论文摘要
核酸在生物体系中起着十分重要的作用，是最根本的生命的物质基础。核酸在生物的遗传变异、生长发育以及蛋白质合成中起着重要的作用。脲嘧啶作为核酸碱基的组成部分，具有重要的生物学和药物学意义。在转移核糖核酸（tRNA）中存在微量的硫代脲嘧啶，而且硫代脲嘧啶还可以作为抗癌、抗甲腺的药剂。正常情况下，脲嘧啶在双螺旋结构中主要以酮式的结构存在。通过氢原子的转移，脲嘧啶可以产生许多互变异构体，而且研究表明它的一些互变异构形式可能会导致碱基的错配。因此，不同外界因素对核酸碱基脲嘧啶结构和性质影响的研究是一个很重要的领域。量子化学的应用正在逐渐扩大，它为实验研究提供合理的简化模型和理论预测的能力体现的日趋明显，对一些现阶段实验上难以解决的问题往往可以给出新颖的借鉴。它的发展及影响随着新理论的不断提出及高级计算方法的不断出现而逐渐加强。本文的工作正是立足于此，在对复杂的核酸碱基及其周围的不同外界因素进行简单化模拟的基础上，利用密度泛函理论B3LYP／6-31+G*，B3LYP／6-311+G*和B3LYP／6-311++G**方法对脲嘧啶模型在众多不同的外界因素影响下结构和性质的变化情况进行了一系列的讨论，并取得了一些非常有意义的结论。首先，我们对脲嘧啶与锌离子以及水合锌离子的耦合情况进行了讨论。计算结果表明，脲嘧啶模型与锌离子的双齿耦合模式比单齿耦合模式稳定。锌离子的引入促使脲嘧啶发生质子转移，锌离子与脲嘧啶在双齿耦合模式中形成了一个四元敖合环。在脲嘧啶模型中，四位置的羰基氧原子比二位置的羰基氧原子的碱性强，也就是说它与锌离子的耦合作用比较强。引入水分子后脲嘧啶与锌离子的键能明显降低，同时红外光谱研究表明脲嘧啶中羰基的键能增强，而且对单齿耦合模式的影响比双齿耦合模式大，但是体系中最强碱性的位置没有发生变化，仍然是四位置的羰基氧原子。在中性的脲嘧啶中，一位置的氨基基团比三位置的氨基基团的酸性强。但是引入锌离子后使得整个体系的酸性增强，而且三位置的氨基基团比一位置的氨基基团的酸性强。其次，我们从结构、酸性、电离势、单重态跃迁到三重态的激发能、以及脲嘧啶二聚体的成对能等方面系统讨论了硫代对脲嘧啶单体及其二聚体的结构和性质的影响。分析结果表明，脲嘧啶单体及其二聚体中的羰基氧原子被硫原子取代后，最高占据轨道与最低空轨道之间的能量间隙明显的降低。硫代导致了体系酸性的增强。一位置的氨基基团比三位置的氨基基团的酸性强，从侧面也反映出其形成氢键的能力比较强。硫代降低了脲嘧啶单体及其二聚体的电离势以及垂直和绝热单一、三激发能，说明硫代脲嘧啶比较容易失去电子形成正离子，而且硫原子参与形成的氢键受电离和激发的影响比氧原子参与形成的氢键受到的影响大。硫代增加了脲嘧啶单体及其二聚体与锌离子的键能，但降低了二聚体的稳定性。最后，我们研究了甲基化对脲嘧啶单体以及腺嘌呤-脲嘧啶碱基对的影响情况。结果表明，脲嘧啶的羰基氧原子上引入甲基正离子后，体系的几何结构没有产生明显的变化，脲嘧啶分子仍然保持平面结构。而且无论是在脲嘧啶的O2还是O4位置上引入甲基正离子都能够使体系的酸性增强，但不如引入Zn2+对体系酸性的影响大。而且与O2位置相比，在O4位置引入甲基正离子，体系的酸性增加值较大。化合物[MeA-U]+，在腺嘌呤的N7位置上引入一个甲基正离子后，体系的几何结构也没有发生明显的变化，腺嘌呤与脲嘧啶分子仍然在同一个平面内，腺嘌呤的C8-H基团的酸性最强，脲嘧啶的C5-H基团的酸性最弱，而且比较容易从腺嘌呤上失去质子。
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