激发态DNA碱基对分子间相互作用的理论研究

[目的]利用本课题组发展的定量分析方法研究激发态DNA碱基对分子间相互作用的本质,以及不同类型的电子跃迁对DNA碱基对分子间相互作用的影响.[方法]采用广义Kohn-Sham能量分解分析方法(generalized Kohn-Sham based energy decomposition analysis, GKS-EDA),对两种Waston-Crick构型和两种stacked构型的DNA碱基对分子间相互作用本质进行理论研究.[结果]对于Waston-Crick构型的碱基对,n→π^*跃迁削弱了轨道极化作用但加强了电子相关作用,激发态分子间相互作用由电子相关作用主导,而π→π^*跃迁对分子间氢键影响较小;对于stacked构型的碱基对,π→π^*跃迁削弱了静电相互作用但增强了电子相关作用.[结论] Waston-Crick构型碱基对分子间相互作用本质受电子激发跃迁影响较大,而电子激发跃迁基本不改变stacked构型碱基对分子间相互作用本质.     

金属离子与壳聚糖配位氧原子相互作用的密度泛函理论研究

采用DMol3密度泛函理论方法研究了Cu2+,Fe2+,Mn2+与壳聚糖中3种不同化学环境氧原子的相互作用.初始结构采用悬式模型(pendantmodel),利用竞争配位法设计了H2O和OH-分别与Cu2+相互作用形成六配位、与Fe2+和Mn2+相互作用形成七配位的中性络合物.9个初始结构在GGA水平上,利用非对称限制法、自旋非限制法及BLYP/DND法进行了全优化和频率分析.研究结果表明,对于Cu2+,由于Jahn-Teller效应,其络合物为四配位;Fe2+和Mn2+主要形成五配位或四配位的络合物;壳聚糖中只有C3位上的羟基O3′能与3种金属离子发生配位作用.     

甘氨酸与二价金属离子相互作用的理论研究

采用密度泛函B3LYP方法研究了气相中二价金属离子Mg2 、Ca2 、Mn2 、Ni2 、Cu2 、Zn2 与甘氨酸的相互作用.优化得到5种配合物,其中金属离子与羧基配位的盐桥式构象中各金属离子与甘氨酸作用最强,其配合物稳定性最高.不同金属离子与甘氨酸的作用顺序为:Cu2 ＞Ni2 ＞Zn2 ＞Mn2 Mg2 ＞Ca2 ,副族金属离子与甘氨酸作用较强.稳定化能与相互作用能变化规律一致,即配合物稳定性顺序与金属离子对配体的亲合性一致,与文献基本吻合.     

烷基咪唑离子液体与甲苯相互作用的理论研究

在密度泛函理论中的B3LYP/6-31G（d,p）水平上研究了1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（[EMIM][BF4]）离子液体与甲苯相互作用的微观机制.研究结果表明,[EMIM]＋和[BF4]-离子对有两种稳定的构型,存在强的氢键及静电作用,[BF4]-离子靠近咪唑环2位H的构型比[BF4]-离子靠近咪唑环4、5位H处的构型稳定.甲苯与这两种构型的[EMIM][BF4]离子对形成π配位作用的分子复合物,咪唑环2位H对甲苯的吸附作用比咪唑环4、5位H对甲苯的吸附作用强,2位H表现出更高的活性.离子液体的存在能有效地降低甲苯的前线轨道能级差,表明甲苯在离子液体环境中更易发生催化反应.     

C60与碱金属离子相互作用的理论研究

采用密度泛函理论研究方法,在PBE/DZP水平上对M …C60(M=Li,Na,K,Rb,Cs)复合物进行了系统的理论研究.对复合物的可能构型进行了全优化,获得了复合物的几何构型、相互作用能及电荷转移量等重要信息.计算结果表明,碱金属离子导致了复合物中C60分子C-C键长有不同程度的增长.同时,通过能量分解分析,复合物的相互作用能与碱金属离子半径呈现出规则的递变规律,并且在相互作用能的各分量中,轨道相互作用在总的吸引作用中占绝对优势.通过电荷分析很好的解释了上述结构特征和能量特征的描述.     

分子间相互作用的理论化学研究进展

分子间相互作用是分子中一类重要的作用，分子间相互作用的研究已引起科学界的广泛关注并逐渐成为化学科学研究领域中最为活跃的科技前沿热点之一。本文综述了分子间作用的理论化学研究的内容和进展，并对该领域的研究前景作了展望。     

铜离子影响腺嘌呤内及其碱基对间质子转移的理论研究

在B3LYP／6.31+G*水平研究了结合在腺嘌呤N7位的铜离子对腺嘌呤内及AT、AU碱基对间质子转移反应的影响。气相中铜离子有利于腺嘌呤内的质子转移,其中Cu2+的作用比Cu+的更明显。单水合铜离子的静电作用被水部分屏蔽,这不利于腺嘌呤分子内的质子转移反应。当Cu+与腺嘌呤N7位结合,同时水分子协助质子转移时,腺嘌呤内的质子转移反应将很容易发生。另一方面,本研究按单质子分步转移对铜离子影响碱基对间质子转移设计了两条路径:腺嘌呤先质子化再去质子化(Path1)和腺嘌呤先去质子化再质子化(Path2)。分析各构型的相对能发现:① 对Cu2+-AT(或Cu2+-AU)体系,Cu2+可以稳定碱基对间单质子转移后形成的离子碱基对构型,而且Cu2+导致各碱基酸性增加,有利于发生单质子转移;② 对Cu2+-AT体系,单质子转移反应的主路径为Path2,然而该反应生成的离子碱基对可以很容易地生成Cu2+-AT,所以Cu2+-AT更趋向于不发生质子转移,与［AT］+体系相比,Cu2+-AT体系也不发生双质子转移;③ 对Cu2+-AU体系,单双质子转移的反应均能发生,但双质子转移的反应比单质子转移的困难。与［AU］+体系相比,单质子转移反应中两条路径存在竞争,双质子转移路径更趋向于Path2。     

C60分子间的相互作用

采用定域密度泛函分子集团方法研究了两个Ｃ６０分子之间的相互作用性质，在平衡位置附近，两分子间的相互作用势可以用一个简单的解析形式－－Ｌｅｎｎａｒｄ－Ｊｏｎｅｓ势来描述，Ｌｅｎｎａｒｄ－Ｊｏｎｅｓ势中的参数为ε＝３．６２０ｅＶ，σ＝８．６１５Ａ。还计算了电子结构随分子中心之间的距离γ的变化关系。γ＝９．６７Ａ时达到平衡。γ减小时，最高占有态和最低非占有态之间的能隙减小；γ减到约为平衡距离的８８％时，     

金属离子与细胞膜相互作用的研究进展

细胞是人体和其它生物体的基本结构单位,而任何细胞都以一层薄膜将其内含物与环境分开.金属离子及其化合物从细胞外进攻细胞时,不仅可以进入细胞,而且由一部分物质会与细胞发生相互作用.从分子水平的角度综述了金属离子进入人红细胞的方式,以及扫描电镜、红外、拉曼、等方法在该方向的研究成果,这对于阐明细胞对金属离子应答的化学规律,以及今后设计治疗相关疾病的药物都具有一定的意义.     

尿嘧啶-巴比妥酸分子间相互作用的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论(DFT)中的B3LYP方法,在6-311G**理论水平上研究了尿嘧啶(U)和巴比妥酸(B)分子间的相互作用,以期从理论上预测巴比妥酸类物质对核酸产生的影响。优化复合物构型得到5个B1-U、4个B2-U、4个B3-U稳定构型,经基组重叠误差和零点振动能校正后,比较各复合物的相互作用能,可以得出复合物的主要存在形式有B2-U-3、B2-U-1、B1-U-3和B1-U-1。从NBO的分析得知B1-U、B2-U、B3-U系列复合物的稳定性顺序与氢键强度一致,即氢键的强度决定了复合物的稳定性,分析自然键轨道能揭示相互作用的本质。     

腺嘌呤与水分子相互作用的理论研究

应用在密度泛函理论和电负性均衡原理基础上发展起来的原子-键电负性均衡方法（ABEEM），并融合进分子力场中，对比从头计算方法，研究了腺嘌呤（adenine）-水体系中氢键的相互作用，计算了腺嘌呤1水复合物的各种性质，如：优化的几何构型、结合能、稳定性等．揭示了腺嘌呤1水复合物稳定存在的构型是环状的双氢键形式，即水分子与腺嘌呤相互作用时，同时作为受体和供体与腺嘌呤的氢原子和氮原子形成氢键．同时，通过对腺嘌呤1水复合物能量的计算，找到了腺嘌呤与水结合的最优几何位置．计算结果表明，我们的方法和从头计算及实验结果相比有很好的一致性，验证了我们模型的合理性和参数的可靠性．     

盐酸川芎嗪与牛血清白蛋白相互作用的研究及共存金属离子的影响

在优化的实验条件下,利用光谱法研究盐酸川芎嗪(LH)和牛血清白蛋白(BSA)的相互作用和共存金属离子(Mg2+、Cu2+、Zn2+、Ni2+、Fe3+)对LH与BSA相互作用的影响.结果表明:LH对BSA的荧光有猝灭作用,其猝灭过程属于静态猝灭.通过计算得出LH与BSA的结合常数Kb及结合位点数n.根据热力学参数确定了LH与BSA之间的作用力类型主要为疏水作用力.结合位点位于BSA的亚结构ⅡA中,Hill系数nH1,表明LH有弱的负协同作用.同步荧光光谱显示两者的结合位点更接近于色氨酸,同时也研究了金属离子对二者作用的影响.为后续吡嗪类药物的研发和进一步探讨LH在生物体内与蛋白质的作用机制和生物学效应提供了理论依据.1     

甲醛与甲酸相互作用的理论研究

在MP2/6-31G(d,p)水平上,对H2CO和HCOOH进行优化设计,得到4种稳定H2CO…HCOOH复合物。并且寻找了部分构型转化反应的过渡态,同时计算了转化反应的速率常数。在MP2/6-31G(d,p)水平上进行基组重叠误差(BSSE)校正。最终获得相互作用能,并利用自然键轨道分析揭示了H2CO和HCOOH相互作用的本质。计算结果表明,4种复合物的相对稳定性为:M3>M1>M4>M2。在形成复合物时发生了电荷转移,在M1、M2、M3中方向从甲醛向甲酸转移电荷依次为3.0 me、8.9 me、24.2 me,而在M4中方向从甲酸向甲醛转移电荷为1.6 me。同时发现M4极不稳定,仅需2.14 kJ/mol能垒就可转化为M3,反应速率常数为2.61×1012/s。     

基于原子力显微镜研究p53蛋白与PBR322 DNA的相互作用

肿瘤(癌症)是由于细胞在复制过程中,DNA损伤不能修复导致细胞凋亡或者细胞无限增殖而形成的。DNA在细胞中转录和翻译都会涉及蛋白与DNA的结合,肿瘤抑制蛋白也是参与这一过程的关键蛋白之一。然而,众多研究发现,肿瘤抑制蛋白p53具有识别和修复损伤DNA的效果,对于细胞的凋亡、基因的保护和避免癌症发生有着重要的意义。有研究表明,金属镁离子和锌离子可以增强p53蛋白的结构稳定性和p53-DNA的亲和力。因此,我们基于原子力显微镜(AFM),直观地呈现出p53蛋白与PBR322环状DNA相互作用的图像,同时发现p53蛋白可以使环状DNA自身形成聚集或者相交。但是,对于长度相当的5 000bp的线状DNA几乎没有这样的效果,而对于20 000bp DNA不会出现这样的现象。然而,在高浓度镁离子环境下,环状DNA会扭转成为麻花状,即形成超螺旋结构。这一现象,可为p53蛋白功能和作用机理研究提供指导,也为癌症治疗、癌症药物开发以及癌症检测方法提供启发。     

脯氨酸-水二聚体分子间相互作用的理论研究

在B3LYP/6-311＋G（d,p）水平下优化得到了脯氨酸-水二聚体势能面上的4种低能优化构型。利用MP2/6-311＋G（d,p）方法计算脯氨酸-水二聚物平衡结构的偶极矩,原子电荷布居和分子间相互作用能。经BSSE校正后的相互作用能依次增强的顺序为Ⅳ〈Ⅱ〈Ⅰ〈Ⅲ,最稳定结构Ⅲ的相互作用能为-33.74 KJ/mol。     

[CH3ONO2]H+正离子与R-OH型分子相互作用的DFT研究

用密度泛函(DFT)(B_³LYP) 方法,在6-31G(d,p)基组水平上优化了两种质子化的硝酸甲酯异构体几何构型和能量,研究了异构体与H₂O、CH₃OH等分子之间的氢键的相互作用,提出了氢键超分子复合物的两种平面结构。研究发现在酯位质子化异构体的相对稳定性高于在硝氧位质子化的异构体。但当异构体在液相中与ROH类分子发生分子间相互作用后这一顺序发生了反转,说明了该体系中的分子间相互作用对异构体较强的影响。     

一种希夫碱铜配合物与DNA相互作用的研究

设计合成一种希夫碱2-氨基-5-巯基-1,3,4-噻二唑水杨亚胺(L)及其铜的配合物Cu(L),运用红外、紫外、元素分析等方法对其结构进行表征.同时在pH=7.5的三羟甲基氨基甲烷-盐酸缓冲溶液(Tris-HCl)中用荧光光谱法研究了该配合物Cu(L)与DNA的相互作用,结果发现配合物Cu(L)与DNA的作用模式是插入式模式,测得Cu(L)与DNA的结合常数为K=2.0×104mol.L-1,线性相关系数r=0.999 5,并且还用不同的离子强度和不同的浓度[Fe(CN)6]4-对Cu(L)配合物与DNA体系的荧光光谱的影响情况进行研究,从而进一步论证了其相互作用模式是插入式.     

表面增强拉曼光谱研究尼古丁与金属纳米粒子的相互作用

以金、银纳米及Au@Ag、Au-Ag合金复合纳米粒子为基底,研究尼古丁分子的表面增强拉曼光谱,讨论分子在4种纳米粒子表面的作用方式及可能的吸附取向.结果表明,分子在金纳米和Au-Ag合金纳米粒子表面的吸附取向相同——垂直吸附,不同的是与金纳米粒子形成了稳定的N-Au键;由于银纳米粒子和Au@Ag核壳纳米粒子表面均富含大...     

甲醛与臭氧反应机理的理论研究

从量子化学理论角度探讨了甲醛在有水条件与无水条件下的臭氧氧化机理.主要应用密度泛函中的MPW1K方法,结合6-31+G(d,p)基组优化了反应物、中间体、过渡态以及产物的结构,并计算了各个化合物的振动频率.通过内禀反应坐标的计算确认了反应物、过渡态和产物的相关性.为了得到准确的能量信息,用HL方法进一步精确计算了反应路径上所有结构的能量.结果发现,在有水条件下甲醛与臭氧反应活化能更高,对反应不利.