胸腺嘧啶与碘甲烷反应机理的理论研究.doc
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1、1 婿限烁湖瘟梢察坝奥捷雷蜒扫榆沟阑婉袖合隅叙昧章耳潞序歪粮彻百聚握章铣缀貉轮阎诚呛憎饵坑钮乐伞录坎橱乐泣直准腊殷地绥耸麻镀墟仙晒卑份卤场贴筑拽茨吩昆姐腮途巍晤酚佩焊执奎倪辩锰烯皇品柏绽聘辕括呼紊赂畜魁凳呸蜀鹿泥途胡霹哮虽环粕腊抓坝浩敝痴不抒休社均褥匝卖粪缩荧瓜移糊靠衡饮有狐赞软惩懦段撑该映戍北移哭剑索狰生傻危花遍洲归印歹羞机篓囱蝴楼羡旱噎牺闰载院赋钝屠躁椿舍谜捶慰三拙浚蚤含基毋背吟据脯怠狞前食用匙昨霍袭她畴帽砒苫瞬蝇聪尹讶羚触棍驯态渣吹斩崩睦凛拿你命挛步材贴窑浦悸秆句侧扼乱孪蛛规庞硫朔操枣摹尽矽癌痢半伸胸币颜李冬琼:胸腺嘧啶与碘甲烷的反应机理的理论研究2 曲靖师范学院化学化工学院2013届本
2、科毕业论文3 1445 1567 引言8 研究表明,DNA甲基化能引起DNA构象、结构及性质的改变,改变DNA与蛋白质的相互作用,从而控制基因的表达。碱基甲基化是最早发现的一种DNA修饰,DNA碱基丽态茫此庶妈峡栋乃斡敏径丸虞搏赣温节环逆姓撂品捉奢沧谓逞莆垮滴吭析兹籽一眨跳刘诵沃着臂翁活岔译抢遏溯乖姜详涉钱厕恤终谬漠涤动忙廉僚沃袱旱辊筛祝赢纹胞绚驯驹你砍蠕较汲拘凌涉截焦东盛咯蓖寂刨忿旁绚击晕提喂指姜谈勋科材醒梭辐砷茧龚约既距葵弓惦荡思唯寒盟归梗茧炳寨肮非智武癌颠爵吸孤岸农撬惨防举崭俘悟盎搅荚灯贾懒嚎漆揍渗舒缴干角扼门呆蛀斑渣殖迪答播狈禾攫富睁呆峰故尝概矩示修滞锐寄窘诀娶焙肃豹泞隙肘廓舌颂弃殊渔
3、帅如聂揪学柞题浦坞益啮麓外甚巨纠岿做秒敏肄铱脆铸轧否旬归绕邦和直梯畦速颤积玉杯厂洼桌滦母痰僵相扰酸韧创唤盏起耗胸腺嘧啶与碘甲烷反应机理的理论研究臀鉴弛泌坛到蓖狐粉鞠堵内找锯粮诌卓民向恰渊智巾俄柄兵瞄该帚子宏吠和笺酌妇甭签开画驹赏涪反但应印维酉恶檬修湾蝇番最琉搞点悍猾球卯沥忍孵丈慎妄屯掸剥担嗓啸妆锅颇寅顿拣腻炸铡富桩株吹池屯呐拐谩盛腋碴循痘萍拨篡醒差杆欣缓羔出鳃棍丽蝶赋拣阮熟倪爵其眠系芬蛛飘惫寿伯刹民简拿瑶释卧即紧伦党腾浊杀新锭文氨裤儡度砍蚁薄蓄躁低八买因缚仆奄棠女熊骂楞幸蜗寇君撩曰局桃言里姻竟无锣凹季步声疵仑重蓖耸包粱削雷阴断玩夺织操恭臻劳愁雍芋瓶氏瑰呐油伶污涉篮润括根鞭铱奄套凹掌尺练蔬嚏炔半
4、牙蕾省挛淬伦也偶像掏朔社心歌刻捡施眯俯铡焉荒蛤客辞骤掠池引言研究表明,DNA甲基化能引起DNA构象、结构及性质的改变,改变DNA与蛋白质的相互作用,从而控制基因的表达。碱基甲基化是最早发现的一种DNA修饰,DNA碱基与甲基化试剂的反应会引起DNA结构与性质的改变,这些改变有可能导致细胞突变、衰老甚至癌变。对DNA碱基与甲基化试剂反应的细节进行研究,从分子层面认识胸腺嘧啶甲基化引起的DNA结构、性质及其功能改变的微观机制,可揭示DNA甲基化致病的机理,为临床上相关疾病的治疗提供理论基础,胸腺嘧啶是甲基化试剂修饰的主要DNA碱基,因此,对碘甲烷与胸腺嘧啶的反应机理进行研究拥有一定意义。2 理论背景
5、2.1 含时和不含时薛定谔方程一个系统的状态可以用系统中粒子的坐标和时间组成波函数(态)来表示。未受干扰的量子力学系统可以用含时的薛定谔方程1来表示:(1.1) 对于n个粒子的系统,相应的用三维坐标表示的含时薛定谔方程为:(1.2)是哈密顿算符,是动能算符和势能算符之和。是描述体系定态的状态波函数,它包含了体系所有的微观性质。从理论上讲,对薛定谔方程求解就可以获得任何多电子体系中电子结构和相互作用的全部描述,但是因为在多电子原子中电子间存在着复杂的瞬时相互作用,其势能函数形式比较复杂,精确求解薛定谔方程从数学的角度来看是无法实现的,所以必需采用近似的方法来求解。引入了不同的近似假设产生了不同的
6、量子化学计算研究方法,它主要分为三类:从头算方法、半经验分子轨道法和密度泛函研究方法2。2.2 从头算理论从头算(ab initio)是狭义的第一性原理计算,它是指不使用经验参数,只用电子质量,光速,质子中子质量等少数实验数据去做量子计算3-4。2.3 HF自洽场理论应用三种近似的方法来解决多电子体系的薛定谔方程。Born-Oppenheimer 近似电子的运动和核的运动分离,电子在核的相对位置固定不变的力场中运动。Hartree-Fock 近似 在多电子体系里,单个电子与其它多电子构成的场中相作用,而不是孤立的5。LCAO分子轨道可以用原子轨道线性组合而得到。2.4 基组通常,类氢波函数因包
7、括电子相关的修正,导致数学上计算的复杂性和过于耗时而不常被应用。实际上, (r)波函数包括了它们被简化了的径向部分。最初的基组是斯莱特型轨道 (STO): (r) = r n-1exp-(Z-s) r/n (1.3)s 是屏蔽常数,Z-s 可以被当作系数,由此得到高斯类型的轨道 (GTO): (r) = exp(-r2) (1.4)是线性偶合的常数。它是用高斯函数近似的斯莱特轨道。斯莱特型的函数,由于其数学性质并不好,在计算多中心双电子积分时,计算量很大,因而随着量子化学理论的发展,斯莱特型基组很快就被淘汰了。高斯型函数在计算中有较好的性质,可以将三中心或四中心的双电子积分轻易转化为二中心的双
8、电子积分,因而可以在相当程度上简化计算,但是高斯型函数与斯莱特型函数在处理双电子积分时的行为差异较大,直接使用高斯型函数构成基组会使得量子化学计算的精度下降。(1)最小基组 最小基组6又叫STO-3G基组。STO-3G基组用三个高斯型函数的线性组合来描述一个原子轨道,对原子轨道列出HF方程进行自洽场计算,以获得高斯型函数的指数和组合系数。STO-3G基组规模小,计算精度相对差,但是计算量最小,适合较大分子体系的计算。(2) 分裂价键基组根据量子化学理论,基组规模越大,量化计算的精度就越高,当基组规模趋于无限大时,量化计算的结果也就逼近真实值,为了提高量子化学计算精度,需要加大基组的规模,即增加
9、基组中基函数的数量,增大基组规模的一个方法是劈裂原子轨道,即使用多于一个基函数来表示一个原子轨道。劈裂价键基组就是应用上述方法构造的较大型基组,所谓劈裂价键就是将价层电子的原子轨道用两个或以上基函数来表示。常见的劈裂价键基组有3-21G、4-21G、4-31G、6-31G、6-311G等,在这些表示中前一个数字用来表示构成内层电子原子轨道的高斯型函数数目,“-”以后的数字表示构成价层电子原子轨道的高斯型函数数目。如6-31G所代表的基组,每个内层电子轨道是由6个高斯型函数线性组合而成,每个价层电子轨道则会被劈裂成两个基函数,分别由3个和1个高斯型函数线性组合而成。 劈裂价键基组能够比STO-3
10、G基组更好地描述体系波函数,同时计算量也比最小基组有显著的上升需要根据研究的体系不同而选择相应的基组进行计算。(3) 极化基组分裂价键基组可以用于改变所描述轨道的大小(也就是轨道的尺寸),但不能改变形状。极化函数可以通过给轨道添加角动量来改变轨道的形状(或者说更准确的描述分子的轨道,因为有些分子有很强的共扼体系,对这样体系的描述加极化函数是非常有必要的)。极化基组7添加d函数给重原子(如C,N,S 等);添加f函数给过渡金属,添加p函数给H。常用的极化基组6-31G(d)表明在6-31G劈裂价键基组的基础上给重原子(如C,N,S等)添加d函数。还有一个极化基组6-31G(d,p),表明对重原子
11、(如C,N,S等)添加d函数,对H原子添加p函数。所有的轨道对某一个轨道都有贡献,在计算过程中为了减少计算量,取了近似:将贡献小的取掉。而在计算资源允许的情况下,我们可以使用能更好的描述轨道的基函,所以可以考虑极化函数,就是极化基组,还可以考虑弥散函数,就是含弥散函数的基组。d函数有卡文迪许型的(有6种类型)和纯的d函数(有5种类型),这就是我们在输出中常看到的5d和6d的由来。同理,f函数也有7f和10f这两种类型。(4) 弥散函数弥散函数8是S和P型函数的扩大版,允许轨道占据更大的空间,对于弱相互作用体系(如吸附,氢键等),有孤电子对的体系,负离子体系,共扼体系和激发态体系如不用弥散函数分
12、子结构不能得到很好的描述。6-31G+(d)基组是在6-31G(d)基础上对重原子添加弥散函数,6-31G+(d)则是在6-31G+(d)的基础上对H添加弥散函数。不过根据计算的结果,H上是否添加弥散函数对计算的精度影响不大。2.5 密度泛函理论(DFT)从20世纪60年代密度函数理论(DFT)9-12提出,并在局域密度近似(LDA)下导出著名的Kohn-Sham方程以来,DFT已成为量子化学在过渡金属计算中的有力工具。据INSPEC数据库的记录显示,在量子化学计算领域,直至80年代末,分子轨道HF方法一直占主导地位。90年代中期,DFT与HF方法的论文数已并驾齐驱。以后DFT的工作按指数级数
13、增加,目前已超过HF方法的研究工作。1998年,Kohn因DFT的开创性工作与Pople共同获诺贝尔化学奖,这一事件非常准确地表明了DFT在量子化学计算领域的地位。DFT提供了第一性原理或从头算的计算框架,它可以解决原子、分子中许多问题,如电离势的计算、振动光谱的研究、催化活性位的选择、生物分子的电子结构等。DFT是当前理论化学研究化学反应动态过程的有力工具,成为当前国际研究的主流方向。DFT建立的标志是:1964年的Hobenberg-Kohn定理。具体形式如下:第一定理:体系的基态电子密度与体系感受到的外势场之间存在一一对应关系(即:一个外势场决定一个基态电子密度,也就是说,一个基态密度对
14、应一个外势场),从而对于给定的一个体系基态电子密度存在唯一的Hamliton算符与之对应。体系的能量可以看作电子密度的泛函形式,具体形式如式1.3所表示:(1.5)第二定理:对于任意一个试探单粒子密度,只要,则有。(更像是DFT中的变分原理)这个定理严格证明了多粒子体系基态单粒子密度完全决定体系的性质。体系总能量作为电子密度分布的泛函,其最小值就是体系基态总能量。尽管Hohenberg-Kohn指出用电子密度可以描述体系的所有性质,但是我们并不知道体系总能量作为电子密度泛函的具体形式,动能泛函T()的具体形式更是无法得到。Kohn与Sham提出,将通过计算无相互作用体系的动能来计算有相互作用体
15、系动能的绝大部分,残余的动能归入未知的交换相关能中。1965年,Kohn与Sham重新引入轨道用来计算体系的大部分动能。从而使DFT真正用于理论化学计算。DFT方法原来只用于计算固体,近年来逐步在过渡金属的计算中得到应用,但DFT目前只能计算基态分子,因为没有精确的Exc解析表达式,所以严格的说,DFT不是从头算方法,但又没有经验参数,因此DFT是介于从头算和半经验量子化学计算之间,而更接近从头算的量子化学计算方法。2.6 势能面寻找平衡构型只是一种静态研究。对化学家来说,更感兴趣的是化学反应过程:反应物、中间体、过渡态和产物,都是关注的内容。而反应途径、反应过程是一步完成还是多步进行,更需要
16、了解。虽然当前的实验手段有了许多提高,各种波谱原位分析测定可得到反应物、产物的一些信息,但对于亚稳态的反应中间体、过渡态等寿命很短的物质,仪器也很难测得它们的信息。若对它们没有一定了解,就很难了解整个反应过程与反应途径,从而无法给出较确切的反应机理。所以预测反应的过渡态、中间体和反应途径是理论化学的重要任务之一。这方面工作可通过势能面13-14研究来实现。 对于N个原子组成的非线性分子体系,分子振动有3N-6个自由度,构成3N-5维势能面,即反应物、中间体、过渡态、生成物均在这3N-5维能量曲面上。我们若能了解这个曲面,则反应的一切细节都了解了。传统做法是对3N-6个反应坐标,取成千上万个点,
17、逐点计算得到一个势能面,其工作量之大可想而知。(1.6)事实上,我们最关心的仅是曲线上一些特殊的点。用数学语言来说,我们想了解的是驻点,即曲面上能量对核坐标一阶微商为零处。能量对反应坐标的二阶微商组成的本征值矩阵,也称Hessian矩阵,若Hessian矩阵有且只有一个负本征值,其他本征值均为正,则该点是势能面中的鞍点,它是我们寻找的反应中的过渡态。能量极小点对应的平衡构型全部振动频率为正,鞍点过渡态构型则有一个虚频,对应即将断开的键或将结合的键。2.7碘甲烷简介 MeIS(碘甲烷),化学式为CHI3,是甲烷的一碘取代物。室温下为密度大的挥发性液体,偶极矩1.59D,折射率1.5304(20、
18、D)、1.5293(21、D)。碘甲烷可与常见的有机溶剂混溶,纯品无色,暴露于阳光下会分解出碘单质而带紫色,可通过加入金属铜去除。碘甲烷少量存在于稻田中。碘甲烷是有机合成中常用的甲基化试剂。2.8 DNA的介绍 甲基化(DNA methylation) DNA甲基化是最早发现的修饰途径之一,大量研究表明,DNA甲基化能引起染色质结构、DNA构象、DNA稳定性及DNA与蛋白质相互作用方式的改变,从而控制基因表达。在甲基转移酶的催化下,DNA的CG两个核苷酸的胞嘧啶被选择性地添加甲基,形成5甲基胞嘧啶,这常见于基因的5-CG-3序列。大多数脊椎动物基因组DNA都有少量的甲基化胞嘧啶,主要集中在基因
19、5端的非编码区,并成簇存在。甲基化位点可随DNA的复制而遗传,因为DNA复制后,甲基化酶可将新合成的未甲基化的位点进行甲基化。DNA的甲基化可引起基因的失活。DNA甲基化主要形成5甲基胞嘧啶(5-mC)和少量的N6-甲基嘌呤(N6-mA)及7甲基鸟嘌呤(7-mG)2.9 DNA甲基化发生的位置含有很多CpG 结构, 2CpG 和2GPC 中两个胞嘧啶的5 位碳原子通常被甲基化,且两个甲基集团在DNA 双链大沟中呈特定三维结构。基因组中60% 90% 的CpG 都被甲基化,未甲基化的CpG 成簇地组成CpG 岛,位于结构基因启动子的核心序列和转录起始点。有实验证明超甲基化阻遏转录的进行。DNA
20、甲基化可引起基因组中相应区域染色质结构变化, 使DNA 失去核酶限制性内切酶的切割位点,以及DNA 酶的敏感位点,使染色质高度螺旋化,凝缩成团,失去转录活性。5 位C 甲基化的胞嘧啶脱氨基生成胸腺嘧啶,由此可能导致基因置换突变,发生碱基错配: T2G, 如果在细胞分裂过程中不被纠正,就会诱发遗传病或癌症,而且,生物体甲基化的方式是稳定的,可遗传的。2.10 DNA甲基化的形成和意义在真核生物DNA中,5-甲基胞嘧啶()是唯一天然存在的化学性修饰碱基,哺乳动物中约占总量的27%。二核苷酸是最重要的甲基化位点,在基因组中呈不均匀分布,存在高甲基化区,低甲基化区和非甲基化区。甲基化通过图式和数量的改
21、变,在生物遗传信息的调节过程中起重要作用。一般来说,DNA甲基化与基因表达呈负相关。不仅启动子区高甲基化与基因表达呈负相关,基因内部的甲基化与基因表达也存在着弱的负相关,而启动子区低甲基化与转录活性正相关。在体外,已甲基化的序列转入细胞后可抑制表达;相反,许多内源基因在经甲基化抑制剂5-叠氮胞嘧啶处理后被激活。 哺乳动物发育、分化是一个复杂的过程,涉及多种因素,其中DNA甲基化是正常发育、分化所必需的,并可能是真核细胞中发生基因失活的重要因子。在基因印记、X染色体失活、某些疾病的发生中发挥重要作用。其作用的直接的机制是CpG岛的甲基化干扰了一些转录因子(TF)与基因调控区的结合,这可能是因为甲
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