核酸是生物体遗传变异的物质基础,是生命最基本的物质之一。核苷酸作为核酸的基本组成单位,几乎参与了细胞内的每一项重要的生物功能。它由核糖或脱氧核糖、磷酸和含氮碱基三部分组成,其中,碱基是核苷酸分子最重要的组成部分,在基因遗传信息的传递方面起着主导作用。生物体内的含氮碱基主要有五种:腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）、胸腺嘧啶（T）和尿嘧啶（U）。所有生命有机体都是通过这五种碱基来实现遗传信息的存储和代代相传。然而,生命遗传“字母表”并非是不可改变的。近年来,非天然核碱基的研究备受关注。它的出现,增加了核苷酸的种类,扩大了遗传信息系统字母表,提高了遗传密码的多样性。非天然核苷酸的前生物组装及其DNA链的结构性能研究,对于从微观层面探究生命的化学起源,进而揭示遗传信息传递的化学机制,了解DNA/RNA在生命体中的动态结构和功能具有重要的科学意义。本论文即以此为目标,利用分子动力学模拟和量子化学方法,对核苷酸的前生物组装和非天然核碱基DNA链的结构性能进行了详细的理论研究。主要的研究内容与结果如下:（1）利用密度泛函理论（DFT）研究了2,4,6-三氨基嘧啶（TAP）与（_D）-核糖在水溶液中反应形成C-核糖核苷和N-核糖核苷的详细理论机制。计算结果表明（_D）-核糖的五种异构体（α,β-呋喃糖,α,β-吡喃糖和开链醛）可以在水溶液中平衡共存。与环状异构体所不同的是,开链醛更容易与TAP发生反应。总的来说,C-核苷和N-核苷的形成途径包括亲核加成,脱水和环化三个步骤。计算得到的表观活化能分别为28.8 kcal mol^-1和29.2 kcal mol^-1。这表明C-和N-核苷都可以在水溶液中形成,与实验结果非常吻合。通过设计显式水分子参与反应的模型,发现水分子在质子传递过程中起到了重要的“桥梁”作用。最后,我们提出了有利于C-C糖苷键形成的核碱基的结构模型。该研究将为前生物条件下合理的核碱基前体的选择及生命起源的探索提供理论指导。（2）非天然人工碱基对P:Z并入到四种天然存在的DNA碱基中,扩展了遗传信息字母表并产生了人工扩展遗传信息系统（AEGIS）。我们通过分子动力学模拟和量子化学计算方法表征含有人工碱基对P:Z的寡核苷酸链的结构特征及其与天然碱基对的相互作用机制。结果表明,新型人工碱基对（P:Z）的加入,基本维持了双螺旋DNA的全局构象特征,仅引起了局部结构的轻微改变。Z碱基上的硝基拓宽了大沟的宽度,赋予了大沟新的性质,可以用作蛋白酶的识别位点。含有错配碱基对的非天然寡核苷酸表现出较低的稳定性,这进一步保证了复制过程的高效率和高保真度。总之,P:Z碱基对的加入增强了所在DNA双螺旋的稳定性。计算结果也表明,这种热稳定性来源于碱基对之间氢键作用和π-π堆积作用。Z碱基上的硝基在提高氢键的稳定性和增强P:Z碱基对的堆积能力方面起到了非常重要的作用。总体而言,我们的计算结果将为探索人工扩展遗传信息系统,设计新型的多功能蛋白质提提供理论依据。（3）荧光碱基类似物作为探针研究DNA和RNA的动态结构和功能多样性具有非常重要的意义。我们结合分子动力学模拟和量子化学计算方法来表征含有4AP/4AP?/4AP⁰:DAP碱基对的寡核苷酸链的结构和荧光性能。计算结果表明,4AP:DAP碱基对具有更高的稳定性和π-π堆积能力,能够比较好的适应B型DNA的整体结构。4AP:DAP碱基对形成面向大沟方向的两个氢键,这足以为引物延伸中的DNA聚合酶提供位点选择性。而4AP?中二甲氨基的存在干扰了碱基配对相互作用。4AP?或4AP⁰与相邻的腺嘌呤仅在5’方向上有结构堆积重叠,这会干扰双螺旋构象并导致结构偏离标准B-DNA构象。我们还探讨了荧光核碱基单体和其B-DNA链的荧光性质。研究发现,核糖与碱基之间的氢键相互作用导致核苷的斯托克斯位移（102 nm）要大于碱基单体（92 nm）。由于4AP?中二甲基的立体位阻使它们偏离芳环平面,核苷d4AP?的荧光效率大大降低。此外,我们重点研究了DNA局域环境对核碱基荧光性能的影响。结果显示,碱基配对作用会引起光谱的红移而不会改变荧光强度。而π-π堆积作用对光谱有重要的影响,且取决于与4AP堆积的碱基种类。与单环的嘧啶碱基堆积可以更好地保持4AP的荧光特性。总体而言,4AP:DAP在加入到DNA环境中时,结构和荧光性能两方面表都现出了较好的稳定性。希望我们的理论计算结果能够为设计新型的荧光探针,研究生物体内DNA的动态结构和功能提供理论指导。