环境中锕系酰离子与生物有机小分子作用体系计算研究

随着核电和核工业的发展壮大，环境中锕系酰离子分布和浓度逐年改变，其化学毒性常常被众所周知的放射性危害所掩盖，大量实验证实其生物细胞毒性和遗传毒性主要源自于该类离子的化学毒性，然而不同形态的环境中锕系酰离子的生物效应分子机制尚不明确。本项目在水合铀酰离子与尿嘧啶作用体系研究基础上，进一步拓展研究内容，拟采用多种密度泛函方法和从头算方法，在考虑相对论效应、旋轨耦合效应和溶剂效应下，系统地研究环境中锕系酰离子及其无机配离子与生物有机小分子如碱基、氨基酸、碱基对、核苷和核苷酸等作用体系的几何结构、电子结构、热力学稳定性、异构化机理及谱学特征，同时考察环境温度、pH值等因素的影响，从而阐明环境中锕系酰离子化学毒性所致生物效应的分子机制，揭示生物有机小分子与锕系酰离子配位和变化规律，为实验研究提供理论基础。

在我国核电和核工业逐步发展壮大，环境中锕系酰离子的分布和浓度不可避免地会逐年改变，其化学毒性常常被众所周知的放射性危害所掩盖，探索锕系酰离子的生物效应分子机制亟待加强。 运用密度泛函方法(DFT))和从头算方法(MP2等)，锕系元素采用斯图加特的相对论有效势和基组水平上，主族元素采用6-31++G(d,p)、6-311++G(d,p)、6-311++G(2d,p)、6-311++G (3df,2pd)和aug-cc-pVTZ基组水平，分别对三类体系即锕系酰离子和小分子基本单元体系；锕系酰离子与小分子基本单元间复合体系；锕系酰离子与小分子单元复合体的大复合体系进行了气相和水环境中的几何结构、电子结构、能量学和谱学特征的计算探索。. 锕系酰离子主要是AnOxy+(An=U、Np、Pu等)，而生物有机小分子则主要是氨基酸(AA)、碱基(B)、单糖(S)，因此我们运用多种计算方法如密度泛函理论中的不同等级的方法包括SVWN至B2PLYP和从头算MP2以及组合的G4、G4MP2等方法对上述基本单元进行计算，结果显示不同单元不同形态的不同性质，不同方法结果差异明显，尤其是在锕系酰离子的计算方面，方法计算上需要做一定的计算比较选择。. 锕系酰离子水合体系无疑是最基本的，AnOxy+(H2O)n (An=U、Np、Pu; n=0~6)等，不同酰离子，其结构性质差异明显。用25种DFT在Stuttgart RSC ECP和aug-cc-pVTZ基组进行系统计算研究，酰氧键改变不同，伸缩振动变化明显。锕系酰离子与酸性氨基酸如谷氨酸(Glu)和天冬氨酸(Asp)或碱基如尿嘧啶(Uacil)的不同异构体及其水合体系的计算，由于有机分子的构象异构体很多，结构种类很多，数据量非常大，引起小分子改变不同。单体最稳定构象未必形成的就是最稳定的配合体系。. 有机小分子复合体包括多肽、碱基对、核苷和核苷酸，以及DNA的基本单元片段，我们对不同形态的碱基对如常见的AT、GC、AU以及特殊的配对，AMP、GMP、CMP、TMP、UMP、ADP和ATP等的不同结合位和所带不同电荷态等进行了比较计算，计算中既主要运用M062X、wB97XD或LC-wPBE等考虑了中程或长程校正的密度泛函方法，采用了广泛使用的B3LYP结果作比较。不同配位构型，不同数目的水分子，结合能和变化不同。