與生命過程相關(guān)的核酸堿基脲嘧啶的耦合機(jī)制及相關(guān)性質(zhì)研究.pdf

1、核酸在生物體系中起著十分重要的作用，是最根本的生命的物質(zhì)基礎(chǔ)。核酸在生物的遺傳變異、生長發(fā)育以及蛋白質(zhì)合成中起著重要的作用。脲嘧啶作為核酸堿基的組成部分，具有重要的生物學(xué)和藥物學(xué)意義。在轉(zhuǎn)移核糖核酸(tRNA)中存在微量的硫代脲嘧啶，而且硫代脲嘧啶還可以作為抗癌、抗甲腺的藥劑。正常情況下，脲嘧啶在雙螺旋結(jié)構(gòu)中主要以酮式的結(jié)構(gòu)存在。通過氫原子的轉(zhuǎn)移，脲嘧啶可以產(chǎn)生許多互變異構(gòu)體，而且研究表明它的一些互變異構(gòu)形式可能會導(dǎo)致堿基的錯配。因此，

2、不同外界因素對核酸堿基脲嘧啶結(jié)構(gòu)和性質(zhì)影響的研究是一個很重要的領(lǐng)域。 量子化學(xué)的應(yīng)用正在逐漸擴(kuò)大，它為實(shí)驗(yàn)研究提供合理的簡化模型和理論預(yù)測的能力體現(xiàn)的日趨明顯，對一些現(xiàn)階段實(shí)驗(yàn)上難以解決的問題往往可以給出新穎的借鑒。它的發(fā)展及影響隨著新理論的不斷提出及高級計算方法的不斷出現(xiàn)而逐漸加強(qiáng)。本文的工作正是立足于此，在對復(fù)雜的核酸堿基及其周圍的不同外界因素進(jìn)行簡單化模擬的基礎(chǔ)上，利用密度泛函理論B3IXP/6-31+G<'*>，B3L

3、XP/6-311+G<'*>和B3LYP/6-311++G<'**>方法對脲嘧啶模型在眾多不同的外界因素影響下結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的變化情況進(jìn)行了一系列的討論，并取得了一些非常有意義的結(jié)論。 首先，我們對脲嘧啶與鋅離子以及水合鋅離子的耦合情況進(jìn)行了討論。計算結(jié)果表明，脲嘧啶模型與鋅離子的雙齒耦合模式比單齒耦合模式穩(wěn)定。鋅離子的引入促使脲嘧啶發(fā)生質(zhì)子轉(zhuǎn)移，鋅離子與脲嘧啶在雙齒耦合模式中形成了一個四元敖合環(huán)。在脲嘧啶模型中，四位置的羰基氧原

4、子比二位置的羰基氧原子的堿性強(qiáng)，也就是說它與鋅離子的耦合作用比較強(qiáng)。引入水分子后脲嘧啶與鋅離子的鍵能明顯降低，同時紅外光譜研究表明脲嘧啶中羰基的鍵能增強(qiáng)，而且對單齒耦合模式的影響比雙齒耦合模式大，但是體系中最強(qiáng)堿性的位置沒有發(fā)生變化，仍然是四位置的羰基氧原子。在中性的脲嘧啶中，一位置的氨基基團(tuán)比三位置的氨基基團(tuán)的酸性強(qiáng)。但是引入鋅離子后使得整個體系的酸性增強(qiáng)，而且三位置的氨基基團(tuán)比一位置的氨基基團(tuán)的酸性強(qiáng)。 其次，我們從結(jié)構(gòu)、

5、酸性、電離勢、單重態(tài)躍遷到三重態(tài)的激發(fā)能、以及脲嘧啶二聚體的成對能等方面系統(tǒng)討論了硫代對脲嘧啶單體及其二聚體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響。分析結(jié)果表明，脲嘧啶單體及其二聚體中的羰基氧原子被硫原子取代后，最高占據(jù)軌道與最低空軌道之間的能量間隙明顯的降低。硫代導(dǎo)致了體系酸性的增強(qiáng)。一位置的氨基基團(tuán)比三位置的氨基基團(tuán)的酸性強(qiáng)，從側(cè)面也反映出其形成氫鍵的能力比較強(qiáng)。硫代降低了脲嘧啶單體及其二聚體的電離勢以及垂直和絕熱單一、三激發(fā)能，說明硫代脲嘧啶比較容易

6、失去電子形成正離子，而且硫原子參與形成的氫鍵受電離和激發(fā)的影響比氧原子參與形成的氫鍵受到的影響大。硫代增加了脲嘧啶單體及其二聚體與鋅離子的鍵能，但降低了二聚體的穩(wěn)定性。 最后，我們研究了甲基化對脲嘧啶單體以及腺嘌呤．脲嘧啶堿基對的影響情況。結(jié)果表明，脲嘧啶的羰基氧原子上引入甲基正離子后，體系的幾何結(jié)構(gòu)沒有產(chǎn)生明顯的變化，脲嘧啶分子仍然保持平面結(jié)構(gòu)。而且無論是在脲嘧啶的02還是04位置上引入甲基正離子都能夠使體系的酸性增強(qiáng)，但不