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DNA基分子导线构筑基元的设计及相关性质理论研究

作　者: 李根芹
导　师: 步宇翔
学　校: 山东大学
专　业: 理论与计算化学
关键词: DNA基分子导线碱基设计理论研究
分类号: Q523
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

关于天然DNA导电性的诸多研究给出了相互不同甚至是相互矛盾的结果：在不同的实验测定中,DNA可以是绝缘体,半导体,导体甚至是超导体。实验证明,天然DNA的导电性强烈地依赖于序列、周围水环境、与电极连接方式等内在和外界条件,这也说明,天然DNA作为纳米分子导线的应用跟实际还有很大的距离。于是,近年来很多研究集中与DNA的修饰和性质改进工作,比如用人为设计的类似物替代DNA内部的嘌呤和嘧啶碱基(电荷是通过碱基间的堆积作用进行迁移的)。其中,扩环碱基和金属介导碱基对是其中比较突出的两种修饰方法。建立在前人工作的基础上,围绕DNA修饰和性质改进,我们开展了一系列有意义的工作,取得了一些有价值的研究成果。主要成果和创新简述如下：(1)多Cu介导碱基对G3cuC和A2cuT的理论设计和性质研究：相关研究工作表明,经过合适的金属修饰,DNA能够从绝缘体转变为半导体甚至是导体,这为设计DNA基分子导线打开了一个视角。后续关于Metal-base和Metal-DNA的研究也如火如荼地展开。已有研究都是关于单个金属修饰碱基对的,得到了很让人受鼓舞的结果。在前人工作的基础上,我们设想：如果采用多个金属修饰碱基对,是否应该取得更强的修饰效果呢?于是,我们设计了两个多Cu修饰碱基对G3cuC和A2cuT,并对其结构和电子性质进行了详细的研究和深入的讨论。结构上,G3cuC和A2cuT具有与天然Watson-Crick碱基对GC和AT相似的几何结构,而且尺寸有所扩大,大约1.0A,这为构建稳定的DNA双螺旋结构提供了良好的结构基础。更为重要的是,它们的HOMO-LUMO能隙和电离势都降低了,提高了空穴产生和迁移能力；同时它们中的电子横向传导能力得到了增强,这很可能会增强电荷在DNA中的纵向传导。这些都使得它们成为具有良好导电性的DNA基纳米线的优秀构筑基元。有趣的是,在许多方面G3cuC和A2cuT的关系类似于天然碱基对GC和AT之间的关系,这为定向设计DNA基分子导线提供了一定的信息。G3cuC具有所有闭壳层金属修饰碱基对中最小的HOMO-LUMO能隙。可以预见,Cum-DNA的导电性应该比天然相同序列的DNA有很大的改进。可以说,我们的研究为以后金属修饰碱基对和M-DNA的研究工作打开了一个新的视角。(2)鸟嘌呤G和腺嘌呤A的外扩环修饰。人为设计碱基的其中一类是环扩大碱基,是通过一个芳香环和天然的嘌呤或嘧啶碱基融合而成的,比如x-base, y-base, yy-base和其他杂环扩展碱基等。相关的研究表明,这些扩环碱基都能选择性地与其他碱基配对并能够形成稳定的双螺旋DNA结构。更为重要的是,由于具有扩大的共轭区域,它们的HOMO-LUMO能隙、电离势相对于天然的碱基减小了,这将大大提高修饰DNA的空穴产生能力和迁移能力,有利于设计DNA基分子导线。但是,应该指出的是,相对于天然的碱基,这些扩展碱基的尺寸都有所扩大。因此,当它们部分取代天然碱基时,戊糖-磷酸骨架结构就会发生一定程度的扭曲,破坏DNA的稳定双螺旋结构。这对设计DNA碱基替代物提出了更高的要求——尽可能地改善它们电子性质同时还要保持它们的天然尺寸。巧合的是,Saito等人设计了一个空穴传导能力很高的DNA导线——将其中的腺嘌呤A替换为其衍生物——一个芳香环在N7-C8的位置并到A的芳香体系中。研究显示,这些衍生物的HOMO-LUMO能隙和电离势均低于天然腺嘌呤。它启发我们重新考虑是否有一种新的方法来提高DNA碱基的电子性能,同时保持它们的天然尺寸。我们认为,将一个芳香环由外部并入碱基体系就是一个很好的方法。在此,我们设计了一些鸟嘌呤G和腺嘌呤A的碱基衍生物——在N7-C8的位置融合/拼入一个芳香环,得到了benzodeazapurine (BDG和BDA),H2b-methoxy-substituted-benzodeazapurine (MDG和MDA)和C2b-N-substituted-benzodeazapurine(PDG和PDA)；然后采用理论方法对它们的结构和电子性质进行了深入的研究和详细的讨论。跟事先预测的一样,所有的*G和*A(代表G和A的类似物)都是天然的嘌呤尺寸,为它们更随意地插入DNA改进其电子性质提供了很好的结构基础。由于母体结构没变,所以它们H键区域的静电势跟天然G和A是一样的,因此它们应该对C和T具有很强的碱基配对选择性。就电子性能而言,*G和*A及其碱基对的HOMO-LUMO能隙和电离势都有很大程度的减小——也就是说,由此构建的DNA的能带间隙将小于同序列的天然DNA,即更好的导电性,而且产生空穴和空穴的传导能力也更好。就三种不同的修饰方法而言,最好的是MDG和MDA,其次是BDG和BDA,PDG和PDA稍差。一般认为空穴是通过碱基对的HOMO在DNA内纵向传导,因此如要涉及不受序列影响的DNA导线,MDA是最好的选择。而PDA就不能采用因为它甚至会阻止空穴的传递。与xG, yG, xA和yA比较可知,外部并入苯环是可行的,改善电子性能的同时还保持了天然的碱基尺寸；而且在外部裸露的H和C原子位置还可以做进一步的修饰,比如MDG和MDA,在BDG和BDA的基础上电子性质更有所改进。

全文目录

中文摘要  6-9
ABSTRACT  9-12
第一章绪论  12-21
  1.1 核酸概述  12-13
  1.2 天然DNA的导电机理  13-15
  1.3 扩环碱基修饰研究进展概述和选题背景  15-19
  1.4 金属化修饰研究进展概述和选题背景  19
  1.5 本论文开展的主要工作  19-21
第二章 DNA基纳米导线的构筑基元——多Cu介导的碱基对G_(3Cu)C和A_(2Cu)T  21-39
  2.1 引言  21-22
  2.2 计算细节  22-23
  2.3 结果与讨论  23-29
  2.4 结论  29-30
  图表  30-39
第三章鸟嘌呤G和腺嘌呤A的外扩环修饰  39-52
  3.1 引言  39-40
  3.2 计算细节  40
  3.3 结果与讨论  40-45
  3.4 结论  45-46
  图表  46-52
参考文献  52-58
致谢  58-59
攻读硕士学位期间发表的学术论文  59-60
学位论文评阅及答辩情况表  60-61
外文论文  61-71

DNA基分子导线构筑基元的设计及相关性质理论研究

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