圖 A：G 堿基單體氧化反應(yīng)中的離子對(duì)中間體特征光譜吸收；圖 B：TD-DFT 計(jì)算的離子對(duì)中間體光譜及相關(guān)電子躍遷軌道；圖 C：離子對(duì)中間體的特征光譜在雙鏈 DNA 發(fā)生裂分；圖 D：雙鏈 DNA 中 GC 堿基對(duì)內(nèi)的質(zhì)子轉(zhuǎn)移途徑。

鳥(niǎo)嘌呤 G 堿基氧化還原性質(zhì)極為活潑，在 DNA 氧化損傷及 DNA 電荷傳導(dǎo)等過(guò)程中扮演重要的角色。在光照或強(qiáng)氧化自由基作用下，G 堿基容易失去一個(gè)電子形成陽(yáng)離子自由基 (G+·)，引發(fā) DNA 鏈上的空穴傳輸或系列的 DNA 氧化損傷反應(yīng)，生成后續(xù)的損傷產(chǎn)物（8-OG，F(xiàn)APY-G, imidazolone, oxazolone 等）。在國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科學(xué)技術(shù)部、中國(guó)科學(xué)院支持下，中科院化學(xué)研究所光化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科研人員致力于發(fā)展時(shí)間分辨激光光譜方法，深入研究 DNA 氧化損傷系列反應(yīng)的復(fù)雜過(guò)程和機(jī)理。

對(duì)于 DNA 的二級(jí)結(jié)構(gòu) G - 四鏈體體系中 G 堿基的單電子氧化及脫質(zhì)子反應(yīng)，研究人員探測(cè)到陽(yáng)離子自由基 G +?在 G - 四鏈體中不同于單個(gè)堿基 dG 以及雙鏈 DNA 的獨(dú)特的脫質(zhì)子反應(yīng)途徑（脫氨基質(zhì)子 N2- H 而不是亞氨基質(zhì)子 N1-H），揭示了 DNA 結(jié)構(gòu)的局部氫鍵微環(huán)境對(duì)質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)機(jī)理的影響，闡述了 G - 四鏈體端粒 DNA 氧化損傷的動(dòng)力學(xué)微觀機(jī)理（J. Am. Chem. Soc. 2015, 137，259-266）。

在前期工作基礎(chǔ)上，科研人員進(jìn)一步探測(cè)到 DNA 氧化損傷的關(guān)鍵反應(yīng)中間體。引發(fā)氧化損傷反應(yīng)的陽(yáng)離子自由基 G +·的生成不單純是直接的單電子氧化過(guò)程，而是經(jīng)常涉及一類(lèi)重要的自由基離子對(duì)中間體參與反應(yīng)。理論計(jì)算預(yù)測(cè)自由基離子對(duì)中間體壽命短（~ ps），穩(wěn)定性極低，過(guò)去實(shí)驗(yàn)上一直難以對(duì)其探測(cè)表征。

最近，科研人員通過(guò)低溫穩(wěn)定反應(yīng)中間體的方法并結(jié)合時(shí)間分辨光譜探測(cè)，成功捕捉到 DNA 鳥(niǎo)嘌呤氧化損傷基元反應(yīng)途徑中的自由基離子對(duì)中間體。對(duì)于氯自由基與 G 堿基的反應(yīng)體系，在低溫瞬態(tài)吸收光譜上探測(cè)到中心位于 570nm 的強(qiáng)吸收峰，結(jié)合理論計(jì)算歸屬為 G +?…Cl- 離子對(duì)中間體，這一可見(jiàn)光區(qū)域的特征吸收光譜是由離子對(duì)靜電作用改變躍遷軌道空間重疊所致，研究給出可用于區(qū)別 G +?等其它瞬態(tài)物種的離子對(duì)中間體的光譜特征。研究人員進(jìn)一步在雙鏈 DNA 的氧化反應(yīng)體系中，觀測(cè)到離子對(duì)中間體在 570nm 的特征光譜裂分為 480nm 和 610nm 兩個(gè)吸收峰。借助動(dòng)力學(xué)分析，確定了這兩個(gè)吸收峰對(duì)應(yīng)于雙鏈 GC 堿基對(duì)內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)移平衡的兩種離子對(duì)結(jié)構(gòu) Cl-…G+?:C ? Cl-…G(-H)?:C(+H+)，通過(guò)離子對(duì)特征光譜的裂分，清晰區(qū)分了雙鏈 DNA 堿基對(duì)內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)移平衡的兩種質(zhì)子化結(jié)構(gòu)，并測(cè)得質(zhì)子轉(zhuǎn)移的反應(yīng)能壘 (Ea ~ 1.4 kcal/mol)。

這些結(jié)果給出 DNA 鳥(niǎo)嘌呤氧化反應(yīng)的自由基離子對(duì)機(jī)理的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)證據(jù)，對(duì)深入認(rèn)識(shí) DNA 質(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移和 DNA 氧化損傷等過(guò)程具有重要意義。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在 Science Advances(Sci. Adv. 2017, 3, e1700171.) 上。