JACS:研究者揭示DNA光損傷反應動力學機理研究進展

2020-12-06 生物谷

分子反應動力學的研究從氣相小分子體系擴展到更為複雜的凝聚相生物分子體系、與分子生物學等領域形成交叉,是化學動力學研究領域蘊含機會和富有挑戰的方向之一。在基金委、科技部、中科院支持下,化學研究所分子反應動力學實驗室的科研人員,致力於發展時間分辨紅外等光譜方法,深入研究導致DNA光損傷的激發態及自由基反應的複雜過程,取得了系列進展,發現並提出分子和量子態層次上認識DNA光損傷的多種化學反應新機理。

DNA光損傷的本質是生色團鹼基分子吸收紫外光發生光化學反應。反應涉及到1ππ*、1nπ*、3ππ*激發態以及基電子態等多個電子態的參與及電子非絕熱效應,探測反應發生的非絕熱途徑是認識DNA激發態複雜反應衰變過程的關鍵。對導致交聯損傷的CPD反應,即嘧啶鹼基雙鍵的[2+2]環加成、生成環丁烷嘧啶二聚體(CPD)的反應,研究人員成功探測到CPD生成動力學,揭示了反應的激發三重態機理及T1/S0勢能面交叉的存在和反應發生的非絕熱反應途徑(J. Phys. Chem. A. 2011, 115,5335-5345)。對SP損傷反應,即胸腺嘧啶T鹼基的CH3基團與相鄰T鹼基的C=C雙鍵發生加成反應生成SP交聯產物,研究人員揭示了反應的雙自由基分步機理和非絕熱反應途徑,解決了生物化學上對該反應是協同機理還是分步機理的長期困惑(J. Phys. Chem. B. 2012, 116,11117-11123)。

在DNA光損傷反應中,還存在一類危害更大的UVA波段的紫外光引發的損傷,主要是機體組織的內源性或外源性光敏劑分子吸收UVA、產生活性氧ROS、引發一系列ROS氧化性損傷反應。深入認識UVA光損傷發生的分子反應機制,需要從物理化學上研究這些反應發生的動力學機理。以化學、生物、醫藥等多個領域普遍關注的6-硫代鳥嘌呤(6-TG)分子為例,研究人員闡明了6-TG吸收UVA光敏產生單態氧(1O2)、1O2氧化6-TG生成致癌產物GSO3的基元反應途徑和關鍵反應中間體(如圖),發現並提出新的反應機理(GSOOH→GSO2→GSO4→GSO3),揭示了生物分子水環境下水分子協助調控反應的重要作用(J. Am. Chem. Soc. 2013, 135,4509-4515)。(生物谷Bioon.com)

Formation of Guanine-6-sulfonate from 6-Thioguanine and Singlet Oxygen: A Combined Theoretical and Experimental Study.

Xiaoran Zou , Hongmei Zhao , Youqing Yu , and Hongmei Su *

As an end metabolism product of the widely used thiopurine drugs, 6-thioguanine (6-TG) absorbs UVA and produces 1O2 by photosensitization. This unusual photochemical property triggers a variety of DNA damage, among which the oxidation of 6-TG itself by 1O2 to the promutagenic product guanine-6-sulfonate (GSO3) represents one of the major forms. It has been suspected that there exists an initial intermediate, GSO, prior to its further oxidation to GSO2 and GSO3, but GSO has never been observed. Using density functional theory, we have explored the energetics and intermediates of 6-TG and 1O2. A new mechanism via GSOOH → GSO2 → GSO4 → GSO3 has been discovered to be the most feasible energetically, whereas the anticipated GSO mechanism is found to encounter an inaccessibly high barrier and thus is prevented. The mechanism through the GSOOH and GSO4 intermediates can be validated further by joint experimental measurements, where the fast rate constant of 4.9 × 109 M–1 s–1 and the reaction stoichiometry of 0.58 supports this low-barrier new mechanism. In addition to the dominant pathway of GSOOH → GSO2 → GSO4 → GSO3, a side pathway with higher barrier, GSOOH → G, has also been located, providing a rationalization for the observed product distributions of GSO2 and GSO3 as major products and G as minor product. From mechanistic and kinetics points of view, the present findings provide new chemical insights to understand the high phototoxicity of 6-TG in DNA and point to methods of using 6-TG as a sensitive fluorescence probe for the quantitative detection of 1O2, which holds particular promise for detecting 1O2 in DNA-related biological surroundings.

相關焦點

  • 碳催化反應動力學和機理研究獲進展
    ,其中對納米碳催化反應機理本質的認識一直是該領域的難點問題之一。近日,中國科學院金屬研究所催化材料研究部齊偉研究團隊在Acc. Chem. Res.雜誌發表綜述論文,系統總結了過去五年在碳催化烷烴氧化脫氫反應機理方向的研究工作。   對碳材料催化活性中心的定性和定量是催化反應動力學和機理研究的基礎和關鍵。近反應條件下的分子吸附熱和原位XPS表徵結果均表明碳材料表面親核性較高的氧物種對催化烷烴氧化脫氫反應貢獻顯著。
  • 福建物構所JACS:MOFs光催化CO2還原全反應研究獲進展
    光催化CO2全還原反應,即模擬自然光合作用吸收太陽能將CO2和H2O轉化為高附加值產物(如碳氫化合物、CO等),具有研究意義與應用前景。晶態多孔的金屬有機框架材料(MOFs)具有可調變的組分及結構,理論上能夠實現原子級的結構設計與調控,近年來成為新興的光催化材料/平臺。
  • 福建物構所《JACS》:MOFs光催化CO2還原全反應研究獲進展
    光催化CO2全還原反應,即模擬自然光合作用吸收太陽能將CO2和H2O轉化為高附加值產物(如碳氫化合物、CO等),具有研究意義與應用前景。晶態多孔的金屬有機框架材料(MOFs)具有可調變的組分及結構,理論上能夠實現原子級的結構設計與調控,近年來成為新興的光催化材料/平臺。
  • 科學網—二氧化鈦光催化反應機理研究獲進展
    中科院大連化物所
  • 「JACS」福建物構所MOFs光催化CO2還原全反應取得進展
    光催化CO2全還原反應,即模擬自然光合作用吸收取之不盡的太陽能將CO2和H2O轉化為高附加值產物(如碳氫化合物,CO等),具有重大研究意義與應用前景。晶態多孔的金屬有機框架材料(MOFs)具有可調變的組分及結構,理論上能夠實現原子級的結構設計與調控,成為近年來備受關注的新興光催化材料/平臺。
  • 納米晶三線態能量轉移動力學研究取得新進展—新聞—科學網
    中科院大化所
  • 中國科大在激發態載流子動力學與能量轉換過程的微觀機理研究方面...
    中國科大在激發態載流子動力學與能量轉換過程的微觀機理研究方面取得系列新進展 在凝聚態物理領域,利用第一性原理計算研究凝聚態體系基態的物理性質已經較為成熟
  • 合肥光源專題系列五:合肥光源在反應動力學研究中的進展
    反應動力學研究化學反應隨時間變化的動態過程,包括化學反應速率和反應機理等。分子反應動態學和燃燒反應動力學是反應動力學中重要的研究領域,主要利用光譜和質譜技術探測化學反應組分隨時間的演化過程,來得到化學反應速率和反應機理等信息。從學科發展歷程來看,分子反應動態學和燃燒反應動力學研究的進步離不開先進光源技術的支撐,尤其是具有寬能譜、高亮度、良好偏振性、高準直性和波長連續可調等優點的同步輻射光源技術已廣泛應用於這些領域的研究。
  • 中國科大揭示光激發反向空穴轉移動力學行為機制
    ,在凝聚相超快光譜與動力學機理研究方面取得新進展,揭示出甲醇分子(光催化研究中最常用的空穴犧牲劑之一)吸附於模型半導體材料(g-C3N4)表面所發生的光激發反向空穴轉移動力學行為機制。  在光解水產氫、二氧化碳轉化等光催化還原反應的研究中,為了提高光激發電子的利用效率,空穴犧牲劑往往被加入待研究體系以抑制有害的電子-空穴複合。添加空穴犧牲劑雖已成為光催化研究領域的一項常規操作,但其背後所涉及的光激發空穴動力學行為機制卻不甚明朗,導致人們在選用合適的空穴犧牲劑時往往囿於經驗、存在一定的盲目性。
  • 分子反應動力學研究取得新進展
    中科院大連化物所分子反應動力學研究工作獲得重要進展。由分子反應動力學國家重點實驗室及理論中心研究人員孫志剛,劉蘭,張東輝以及他們的合作者撰寫的論文 「State-to-state quantum dynamics of O+O2 isotope exchange reactions reveals nonstatistical behavior at atmospheric conditions」(態-態動力學揭示O+O2同位素交換反應在大氣條件下的非統計行為
  • 分子反應動力學研究獲突破性進展
    12月22日,中科院大連化物所分子反應動力學研究工作獲得突破性進展 分子振動對化學反應有著極其重要的影響,長期以來一直是分子反應動力學研究領域的一個重要課題。H2以及它的同位素分子是分子反應動力學領域被最為廣泛研究的分子。過去的二三十年中,對H/D/F/O/Cl/OH+H2/HD/D2等反應的研究極大地推動了反應動力學研究的發展,也大大提高了我們對化學反應本質機理的認識。
  • 我國學者在有機汙染物光催化降解及機理研究方面取得系列進展
    在國家自然科學基金委的持續支持下,中國科學院化學研究所趙進才課題組在光催化降解有機汙染物及其機理方面進行了十幾年的系統深入研究,取得一系列重要研究進展。  低濃度、高毒性、難降解有機汙染物是一類普遍存在、具有長期危害性的環境汙染物,用傳統方法很難處理。
  • 科學網—瓦爾登翻轉取代反應機理研究獲新進展
    中科院大連化物所
  • 生物膜界面蛋白質錯誤摺疊及超快動力學研究取得新進展
    中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心羅毅教授團隊葉樹集研究員小組在生物膜界面蛋白質錯誤摺疊及振動能量轉移超快動力學研究兩方面取得新進展。該小組揭示了與二型糖尿病相關的胰島澱粉樣多肽(hIAPP)在生物膜上錯誤摺疊過程的結構演變機制,以及界面蛋白質與水分子間的共振能量傳遞捷徑,研究成果分別以Misfolding of Human Islet Amyloid
  • 德國《應用化學》封面報導化學所光催化機理研究方面進展
    分子氧參與的半導體光催化反應在環境汙染物降解、化學品綠色合成等領域顯示出廣泛的應用前景,但其微觀機理很不清楚,尤其是分子氧的作用及其歸屬一直存在爭議,這就限制了半導體光催化反應量子效率偏低和反應選擇性難控制等瓶頸問題的解決。  近日,在國家自然科學基金委、科技部和中科院的大力支持下,中國科學院化學研究所在光催化機理研究方面有了新進展。
  • 研究揭示二氧化鈦表面光催化反應微觀機理
    銳鈦礦結構的二氧化鈦(TiO2)表面催化活性和微觀反應機理,由中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室單分子科學研究團隊揭示,論文發表在近日出版的
  • 研究揭示全固態合金金屬電池的微觀機理
    研究揭示全固態合金金屬電池的微觀機理 作者:小柯機器人 發布時間:2021/1/7 13:26:20 中科院化學研究所文銳團隊從調節均勻鋰沉澱和柔性固體電解質界面演變方面揭示了全固態合金金屬電池的微觀機理。
  • 工程熱物理所在CO在CuO(111)表面催化氧化機理和反應動力學研究中...
    近日,中國科學院工程熱物理研究所新技術實驗室研究員田振玉研究團隊初步揭示CO在CuO(111)表面的催化氧化機理及催化劑表面缺陷位在催化過程中所起作用,結合研究團隊前期提出的CO在Cu2O(111)表面的氧化機理計算工作及實驗工作,深入揭示CO在銅基氧化物表面的反應機制,並提出對應的反應動力學模型
  • 瓦爾登(Walden)翻轉取代反應機理研究取得新進展—新聞—科學網
    瓦爾登(Walden)翻轉取代反應機理研究取得新進展
  • JACS | 計算加實驗研究Cope重排反應機制
    Cope重排的機理。以前曾在Diels-Alder反應中將醯肼作為催化劑,並且先前已觀察到五元和六元環催化劑之間的差異。 研究人員發現七元環醯肼在許多α-取代-α,β-不飽和醛的反應,包括麥可加成反應,Diels-Alder環加成,甚至多烯環化等反應中特別有效。