sci. Chin. Ser. B 2011, 54, 1590.

42 Watson, J. D.; Crick, F. H. C. Nature 1953, 171, 737.

43 Suzuki, M.; Amano, N.; Kakinuma, J.; Tateno, M. J. Mol. Biol. 1997, 274, 421.

44 Bommarito, S.; Peyret, N.; Jr, J. S. Nucleic Acids Res. 2000, 28, 1929.

45 Desfran?ois, C.; Carles, S.; Schermann, J. P. Chem. Rev. 2000, 100, 3943.

46 Mao, L.; Wang, Y.; Liu, Y.; Hu, X. J. Mol. Biol. 2004, 336, 787.

47 Matta, C. F.; Castillo, N.; Boyd, R. J. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 563.

48 Hobza, J.; Sponer, J. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 11802.

49 ?poner, J.; Leszczyński, J.; Hobza, P. J. Phys. Chem. 1996, 100, 5590.

50 ?poner, J.; Leszczynski, J.; Hobza, P. Biopolymers 2002, 61, 3.

51 Hobza, J.; Sponer, J. Chem. Rev. 1999, 99, 3247.

52 Lee, C.; Park, K.-H.; Kim, J.-A.; Hahn, S.; Cho, M. J. Chem. Phys. 2006, 125, 114510.

53 Lee, C.; Park, K.-H.; Cho, M. J. Chem. Phys. 2006, 125, 114508.

54 Lee, C.; Cho, M. J. Chem. Phys. 2006, 125, 114509.

55 McCarthy, W.; Plokhotnichenko, A. M.; Radchenko, E. D.; Smets, J.; Smith, D. M. A.; Stepanian, S. G.; Adamowicz, L. J. Phys. Chem. A 1997, 101, 7208.

56 Reha, D.; Kabelá?, M.; Ryjá?ek, F.; Sponer, J.; Sponer, J. E.; Elstner, M.; Suhai, S.; Hobza, P. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 3366.

57 Czyznikowska, Z.; Zalesny, R.; Ziólkowski, M.; Gora, R. W.; Cysewski, P. Chem. Phys. Lett. 2007, 450, 132.

58 Wang, J. J. Phys. Chem. B 2008, 112, 4790.

59 Tsuzuki, S.; Honda, K.; Azumi, R. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 1220.

60 Fang, C.; Wang, J.; Kim, Y. S.; Charnley, A. K.; Barber-Armstrong, W.; Smith, A. B.; Decatur, S. M.; Hochstrasser, R. M. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 10415.

61 Frisch, M. J.; Trucks, G. W.; Schlegel, H. B.; Scuseria, G. E.; Robb, M. A.; Cheeseman, J. R.; Montgomery, J. A., Jr.; Vreven, T.; Kudin, K. N.; Burant, J. C.; Millam, J. M.; Iyengar, S. S.; Tomasi, J.; Barone, V.; Mennucci, B.; Cossi, M.; Scalmani, G.; Rega, N.; Petersson, G. A.; Nakatsuji, H.; Hada, M.; Ehara, M.; Toyota, K.; Fukuda, R.; Hasegawa, J.; Ishida, M.; Nakajima, T.; Honda, Y.; Kitao, O.; Nakai, H.; Klene, M.; Li, X.; Knox, J. E.; Hratchian, H. P.; Cross, J. B.; Bakken, V.; Adamo, C.; Jaramillo, J.; Gomperts, R.; Stratmann, R. E.; Yazyev, O.; Austin, A. J.; Cammi, R.; Pomelli, C.; Ochterski, J. W.; Ayala, P. Y.; Morokuma, K.; Voth, G. A.; Salvador, P.; Dannenberg, J. J.; Zakrzewski, V. G.; Dapprich, S.; Daniels, A. D.; Strain, M. C.; Farkas, O.; Malick, D. K.; Rabuck, A., D.; Raghavachari, K.; Foresman, J. B.; Ortiz, J. V.; Cui, Q.; Baboul, A., G.; Clifford, S.; Cioslowski, J.; Stefanov, B. B.; Liu, G.; Liashenko, A.; Piskorz, P.; Komaromi, I.; Martin, R. L.; Fox, D. J.; Keith, T.; Al-Laham, M. A.; Peng, C. Y.; Nanayakkara, A.; Challacombe, M.; Gill, P. M. W.; Johnson, B.; Chen, W.; Wong, M. W.; Gonzalez, C.; Pople, J. A. Gaussian 03, revision B. 05, Gaussian, Inc., Pittsburgh, PA, 2003.

62 Keniry, M. A.; Strahan, G. D.; Owen, E. A.; Shafer, R. Eur. J. Biochem. 1995, 233, 631.

63 Rutledge, L. R.; Durst, H. F.; Wetmore, S. D. Phys. Chem. Chem. Phys. 2008, 10, 2801.

64 Rutledge, L. R.; Campbell-Verduyn, L. S.; Wetmore, S. D. Chem. Phys. Lett. 2007, 444, 167.

65 Helios, K.; Wysokiński, R.; Zierkiewicz, W.; Proniewicz, L. M.; Michalska, D. J. Phys. Chem. B 2009, 113, 8158.

66 Wang, J.; Hochstrasser, R. M. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 3798.

[1]	李宁, 徐丽娜, 方国勇, 马英晋. 结合容错编码的量子化学分布式计算[J]. 化学学报, 2024, 82(2): 138-145.
[2]	黄荣谊, 沈琼, 张超, 张少勇, 徐衡. 过渡金属催化有机腈和叠氮酸钠反应机理的研究[J]. 化学学报, 2020, 78(6): 565-571.
[3]	李午阳, 徐乐瑾. 废水中有机污染物降解机理的研究方法[J]. 化学学报, 2019, 77(8): 705-716.
[4]	孙晓红, 李军锋, 刘源发, 马海霞. 嘧霉胺合成、晶体结构及量子化学计算[J]. 化学学报, 2011, 69(16): 1909-1914.
[5]	赵飞耀, 刘翠, 宫利东, 杨忠志. NH₄⁺( (H₂O)_n(n＝1～9)的量子化学和ABEEM/MM的理论研究[J]. 化学学报, 2011, 69(10): 1141-1150.
[6]	胡松青, 胡建春, 范成成, 贾晓林, 张军, 郭文跃. 新型咪唑啉缓蚀剂缓蚀性能的理论与实验研究[J]. 化学学报, 2010, 68(20): 2051-2058.
[7]	张新瑜, 张鹏娟, 宋纪蓉, 徐抗震, 班琦勋, 黄洁. 4-[(3-乙氧酰基-2-硫代)硫脲]-4 -[(3-乙氧酰基-2-硫代)硫脲]二苯醚配体的制备、晶体结构、量化计算、比热容、热力学性质研究[J]. 化学学报, 2010, 68(17): 1692-1698.
[8]	张浩, 于健康, 孙家锺. 从头算量子化学计算方法对高氯酸镁溶液中存在的离子缔合物种及缔合过程的研究[J]. 化学学报, 2010, 68(14): 1363-1369.
[9]	王运宏任利华沈玉芳李中经彭正合袁斌. 四硫富瓦烯四硫纶桥联金属邻菲啰啉配合物的合成与性质[J]. 化学学报, 2009, 67(13): 1469-1474.
[10]	孙定光丁涪江赵可清. 含酯基和酰胺基支链的苯并菲液晶电荷传输性质的量子化学研究[J]. 化学学报, 2008, 66(7): 738-744.
[11]	张军a 胡松青a 王勇,b 郭文跃,a 刘金祥a 尤龙a. 1-(2-羟乙基)-2-烷基-咪唑啉缓蚀剂缓蚀机理的理论研究[J]. 化学学报, 2008, 66(22): 2469-2475.
[12]	张杜蓓,任莹辉,傅丁薇,严彪,宋纪蓉,吕兴强. 1-(4-甲氧基)苯甲酰基-3-(4,6-二甲基嘧啶-2-氨基)硫脲的晶体结构、理论计算及生物活性[J]. 化学学报, 2008, 66(21): 2409-2415.
[13]	孔蕊弘a 单晓斌a 王思胜a,b 张允武a 刘付轶,a 盛六四a 郝立庆c 王振亚c. Kr和Kr₂的实验和理论研究[J]. 化学学报, 2008, 66(13): 1508-1512.
[14]	孙政,曾小庆,王炜罡,葛茂发,王殿勋. 几种多氮杂环高能化合物的光电子能谱与紫外吸收光谱[J]. 化学学报, 2006, 64(3): 218-222.
[15]	黄洁,宋纪蓉,任莹辉,马海霞, 王花丽,胡怀明,文振翼. 4,6-二甲氧基-2-[甲氧脲基硫代脲基]嘧啶的合成、晶体结构和理论计算[J]. 化学学报, 2006, 64(1): 9-16.