核苷酸与金属离子配位作用的理论研究

论文摘要

金属离子在生物体内起着重要的作用，因而对于研究金属离子和生物分子作用的体系受到广泛的关注。核苷酸是核酸的基本结构单位，核苷酸类化合物具有重要的生物学功能，它们参与了生物体内几乎所有的生物化学反应过程。核苷酸由三部分组成：一分子磷酸，一分子戊糖和碱基环。金属离子可以与磷酸上的氧原子、呋喃糖环上的氧原子以及碱基杂环上的C、N和O作用。其中关于碱基环和金属离子的作用已经被广泛关注，然而关于金属离子和核苷酸分子系统作用的研究却很少。本文采用量子化学密度泛函方法对金属离子与核苷酸分子活性位点相互作用的配合物的结构和性质进行系统的理论研究。其中包括各异构体的结构，稳定性和电子性质。我们用采用密度泛函的方法基于B3LYP/6-311++G（d,p）//B3LYP/6-31G（d,p）水平下优化了Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Mn2+和嘌呤及嘧啶核苷酸配合物的结构。通过研究得到了五种典型结构：中心型结构（I）、磷酸和碱基结构（II）、磷酸和戊糖结构（III）、戊糖和碱基结构（IV）和碱基结构（V）。AMP-M和GMP-M配合物中均存在这五种结构，对于AMP-M配合物，最稳定的异构体为中心型结构（I），而磷酸和碱基结构（II）是GMP-M配合物的最佳选择。此外，在CMP-M和TMP-M配合物中只有四种结构出现，缺少了磷酸和戊糖结构（III）。这种结构的特殊性我们归因于嘌呤环存在两个碳氮混合环，而嘧啶只有一个这样环。在CMP-M和TMP-M配合物中，对于二价金属离子配合物最稳定的异构体为中心型结构（I），而对于一价金属离子配合物最好的结构为磷酸和碱基结构（II）。配合物的离子稳定性遵循：Mg2+ > Mn2+ > Ca2+ > Na+ > K+，并且Mg2+和Mn2+的配合物不仅在结构而且还在能量上表现出来一些相似性。我们在B3LYP/6-311++G（d,p）水平下计算了四种核苷酸的电子性质及其配合物的垂直激发能，同时对配合物进行了NBO电荷分析。计算结果显示配合物的光谱的最大吸收峰的移动均受到碱基环上共轭程度的影响。我们的工作对于理解金属离子和核苷酸配合物的结构和稳定性起着一定的推动作用。

论文目录

• 摘要
• 英文摘要
• 第1章 绪论
• §1.1 金属离子在生物体中的研究进展
• §1.2 论文课题的选择，研究目的和研究内容
• 第2章 理论基础和计算方法
• §2.1 Schr?dinger 方程
• §2.2 分子轨道理论
• §2.2.1 闭壳层分子的Hartree-Fock-Roothann 方程
• §2.2.2 开壳层分子的HFR 方程
• §2.3 基组的选择
• §2.4 密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）
• §2.5 电子相关作用
• §2.5.1 耦合簇方法（Coupled-cluster, CC）
• §2.5.2 微扰理论方法（Many-body perturbation theory, MBPT）
• §2.5.3 组态相互作用（Configuration Interaction, CI）
• §2.6 计算结果分析
• §2.6.1 总能量
• §2.6.2 稳定几何
• 第3章 气相中金属离子与核苷酸相互作用以及其液相中紫外光谱的理论研究
• §3.1 引言
• §3.2.计算方法
• §3.3.结果与讨论
• §3.3.1.结构优化以及稳定性研究
• §3.3.2 稳定性
• §3.3.3. 电子性质
• §3.4 本章小结
• 参考文献
• 作者简介
• 致谢