碱基对UG、UU、AG、AT、GC与精、赖、组氨酸和天冬酰胺侧链间的氢键作用

摘要

研究核酸碱基对(base pair)与蛋白质氨基酸(Amino acids)间的氢键作用位点，对深入理解蛋白质与DNA/RNA间的分子识别作用、设计新型生物分子材料有重要指导价值。本文使用密度泛函理论B3LYP/6-31+G(d,p)方法优化得到了精氨酸(arginine)、赖氨酸(lysine)、天冬酰胺(asparagine)、组氨酸(histidine)侧链与两种Watson-Crick碱基对(AT、GC)和三种非Watson-Crick碱基对(UG、UU、GA)形成的61个氢键复合物的稳定结构，使用包含基组重叠误差校正的密度泛函理论M06-2X-D3/aug-cc-pVDZ方法计算得到了各复合物的相互作用能，同样的方法加上PCM模型得到所有复合物在水相中的稳定结构和相互作用能。使用M06-2X/aug-cc-pVDZ计算得到各复合物的氢键临界点电子密度。研究工作主要总结如下：
　　1.探讨了四种氨基酸侧链与五种碱基对主要构型间可能形成氢键作用的位点。复合物相互作用能的研究结果表明，四种氨基酸侧链均可通过碱基对上多个位点形成氢键复合物。按复合物的氢键类型归类后发现：U1G、U2G、U3G与天冬酰胺和组氨酸侧链间的氢键作用都有两个强作用位点，分别是site1和site5、site1和site4、site1和site4；UG和精氨酸侧链间氢键作用的强作用位点是U2G的site5；UG和赖氨酸侧链氢键作用的强作用位点是U2G的site6；UU和赖氨酸侧链氢键作用的强作用位点是U2U3的site1；GA与天冬酰胺和组氨酸侧链氢键作用的强作用位点是site1；TA与天冬酰胺和组氨酸侧链氢键作用的强作用位点是site1和site3；GC与天冬酰胺和组氨酸侧链间氢键作用的强作用位点是site1和site4。由氢键临界点电子密度所得的复合物稳定性次序与由相互作用能所得复合物的稳定性次序一致。
　　2.探究了质子化反应焓变、去质子化反应焓变与氢键复合物稳定性的关系。研究结果表明，氨基酸侧链分子与碱基对上不同位点相互作用时，碱基对某一位点的质子化反应焓变值越负，所形成的氢键复合物越稳定；去质子化反应焓变值越正，所形成的氢键复合物越不稳定。由碱基质子化和去质子化反应焓变值所得复合物的稳定性次序与由相互作用能所得复合物的稳定性次序一致。
　　3.计算结果表明，水环境对复合物的相互作用能有影响，但强弱次序和气相中次序基本保持一致。

目录

声明

引言

1 研究对象与计算方法

1.1 研究对象和命名

1.2 计算方法

2 结果与讨论

2.1 碱基对与氨基酸侧链间的氢键作用

2.1.1 碱基对UG与天冬酰胺、组氨酸侧链的氢键作用

2.1.2 碱基对UG与精氨酸侧链的氢键作用

2.1.3 碱基对UG与赖氨酸侧链的氢键作用

2.1.4 碱基对UU与赖氨酸侧链的氢键作用

2.1.5 碱基对AG与天冬酰胺、组氨酸侧链的氢键作用

2.1.6 碱基对AT与天冬酰胺、组氨酸侧链的氢键作用

2.1.7 碱基对GC与天冬酰胺、组氨酸侧链的氢键作用

2.1.8 小结

2.2 质子化反应和去质子化反应焓变与氢键强度关系

2.2.1 质子化反应和去质子化反应

2.2.2 碱基质子化反应和去质子化反应焓变与氢键强度关系分析

2.2.3 小结

2.3 水环境对复合物相互作用能的影响

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢