Effects of temperature and isotopic substitution on electron attachment dynamics of guanine-cytosine base pair; Ring-polymer and classical molecular dynamics simulations

グアニン-シトシン塩基対の電子付着ダイナミクスにおける温度と同位体置換効果; リングポリマーおよび古典分子動力学シミュレーション

箕島 裕介*; 関 悠佑*; 高柳 敏幸*; 志賀 基之   

Minoshima, Yusuke*; Seki, Yusuke*; Takayanagi, Toshiyuki*; Shiga, Motoyuki

放射線によって生じた電子がDNAに付着して生体損傷のもととなる際に分子構造がどのように変化するのか、基礎的問題として興味をもたれている。本研究では、グアニン-シトシン塩基対の電子付着過程について、経験的原子価結合モデルに基づく半古典リングポリマー分子動力学法を用いて理論的に解析した。その結果、塩基対の負イオンは、双極子束縛状態から原子価束縛状態へ短時間で変化し、その後塩基間のプロトン移動を引き起こすことがわかった。この過程における同位体置換効果や温度効果について詳しく調べた。プロトン移動の動的過程は、原子核の量子性を伴うものであることがわかった。

The dynamical process of electron attachment to a guanine-cytosine pair in the normal (h-GC) and deuterated (d-GC) forms has been studied theoretically by semiclassical ring-polymer molecular dynamics (RPMD) simulations using the empirical valence bond model. The initially formed dipole-bound anion is converted rapidly to the valence-bound anion within about 0.1 ps in both h-GC and d-GC. However, the subsequent proton transfer in h-GC occurs with a rate five times greater than the deuteron transfer in d-GC. The change of rates with isotopic substitution and temperature variation in the RPMD simulations are quantitatively and qualitatively different from those in the classical molecular dynamics (MD) simulations, demonstrating the importance of nuclear quantum effects on the dynamics of this system.