非常態(tài)核苷酸堿基對(duì)相關(guān)性質(zhì)的研究.pdf

1、DNA是儲(chǔ)存、復(fù)制和傳遞遺傳信息的主要物質(zhì)基礎(chǔ)，具有自組裝、嚴(yán)格自我復(fù)制等優(yōu)良性質(zhì)。這些性質(zhì)保證了其作為遺傳物質(zhì)的穩(wěn)定性，也為其作為構(gòu)建納米級(jí)分子器件的基本結(jié)構(gòu)單元提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。但是輻射以及氧化等外界環(huán)境因素會(huì)破壞DNA的穩(wěn)定性，改變DNA的堿基結(jié)構(gòu)，甚至?xí)?dǎo)致DNA鏈狀結(jié)構(gòu)的斷裂。如果這些破壞的堿基沒(méi)有修復(fù)或者被不正確的修復(fù)，那么會(huì)直接導(dǎo)致細(xì)胞死亡甚至癌癥的發(fā)生。作為磷酸根骨架的抗衡離子，金屬離子會(huì)滲透到DNA的溝狀結(jié)構(gòu)中影響到DN

2、A堿基對(duì)的性質(zhì)，從而發(fā)揮其生物功能。另外隨著遺傳的分子機(jī)理以及DNA可以作為納米分子器件的功能材料逐漸被認(rèn)識(shí)，為了獲得在某特定方面優(yōu)于天然DNA性質(zhì)的分子，DNA分子設(shè)計(jì)和修飾合成工作也受到了廣泛的關(guān)注。本文重點(diǎn)討論了金屬抗衡離子滲透、氧化、輻射破壞以及擴(kuò)環(huán)修飾等造成的一系列非常態(tài)DNA堿基的核磁、穩(wěn)定性以及電荷遷移等性質(zhì)。從而進(jìn)一步的探索外界環(huán)境以及人工修飾等因素對(duì)天然DNA堿基性質(zhì)的影響，并取得了一些有意義的研究成果，具體如下：

3、 1．我們首先利用密度泛函量子化學(xué)計(jì)算和分子動(dòng)力學(xué)模擬相結(jié)合的方法研究了金屬抗衡離子對(duì)核苷堿基對(duì)間N-H．．．N氫鍵單元中2hJNN自旋偶合以及δ（1H）/△δ（15N）化學(xué)位移的影響。結(jié)果表明結(jié)合到天然G-C或者A-T堿基對(duì)上的金屬陽(yáng)離子使堿基間氫鍵的NMR參數(shù)發(fā)生了很大的變化，從而可以利用來(lái)識(shí)別W-C堿基對(duì)是否受到金屬抗衡離子的干擾。金屬離子滲透所引起的最基本的變化是使2hJNN自旋偶合增大，△δ（15N）化學(xué)位移差減小，δ（

4、1H）化學(xué)位移向高場(chǎng)方向移動(dòng)。而金屬離子的作用卻導(dǎo)致A-T堿基對(duì)間N-H．．．N氫鍵的NMR參數(shù)發(fā)生了相反的變化。并且變化量的大小與所引入金屬離子的路易斯堿性密切相關(guān)。對(duì)于兩類(lèi)堿基系列（Mz+GC和Mz+AT），計(jì)算所得到的NMR參數(shù)之間存在著很好的線性相關(guān)性，并且NMR參數(shù)值的大小取決于定位在N原子上的電子供體軌道（LPN）和電子受體σ*（N-H）軌道之間的能隙以及二者之間的二階微擾能。另外，2hJNN自旋偶合的變化還會(huì)取決于從LP（

5、N）自然鍵軌道遷移到σ*（N-H）反鍵軌道上電荷量，即從嘌呤到嘧啶堿基之間的電荷遷移量。因此可以看出A-T和G-C堿基間NMR參數(shù)不同的變化趨勢(shì)是由于不同的氫鍵類(lèi)型以及金屬離子的極化作用共同造成的（即：在離子化的Mz+AT系列中電荷遷移的方向是Mz+←A→T，而在離子化的Mz+GC系列中則是Mz+←G←C）。這里所預(yù)測(cè)的陽(yáng)離子所引起的W-C堿基對(duì)中N-H．．．N氫鍵單元2hJNN自旋偶合以及δ（1H）/△δ（15N）化學(xué)位移的變化可以為

6、W-C堿基對(duì)中金屬離子偶合情況的測(cè)定提供和一個(gè)新的可靠途徑。 2．我們還探討了錯(cuò)配，氧化以及去質(zhì)子等損傷堿基對(duì)間N-H．．．N氫鍵單元中NMR參數(shù)的變化。所用到的計(jì)算方法是B3LYP/6-311+G*水平上的密度泛函方法。NMR參數(shù)計(jì)算結(jié)果表明堿基損傷會(huì)對(duì)堿基間N-H．．．N氫鍵的2hJNN偶合常數(shù)以及相應(yīng)的化學(xué)位移（δ（1H）和△δ（15N）產(chǎn)生很大的影響。在幾類(lèi)錯(cuò)配堿基中，有一部分的2hJNN偶合作用會(huì)偏離天然堿基1-2

7、Hz，還有一部分由于構(gòu)型的變化會(huì)造成堿基間N-H．．．N氫鍵的斷裂，因此不存在2hJNN偶合作用。如果一個(gè)氫原子從G-C堿基對(duì)的C堿基上或者一個(gè)氫質(zhì)子從G堿基部分脫離，2hJNN偶合常數(shù)會(huì)降低大約0．3-4．15 H。而如果一個(gè)氫原子從G堿基或者一個(gè)質(zhì)子從C堿基上離去，那么2hJNN偶合常數(shù)將會(huì)從原來(lái)的4．73 Hz增加到5．0-7．4 Hz。相類(lèi)似的，GC·-和GC·+自由基中的2hJNN偶合常數(shù)，即G-C堿基對(duì)直接得到或者失去一個(gè)單

8、電子，比天然G-C堿基中的2hJNN偶合常數(shù)要大3．28-6．45 Hz。結(jié)合同樣受到干擾的δ（1H）化學(xué)位移（它們的變化趨勢(shì)與2hJNN偶合常數(shù)相似），我們得出可以利用NMR參數(shù)的變化來(lái)判斷堿基是否受到損傷。另外與前邊所得到的分析結(jié)果類(lèi)似，核苷間2hJNN偶合作用與相應(yīng)的軌道能隙以及σ*（N-H）軌道上的電子分布有著很好的相關(guān)性，這也表明了跨N-H．．．N氫鍵的偶合常數(shù)是受電荷遷移所控制的。也就是說(shuō)，當(dāng)損傷造成電荷從G堿基遷移到C堿基

9、位置的時(shí)候，堿基間的2hJNN偶合常數(shù)將會(huì)減弱。相反的，則會(huì)增大。所得到的靜電勢(shì)變化示意圖以及G和C堿基間的電荷遷移量同樣很好的證實(shí)了這個(gè)結(jié)論。我們對(duì)損傷堿基中N-H．．．N氫鍵NMR參數(shù)的變化可以很好的將損傷與天然的堿基區(qū)別開(kāi)來(lái)。 3．考慮到苯與雜環(huán)擴(kuò)環(huán)修飾是可以提高DNA物理性質(zhì)以及生物功能的合理修飾方案，我們討論了此類(lèi)非常態(tài)堿基在外界損傷環(huán)境中（即H原子離去反應(yīng)，質(zhì)子化和H·自由基攻擊反應(yīng)）所表現(xiàn)出來(lái)的穩(wěn)定性的變化。所用

10、到的依然是密度泛函計(jì)算方法。由于C8-G氧化物是DNA破壞中最主要的產(chǎn)物，并且C8位距離引入環(huán)的位置也很近，因此，我們重點(diǎn)討論了擴(kuò)環(huán)對(duì)C8位活性的影響。計(jì)算的結(jié)果表明，芳香環(huán)的引入會(huì)降低C8位上的電子云密度分布，從而使得C8位的質(zhì)子H+或者H原子變得容易失去，而H．自由基的攻擊反應(yīng)則較天然堿基更難進(jìn)行。而非芳香性環(huán)的引入則會(huì)造成不同的影響，即：C8位的去質(zhì)子化反應(yīng)以及H原子脫去反應(yīng)會(huì)較難進(jìn)行，而H·自由基的攻擊則會(huì)較容易進(jìn)行。為了更好的

11、解釋這個(gè)現(xiàn)象，我們對(duì)所考察堿基做了詳細(xì)的NBO分析，并且利用可靠的NICS方法對(duì)其芳香性也進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明，由于芳香六元環(huán)的電子云密度分布小于五元芳香環(huán)，因此它的引入會(huì)引起五元咪唑環(huán)電子云密度的降低；而非芳香環(huán)由于帶有兩個(gè)未成對(duì)的單電子，因此起到的是電子供體特性，從而會(huì)造成G堿基中咪唑環(huán)芳香性的增大。并且引入環(huán)的芳香/非芳香性越大，影響就會(huì)越大，這也是C8位活性會(huì)受到引入環(huán)不同影響的根本原因。這里所討論到的擴(kuò)環(huán)堿基在不同DNA破壞

12、環(huán)境中穩(wěn)定性的研究可以鼓勵(lì)其在進(jìn)一步的實(shí)踐應(yīng)用方面的研究。 4．最后我們描述了修飾sDNA（前綴“s”意味著擴(kuò)環(huán)修飾）中空穴（正電荷）遷移的情況，即：雙質(zhì)子偶合空穴遷移。結(jié)合經(jīng)典動(dòng)力學(xué)模擬的大規(guī)模密度泛函量化計(jì)算結(jié)果表明擴(kuò)環(huán)修飾DNA中最高占據(jù)軌道（HOMO）軌道的分布與天然DNA中HOMO軌道的分布一致，即，5'-sGTsGsGsG-3'序列中的HOMO最高占據(jù)軌道主要分布在sGsGsG三體的5'-sG位置，而孤立sG堿基位

13、置則分布的很少。因此與天然DNA類(lèi)似，單電子氧化和親核攻擊反應(yīng)容易發(fā)生在sGsGsG三體的5'-sG位置。另外我們證實(shí)了通過(guò)孤立sG單體結(jié)構(gòu)的改變可以使電荷空穴從原來(lái)的sGsGsG三體位置遷移到孤立sG單體位置（即：孤立sGC上的雙質(zhì)子轉(zhuǎn)移現(xiàn)象伴隨電荷沿著sDNA雙螺旋結(jié)構(gòu)遷移，從而導(dǎo)致空穴分布發(fā)生相應(yīng)的變化）。這是由于雙質(zhì)子轉(zhuǎn)移產(chǎn)物的電離勢(shì)較原來(lái)低，使得其成為一個(gè)有效的空穴陷阱位置。這種修飾DNA中空穴遷移的現(xiàn)象與理論以及實(shí)驗(yàn)上所測(cè)得

14、的天然DNA中雙質(zhì)子偶合空穴遷移的現(xiàn)象一致，表明了電荷也可以在修飾DNAs中的擴(kuò)環(huán)鳥(niǎo)嘌呤之間相互跳躍。而進(jìn)一步的單體計(jì)算結(jié)果表明質(zhì)子轉(zhuǎn)移活化能能壘以及雙質(zhì)子轉(zhuǎn)移產(chǎn)物的電離勢(shì)要比天然G-C堿基低。因此我們可以預(yù)測(cè)擴(kuò)環(huán)修飾DNA中的雙質(zhì)子偶合空穴遷移要比天然DNA容易。結(jié)合擴(kuò)環(huán)DNAs有著較天然DNA更強(qiáng)的π-π堆積力以及更低HOMO-LUMO能隙等有助于其導(dǎo)電的特性，擴(kuò)環(huán)修飾雙螺旋結(jié)構(gòu)中的雙質(zhì)子偶合空穴遷移現(xiàn)象的討論為其可以成為分子導(dǎo)線應(yīng)