（应用化学专业论文）胸腺嘧啶及其衍生物的光诱导反应动力学研究.pdf

浙江理工大学硕士学位论文 中文摘要 d n a 和r n a 碱基电子激发态由于在核酸u v 光损伤中的重要地位，受到了国内外科 学研究小组越来越多的关注。这些激发态有时会衰变成有害的光化学产物，进而会造成诸 如突变和阻碍d n a 正常细胞内进程的伤害。 在过去的二十年间，众多科研小组致力于研究核酸碱基激发态弛豫动力学过程。他们 发现第一电子偶极允许态( s 1 ) 的寿命非常短( 大约在l p s 左右) ，并且迅速经内转换衰变 到基态。然而，衰变机理远非如此简单，近来已经提出了衰变过程存在其它转变的可能性。 本文采用共振拉曼光谱技术研究了胸腺嘧啶( t ) ，胸苷( d t ) ，胸苷单磷酸二钠( d t m p ) 等化合物在水，乙腈中的光诱导电子转移反应f r a n c k c o n d o n 区域的短时动力学特征，并 结合密度泛函理论计算方法讨论了胸腺嘧啶( t ) ，胸苷( d t ) ，胸苷单磷酸二钠( d t m p ) 等化合物光化学反应在微观反应动力学上的调控因素，在以下几个方面做出了贡献。 ( 1 ) 测得胸腺嘧啶在水中的最大吸收带在2 6 4 6 n m 左右；在乙腈中的最大吸收带在 2 5 9 8 n m 左右，采用2 5 2 7 n m 和2 6 6 n m 的激发光获得其共振拉曼光谱，并进行了强度分析。 研究结果显示，胸腺嘧啶在水中f r a n c k c o n d o n 区域短时动力学具有多维性，主要沿着 c 5 = c 6 伸缩振动+ c 6 h 弯曲振动v 8 ( i a l = o 8 5 ，k v = 6 0 3 c m 以) ，嘧啶环的伸缩振动+ c 6 h 弯曲 振动v 1 4 ( 1 | = o 8 2 ，k v = 4 6 0 c m 以) 和c 5 c h 3 伸缩振动+ 嘧啶环的伸缩振动v 1 5 ( i a i = 0 7 3 ， k v = 3 3 1 c m _ ) 这三个简正模展开。胸腺嘧啶在乙腈相对在水中的光诱导短时动力学的情况 改变。胸腺嘧啶在乙腈中的共振拉曼光谱1 6 8 4 c m - 1 附近出现了一个新峰，并且这一新峰被 指认与胸腺嘧啶1 ( n ，矿) 激发态c 4 - - - o 伸缩振动有关。因此，胸腺嘧啶在乙腈中 f r a n c k c o n d o n 区域短时动力学主要沿着c 4 = o 伸缩振动v 7 ( i a i = o 6 3 ，z w = 3 3 4 c m 1 ) ，c 5 = c 6 伸缩振动+ c 6 h 弯曲振动v 8 ( i l x l = o 6 6 ，k v = 3 6 3 c m 。1 ) ，环的伸缩振动+ c 6 h 弯曲振动v 1 4 ( i 1 - - o 7 5 ，k v = 3 8 1 c m d ) 和c 5 - c h 3 伸缩振动+ 环的伸缩振动v 1 5 ( ( i m l = 0 5 9 ，k v = 2 1 2 c m j ) ) 这 四个简正模展开。胸腺嘧啶在水中的振动重组能( k = 2 0 7 5 c m 1 ) 比其在乙腈中的振动重组 能( 舻1 7 9 9 c m 1 ) 高2 7 6 c m 。比较胸腺嘧啶在乙腈和在水中的各主要振动模振动重组能 可以发现，溶剂改变了振动重组能在各个振动模上的分配。没有可观的溶剂参数例如溶剂 极性与此有关，而溶质与溶剂间形成的氢键能够有效的影响胸腺嘧啶f r a n e k c o n d o n 区域 的光诱导短时动力学。胸腺嘧啶在两种溶剂中不同的重组能分布暗示溶剂能有效的调节两 个相近激发态 明态1 ( 兀，7 c ) 和暗态1 仳兀幸) 】间的相对能量。两个态间的相对能垒可以控制1 何， 矿) 态无辐射衰变是通过圆锥交叉到f r a n c k - c o n d o n 区域还是直接超快内转换到基态。 ( 2 ) 测得胸苷在水中的最大吸收带在2 6 6 4 n m 左右；在乙腈中的最大吸收带在2 6 5 n m 1 浙江理工大学硕士学位论文 左右，采用2 5 2 7 n m 和2 6 6 n m 激发光获取其共振拉曼光谱，并进行了强度分析。研究结果 表明，胸苷在水中f r a n c k c o n d o n 区域短时动力学具有多维性主要沿着c 5 = c 6 伸缩振动 + c 6 h 弯曲振动v 1 7 ( i a i = o 7 5 ，九= 4 6 8e m 。1 ) ，嘧啶环的伸缩振动+ c 6 h 弯曲振动+ n 1 c l 伸 缩振动v 2 9 ( i a i = 0 7 3 ，九= 3 6 3e m q ) ，嘧啶环的伸缩振动+ c 5 c h 3 n 1 c 1 ，伸缩振动v 3 7 ( i a i = o 6 9 ，z , = 2 9 2e m 以) 这三个主要的振动模展开。与胸腺嘧啶类似，胸苷在乙腈中的情况 相对于水中情况也是不相同的。胸苷在乙腈中的共振拉曼光谱中1 6 8 4 c m 1 出现了一个新 峰，并且这一拉曼带与胸苷1 ( 1 1 ，) 激发态c 4 = o 伸缩振动有关，与胸腺嘧啶在乙腈中的情 况类似。胸苷在乙腈和水中在各个模的振动重组能分配的不同暗示，胸苷激发态的无辐射 能量衰变能被溶剂部分控制，这也同胸腺嘧啶的情况类似。另一方面由于糖环和嘧啶环之 间存在着强烈的基态振动耦合，大多数胸苷f r a n c k c o n d o n 活性振动模具有糖环和嘧啶取 代基之间耦合的特征。胸苷中最强共振拉曼带的简正模位移量相比于胸腺嘧啶中所对应拉 曼带的简正模位移量要小。同时尽管这些最强的拉曼带有或多或少的耦合振动，但主要显 示的是嘧啶碱基上的振动。这表明胸苷势能面移动，以致其1 ( 兀，兀枣) 激发态经历了较小的几 何结构重组，或者1 ( 兀，矿) 态变的更平坦或有较小的跃迁能垒，根据胸苷与胸腺嘧啶的反应 坐标不同。因此，相对胸腺嘧啶，糖环取代后缩短了胸苷1 ( 兀，矿) 态的寿命。 ( 3 ) 测得胸苷单磷酸二钠在水中的最大吸收带在2 6 6 n m 左右，采用2 5 2 7 n m 和2 6 6 n m 激发光获取其共振拉曼光谱，并进行了强度分析。研究结果显示，d t m p 在水中 f r a n c k c o n d o n 区域短时动力学具有多维性，主要沿着c 5 = c 6 伸缩振动+ c 6 h 弯曲振动v l ( i m l = 0 7 8 ，九= 5 0 6c m d ) ，嘧啶环的伸缩振动+ c 6 一h 弯曲振动+ n l c l 伸缩振动v 4 ( i m l = 0 7 4 ， 持3 7 6c m 。1 ) ，嘧啶环的伸缩振动+ c 5 c h 3 n i c l ，伸缩振动v 5 ( i a i = 0 6 8 ，九= 2 8 7c m 以) 这三个 模展开。胸苷单磷酸二钠最强拉曼带简正模位移量与胸苷中对应的拉曼带的简正模位移量 相似。这表明磷酸基团对胸苷f r a n c k c o n d o n 区域激发态衰变动力学无显著影响。 关键词：核酸碱基，电荷转移，短时动力学，共振拉曼 浙江理工大学硕士学位论文 s t u d yo ft h ep h o t o i n d u e e dd y n a m i c so ft h y m i n ea n d i t sd e r i v a t i v e a b s t r a c t t h e r eh a sb e e ni n t e r e s tf o rm a n yy e a r si ne x c i t e de l e c t r o n i cs t a t e so fd n aa n dr n ab a s e s b e c a u s eo ft h e i rr o l ei nt h eu vp h o t o d a m a g eo fn u c l e i ca c i d s t h e s ee x c i t e ds t a t e ss o m e t i m e s d e c a yt od e l e t e r i o u sp h o t o p r o d u c t s ，w h i c hc a nc a u s em u t a t i o n sa n di n t e r f e r e 谢mt h en o r m a l c e l l u l a rp r o c e s s i n go fd n a o v e rt h ep a s tt w od e c a d e s ，e f f o r t sh a v eb e e nm a d ei nt h es t u d yo ft h er e l a x a t i o nd y n a m i c s o fe x c i t e d - s t a t en u c l e i ca c i db a s e s t h el i f e t i m e so ft h ef i r s te l e c t r i cd i p o l e - a l l o w e ds t a t e ( s1 ) h a v eb e e no b s e r v e dt ob eg e n e r a l l ys h o r t ( a r o u n d1p s ) ，a n df a s td e c a yt ot h eg r o u n ds t a t ev i a i n t e r n a lc o n v e r s i o n ( i c ) h a sb e e np r o p o s e d h o w e v e r ，t h i sd e c a ym e c h a n i s mi sf a rf r o mc e r t a i n ， a n do t h e rp o s s i b i l i t i e sh a v ea l s ob e e ns u g g e s t e d i nt h i sp a p e r , t h es h o r t t i m ep h o t o d i s s o c i a t i o nd y n a m i c so fp h o t o - i n d u c e dc h a r g e t r a n s f e r o ft h y m i n e ，t h y m i d i n ea n dt h y m i d i n e5 - m o n o p h o s p h a t ei nw a t e ra n da c e t o n i t r i l es o l u t i o nh a v e b e e ni n v e s t i g a t e db yt h er e s o n a n c er a m a ns p e c t r ai nc o m b i n a t i o n 、析t hd f tc a l c u l a t i o n w e a l s od i s c u s s e dt h ei n f l u e n t i a lf a c t o r st ot u n et h ep h o t o c h e m i c a lr e a c t i o n s m a i nc o n t r i b u t i o n so f t h e p r e s e n tw o r ka r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ， ( 1 ) w eo b t a i n e dt h ea b s o r p t i o ns p e c t r u mo f t h y m i n ei nw a t e ra n da c e t o n i t r i l es o l u t i o nw h i c h h a sac h a r g e - t r a n s f e r ( c t ) b a n dn e a r2 6 4 6 n m ，2 5 9 8 n mr e s p e c t i v e l y r e s o n a n c er a r n a n s p e c t r u m sw e r eo b t a i n e df o rt h y m i n ei nw a t e ra n da c e t o n i t r i l es o l u t i o n 、析也2 5 2 7 n ma n d2 6 6 n m e x c i t a t i o nw a v e l e n g t hi nr e s o n a n c ew i t ht h ec t - b a n da b s o r p t i o ns p e c t r u ma n dr e s o n a n c e r a m a na n a l y s i sw a sd o n e t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ef r a n c k - c o n d o nr e g i o ns h o r tt i m e p h o t o d i s s o c i a t i o nd y n a m i c s o ft h y m i n eh a v em u l t i d i m e n s i o n a lc h a r a c t e r sw i mm o t i o n p r e d o m i n a n t l ya l o n gt h en o m i n a lc 5 = c 6s t r e t c h + c 6 一hb e n dm o d ev 8 ( 1 a l = 0 8 5 ，x v = 6 0 3 c m _ ) ，也e n o m i n a lr i n gs t r e t c h + c 6 一hb e n dm o d ev 1 4 ( 1 a l = 0 8 2 ，x v - - - - 4 6 0 c m 。1 ) a n dt h en o m i n a lc 5 一c h 3 s t r e t c h + r i n gs t r e t c hm o d ev 1 5 ( 1 a l - 0 7 3 ，护3 3l c m 。1 ) e t ci nw a t e rs o l u t i o n h o w e v e r ，i tw a s f o u n dt h a tw h e ng o i n gf r o mw a t e rt oa c e t o n i t r i l es o l u t i o nt h es h o r t t i m ed y n a m i c so ft h y m i n e p a r t l yc h a n g e d w eh a v eo b t a i n e dr rs p e c t r ao ft h y m i n ei na c e t o n i t r i l es o l u t i o nn e a r16 8 4 c m - 1 a n dh a v ed e m o n s t r a t e dt h a tt h en e wc h a r a c t e r i s t i cr rb a n di sa t t r i b u t e dt oc 4 - - - os t r e t c h ( v c = o ) o f1 ( n ，矿) e x c i t e ds t a t eo ft h y m i n e i nt h ea c e t o n i t r i l es o l u t i o n ，t h ef r a n c k c o n d o nr e g i o ns h o r t i i i 浙江理工大学硕士学位论文 t i m ep h o t o d i s s o c i a t i o nd y n a m i c so ft h y m i n eh a v em u l t i d i m e n s i o n a lc h a r a c t e r s 谢mm o t i o n p r e d o m i n a n t l ya l o n gt h en o m i n a lc 4 = os t r e t c hm o d ev 7 ( i a i = 0 6 3 ，x v = 3 3 4 c m - ) ，t h en o m i n a l c 5 = c 6s t r e t c h + c 6 - hb e n dm o d ev 8 ( i a i = 0 6 6 ，x v = 3 6 3 c m _ ) ，t h en o m i n a lr i n gs t r e t c h + c 6 一hb e n d m o d ev 1 4 ( i a i = 0 7 5 ，k v = 3 81c m 1 ) a n dt h en o m i n a lc 5 - c h 3s t r e t c h + r i n gs t r e t c hm o d ev 1 5 ( ( i a i = 0 5 9 ，k v = 2 12 c m l ) ) e t c t h et o t a lv i b r a t i o n a lo r g a n i z a t i o n a le n e r g yx t = 2 0 7 5 c m 1f o r t h y m i n ei nw a t e ri sh i g h e rt h a nt h a t ( 净1 7 9 9 c m ) f o rt h y m i n ei na c e t o n i t r i l e w eh a v en o t e d t h a tt h ev i b r a t i o n a lo r g a n i z a t i o n a le n e r g y so ft h em o s ti n t e n s er e s o n a n c er a n l a nb a n d so f t h y m i n e i na c e t o n i t r i l e c h a n g et ot h o s eo ft h y m i n ei nw a t e r n od i r e c tc o r r e l a t i o n 、析m m a c r o s c o p i cs o l v e n tp a r a m e t e r ss u c h 嬲p o l a r i t yi sf o u n d ，b u th y d r o g e nb o n d i n gi so n ek e y f a c t o ra f f e c t i n gt h ef r a n c k - c o n d o nr e g i o ns h o r tt i m ep h o t o d i s s o c i a t i o nd y n a m i c so ft h y m i n e i t i sp r o p o s e dt h a tt h es o l v e n tm o d u l a t e st h er e l a t i v ee n e r g yo ft w oc l o s e l y i n ge l e c t r o n i c a l l y e x c i t e ds t a t e s ，t h eb r i g h t1 ( 兀，矿) a n dt h ed a r k1 ( n ，矿) s t a t e s t h i sr e l a t i v ee n e r g yg a pc o n t r o l s t h en o n r a d i a t i v er e l a x a t i o no ft h e1 ( 兀，兀事) s t a t et h r o u g hac o n i c a li n t e r s e c t i o nc l o s et ot h e f r a n c k - c o n d o nr e g i o nc o m p e t i n g 、加n 1t h eu l t r a f a s ti n t e r n a lc o n v e r s i o nt ot h eg r o u n ds t a t e ( 2 ) w eo b t a i n e dt h ea b s o r p t i o ns p e c t r u mo ft h y m i d i n ei nw a t e ra n da c e t o n i t r i l es o l u t i o n w h i c hh a sac h a r g e - t r a n s f e rb a n dn e a r2 6 6 4 n m ，2 6 5 n mr e s p e c t i v e l y r e s o n a n c er a r f l a ns p e c t r a s w e r eo b t a i n e df o rt h y m i d i n ei nw a t e ra n da c e t o n i t r i l es o l u t i o n 、析t l l2 5 2 7 n ma n d2 6 6 n m e x c i t a t i o nw a v e l e n g t hi nr e s o n a n c e 、加mt h ec t - b a n da b s o r p t i o ns p e c t r u ma n dr e s o n a n c e r a l t l a na n a l y s i sw a sd o n e i nt h ew a t e rs o l u t i o n ，t h ef r a n c k c o n d o nr e g i o ns t r u c t u r a ld y n a m i c s o ft h y m i d i n eh a v em u l t i d i m e n s i o n a lc h a r a c t e rw i t l lm o t i o np r e d o m i n a n t l ya l o n gt h en o m i n a l c 5 = c 6s 仃e t c h + c 6 一hb e n dv 1 7 ( = 0 7 5 ，x = 4 6 8c m 叫) ，t h en o m i n a lt h y m i n er i n gs t r e t c h + c 6 - h b e n d + n l - c l ，s t r e t c hv 2 9 ( = o 7 3 ，九= 3 6 3c m 叱) ，t h en o m i n a lt h y m i n er i n gs t r e t c h + c 5 - c h 3 n i c l ， s t r e t c hv 3 7 ( = 0 6 9 ，九= 2 9 2c m 叫) e t c w h i l et h es i t u a t i o ni na c e t o n i t r i l ei sd i f f e r e n tf r o mt h a ti n w a t e r t h en e wr rb a n dn e a r16 8 4c m - 1w a sf o u n di nt h er r s p e c t r ao ft h y m i d i n ei na c e t o n i t r i l e s o l u t i o na n dt h en e wc h a r a c t e r i s t i cr rb a n di sa t t r i b u t e dt ot h es y m m e t r i cc 4 = os t r e t c h ( v c = o ) o f1 ( n ，矿) e x c i t e ds t a t eo ft h y m i d i n e ，w h i c hl i k e st h et h y m i n e w ea l s oc o m p a r et h e f r a n c k - c o n d o nr e g i o ns h o r tt i m ep h o t o d i s s o c i a t i o nd y n a m i c so ft h y m i d i n ei nw a t e r 、析t ht h a to f t h y m i d i n ei na c e t o n i t r i l e ，a n df o u n dt h a te x c i t e ds t a t ed e a c t i v a t i o nm e c h a n i s mi s i np a r t g o v e m e db yt h es o l v e n t ，w h i c hl i k e st h et h y m i n e o nt h eo t h e rh a n d ，d u et ot h eg r o u n ds t a t e v i b r a t i o n a lc o u p l i n gb e t w e e nt h er i b o s em o i e t ya n dt h et h y m i n eb a s e ，m o s to ft h e 浙江理工大学硕士学位论文 f r a n c k - c o n d o na c t i v em o d e sa r ec h a r a c t e r i z e db yc o u p l e dv i b r a t i o n a lm o t i o n so ft h et h y m i n e b a s ea n dt h er i b o s y ls u b s t i t u e n t t h en o r m a lm o d ed i s p l a c e m e n t so ft h em o s ti n t e n s er e s o n a n c e r a m a nb a n d so ft h y m i d i n ea r es m a l l e rt h a nt h o s eo ft h y m i n e t h e s ei n t e n s em o d e sa r em o s t l y c h a r a c t e r i s t i co ft h ev i b r a t i o n a lm o t i o n so ft h et h y m i n eb a s ea l t h o u g ht h e ya r em o r e o rl e s s c o u p l e db yt h ev i b r a t i o n so ft h er i b o s y ls u b s t i t u e n t t h i ss u g g e s t st h a tt h ep o t e n t i a le n e r g y s u r f a c eo ft h y m i d i n ei ss h i f t e ds ot h a ti t s 1 ( 7 【，兀奉) e x c i t e ds t a t eu n d e r g o e sl e s sg e o m e t r y r e o r g a n i z a t i o n , o ri t sp o t e n t i a le n e r g ys u r f a c eo f1 ( 兀，矿) s t a t eb e c o m e sm o r ef l a to rh a sal o w e r t r a n s i t i o ns t a t eb a r r i e rr e l a t i v et ot h o s eo ft h y m i n ei nt e r m so ft h er e a c t i o nc o o r d i n a t e s t h i s i n d i c a t e st h er i b o s y ls u b s t i t u t i o ns h o r t e n st h el i f et i m eo ft h e1 ( 7 c ，矿) s t a t eo ft h y m i d i n ew h e n c o m p a r e dt ot h y m i n e ( 3 ) w eo b t a i n e dt h ea b s o r p t i o ns p e c t r ao f2 - d e o x y t h y m i d i n e - 5 - m o n o p h o s p h a t ed i s o d i u m s a l t ( d t m p ) i nw a t e rs o l u t i o nw h i c hh a sac h a r g e - t r a n s f e rb a n dn e a r2 6 6 n m r e s o n a n c er a m a l l s p e c t r u m sw e r eo b t a i n e df o rd t m pi nw a t e rs o l u t i o nw i t h2 5 2 7 n ma n d2 6 6 n me x c i t a t i o n w a v e l e n g t hi nr e s o n a n c e 、析t l lc t - b a n da b s o r p t i o ns p e c t r u ma n dr e s o n a n c er a m a na n a l y s i sw a s d o n e t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ef r a n c k - c o n d o nr e g i o ns h o r t - t i m ep h o t o d i s s o c i a t i o nd y n a m i c s o fd t m ph a v em u l t i d i m - e n s i o n a lc h a r a c t e r sw i t ht h er e a c t i o nc o o r d i n a t e so rd i s p l a c e m e n t s o c c u r r i n gw i t ht h en o m i n a lc 5 = c 6s t r e t c h + c 6 一hb e n dv 1 ( = 0 7 8 ，九= 5 0 6c m 叫) ，t h en o m i n a l t h y m i n er i n gs t r e t c h + c 6 - hb e n d 斗n 1 - c l ，s t r e t c hv 4 ( = o 7 4 ，x = 3 7 6c m q ) ，t h en o m i n a lt h y m i n e r i n gs t r e t c h + c 5 一c h 3 n i c i ，s t r e t c hv 5 ( = o 6 8 ，入f 2 8 7c m 1 ) e t c t h en o r m a lm o d ed i s p l a c e m e n t s o ft h em o s ti n t e n s er e s o n a n c er a l t l a nb a n d so fd t m pa r es i m i l a rt ot h a to ft h y m i d i n e t h i s s u g g e s t st h a tt h ep h o s p h a t em o i e t yh a sn oi n f l u e n c eo nt h ef r a n c k - c o n d o nr e g i o ne x c i t e d - s t a t e r e l a x a t i o nd y n a m i c so fd t m p k e y w o r d s ：n u c l e i ca c i d sb a s e ，c h a r g e - t r a n s f e r ，s h o r t t i m ed y n a m i c s ，r e s o n a n c er a m a n v - 浙江理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师 的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰 写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 日翥搿学锑挚听 浙江理工大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权浙江理工 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密i z ，在 不保密。 学位论文作者躲东瓦鞠哪 吼d 伊产弓月6 日 年解密后使用本版权书。 指导狮签名：狮绢 日期：矽矽夕年岁月7 e t 浙江理工大学硕士学位论文 第一章前言 1 1 核酸碱基的结构简介 核酸存在所有生命体中，是一类重要的化合物，对生物的新陈代谢、遗传、变异等生 命过程起着决定性作用。作为遗传信息的载体，它参与遗传信息在细胞内的传递和表达， 从而促成代谢过程及其控制。在一定意义上可以说，生命的一切过程都是根据存储在d n a 内的程序进行的。因此要揭示生命过程的奥秘必须从研究核酸的结构入手，进而探索其生 物功能f l 】。 核酸是一种生物高分子化合物，是由许多个不同的核苷酸通过磷酸- - 键连接而成， 根据组成的不同，分为核糖核酸( r n a ) 和脱氧核糖核酸( d n a ) 两大类，其共同点是由磷酸 二酯键按嘌呤与嘧啶碱基配对的原则而连接起来的多核苷酸链【2 】。1 9 4 4 年a v e r y ，m a c l e o d 和m c c a r t y 发现肺炎球菌从无毒型向有毒型的转化过程是由于d n a ( d e o x y r i b o n u c l e i ca c i d ， 脱氧核糖核酸) 从死亡的光滑型转移到活的粗糙型的结果，首次确立了核酸是遗传物质的 重要地位；而后来h e r s h e y 和c h a s e 对一个感染大肠杆菌病毒的研究进一步肯定了d n a 的 遗传作用，1 9 5 3 年w a t s o n 和c r i c k 创立的d n a 双螺旋结构模型，不仅阐明了d n a 分子 的结构特征，而且提出了d n a 作为执行生物遗传功能的分子【3 1 ，从亲代到子代的d n a 复制 ( r e p l i c a t i o n ) 过程中，遗传信息的传递方式及高度保真性，为遗传学进入分子水平奠定了基 础，成为现代分子生物学发展史上最为辉煌的里程碑。 核酸碱基共有两类，嘌呤碱基和嘧啶碱基，他们的结构如图1 1 所示。糖基的1 位碳 原子与嘧啶的第1 位氮原子或嘌呤的第9 位氮原子以共价键相连，形成带有碱基的糖被称 为核苷( n u c l e o s i d e ) ( 见图1 2 a ) 。核苷中糖基的5 碳原子与磷酸基相连后形成核苷酸 ( 5 - n u c l e o t i d e ) ( 见图1 2 b ) 。 h n i h h ( p u r i n e s ) g u a n i n e f h h 浙江理工大学硕士学位论文 h t h y m i n e h h h c y t o s i n e ( p y r i m i d i n e s ) 图1 1 核酸碱基结构 o hr o l i o i h h o - - 占p - - - o , _ 蒯s e h h o hr n u c l e o s i d e5 一n u c l e o t i d e r = h 2 - d e o x y r i b o s e r = o h r i b o s e 图1 2 ( a ) 核苷的结构，c o ) 核苷酸的结构 1 2 核酸的生物光化学 生物体受到紫外线照射后会造成各种各样的损伤，如细胞死亡、光致变异、光致癌等。 例如，紫外线对水的消毒灭菌主要是通过紫外线对微生物的辐射，生物体内的核酸吸收了 紫外线的光能，损伤和破坏了核酸的功能使微生物致死，从而达到消毒的目的。微生物受 到紫外线辐射，吸收了紫外线的能量，实际是核酸吸收了紫外线的能量。d n a 和r n a 对 紫外线的吸收光谱范围为2 4 0 n m - 2 8 0 n m ，对波长2 6 0 n m 的吸收达到最大值。 紫外线对核酸的作用可导致键和链的断裂、链问交联和形成光化产物等。二聚体的形 成破坏了嘧啶与嘌呤的正常配对，改变了d n a 的生物学活性，使微生物自身不能复制， 这就是微生物最重要的紫外线损伤，也是致死性损伤【1 b m 。 显然生物体受到的大多数辐射损伤与d n a 在分子水平上的物理的、化学的变化有重 要关系，这促使核酸的光生物学飞跃发展起来。近几十年来，光生物学的研究已使人们认 识到核酸光化学的重要性。 浙江理工大学硕士学位论文 1 9 6 0 年b e u k e r s 和b e r e n d s 发现了胸腺嘧啶二聚体。此后不仅胸腺嘧啶，尿嘧啶和胞 嘧啶也被确认能形成二聚体1 5 】。嘧啶二聚体使d n a 双螺旋两链的键减弱，使d n a 结构局 部变形，严重影响照射后d n a 的复制和转录，继而产生基因突变。众说周知，同一链上 相邻胸腺嘧啶在u v 照射下能够形成嘧啶二聚体是u v 引起d n a 损伤最普遍的例子【6 。 u v l i g h t 图1 3 胸腺嘧啶在u v 照射下二聚反应 最近的研究表明低能量( 甚至小于3 e v ) 也可能对核酸高聚物稳定性的伤害是致命的 i s 】。然而核酸碱基对光的高稳定性也许是自然选择它们作为遗传物质的原因。核酸碱基对 光的高度稳定性与它们吸收辐射后的超快非辐射衰变相联系，因此这些物质显示出了低的 荧光，荧光量子产量在1 0 4 左右 9 - 1 2 】。 1 2 1d n a 碱基的激发态衰变动力学 美国；3 n , j , l , i 理工学院z e w a i l 教授( 1 9 9 9 年诺贝尔化学奖获得者) ，将高速激光技术应用于研 究化学反应中的分子运动规律，开创了新的研究领域- - f e m t o c h e m i s t r y 1 3 4 】，使得在f s 量级 上来观察核酸碱基激发态的变化成为可能。近来，在p s 和f s 时间域研究核酸碱基的激发态 动力学取得t - - - i - 常显著的进步【1 0 1 。这些研究清楚的显示出核酸碱基激发态寿命在、- b ；p s 量 级，同时也显示出其激发态动力学过程是非常复杂的。 飞秒光谱对核酸碱基的研究揭示了胸腺嘧啶，胸苷衍生物最初的单重激发态( s f c ) 无 辐射衰变主要经过两条不同的内转换( i c ) 路径。一条是亚p s 时间域，最初的单重激发态 通过超快的内转换过程衰变到基态( s o ) ，另一条在亚p s 至p s 时间域，最初单重激发态内 转换到较低能量的1 ( n ，n * ) f 3 态，而1 仳兀宰) 门态可以衰变到基态( s o ) 或进一步产生激发 三重态 1 5 - 1 9 】。并且这些研究还表明s f c s o 和s f d l 仳7 【木) 的内转换过程中都存在势能面的圆 锥交叉。飞秒泵浦一探测光谱测得核苷s l 态的寿命分别为2 9 0 ( 腺苷) ，7 2 0 ( 胞苷) ，4 6 0 ( 鸟苷) 和5 4 0 f s ( 胸苷) 2 0 】，表明核苷s l 态的寿命基本取决于碱基的几何结构。胸腺嘧 啶，胸苷和胸苷单磷酸盐从s f c 到较低能量的1 ( n ，兀宰) 态内转换的时间常数分别为o 5 8 ，0 6 9 浙江理工大学硕士学位论文 和1 1 0 p s l 2 1 j ，而腺嘌呤，腺苷和腺苷单磷酸盐从s v c 到较低z 月匕t - , 量的1 仳7 【 ) 态内转换的时间 常数分别为1 3 ，1 9 和2 1 p s ，表明核苷或核苷酸s 1 态的寿命也受糖环基团或糖环磷酸盐 基团的影响。糖环或糖磷酸盐基团似乎可以有效的调节s f c 1 觚木内转换过程的时间常数。 1 ( 兀，7 c 幸) 专1 冗木) 内转换过程由于在超快激发态动力学中的重要性，其转换过程的可能 性已经受到大量理论研究的关注1 2 2 。2 9 】。最近的一些理论计算表明圆锥交叉可以在涉及到三 个态的耦合区域显现。并且已经确认面外振动模，例如嘧啶碱基c = c 扭曲振动和相关羰基 的锥形化对于势能面的圆锥交叉是必要的 2 3 - 2 5 1 。有面外振动模促进的1 仳7 t 枣) 态和1 ( 7 c ，7 c 木) 态的电子振动耦合已经频繁的作为核酸碱基1