堿基分子的結(jié)構(gòu)及振動(dòng)性質(zhì)研究.pdf

1、核酸是最重要的生物大分子，是生命體存在的基礎(chǔ)，在存儲(chǔ)、復(fù)制、識(shí)別和轉(zhuǎn)錄遺傳信息中都是不可或缺的。放射醫(yī)學(xué)和輻射生物學(xué)認(rèn)為，在電離輻射導(dǎo)致細(xì)胞殺傷或轉(zhuǎn)化的過(guò)程中，主要靶分子就是DNA和RNA。射線作用于機(jī)體，從開(kāi)始照射到出現(xiàn)生物學(xué)效應(yīng)（如癌變等）是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，其輻射產(chǎn)物多種多樣，對(duì)生物分子結(jié)構(gòu)的影響尤其復(fù)雜。然而，其中具有遺傳效應(yīng)的變化只有核酸堿基的丟失或者改變。因此，研究清楚核酸堿基在輻射前后得的物理化學(xué)性質(zhì)及其變化，對(duì)于生物輻

2、照損傷的研究有十分重要的意義。研究分子性質(zhì)的一個(gè)重要方法就是研究它的振動(dòng)光譜。對(duì)孤立或穩(wěn)定環(huán)境下的堿基分子用譜學(xué)方法研究，可以幫助我們澄清堿基分子在生物體系中的功能。目前常采用的譜學(xué)實(shí)驗(yàn)方法是紅外光譜和拉曼光譜。在實(shí)驗(yàn)研究中要標(biāo)記實(shí)驗(yàn)譜，這在多原子分子特別是生物大分子的實(shí)驗(yàn)中十分困難。通過(guò)理論計(jì)算出分子的振動(dòng)光譜，對(duì)我們理解實(shí)驗(yàn)所測(cè)量頻譜和預(yù)測(cè)新的頻譜有著重要意義。計(jì)算分子光譜的理論方法，主要有經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)方法和精確一些的量子化學(xué)計(jì)算

3、方法。但隨著要計(jì)算的原子數(shù)目的增加，量化計(jì)算的計(jì)算量增加得十分驚人。此外，在量化方法中的從頭算方法中需要引入標(biāo)度因子，這也增加了計(jì)算結(jié)果的不確定性。而分子動(dòng)力學(xué)，沒(méi)有這些缺陷，是研究生物大分子的振動(dòng)光譜及其他性質(zhì)的一個(gè)可靠而有效的方法。
　　分子動(dòng)力學(xué)在生物分子研究上的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，許多研究表明用分子動(dòng)力學(xué)方法研究生物大分子是可行的，但只有少數(shù)幾個(gè)分子的振動(dòng)模式和頻率被給出。因此我們?cè)诖嘶A(chǔ)上采用半經(jīng)驗(yàn)勢(shì)分子動(dòng)力學(xué)方法研究了尿

4、嘧啶和胸腺嘧啶的振動(dòng)性質(zhì)。通過(guò)計(jì)算這兩種分子的分子動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)軌跡得到速度、加速度、原子受力大小與運(yùn)動(dòng)方向的變化，并計(jì)算了分子的振動(dòng)頻率，給出兩種分子振動(dòng)譜的范圍（VAF法）。尿嘧啶分子的振動(dòng)譜在86～3372cm-1，胸腺嘧啶的振動(dòng)譜在118～3657cm-1。通過(guò)有限差分法(finite differencemethod)求解Hessian矩陣的方法（FDH法），提取出了分子的每一個(gè)振動(dòng)頻率及對(duì)應(yīng)頻率下的分子空間三維圖，計(jì)算結(jié)果能夠和

5、現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較好的符合。本文還通過(guò)DFT量化計(jì)算方法給出了完整的胸腺嘧啶分子振動(dòng)模式和頻率，并與VAF法和FDH法進(jìn)行了對(duì)比?？紤]到生物分子都是處在接近常溫的環(huán)境中，我們用分子動(dòng)力學(xué)方法研究了不同溫度下尿嘧啶分子構(gòu)型和振動(dòng)性質(zhì)的變化，發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)分子的構(gòu)型有一些影響，在相對(duì)高溫度下分子的構(gòu)型會(huì)發(fā)生一點(diǎn)改變，而在0K附近分子中的原子是幾乎不動(dòng)的，構(gòu)型也幾乎沒(méi)有變化。溫度對(duì)分子振動(dòng)譜的影響微乎其微，在不同的溫度下計(jì)算所得分子的振動(dòng)頻譜幾乎沒(méi)有