【摘要】：核酸分子在生物體系的各個方面起著重要的作用,比如遺傳變異、生長發(fā)育以及蛋白質(zhì)合成等。核酸共有脫氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)兩種,它們在生命體中發(fā)揮著不同的作用。DNA是生命體系中復制、存儲和表達遺傳信息的物質(zhì)基礎,它的特點是自組裝、自我復制等。RNA作為遺傳信息向表型轉(zhuǎn)化過程中的橋梁,能實現(xiàn)遺傳信息在蛋白質(zhì)上的表達,它是存在于生物細胞以及部分病毒、類病毒中的遺傳信息的載體。作為構(gòu)建納米級分子器件的基本單元,它們的結(jié)構(gòu)特點提供了結(jié)構(gòu)基礎和可能。近幾十年來,雙自由基有機分子因為具有不同尋常的電磁性質(zhì)而受到廣泛的關注。兩個未成對電子分布于雙自由基的原子中心,它的磁耦合特征可以通過分子內(nèi)和分子間的磁交換耦合常數(shù)來表征。受到啟發(fā),如果將自由基引入到核酸堿基當中,勢必能夠為設計新型的、以DNA/RNA結(jié)構(gòu)為基礎的具有鐵磁耦合或反鐵磁耦合的納米級分子線提供一個新的思路。文中圍繞核酸堿基的修飾及其自旋耦合雙自由基性質(zhì)的研究這一主題展開了相關的工作。本工作得到了一系列有意義的研究成果,主要研究結(jié)論及創(chuàng)新點簡單概括如下:1)A-T/G-C雙自由基堿對磁耦合特征研究基于本課題組關于新型磁耦合DNA堿基的修飾方面已開展的比較完整的理論研究,本文通過通過改變環(huán)戊二烯自由基在DNA堿基中的接入方式,來探究雙自由基堿基對的磁耦合特征。利用密度泛函理論方法(DFT)和完全活性空間自洽場方法(CASSCF),本工作中研究了擴環(huán)環(huán)戊二烯自由基修飾的DNA堿基及其堿基對的結(jié)構(gòu)特征、電子性質(zhì)和磁耦合特征。結(jié)果表明,(a)tras-r-堿基與r-堿基結(jié)構(gòu)類似,均能保持穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)并能與其互補堿基對配對形成單層雙自由基堿基對或者雙層雙自由基或者四自由基堿基對。(b)通過磁交換耦合常數(shù)(J)來表征雙自由基/四自由基堿基對的磁耦合相互作用。結(jié)果表明,大多數(shù)trans-r-堿基對具有開殼層(BS)雙自由基基態(tài)。單層雙自由基堿基對的磁耦合作用較弱,雙層雙自由基/四自由基堿基對的磁耦合特征更為明顯。這項工作在理論上驗證了擴環(huán)自由基修飾的可行性,并為設計合成磁耦合DNA有機分子材料提供了理論指導。2)尿嘧啶(U)自由基組裝及磁耦合特征探究在DNA堿基修飾的工作中,已證明了環(huán)戊二烯自由基堿基具有出色的雙自由基特征。因此,本工作將這種修飾方式應用到了 RNA所獨有的尿嘧啶堿基上。類似于鳥嘌呤的G-四聯(lián)體結(jié)構(gòu),修飾后的尿嘧啶自由基具有三個不同的氫鍵結(jié)合位點,以此為基礎我們設計了一系列的尿嘧啶雙自由基結(jié)構(gòu)單元。通過量子化學計算方法詳細討論了相關的結(jié)構(gòu)特征、電子特性和磁耦合特征。研究結(jié)果表明,十種雙自由基尿嘧啶異構(gòu)體都能夠穩(wěn)定存在,它們都擁有雙自由基特征的開殼層單重態(tài)或三重態(tài)基態(tài)并且它們具有顯著的自旋耦合各向異性。顯然,這為設計具有生物功能化的多聚體磁耦合有機分子材料提供了理論依據(jù)。3)耦合器調(diào)控的雙自由基堿對組裝及磁耦合特征研究在雙自由基堿基對的工作中發(fā)現(xiàn)由于兩個自由基間通過氫鍵弱相互作用耦合,因此它們的磁耦合作用并不強烈�？紤]到進一提高環(huán)戊二烯自由基堿基的磁耦合特征,本工作利用偶氮苯(AB)將兩個自由基堿基組成光控的磁耦合結(jié)構(gòu)單元,并且保留了它們的氫鍵配對能力。以偶氮苯(AB)作為耦合器,本工作分別在亞甲基的兩端接入了自由基堿基,組裝出了不同的堿基對組合。相關的磁耦合特征的結(jié)果表明,偶氮苯(AB)橋聯(lián)的雙自由基堿基對的磁耦合作用大大增強,磁耦合常數(shù)的數(shù)值產(chǎn)生了較大變化。并且偶氮苯的異構(gòu)化不但能調(diào)節(jié)它們磁耦合的大小還能改變它們的磁耦合性質(zhì)(FM(?)AFM)。該項工作拓展了自由基化DNA堿基的修飾思路,為設計磁耦合光控的新型光敏傳感器器件、磁耦合調(diào)控分子器件展現(xiàn)了美好的應用前景。4)堿基分子內(nèi)雙自由基磁耦合特征的研究考慮到從起初的弱氫鍵作用到耦合器作用的雙自由基堿基對的磁耦合性質(zhì)雖然有了增強但是磁耦合常數(shù)的數(shù)值并不突出,因此本工作直接在堿基中引入氮氧自由基或者將氨基氧化為氮氧自由基。通過量子化學方法的計算證明氮氧雙自由基堿基的磁耦合特征變化尤為突出。特別是,分子內(nèi)雙自由基堿基的磁耦合作用滿足自旋交替規(guī)律,這比分子間的雙自由基堿基的磁耦合相互作用更直觀、更容易理解。這項工作為對雙自由基核酸堿基的研究提供了一個全新的視角�？傊�,本工作中首先利用環(huán)戊二烯自由基對核酸堿基進行修飾,并分別研究了氫鍵弱相互作用下自由基堿對的磁耦合特征,如trans-(rA-rT/rG-rC)堿對、rU-rU堿對的研究;偶氮苯(AB)耦合器作用下自由基堿對的磁耦合特征;堿基分子內(nèi)氮氧自由基堿對的磁耦合特征。通過不斷的改造優(yōu)化堿基的結(jié)構(gòu),修飾后的堿基對的磁耦合特征產(chǎn)生了明顯的改變,磁耦合作用特征越來越明顯。此工作有望為實驗上合成設計自由基化堿基磁耦合分子材料提供一定的幫助。
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O629.74
【圖文】：

近幾十年來，作為核酸的重要組成部分，核酸堿基分子（ＤＮＡ和ＭＡ堿逡逑基）受到了國內(nèi)眾多科研小組的廣泛關注。存在于ＤＮＡ中的堿基是指嘿呤和逡逑嘧啶的衍生物，并且最常見的只有五種。如圖１－１所示，圖中給出了脫氧核糖核逡逑酸（ＤＮＡ）和核糖核酸（ＲＮＡ）的螺旋（雙鏈／單鏈）結(jié)構(gòu)，以及它們的堿基結(jié)構(gòu)逡逑圖并在螺旋中標注了堿基間的選擇性配對。其中，嘌呤衍生物有二種：腺噤呤逡逑１逡逑

Ｇ－４聯(lián)體。此外，在沒有陽離子的情況下，Ｇ可以通過氫鍵產(chǎn)生各種超分子逡逑網(wǎng)，包括線性帶（如Ａ型和Ｂ型帶），這些由Ｇ衍生物產(chǎn)生的線性帶被認為是逡逑功能材料的潛在支架［７３，７４］，如圖１－３所示。尿嘧啶是比較簡單的一種堿基，可以逡逑說它具有十分重要的藥學和生物學意義。尿嘧啶的兩個羰基氧原子聚集了大量逡逑的負電荷，擁有三個不同的氫鍵位點，可以在與其它的分子形成不同模式的雙逡逑鍵。因此，它被認為是作為ＳＡＭｓ結(jié)構(gòu)單元的理想模型［７５－７９］。Ｗａｎｄｌｏｗｓｋｉ課題逡逑組對底物結(jié)構(gòu)對Ｕ－冷凝單分子的形成和穩(wěn)定性的影響進行了一項系統(tǒng)的研究哪－逡逑８３］，并揭示了物理吸附式單分子的穩(wěn)定性序列：金（１００）邋＞金（１１１）邋＞銀（１00）邋＞銀逡逑（１１１）邋＞汞。此外

Ｘ－ｂａｓｅｓ邐Ｖ邋ｆ邋？＇．－ｂａｓｅｓ邐ｆ逡逑圖１－２各種修飾堿基示意圖。Ｂｅｎｎｅｒ課題組設計的與天然堿基具有相似結(jié)逡逑構(gòu)的人工堿基、天然堿基、Ｋｏｏｌ課題組設計的擴環(huán)修飾的Ｘ－ｂａｓｅｓ和Ｙ－ｂａｓｅｓ逡逑（摘自參考文獻ｒｅｆ．邋５８，邋６４，邋６８）。逡逑ＳＡＭｓ技術是通過固－液界面間的化學吸附或化學反應而形成的有序的二維逡逑有序單層膜ｍ］，并在分子器件和相關技術如單分子元件、分子嫁接、分子傳感逡逑器等方面有很多研宄［ｑ。在ＨＯＰＧ、ＭｏＳ２和一些金屬表面上己經(jīng)觀察到逡逑ＤＮＡ／ＲＮＡ堿基的自組裝結(jié)構(gòu)。此外，在堿基間可以形成氫鍵網(wǎng)絡的現(xiàn)象尤其逡逑有趣。例如，某些鳥苷（Ｇ）豐富的ＤＮＡ序列可以折疊成各種四鏈體結(jié)構(gòu)，稱為逡逑Ｇ－４聯(lián)體。此外，在沒有陽離子的情況下，Ｇ可以通過氫鍵產(chǎn)生各種超分子逡逑網(wǎng)，包括線性帶（如Ａ型和Ｂ型帶），這些由Ｇ衍生物產(chǎn)生的線性帶被認為是逡逑功能材料的潛在支架［７３，７４］，如圖１－３所示。尿嘧啶是比較簡單的一種堿基，可以逡逑說它具有十分重要的藥學和生物學意義。尿嘧啶的兩個羰基氧原子聚集了大量逡逑的負電荷

【參考文獻】

相關期刊論文 前1條

1 陳世杰;譚志杰;曹松;張文炳;;RNA分子折疊的統(tǒng)計力學[J];物理;2006年03期

本文編號：2788656