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核苷酸的多组分前生物组装理论研究

作　者: 公维娟
导　师: 陈德展
学　校: 山东师范大学
专　业: 物理化学
关键词: 密度泛函理论核苷酸多组分组装理论机制
分类号: O641.12
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

核苷酸是DNA/RNA的基本组成单位，具有重要的生物化学功能，其参与了生物体内几乎所有的生物化学反应，因此，研究核苷酸的前生物合成对于揭示生命的化学起源，进而从分子层面上深入了解生命现象的化学本质具有重要的科学意义。本论文利用计算化学方法，系统地研究多组分组装核苷酸的反应机理，揭示自组装过程的优先选择性和反应的源动力问题，阐明反应的区域选择性、立体选择性、非对映选择性的控制因素，进而从微观层面上揭示核苷酸的前生物组装的化学本质。本论文的主要研究结果如下：我们用密度泛函理论计算研究了脱氧核糖核苷酸的前驱体C5-噻唑啉的前生物组装的机理，提出了两条可行的反应路径：C-C键的加成和环化同时进行的协同反应路径、亲核加成和环化过程分步进行的路径。计算结果表明该反应更趋向于沿着分步的亲核加成和环化过程路径进行。在每一条反应路径中，根据产物具有不同的非对映体，又对四种不同的反应通道进行了详细的研究。结果表明C-C键的形成步骤为该反应的决速步骤，并且噻唑加成到亚胺的Si面比加成到Re面更为有利。除此之外，我们对非对映选择性的化学本质也进行了研究，结果表明，分子内氢键和空间位阻在控制非对映选择性方面起着非常重要的作用。通过详细的理论计算，不仅成功地解释了实验现象，而且也从微观化学的角度阐明了多组分组装的优先选择性以及非对映选择性等的化学本质，除此之外，本文所进行的理论研究可以为其它核苷酸的前生物组装提供一定的理论指导。在前述脱氧核糖核苷酸前驱体合成的基础上，我们又对核糖核苷酸的多组分组装的理论机制进行了详细的研究，该组装过程主要由嘌呤核苷酸前驱体C5-恶唑啉的合成、氰基乙烯化、胞嘧啶分离和磷酸化所组成。C5-恶唑啉的形成经过亲核加成和关环两个步骤，并且在关环过程中，又产生竞争性的五元环反应路径和六元环反应路径。计算表明，亲核加成过程为反应的决速步骤，同时也是控制非对映立体选择性的关键步骤，并且木式和来苏式产物的生成在能量上更为有利，与实验所报道的主要产物相符。另外，空间位阻对非对映立体异构产物的形成也起了一定的影响，并且在整个反应中磷酸形成双齿配体或三齿配体并扮演质子传递的角色。氰基乙烯化是在丙炔腈和水分子的共同作用下完成的，并且不论是五元环还是六元环的恶唑啉，在氰基乙烯化的过程中没有表现出明显的选择性，生成了1:1的氰基乙烯化产物。经过胞嘧啶的分离、分子内关环生成了脱水核苷，最后经过磷酸化作用脱去一分子水形成嘌呤核糖核苷酸。

全文目录

目录  4-6
中文摘要  6-8
Abstract  8-10
第一章绪论  10-22
  1.1 论文选题的背景及意义  10-11
  1.2 研究现状及发展动态  11-16
  1.3 论文的研究内容和特色  16-19
    1.3.1 论文研究内容  16-18
    1.3.2 论文特色与创新  18-19
  1.5 参考文献  19-22
第二章理论计算基础概要  22-33
  2.1 量子化学基础概要  22
  2.2 量子化学计算简介  22-27
    2.2.1 从头计算（ab initio method）法  22-24
    2.2.2 各种半经验（semiempirical method）计算方法  24
    2.2.3 密度泛函（DFT）方法  24-27
  2.3 过渡态理论概述  27-28
  2.4 自然键轨道（NBO）理论  28-29
  2.5 PCM 溶剂模型  29-31
  2.6 参考文献  31-33
第三章脱氧核糖核苷酸前驱体 C5-噻唑啉前生物合成的化学机制和非对映异构立体选择性的理论研究  33-49
  3.1 引言  33-34
  3.2 计算细节  34-35
  3.3 结果与讨论  35-44
    3.3.1 协同反应路径  36-40
    3.3.2 分步反应路径  40-42
    3.3.3 两种反应路径的能量和动力学分析  42-43
    3.3.4 非对映立体选择性  43-44
  3.4 结论  44-45
  3.5 参考文献  45-49
第四章嘌呤核糖核苷酸的多组分组装理论研究  49-69
  4.1 引言  49-50
  4.2 计算方法  50-51
  4.3 结果与讨论  51-63
    4.3.1 嘌呤核苷酸前驱体多组分组装的理论机制  51-58
    4.3.2 非对映立体选择性分析  58-59
    4.3.3 氰基乙烯化、胞嘧啶分离和磷酸化的理论机制  59-63
  4.4 结论  63-65
  4.5 参考文献  65-69
硕士期间发表的论文和参与的研究项目  69-70
致谢  70

核苷酸的多组分前生物组装理论研究

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