低温氩基质中2-硒尿嘧啶的UV诱导转化与氢原子隧穿效应研究

研究人员针对2-硒尿嘧啶（2-selenouracil）在低温Ar基质中的光化学行为展开研究，通过UV照射（λ>345 nm和λ=305 nm）诱导其从稳定氧-硒酮形式（oxo-selenone）转化为高能氧-硒醇（oxo-selenol）及羟基-硒醇（hydroxy-selenol）形式，并首次观测到氢原子隧穿驱动的自发逆向转化（时间常数39±3 h）。该研究通过红外光谱与DFT/MP2理论计算结合，揭示了硒修饰核酸碱基的动态特性，为理解硒代嘧啶在氧化应激中的可逆调控机制及tRNA修饰功能提供了新视角。

　　

在生命科学领域，硒（Se）作为必需微量元素，其独特的化学性质使其在核酸修饰中扮演关键角色。2-硒尿嘧啶（2-selenouracil）作为2-硫尿嘧啶的硒代类似物，存在于某些细菌tRNA的摆动位置（wobble position），通过增强U-G非标准配对提高翻译准确性。然而，与硫代衍生物相比，硒代嘧啶更易发生氧化还原反应，且其光化学行为与结构动态变化机制尚不明确。尤其在低温条件下，氢原子隧穿（hydrogen-atom tunneling）这类量子效应如何影响其 tautomeric（互变异构）平衡，成为理解硒生物学功能的重要科学问题。

波兰科学院分子与高分子研究中心及物理研究所的研究团队在《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》发表的研究中，首次系统揭示了2-硒尿嘧啶在低温氩（Ar）基质中的UV诱导转化与自发隧穿现象。研究采用气相沉积法将2-硒尿嘧啶单体隔离于12 K的Ar基质中，通过波长特异性UV照射（λ>345 nm和λ=305 nm）触发光异构化，并利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）结合密度泛函理论（DFT）和二阶微扰理论（MP2）计算，追踪了从稳定氧-硒酮形式（I）向氧-硒醇（II、III）和羟基-硒醇（IV）的转化路径。

关键技术方法

1. 基质隔离技术：12 K低温Ar基质中固定单体分子；
2. 波长可控UV照射：分阶段使用λ>345 nm（长波）和λ=305 nm（短波）光源；
3. 红外光谱解析：实验FTIR数据与DFT/MP2计算的振动谱比对；
4. 量子化学计算：在MP2/6-311++G(2df,2p)水平评估 tautomer 能量与势垒。

研究结果
The most stable oxo-selenone form of 2-selenouracil and its infrared spectrum
理论计算确认氧-硒酮形式（I）为最稳定 tautomer，其能量比氧-硒醇（II、III）和羟基-硒醇（IV）分别低35 kJ·mol^?1、26 kJ·mol^?1。实验IR谱中，C=Se伸缩振动（ν_C=Se）位于~1600 cm^?1，与计算值高度吻合。

UV-induced transformations
长波UV（λ>345 nm）选择性将I转化为氧-硒醇II，而短波UV（λ=305 nm）进一步生成氧-硒醇III和羟基-硒醇IV。光谱特征显示，II的ν_C=Se消失并出现Se-H振动（~2350 cm^?1），证实硒酮-硒醇 tautomerization。

Spontaneous hydrogen-atom tunneling
黑暗条件下，氧-硒醇II以39±3 h的时间常数自发回复为I，此过程需跨越~100 kJ·mol^?1势垒，仅能通过氢原子隧穿解释。该现象与2-硫尿嘧啶（2-thiouracil）的隧穿速率（约50 h）相似，但硒代衍生物表现出更高的 tautomeric 多样性。

结论与意义
该研究首次证实2-硒尿嘧啶在低温下存在光驱动 tautomeric 多态性及隧穿介导的逆向转化，揭示了硒的极化性（polarizability）如何通过降低pKa（如5-甲基氨基甲基-2-硒尿苷pKa=6.43 vs. 硫代类似物7.28）影响分子动态。这一发现为理解硒代tRNA修饰（如R5Se2U）在氧化应激中的可逆调控机制提供了分子基础，并为设计响应性硒代核酸探针开辟了新思路。与硫脲（thiourea）/硒脲（selenourea）的类比研究相比，2-硒尿嘧啶展现出更复杂的 phototautomerization 路径，暗示硒在生命体系中可能具有独特的“分子开关”功能。