非常態(tài)DNA堿基結構性質及有關反應機制的理論研究.pdf

1、DNA是生物遺傳的主要物質基礎，起著儲存和傳遞遺傳信息的作用。DNA的自組裝、嚴格自我復制的優(yōu)良性質，保證了其作為遺傳物質的穩(wěn)定性，同時為其構建納米級分子器件的基本單元提供了結構基礎。在生命過程中，DNA分子受到物理、化學等因素的作用時極易發(fā)生損傷，會導致DNA堿基結構發(fā)生變化、與蛋白質發(fā)生交聯(lián)和DNA鏈的斷裂等，在這一過程中形成了多樣的非常態(tài)DNA堿基的作用模式。近年來，和生命相關的非常態(tài)堿基的結構和性質已經(jīng)受到大量的實驗和理論工作者

2、的廣泛關注，并對其開展了大量的研究。這些非常態(tài)DNA堿基有著非常重要的生物和功能性材料應用方面的價值。本文重點探討了氧化輻射，低能電子以及金屬化修飾等產(chǎn)生的一系列非常態(tài)DNA堿基，運用量子化學及動力學模擬方法對他們的結構特征和反應機制進行了詳細的研究，進而探索他們在生物醫(yī)學和生物技術方面的實際應用，取得了一些有意義的研究成果，本論文主要成果及創(chuàng)新簡述如下:
　　 1.用密度泛函理論計算，詳細地研究了氨基酸與鳥嘌呤自由基陽離子穩(wěn)定

3、化過程，通過研究這些相互作用明確了各種氨基酸在保護鳥嘌呤過程中所扮演的角色，提出了各種保護機理。我們檢查了各種氨基酸和鳥嘌呤自由陽離子復合物的結構和電子性能。在計算的基礎上，我們根據(jù)氨基酸的類型提出了幾種保護機理。研究結果表明:在氨基酸和鳥嘌呤自由陽離子之間能形成一系列的三電子鍵（O∴O、O∴N、O∴π、S∴N、S∴O和S∴π等），這些三電子鍵不僅在穩(wěn)定復合物過程起到了重要的作用，而且可以充當中繼站幫助空穴傳輸。在三電子鍵、π-π堆積和

4、氫鍵的模式中，氨基酸能通過共享空穴來保護鳥嘌呤免受氧化或者輻射破壞。同時，具有還原性的氨基酸可以通過質子耦合電子轉移(PCET)或電子轉移(ET)機制來修復鳥嘌呤自由基陽離子。此外，對于一些氨基酸-鳥嘌呤的復合物，在這些復合物上一旦空穴被俘獲，這個空穴將完全的集中在氨基酸上。氧化還原氨基酸起到了犧牲自己抗氧化損傷保護DNA的作用。另一個重要的發(fā)現(xiàn)是，正電荷的氨基酸(ArgH+、LysH+和HisH+)可以通過增加鳥嘌呤的電離勢來抑制它的

5、電離。這種情形下，在空穴俘獲的正電荷氨基酸與鳥嘌呤二聚體中可以觀察到氫鍵負離解能現(xiàn)象，這就解釋了在這些位點為什么具有低的空穴俘獲能力。這項工作為在生物體系內(nèi)保護DNA不被氧化或輻射損傷提供了有價值的信息。
　　 2.采用密度泛函理論計算研究了雙電離的GG堿基對(G+G+、GrG+和GrGr)的結構和電子性質。考慮了不同的耦合模式包括WC氫鍵模式、Hoogsteen模式、小溝處氫鍵模式和π-π堆積模式。我們推斷G+G+可以通過高能

6、輻射形成?；诿芏确汉碚?DFT)和完備活性空間自洽場方法（CASSCF方法）對這些雙自由基體系進行了計算，確定了其基態(tài)。雙自由基體系的磁耦合相互作用可以通過磁交換耦合常數(shù)來表征。研究結果表明對于(G+G+)WC、(GrG+)minⅡ、(GrG+)minⅢ、(GrGr)WC、(GrGr)minⅠ和(GrGr)minⅢ具有三重態(tài)的基態(tài)，(G+G+)HoogⅠ、(GrG+)WC、(GrG+)HoogⅠ、(GrG+)minⅠ和(GrGr)m

7、inⅡ的能量基態(tài)為對稱性破損的開殼層單重態(tài)，而(G+G+)HoogⅡ、(G+G+)minⅠ、(G+G+)minⅡ、(G+G+)minⅢ、(G+G+)HoHo、(GrG+)HoHo和(GrGr) HoHo的基態(tài)是閉殼層單重態(tài)。對于這些氫鍵的雙自由基的復合物，堿基間的磁相互作用相對較弱，尤其對于雙自由基的G+G+系列和GrGr系列。雙自由基體系的磁耦合相互作用由分子間相互作用控制（氫鍵、靜電相互作用和自由基耦合）。π-π堆積的雙電離GG堿基

8、對((G+G+)ππ、(GrG+)ππ和(GrGr)ππ)也被考慮，并且研究表明這些雙自由基的復合物的磁相互作用相對較強。上述結論在理論上預測了許多雙電離的GG堿基對具有雙自由基特性，并且這些雙自由基堿基對表現(xiàn)出了一定程度的鐵磁性和反鐵磁性，這些磁性取決于不同的結合位點和堿基類型。這項工作有助于理解雙電離的GG堿基對的各種自旋態(tài)的特性。
　　 3.運用量子化學及從頭算分子動力學模擬的方法，通過研究溶劑化電子籠與堿基的結構和電子特

9、性，揭示了電子在溶劑化電子籠和溶劑化堿基中的存在狀態(tài)和動力學演化行為。起初，電子在由六個水分子所圍成的溶劑化籠中。這個溶劑化電子籠是由溶劑水分子中未形成氫鍵的懸掛氫指向被束縛住的電子形成的。在模擬過程中，溶劑化電子籠的勢阱和堿基的勢阱都在不斷的調整，電子傾向于向勢阱淺的一方移動。隨著體系內(nèi)部的結構的漲落，溶劑化籠逐漸裂開，并且電子逐漸向堿基上轉移。也就是說，在這種條件下堿基束縛電子的能力比溶劑化籠強，溶劑化籠上的電子會流向堿基并對其造成

10、破壞。分析從頭算動力學模擬過程中瞬間構型的自旋密度分布發(fā)現(xiàn)經(jīng)過幾次結構漲落之后，電子絕大多數(shù)定域在堿基的π*反鍵軌道上。我們發(fā)現(xiàn)溶劑化電子從一個溶劑化籠定域到堿基上所經(jīng)歷的時間約為100-200 fs。對于我們研究的這幾個體系，大約在90-150 fs時溶劑化籠消失。并且溶劑化籠裂開之后并沒有發(fā)現(xiàn)水分子重新發(fā)生重組形成新的溶劑化電子籠。所有這些現(xiàn)象歸因于堿基的獨特結構、電子性質及溶劑化籠的性質。這項工作的研究將為實驗和理論中對DNA損傷

11、的動力學研究提供必要的理論依據(jù)，對溶劑化DNA堿基內(nèi)電荷轉移機制的理解和應用具有重要的意義。
　　 4.具有潛在的導電性并且可以作為納米導電材料的金屬化修飾DNA堿基對已經(jīng)越來越引起科學家的關注。我們采用密度泛函理論研究了多銅介導的錯配堿基對（G3CuT和A2CuC）的幾何構型及電子性能。結果表明多銅介導的錯配堿基對仍然保持了平面幾何構型，且由于Cu-N/O共價或半共價鍵與Cu...Cu之間的親銅相互作用，使這些多銅介導的錯配堿

12、基對十分的穩(wěn)定。軌道分析顯示了在修飾的堿基對中，銅原子的軌道主要貢獻于HOMO以下的分子軌道，而對HOMO和LUMO的貢獻較少。我們可以得到這樣的結論，影響能差的主要因素是銅原子的靜電效應，而構型變化對能差的影響很小。值得注意的是，我們發(fā)現(xiàn)修飾之后的G3CuT和A2CuC的HOMO-LUMO能差、電離勢都明顯低于相對應的天然堿基對，因此G3CuT和A2CuC可以作為有良好導電性的DNA基納米線的構筑基元。為了探究多銅介導的錯配堿基對中兩

13、個堿基間的橫向電子通訊，我們檢測了電子吸收光譜。電荷遷移激發(fā)態(tài)證明，G3CuT和A2CuC的橫向電子通訊明顯變強，表明銅的插入促進了電子沿著DNA分子線的橫向遷移。此外，進一步的研究結果表明使用G3CuT和A2CuC堿基對能構建有前途的DNA基分子導線。計算三層堆積的多銅介導錯配的堿基對的電子性質結果表明Cum-DNA有優(yōu)良的導電性，這為DNA基納米線的開發(fā)和應用提供了新的思路。
　　 綜上，對于這一系列非常態(tài)DNA堿基的穩(wěn)定性