极化QM/MM方法及在DNA碱基质子迁移与电荷转移中的应用

发展极化的耦合量子力学/分子力场（QM/MM）方法，考虑QM/MM边界原子的相互极化作用，根据电离平衡过程中化学势变化，调节QM/MM边界原子的电荷分布，使QM和MM区域边界原子相互极化自洽，开发极化的QM/MM方法和程序。并使用极化的QM/MM方法，研究含环丁烷嘧啶二聚体（CPD）的DNA损伤片段的电子结构，构建活性中心区域的势能面，在分子水平上研究DNA碱基序列的质子异构化反应。然后根据整体平均变化过渡态理论(EA-VTST)，考虑量子隧穿效应，通过分子动力学（MD）轨迹模拟，探讨DNA碱基序列的质子迁移和电荷转移的机理。

将边界极化和电荷转移的条件加入QMMM程序中，采用密度泛函方法计算得到变异后的碱基对的结构参数，调整原有的分子力场参数，获得适合于研究DNA破损修复的QMMM程序。采用密度泛函方法研究了GC和AT碱基对氢键间单双质子转移机理，质子化的GC碱基对阳离子氢键间存在三种单质子转移机理。氢化GC碱基对自由基氢键间主要发生双质子转移，双质子转移又分为协同转移和分步转移两种机理，气相中双质子转移占优势，溶剂化效应有利于分步转移。采用QMMM方法研究了含GC碱基对的四种DNA序列中的双质子转移反应，上下相邻碱基对的静电相互作用和接受位原子的质子亲和势大小决定了双质子转移方式，堆积效应、相邻碱基对、糖-磷酸骨架，金属离子、H2O和溶剂化效应等因素都对DNA片段的质子转移反应有影响。采用IRC方法研究了DNA光损伤产物环丁烷嘧啶二聚体CPD自由基阴离子和自由基阳离子电子转移修复机理. CPD自由基阴离子修复机理与实验上观察到的酶促裂环光反应路径一致，而CPD自由基阳离子修复机理对应热裂解反应，溶液中CPD自由基阴离子裂解是自发进行的，而自由基阳离子裂解所需能量远大于阴离子，因此通过CPD阳离子修复DNA光损伤过程不易实现的。