與DNA相關(guān)的鳥嘌呤及其衍生物性質(zhì)和作用機(jī)理研究.pdf

1、鳥嘌呤(G)是組成DNA的四種堿基之一，具有4種DNA堿基中最小的絕熱電離勢(shì)，所以DNA的氧化通常發(fā)生在鳥嘌呤堿基上。他們都具有N和O等活性位，可以結(jié)合成堿基對(duì)，并且由于DNA雙螺旋大溝與小溝的存在，使得外界因素可以影響堿基對(duì)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)。本文重點(diǎn)討論了金屬離子、單電子氧化、質(zhì)子離解、質(zhì)子轉(zhuǎn)移等眾多不同的因素對(duì)鳥嘌呤及其鳥嘌呤．胞嘧啶堿基對(duì)的氫鍵性質(zhì)和配對(duì)能力的影響，進(jìn)而探討DNA成功的保守復(fù)制和堿基錯(cuò)配形成的影響因素以及堿基錯(cuò)配的后果，

2、從而逐步達(dá)到揭示生命奧秘的目的。取得的一些有意義的研究成果，具體如下： 一、對(duì)GC堿基對(duì)離解能和氫鍵的性質(zhì)的認(rèn)識(shí)是理解堿基對(duì)生理功能的基礎(chǔ)。單電子氧化和Li<'+>離子的耦合可以增強(qiáng)GC堿基對(duì)中鳥嘌呤和胞嘧啶之間的相互作用。Li<'+>離子和鳥嘌呤的相互作用是相互吸引，并且是引起GC堿基對(duì)中氫鍵極化而增強(qiáng)GC相互作用的原因。GC陽(yáng)離子和Li-GC陽(yáng)離子中三個(gè)氫鍵的協(xié)同作用與中性GC堿基對(duì)內(nèi)的三個(gè)氫鍵的協(xié)同作用不同。在GC堿基對(duì)陽(yáng)

3、離子和Li-GC陽(yáng)離子中可以發(fā)生從鳥嘌呤的N1原子到胞嘧啶的N3原子之間的質(zhì)子轉(zhuǎn)移過(guò)程。過(guò)渡態(tài)的構(gòu)型是一個(gè)非平面結(jié)構(gòu)，尤其是Li-GC陽(yáng)離子的過(guò)渡態(tài)。對(duì)質(zhì)子轉(zhuǎn)移過(guò)程的活化能分析表明GC<'+>陽(yáng)離子的質(zhì)子轉(zhuǎn)移前和質(zhì)子轉(zhuǎn)移后的構(gòu)型能在氣相中同時(shí)存在，但是對(duì)于IJ-GC<'+>體系，沒(méi)有質(zhì)子轉(zhuǎn)移的構(gòu)型是氣相中的主要物種。 二、在GC堿基對(duì)陽(yáng)離子研究的基礎(chǔ)上，考察了在堿基上增加2'-脫氧核糖對(duì)堿基對(duì)的各種性質(zhì)的影響。一個(gè)電子從核酸對(duì)d

4、GdC上電離會(huì)引起三個(gè)氫鍵長(zhǎng)度的顯著變化，氫鍵O…H4-N4的長(zhǎng)度增加了0.160 A，氫鍵N1-H1…N3的長(zhǎng)度和N2-H2…O2氫鍵的長(zhǎng)度分別縮短了0.116 A和1.234A。為了揭示在單個(gè)的堿基上增加糖環(huán)后絕熱電離勢(shì)(AIP)的真實(shí)趨勢(shì)，我們計(jì)算了核酸對(duì)dGdC的絕熱電離勢(shì)。依據(jù)結(jié)構(gòu)的變化，能量的變化和電荷分布情況探討了注入一個(gè)正電荷的后果。預(yù)測(cè)到核酸對(duì)dGdC的絕熱電離勢(shì)是一個(gè)正值，為6.48 eV，并且相對(duì)于堿基鳥嘌呤和胞嘧

5、啶以及堿基對(duì)GC的絕熱電離勢(shì)有一個(gè)大幅度的下降。配對(duì)與增加糖環(huán)對(duì)絕熱電離勢(shì)的作用可以看作是各自作用的總和。配對(duì)對(duì)鳥嘌呤絕熱電離勢(shì)的影響和增加糖環(huán)對(duì)鳥嘌呤絕熱電離勢(shì)的影響差不多。在dGdC<'+>核酸對(duì)陽(yáng)離子中單電荷主要位于脫氧核糖鳥嘌呤分子片上。dGdC<'+>核酸對(duì)陽(yáng)離子負(fù)的垂直電子結(jié)合能(-5.98 eV)表明陽(yáng)離子狀態(tài)相對(duì)于其垂直結(jié)合電子的狀態(tài)是一個(gè)不穩(wěn)定的狀態(tài)。對(duì)于中性的dGdC核酸對(duì)預(yù)測(cè)到一個(gè)相當(dāng)大的垂直電離勢(shì)(VIP 7.0

6、5 eV)。在GC堿基對(duì)陽(yáng)離子和dGdC核酸對(duì)陽(yáng)離子中可以發(fā)生從鳥嘌呤的N1原子到胞嘧啶的N3原子的質(zhì)子轉(zhuǎn)移過(guò)程，并且這個(gè)過(guò)程因?yàn)樘黔h(huán)在堿基上的連接而變得容易。因此，可以推測(cè)質(zhì)子轉(zhuǎn)移前和質(zhì)子轉(zhuǎn)移后的dGdC核酸對(duì)陽(yáng)離子能同時(shí)存在。三、對(duì)G-M(M=Li，Na)陽(yáng)離子的N1-H質(zhì)子離解能隨水分子結(jié)合數(shù)目和結(jié)合模式的變化進(jìn)行了考察。當(dāng)水合M<'+>離子與鳥嘌呤結(jié)合時(shí)有三種模式：NO模式、N模式和O模式。水合M<'+>離子與鳥嘌呤的結(jié)合能隨著

7、水分子數(shù)目的增加而降低。在不同數(shù)目的水分子和不同的水分子結(jié)合模式結(jié)合到G-M<'+>離子的條件下我們計(jì)算了G-M<'+>復(fù)合物的質(zhì)子離解能。結(jié)果顯示三種不同模式之間的質(zhì)子離解能差別很小，并且Na<'+>復(fù)合物的質(zhì)子離解能稍大于Li<'+>復(fù)合物的質(zhì)子離解能。水分子結(jié)合到M<'+>離子上對(duì)N1-H質(zhì)子的離解作用很小，但是當(dāng)水分子結(jié)合到N1-H質(zhì)子上并且作為水合質(zhì)子離解的時(shí)候，水分子的作用就很大。振動(dòng)頻率分析顯示振動(dòng)頻率的變化對(duì)應(yīng)著結(jié)構(gòu)的變

8、化和N1-H質(zhì)子離解能的變化。在生理?xiàng)l件下，鳥嘌呤的N1-H質(zhì)子比較容易失去，質(zhì)子離解能為45.60 kcal/mol。 四、鳥嘌呤的電離對(duì)堿基對(duì)形成的作用和鳥嘌呤的電離對(duì)DNA內(nèi)空穴轉(zhuǎn)移的作用和鳥嘌呤陽(yáng)離子的去質(zhì)子化對(duì)堿基對(duì)形成的作用都進(jìn)行了研究。與中性的DNA堿基配對(duì)可以降低鳥嘌呤的絕熱電離勢(shì)，而與質(zhì)子化的DNA堿基配對(duì)則可以升高鳥嘌呤的絕熱電離勢(shì)。Watson-Crick模式的堿基對(duì)的絕熱電離勢(shì)的降低對(duì)空穴轉(zhuǎn)移的作用很小，

9、但是由于堿基錯(cuò)配引起的結(jié)構(gòu)的變化會(huì)打破DNA螺旋的π-堆積結(jié)構(gòu)，從而會(huì)不利于空穴的轉(zhuǎn)移。錯(cuò)配的堿基對(duì)GA-1和GA-2可以增加空穴從一條鏈轉(zhuǎn)移到另一條鏈上的可能性。質(zhì)子化的腺嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶以及中性的鳥嘌呤與鳥嘌呤通過(guò)Hoogsteen模式配對(duì)以后對(duì)空穴的轉(zhuǎn)移有很大的影響，但是影響的機(jī)理卻不盡相同。質(zhì)子化的腺嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶通過(guò)Hoogsteen模式與鳥嘌呤配對(duì)以后，鳥嘌呤的絕熱電離勢(shì)會(huì)大大增加，從而阻止空穴的轉(zhuǎn)移。當(dāng)中性的

10、鳥嘌呤通過(guò)。Hoogsteen模式與鳥嘌呤配對(duì)以后，鳥嘌呤的絕熱電離勢(shì)會(huì)大大降低，因此空穴會(huì)自發(fā)地轉(zhuǎn)移到第三條鏈上并被Hoogsteen模式的GG堿基對(duì)所捕獲。從能量的觀點(diǎn)看，鳥嘌呤的電離不會(huì)增加Watson-Crick模式堿基對(duì)錯(cuò)配的幾率，但是鳥嘌呤陽(yáng)離子上的質(zhì)子失去會(huì)有利于G(-H)與鳥嘌呤的結(jié)合。在Hoogsteen模式的堿基對(duì)中，鳥嘌呤的電離對(duì)作用模式的作用很小。但是當(dāng)質(zhì)子化的腺嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶通過(guò)Hoogsteen模式與

11、鳥嘌呤配對(duì)可能會(huì)因?yàn)轼B嘌呤的電離而離解。質(zhì)子從鳥嘌呤陽(yáng)離子上失去對(duì)Hoogsteen模式堿基對(duì)的成對(duì)能影響很小。五、通過(guò)dGTP結(jié)合到DNA模版的過(guò)程研究了DNA保守合成的機(jī)理。從DNA堿基上切除水分可以增加正確的堿基對(duì)和不正確的堿基對(duì)之間的能量差，但是水分子對(duì)形成吉布斯自由能的影響依賴于水分子的結(jié)合位點(diǎn)。從即將進(jìn)入的dNTP上切除水分子的作用不是DNA成功復(fù)制的唯一因素而是DNA成功復(fù)制的第一步。第二步是DNA聚合酶通過(guò)比較正確的堿基

12、對(duì)和不正確的堿基之間的結(jié)構(gòu)比較來(lái)選擇正確的DNA堿基。精氨酸668(Arg668)在即將進(jìn)入的dNTP上的結(jié)合可以降低堿基對(duì)的形成吉布斯自由能，尤其是對(duì)于正確的堿基對(duì)，因此增加DNA形成的速率。當(dāng)DNA末端的底物是正確的堿基，鳥嘌呤和腺嘌呤的延伸比胞嘧啶和胸腺嘧啶的延伸要快的多。因?yàn)楫?dāng)DNA末端的堿基是鳥嘌呤和腺嘌呤時(shí)，精氨酸668可以和底物末端的小溝以及即將進(jìn)入的dNTP的糖分子片上的環(huán)氧之間形成一個(gè)氫鍵叉。因?yàn)椴徽_的堿基對(duì)的結(jié)構(gòu)和