与DNA空穴迁移有关的负解离能态相关性质研究

摘要

长程的DNA空穴迁移是现在研究的一个热点话题。单电子氧化的DNA形成的空穴能够通过π堆积效应沿着DNA链迁移,由于鸟嘌呤的电离势在四个碱基中最小,氧化破坏的位置一般在鸟嘌呤碱基上。氧化破坏的鸟嘌呤被认为是突变和致癌作用的来源,能够导致疾病和老化。一般来说,碱基的序列、堆积以及水或者氧对空穴的接近被认为是显著的影响空穴俘获的位置和有效性的主要因素,但是由于DNA双螺旋中大沟与小沟的存在,DNA周围的生物环境中的一些其它因素也能够影响和调控DNA空穴迁移。本文首次发现了三螺旋Cp·G()C(·和()分别表示Watson-Crick氢键和Hoogsteen氢键)第三链上质子化的胞嘧啶Cp、渗透到DNA大小沟中的金属抗衡离子以及带正电荷的氨基酸残基这些不同外界因素在影响DNA迁移中出现的一种反常的负解离能现象,进而探讨了与负解离能现象相关的一些性质以及影响负解离能现象的一些因素如质子转移、水化效应、溶剂化效应等,从而为理解相关领域的能量的储存和转移机制提供定性和定量的信息。取得了一些有意义的研究成果,具体如下:
　　 1.三螺旋DNA空穴迁移中发现的负解离能现象:我们在研究三螺旋Cp·GοC空穴迁移过程中首次发现了一种新颖的负解离能现象。从头算计算显示了氢键的一种反常的能量学现象。三螺旋空穴迁移的实验表明,这种氢键是空穴在三螺旋Cp·GοC位置上停留时产生的。这种能量学现象能够解释在三螺旋Cp·GοC位置上虽然较少但确实存在的氧化可能性。空穴俘获能够很大程度上使得一个三螺旋Cp'GοC单元的稳定性降低,从而导致了一种意想不到的具有负解离能的解离通道。由于势垒的阻碍,化合物不会自动解离,从而能够暂时稳定存在。这种解离通道是由静电排斥和氢键吸引力这两种相互作用之间的平衡决定的。上述两种相互作用是在构成氢键的两个相应的分子片之间产生的,并且这两种对立的相互作用随着氢键的距离增大它们衰减的程度不一样。这种三螺旋Cp·GοC单元可以看作DNA分子线上的高能连接点,同时还能够通过它不寻常的能量学现象来调控空穴在这个位置上分布或者通过这个位置的迁移。本文提供了有用的信息,这些信息可以用来理解一种未知类型的复杂的分子间相互作用,一种新颖的高能氢键。同时这种现象也可以用来进一步解释一些隐藏的转移特性以及在相应领域能量储存和转移机制。
　　 2.金属离子调控DNA空穴迁移过程中发现的负解离能现象:本章首次发现了渗透到DNA大小沟中的金属离子在调控DNA空穴迁移过程中出现的一种反常的负解离能现象。我们用密度泛函的理论方法研究了化合物Na+GC和其空穴俘获的衍生物[Na+GC]+的电子及能量学特性。其中,化合物Na+GC表示钠离子在DNA大沟方向中结合到鸟嘌呤碱基上N7和O6位置上形成的化合物。钠离子从化合物Na+GC中解离时它的解离能是正的。和这种正常的情况所不同的是,对于俘获空穴之后的化合物[Na+GC]+,势能面的探测显示出一种不同寻常的能量学现象。空穴俘获能够非常显著地使Na+…N7/O6键的解离能从正值(63.09kcal/mol)减少到负值(-14.80kcal/mol),这表明空穴俘获会导致化合物中Na+…N7/O6化学键的不稳定。但是频率分析证明了这种俘获空穴之后的化合物[Na+GC]+仍然是稳定的,并没有自动地沿着Na+…N7/O6化学键的方向解离。这种出人意料的负解离能现象表明化合物Na+GC在俘获空穴之后会处于一种特殊的亚稳定状态,并且俘获空穴的过程中在Na+…N7/O6化学键的区域储存了大约16kcal/mol的能量。键的临界点的电子密度以及它的拉普拉斯算符数值的拓扑特性表明这种新颖的能量学现象主要起源于空穴俘获导致在两个由储能键(Na+…N7/O6化学键)结合的两个单体之间增加的静电排斥相互作用。空穴俘获导致的从鸟嘌呤到胞嘧啶之间的质子转移会使得负解离能现象覆盖整个Na+…N7/O6化学键和Watson-Crick氢键区域。钠离子结合到小沟并且空穴在此处俘获时,我们也能观察到类似的负解离能现象。空穴俘获之后的化合物水合之后能够对负解离能产生不同的影响,这主要取决于水分子结合到化合物上的位置。气相中的负解离能的数值在不同溶液中会随着介电常数的增加而减少。
　　 3.氨基酸残基调控过程DNA空穴迁移中发现的负解离能现象:虽然渗透到DNA大小沟中的金属离子能够调控DNA空穴迁移,但是能够金属离子渗透到沟中的情况并不是普遍存在的。在生物体中,DNA是和周围的蛋白质紧密结合在一起的。通过研究蛋白质中带正电荷的氨基酸残基对DNA空穴迁移的调控作用,我们首次发现了一种潜在的负解离能现象,为理解蛋白质在DNA空穴迁移中所起的作用提供了一个新的角度。我们使用密度泛函的理论计算方法在B3LYP/6-311++G**的理论水平上优化得到了带正电荷的精氨酸基团(ArgH+)、赖氨酸基团(LysH+)和组氨酸基团残基(HisH+)分别在DNA的大小沟位置上与单电子氧化的Watson-Crick型碱基对Guanine-Cytosine发生相互作用的化合物,并选取其中最稳定的六种化合物进行了研究。我们在研究这些化合物势能面的时候首次发现了一种新颖的负解离能现象。当带正电荷的氨基酸基团与单电子氧化的GC碱基对之间的氢键断裂时,解离能是负的。这表明化合物的能量要比两个单体的能量之和高,化合物处于一种高能状态。我们考察了这些化合物的分子轨道,静电势,自旋密度并对化合物中的所有氢键进行了AIM(atom in molecular)成键分析。根据AIM的分析结果,我们把这种负解离能现象的本质归结为氢键连接的两个单体(带正电荷的氨基酸残基和单电子氧化的GC)之间产生的静电排斥作用。在单电子氧化的情况下,上述六种化合物容易发生从鸟嘌呤到胞嘧啶的单质子转移反应,质子转移的产物中Watson-Crick(WC)氢键的解离能也变成了负值。此外,我们还研究了解离能与电离势二者之间的关系,Y+从化合物Y+GC中分离时的负解离能会使得化合物的电离势数值大大增加。
　　 4.构造储能键:负解离能现象是我们首次发现的一种特殊的能量学现象。这种解离能是负值的化学键我们称之为储能键。在氨基酸与多阳离子的化合物、氧化的GC碱基对与质子化的胞嘧啶、金属离子以及带正电荷的氨基酸残基的化合物中都发现了这种反常的能量学现象。我们把这些体系中负解离能现象所具有的共同本质归结为静电排斥相互作用。我们设计了一些碱基类似物来探究构造储能键的条件以及影响负解离能大小的一些外在因素,得到了下面一些结论。构造具有负解离能的储能键的必要条件是储能键连接的两个单体必须带有同种电荷,这样两个单体之间才能够产生静电排斥相互作用。含有储能键的化合物水化时,随着水分子数目从1个增加到4个,负解离能的数值是不断增大的。具有不同性质,在不同位置的取代基团对负解离能的大小的影响是不一样的,吸电子基团会使得负解离能的数值变大,而供电子基团会使得负解离能的数值减小。此外,我们还发现储能键的键长是储存能量大小的一个标志。在储能键存在的情况下,其键长越大,负解离能的数值越大。

目录

文摘

英文文摘

CONTENTS

第一章 绪论

1.1.概述

1.2.本课题的研究背景

1.3.DNA空穴迁移的研究进展

1.4.计算方法

1.5.本论文开展的主要工作

参考文献

第二章 三螺旋DNA空穴迁移中亚稳氢键负解离能现象的发现

2.1.研究背景

2.2.计算细节

2.3.结果和讨论

2.3.1.俘获空穴后三螺旋Cp·G()C中负解离能现象的发现

2.3.2.空穴俘获后三螺旋Cp·G()C和T·A()T几何构型的变化

2.3.3.三螺旋[Cp·G()C]+的自旋密度

2.3.4.三螺旋Ca·-G()C和T·A()T中氢键能量分解以及AIM分析

2.3.5.俘获空穴之后三螺旋Cp·G()C的静电势图

2.3.6.负解离能曲线的本质

2.3.7.质子转移对负解离能的影响

2.3.8.堆积效应对负解离能现象的影响

2.3.9.其它类型三螺旋CGG和TAA中的负解离能

2.4.结论

附录

参考文献

第三章 抗衡离子调控DNA空穴迁移过程中负解离能现象的发现

3.1.研究背景

3.2.计算细节

3.3.结果与讨论

3.3.1.空穴俘获后的几何构型的变化

3.3.2.空穴的定域化及对俘获后产物[Na+GC]+的解离能的影响

3.3.3.负解离能现象中化学键的性质分析

3.3.4.负解离能现象的起源

3.3.5.质子转移反应对负解离能现象的影响

3.3.6.水化效应对负解离能现象的影响

3.3.7.溶剂效应

3.4. 结论

附录

参考文献

第四章 氨基酸残基调控DNA空穴迁移中负解离能现象的发现

4.1.研究背景

4.2.计算细节

4.3.结果与讨论

4.3.1.几何构型

4.3.2.负解离能现象的发现

4.4.3.自旋密度的分布

4.3.4.负解离能现象的本质以及AIM分析

4.3.5.质子转移反应对负解离能的影响

4.3.6.电子轨道以及静电势图形

4.3.7.解离能与电离势两者之间的关系

4.3.8.负解离能现象在空穴迁移中的应用

4.4.结论

附录

参考文献

第五章 构造储能键

5.1.研究背景

5.2.计算细节

5.3.结果与讨论

5.3.1.储能键的本质

5.3.2.构造储能键的条件

5.3.3.水化效应对负解离能的影响

5.3.4.取代基团对负解离能的影响

5.3.5.储能键的键长与负解离能的关系

5.4.结论

附录

参考文献

致谢

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