A Computational Chemistry Approach for the Hydrolysis of DNA Molecule by Hydrated Transition Metal Complexes as Artificial Metallonuclease

Abstract

인공 핵산분해효소로 작용하는 10종의 수화된 (배위수: 6) 단일 리간드 전이금속 착 화합물([M(H₂O)₆]z⁺ 및 [M(OH)₆]z⁻)과 DNA분자의 해리반응(pKa)전 후 조건에서, 전산화학적인 경계분자궤도(FMO) 이론에 따른 이들 화합물의 반응성을 정량적으로 검토하였다. 그리고 분자 간 FMO에너지 차이(ΔE)로부터, Lewis acid 촉매로서 금속 착 화합물의 친핵성 리간드 활성화(A)에 따른 궤도조절(orbital control) 반응과 금속 착 화합물의 활성화(B)로 인한 전하조절(charge control) 반응이 각각 예측되었다. 모든 경우에 반응성은 물 분자 리간드 금속 착 화합물([M(H₂O)₆]z⁺)보다 hydroxo 리간드 금속 착 화합물([M(OH)₆]z⁻)이 높았으며, 그리고 2가 화합물([M(H₂O)₆]²⁺ 및 [M(OH)₆]⁴⁻)이 3가 화합물([M(H₂O)₆]³⁺ 및 [M(OH)₆]³⁻)보다 빠른 반응성을 나타내었다. 이들의 반응성은 주로 [M(OH)6]z⁻과 해리 후 DNA분자 사이의 음 이온성 반발력이나 착 이온의 입체효과와 전하크기에 의존적이었다. 그러므로 이 같은 리간드 효과로부터 가장 빠른 반응조건에서(6M) HOMO에너지에 의존적인 주 반응(A)에 따른 [M(OH)₆]z⁻에 의한 DNA 분자의 가수분해 전환과정(turnover process)을 제시하였다.The acting as artificial metallonucleases under the condition at before and after dissociation (pKa) of DNA molecule and 10 hydrated (coordination number: 6) homoleptic transition metal complexes ([M(H₂O)₆]z⁺ & [M(OH)₆]z⁻) are reviewed quantitatively based on the frontier molecule orbital (FMO) theory in computational chemistry. In additions, from the FMO energy difference (ΔE) between the complexes and DNA molecule, the orbital control reaction by nucleophilic ligand activation (A) of the metal complexes as Lewis acid catalyst, and the charge control reaction by activation (B) of the metal complexes are predicted, respectively. Hence, the reactivity of [M(OH)₆]z⁻ was higher than that of [M(H₂O)₆]z⁺ in all cases. Moreover, divalent ([M(H₂O)₆]²⁺ and [M(OH)₆]⁴⁻) show rapid responses comparing to the trivalent compounds ([M(H₂O)₆]³⁺ and [M(OH)₆]³⁻). Their reactivity was mainly dependent on the anionic repulsive force between hydroxo ligand metal complex and dissociated DNA molecule, or steric effect and charge size of complexe ions. Therefore, from these results of ligand effect, the turnover process on the hydrolytic decomposition of contaminated DNA molecule by homoleptic hydroxo metal complexes ([M(OH)₆]z⁻) in the fastest reaction condition (6M) was proposed as the major reaction (A) depend upon the HOMO energy.