金属离子与核酸碱基及水作用模式的理论探讨

LiaoningNormalUniversity（2014届）本科生毕业论文(设计)题目：金属离子与核酸碱基及水作用模式的理论探讨学院：化学化工学院专业：化学班级序号：2班23号学号：20101128020047学生姓名：张丹指导教师：宫利东2014年5月i目录摘要(Abstract)............................................................................................................................1关键词(Keywords).....................................................................................................................1前言............................................................................................................................................21理论和计算方法....................................................................................................................21.1量子化学方法简介......................................................................................................21.2Gaussian09简介..........................................................................................................32计算方法................................................................................................................................43.结果与讨论...........................................................................................................................43.1碱基单体的结构和电荷分布......................................................................................43.2金属离子与核酸碱基的复合物..................................................................................53.2.1结合能................................................................................................................73.2.2电荷分布............................................................................................................83.3金属离子与核酸碱基及水形成复合物Mn+-Base-(H2O)n的结构和结合能..........113.3.1Mn+-Base-(H2O)1体系构型..............................................................................113.3.2Mn+-Base-(H2O)2体系构型..............................................................................123.3.3Mn+-Base-(H2O)n体系结合能..........................................................................143.3.4Mn+-Base-(H2O)n体系的电荷分析..................................................................16参考文献：..............................................................................................................................17致谢..........................................................................................................................................18第1页金属离子与核酸碱基及水作用模式的理论探讨摘要：金属离子与核酸碱基的相互作用对许多生理过程都会产生影响。不同的金属离子与核酸碱基相互作用的强弱取决于金属离子所带电荷以及核酸碱基的结构和不同位点。本文应用量子化学方法研究了Li+、Na+、K+、Be2+、Mg2+、Ca2+与核酸碱基(A、C、G、T、U)及水的相互作用，包括复合物的结合位点、体系能量、电荷分布等。采用了B3LYP/6-311+G(d,p)、B3PW91/6-311+G(d,p)和M062X/6-311+G(d,p)三种方法对复合物进行了几何构型的优化和能量的计算，并且在HF/STO-3G水平上对几何构型进行了Mulliken电荷布局分析，并将得到的结果进行比较得出结论。关键词：金属离子；核酸碱基；量子化学计算Abstract：Theinteractionofmetalionswithnucleicacidbasesimpactsonmanyphysiologicalprocesses.Theinteractionbetweendifferentmetalionsandnucleicacidbasesdependsonthemetalioncharges,thestructureofthenucleicacidbasesanddifferentregions.Inthiswork,theinteractionamongLi+/Na+/K+/Be2+/Mg2+/Ca2+,nucleicacidbasesandwaterhasbeenstudiedbyquantumchemicalcalculationmethods,includingregions,bindingenergyandchargedistributions.WeoptimizedthecomplexesandcalculatedtheenergyofthecomplexeswiththemethodsofB3LYP/6-311+G(d,p)、B3PW91/6-311+G(d,p)andM062X/6-311+G(d,p),andanalyzedthedistributionofMullikenchargesattheHF/STO-3Glevel,andcomparedtheobtainedresultstoreachaconclusion.Keywords：metalions；nucleicacidbases；quantumchemicalcalculation金属离子与核酸碱基及水作用模式的理论探讨第2页前言核酸是一种生物大分子化合物，由许多核苷酸聚合而成，存在范围广泛，所有微生物、植物细胞、动物、生物体体内都含有核酸，是生命所必需的基本物质之一。由于核苷酸的排列顺序及其化学成分的不同，又组成不同的核酸。根据其化学成分的不同，将核酸分为脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)，它们都是由碱基、戊糖和磷酸组成。核酸是生物承载和传递信息的载体，在生物体的结构、功能、甚至生物催化上都有重要的作用，而这些重要作用的发挥往往离不开金属离子。金属离子与核酸碱基相互作用能够维持核酸碱基的结构和功能，这是由于磷酸骨架带有负电荷，金属离子能中和其负电，而起到稳定结构的作用，虽然碱金属离子通常与磷酸基团相互作用，但与碱基的结合会比与磷酸基团相互作用产生更为显著的影响[1]。金属离子-核酸碱基的相互作用参与了许多生理过程：如维持三倍体、四倍体DNA螺旋的稳定性以及Z-DNA的稳定性；一些金属离子可以扰乱DNA的复制过程[2]。金属离子可以与碱基直接结合，也可以通过一个水分子而相互结合[3]，由于金属离子的加入可使碱基对的稳定性得到加强从而稳定和调控多种核酸碱基。利用金属离子对核酸的影响，可以帮助人们开发研究抗癌药物，例如人们利用顺铂与鸟嘌呤相互作用，研发出可以促发癌细胞死亡的药物。而甲基化是蛋白质和核酸的一种重要的修饰，调节基因的表达和关闭，与癌症、衰老、老年痴呆等许多疾病密切相关，是表观遗传学的重要研究内容之一。最常见的甲基化修饰有DNA甲基化和组蛋白甲基化。在生物体系中，碱金属离子参与多种生理活动，在维持生命的生化过程中起到了重要的作用。Rodgers等[8]探讨了最稳定的腺嘌呤异构体和碱金属离子(Li+、Na+)的结合情况，发现金属离子在N6、N7位置上以双齿形式配位，要比在Nl或N3位置上单齿配位得到的复合物稳定，并且这种双齿形式配位方式能够破坏碱基对A--T中的氢键。Russo等[9]的研究结果也证实Na+、K+在N6、N7位置上以双齿形式配位得到的复合物最稳定。为了了解金属离子在核酸生化过程中的作用，研究碱金属离子与碱基的相互作用是十分必要的。具体来说，碱金属离子与核酸结合会产生怎样的影响取决于碱金属离子与其相互作用位置。金属离子与碱基单体相互作用具有不同的结合位点，在不同的位点其结合能也随之不同。对于DNA双螺旋结构，在碱基上碱金属离子的最佳成键位置为嘌呤碱基的N7位，而鸟嘌呤-碱金属复合物的稳定能大于腺嘌呤-金属复合物的稳定能[10]。Russo等人[11,12]在2001年报道了碱金属离子和腺嘌呤及鸟嘌呤的N7、N9和O6位能够发生相互作用由核酸碱基结构的复杂性、易变性，且易受限于实验条件或者实验手段自身的缺陷，对于某些过程中具体的相互作用细节往往无法检测，因此实验研究方法就具有一定的局限性。随着计算机科学技术的飞速发展，可用于理论模拟的方法和程序如雨后春笋般蓬勃地发展，理论模拟已经成为人们研究生物大分子体系的一种有效手段。在理论方法中，从头计算方法不依赖任何经验参数，最近几年已经渗透到许多研究领域，在金属离子与碱基相互作用的研究中，越来越多的运用了高精度的量子化学计算方法，如：MP2、CCSD(T)等。本文应用量子化学方法研究金属离子与核酸碱基及水的相互作用，计算其键长、结合能，同时分析电荷转移，为建立含金属离子体系的核酸分子力场提供参考。1理论和计算方法1.1量子化学方法简介量子力学是描述微观体系运动规律的科学，量子化学从1927年Heitler和London研究氢分子的结构开始，七十多年来已发展成为一门独立的学科，同时也与化学各分支学科金属离子与核酸碱基及水作用模式的理论探讨第3页以及物理、生物、计算数学等互相渗透的学科，在多个领域如材料、能源、环境、化工生产以及激光技术中得到广泛应用。从