新型類DNA熒光堿基的電子光譜理論研究.pdf

1、熒光光譜法具有快速、簡便、靈敏度高、選擇性好等優(yōu)點(diǎn),在生物化學(xué)和分子生物學(xué)中具有重要的應(yīng)用。天然DNA堿基的熒光量子產(chǎn)率非常低,不能直接利用。因此,為了利用熒光光譜技術(shù)來研究DNA的構(gòu)象動力學(xué)以及其他分子與DNA之間的相互作用,設(shè)計(jì)和合成具有熒光特性的堿基類似物具有重要意義。本文主要以幾類新設(shè)計(jì)的DNA堿基類似物為研究對象,在對這些體系幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上,運(yùn)用含時密度泛函理論(TD-DFT)探討了它們的紫外吸收光譜和熒光光譜

2、,并考察了生物微環(huán)境(包括水合效應(yīng)、與脫氧糖環(huán)相連、堿基配對和堿基堆積等)對其電子光譜性質(zhì)的影響。通過對以上性質(zhì)的研究,我們可以對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行解釋,進(jìn)一步探索它們在生物技術(shù)方面的實(shí)際應(yīng)用,并為以后的相關(guān)實(shí)驗(yàn)提供一定的指導(dǎo)信息。通過研究,取得了一些有意義的研究成果,主要成果和創(chuàng)新簡述如下:
　　 1.研究了“苯”擴(kuò)環(huán)y-堿基的電子光譜性質(zhì)并考察了與脫氧核糖相連及與天然堿基形成WC堿基對產(chǎn)生的影響。首先,對單體的紫外吸收光譜進(jìn)行了定

3、量解析歸屬。計(jì)算得到的吸收波長和熒光波長與實(shí)驗(yàn)值符合較好。四個堿基的最低激發(fā)態(tài)均具ππ*特征,主要對應(yīng)于H→L躍遷。yA、yT和yT-m的S1態(tài)具有平面結(jié)構(gòu),而yC和yC具有非平面的S1結(jié)構(gòu)。脫氧核苷的最低激發(fā)態(tài)對應(yīng)于單體的第一激發(fā)態(tài)?？偟膩碚f,與脫氧核糖相連將會使y-堿基的最大激發(fā)波長和熒光波長發(fā)生紅移。而且,與脫氧核糖相連將會使yA的熒光強(qiáng)度有所增大(熒光量子產(chǎn)率增大),而使yT和yC熒光強(qiáng)度有所減小(熒光量子產(chǎn)率減小)。四個WC堿

4、基對的基態(tài)均具有平面結(jié)構(gòu),其最低激發(fā)態(tài)實(shí)質(zhì)上與y-堿基單體的第一激發(fā)態(tài)一樣,因此是局域激發(fā)。yAT和yTA的S1態(tài)具有平面結(jié)構(gòu),而yCG和yGC的S1態(tài)具有螺旋扭曲的非平面結(jié)構(gòu),主要是由y-堿基組分氨基的角錐化造成的。研究表明形成WC氫鍵對yA、yT和yC的最大激發(fā)波長和熒光波長沒有太大影響,但是將會使yG單體的最大激發(fā)波長和熒光產(chǎn)生較大藍(lán)移。
　　 2.在對y-堿基的研究基礎(chǔ)之上,將研究延伸到“萘”擴(kuò)環(huán)yy-堿基之上,以探討y

5、y-堿基的電子光譜性質(zhì),并考察其與y-堿基性質(zhì)的區(qū)別。首先,對單體氣相和甲醇溶液中的最低十個單重激發(fā)態(tài)進(jìn)行了解析歸屬。所有四個堿基的最低激發(fā)態(tài)均具ππ*特征,主要對應(yīng)于H→L躍遷。yyC、yyG和yyA的S1態(tài)具有非平面結(jié)構(gòu),而yyT的S1態(tài)具有平面結(jié)構(gòu)。yyC和yyT的最低ππ*具有高度非平面結(jié)構(gòu),與基態(tài)相比,激發(fā)對應(yīng)的羰基鍵長分別增長了0.07和0.075(A)。對yyC和yyT來說,計(jì)算得到的激發(fā)能和熒光波長與已報(bào)道的實(shí)驗(yàn)值符合較

6、好。此外,我們發(fā)現(xiàn)可以用PCM模型和氣相基態(tài)結(jié)構(gòu)來很好地模擬四個yy-堿基甲醇溶液中的紫外吸收光譜。計(jì)算表明,在甲醇溶液中,yyA和yyG的熒光波長分別為439和562 nm,表明yyA是一個綠色熒光團(tuán),yyG是一個黃色熒光團(tuán)。甲醇溶液使yyC、yyT和yyA的低激發(fā)ππ*態(tài)產(chǎn)生紅移,卻使yyG的低激發(fā)ππ*態(tài)發(fā)生藍(lán)移。然而甲醇溶液對四個yy-堿基一致的效應(yīng)是使其最大吸收波長的吸光度大大增強(qiáng)。四個WC堿基對的基態(tài)均具有平面結(jié)構(gòu),其最低激

7、發(fā)態(tài)實(shí)質(zhì)上與yy-堿基單體的第一激發(fā)態(tài)一樣,因此是局域激發(fā)。yyAT和yyTA的S1態(tài)具有平面結(jié)構(gòu),而yyCG和yyGC的S1態(tài)具有螺旋扭曲的非平面結(jié)構(gòu),主要是由yy-堿基組分氨基的角錐化造成的。研究表明形成WC氫鍵對yyA、yyT和yyC的最大激發(fā)波長和熒光波長沒有太大影響,但是將會使yyG單體的最大激發(fā)波長和熒光產(chǎn)生較大藍(lán)移。此外,我們發(fā)現(xiàn)甲醇溶液對y-堿基電子吸收光譜的影響與其對yy-堿基的影響類似,即其使yC、yT和yA的電子吸

8、收光譜發(fā)生紅移,而使yG的吸收光譜發(fā)生藍(lán)移。與y-堿基相比,yy-堿基的最大激發(fā)波長和熒光波長均發(fā)生較大的紅移,而且其最大激發(fā)波長的吸光度較y-堿基發(fā)生了降低,但是其最大吸收波長的吸光度卻比y-堿基大得多。
　　 3.對我們小組設(shè)計(jì)的若干鳥嘌呤類似物(A1-A4,具體結(jié)構(gòu)參見正文信息)以及天然鳥嘌呤和xG的電子光譜性質(zhì)進(jìn)行了研究,并考察了與胞嘧啶配對產(chǎn)生的影響。研究表明:一、擴(kuò)環(huán)堿基的最低單重激發(fā)態(tài)為ππ*態(tài),均對應(yīng)于H→L躍遷

9、,與天然G相比,它們的最大激發(fā)波長均發(fā)生紅移,而熒光峰均發(fā)生藍(lán)移；二、其中三個類似物(A1-A3)的S1態(tài)具有與G相類似的高度非平面結(jié)構(gòu),而另外兩個(A4和xG)的S1態(tài)具有近平面結(jié)構(gòu),H和L軌道的不同特點(diǎn),導(dǎo)致了它們激發(fā)態(tài)結(jié)構(gòu)的差異；三、所有新設(shè)計(jì)的G-類似物的Stokes Shift均比天然G小,說明它們具有較強(qiáng)的分子剛性,而且它們的熒光量子產(chǎn)率預(yù)期比天然鳥嘌呤的大；四、當(dāng)考慮C配對產(chǎn)生的效應(yīng)時,這些堿基可以分為兩組。第一組由G、A

10、1和A2組成,與C配對使它們的最低單重激發(fā)態(tài)和熒光發(fā)射過程的振子強(qiáng)度分別下降了27％-60％和19-23％。而且,對A1C和A2C堿基對來說,吸收過程中由嘌呤的H到胞嘧啶的L的電荷轉(zhuǎn)移態(tài)與第一激發(fā)態(tài)(局域激發(fā)ππ*)的能量差與天然GC相應(yīng)的值相差無幾。另外的三個堿基(A3,A4和xG)組成第二組,與C配對使它們的最低單重激發(fā)態(tài)和熒光發(fā)射過程的振子強(qiáng)度分別提高了11％-15％和3.20％。此外,由嘌呤的H到胞嘧啶的L的電荷轉(zhuǎn)移態(tài)與第一激發(fā)

11、態(tài)(局域激發(fā)ππ*)的能量差比第一組相應(yīng)的值大得多。總的來說,如果與C配對不改變這些單體的無輻射過程,那么它將降低G、A1和A2的熒光量子產(chǎn)率,而增大A3、A4和xG的熒光量子產(chǎn)率。
　　 4.系統(tǒng)研究了具有直接應(yīng)用可能性的胞嘧啶類似物x-胞嘧啶的激發(fā)態(tài)性質(zhì),并檢驗(yàn)了生物微環(huán)境,包括水合作用、與脫氧核糖相連、與G形成WC堿基對和堿基堆積對其激發(fā)態(tài)性質(zhì)的影響。計(jì)算表明,最低激發(fā)態(tài)為ππ*態(tài),主要對應(yīng)于H→L躍遷。其第一激發(fā)態(tài)(S1

12、態(tài))具有非平面的結(jié)構(gòu)。計(jì)算得到激發(fā)能和熒光波長與實(shí)驗(yàn)值符合較好。實(shí)驗(yàn)中觀察到的250 nm以下的強(qiáng)烈吸收帶對應(yīng)于計(jì)算得到的xC的最大吸收波長,即220 nm的吸收帶；水合作用對xC的吸收光譜具有增色效應(yīng),而且其將導(dǎo)致最大激發(fā)波長和熒光波長分別藍(lán)移12和8 nm；脫氧核糖對xC的吸收光譜的低能區(qū)域有增色效應(yīng),而對其高能區(qū)域有減色效應(yīng)。而且,與脫氧核糖相連將會使xC的熒光紅移7 nm；與鳥嘌呤形成WC堿基對將使xC的最大激發(fā)波長和熒光波長發(fā)