DNA碱基、碱基对与水相互作用的量子化学研究

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1、贵州大学硕士学位论文DNA碱基、碱基对与水相互作用的量子化学研究姓名：谈勇申请学位级别：硕士专业：物理化学指导教师：王一波20030501中文摘要本文采用Gaussian98程序，在HF／6．31G’水平上对Adenine(H20)、Thymine(H20)、cytosine(H20)、GuaIline(H20)和Adenine(H20)2氢键复合物的可能构型进行优化。然后，在B3LYP／6—3l++G(d，p)水平上对稳定构型进行单点能量计算。例如，Adenine(H20)的四个可能极小构型A(H20)

2、-N7H2、A(H20)-N7、A(H20)_N3H4andA(H20)-N1Hl在势能面上被找到。其中，A(H20)一N3H4是四个可能构型中最稳定的，它是一种具有环状平面结构的氢键复合物体系，并表现出一些非传统的结构特征。这里，水既是电子给予体又是质子给予体。分子间结合能的数据表明，四种可能构型A(H20)_N3H4、Am20)-N7H2、A(H20)．N1Hl、A(H20)IN7的结合能的数值依次增大。A(H20)州3H4的结合能为．10．313kcal，mol。同样地，我们用从头算Hanree-F

3、ock方法和DFT方法研究了Thymine(H20)、cytosine(H20)、Guanine(H20)alldAdenine(H20)2体系中氢键特征，计算了Thyrnine(H20)、cytosine(H20)、Guanine(H20)和Adenine(H20)2体系中氢键的键长和分子间结合能，得到了Thymine(H20)、Cytosine(H20)、GuarIine(H20)和Adenine(H20)2若干稳定构型。最后，我们通过HF，6—31G+计算求得被水化的碱基对Adenine．Thymi

4、ne(H20)势能面上可能优化构型，经B3LYP／6．3lHo(d，p)考虑电子相关求得这些构型下的分子间结合能。结果表明，在七种优化构型中A—T．w-N3H4最稳定，其分子间总的结合能为．21．003kcal／m01．总之，通过计算，我们分析了Adenine(H20)、Thymine(H20)、cytosine(H20)、Guanjne(H20)、Adenine(H20)2和Adenine-Thymine(H20)可能的复合物体系的构型特征，讨论了复合物体系中环状结构的协同效应问题。我们还比较了它们的能

5、量和稳定性，找出了它们的一些作用规律；并阐述了水对碱基对Adenille．Thymine的稳定性产生的影响。关键词：分子结构分子间相互作用氢键结合能能量DFTHanree—Fock复合物21．1生命体系中氢键的意义第一章绪论分子水平上的生命现象，起因于生物分子的构型及其变化，以及生物分子间的相互作川。生物分子体系中的弱相互作用是一类普遍存在的重要作用。在诸多的弱相互作用【1。6】中，对丁生命运动，氢键是最为重要的一种相互作_}}；i，是阐明生命与非生命、生命因果律，以至重建生命的契机。DNA的舣螺旋结构就

6、是是其中很典型的例子。Adenine对Thymine配对生成由两个氢键联结的互补对，cytosjne对Gualljne配对则生成三个氢键的互补对，由此组成了具有生物信息的结构基础。当双链之间的氢键被破坏时，暴露的单链序列在酶促合成中可指导合成同样的单链，这个过程包括互补氢键的形成和断裂。由于氢键是一种弱相互作用，所以在不破坏较强的糖一磷酸键的条件下，就能完成上述变化。这样一来，通过化学键能和分子结构的巧妙编排，就可以完成DNA分子中遗传信息的编码和复制。可见氢键在遗传机制中扮演着相当重要的角色。1936年

7、，Mirsky和Pauljng提出，保持肽健折叠结构的主要因素是存在氢键。1950年Pauling和corev的a一角蛋白的n螺旋结构学说划时代地确立了氢键的生物学地位。在以后的DNA砹螺旋学说(1953年waison和crick)、DNA半保留复制(1958年Meselson．stabl)、中心法则(1958年crick)、酶催化作川的诱导契合说(1958年Koshland)、氧化磷酸化的化学渗透学说(1961年Mitchell)、蛋白质别构理论(1965年Monod)、生物膜液态镶嵌模型(1972年s

8、inger)等著名的成果中都有力地说明了，不论是结构的还姓功能的．0；论是静态的还是动态的。不论是能量代谢还是信息代谢．不论是生理的还是病理的无不与氢键相关联。氢键的存在和重要作用都是客观的并且不可替代。随着生命科学的不断发展，人们进一步地认识到氢键在生物火分子体系和生命过程中的作_【_}J，其在生命体系中的意义正受到越来越多的人们的重视。1．2论文选题的产生选取的体系“核酸的结构和功能”是分子生物学、分子遗传学、生物医学和生