脱氧核糖核苷酸（DNA）是最基本的生命物质，能够通过自身双链结构的折叠和展开控制基因的复制和转移。普遍存在于生物体中的金属阳离子能够和DNA中的多种位点结合，调控DNA双链的折叠和展开，从而深刻影响生物分子的功能。从原子分子水平上研究脱氧核糖核苷酸和金属离子之间的相互作用，对研究金属离子的生物调控过程十分重要。前人的研究集中主要于中性和单电荷脱氧核糖核苷酸分子（[dNMP]，[dNMP-H]−，[dNMP+H]+）与金属阳离子的相互作用，研究体系整体表现为中性或正电基团。考虑到DNA链在生物体中的多阴离子本质，最近，安徽大学袁勤勤和程龙玖团队与美国西北太平洋国家实验室王学斌课题组合作，对脱氧核糖核苷酸二价阴离子和钠离子形成的离子对Na+·[dNMP-2H]2− (N = A, G, C, T)开展研究，探索它们之间的相互作用方式。
图1. 二价脱氧核糖核苷酸[dNMP-2H]2−与金属钠离子形成的离子对Na+·[dNMP-2H]2−的光电子能谱和可能的结构。
利用负离子光电子能谱结合量子化学计算，发现Na+不仅使[dNMP-2H]2−的结构发生折叠，而且产生了包含多样去质子位点的互变异构体。如图2所示，这四种离子对Na+·[dNMP-2H]2− (N = A, G, C, T)中最稳定的异构体（Iso A）的去质子位点与气相中孤立的[dNMP-2H]2−相同，均位于磷酸和碱基 (N = A, G和C来自氨基，T是六元环上氮原子)。次稳定异构体（Iso B）的去质子位点为磷酸和脱氧核糖上的羟基。特别地，二价鸟嘌呤脱氧核糖核苷酸和钠阳离子形成的离子对：Na+·[dGMP-2H]2−还存在另外两个异构体（Iso C和Iso D），其中Iso C的去质子位点为磷酸和碱基六元环上的氮原子，Iso D的两个质子均脱附自碱基。该工作表明Na+诱导脱氧核糖核苷酸产生多样化的去质子过程，为更好地模拟金属阳离子和核苷酸在生命体中的相互作用提供了必要的实验和理论依据。
图2. 四种二价脱氧核糖核苷酸和金属钠离子形成的离子对：Na+·[dNMP-2H]2− (N = A, G, C, T)的可能结构。
相关工作以“Sodium Cationization Enables Exotic Deprotonation Sites on Gaseous Mononucleotides” 为题发表于 Journal of Physical Chemistry Letters (2022, 13, 9975−9982)。我院袁勤勤为第一作者，我院程龙玖教授和美国西北太平洋国家实验室王学斌研究员为通讯作者，安徽大学为第一单位。上述研究工作得到了国家自然科学基金（21873001）和安徽大学科研启动经费（S020318008/024）的支持。