（无机化学专业论文）多吡啶类手性金属配合物与含wobble错配dna相互作用的分子模拟研究.pdfVIP

摘要 摘要 具有g ：c 和a ：t 碱基配对的d n a 双股螺旋是遗传信息储存、表达 和稳定传递的重要载体。这一特异性配对方式有利于核酸结构的稳定。 大沟、小沟中官能团的分布有利于蛋白酶、金属离子以及具有生物功能 的金属配合物与d n a 的作用。为了使遗传信息准确地传给下一代，d n a 复制必须具有极高的精确性。然而，人类基因大约含有1 0 9 个碱基对， 任何对d n a 物理或化学的破坏都会影响双螺旋结构的完整性，导致在 d n a 复制过程中的碱基错配或误配、非配对碱基和链的断裂等。 近年来，人们对小分子过渡金属多吡啶配合物与大分子d n a 相互作 用的研究逐步深入，已经成为生物无机化学领域十分活跃的研究课题， 八面体多吡啶钌( i i ) 配合物广泛地被用于研究d n a 二级结构识别探针、 d n a 分子光开关、d n a 介导的电子转移、d n a 断裂试剂等，这些能特 异性识别d n a 的小分子，为新型基因选择药物的研究打下了坚实的基础。 本文通过分子力学计算方法，对一些多吡啶类金属配合物与错配 d n a 的相互作用建立模型，以求从分子水平上探讨它们的作用机理。此 前，我们工作组已经成功模拟了这类配合物对正常b d n a 和含g ：a 剪 式错配d n a 序列的识别作用。在本工作中，我们研究了应用较广泛的多 吡啶类过渡金属钌配合物 r u ( p h e n ) 2 ( h p i p ) 2 + 、 r u ( p h e n ) z ( d p q ) 2 + 、 r u ( p h e n ) 2 ( d p p z ) 2 + 、 r u ( i p ) 2 ( d p p z ) 2 + 等对含g ：t 错配的d n a 序列的识 别作用。通过对整个过程的作用能量考察，我们对各识别体系的详细作 用进行了分析，对模拟结果进行了合理的解释。 具体来说，本论文主要包括以下几部分的工作： l 、 八一 r u ( p h e n ) 2 h p i p 2 + 对含g ：t 错配的d n a 序列 d ( c c a t g c g t g g ) 2 识别作用的分子模拟研究： r u ( p h e n ) 2 h p i p ”具有两种 构型，二者之间的能量差值处于室温可以提供的能量范围，因此，我们 分别考虑了这两种共振结构可能带来的识别结果上的差异。模拟结果显 多吡啶类手性金属配合物与含w o b b l e 错配d n a 相互作j = i j 的分子模拟研冗 示该配合物两种结构的四个手性异构体都能从小沟方向特异性地识别错 配d n a ，且识别过程体现了手性选择性和位点特异性。对两种结构来说， 都是左手异构体更占优势，其中结构i i 与d n a 作用后，体系的能量更 低，是占优势的结构形态。详细的能量分析发现：在配合物插入碱基堆 积过程中的空间位阻状况决定了识别作用的结果，静电相互作用起重要 的作用，与键相关的能量项也在一定程度上产生了影响。 2 、人一 r u ( p h e n ) 2 d p q 2 + 对含g ：t 错配的环丁烷嘧啶二聚体d n a 序列d ( c g c a t t a c g c ) 2 识别的分子模拟研究：环丁烷嘧啶二聚体( c p d ) 是紫外线对d n a 损伤导致皮肤癌的首要环节，同一链上相邻的胸腺嘧啶 碱基发生环加成发应，生成环丁烷嘧啶二聚体，在其互补链上是两个相 邻的鸟嘌呤碱基，g ：t 错配的存在更增加了c p d 的稳定性，因此，对它 的识别也显得尤为重要。但是由于插入配体d p q 比较短，平面面积也比 较小，加之所用的d n a 螺旋扭曲非常严重，并没有显示出很好的立体选 择性和位点特异性。因此， r u ( p h e n ) 2 d p q 2 + 不适合作为含g ：t 错配的环 丁。烷嘧啶二聚体d n a 的识别试剂。 3 、人一 r u ( p h e n ) 2 d p p z 2 + 对含g ：t 错配的环丁烷嘧啶二聚体d n a 序列d ( c g c a t t a c g c ) 2 识别和部分构型修复的分子模拟研究：d p p z 与 d p q 相比，其平面面积较大，且对称性很好，、人一 r u ( p h e n ) 2 d p p z 2 + 与含g ：t 错配的环丁烷嘧啶二聚体d n a 相互作用的模拟结果显示：该 配合物的左手异构体优先从小沟方向识别与g ：t 错配相邻的a 4 t 5 t 7 g 6 区域，而右手异构体则优先从大沟方向识别与g ：t 错配相邻的另一区域 t 6 a 7 g 5 t o 。由于c p d 的形成，该d n a 螺旋高度扭曲，但识别过程仍然 体现了手性选择性和位点特异性，其中左手异构体更占优势。此外，我 们还发现，金属配合物插入c p d 相邻的区域后，能将形成c p d 的两个t 碱基由原来的敞口形状部分地转为近平行状，使其得到构型上的部分修 复。因此，八一 r u ( p h e n ) 2 d p p z 2 + 可作为c p d 的识别试剂。 4 、人一 r u ( i p ) 2 d p p z 抖对含g ：t 错配的环丁烷嘧啶二聚体d n a 序列d ( c g c a t t a c g c ) 2 识别的分子模拟研究： r u ( i p ) 2 d p p z 2 + 是经实验 证明与小牛胸腺d n a 作用最强的配合物，通过分子力学模拟，我们发现 它与环丁烷嘧啶二聚体d n a 序列的结合作用也非常强，且识别过程体现 摘要 了明显的特异性和选择性，该配合物的左手异构体优先从小沟方向识别 与g ：t 错配相邻的a 4 t ；t 7 g 6 区域，而右手异构体则优先从大沟方向识 别与g ：t 错配相邻的另一区域t 6 a 7 g 5 t 4 ，且左手异构体更占优势。此外， 我们还发现，金属配合物插入c p d 相邻的区域后，能将形成c p d 的两 个t 碱基由原来的敞口形状部分地转为近平行状，使其得到构型上的部 分修复。因此，八一 r u ( p h e n ) 2 d p p z 2 + 可作为c p d 的识别试剂。 通过对三种配合物 r u ( p h e n ) 2 ( d p q ) 2 + 、 r u ( p h e n ) 2 ( d p p z ) r 、 r u ( i p ) 2 ( d p p z ) 2 + 对c p d 的识别情况进行对比，我们获得了部分实验手段 没有得到的信息。后两者对错配序列都可以进行特异性识别，但是各自 的识别情况又略有不同。导致这种识别差异的主要因素是d n a 螺旋结构 和金属配合物的形状所导致的静电相互作用和空间位阻作用。 关键词多吡啶金属配合物；g ：t 错配；环丁烷嘧啶二聚体( c p d ) ； 分子力学模拟；空间位阻；静电相互作用 多吡啶类手性金属配合物与含w o b b l e 错配d n a 相互作j = i j 的分子模拟研究 a bs t r a c t t h ed u p l e x h e l i xs t r u c t u r eo fd n aw i t hw a t s o n c r i c kb a s ep a i r so fg ：c a n da ：ta r ei m p o r t a n tc a r r i e ro fs t o r i n g ，e x p r e s s i n ga n dt r a n s f e r r i n gg e n e t i c i n f o r m a t i o n t h i ss p e c i a lb a s em a t c h i n gf o r mi su s e f u lt os t a b i l i z en u c l e i c a c i ds t r u c t u r e t h ed i s t r i b u t i o no ff u n c t i o n a l g r o u p si nm a j o ra n dm i n o r g r o o v ea r ep r o p i t i o u st ot h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nd n aa n dp r o t e i ne n z y m e ， m e t a li o na n dm e t a lc o m p l e xw i t hb i o l o g i c a lf u n c t i o n a l d n ar e p l i c a t i o n m u s tb ev e r ya c c u r a t ei no r d e rt op a s sg e n e t i ci n f o r m a t i o nt on e x tg e n e r a t i o n e x a c t l y b u tt h eh u m a ng e n ei n c l u d e sa b o u t10 9b a s ep a i r sa n di nr e p l i c a t i n g p r o c e s s ，i t sd u p l e xh e l i xs t r u c t u r em a yb ed e s t r o y e de a s i l yb ya n yp h y s i c a lo r c h e m i c a la c t i o nt h a tm a yl e a dt ob a s em i s m a t c h i n g ，n o n p a i r i n g ，r u p t u r eo f d n ac h a i na n ds oo n i nr e c e n t y e a r s ，p e o p l es t u d i e dt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e np o l y p y r i d i n e t r a n s i t i o n a lm e t a ic o m p l e xa n dd n am o r ed e e p l y , a n di t h a sb e e nav e r y a c t i v e s u b j e c t i n b i o i n o r g a n i c c h e m i s t r y f i e l d t h eo c t a h e d r o n p o l y p y r i m i d i n e r u t h e n i u m ( i i ) c o m p l e x w a s e x t e n s i v e l y u s e da sd n a s t r u c t u r a lp r o b e ，p h o t i cs w i t c h ，c l e a v a g er e a g e n ta n de l e c t r o nt r a n s i t i o nt h a t w a sc o n d u c t e db yd n a t h e s e m i c r o m o l e c u l e s ，w h i c hc o u l ds p e c i a l l v r e c o g n i z ed n a ，l a yas o l i df o u n d a t i o nf o rg e n ec h o o s i n gn e wm e d i c i n e i nt h i sw o r k ，w es t u d i e dt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e ns o m ep o l y p y r i d i n e m e t a lc o m p l e x e sa n dm i s m a t c h e dd n a w i t hm o l e c u l a rm o d e l i n gm e t h o d s o w ec o u l dd i s c u s st h e i rm e c h a n i s mo fa c t i o ni n m o l e c u l a rl e v e l w eh a v e a l r e a q ys u c c e s s f u l l ys i m u l a t e dt h e r e c o g n i t i o ni n t e r a c t i o no fs o m ec h i r a l m e t a i c o m p l e xt on o r m a lb d n aa n d s h e a r e dd n ai n c l u d i n g g ：a m l s m a t c h e 8 t h i s t i m e ，w ew o u l d s t u d y s o m e e x t e n s i v e l v a p p l i e d p o l y p y r i d i n em e t a l c o m p l e x e st or e c o g n i z ew o b b led n ai n c l u d i n gg ：t m l s m a t c h e s ，s u c h a s r u ( p h e n ) 2 ( h p i p ) 2 + 、 r u ( p h e n ) 2 ( d p q ) 2 + 、 a b s t r a c t r u ( p h e n ) 2 ( d p p z ) 2 + 、 r u ( i p ) 2 ( d p p z ) 2 + a c t i o np r o c e s s ，a n a l y s e dt h ed e t a il e d e x p l a n a t i o nt os i m u l a t i o nr e s u l t s w er e v i e w e dt h es y s t e me n e r g yi na l l i n t e r a c t i o na n dg a v es o m er a t i o n a l c o n c r e t e l y ，m ys t u d ym a i n l yi n c l u d e df o u rp a r t sb e l o w ： 1 、m o l e c u l a rm o d e l i n go nt h er e c o g n i t i o no fw o b b l ed n a i n c l u d i n g g ：tm i s m a t c h e dp a i r sb yt w os t r u c t u r e so fc h i r a lm e t a lc o m p l e x ， a 一 r u ( p h e n ) 2 h p i p 纣： r u ( p h e n ) 2 h p i p 什h a s t w ok i n d so fv i b r a t i o n a l s t r u c t u r e sa n dt h e i re n e r g yd i f f e r e n c ec o u l db ea p p l i e db ye n v i r o n m e n ti n r o o mt e m p e r a t u r e s ow em u s tc o n s i d e rt h ed i f f e r e n c eo f r e c o g n i t i o nr e s u l t s b r o u g h tb yi t t h er e s u l t sr e v e a l e dt h a ta l lo ft h ef o u rc h i r a li s o m e r so ft h e t w os t r u c t u r e sc o u l dr e c o g n i z et h em i s m a t c h e dd n af r o mt h em i n o rg r o o v e o r i e n t a t i o n e s p e c i a l l y a n dt h ei n t e r a c t i o nw a se n a n t i o s e l e c t i v ea n d s i t e s p e c i f i c t h et w ol e f ti s o m e r sw e r em o r ep r e f e r e n t i a lt h a nt h er i g h to n e s e s p e c i a l l y ，t h es t r u c t u r e1 1w h o s ee n e r g yw a sm u c hl o w e ra f t e ri n t e r a c t i n g d n aw a st h ea d v a n t a g e ds t r u c t u r e d e t a i l e de n e r g ya n a l y s i si n d i c a t e dt h a t t h es t e r i ci n t e r a c t i o ni nt h ep r o c e s so ft h ec o m p l e xi n s e r t i n gb a s es t a c k i n g d e t e r m i n e dt h er e c o g n i t i o nr e s u l t sa n dt h ee l e c t r o s t a t i ci n t e r a c t i o nm a d ea n e f f e c tins o m ee x t e n t 2 、m o l e c u l a rs i m u l a t i o no nt h er e c o g n i t i o na n dp a r t i a ls t r u c t u r a lr e p a i r o fc y c l o b u t a n ep y r i m i d i n ed i m e ri n c l u d i n gd o u b l eg ：tm i s m a t c h e d p a i r sb y t h ec h i r a lm e t a l c o m p l e x 、人一 r u ( p h e n ) 2 d p q 2 + ：t h ec y c l o b u t a n e p y r i m i d i n ed i m e r ( c p d ) i st h ec h i e ft a c h ew h e nu l t r a v i o l e tr a yd a m a g e s d n at h a tc o u l dl e a dt os k i nc a n c e r t h ec y c l o a d d i t i o n h a p p e n e db e t w e e n t h y m i n ea n di t sn e i g h b o r i n gp y r i m i d y lb a s e ( to rc ) t h a tw a si nt h es a m e c h a i n a tl a s t ，t h ec p df o r m e d t h e r ew e r et w on e i g h b o r i n ggb a s e si ni t c o m p l e m e n t a r yc h a i n s og ：tm i s m a t c hi n c r e a s e dt h es t a b i l i t yo fc p da n di t i si m p o r t a n tt or e c o g n i t i o nc p d b u tt h e i n s e r t i n gl i g a n dd p qw a st o os h o r t a n di t s p l a n ea r e aw a st o os m a l l ，a d d i t i o n a l l yt h ed n ah e l i xd i s t o r t e d s e r i o u s l y s ot h er e c o g n i t i o np r o c e s sd i dn o ts h o wa n yb e t t e rs t e r e o s e l e c t i v i t y a n d s i t e s p e c i f i t y i na l l ， r u ( p h e n ) 2 d p q pw a sn o ts u i t a b l e t ou s ea s v r e c o g n i t i o nr e a g e n t o fc p di n c l u d i n gd o u b l eg ：tm i s m a t c h e dp a i r s i n w o b b l ed n a 3 、m o l e c u l a rs i m u l a t i o no nt h er e c o g n i t i o na n dp a r t i a ls t r u c t u r a lr e p a i r o fc y c l o b u t a n ep y r i m i d i n ed i m e ri n c l u d i n gd o u b l eg ：tm i s m a t c h e dp a i r sb y t h ec h i r a lm e t a lc o m p l e x 、人一 r u ( p h e n ) 2 d p p z 2 + ：d p p zh a sam u c hb i g g e r p l a n ea r e aa n di t i sl o n g e rt h a nd p q i t ss y m m e t r yc h a r a c t e r i s t i cw a sq u i t e w e l l t h er e s u l t sr e v e a l e dt h a tt h el e f ti s o m e ro ft h ec o m p l e xc h o s em i n o r g r o o v eo p t i m a l l yt or e c o g n i z et h ea 4 t 5 t 7 g 6s i t e n e x tt ot h ec p da n dt h e r i g h ti s o m e rc h o s em a j o rg r o o v eo p t i m a l l yt or e c o g n i z et h et 6 a 7 g s t 4s i t e b o r d e r i n gu p o nt h eo t h e rs i d eo fc p d t h ed n a d o u b l eh e l i xw a sd i s t o r t e d s e r i o u s l yb e c a u s eo ft h ee x i s t e n c eo fc p d b u tt h e i n t e r a c t i o nw a ss t i l l e n a n t i o s e l e c t i v ea n ds i t e s p e c i f i ca n dt h el e ri s o m e rw a sm u c hm o r eo p t i m a l c o m p a r e d w i t ht h er i g h to n e d e t a i l e de n e r g ya n a l y s i si n d i c a t e dt h a tt h es t e r i c i n t e r a c t i o ni nt h e p r o c e s so f t h e c o m p l e xi n s e r t i n g t ob a s e s t a c k i n g d e t e r m i n e dt h er e c o g n i t i o nr e s u l t sa n dt h ee l e c t r o s t a t i ci n t e r a c t i o nm a d ea n e f f e c ti ns o m ee x t e n t a d d i t i o n a l l y ，w ef o u n dt h a tt h es h a p eo ft w otb a s e s f o r m i n gc p dc h a n g e df r o mm o u t hs h a p et oa p p r o x i m a t ep a r a l l e ls h a p ea f t e r t h ec o m p l e xi n t e r c a l a t i n gd n a t h a tw a st h ei n i t i a lc o n f o r m a t i o n a lr e p a i r s o ，t h e 人- r u ( p h e n ) 2 d p p z 2 十c o u l db eu s e da sc p d sr e c o g n i z i n gr e a g e n t 4 、m o l e c u l a rs i m u l a t i o no nt h er e c o g n i t i o na n dp a r t i a ls t r u c t u r a lr e p a i r o fc y c l o b u t a n ep y r i m i d i n ed i m e ri n c l u d i n gd o u b l eg ：tm i s m a t c h e dp a i r sb y t h ec h i r a lm e t a lc o m p l e x 、人- r u ( i p ) 2 d p p z p ： r u ( i p ) 2 d p p z 舯h a db e e n v a l i d a t e db ye x p e r i m e n tt h a ti tc o u l di n t e r a c tw i t hc a l ft h y m u sd n a s t r o n g e s t t h r o u g hm o l e c u l a rm e c h a n i c ss i m u l a t i o n ，w ef o u n di tc o u l db i n dw i t hc p d w o b b l ed n as t r o n g e rt h a n r u ( p h e n ) z d p p z 计t h er e c o g n i t i o np r o c e s s s h o w e do b v i o u ss t e r e o s e l e c t i v i t ya n ds i t e s p e c i f i t y t h el e f ti s o m e ro ft h e c o m p l e xc h o s em i n o rg r o o v eo p t i m a l l yt or e c o g n i z et h ea 4 t s t t g 6s i t en e x t t ot h ec p da n dt h er i g h ti s o m e rc h o s em a jo rg r o o v eo p t i m a l l yt or e c o g n i z e t h et 6 a 7 g 5 t 4s i t eb o r d e r i n gu p o nt h eo t h e rs i d eo fc p d w ea l s of o u n dt h a t t h es h a p eo ft w otb a s e s f o r m i n gc p dc h a n g e df r o mm o u t hs h a p et o v a b s t r a c t a p p r o x i m a t ep a r a l l e ls h a p ea f t e rt h ec o m p l e xi n t e r c a l a t i n gd n a t h a tw a s t h ei n i t i a lc o n f o r m a t i o n a lr e p a i r r e l a t i v e l y ，t h e 八一 r u ( i p ) 2 d p p z 2 + w a sm o r e o p t i m a lt h a nt h er i g h ti s o m e r s o ，t h e 人一 r u ( i p ) 2 d p p z hw a st h eb e t t e r r e c o g n i z i n gr e a g e n t c o m p a r a t i o no nt h er e c o g n i t i o no ft h r e ec o m p l e x e s r u ( p h e n ) 2 ( d p q ) z 十、 r u ( p h e n ) 2 ( d p p z ) 2 十a n d r u ( i p ) 2 ( d p p z ) 2 + t oc y c l o b u t a n ep y r i m i d i n ed i m e r i n c l u d i n g d o u b l eg ：tm i s m a t c h e d p a i r s w e o b t a i n e ds o m eu s e f u l i n f o r m a t i o nt h a tc o u l dn o tb e e n g i v e nb ye x p e r i m e n t a l m e t h o d s r u ( p h e n ) 2 ( d p p z ) 2 + a n d r u ( i p ) 2 ( d p p z ) 2 + c o u l dr e c o g n i z ec p ds p e c i l l y , b u t t h e i ri n t e r a c t i o nw e r el i t t l ed i f f e r e n t t h em a i nf a c t o r sl e a d i n gt od i f f e r e n c e i n c l u d ee l e c t r o s t a t i ca n ds t e r i ci n t e r a c t i o no fd n ah e l i xa n dt h es h a p eo f c o m p l e xp r o b e k e yw o r d s p o l y p y r i d i n e m e t a l c o m p l e x ；g ：tm i s m a t c h ；c y c l o b u t a n e p y r i m i d i n ed i m m e r ( c p d ) ；m o l e c u l a rm e c h a n i c ss i m u l a t i o n ；s e t r i cc o l l i s i o n ； e l e c t r o s t a t i ci n t e r a c t i o n v 第一章综述 第一章综述 d n a 是遗传信息的携带者和基因表达的物质基础，在生物的生长、发育和繁殖 等活动中起着非常重要的作用，其结构直接影响它的功能。许多小分子都能与d n a 发生相互作用，不仅可以作为生物探针，还可以d n a 为靶目标作为抗肿瘤药物的母 体。金属配合物是人们研究较多的一类小分子，因为它是金属离子在生物体中的主 要存在形式，并在一些重要的生物功能中起着关键的作用。d n a 的分子结构、构象 以及相应的功能是其分子之间和分子内的弱相互作用控制和维持的，包括芳香环之 间的堆积作用、氢键、范德华力和疏水作用等。这些弱相互作用也广泛地存在于金 属配合物中，因此，金属配合物与d n a 具有高度的亲和性。通过对金属配合物与 d n a 的相互作用研究，可以为阐明二者相互作用的机制以及盒属配合物的生物学意 义提供完整的信息基础，能够让人们从分子水平上理解某些疾病的发病机理，并通 过分子设计来寻找有效的治疗药物，对此类配合物在核酸分子探针等生物工程中的 进一步应用和临床药物设计、药理作用、生物体内分子f 刚相互作用的机理以及酶催 化作用机制等都有重要意义。 1 1d n a 的分子结构 1 9 5 3 年，两个年轻的科学家w a t s o n 和c r i c k 提出了d n a 双螺旋结构模型，从 分子水平上阐述了生命遗传信息，这在分子生物学发展上具有划时代的意义，从此 人们开始在分子水平上研究d n a 的结构特征及其结构与功能的关系。1 9 7 5 年，b e r g 建立了d n a 体外重组技术基因工程，使核酸的研究取得了突飞猛进的发展，并 逐步转向实际应用。2 0 0 1 年2 月，美、英、日、法、德和中国科学家宣布共同绘制 完成了人类基因组序列图，这是继发现d n a 结构之后生命科学领域的又一罩程碑， 标志着人类基因组时代的正式来临。具有g ：c 和a ：t 碱基配对的d n a 双股螺旋是 生物遗传信息储存、表达和稳定传递的重要载体，与生物的生长、发育等正常生命 活动以及癌变、突变等异常生命活动相关。因此，研究d n a 的双螺旋结构所具有的 生物学功能，将有助于人们从分子水平上了解生命现象的本质，并从基因水平上理 解某些疾病的发病机理，从而使通过分子设计寻找有效的治疗药物成为可能。然而， d n a 复制是个复杂的过程，会不可避免地产生各种各样的错配情况，碱基修饰1 ， 碱基错配【2 】等引起的破坏，使d n a 失去了往日美丽的双螺旋标准构型。另外，由链 的弯曲及沟宽的改变造成的螺旋结构的变形、d n a 三螺旋【3 1 、四螺旋【4 1 、平行的双 多吡啶类手性金属配合物与含w o b b l e 错配d n a 相互作用的分子模拟研究 股螺旋【5 1 、两条链相互插入的双股螺旋及发夹结构【6 1 等也同益被人们认识。这些研究 对进一步了解药物及蛋白质与d n a 的作用具有重要意义。 1 1 1 正常d n a 的结构及特征 d n a 是一种柔性生物大分子，可以采取不同的构象，有a 一、b 一、c 一、d 一 型和z 一型。在生物体中普遍存在的绝大部分是b 型d n a ，它由大量脱氧核苷酸组 成，其中的戊糖和磷酸基起结构作用，而碱基则携带遗传信息。d n a 含有四种碱基 ( 如图1 1 ) ，其中两种为嘌呤碱，即腺嘌呤( a ) 和鸟嘌呤( g ) ，另外两种为嘧啶 碱，即胸腺嘧啶( t ) 和胞嘧啶( c ) 。 n 奄 7 钭h z n on h 2 i q a g c o h t o 图1 1d n a 中的四个碱基 根据w a t s o n 和c r i c k 提出的d n a 双螺旋结构模型，结晶的b 型d n a 钠盐是由 两条反向平行的脱氧多核苷酸链通过它们碱基间的氢键结合在一起，并围绕同一个 中心轴盘旋，构成双螺旋结构。两条链都是右手螺旋，方向相反，习惯上以c ( 3 ) 一c ( 5 ) 为正向。两条链之间的螺旋呈凹形，一条较浅，一条较深，分别称之为小 沟和大沟。碱基处于螺旋内侧，外侧是磷酸基和脱氧核糖间隔排列连接成的亲水主 链。碱基的平面与螺旋轴近乎垂直，糖的平面与碱基平面几乎成直角。双螺旋结构 中双链碱基间的氢键配对并不是随意进行的，而是限定在g 与c 、a 与t 间。双螺 旋的直径为2 0 a ，碱基之间的堆积距离，即相邻碱基在螺旋轴向的间距为3 4 a ，旋 转夹角为3 6 0 。因此，螺旋结构在各链上每隔1 0 个碱基重复一次，即螺距为3 4 a 。 d n a 的双螺旋结构相当稳定。维持此结构的力主要有三种：一是互补碱基对之间的 氢键；二是碱基堆积力，由芳香族碱基上的j i 电子之间的相互作用产生，是比较主 要的力；第三种力来自磷酸基上的负电荷与介质中的阳离子之间的静电作用力。 此外，a - - d n a 是在相对湿度为7 5 时制成的d n a 钠盐纤维，也为螺旋结构。 和b - - d n a 的不同之处是，碱基不与纵轴相互垂直而呈2 0 0 倾角，所以螺距及每匝 螺旋的碱基数也发生了变化。当纤维中的水分减少时，出现c - - d n a 。另外，人们 发现细胞中也有左手螺旋的d n a 双螺旋结构，称为z - - d n a 。它与b - - d n a 在结 2 笫一章综述 构上差异很大。表1 1 为各类型d n a 的螺旋结构参数： 表1 1 各类型d n a 的螺旋结构参数 类型 abcdz 碱基倾角( 。) 1 3l61 6 7 碱基转角( 。) 3 2 73 63 84 51 0 - 5 0 碱基升起( a ) 2 5 53 3 73 313 0 43 7 0 螺距( a ) 2 93 43 0 9 2 4 33 7 每圈碱基数 1 11 09 3 3 8 1 2 小沟宽( a ) 1 1 05 74 81 38 8 大沟宽( a ) 2 71 1 7 1 0 58 92 0 小沟深( a ) 2 87 57 96 7 3 7 大沟深( a ) 1 3 5 8 57 55 813 8 1 1 2 错配d n a 的结构及其特征 g ：c 和a ：t 的w a t s o n c r i c k 特异性配对方式有利于核酸结构的稳定，大沟、小 沟中官能团的分布有利于蛋白酶、金属离子以及具有生物功能的金属配合物与d n a 的作用。为了使遗传信息准确地传给下一代，d n a 复制r j 一 、须具有极高的精确性。 然而，人类基因大约含1 0 9 个碱基对，任何对d n a 物理或化学的破坏都会影响双螺 旋结构的完整性，导致在d n a 复制过程中的碱基错配或误配、非配对碱基及链的断 裂【7 j 等。除了由复制酶引发的标准碱基i 白- 1 的错配外，化学修饰或离子化的非标准碱基 间的异常配对也时有发生。如果这些非w a t s o n c r i c k 配对的损伤不能被完全修复， 将引起子系d n a 发生诱变。 错配理论首先是由w a t s o n c r i c k 提出的。最初他们认为标准的碱基配对只有酮 式和胺式，碱基从酮式转变为醇式、从氨基转变为亚氨基的互变异构性质，是引发 诱变的主要因素。这些互变异构体可以形成a ：c 和g ：t 配对，其立体结构与标准的 w a t s o n c r i c k 配对相似。深入研究诱变机理( 8 l 发现，引发诱变的最主要错配是g ：t 和 a + ：c 的w o b b l e 配对，而不是碱基的互变异构体配对。许多含错配的d n a 晶体结构 证明了这一剧9 | 。在生命体系中，w a t s o n c r i c k 与错配碱基对之间存在竞争。不考虑 p h 影响和碱基的定向，仍有8 种可能的错配：g ：t 、a ：c 、g ：g 、a ：a 、g ：a 、c ：c 、 t ：t 、c ：t 。此外，碱基之问除了按照标准的配对方式外，可以按照反标准配对， 多吡啶类手性金属配合物与含w o b b l e 错配d n a 相互作用的分子模拟研究 h o o g s t e e n 和反h o o g s t e e n 配对。这些配对形式是形成三链和四链螺旋的结构基础。 下面，我们对本工作主要研究的g ：t 错配d n a 碱基对的结构特征进行介绍。 g ：t 配对呈w o b b l e 构型【i ，嘌呤位移至d n a d 、沟，嘧啶位于大沟，碱基间形成 两个氢键( 图1 2 ) ，溶剂分子分别从大沟小沟有序地桥联碱基，使这种错配更加稳定。 目前，3 9 个含g ：t 配对的寡聚核苷酸的热力学性质已用u v 光谱测得l 。结果表明在 r n a 中的g ：u 错配及d n a 中的g ：t 错配都能形成稳定的w o b b l e 碱基配对，其稳定性几 乎与w a t s o n c r i c k i 孚? , 对的a ：u 及a ：t 相当【1 2 】，但却只引起d n a 螺旋轻微的扭曲。这时， 大多数的聚合酶可以轻松地绕过错配继续延伸，该错配碰巧也会逃脱校读并离开聚 合酶复合物【l 引。因此，对这类错配的识别也就显得尤为重要。 一一- 一h h 一一一一 一h o h o h h 图1 2g ：t 错配碱基对之间所形成的氢键 本文所研究的另一种d n a 是含g