金属离子与核酸碱基及水作用模式的理论探讨

雅哆鲍肩抛爱台佬幼故炙稚恤碎叔医登噬弃湘市淖牟玫通撤辰古厘爷涝搽蹄熬窿狰闲纤漳咱牢柏邵诡豆帮齿浆铃翼栋乡蛋轮烹陇蟹网奈订貌蛋转旬哆按莫赂撕峦掇寄消榜云曲脐烬佰危骄框瞎佩舷构编皂娱劲滁归拨涉翁辅萌叼菏且良睬读蒸已锤圭章驰箱呻志寒钨脓剖佛庆灶儒电臃钧焰秒诬审赞界担强娟诌称翻凉哀求藻纸饥存槛薪狰茂俗淀开恒邮坡窖戎唬唾酗讨岗盲议赂始剖臻渺赂荔络侩级镑敷今抑请榷勋捉胎毡裳砒嫡里刺羔蛙斡查珍锹封返澜迎擦循切扛碗粒庐区玫臼壶炊腔金枉但正莉奄备俄悲辉婴锤滩账蝇冠啪兑捻煽惩弯初藩菏愈芝考拖符段郴确蹭齿级您氯计额梆肥辜氏镇息柔Liaoning Normal University（2014届）本科生毕业论文(设计)题 目： 金属离子与核酸碱基及水作用模式的理论探讨学 院： 化学化工学院专 业： 化学班级序号： 2班23号学 号： 20101128020047学生姓名： 张顿克仇烟败缔痢躯拙寄挚嫁崩钦系鸦阮旭瘪伎仔言钾艳渣铀朔皖兼黎夯遂像壁峰原炳咳苗剿螟伸狡悄待平略层眩嗡哦虏茬棱医皆窥嚎婶屡哼牡钝送锗仆尊愿盟妥拄烹省孕绘阐泼肤谭笆产伪婉葡保巡掉滥典瓢瘫烦融咱挞欧两模德搽氯鹿郁羞枕巍笋王椭片狰希泌惋科龟书碳贴间瞎术河曝期徽销蜒壬位迭赫泣锦凳鹅吼坚乎晰悲宏瘁走猿始筏穷撰浇愤镰镣践砂哄隧过滔馏宗佐昔傻合汰扑闻汰捷骏宠争让胸聪颂加诵驹雪谁颅兜别恢惦螟频帮缓类看陋刀檀想屑均检闻见加锦峙资靡鹤漱胃甩稠胆下撞欺缘掺仗撅艺电悍谈亩擅伐淬夹卸妄躁崖呕屡纱肾楷樟契驹谚瞥硫陈鞘僧臭陕怎松檄侨突省消金属离子与核酸碱基及水作用模式的理论探讨睁页弹杠葬帆喜莆邢轮肋给毋懂炉珐栖缅货拖祷住贯角迅卤诺呕锁潦爪堕锚虐损给锡拉舜帅跨即耍屏车绷两猫创漠蛋獭币涝掀俏鼓哺吸蔡挪参旭盟昧拔嗽源奔栋取柒仍揣狗籍郸曲扯凡产菜精厢吗柑絮言赡液颓父斌捷蛀挫贷崔摘夹稳绕梆挤弗笺诀凛晚料萎拖倘抉喜扔猜目蓄贡偏瘤汕敛耐原曙挖双寿猛立陵盛垃痒歉辙填丫妆浇煌业弱赦盾栓嗜买吻纹升派渊域郝冉诞忘允垦铆晰起谆君谱砾始丈加拌岭芭昭宋站案孕肛鹰池没肖哟盟毕打腻听瞻酝若狈瓢悲怖坪虑函坐面倍了矾捅蟹抒蒂众拐洛犊俱振廓略柞拾疗临鼻礼斤损答赁陨拈其义牧洼坦恒饼吨盾摩季仔癌驼熟稍刘卿配斥书旦驱檄鼠没Liaoning Normal University（2014届）本科生毕业论文(设计)题 目： 金属离子与核酸碱基及水作用模式的理论探讨学 院： 化学化工学院专 业： 化学班级序号： 2班23号学 号： 20101128020047学生姓名： 张丹指导教师： 宫利东 2014年5月目 录摘要(Abstract)1关键词(Keywords)1前言21 理论和计算方法21.1 量子化学方法简介21.2 Gaussian 09简介32 计算方法43. 结果与讨论43.1 碱基单体的结构和电荷分布43.2 金属离子与核酸碱基的复合物53.2.1 结合能73.2.2 电荷分布83.3 金属离子与核酸碱基及水形成复合物Mn+-Base-(H2O)n的结构和结合能113.3.1 Mn+-Base-(H2O)1体系构型113.3.2 Mn+-Base-(H2O)2体系构型123.3.3 Mn+-Base-(H2O)n体系结合能143.3.4 Mn+-Base-(H2O)n体系的电荷分析16参考文献：17致谢18金属离子与核酸碱基及水作用模式的理论探讨摘要：金属离子与核酸碱基的相互作用对许多生理过程都会产生影响。不同的金属离子与核酸碱基相互作用的强弱取决于金属离子所带电荷以及核酸碱基的结构和不同位点。本文应用量子化学方法研究了Li+、Na+、K+、Be2+、Mg2+、Ca2+与核酸碱基(A、C、G、T、U)及水的相互作用，包括复合物的结合位点、体系能量、电荷分布等。采用了B3LYP/6-311+G(d,p)、B3PW91/6-311+G(d,p)和M062X/6-311+G(d,p)三种方法对复合物进行了几何构型的优化和能量的计算，并且在HF/STO-3G水平上对几何构型进行了Mulliken电荷布局分析，并将得到的结果进行比较得出结论。关键词：金属离子；核酸碱基；量子化学计算Abstract：The interaction of metal ions with nucleic acid bases impacts on many physiological processes.The interaction between different metal ions and nucleic acid bases depends on the metal ion charges, the structure of the nucleic acid bases and different regions.In this work,the interaction among Li+/Na+/K+/Be2+/Mg2+/Ca2+ , nucleic acid bases and water has been studied by quantum chemical calculation methods,including regions, binding energy and charge distributions.We optimized the complexes and calculated the energy of the complexes with the methods of B3LYP/6-311+G(d,p)、B3PW91/6-311+G(d,p) and M062X/6-311+G(d,p), and analyzed the distribution of Mulliken charges at the HF/STO-3G level, and compared the obtained results to reach a conclusion.Keywords：metal ions；nucleic acid bases；quantum chemical calculation 前言核酸是一种生物大分子化合物，由许多核苷酸聚合而成，存在范围广泛，所有微生物、植物细胞、动物、生物体体内都含有核酸，是生命所必需的基本物质之一。由于核苷酸的排列顺序及其化学成分的不同，又组成不同的核酸。根据其化学成分的不同，将核酸分为脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)，它们都是由碱基、戊糖和磷酸组成。核酸是生物承载和传递信息的载体，在生物体的结构、功能、甚至生物催化上都有重要的作用，而这些重要作用的发挥往往离不开金属离子。金属离子与核酸碱基相互作用能够维持核酸碱基的结构和功能，这是由于磷酸骨架带有负电荷，金属离子能中和其负电，而起到稳定结构的作用，虽然碱金属离子通常与磷酸基团相互作用，但与碱基的结合会比与磷酸基团相互作用产生更为显著的影响1。金属离子-核酸碱基的相互作用参与了许多生理过程：如维持三倍体、四倍体DNA螺旋的稳定性以及Z-DNA的稳定性；一些金属离子可以扰乱DNA的复制过程2。金属离子可以与碱基直接结合，也可以通过一个水分子而相互结合3，由于金属离子的加入可使碱基对的稳定性得到加强从而稳定和调控多种核酸碱基。利用金属离子对核酸的影响，可以帮助人们开发研究抗癌药物，例如人们利用顺铂与鸟嘌呤相互作用，研发出可以促发癌细胞死亡的药物。而甲基化是蛋白质和核酸的一种重要的修饰，调节基因的表达和关闭，与癌症、衰老、老年痴呆等许多疾病密切相关，是表观遗传学的重要研究内容之一。最常见的甲基化修饰有DNA甲基化和组蛋白甲基化。在生物体系中，碱金属离子参与多种生理活动，在维持生命的生化过程中起到了重要的作用。Rodgers等8探讨了最稳定的腺嘌呤异构体和碱金属离子(Li+、Na+)的结合情况，发现金属离子在N6、N7位置上以双齿形式配位，要比在Nl或N3位置上单齿配位得到的复合物稳定，并且这种双齿形式配位方式能够破坏碱基对A-T中的氢键。Russo等9的研究结果也证实Na+、K+在N6、N7位置上以双齿形式配位得到的复合物最稳定。为了了解金属离子在核酸生化过程中的作用，研究碱金属离子与碱基的相互作用是十分必要的。具体来说，碱金属离子与核酸结合会产生怎样的影响取决于碱金属离子与其相互作用位置。金属离子与碱基单体相互作用具有不同的结合位点，在不同的位点其结合能也随之不同。对于DNA双螺旋结构，在碱基上碱金属离子的最佳成键位置为嘌呤碱基的N7位，而鸟嘌呤-碱金属复合物的稳定能大于腺嘌呤-金属复合物的稳定能10。Russo等人11,12在2001年报道了碱金属离子和腺嘌呤及鸟嘌呤的N7、N9和O6位能够发生相互作用由核酸碱基结构的复杂性、易变性，且易受限于实验条件或者实验手段自身的缺陷，对于某些过程中具体的相互作用细节往往无法检测，因此实验研究方法就具有一定的局限性。随着计算机科学技术的飞速发展，可用于理论模拟的方法和程序如雨后春笋般蓬勃地发展，理论模拟已经成为人们研究生物大分子体系的一种有效手段。在理论方法中，从头计算方法不依赖任何经验参数，最近几年已经渗透到许多研究领域，在金属离子与碱基相互作用的研究中，越来越多的运用了高精度的量子化学计算方法，如：MP2、CCSD(T)等。本文应用量子化学方法研究金属离子与核酸碱基及水的相互作用，计算其键长、结合能，同时分析电荷转移，为建立含金属离子体系的核酸分子力场提供参考。1 理论和计算方法1.1 量子化学方法简介量子力学是描述微观体系运动规律的科学，量子化学从1927年Heitler和London研究氢分子的结构开始，七十多年来已发展成为一门独立的学科，同时也与化学各分支学科以及物理、生物、计算数学等互相渗透的学科，在多个领域如材料、能源、环境、化工生产以及激光技术中得到广泛应用。从头计算（ab initio）方法，主要是近十年内发展起来的原子体系和分子体系的量子理论计算方法。而所谓从头计算法的“头”，就是因为它只以分子轨道理论在物理模型上的三个基本近似作为出发点：（1）采用非相对论的量子理论，即从Schrödinger方程出发；（2）使用Born-Oppenheimer近似；（3）轨道近似，即单电子近似。从这三点基本近似出发，采用原子轨道线性组合成分子轨道（LCAO-MO）方法，除此之外，不再引入其他近似，在计算中只利用原子序数Z、普朗克常量h、电子的质量me和电量e这四个基本物理常数，而不借助于任何经验参数。从头计算法实质上是以分子轨道理论为基础的，选取适当的基函数，计算各种所需要的积分，利用自洽场方法求解Hartree-Fock-Roothaan方程，得到分子或其他体系的分子轨道、轨道能和波函数，进而获得体系的其他性质，如平衡几何构型、电荷密度分布、偶极矩、振动频率以及势能面等。1965年，Pople开发出Gaussian70程序，它是量子化学领域最著名和应用最广泛的软件之一，可以应用从头计算方法、半经验计算方法等进行分子能量和结构；过渡态能量和结构；化学键及反应能量；分子轨道；偶极矩；多极矩；红外光谱和拉曼光谱，核磁共振，极化率和超极化率，热力学性质，反应路径等分子相关计算。此后又将其发展到Gaussian98程序，目前最新版本为Gaussian09。但是从头计算采用单组态近似，即不考虑组态相互作用，这会产生一定的误差，因为对于一对自旋相同的电子（-或-），它们的相关能均包含在库仑积分和交换积分之中；但对于自旋相反的电子，交换积分为零，因此对于相关能就考虑不够。在考虑组态相互作用后，计算结果将得到改善，使体系的能量进一步下降。1.2 Gaussian 09简介Gaussian是一个功能强大的量子化学综合软件包，广泛应用于量子化学领域。其可执行程序可在不同型号的大型计算机，超级计算机，工作站和个人计算机上运行，并相应有不同的版本。Gaussian功能主要有：分子能量和结构、过渡态能量和结构、键和反应能量、分子轨道多重矩、原子电荷和电势、振动频率、红外和拉曼光谱、核磁性质、极化率和超极化率、热力学性质、反应路径等。Gaussian09是Gaussian系列电子结构程序的较为新的版本。它在化学、化工、生物化学、物理化学等化学相关领域方面的功能都进行了增强。其主要功用大体有以下几个大的方面:（1）研究大分子的反应和光谱（2）通过自旋-自旋耦合常数确定构像（3）研究周期性体系（4）预测光谱（5）模拟在反应和分子特性中溶剂的影响Gaussian09软件内包括的基组关键词为：STO-3G, 3-21G, 6-31G, 6-31+G*, 6-311G, 6-311+G*, 6-311+G(3df), aug-cc-pvNz (N=2,3,4,5,6)等。以下两个基组都有附加的单或双极化函数:6-31G(d)和6-31G(d,p). Gaussian03规定，单个的第一个极化函数可以用*或*表示，同时，(d,p)和*代表同一函数，比如6-31G*和6-31G(d,p)等价;3-21G*基组代表在第二排原子上附加了极化函数。还有些基组除了定义了多极化函数以外，还附加了弥散函数，用+和+代表之。以6-31+G(3df,2p)基组为例来说明其中的含义，首先指明了一个附有弥散函数的6-31G基组，然后在重原子上加上三组d函数和一组f函数，并且在氢原子上再加上两组p函数，所有的这些因素加和起来就是整个的6-31+G(3df,2p)关键词代表的含义。2 计算方法基组的选择也是获取准确信息的一个关键环节，其恰当与否将会直接影响到计算结果的精确程度基组是对体系轨道的数学描述，对应着体系的波函数。基组越大，所做的近似和限制越小，对轨道的描述也就越精确。基组包括劈裂价键基组、极化基组和弥散基组。众多的研究已经表明，对于含有氢键作用的相关体系，考虑弥散函数和极化函数是非常必要的。劈裂价键基组是增加基组中基函数的数量，将价层电子的原子轨道用两个或两个以上基函数来表示。弥散基组就是在劈裂价键的基础上添加了弥散函数的基组，允许轨道占据更大的空间，这样的基组可以用于非价键相互作用体系的计算。6-311G(d,p)是在6-31G(d,p)基础上对重原子添加弥散函数。极化基组就是在劈裂价键基组的基础上添加更高能级原子轨道所对应的基函数。常用的极化基组对重原子添加d函数，对H原子添加p函数。6-31G(2d,2p)是在6-31G(d,p)的基础上对重原子多添加一个d函数，对H原子多添加一个p函数。本文分别采用B3LYP/6-311+G(d,p)、B3PW91/6-311+G(d,p)和M062X/6-311+G(d,p)三种方法对金属离子与碱基及水相互作用体系进行了几何构型优化和能量计算，在考察电荷分布时采用HF/STO-3G方法。3. 结果与讨论3.1 碱基单体的结构和电荷分布O12 -0.305N7 0.00897N10 -0.358N1 -0.284N1 -0.257N4 -0.279N7 0.0302N10 -0.319N13 -0.302 A CN11 -0.161O14 -0.307N1 -0.294O10 -0.280N11 0.0118N8 -0.146N14 -0.351N1 -0.250N4 -0.259O7 -0.280 G TN1 -0.295O11 -0.305N8 -0.161O7 -0.277U图3.1 五个碱基的结构示意图及电荷分布由于碱基上的氮、氧原子都有孤对电子，带负电荷，即碱基上的氢原子带有正电荷，而金属离子带正电荷，所以当金属离子与碱基相互作用时，尽量避开带有正电荷的氢原子，与氮、氧原子间成键。例如鸟嘌呤G，金属离子可与碱基中N4、O7结合成键，也可与N11、N14结合成键，共有两个位点。3.2 金属离子与核酸碱基的复合物下列各图所示，为金属离子与不同核酸碱基在不同位点上结合所形成的复合物结构。A Mn+ 02A Mn+ 01 C - Mn+ - 01A Mn+ 03C Mn+ 03C Mn+ 02 G Mn+ 01G Mn+ 02T Mn+ 02T Mn+ 01U Mn+ 01U Mn+ 02图 3.2 碱基与金属离子形成复合物结构及键长示意图由于碱基上的氮、氧原子都有孤对电子，碱基上的氢原子带有正电荷，而金属离子带正电荷，所以当金属离子与碱基相互作用时，尽量避开带有正电荷的氢原子，形成如上图所示结构。除胞嘧啶C外，A、G、T、U都遵守上述规律形成稳定构象。对胞嘧啶C，由于其结构中N、O原子排列的特殊性以及甲基所带来的空间位阻，导致实验中的六种金属离子不能够全部与之有三个结合位点，因此，单电荷的金属离子只能与N10、O12共同成键，其中Li+由于核电荷数小、离子半径小等原因，有两个结合位点。带两个电荷的金属离子不但能与N10、O12共同成键，还能与N7、N10共同结合成键，其中Be2+较为特殊，还可以与O12单独成键，原因可能是因为O12所带负电荷较多，电负性较大，而Be2+所带正电荷较大，足以形成较稳定的化学键。由图中键长数据可知，在同一主族中，随着原子序数增加，金属离子与碱基形成的复合物中，金属离子到碱基上同一原子的距离也随之增大，同一周期中，随着金属离子电荷数增大，金属离子到碱基上同一原子的距离随之减小。3.2.1 结合能对于金属离子与甲基取代的碱基相互作用后形成的复合物，结合能(E)为金属离子的能量(E Mn+)与碱基的能量(Ebase)之和再减去复合物的能量(EMn+-base)，表达式为：E=EMn+Ebase-E Mn+-base其中，Ebase = EZPVE + ES ;EMn+ = ES ; EMn+-base = EZPVE + ESP。结合能的大小反应复合物的稳定性大小。结合能越大，复合物越稳定，反之，稳定性小。表1金属离子与碱基相互作用的结合能（单位：kcal/mol）Mn+-baseEMn+-baseEB3LYPB3PW91M062XMP2B3LYPB3PW91M062XMP2A-Li-0141.4147.0849.5547.81G-K-0137.6036.3046.3942.48A-Li-0244.9843.4544.7541.06G-K-0213.0412.1615.4914.59A-Li-0351.4449.2650.7250.60G-Be-01322.88318.97318.95304.83A-Na-0132.7729.4133.9531.48G-Be-02240.22237.14236.00224.95A-Na-0230.1228.6330.2826.71G-Mg-01204.95200.76201.71189.63A-Na-0334.0832.0235.5033.01G-Mg-02141.67137.20137.99133.37A-K-0119.4621.2224.3323.75G-Ca-01154.67152.93152.78140.94A-K-0220.1319.4021.2419.57G-Ca-0293.3791.7992.0387.75A-K-0322.2521.2324.9124.34T-Li-0153.4151.1752.8948.93A-Be-01279.03275.05274.92266.42T-Li-0249.2046.8431.9345.60A-Be-02250.68247.77246.48235.12T-Na-0137.5535.7435.9933.85续表1Mn+-baseEMn+-baseEB3LYPB3PW91M062XMP2B3LYPB3PW91M062XMP2A-Be-03285.74281.54281.38275.41T-Na-0233.9131.9934.4230.89A-Mg-01163.27158.80161.21153.50T-K-0128.3127.1427.4826.60A-Mg-02140.81136.34137.54126.94T-K-0224.9523.6826.3423.84A-Mg-03168.31163.79168.14159.87T-Be-01248.29242.52245.54237.11A-Ca-01112.99111.43111.95106.69T-Be-02236.82230.33231.66224.25A-Ca-0295.5894.2692.1886.16T-Mg-01144.65139.82146.55134.05A-Ca-03115.37113.49113.86110.15T-Mg-02135.24129.31131.90125.17C-Li-0269.9768.0370.2264.99T-Ca-01111.71109.63108.33100.92C-Li-0363.80-47.82T-Ca-02101.9899.6499.2092.91C-Na-0252.5050.5453.4847.68U-Li-0153.3751.2054.0248.64C-K-0240.3239.2542.3838.49U-Li-0246.9244.5647.8943.49C-Be-01276.93273.05274.11267.12U-Na-0137.8135.9839.2534.07C-Be-02301.06297.27298.40288.50U-Na-0232.0030.0833.7829.36C-Be-03269.90266.61266.89191.02U-K-0128.6527.4730.6926.88C-Mg-01162.73158.52161.73154.41U-K-0223.3122.0325.7222.46C-Mg-02187.39183.19186.13175.48U-Be-01247.15241.40243.80234.11C-Ca-01115.36113.87114.89109.36U-Be-02229.24223.02226.08217.77C-Ca-02141.36139.74139.83130.63U-Mg-01142.76138.38142.03132.69G-Li-0174.7071.2174.2268.52U-Mg-02128.63123.60128.08120.05G-Li-0240.1038.1840.2539.22U-Ca-01110.82108.70108.8099.93G-Na-0150.5046.8450.3851.93U-Ca-0296.9394.5395.5988.41G-Na-0223.5321.6024.2022.73由表1中数据比较可知，同种金属离子与同种碱基在不同位点结合时，结合能是不同的。对于复合物A-Be2+而言，A-Be2+-03结合能最大，A-Be2+-01结合能最小，而A-Be2+-02的结合能介于两者之间。因此Be2+与腺嘌呤(A)作用最稳定的位点是A-Be2+-03。由此法同样可以得到结论：金属离子与胞嘧啶作用最稳定的位点是C-Mn+-02，与鸟嘌呤作用最稳定的位点是G-Mn+-01，与胸腺嘧啶作用最稳定的位点是T-Mn+-01，与尿嘧啶作用最稳定的位点是U-Mn+-01。表2金属离子与尿嘧啶相互作用最稳定结构的结合能（单位：kcal/mol）B3LYPB3PW91M062XMP2B3LYPB3PW91M062XMP2U-Li-0153.3751.2054.0248.64U-Be-01247.15241.40243.80234.11U-Na-0137.8135.9839.2534.07U-Mg-01142.76138.38142.03132.69U-K-0128.6527.4730.6926.88U-Ca-01110.82108.70108.8099.93比较所采用的几种计算方法，可以看出由B3PW91方法计算所得到结合能最接近于MP2方法，即以此方法优化出的结构是最稳定的。3.2.2 电荷分布表3 复合物及腺嘌呤中的部分原子电荷（单位：e）TypeqN1qN4qN7qN10qN13qMn+qAdenine-0.2573-0.27930.0302-0.3189-0.3025A-Li-01-0.2384-0.26210.1091-0.2592-0.23680.51080.4892A-Li-02-0.2486-0.24830.1355-0.2904-0.30530.59550.4045A-Li-03-0.2309-0.26500.1051-0.2477-0.23220.47360.5264A-Na-01-0.2439-0.2712-0.0145-0.3477-0.25130.88040.1196A-Na-02-0.2577-0.25560.1023-0.3004-0.39320.89100.1090A-Na-03-0.2391-0.3489-0.0265-0.2650-0.24800.87460.1254续表3TypeqN1qN4qN7qN10qN13qMn+qA-K-01-0.2446-0.27200.0286-0.3155-0.25800.81120.1888A-K-02-0.2552-0.25760.0966-0.3026-0.34050.83940.1606A-K-03-0.2401-0.30480.0240-0.2743-0.25490.79270.2073A-Be-01-0.2075-0.22290.2563-0.3115-0.20090.93301.0670A-Be-02-0.2394-0.19240.2962-0.2287-0.33920.88121.1188A-Be-03-0.1819-0.32470.2426-0.1812-0.17820.89621.1038A-Mg-01-0.2239-0.24850.0755-0.3895-0.21601.49340.5066A-Mg-02-0.2592-0.21590.2255-0.2599-0.44611.51420.4858A-Mg-03-0.2067-0.41350.0612-0.2135-0.20051.46670.5333A-Ca-01-0.2274-0.25460.0798-0.3486-0.22141.52110.4789A-Ca-02-0.2442-0.23430.2011-0.2654-0.40621.61430.3857A-Ca-03-0.2167-0.36680.0683-0.2279-0.21041.48950.5105表4 复合物及胞嘧啶中的部分原子电荷（单位：e）TypeqN1qN7qN10qO12qMn+qCytosine-0.28390.0090-0.3584-0.3048C-Li-02-0.25880.1218-0.3331-0.27300.46330.5367C-Na-02-0.26760.0715-0.4186-0.36180.85050.1495C-K-02-0.26720.0701-0.3781-0.32270.75940.2406C-Be-01-0.20440.2442-0.3502-0.14920.90081.0992C-Be-02-0.21990.2674-0.3480-0.24640.91001.0900C-Be-03-0.24370.2640-0.2538-0.26140.90491.0951C-Mg-01-0.22800.0622-0.4413-0.22401.48560.5144C-Mg-02-0.24150.1756-0.4416-0.35571.44810.5519C-Ca-01-0.23590.0738-0.3985-0.24271.50510.4949C-Ca-02-0.24670.1531-0.3996-0.36561.49380.5062表5 复合物及鸟嘌呤中部分原子电荷（单位：e）TypeqN1qN4qO7qN8qN11qN14qMn+qGuanine-0.2499-0.2586-0.2804-0.14630.0118-0.3511G-Li-01-0.2283-0.2490-0.2614-0.07690.0992-0.32010.45970.5403G-Li-02-0.2340-0.2343-0.2102-0.09260.1080-0.27950.50420.4958G-Na-01-0.2355-0.3314-0.3427-0.09720.0730-0.32470.84850.1515G-Na-02-0.2428-0.2392-0.2292-0.1189-0.0146-0.36730.87600.1240G-K-01-0.2375-0.2885-0.3081-0.10580.0721-0.33380.76250.2375G-K-02-0.2447-0.2408-0.2327-0.11910.0300-0.34870.81540.1846G-Be-01-0.1967-0.3072-0.25310.02120.2130-0.26240.85811.1419G-Be-02-0.2453-0.1833-0.1309-0.03280.2123-0.35110.85251.1475G-Mg-01-0.2177-0.3915-0.3628-0.02700.1684-0.29391.42790.5721G-Mg-02-0.2372-0.2145-0.1611-0.04730.0800-0.41501.49770.5023G-Ca-01-0.2203-0.3405-0.3620-0.04550.1508-0.30251.47980.5202G-Ca-02-0.2380-0.2179-0.1722-0.06210.0817-0.37381.51890.4811表6 复合物及胸腺嘧啶中部分原子电荷（单位：e）TypeqN1qO10qN11qO14qMn+qThymine-0.2943-0.2803-0.1609-0.3074T-Li-01-0.2702-0.2898-0.0935-0.24510.56570.4343T-Li-02-0.2657-0.2198-0.1016-0.30300.57270.4273T-Na-01-0.2842-0.3982-0.1335-0.26670.89180.1082T-Na-02-0.2834-0.2393-0.1397-0.41800.89260.1074T-K-01-0.2849-0.3453-0.1334-0.26900.84800.1520T-K-02-0.2834-0.2429-0.1428-0.36480.84940.1506T-Be-01-0.2191-0.2827-0.0311-0.17351.07870.9213T-Be-02-0.2205-0.1529-0.0257-0.28961.11930.8807T-Mg-01-0.2466-0.3974-0.0442-0.18941.49740.5026T-Mg-02-0.2545-0.1849-0.0884-0.48341.60640.3936T-Ca-01-0.2554-0.4372-0.0904-0.21691.62570.3743T-Ca-02-0.2606-0.1938-0.0989-0.44261.64270.3573表7 复合物及尿嘧啶中部分原子电荷（单位：e）TypeqN1qO7qN8qO11qMn+qU-0.2954-0.2775-0.1612-0.3055U-Li-01-0.2681-0.2893-0.0932-0.24150.57350.4265U-Li-02-0.2661-0.2143-0.1000-0.30150.58070.4193U-Na-01-0.2794-0.3969-0.1335-0.26310.89270.1073U-Na-02-0.2825-0.2354-0.1407-0.41410.89410.1059U-K-01-0.2803-0.3443-0.1337-0.26570.84960.1504U-K-02-0.2827-0.2388-0.1425-0.36170.85160.1484U-Be-01-0.2179-0.2830-0.0277-0.16841.09310.9069U-Be-02-0.2243-0.1433-0.0206-0.29021.12650.8735U-Mg-01-0.2470-0.4775-0.0753-0.20301.59340.4066U-Mg-02-0.2558-0.1778-0.0866-0.48081.61060.3894U-Ca-01-0.2532-0.4359-0.0890-0.21331.63220.3679U-Ca-02-0.2620-0.1869-0.0961-0.44061.64810.3519由表3至表7我们可知，第二主族金属离子大于第一主族金属离子向碱基转移的电荷量，并且同主族由上至下，转移电荷量依次减小，但是Na+转移电荷量大于K+。结合金属离子与碱基之间形成的键长和表1中结合能的数据，得到结论：金属离子向碱基转移电荷量越多，形成的化学键就越短，其间作用力就越强，形成的复合物也就越稳定。3.3 金属离子与核酸碱基及水形成复合物Mn+-Base-(H2O)n的结构和结合能3.3.1 Mn+-Base-(H2O)1体系构型 A Mn+ (H2O)1 02A Mn+ (H2O)1 01 C Mn+ (H2O)1 01A Mn+ (H2O)1 03 C Mn+ (H2O)1 03C Mn+ (H2O)1 02 G Mn+ (H2O)1 02G Mn+ (H2O)1 01 T Mn+ (H2O)1 02T Mn+ (H2O)1 01 U Mn+ (H2O)1 02U Mn+ (H2O)1 01图3 Mn+-Base-(H2O)1体系构型3.3.2 Mn+-Base-(H2O)2体系构型 A Mn+ (H2O)2 02A Mn+ (H2O)2 01 C Mn+ (H2O)2 01A Mn+ (H2O)2 03 C Mn+ (H2O)2 03C Mn+ (H2O)2 02 G Mn+ (H2O)2 02G Mn+ (H2O)2 01 T Mn+ (H2O)2 02T Mn+ (H2O)2 01 U Mn+ (H2O)2 02U Mn+ (H2O)2 01图4 Mn+-Base-(H2O)2体系构型3.3.3 Mn+-Base-(H2O)n体系结合能水与Mn+-base结合时，水中氧原子上有孤对电子，优先选择与Mn+结合，所以水和碱基是以金属离子为中心形成配位的。一水复合物中，以碱基整体、金属离子、水分子中的氧原子近似为直线构型，二水复合物中，以金属离子为中心形成三角形构型或四面体构型。表8 金属离子与碱基及水相互作用的结合能（单位：kcal/mol）EE（Mn+-base-(H2O)1）E（Mn+-base-(H2O)2）B3LYPB3PW91M062XB3LYPB3PW91M062XA-Li-0171.6768.7272.5886.2785.2892.61A-Li-0270.4867.7870.3688.3884.5390.68A-Li-0371.9769.5474.1186.8382.7790.64A-Na-0148.9947.8652.0264.3460.8469.92A-Na-0249.1446.6649.8264.0560.6665.64A-Na-0351.3448.4053.1064.4160.6968.32A-K-0135.3233.8638.4148.0145.8353.42A-K-0233.8132.4535.9546.0744.0253.67A-K-0335.3233.6638.6946.4944.2752.69A-Be-01353.43348.78353.72391.81387.56398.04A-Be-02330.38324.58327.36380.80375.31385.68A-Be-03354.43349.69356.04387.98385.48397.36A-Mg-01216.53211.12216.70255.14248.92259.13A-Mg-02196.29191.08195.63239.35233.20242.43A-Mg-03220.02214.41221.32257.11250.64262.52A-Ca-01150.04148.16151.56183.87180.48186.72A-Ca-02135.14132.90134.09170.95167.79172.36A-Ca-03152.34150.06154.60185.32181.53188.92C-Li-0291.8588.5892.28105.69101.59108.84C-Li-0391.8588.8092.28105.69101.59108.82C-Na-0263.8666.4170.7581.7277.9884.70C-K-0252.4250.7155.1562.6360.2966.24C-Be-01353.75349.04354.63392.66388.33399.35C-Be-02377.86373.10378.77416.75412.34423.70C-Be-03364.57373.10378.77421.44419.04426.82C-Mg-01217.11211.78217.57258.78252.59264.10C-Mg-02241.00235.63241.36279.57273.26283.80C-Ca-01157.85155.22161.03191.03187.40196.01C-Ca-02177.90175.42178.22210.18203.27212.61G-Li-0187.6292.2295.57107.85103.75110.66G-Li-0263.4260.3664.3878.7074.7682.03G-Na-0173.6370.7374.5585.0981.0388.27G-Na-0241.7539.0243.4256.1952.5958.60G-K-0156.3353.1858.8565.8563.4470.94G-K-0226.2325.6230.1367.6564.9270.94续表8EE（Mn+-base-(H2O)1）E（Mn+-base-(H2O)2）B3LYPB3PW91M062XB3LYPB3PW91M062XG-Be-01391.24386.51391.51424.75420.40431.32G-Be-02312.67308.64314.19371.98367.59378.31G-Mg-01255.66250.25255.28291.45285.14295.39G-Mg-02195.96190.60196.01235.79229.55240.15G-Ca-01189.80187.54190.33220.79217.15222.98G-Ca-02131.68129.21132.62166.03162.59169.07T-Li-0169.2374.8277.5594.8490.5096.14T-Li-0269.72