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脱氧核糖核酸(DNA)作为最基本的生命物质之一,是遗传信息的重要载体和遗传过程的物质基础。DNA分子遵循碱基互补配对原则形成稳定结构,两个碱基单体之间,通过氢键相互作用,因此碱基对氢键的任何改变和反应将直接影响到遗传信息的精确传递。本文采用量子力学密度泛函方法对鸟嘌呤-胞嘧啶碱基对(GC)氢键间质子转移反应进行系统的理论研究,获得了碱基对氢键间质子转移机理及其对核酸分子结构和性质的影响。这些工作为研究由DNA互变异构和基因突变引起的疾病及其检测提供了重要的理论依据。主要内容如下：采用B3LYP/DZP++方法研究了14种质子化GC碱基对(GC+H)+氢键间单质子转移反应。优化了气相中14种质子化碱基对结构及其分别对应的过渡态和产物结构,同时为了分析溶剂化影响,计算了水溶剂中结构的单点能。对比14种质子化碱基对质子转移前后反应物、过渡态和产物结构的各种特性,总结出电荷分布对质子化碱基对氢键间质子转移方式起到决定作用,同时氢键的长短也会影响质子转移方式。质子转移反应得到的产物中发生较大扭转的结构可能导致DNA分子变异。采用B3LYP/DZP++方法研究了相对能最低的五种氢化GC碱基对(GC+H).氢键间单双质子转移反应。优化了气相中五种氢化碱基对结构及其分别对应的协同和分步机理的过渡态和产物结构,确定了质子转移机理。同时考虑到溶剂化效应的作用,将气相中优化所得结构在水溶剂中计算单点能。结果表明,气相中氢化碱基对氢键间的双质子转移明显优于单质子转移反应,协同转移机理优于分步转移机理,而水溶剂中分步机理却占据了优势。溶剂化效应有利于单质子转移,却增加了双质子转移的反应能。采用ONIOM(M06-2X/6-31G*:PM3)分层方法研究了四种排序的DNA三聚体中质子转移反应。使用M06-2X/6-31G*方法优化了GC碱基对及其质子转移过程中对应的过渡态和产物结构,使用分层方法优化了四种排序的DNA三聚体(dATGCAT、 dGCGCGC、dTAGCTA、dCGGCCG)及其质子转移过程中对应的过渡态和产物结构,五种模型的质子转移过程中各结构均在气相和水溶剂中进行了优化。气相中碱基排序对质子转移方式起到决定作用,而在水溶剂中,上下相邻碱基对对中间碱基对的静电相互作用被削弱,四种排序的DNA三聚体的质子转移方式和质子转移过程中能量变化趋于一致。采用ONIOM(M06-2X/6-31G*:PM3)分层方法研究了包含氢化GC碱基对中最稳定的中性、阳离子、阴离子结构的四种排序DNA三聚体的质子转移反应。使用M06-2X/6-31G*方法优化了氢化GC碱基对最稳定的中性结构(鸟嘌呤G的C8位结合H·)、阳离子结构(鸟嘌呤G的N7位结合H+)、阴离子结构(胞嘧啶C的C6位结合H-)及其分别对应的过渡态和产物结构,然后使用分层方法优化了三种结构的四种排序的DNA三聚体中质子转移过程中对应的过渡态和产物结构。为了考虑溶剂化影响,所有这些结构,采用相同的计算方法分别在气相和水溶剂中进行了优化。结果显示,dATGCAT和dGCGCGC排序有助于质子H4a转移,不利于质子H1转移；dTAGCTA和dCGGCCG排序有助于质子H1转移。三种体系中阴离子体系最容易发生质子转移反应,阴离子体系中碱基单体和DNA三聚体的质子转移都为放热反应。