與DNA相關(guān)的鳥嘌呤及其衍生物性質(zhì)和作用機(jī)理研究.pdf

1、鳥嘌呤(G)是組成DNA的四種堿基之一，具有4種DNA堿基中最小的絕熱電離勢，所以DNA的氧化通常發(fā)生在鳥嘌呤堿基上。他們都具有N和O等活性位，可以結(jié)合成堿基對，并且由于DNA雙螺旋大溝與小溝的存在，使得外界因素可以影響堿基對的結(jié)構(gòu)性質(zhì)。本文重點討論了金屬離子、單電子氧化、質(zhì)子離解、質(zhì)子轉(zhuǎn)移等眾多不同的因素對鳥嘌呤及其鳥嘌呤．胞嘧啶堿基對的氫鍵性質(zhì)和配對能力的影響，進(jìn)而探討DNA成功的保守復(fù)制和堿基錯配形成的影響因素以及堿基錯配的后果，

2、從而逐步達(dá)到揭示生命奧秘的目的。取得的一些有意義的研究成果，具體如下： 一、對GC堿基對離解能和氫鍵的性質(zhì)的認(rèn)識是理解堿基對生理功能的基礎(chǔ)。單電子氧化和Li<'+>離子的耦合可以增強(qiáng)GC堿基對中鳥嘌呤和胞嘧啶之間的相互作用。Li<'+>離子和鳥嘌呤的相互作用是相互吸引，并且是引起GC堿基對中氫鍵極化而增強(qiáng)GC相互作用的原因。GC陽離子和Li-GC陽離子中三個氫鍵的協(xié)同作用與中性GC堿基對內(nèi)的三個氫鍵的協(xié)同作用不同。在GC堿基對陽

3、離子和Li-GC陽離子中可以發(fā)生從鳥嘌呤的N1原子到胞嘧啶的N3原子之間的質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程。過渡態(tài)的構(gòu)型是一個非平面結(jié)構(gòu)，尤其是Li-GC陽離子的過渡態(tài)。對質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程的活化能分析表明GC<'+>陽離子的質(zhì)子轉(zhuǎn)移前和質(zhì)子轉(zhuǎn)移后的構(gòu)型能在氣相中同時存在，但是對于IJ-GC<'+>體系，沒有質(zhì)子轉(zhuǎn)移的構(gòu)型是氣相中的主要物種。 二、在GC堿基對陽離子研究的基礎(chǔ)上，考察了在堿基上增加2'-脫氧核糖對堿基對的各種性質(zhì)的影響。一個電子從核酸對d

4、GdC上電離會引起三個氫鍵長度的顯著變化，氫鍵O…H4-N4的長度增加了0.160 A，氫鍵N1-H1…N3的長度和N2-H2…O2氫鍵的長度分別縮短了0.116 A和1.234A。為了揭示在單個的堿基上增加糖環(huán)后絕熱電離勢(AIP)的真實趨勢，我們計算了核酸對dGdC的絕熱電離勢。依據(jù)結(jié)構(gòu)的變化，能量的變化和電荷分布情況探討了注入一個正電荷的后果。預(yù)測到核酸對dGdC的絕熱電離勢是一個正值，為6.48 eV，并且相對于堿基鳥嘌呤和胞嘧

5、啶以及堿基對GC的絕熱電離勢有一個大幅度的下降。配對與增加糖環(huán)對絕熱電離勢的作用可以看作是各自作用的總和。配對對鳥嘌呤絕熱電離勢的影響和增加糖環(huán)對鳥嘌呤絕熱電離勢的影響差不多。在dGdC<'+>核酸對陽離子中單電荷主要位于脫氧核糖鳥嘌呤分子片上。dGdC<'+>核酸對陽離子負(fù)的垂直電子結(jié)合能(-5.98 eV)表明陽離子狀態(tài)相對于其垂直結(jié)合電子的狀態(tài)是一個不穩(wěn)定的狀態(tài)。對于中性的dGdC核酸對預(yù)測到一個相當(dāng)大的垂直電離勢(VIP 7.0

6、5 eV)。在GC堿基對陽離子和dGdC核酸對陽離子中可以發(fā)生從鳥嘌呤的N1原子到胞嘧啶的N3原子的質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程，并且這個過程因為糖環(huán)在堿基上的連接而變得容易。因此，可以推測質(zhì)子轉(zhuǎn)移前和質(zhì)子轉(zhuǎn)移后的dGdC核酸對陽離子能同時存在。三、對G-M(M=Li，Na)陽離子的N1-H質(zhì)子離解能隨水分子結(jié)合數(shù)目和結(jié)合模式的變化進(jìn)行了考察。當(dāng)水合M<'+>離子與鳥嘌呤結(jié)合時有三種模式：NO模式、N模式和O模式。水合M<'+>離子與鳥嘌呤的結(jié)合能隨著

7、水分子數(shù)目的增加而降低。在不同數(shù)目的水分子和不同的水分子結(jié)合模式結(jié)合到G-M<'+>離子的條件下我們計算了G-M<'+>復(fù)合物的質(zhì)子離解能。結(jié)果顯示三種不同模式之間的質(zhì)子離解能差別很小，并且Na<'+>復(fù)合物的質(zhì)子離解能稍大于Li<'+>復(fù)合物的質(zhì)子離解能。水分子結(jié)合到M<'+>離子上對N1-H質(zhì)子的離解作用很小，但是當(dāng)水分子結(jié)合到N1-H質(zhì)子上并且作為水合質(zhì)子離解的時候，水分子的作用就很大。振動頻率分析顯示振動頻率的變化對應(yīng)著結(jié)構(gòu)的變

8、化和N1-H質(zhì)子離解能的變化。在生理條件下，鳥嘌呤的N1-H質(zhì)子比較容易失去，質(zhì)子離解能為45.60 kcal/mol。 四、鳥嘌呤的電離對堿基對形成的作用和鳥嘌呤的電離對DNA內(nèi)空穴轉(zhuǎn)移的作用和鳥嘌呤陽離子的去質(zhì)子化對堿基對形成的作用都進(jìn)行了研究。與中性的DNA堿基配對可以降低鳥嘌呤的絕熱電離勢，而與質(zhì)子化的DNA堿基配對則可以升高鳥嘌呤的絕熱電離勢。Watson-Crick模式的堿基對的絕熱電離勢的降低對空穴轉(zhuǎn)移的作用很小，

9、但是由于堿基錯配引起的結(jié)構(gòu)的變化會打破DNA螺旋的π-堆積結(jié)構(gòu)，從而會不利于空穴的轉(zhuǎn)移。錯配的堿基對GA-1和GA-2可以增加空穴從一條鏈轉(zhuǎn)移到另一條鏈上的可能性。質(zhì)子化的腺嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶以及中性的鳥嘌呤與鳥嘌呤通過Hoogsteen模式配對以后對空穴的轉(zhuǎn)移有很大的影響，但是影響的機(jī)理卻不盡相同。質(zhì)子化的腺嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶通過Hoogsteen模式與鳥嘌呤配對以后，鳥嘌呤的絕熱電離勢會大大增加，從而阻止空穴的轉(zhuǎn)移。當(dāng)中性的

10、鳥嘌呤通過。Hoogsteen模式與鳥嘌呤配對以后，鳥嘌呤的絕熱電離勢會大大降低，因此空穴會自發(fā)地轉(zhuǎn)移到第三條鏈上并被Hoogsteen模式的GG堿基對所捕獲。從能量的觀點看，鳥嘌呤的電離不會增加Watson-Crick模式堿基對錯配的幾率，但是鳥嘌呤陽離子上的質(zhì)子失去會有利于G(-H)與鳥嘌呤的結(jié)合。在Hoogsteen模式的堿基對中，鳥嘌呤的電離對作用模式的作用很小。但是當(dāng)質(zhì)子化的腺嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶通過Hoogsteen模式與

11、鳥嘌呤配對可能會因為鳥嘌呤的電離而離解。質(zhì)子從鳥嘌呤陽離子上失去對Hoogsteen模式堿基對的成對能影響很小。五、通過dGTP結(jié)合到DNA模版的過程研究了DNA保守合成的機(jī)理。從DNA堿基上切除水分可以增加正確的堿基對和不正確的堿基對之間的能量差，但是水分子對形成吉布斯自由能的影響依賴于水分子的結(jié)合位點。從即將進(jìn)入的dNTP上切除水分子的作用不是DNA成功復(fù)制的唯一因素而是DNA成功復(fù)制的第一步。第二步是DNA聚合酶通過比較正確的堿基

12、對和不正確的堿基之間的結(jié)構(gòu)比較來選擇正確的DNA堿基。精氨酸668(Arg668)在即將進(jìn)入的dNTP上的結(jié)合可以降低堿基對的形成吉布斯自由能，尤其是對于正確的堿基對，因此增加DNA形成的速率。當(dāng)DNA末端的底物是正確的堿基，鳥嘌呤和腺嘌呤的延伸比胞嘧啶和胸腺嘧啶的延伸要快的多。因為當(dāng)DNA末端的堿基是鳥嘌呤和腺嘌呤時，精氨酸668可以和底物末端的小溝以及即將進(jìn)入的dNTP的糖分子片上的環(huán)氧之間形成一個氫鍵叉。因為不正確的堿基對的結(jié)構(gòu)和