與DNA空穴遷移有關的負解離能態(tài)相關性質(zhì)研究.pdf

1、長程的DNA空穴遷移是現(xiàn)在研究的一個熱點話題。單電子氧化的DNA形成的空穴能夠通過π堆積效應沿著DNA鏈遷移,由于鳥嘌呤的電離勢在四個堿基中最小,氧化破壞的位置一般在鳥嘌呤堿基上。氧化破壞的鳥嘌呤被認為是突變和致癌作用的來源,能夠?qū)е录膊『屠匣?。一般來說,堿基的序列、堆積以及水或者氧對空穴的接近被認為是顯著的影響空穴俘獲的位置和有效性的主要因素,但是由于DNA雙螺旋中大溝與小溝的存在,DNA周圍的生物環(huán)境中的一些其它因素也能夠影響和調(diào)控

2、DNA空穴遷移。本文首次發(fā)現(xiàn)了三螺旋Cp·G()C(·和()分別表示W(wǎng)atson-Crick氫鍵和Hoogsteen氫鍵)第三鏈上質(zhì)子化的胞嘧啶Cp、滲透到DNA大小溝中的金屬抗衡離子以及帶正電荷的氨基酸殘基這些不同外界因素在影響DNA遷移中出現(xiàn)的一種反常的負解離能現(xiàn)象,進而探討了與負解離能現(xiàn)象相關的一些性質(zhì)以及影響負解離能現(xiàn)象的一些因素如質(zhì)子轉(zhuǎn)移、水化效應、溶劑化效應等,從而為理解相關領域的能量的儲存和轉(zhuǎn)移機制提供定性和定量的信息。取

3、得了一些有意義的研究成果,具體如下:
　　 1.三螺旋DNA空穴遷移中發(fā)現(xiàn)的負解離能現(xiàn)象:我們在研究三螺旋Cp·GοC空穴遷移過程中首次發(fā)現(xiàn)了一種新穎的負解離能現(xiàn)象。從頭算計算顯示了氫鍵的一種反常的能量學現(xiàn)象。三螺旋空穴遷移的實驗表明,這種氫鍵是空穴在三螺旋Cp·GοC位置上停留時產(chǎn)生的。這種能量學現(xiàn)象能夠解釋在三螺旋Cp·GοC位置上雖然較少但確實存在的氧化可能性?？昭ǚ@能夠很大程度上使得一個三螺旋Cp'GοC單元的穩(wěn)定性降

4、低,從而導致了一種意想不到的具有負解離能的解離通道。由于勢壘的阻礙,化合物不會自動解離,從而能夠暫時穩(wěn)定存在。這種解離通道是由靜電排斥和氫鍵吸引力這兩種相互作用之間的平衡決定的。上述兩種相互作用是在構(gòu)成氫鍵的兩個相應的分子片之間產(chǎn)生的,并且這兩種對立的相互作用隨著氫鍵的距離增大它們衰減的程度不一樣。這種三螺旋Cp·GοC單元可以看作DNA分子線上的高能連接點,同時還能夠通過它不尋常的能量學現(xiàn)象來調(diào)控空穴在這個位置上分布或者通過這個位置的

5、遷移。本文提供了有用的信息,這些信息可以用來理解一種未知類型的復雜的分子間相互作用,一種新穎的高能氫鍵。同時這種現(xiàn)象也可以用來進一步解釋一些隱藏的轉(zhuǎn)移特性以及在相應領域能量儲存和轉(zhuǎn)移機制。
　　 2.金屬離子調(diào)控DNA空穴遷移過程中發(fā)現(xiàn)的負解離能現(xiàn)象:本章首次發(fā)現(xiàn)了滲透到DNA大小溝中的金屬離子在調(diào)控DNA空穴遷移過程中出現(xiàn)的一種反常的負解離能現(xiàn)象。我們用密度泛函的理論方法研究了化合物Na+GC和其空穴俘獲的衍生物[Na+GC]

6、+的電子及能量學特性。其中,化合物Na+GC表示鈉離子在DNA大溝方向中結(jié)合到鳥嘌呤堿基上N7和O6位置上形成的化合物。鈉離子從化合物Na+GC中解離時它的解離能是正的。和這種正常的情況所不同的是,對于俘獲空穴之后的化合物[Na+GC]+,勢能面的探測顯示出一種不同尋常的能量學現(xiàn)象?？昭ǚ@能夠非常顯著地使Na+…N7/O6鍵的解離能從正值(63.09kcal/mol)減少到負值(-14.80kcal/mol),這表明空穴俘獲會導致化合

7、物中Na+…N7/O6化學鍵的不穩(wěn)定。但是頻率分析證明了這種俘獲空穴之后的化合物[Na+GC]+仍然是穩(wěn)定的,并沒有自動地沿著Na+…N7/O6化學鍵的方向解離。這種出人意料的負解離能現(xiàn)象表明化合物Na+GC在俘獲空穴之后會處于一種特殊的亞穩(wěn)定狀態(tài),并且俘獲空穴的過程中在Na+…N7/O6化學鍵的區(qū)域儲存了大約16kcal/mol的能量。鍵的臨界點的電子密度以及它的拉普拉斯算符數(shù)值的拓撲特性表明這種新穎的能量學現(xiàn)象主要起源于空穴俘獲導致

8、在兩個由儲能鍵(Na+…N7/O6化學鍵)結(jié)合的兩個單體之間增加的靜電排斥相互作用?？昭ǚ@導致的從鳥嘌呤到胞嘧啶之間的質(zhì)子轉(zhuǎn)移會使得負解離能現(xiàn)象覆蓋整個Na+…N7/O6化學鍵和Watson-Crick氫鍵區(qū)域。鈉離子結(jié)合到小溝并且空穴在此處俘獲時,我們也能觀察到類似的負解離能現(xiàn)象?？昭ǚ@之后的化合物水合之后能夠?qū)ω摻怆x能產(chǎn)生不同的影響,這主要取決于水分子結(jié)合到化合物上的位置。氣相中的負解離能的數(shù)值在不同溶液中會隨著介電常數(shù)的增加而

9、減少。
　　 3.氨基酸殘基調(diào)控過程DNA空穴遷移中發(fā)現(xiàn)的負解離能現(xiàn)象:雖然滲透到DNA大小溝中的金屬離子能夠調(diào)控DNA空穴遷移,但是能夠金屬離子滲透到溝中的情況并不是普遍存在的。在生物體中,DNA是和周圍的蛋白質(zhì)緊密結(jié)合在一起的。通過研究蛋白質(zhì)中帶正電荷的氨基酸殘基對DNA空穴遷移的調(diào)控作用,我們首次發(fā)現(xiàn)了一種潛在的負解離能現(xiàn)象,為理解蛋白質(zhì)在DNA空穴遷移中所起的作用提供了一個新的角度。我們使用密度泛函的理論計算方法在B3L

10、YP/6-311++G**的理論水平上優(yōu)化得到了帶正電荷的精氨酸基團(ArgH+)、賴氨酸基團(LysH+)和組氨酸基團殘基(HisH+)分別在DNA的大小溝位置上與單電子氧化的Watson-Crick型堿基對Guanine-Cytosine發(fā)生相互作用的化合物,并選取其中最穩(wěn)定的六種化合物進行了研究。我們在研究這些化合物勢能面的時候首次發(fā)現(xiàn)了一種新穎的負解離能現(xiàn)象。當帶正電荷的氨基酸基團與單電子氧化的GC堿基對之間的氫鍵斷裂時,解離能

11、是負的。這表明化合物的能量要比兩個單體的能量之和高,化合物處于一種高能狀態(tài)。我們考察了這些化合物的分子軌道,靜電勢,自旋密度并對化合物中的所有氫鍵進行了AIM(atom in molecular)成鍵分析。根據(jù)AIM的分析結(jié)果,我們把這種負解離能現(xiàn)象的本質(zhì)歸結(jié)為氫鍵連接的兩個單體(帶正電荷的氨基酸殘基和單電子氧化的GC)之間產(chǎn)生的靜電排斥作用。在單電子氧化的情況下,上述六種化合物容易發(fā)生從鳥嘌呤到胞嘧啶的單質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應,質(zhì)子轉(zhuǎn)移的產(chǎn)物中

12、Watson-Crick(WC)氫鍵的解離能也變成了負值。此外,我們還研究了解離能與電離勢二者之間的關系,Y+從化合物Y+GC中分離時的負解離能會使得化合物的電離勢數(shù)值大大增加。
　　 4.構(gòu)造儲能鍵:負解離能現(xiàn)象是我們首次發(fā)現(xiàn)的一種特殊的能量學現(xiàn)象。這種解離能是負值的化學鍵我們稱之為儲能鍵。在氨基酸與多陽離子的化合物、氧化的GC堿基對與質(zhì)子化的胞嘧啶、金屬離子以及帶正電荷的氨基酸殘基的化合物中都發(fā)現(xiàn)了這種反常的能量學現(xiàn)象。我們

13、把這些體系中負解離能現(xiàn)象所具有的共同本質(zhì)歸結(jié)為靜電排斥相互作用。我們設計了一些堿基類似物來探究構(gòu)造儲能鍵的條件以及影響負解離能大小的一些外在因素,得到了下面一些結(jié)論。構(gòu)造具有負解離能的儲能鍵的必要條件是儲能鍵連接的兩個單體必須帶有同種電荷,這樣兩個單體之間才能夠產(chǎn)生靜電排斥相互作用。含有儲能鍵的化合物水化時,隨著水分子數(shù)目從1個增加到4個,負解離能的數(shù)值是不斷增大的。具有不同性質(zhì),在不同位置的取代基團對負解離能的大小的影響是不一樣的,吸