（应用化学专业论文）核酸修饰碱基对的理论研究.pdf

摘要 摘要 y 1 8 2 9 , , 。1 6 l u l lp 8 l i h i l l 7 l l l l l 核酸是生命遗传信息的载体，核酸内存在大量的碱基，各种碱基均为含有氮原子共 轭体系的杂环化合物，在其所处的环境中弱相互作用广泛存在，其中碱基间的氢键作 用对核酸的结构与复制有重要作用。本文采用量子化学二阶微扰理论( m p 2 ) 方法对核 酸中的碱基问氢键作用进行理论研究，考察碱基的各种氧化损伤对w a t s o nc r i c k 碱基对 g ：c 和a ：t 的影响，以及各种氧化损伤碱基的配对性质，围绕分子问相互作用的理论方法， 对碱基单体间氢键相互作用的特征及本质进行了系统的分析。主要内容如下： 1 采用m p 2 6 3 1 g * * 方法，对核酸碱基a ，c ，gt 以及1 9 种常见的氧化损伤碱基进行 结构优化，经过频率分析验证为能量低点，得到稳定构型，然后对碱基单体进行几何参 数的比较，并且进行自然键轨道理论( n b o ) 分析，得到不同位置的氧化损伤对碱基结 构以及性质的影响。结果表明，氧化损伤碱基f a p y - a ，f a p y - g5 - o h 6 h t ，6 - o h 5 h t t - g l y c o l ，c g l y c o l ，u g l y c o l ，i s o a c i d 呈现非平面结构，并且采用原子偏离碱基平面最 大距离的方法来表示碱基的非平面性。 。 2 采用m p 2 6 3 1 g * * 署1 1m p 2 6 3 1 1 + + g 木木方法，研究了1 9 种d n a 损伤碱基分别与四 种正常碱基( a ，c ，gt ) 间可能形成的碱基对，分析碱基不同位置的氧化损伤对g ：c ，a ：t 碱基对构型与强度的影响，并且考察损伤碱基的配对性质，比较各自与四种碱基间的配 对强度。对于碱基对中的氢键作用，采用自然键轨道理论方法( n b o ) 和分子中原子理 论( a i m ) 进行分析。通过研究表明，2 - o h a ：t 相对于碱基对a ：t 的结合能增加2 5 ， 而5 - o h u ：g5 , 6 o h u ：gi s o a c i d ：g , u - g l y c o l ：g 和x a n t h o s i n e ：c 相对于碱基对g ：c 的结 合能分别降低3 9 ，4 0 ，4 4 ，4 2 和5 3 ，其余影响在6 内。结果表明，修饰碱基 5 - o h c ，5 - o h - u ，u g l y c o l ，8 - o x o g ，x a n t h o s i n e ，8 - o x o - a ，f a p y - a 容易发生碱基错配， 分别容易导致c g g c ，c g _ t a ，c g t a ，g c _ t a ，g c c ga t _ c g ，a t _ g c 形式 的突变。 3 采用超分子方法，研究了r n a 中嘧啶稀有碱基d h u 和s 4 u 分别与四种r n a 碱基 a ，c ，gu 间形成的不同碱基对，能量分析表明，它们与碱基鸟嘌呤g 形成的碱基对结 合能最大。 4 为了分析结合能与几何参数之间的关系，计算了结合能与碱基对中碱基平面角度间的 关系，以及结合能与碱基对氢键中供体受体间距离的关系，列出了结合能与几何参数 间的关系曲线。并且考察了氢键临界点的电子密度与氢键键长问的关系，以及二阶稳定 化能与氢键键长间的关系，并且针对不同质子受体的氢键建立了电子密度与键长间的趋 势方程。 本论文采用的二阶微扰理论m p 2 方法适用于所研究体系，计算满足精度与效率要 求，同时总结出将结合能变化率、距离变化率、二面角变化率三个参数用于评 估碱基对的稳定性，研究结果与实验报道结果相似，此研究可为核酸结构研究与基因突 变研究提供资料。 关键词：核酸； 碱基对；氢键；m p 2 a b s t r a c t a b s t r a c t t h e r ea r ee n o r m o u sb a s e si nt h en u c l e i ca c i d ，w h i c hi sam a c r o m o l e c u l ec o m p o s e do f c h a i n so fm o n o m e r i cn u c l e o t i d e s i nb i o c h e m i s t r yt h e s em o l e c u l e sc a r r yg e n e t i ci n f o r m a t i o n o rf o r ms t r u c t u r e sw i t h i nc e l l s n u c l e o b a s e sa r eh e t e r o c y c l i ca r o m a t i co r g a n i cc o m p o u n d s c o n t a i n i n gn i t r o g e na t o m s t h e r ea r ev a r i o u si n t e r a c t i o n sb e t w e e nt h eb a s e s ，a n dt h eh y d r o g e n b o n d i n gi n t e r a c t i o ni sv e r yi m p o r t a n tt ot h es t r u c t u r ea n dp r o p e r t yo fn u c l e i ca c i d i nt h i s s t u d y , t h eh y d r o g e nb o n d i n gi n t e r a c t i o nb e t w e e nt h en u c l e i ca c i db a s e sw e r ei n v e s t i g a t e db y q u a n t u mc h e m i s t r ym p 2 m e t h o d t h ee f f e c to fo x i d a t i o no nt h es t a b i l i t yo fg ：ca n da ：tb a s e p a i r sa n dt h ep a i r i n gp r o p e r t i e so f t h ed a m a g e db a s e sw e r es t u d i e db ys u p e r m o l e c u l a rm e t h o d t h ec h a r a c t e ra n de s s e n c eo ft h eh y d r o g e nb o n d sb e t w e e nt h eb a s e sw e r ea n a l y z e d s y s t e m a t i c l y t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h ed n ab a s e sa ，c ，1 3 ita n d19o x i d i z e db a s e sw e r eo p t i m i z e da tm p 2 6 - 3lg 木幸l e v e l a n dc h a r a c t e r i z e da sm i n i m u mb yf r e q u e n c ya n a l y s i s s u b s e q u e n t l yt h en a t u r a lb o n do r b i t a l ( n b o ) a n a l y s i sw a sp e r f o r m e ds t a r t i n g f r o mt h eo p t i m i z e dg e o m e t r i e s t h ed i f f e r e n c e b e t w e e nt h en o r m a lb a s e s ( a ，c ，gda n dt h eo x i d i z e db a s e sw e r ea n a l y z e db yt h eg e o m e t r y p a r a m e t e r s ，t h ea t o mc h a r g ea n db c i n do r b i t a l s t h er e s u l t si n d i c a t et h a ts o m eo ft h ed a m a g e d b a s e s ，s u c ha sf a p y - a ，f a p y - g l5 - o h - 6 h t 6 - o h 5 h t ，t - g l y c o l ，c g l y c o l ，u - g l y c o la n d i s o a c i d ，s h o wt h en o n p l a n a rs t r u c t u r e s ，a n dt h e m a x i m u md i s t a n c eo ft h ea t o md e v i a t ef r o m t h eb a s ep l a n e w a su s e dt oi n d i c a t et h en o p l a n a r i t yo ft h ed a m a g e db a s e s 2 t h eh y d r o g e nb o n d sb e t w e e n19o x i d i z e db a s e sa n df o u rn o r m a lb a s e s ( a ，c ，qt ) w e r e s t u d i e db ys u p e r m o l e c u l em e t h o da tm p 2 6 - 3 1 g 奉串a n dm p 2 6 3l1 + + g 宰半l e v e l s t h ee f f e c to f o x i d a t i o no nt h ec o n f i g u r a t i o na n ds t r e n g t ho fw a t s o nc r i c kb a s ep a i r sg ：ca n da ：tw e r e d i s c u s s e d t h ep a i r i n gp r o p e r t i e so ft h ed a m a g e db a s e sw e r es t u d i e db yc o m p a r i n gt h e h y d r o g e nb o n d i n gs t r e n g t hb e t w e e nt h ed a m a g e db a s e sa n dt h en o r m a lb a s e s t h en a t u r a l b o n do r b i t a l ( n b o ) a n da t o m si nm o l e c u l e st h e o r y ( a i m ) a n a l y s i sw e r ep e r f o r m e dt o c o m p a r et h ep a i r i n ga b i l i t yt on u c l e i ca c i db a s e s t h er e s u l t si n d i c a t et h a tb a s ep a i r2 o h a ：t i n c r e a s et h eb i n d i n ge n e r g yo fa ：tb y2 5 ，w h i l et h eb a s ep a i r s5 - o h u ：g5 , 6 - o h u ：g i s o a c i d ：gu - g l y c o l ：ga n dx a n t h o s i n e ：cd e c r e a s et h eb i n d i n ge n e r g yo fg ：cb y3 9 ，4 0 ， 4 4 ，4 2 a n d5 3 ，a n dt h er a t i oo fb i n d i n ge n e r g yc h a n g eo ft h er e s tp a i r sa r ew i t h i n6 m o r e o v e r , t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef a v o r a b l em i s p a i r i n gb a s e sa r e5 o h c ，5 o h u u - g l y c o l ，8 - o x o g ，x a n t h o s i n e ，8 - o x o - a ，f a p y - a ，a n ds u b s e q u e n t l y c a u s et ot h e g e n e m u t a t i o no fc g - - - g c ，c g - t a ，c g - t a ，g c _ t a ，g c c ga t c g ，a t _ g c 3 t h eh y d r o g e nb o n d sb e t w e e nt h ed a m a g e du b a s e s ( d h ua n ds 4 u ) a n dr n ab a s e s ( a ，c ， g w e r es t u d i e db ys u p e r m o l e c u l em e t h o d t h eb i n d i n ge n e r g i e s ，n b oa n a l y s i sa n da i m a n a l y s i sw e r ep e r f o r m e d ，a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h e yf o r mt h em o s tb i n d i n ge n e r g yp a i r s w i t h b a s eg 4 t oi n v e s t i g a t et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ei n t e r a c t i o ne n e r g ya n dg e o m e t r yp a r a m e t e r s ，w e h a v ec a l c u l a t e dt h ed e p e n d e n c eo fi n t e r a c t i o ne n e r g yo nt h eb u c k l ea n g l ea n dt h ed i s t a n c e b e t w e e nt h eh y d r o g e nb o n dd o n o ra n da e c e p t o rb e t w e e nb a s e s f u r t h e r m o r e ，t h er e l a t i o n b e t w e e nt h ee l e c t r o nd e n s i t ya n dd i s t m m e ，a n dt h er e l a t i o nb e t w e e nt h ee 1 2 ) a n dd i s t a n c ew e r e a b s t r a c t d i s c u s s e di nd e t a i l t h em p 2m e t h o do fm o l l e r - p l e s s e tp e r t u r b a t i o nt h e o r yi ss u i t a b l ei nt h es t u d i e ds y s t e m s ， w h i c hg i v e sa l la p p r o v i n gc a l c u l a t i o na c c u r a c ya n de f f i c i e n c y m o r e o v e r ，t h et h r e ep a r a m e t e r s r a t i oo fb i n d i n ge n e r g yc h a n g e ，r a t i oo fd i s t a n c ec h a n g e ，r a t i oo fd i h e d r a la n g l ec h a n g e ， w e r ep r o p o s e dt oc o m p a r et h es t a b i l i t yo fd a m a g e db a s ep a i r si nn u c l e i ca c i d ，t h er e s u l t sa r e s i m i l a rt ot h er e p o r t e de x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dt h e s ec a l lb eu s e f u lf o rt h en u c l e i ca c i ds t u d y a n dg e n em u t a t i o nr e s e a r c h k e y w o r d s ：n u c l e i ca c i d ；b a s ep a i r ；h y d r o g e nb o n d ；m p 2 鬈， 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1d n a 碱基1 1 2 碱基的相互作用2 1 2 1 氢键作用3 1 2 2 堆积作用4 1 2 3 金属离子与碱基间相互作用5 1 3 从头算方法5 1 3 1 薛定谔方程6 1 3 2 闭壳层分子的h f r 方程6 1 3 3 微扰理论8 1 4 相互作用的计算方法9 1 4 1 基组简介1 0 1 4 2 基组重叠误差1 l 1 4 3g a u s s i a n 软件简介1 2 1 4 4 自然键轨道方法( n b o ) 1 3 1 4 5 分子中的原子理论( a i m ) 1 3 1 5 论文的主要内容1 4 参考文献1 4 第二章核酸修饰碱基的结构2 2 2 1 前言2 2 2 2 计算方法2 2 2 3 结果与讨论2 4 2 3 1 结构参数2 4 2 3 2n b o 分析3 0 2 4 本章小结3 3 参考文献3 3 第三章胸腺嘧啶的修饰碱基对3 6 3 1 前言3 6 3 2 计算方法3 6 3 3 结果与讨论3 8 3 3 1 结构参数3 8 目录 3 3 2 能量分析4 1 3 3 3n b o 分析4 2 3 3 4a i m 分析4 6 3 4 本章小结4 8 参考文献4 9 第四章胞嘧啶的修饰碱基对5 2 4 1 前言5 2 4 2 计算方法5 2 4 3 结果与讨论5 5 4 3 1 结构参数5 5 4 3 2 能量分析5 8 4 3 3n b o 分析6 0 4 3 4a i m 分析6 5 4 4 本章小结6 8 参考文献7 0 第五章鸟嘌呤的修饰碱基对7 2 5 1 前言7 2 5 2 计算方法7 2 5 3 结果与讨论7 4 5 3 1 结构参数7 4 5 3 2 能量分析7 6 5 3 3n b o 分析7 7 5 3 4a i m 分析8 1 5 4 本章小结8 3 参考文献8 4 第六章腺嘌呤的修饰碱基对8 6 6 。1 前言8 6b 刖舌8 6 6 2 计算方法8 6 6 3 结果与讨论8 8 6 3 1 结构参数8 8 6 3 2 能量分析9 0 6 3 3n b o 分析9 l 6 3 4a i m 分析9 3 6 4 本章小结9 5 参考文献9 6 第七章尿嘧啶的修饰碱基对9 8 7 1 前言9 8 目录 7 2 计算方法9 8 7 3 结果与讨论9 9 7 3 1 结构参数9 9 7 3 2 能量分析9 9 7 3 3n b o 分析9 9 7 3 4a i m 分析9 9 7 4 本章小结9 9 参考文献9 9 第八章碱基对的稳定与几何参数关系9 9 8 1 前言9 9 8 2 计算方法9 9 8 3 结果与讨论9 9 8 3 1 结合能与结构参数关系9 9 8 3 2 二阶稳定化能与几何参数关系9 9 8 3 3 电子密度与几何参数关系9 9 8 3 4 各种氧化损伤对结合能的影响9 9 8 3 5 各种损伤碱基对的稳定性9 9 8 4 本章小结9 9 参考文献：9 9 第九章结论9 9 致谢9 9 附录：作者在攻读学位期间发表的论文9 9 第一章绪论 第一章绪论 1 1d n a 碱基 脱氧核糖核酸( d n a ) 是生物体遗传信息的载体，是一个由两条聚核苷酸链相互缠 绕一起而形成的双螺旋结构的高分子。在形成稳定螺旋结构的碱基对中共有4 种不同碱 基，根据它们英文名称的首字母分别称之为a ( a d e n i n e 腺嘌呤) 、t ( t h y m i n e 胸腺嘧啶) 、 c ( c y t o s i n e 胞嘧啶) 和g ( g u a n i n e 鸟嘌呤) 。其中每种碱基分别与另一种碱基互补，嘌呤 碱基是双环结构，而嘧啶碱基是单环结构，在d n a 结构中，两个嘧啶之间配对则空间 太大，而嘌呤之间配对则空间不够，这样一般是a 与t 配对，g 与c 配对【l 】。 碱基之间也存在错配现象，嘌呤碱基和嘧啶碱基都有酮烯醇式互变异构现象，一般 生理p h 条件下呈酮式。最初j a m e sw a t s o n 提出错配理论，认为碱基从酮式转变为醇式， 从胺基转变为亚胺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 错配，后来的大量此类诱变研究表明，主要的错配形式是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【2 】。w a t s o n 嘶c k 碱基对与错配碱基对之间存在竞争， 如果不考虑溶液酸碱性和碱基定向的情况下，也有8 种可能的错配形式，分别为g ：t a ：c ， g ：qa ：a ，g ：a ，c ：c ，t ：t 和c ：t 。此外，碱基之间按照标准的配对方式外，还可以按照反 标准配对，即h o o g s t e e n 和反h o g g s t e e n 配对。研究表明，g ：a 错配比其他类型的错配 更难修型3 1 ，该错配有四种存在模式【4 ，5 】，它的结构受到酸碱性、盐度和错配位置的序列 环境等影响1 1 。例如在中性溶液中为g a n t i ：a 。m i 构型，在酸性溶液中为g 。v n ：a 。n t i 构型。 d n a 中除了主要碱基a ，gt ，c 之外，还存在着1 0 0 多种修饰碱基【1 2 , 1 3 】，关于它们的 生物活性还了解不够，例如碱基的氧化、甲基化、去氨基，所产生的稀有稀有碱基会引 起癌变或其他病变【1 4 , 1 5 】。另外，氧化碱基的积累容易导致衰型1 6 】，关于稀有碱基的生化 性质还有待继续深入研究。普遍认为活性氧r o s 产生于辐射或者化学氧化【l7 ，l 引，另外许 多的有毒化合物或药物也会产生细胞内活性氧。自由基的产生是生化过程的普遍现象， 可以产生于不同的生物系统，并且可以与不同的生物大分子发生反应【1 9 , 2 0 。在活性氧中 以羟基自由基o h 最具有反应活性，其常见的反应为f e n t o n 和h a r b e r - w e i s s 反应。羟基自 由基o h 可以对碱基进行各种修饰，产生许多的嘌呤和嘧啶类修饰碱基，其中许多是不 稳定产物，并且可以继续进行结构重排。总体上，嘧啶碱基的c 5 = c 6 双键位置容易被o h 修饰，双键容易发生羟基化产生二醇结构，研究最多的是胸腺嘧啶二醇5 ，6 一d i h y d r o 5 , 6 一 d i h y d r o x y t h y m i n e ( t h y m i n eg l y c 0 1 ) ，它是最常见的嘧啶损伤产物【2 卜2 2 1 ，它可以导致d n a 结构明显的扭曲【2 3 1 。胞嘧啶二醇c y t o s i n eg l y c o l 是碱基c 的一个羟基化衍生物，它是不稳 定的结构，易于脱水或者脱氨基，分别形成5 - 羟基胞嘧啶5 - h y d r o x y c y t o s i n e 、5 一羟基尿嘧 啶5 h y d r o x y - u r a c i l 或尿嘧啶二醇u r a c i lg l y c o l 。也可以继续分解为不同的产物，最终生 成尿素u r e a 。 嘌呤碱基的两个位置容易受到修饰氧化，首先是生成8 羟基嘌呤( 8 - h y d r o x y p u r i n e ) 或者环状咪唑环打开【2 4 】，其次是2 一羟基腺嘌呤( 2 一h y d r o x y d e o x y a d e n o s i n e ) 【2 5 】。碱基g 江南大学博士学位论文 的c 8 位最容易氧化，生成7 ，8 二氢8 氧鸟嘌呤7 ，8 d i h y d r o 8 - o x o g u a n i n e ( 8 - o x o g 1 【2 6 2 7 ， 它可以与碱基c 和a 形成碱基对，导致g c _ t a 突变。已有n m r 和x 射线鉴定了8 o x o g 的结构，当与碱基c 配对时，d n a 双螺旋结构与未修饰时相刚2 8 2 9 1 ，与胞嘧啶氧化碱基 相似，8 - o x o g 容易被d n a 聚合酶所忽略【3 0 。3 1 。腺嘌呤a 的c 8 位也是易于氧化的，容易生 成产物7 ，8 二氢8 氧腺嘌呤7 ，8 d i h y d r o 8 - o x o a d e n i n e ( 8 o x o a ) 【3 4 - 4 2 。另外结构研究表示， 8 - 0 x 0 _ a 与t 配对时对双链结构没有什么影响，在晶体中呈现g 枷与碱基8 o x o a 啪形式的 配对。细胞d n a 被金属或者电离辐射时，会产生2 羟基腺嘌呤2 - h y d r o x y a d e n i n e ( 2 o h a ) 【4 3 。5 1 ，实验表明d n a 在复制时2 o h a 容易被忽略f 4 6 4 7 1 。另外4 ，6 二氨基5 甲酰 胺嘧啶4 ，6 d i a m i n o 一5 一f o r m a m i d op y n m i d i n e ( f a p y - a ) 也是氧化产物之一【4 8 4 9 】，它可以阻 止d n a 合成，导致致命的损伤1 5 0 j 。 对碱基单体的结构进行研究可以推论出其可能的配对性质，以及是否会导致d n a 分子结构的扭曲。对于体内损伤碱基的研究，可以在d n a 中随机导入损伤碱基，或者在 特定位置导入损伤碱基，来判断他们与各种d n a 聚合酶的相互作用【5 1 , 5 2 】。如果这个损伤 碱基可以导致分子扭曲或者阻止d n a 聚合酶，那么它可能是一个致命的损伤。有的损伤 不会导致突变，或者在复制中被忽略，为了验证其生化性质，将各个损伤碱基弓i a d n a 单链，以此评价其致命特性或者突变特剧5 3 巧6 】。这种方法的优越性是损伤产物可以与聚 合酶直接作用，显示出其生物效应，其缺点是可能同时引入几种损伤产物。 1 2 碱基的相互作用 d n a 双螺旋结构是很稳定的，主要有三种作用力使d n a 双螺旋结构维持稳定： 一种是互补碱基之间的氢键，一种为碱基堆积力，第三种是离子间作用力。其中碱基堆 积力是由于杂环碱基的兀电子之间相互作用所引起的，d n a 分子中碱基层层堆积。在 d n a 分子内部形成一个疏水核心，疏水核心内几乎没有游离的水分子，这有利于互补碱 基间形成氢键。第三种是磷酸基的负电荷与介质中的阳离子的正电荷之间形成的离子 键，它可以减少d n a 分子双链间的静电斥力，因而对d n a 双螺旋结构也有一定的稳定 作用，其离子也与碱基间存在相互作用。氢键作用和堆积作用影响d n a 二级结构【5 7 5 8 1 ， 影响d n a 构象和多态性【5 9 】，在能量方面氢键作用较大，但是两者对于核酸来说同等重 要。 近来有许多关于氢键和堆积作用的量子化学与力场方法的报道【舡6 1 】，氢键和堆积 作用的形成力不同，所以研究的方法不同，氢键的静电力可以用各种量子化学和力场方 法【6 2 删。而堆积作用来自分散力，对于分散力的描述要充分考虑电子相关【6 5 1 。对于碱基 对分子系统来说，考虑电子相关的廉价的从头算方法是二阶微扰理论m p 2 。因为m p 2 比h f 和d f t 消耗更多的时间，所以m p 2 方法也只能限于二碱基的堆积计算。近来也 有采用经验力场的方法模拟d n a 片段结构和动力学报道，有几个力场可以较精确的描 述氢键和堆积作用，然而力场不包括d n a 碱基的极化作用，也没有考虑氨基的金字塔 形和嘧啶环的柔韧性 鲫。 第一章绪论 1 2 1 氢键作用 d n a 的双螺旋结构是由两条走向相反但相互平行的脱氧核糖核酸链，以一共同轴 为中心盘绕而成的。d n a 以其外侧的糖基一磷酸基为骨架，而碱基则位于链的内侧。位 于内侧的碱基，其中一条链碱基上的n h 2 的氢原子与另一条链上的氧原子或氮原子形成 氢键。氢键基本是形成在两条链上的腺嘌呤( a ) 与胸腺嘧啶( t ) 之间，鸟嘌呤( g ) 与 胞嘧啶( c ) 之间，这种碱基配对的规律不受年龄和环境改变的影响。它具有自身复制 的功能，碱基配对现象对生物学具有非常重要的意义。 另外碱基配对还有许多其他形式，只考虑最简单的情形，四种碱基a ，gt c 也提供 了一个非常广阔的氢键研究领域。而且即使不让嘌呤中的n 9 h 和嘧啶中的n 1 h 参与形成 氢键，依然有2 9 种带有至少两个环状n h 0 或n h n 氢键的配对方式。d n a 进行复 制时，首先是d n a 双链之间的氢键被拉开，然后是暴露的单链序列在酶的作用下按照碱 基互补的原则组成一条新链，新链中核苷酸顺序与d n a 模板中的另一条链是完全一样 的。另一条d n a 模板同样可以产生一条新链，所以一个d n a 分子通过复制可以合成两 个与其完全相同的d n a 分子。但是在d n a 的碱基对中，一些同分异构现象或者修饰碱 基的存在往往使得碱基的错配，从而产生基因突变现象【6 7 , 6 8 】。或者由于质子转移的发生， 使得d n a 发生基因突变。例如：在标准的碱基对a ：t q b 的氢键n a h o r 和n r h n a 上就屯， 能发生质子转移反应，从而产生亚氨基一烯醇碱基对a 宰：p 。由于质子的质量较小，可 以借隧道效应使氢键发生翻转，当d n a 分子复制时质子的隧道效应引起氢键翻转，并且 导致遗传密码产生错误。还有许多稀有碱基对的存在，他们与d n a 构象的多变性有关， 并且与生物信息的传递错误有关。 1 9 3 9 年p a u l i n g 在化学键的本质中，描述氢键的观点为：( 1 ) 在某种情况下，一 个氢原子同时被两个电负性很强的原子所吸引，这相当于氢原子在这两个原子间形成了密 一个键，称作氢键。( 2 ) 一个氢原子只有一个基态1 s 轨道，所以它不能形成2 个纯共价 键，所以氢键有很大的离子成分【6 9 】。在1 9 5 9 年，c o u l s o n 提出能量划分的思想【7 0 】，把氢 键系统a h b 划分为五个状态的叠加 l 王，a - h b = a v a + b 甲b + c v c + d v d + e v e 甲。 a h b a h 间共价键 甲b a h + b a h 间离子键 、王，。 a 。h b + a b 间电荷转移能 凯 a + h 。ba h 问离子键 甲。 a h b +h b 问电荷转移能 他计算了o h o 中0 o 距离为2 8 a 时的情况，静电成分凯坩d 占了总能量6 5 ， 这表示静电相互作用是氢键的主要组成部分。1 9 7 6 年k i t a r u a 和m o r o k u m a 提出新的能量 分解方法【7 ，将能量分解为以下五个部分：静电吸引能( e l e c t r o s t a t i c ) ，即分子间没有 轨道重叠的填充轨道之间的经典静电作用，包括单极单极、偶极一偶极以及单极偶极相 互作用，以及其他分子变形之前的静电相互作用；极化能( p o l a r i z a t i o n ) ，在每个分子 内填充轨道之问的重叠所产生的相互作用，由于离子变形而产生的作用能变化；交换互 江南大学博十学位论文 斥能( e x c h a n g er e p u l s i o n ) ，是在分子之间填充轨道问自旋相关而产生的相互作用，两 个分子间的电子的互换导致的近程排斥作用，这是唯一使能量升高的项；电荷转移能 ( c h a r g et r a n s f e r ) ，是一个分子的填充轨道与另外一个分子的空轨道之间的重叠而产生 的分子问离域作用，两分子的电子分别跃迁到对方的空轨道上引起的电荷转移所引起的 能量变化；以及一个差项，它是对各项的修正，一般很小可忽略。许多化学家支持氢键 的静电本质，这与大多数实验和计算出的规律相符，可是也有很多人认为电荷转移能( 反 映氢键的共价性) 在某些体系中起到重要作用。关于氢键理论的研究方法有电荷密度研 究方法、静电势方法以及等势面计算为代表的动力学研究等。现在通常认为，氢键是强 的化学键( 如共价键，离子键) 与弱相互作用( 如诱导力和色散力) 之间的过渡，它比 一般的化学键弱，但比分子间的物理相互作用强【7 2 1 ，它代表了一个质子给体与质子受体 之间相互作用的关系。由于氢键键能介于一般共价键与范德华作用力之间，因此氢键不 同于范德华力，是以静电相互作用为主的有方向性和饱和性的较强作用，故可称其为一 种特异的键型。 随着对分子相互作用研究的逐步深入，一些小分子或大分子的特殊结构特征的出 现促使人们对氢键的定义加以不断的扩展。人们较早接受的概念是x h y 中的x 和 y 都是电负性较高、半径较小的原子，如f ，o ，n 原子【73 1 。后来发现，c 在某些特殊的 化学环境也参与形成氢键。如h c n 的二聚缔合氢键结构，甚至氯仿中的c 1 3 c h 也可以 生成微弱氢键【7 4 1 ，基团c h 也能够作为质子供体而形成氢键 7 5 7 8 1 。固态蛋白质和一些 小分子中没有观测到的x h 相互作用也被很多理论所证明【7 9 8 0 1 ，最近有关电离实验和从 头计算也表明了c h n 氢键存在于吡啶团簇当中【8 1 】。各种量子化学计算方法虽然广泛 地用于研究各类化合物的结构和性质，但不能考虑电子相关作用的计算方法如h a t r e e f o c k 方法在应用于电子相关作用比较明显地体系时，常产生较大的误差。在分子间相互 作用复合物中，电子相关作用对于决定复合物的构型和性质起着重要作用，所以包含电 子相关能的常用方法，已成为研究分子间相互作用的标准方法，由于m p 2 方法相对比较 耗费计算机机时，因而该方法应用于较小的复合物体系。 关于碱基对的热动力学特征，可以采用气相实验的方法测得，然而关于核酸碱基对 气相实验的实验报道却很少，并且实验方法的准确性依然存在改进。另外，碱基对气相 实验不能提供单体或复合物的结构特征【8 2 1 。d n a 碱基对的氢键作用也可以在非极性溶 剂中研究【8 3 1 ，在极性溶剂中碱基更加倾向于以堆积形式存在【洲。对于核酸的x r a y 晶体 研究可以得到氢键复合物的结构参数，却不能得到能量数据。所以，d n a 碱基对的相 互作用采用实验方法研究较为困难，关于d n a 碱基对的研究一般都要结合理论方法， 在理论方法中，精确的方法是从头算方法，它不使用经验参数，从头算的精确性与两个 因素有关：描述原子轨道的基组的大小与电子相关效应的考虑。另外半经验方法采用实 验数据或者从头算数据为参考，所以计算速度更快，但是可靠性受到限制。 1 2 2 堆积作用 在d n a 双螺旋结构中，碱基对平而垂商于中心轴，层叠于双螺旋的内侧，相邻的 4 第一章绪论 琉水性碱基在旋进中彼此堆积在一起，这种力与氢键共同维系着d n a 双螺旋结构的稳 定性。碱基由于含有电负性不同的原子而具有明显的极化特征，当碱基堆积的时候，这 些电荷产生堆积能。由于碱基中电荷分布不同，所以堆积能与两个碱基间的相对位置有 关，而且原子上电荷可以使某些方向的堆积不稳定。除了永久电荷的作用外，碱基中电 荷存在瞬时变化而且使其他碱基产生诱导偶极，这样就产生了吸引的v a nd e r w a a l s 力或 l o n d o n 色散力，能量与r 击相关，其主要贡献是l o n d o n 色散力。 碱基堆积作用的强度与堆积碱基间环的大小成正比，碱基堆积作用的强度主要为以 下顺序：嘌呤嘌呤 嘌呤嘧啶 嘧啶嘧啶。双链d n a 中的碱基比单链d n a 中碱 基的堆积程度高，是由两条链配对碱基间的氢键引起的。所有的碱基都指向正确方向时， 达到最大的氢键键合，已经被堆积的碱基更容易键合，已经被氢键定向的的碱基更容易 堆积。 1 2 3 金属离子与碱基问相互作用 核酸的性质受到金属离子的显著影响，无论在双螺旋结构还是三螺旋结构中，金属 离子与g ：c 碱基对作用的位点均为鸟嘌呤g 的n 7 和0 6 位 8 5 o 由于水环境是生命存在的基 本环境，所以金属离子既可