DNA堿基與普魯卡因或小尺寸金團(tuán)簇分子間相互作用的量子化學(xué)研究.pdf

1、基于分子識(shí)別的分子診斷新技術(shù)與新方法的研究是目前生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的一個(gè)重要研究內(nèi)容，這些研究對于人類認(rèn)識(shí)與治療各種基因相關(guān)的疾病特別是癌癥有著重要的推動(dòng)作用。在針對核酸有顯著識(shí)別功能的新型抗癌或者抗艾滋病化合物的研究和開發(fā)中，小分子化合物與生物大分子特別是核酸的特異性識(shí)別、相互作用的序列相關(guān)性和作用機(jī)制等內(nèi)容的研究具有十分重要的意義。另一方面，納米電子學(xué)與生物材料和生物技術(shù)的結(jié)合在生物分子識(shí)別以及生物分析與傳感等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

2、特別地，由于金納米材料具有良好的生物相容性，在現(xiàn)代納米生物技術(shù)特別是基因診斷相關(guān)的DNA傳感器技術(shù)中應(yīng)用廣泛，因此金納米材料與DNA的相互作用以及作用過程中的電子轉(zhuǎn)移機(jī)制的理論研究對于人們探索和開發(fā)基因相關(guān)的高效生物傳感器也具有重要的指導(dǎo)意義。
　　 鑒于上述研究內(nèi)容的重要性，在前期的實(shí)驗(yàn)研究工作的基礎(chǔ)上，本文利用量子化學(xué)方法對不同DNA堿基分別和小分子藥物普魯卡因或小尺寸金團(tuán)簇的相互作用進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。在分子水平對金團(tuán)簇與生

3、物分子之間的相互作用機(jī)制和電子轉(zhuǎn)移機(jī)制，從能量、分子軌道和相關(guān)的電子結(jié)構(gòu)參量等方面進(jìn)行了詳細(xì)的研究。在此基礎(chǔ)上，本文通過實(shí)驗(yàn)研究探討了3－巰基丙酸修飾的金納米材料、聚乳酸納米纖維和四庚基銨鹽修飾的納米四氧化三鐵的納米復(fù)合材料在促進(jìn)K562白血病細(xì)胞吸收柔紅霉素藥物的協(xié)同作用，研究了這些具有生物學(xué)意義的功能納米材料識(shí)別靶向生物物質(zhì)并逆轉(zhuǎn)腫瘤細(xì)胞多藥耐藥性的作用及相關(guān)機(jī)制。
　　 本文的主要研究內(nèi)容如下：
　　 1.利用半經(jīng)

4、驗(yàn)AM1方法對中性和質(zhì)子化形式的普魯卡因以兩個(gè)重要的二面角進(jìn)行了勢能面掃描，在此基礎(chǔ)上，利用密度泛函方法在B3LYP/6-31G(d, p)水平下對AM1方法得到的勢能面上對應(yīng)的極小點(diǎn)在氣相環(huán)境下的結(jié)構(gòu)作了系統(tǒng)的研究，并得到了優(yōu)化的構(gòu)型。其中，中性形式的分子得到了五種穩(wěn)定構(gòu)型，質(zhì)子化形式得到了2種穩(wěn)定構(gòu)型，并與相關(guān)的理論和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果進(jìn)行了比較；
　　 2.在B3LYP/6-31G(d, p)水平下對堿基氨基的三角錐化、堿基的分

5、子軌道特性和分子靜電勢等基本特性進(jìn)行了計(jì)算，對堿基中氨基相關(guān)的二面角的變化做了勢能面掃描，并探索了質(zhì)子化焓和去質(zhì)子化焓等相關(guān)參量和形成氫鍵能力的關(guān)系，并與相關(guān)的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，四種堿基各個(gè)相關(guān)位點(diǎn)接受質(zhì)子的能力為：腺嘌呤：N1＞N3＞N7，鳥嘌呤：N7＞O6(N7 side)＞O6(N1 side)＞N3,胞嘧啶：O2(N3 side)＞N3＞O2(N1 side)，胸腺嘧啶：O4(C5 side)＞O4(N3 side)

6、＞O2(N3 side)＞O2(N1 side)。對于四種堿基，鳥嘌呤G(N7)≈胞嘧啶C(O2(N3 side))＞腺嘌呤A(N1)＞胸腺嘧啶T(O4(C5 side))。去質(zhì)子化或提供質(zhì)子能力的強(qiáng)弱順序?yàn)椋合汆堰蔄: H9＞H6b＞H6a，胞嘧啶C: H1＞H4b＞H4a鳥嘌呤G: H9＞H2a＞H1＞H2b，胸腺嘧啶T: H1＞H3。對于四種堿基，提供質(zhì)子的能力為：胸腺嘧啶T(H1, 1442.3 kJ/mo1)＞鳥嘌呤G(H9,

7、 1449.9 kJ/mol)≈腺嘌呤A(H9, 1450.0 kJ/mol)＞胞嘧啶C(H1, 1490.1 kJ/mol);
　　 3.利用半經(jīng)驗(yàn)AM1方法和密度泛函方法對不同的DNA堿基與普魯卡因在氣相環(huán)境下的相互作用復(fù)合物進(jìn)行了研究，在B3LYP/6-31G(d,p)水平下得到了優(yōu)化的復(fù)合物構(gòu)型，并對復(fù)合物的結(jié)構(gòu)、能量、相互作用能、自然原子電荷、分子軌道特性、電子密度拓?fù)涮匦浴⒓t外振動(dòng)頻率以及相關(guān)的熱力學(xué)參量進(jìn)行了系統(tǒng)的

8、研究。結(jié)果表明，堿基中氨基的三角錐化程度對復(fù)合物的構(gòu)型有一定的影響。形成的優(yōu)化復(fù)合物中至少含有兩個(gè)氫鍵，即普魯卡因O14作為主要質(zhì)子受體和C6-H10作為供體的氫鍵，維持體系形成平面或近平面的相互作用復(fù)合物，二階穩(wěn)定化能的結(jié)果表明普魯卡因的羰基氧原子O14作為主要質(zhì)子受體的氫鍵對于體系的穩(wěn)定起著主要的貢獻(xiàn)。另外，AIM的分析結(jié)果也表明體系中存在著C-H為供體的弱氫鍵，振動(dòng)頻率的分析結(jié)果表明質(zhì)子供體和受體相關(guān)的鍵長增長，振動(dòng)頻率減小，頻率

9、紅移。對復(fù)合物計(jì)算得到的能量以及相互作用能的計(jì)算結(jié)果表明，各個(gè)復(fù)合物的穩(wěn)定性順序?yàn)椋篜·G＞P·T＞P·A＞P·C，而HOMO-LUMO gap即能隙的分析則表明最優(yōu)的四種復(fù)合物的電子轉(zhuǎn)移的難易程度與相關(guān)電化學(xué)實(shí)驗(yàn)所表現(xiàn)出的結(jié)合的特異性順序是一致的，即：P·G＞P·A＞P·T＞P·C。利用統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)理論，計(jì)算了分子在298.15K溫度條件下形成復(fù)合物前后的熵、焓和Gibbs自由能的變化，結(jié)果表明只有相互作用能最穩(wěn)定的P·A(N3; H9

10、)、P·C(O2; H1)、P·G(O6; H1, H2a)、P·T(O2; H1)以及P·C(N3; H4a)可以在常溫下可自發(fā)形成復(fù)合物，而前四種復(fù)合物正是各個(gè)體系形成的復(fù)合物中的最穩(wěn)定的構(gòu)型；
　　 4.利用密度泛函方法SDD基組對原子個(gè)數(shù)為2～4個(gè)數(shù)目的金原子團(tuán)簇進(jìn)行了研究，并對優(yōu)化得到的穩(wěn)定構(gòu)型與相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。優(yōu)化結(jié)果表明，SDD基組得到的Au3有兩種構(gòu)型，分別為銳角三角形和鈍角三角形，Au4得到了T形和菱形

11、兩種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。勢能面掃描的結(jié)果表明銳角三角形的Au3和T形結(jié)構(gòu)的Au4較為穩(wěn)定。由于相對論效應(yīng)的影響，Au4沒有得到非平面形式的結(jié)構(gòu)；
　　 5.利用密度泛函方法對小尺寸的金原子團(tuán)簇和堿基腺嘌呤A各個(gè)位點(diǎn)的不同作用模式進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，結(jié)果表明，金原子團(tuán)簇和腺嘌呤A形成了Au-N錨定鍵和非常規(guī)形式的Au…H-N氫鍵。除了Aun·A(N6)外，Au-N錨定鍵和非常規(guī)的Au…H-N氫鍵維持兩種分子處在一個(gè)平面內(nèi)。頻率分析的結(jié)果表明A

12、u…H-N與一般性氫鍵的鍵長變化和頻率變化的特點(diǎn)一致，AIM分析得到的結(jié)果表明Au …H-N與一般氫鍵的電子密度拓?fù)涮匦砸恢?。B3LYP/6-31G+(d, p)&SDD方法得到的結(jié)果表明Aun·A(N3)位點(diǎn)形成的復(fù)合物比N1或N7位點(diǎn)的復(fù)合物穩(wěn)定，而N6位點(diǎn)的復(fù)合物最不穩(wěn)定。對于復(fù)合物Au3T·A和Au4T·A，穩(wěn)定性順序?yàn)椋?br>　　 A un·A(N3)＞Aun·A(Nl)＞Aun·A(N7)＞Aun·A(N6)
　　

13、 NPA電荷的分析結(jié)果表明作用過程中總電子轉(zhuǎn)移的趨勢為從腺嘌呤或胸腺嘧啶向金團(tuán)簇轉(zhuǎn)移。自然原子構(gòu)型分析表明，復(fù)合物的Au-N錨定鍵主要是Au1的5d和6s軌道與氮原子的2p軌道作用所致。NBO二階穩(wěn)定化能分析表明對于開殼層的Au3T·A，電子從氮原子的孤對電子軌道向金的反鍵軌道轉(zhuǎn)移，即nN→σ*Au1-Au3(α)和nN→n*Au1(β)，而對于閉殼層的Aun·A，電子向金的n*和σ*轉(zhuǎn)移，即nN→σ* An1－Au3(α)。同時(shí)，二

14、階穩(wěn)定化能的結(jié)果也表明了Au-N錨定鍵在穩(wěn)定復(fù)合物中起著主要的貢獻(xiàn)。能隙的分析表明Au2·A(N7), Au3T·A(N7)和Au4T·A(N1)的能隙較大，電子轉(zhuǎn)移較為困難，而Aun·A(N3)的能隙較小，電子轉(zhuǎn)移容易發(fā)生：
　　 6.利用密度泛函方法對小尺寸的金原子團(tuán)簇和胸腺嘧啶T的作用模式進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，在B3LYP/6-31G+(d, p)&SDD水平下對Aun·T復(fù)合物的優(yōu)化結(jié)果表明，金原子團(tuán)簇和胸腺嘧啶T之間存在著

15、Au-O錨定鍵和非常規(guī)形式的Au …H-N氫鍵，形成的Au-O錨定鍵的長度約2.138～2.190 A。頻率分析和AIM分析得到的結(jié)果表明Au …H-N與一般的氫鍵的特點(diǎn)一致。能量和相互作用能的分析結(jié)果表明，在不同位點(diǎn)形成的復(fù)合物的穩(wěn)定性為：
　　 Aun·T(H1, O2)＞Aun·T(H4, O3)＞Aun·T(H3, O2)
　　 自然原子電荷的分析結(jié)果表明，作用過程中總電子轉(zhuǎn)移的趨勢為從胸腺嘧啶向金團(tuán)簇轉(zhuǎn)移。自然

16、原子構(gòu)型的分析表明，復(fù)合物的Au-O錨定鍵的形成主要是Au1的5d和6s軌道與氧原子的2p軌道的作用所致。二階穩(wěn)定化能分析表明Au-O錨定鍵在穩(wěn)定復(fù)合物中起著主要的貢獻(xiàn)，并且對于開殼層的Au3T·T，電子從氧原子的孤對電子軌道向金的反鍵軌道轉(zhuǎn)移，即no→σ*Au1-Au3(α)和no→n＊Aui(β)。對于閉殼層的Aun·T，電子向金的n＊和σ＊轉(zhuǎn)移，即no→σ＊Au1-Au3(α)。同時(shí)，能隙的分析表明Au2·T(H3, O4)、Au

17、3T·T(H1, O2)和Au4T·T(H3, O4)的能隙較大，電子的轉(zhuǎn)移較為困難，而Aun·T(H3, O2)的能隙較小，因此電子轉(zhuǎn)移容易發(fā)生；
　　 7.利用激光共聚焦等方法研究了3-巰基丙酸修飾的金納米材料，聚乳酸納米纖維和/或表面有四庚基銨鹽修飾的四氧化三鐵納米材料及其復(fù)合物在促進(jìn)白血病K562細(xì)胞吸收抗癌藥物柔紅霉素方面的協(xié)同作用，結(jié)果表明上述功能化納米材料或納米復(fù)合體系均能夠增大白血病K562細(xì)胞（如敏感或耐藥細(xì)胞

18、株）對于抗癌藥物柔紅霉素的吸收，而聚乳酸納米纖維和表面有四庚基銨鹽修飾的四氧化三鐵納米材料復(fù)合物對細(xì)胞的作用影響較大。進(jìn)一步地，利用光學(xué)顯微鏡、MTT細(xì)胞毒理學(xué)以及電化學(xué)分析方法對聚乳酸納米纖維和表面有四庚基銨鹽修飾的四氧化三鐵納米材料復(fù)合物的細(xì)胞作用機(jī)制進(jìn)行了探討。功能化納米材料作用前后激光共聚焦方法得到的胞內(nèi)的熒光亮度、胞外電化學(xué)檢測的藥物電流曲線以及MTT細(xì)胞生長抑制率等研究結(jié)果表明，聚乳酸納米纖維和表面帶有四庚基銨鹽修飾的四氧化