论文摘要
鸟嘌呤和腺嘌呤是DNA碱基的重要组成成分。在生命活动过程中,细胞内的嘌呤因物理、化学等多种因素的作用使得碱基极易发生损伤,比如:DNA链的断裂、碱基发生环外修饰或与金属离子配位形成复合物等。这些损伤改变了碱基（对）的稳定性、酸碱性、碱基互补配对能力等性质,进而影响到DNA双螺旋的稳定性和遗传信息的准确表达。近年来,随着现代生物学和分子生物技术的发展,人为地将DNA进行任意裁剪或用不同种类官能团进行化学修饰以实现其功能化的研究正受到越来越广泛的关注。本论文重点讨论了嘌呤的损伤及其功能化修饰的相关问题,其中,第二章到第四章主要讨论了碱基损伤对碱基（对）性质的影响,第五、六章主要研究了碱基的功能化修饰在离子液方面的应用。我们发现了一些有意思的现象,取得了一些有价值的研究成果。现将主要的研究结果总结如下:反-4-羟基-2-壬烯醛的致突变性研究:从分子水平上预测了反-4-羟基-2-壬烯醛（4-HNE）与鸟嘌呤发生加成反应的机理及由加成物诱导基因突变的机理。4-HNE和鸟嘌呤经过三步反应最终生成trans-4-HNE-dG加成物。反应的第一步经过一个协同的六元环状过渡态,后两步的过渡态是四元环状结构,其中最后一步是反应的决速步骤。对trans-4-HNE-dG加成物与腺嘌呤A,胸腺嘧啶T,胞嘧啶C,腺嘌呤和胸腺嘧啶的稀有异构体（亚胺式A*和烯醇式T*）互补配对的研究结果表明,在母代中,4-HNE-dG对于糖苷键的反式（anti-）和顺式（syn-）构象分别易于同A*和T*互补配对。因此在复制过程中,syn-4-HNE-dGA*的互补配对最终可以产生GC→CG和GC→TA的突变,而anti-4-HNE-dGT*的互补配对最终可以产生GC→TA的突变或者不发生突变。而且,在母代中,由于syn-4-HNE-dGA*结合的几率比anti-4-HNE-dGT*结合的几率略高;因此GC→TA突变在所有突变中出现的几率最高。我们的计算很好地解释了实验上观察到的突变结果。嘌呤的甲基化损伤对GC和AT碱基对性质的影响:主要考察了N7,N9-二甲基化的GC（[dMGC]+）和N7,N9-二甲基化AT（[dMAT]+）碱基对的配位强度,以及与质子转移和去质子化有关的质子性质。我们发现鸟嘌呤或者腺嘌呤N7位的甲基化作用增强了GC和AT碱基对的稳定性。在[dMGC]+碱基对中鸟嘌呤的N1位上的质子经过一个非平面的过渡态可以转移到胞嘧啶的N3位上。然而在[dMAT]+碱基对中却没有这种质子转移反应的发生。对于[dMGC]+和[dMAT]+的去质子化研究的结果表明鸟嘌呤的C8位和N1位以及腺嘌呤的C8位是最容易发生去质子化的部位。从嘧啶的N1位失去一个质子可以生成最稳定的去质子化碱基对,[dMG（N1）C]+和[dMA（N1）T]+的解离能分别高达100.0和65.49kcal/mol,远高于中性GC和AT碱基对的解离能。当从嘧啶的其他部位失去质子后,碱基对的结构发生巨大变化,从而生成一些非常有趣的去质子化结构。比如,在这一去质子化过程中,我们观察到质子从鸟嘌呤的N1位自发地转移到胞嘧啶的N3位或者从腺嘌呤的N6位白发地转移到胸腺嘧啶的N3位或O4位上。在[dMGC]+中,从胞嘧啶的N4位失去一个质子很容易生成胞嘧啶的两种亚胺式异构体（trans-C*或cis-C*）。此外,这部分内容还初步探讨了质子从鸟嘌呤的N1位自发地转移到胞嘧啶的N3位上的原因。铜离子对腺嘌呤的气相酸性的影响:研究了Cu+-Adenine和Cu2+-Adenine配合物的多个活性位置的气相去质子化过程。为了考察金属离子不同配位位置对腺嘌呤酸性的影响,我们还计算了腺嘌呤（A）和腺嘌呤自由基阳离子(A+的气相酸性。结果表明Cu+-Adenine和Cu2+-Adenine配合物中的C-H和N-H基团的酸性比中性腺嘌呤的酸性强的多。在同一酸性位置上,腺嘌呤及腺嘌呤衍生物的酸性由强到弱的顺序为:Cu2+-adenine＞A·+＞Cu+-adenine＞A。对配合物电子性质的分析很好地解释了Cu2+-adenine的强酸性。对于Cu+-adenine和Cu2+-adenine来说,在N3-配位的复合物中,N9-H的酸性最强,而在N1-和N7-配位的复合物中,N6-Ha和N6-Hb分别是酸性最强的基团。此外,令人吃惊的是,在配合物中,C2-H基团的酸性变得非常强,尤其是在1a,3a/b和7b中,C2-H成为第二:强酸性基团。[A（-H+）]-和[A（-H+）]·的静电势的分析结果发现,金属离子的配位对腺嘌呤的C2负离子起稳定化作用。另外,[A（-H+）]-和[A（-H+）]·的静电势的分析表明从氨基上失去质子Ha或Hb后有利于碱基与铜离子间形成双齿配合物,从而使得分子内除静电引力外还形成2个从N6和最初的配位原子到铜离子间的配位键,使[A（-H+）]-/[A（-H+）]·去质子结构的稳定性增强。NBO轨道分析确认了这一分析结果。氯化二甲基鸟嘌呤离子对的结构和性质研究:后面这两部分内容主要考察鸟嘌呤的功能化的修饰在离子液方面应用的可能性。设计这种离子液的初衷主要是考虑到阳离子是基于一种生物遗传物质,因此,和传统的离子液相比,该类离子液具有生物可降解的特点,而且更适合一些生物合成反应。本部分内容主要研究了氯化N7,N9-二甲基鸟嘌呤离子对的几何构型、红外光谱以及电子性质。我们分析了一个二甲基鸟嘌呤阳离子同1到4个的氯离子及一个氯离子同两个二甲基鸟嘌呤阳离子形成的化合物。通过优化,一共得到15个稳定结构。阳离子上一共有四个酸性部位可以与阴离子结合。在这些区域,一个阳离子可以与1到3个氯离子形成氢键,但是最多不会超过3个氯离子,同时一个氯离子可以与2个阳离子形成氢键。此外,我们还发现了阴阳离子间存在Cl...π键的证据。在所有15个稳定结构中,一个阳离子同2个阴离子或两个阳离子同一个阴离子形成的结构具有比其他结构高的结合能。其中,2个阴离子分别同阳离了的N1-H和N2-Ha及C8-H结合形成的离子对最稳定。NBO分析结果表明阴阳离子间是通过Cl...Hσ键或Cl...π键来转移电子的。Wibergbond index分析显示阴阳离子问的这种Cl...H或Cl...π键的键级较小,这意味着Cl...H或Cl...π键表现出比较弱的共价键性质,即,阴阳离子间存在比较强的Cl...H或Cl...π的离子键形式。另一方面,Cl...H或Cl...π键的形成降低了与之相连的C-H,N-H或C8-N7键的键级。此外,红外光谱的分析很好地说明了氯化N7,N9-二甲基鸟嘌呤离子对中氢键的本质。不同阴离子对二甲基鸟嘌呤离子对性质的影响:本部分内容进一步系统的研究不同阴离子（氟、溴和四氟硼酸）组分的N7,N9-二甲基鸟嘌呤离子对的结构和电子性质。文中主要考察了一个二甲基嘌呤阳离子同1到3个氟离子（溴离子或四氟硼酸离子）的相互作用。对结构进行优化后,一共得到31个稳定结构。我们发现在这些结构中,两个阴离子同一个阳离子发生作用,尤其同阳离子的S1（N1-H和/或N2-Ha）和S3（C8-H）位发生作用的可能性最大。而且,随着F,Br和BF4阴离子半径的增大,阴阳离子间的相互作用能逐渐降低。NBO分析表明在[dMG]·mBr或[dMG]·mBF4中,电子主要是通过Xlp→σC/N-H*相互作用或（和）Xlp→πC8-N7*相互作用从Br或BF4阴离子转移到阳离子上。Wiberg bond index分析显示阴离子同阳离子的σC/N-H*或（和）πC-N*反键轨道间的作用形成的共价键的键级很小,这意味着阴阳离子间的共价键作用非常弱,而离子键的作用非常强。然而在二甲基鸟嘌呤的氟化物中,电子的转移方式除了上述提到σ型或π型相互作用外,还有可能通过F离子同阳离子的H8或C8原子形成的共价键来转移电子。另一方面,对比[dMG]·mF,[dMG]·mBr和[dMG]·mBF4各系列阴阳离子间的键级表明,随着阴离子半径的增加,阴阳离子间越来越倾向于以离子键的形式结合。F离子与刚离子间的强的共价键键级也许意味着二甲基鸟嘌呤的氟化物不适合于作离子液,因为F离子更倾向于同嘌呤的芳香环或环上的H原子形成共价键,而其他体积较大的阴离子也许更适合作离子液的阴离子。
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