脱氧核糖核酸(DNA)是生物体的遗传物质，DNA损伤导致疾病、衰老、死亡。电离辐射、自由基反应等造成一类重要的DNA氧化损伤反应，DNA氧化损伤反应发生的微观机制是生命科学领域非常关注，但又难以解决的物理化学基本问题。本论文围绕这一课题，选取·OH自由基氧化DNA碱基鸟嘌呤(G)以及SO4-·氧化G-四链体DNA的基元反应体系，采用时间分辨傅里叶变换红外吸收光谱(TR-FTIR)和紫外-可见瞬态吸收光谱等互为补充的瞬态光谱技术，结合量子化学计算，研究了活性氧自由基以及单电子氧化引发的DNA氧化损伤的动力学机理。论文工作包括两部分:　　一、·OH自由基与G碱基反应　　在四种DNA碱基中，鸟嘌呤G由于氧化电位最低，最容易受到氧化损伤。·OH是生物体中大量存在且反应活性最强的活性氧自由基，也是电离辐射产生的对DNA损害最大的自由基，因此有大量的研究集中在·OH自由基与G碱基反应的机理。然而，尽管·OH与G碱基反应机理被广泛研究，其反应机理仍然存在很大争议。本文结合瞬态紫外吸收光谱、瞬态红外吸收光谱以及理论计算，研究了·OH氧化DNA中G碱基的机理。通过瞬态红外光谱实验，我们捕捉并探测到短寿命的C4加成中间体G4-OH·，为·OH+G反应加成机理的确立提供了光谱上的直接证据。并且，通过瞬态红外实验我们测得C4加成生成G4-OH·的产率为0.68左右，C8加成生成8-oxoG的产率为0.2左右，表明·OH+G反应的主要通道是·OH加成，澄清了长期使人困扰的·OH与G碱基反应的机理。通过瞬态紫外吸收光谱，我们测得·OH+G反应的初始产物为G碱基环外氨基脱氢自由基G(N2-H)·，结合理论计算，表明它可能是通过G4-OH·中性脱水生成的，补充了G4-OH·通过离子对脱水的机理。另外，我们的实验结果与理论计算结果都表明，水在G4-OH·加成通道的反应过程中起到了催化作用。水的存在大大降低了反应的能垒，使G4-OH·中性脱水生成G(N2-H)·的速率加快了。而在G8-OH·生成8-oxoG的过程中，伴随产生的HO2·可以催化反应进行，因而不需要水的催化，这与我们在瞬态红外光谱上得到的结果一致。这部分工作揭示了·OH与G反应主要为加成机理，澄清了长期使人困扰的·OH与G反应机理问题，并发现水在自由基反应中的催化作用。　　二、G-四链体中单电子氧化/脱质子反应　　DNA体系中的质子转移是一种与电子转移相耦合的新颖的质子转移反应，是与DNA电荷传导相竞争、导致DNA单电子氧化损伤的一类重要反应。由于G碱基氧化电势最低，沿着DNA链传导的正电荷会局域在G碱基上，空穴G+·脱质子后形成中性自由基导致电荷传导的终止、直接影响DNA电荷传导的进行。以往对于这一过程的认识主要局限在单个碱基分子及双链DNA。由于正离子自由基G+·的亚氨基质子N1-H酸性(pKa=3.9)比氨基质子N2-H(pKa=4.7)更大，因此单个碱基及双链DNA都是脱去亚氨基质子N1-H。这些快速的脱质子反应(速率常数为106到107)会中断电荷传递、导致空穴G+·在双链DNA传递的距离非常有限（仅大于20纳米）。为了克服这些长久以来限制DNA电荷传导的问题，我们在分子基元反应层次上深入研究了正离子自由基G+·在DNA的G-四链体结构中的脱质子反应过程。　　用强氧化性自由基SO4-·氧化G-四链体产生一个被G碱基捕获的空穴，形成G+·，通过瞬态光谱实时监测G+·脱质子反应过程，实验观察到G-四链体中不同于自由碱基dG以及双链DNA的脱质子行为（脱氨基质子N2-H而不是亚氨基质子N1-H），以及脱质子速率（慢1-2个数量级）。我们选择了四种G-四链体:AG3(T2AG3)3，(G4T4G4)2，(TG4T)4和TBA来研究G-四链体中脱质子过程与G碱基所处氢键环境的关系。通过动力学同位素效应实验以及pKa值分析，进一步发现G-四链体中脱质子的位点是未形成氢键的自由质子，即G-四分体G碱基中与溶剂水分子接触的N2-H或侧链G碱基中的N1-H。这种特异的脱质子行为是由G-四链体中特殊的质子环境导致的:G-四分体中每个G碱基都与另外2个G碱基通过Hoogsteen氢键结合，与相邻碱基形成氢键的亚氨基质子和氨基质子受到pKa限制不能沿氢键传递，只有暴露于溶剂水分子的氨基质子N2-H可以脱到溶剂中。对于在侧链上存在自由G碱基的G-四链体TBA，由于脱N1-H的速率常数比脱N2-H的快，侧链上G碱基更倾向于脱质子，导致G-四链体TBA中脱质子的位点主要是N1-H。　　这些结果揭示了DNA结构的局部氢键微环境对质子转移反应机理和途径的影响，实验观测的G-四链体独特的脱质子反应途径以及比双链DNA小1-2个数量级的反应速率表明有望通过G-四链体实现更长距离的DNA电荷传递，阐述了G-四链体在分子电子学及DNA自由基化学中的动力学微观机理。