核酸和蛋白生物大分子的理论化学计算在过去的50年间获得了广泛的研究和发展,至今仍作为热门的前沿自然科学领域受到各方面的重视。理论化学计算模拟可从分子、原子和电子的水平上,对生物化学反应过程中的许多问题给予强有力的理论支持和预测,从而有助于更好的理解生物大分子反应机理等。DNA(Deoxyribonucleic acid),即脱氧核糖核酸,是人类遗传的基础,引导遗传信息的传递以及生命机能的运作。环境中的化学物质以及辐射等因素能够破坏DNA的分子整体性使细胞发生变异,最终造成细胞错误的功能状态,诱发癌症。自然界中,有害的紫外线辐射是造成DNA损伤的重要的环境因素之一,它可导致细胞突变,癌病变,甚至细胞死亡等一系列的DNA生物损伤。近年来,由DNA光损伤引起的皮肤癌,受到了公众越来越多的关注。在紫外线照射下,核酸分子吸收光子能量被激发到电子激发态。通常情况下,DNA具有一定的光稳定性,通过激发态的弛豫过程,DNA分子可避免光化学反应的发生。然而,一旦激发态的光化学反应发生,将产生有害的光产物,从而诱发癌症和相关疾病。与DNA光损伤相关的生物反应是DNA修复过程,细胞的DNA修复是由特定的DNA光解酶完成。总的来说,光稳定性,光损伤和光修复是DNA光化学研究中的三个重要内容。　　 本论文从理论计算的角度,采用完全活化空间自洽场(CASSCF)方法,二级多组态微扰理论(CASPT2),CASPT2//CASSCF/Amber(QM/MM方法),含时密度泛函(TDDFT)方法,以及LCM模型,PCM模型等对DNA光化学反应进行了系统的研究。论文的主要内容概括如下几个方面:　　 (1)运用高水平的从头算计算方法,从DNA最基本的组成物质DNA碱基分子到通过氢键连接的DNA碱基对,以至DNA碱基对堆积而成的DNA低聚体,系统地研究了DNA光稳定性的激发态失活途径。2-氨基吡啶是最常用的DNA碱基的模型分子。我们的计算发现2-氨基吡啶的S0基态和S1激发态的势能面交叉是其主要的快速非辐射的失活路径之一。而我们对2-氨基吡啶二聚体和DNA碱基对腺嘌呤-胸腺嘧啶(A-T)的激发态研究表明作为DNA碱基对的模型分子,2-氨基吡啶二聚体在描述DNA碱基对光化学性质上具有一定的局限性。在DNA碱基对研究的基础上,我们以(dA)5,(dT)5,和(dA)5·(dT)5这三种DNA低聚物为模型分子,研究DNA碱基对配对作用以及DNA堆积作用对DNA低聚物激发态性质的影响。　　 (2)DNA光损伤的产物称为DNA光产物。我们运用各种从头算方法研究了紫外光诱发的两种DNA光产物:嘧啶(6-4)嘧啶酮[6-4PP]和胸苷基(3’-5’)胸腺嘧啶脱氧核苷[DewarPP]之间的光异构反应机理。在UV-B光子照射(313nm)下,从6-4PP的S2(1ππ*)态通过S2态与S0态的势能面交叉到达S0态再发生S0态上C-N断裂反应是6-4PP到DewarPP异构的最主要途径。而在更高能的UV-C(240nm)光照射下,DewarPP通过T1态以及S2(1nπ*)这两个“暗态”上的断键反应可以重新光异构为6-4PP产物。电子注入的阴离子自由基反应也被确认为有效的光异构路径之一。　　 (3)细胞在面临DNA紫外光损伤的同时,自身可以在黄素酶即光解酶的作用下对DNA光产物进行修复。黄素酶中的辅酶,即四羟酮醇分子的催化活性态是黄素腺嘌呤二核苷酸阴离子(FADH-)。我们通过对FADH-分子的从头算计算表明:位于FADH-分子核糖侧链上的3’-羟基和异咯嗪环N1之间的分子内氢键对于DNA光解酶中的黄素腺嘌呤二核苷酸的光化学性质具有重要的影响。