1. Lí do chọn đề tàiLiên kết hiđro có vai trò rất quan trọng trong lĩnh vực hoá học, sinh học và y học. Đây là loại liên kết có tương tác tương đối yếu nhưng chiếm ưu thế trong việc hình thành cấu trúc phân tử và tinh thể, với sự tham gia của một chất cho proton AH và chất nhận proton B (thông thường A, B là những phần tử có độ âm điện lớn). Loại liên kết hiđro cổ điển đã được nghiên cứu khá đầy đủ cả về mặt lý thuyết và thực nghiệm. Đây là loại liên kết hiđro chuyển dời đỏ (tiếng Anh gọi là Redshifting) của tần số dao động hoá trị AH đã được Pauling đưa ra và từ đó được nghiên cứu rộng rãi cả về lý thuyết và thực nghiệm để giải thích cho bản chất của tương tác. Bản chất của chúng là do tương tác tĩnh điện quyết định. Thuộc tính tiêu biểu của loại liên kết hiđro này là: Khi liên kết hiđro hình thành, độ dài liên kết AH dài hơn (kém bền hơn), tần số dao động hoá trị liên kết AH giảm và cường độ hồng ngoại tương ứng tăng so với monome ban đầu.Năm 1980 Sandorfy là người đầu tiên phát hiện ra loại kết hiđro có năng lượng tương đương với liên kết hiđro cổ điển, nhưng có những thuộc tính trái ngược, sau này được gọi là liên kết hiđro chuyển dời xanh. Khi liên kết hiđro hình thành, có sự rút ngắn liên kết AH, tăng tần số dao động hoá trị và (thường) giảm cường độ hồng ngoại tương ứng so với monome ban đầu. Sự phát hiện này đòi hỏi các nhà hoá học phải đặt lại câu hỏi về vấn đề bản chất của liên kết hiđro. Năm 1988, Hobza và cộng sự thực hiện nghiên cứu lý thuyết đầu tiên về loại liên kết hiđro mới này. Sau nhiều tranh cãi của các nhà khoa học thuộc các nhóm nghiên cứu khác nhau đã thống nhất gọi loại liên kết này là liên kết hiđro chuyển dời xanh (tiếng Anh gọi là Blueshifting). Với hàng loạt kết quả nghiên cứu cả về lý thuyết và thực nghiệm cho thấy, bản chất của liên kết hiđro chuyển dời xanh không chỉ đơn thuần do yếu tố tĩnh điện quyết định mà còn có các yếu tố quan trọng hơn chi phối. Yếu tố nào chi phối và ảnh hưởng như thế nào đối với liên kết hiđro chuyển dời xanh là vấn đề mà các nhà khoa học cần quan tâm và giải quyết. Để hiểu rõ hơn về hai loại liên kết hiđro trên (liên kết hiđro chuyển dời xanh và liên kết hiđro chuyển dời đỏ) chúng tôi tiến hành nghiên cứu sự tương tác tạo phức đime của các base nucleic trong các DNA và RNA. Đề tài mà chúng tôi chọn nghiên cứu là: “Nghiên cứu lý thuyết sự tương tác tạo phức đime của các base nucleic”.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI ĐINH THỊ HIỀN NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT SỰ TƯƠNG TÁC TẠO PHỨC ĐIME CỦA CÁC BASE NUCLEIC Chuyên ngành: Hóa lý thuyết Hóa lý Mã số: 60 44 01 19 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÓA HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Thị Minh Huệ Hà Nội – 2015 LUẬN VĂN ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Thị Minh Huệ Phản biện 1: PGS.TS Phạm Văn Nhiêu Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Ngọc Hà Luận văn bảo vệ Hội đồng chấm luận văn Thạc sĩ Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Vào hồi ngày tháng năm 2015 Có thể tìm đọc luận văn tại: - Phịng tư liệu khoa Hóa học - Thư viện trường Đại học Sư phạm Hà Nội PHẦN I: GIỚI THIỆU VỀ LUẬN VĂN Lí chọn đề tài Liên kết hiđro có vai trị quan trọng lĩnh vực hố học, sinh học y học Đây loại liên kết có tương tác tương đối yếu chiếm ưu việc hình thành cấu trúc phân tử tinh thể, với tham gia chất cho proton A-H chất nhận proton B (thông thường A, B phần tử có độ âm điện lớn) Loại liên kết hiđro cổ điển nghiên cứu đầy đủ mặt lý thuyết thực nghiệm Đây loại liên kết hiđro chuyển dời đỏ (tiếng Anh gọi Redshifting) tần số dao động hoá trị A-H Pauling đưa từ nghiên cứu rộng rãi lý thuyết thực nghiệm để giải thích cho chất tương tác Bản chất chúng tương tác tĩnh điện định Thuộc tính tiêu biểu loại liên kết hiđro là: Khi liên kết hiđro hình thành, độ dài liên kết A-H dài (kém bền hơn), tần số dao động hoá trị liên kết A-H giảm cường độ hồng ngoại tương ứng tăng so với monome ban đầu Năm 1980 Sandorfy người phát loại kết hiđro có lượng tương đương với liên kết hiđro cổ điển, có thuộc tính trái ngược, sau gọi liên kết hiđro chuyển dời xanh Khi liên kết hiđro hình thành, có rút ngắn liên kết A-H, tăng tần số dao động hoá trị (thường) giảm cường độ hồng ngoại tương ứng so với monome ban đầu Sự phát địi hỏi nhà hố học phải đặt lại câu hỏi vấn đề chất liên kết hiđro Năm 1988, Hobza cộng thực nghiên cứu lý thuyết loại liên kết hiđro Sau nhiều tranh cãi nhà khoa học thuộc nhóm nghiên cứu khác thống gọi loại liên kết liên kết hiđro chuyển dời xanh (tiếng Anh gọi Blue-shifting) Với hàng loạt kết nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm cho thấy, chất liên kết hiđro chuyển dời xanh không đơn yếu tố tĩnh điện định mà cịn có yếu tố quan trọng chi phối Yếu tố chi phối ảnh hưởng liên kết hiđro chuyển dời xanh vấn đề mà nhà khoa học cần quan tâm giải Để hiểu rõ hai loại liên kết hiđro (liên kết hiđro chuyển dời xanh liên kết hiđro chuyển dời đỏ) tiến hành nghiên cứu tương tác tạo phức đime base nucleic DNA RNA Đề tài mà chọn nghiên cứu là: “Nghiên cứu lý thuyết tương tác tạo phức đime base nucleic” Mục đích nghiên cứu - Tìm hiểu tổng quan hệ chất nghiên cứu: Khái niệm, cấu trúc vai trò base nucleic phân tử DNA RNA - Tối ưu hoá cấu trúc monome đime base nucleic, tính loại lượng lượng liên kết, lượng điểm không, lượng siêu liên hợp… - Xác định giải thích loại liên kết hiđro tạo thành Phương pháp nghiên cứu 3.1 Nghiên cứu lí thuyết 3.2 Phương pháp tính Bố cục luận văn Luận văn gồm 75 trang Phần mở đầu: trang Phần nội dung: 68 trang Chương 1: Cơ sở lý thuyết Chương 2: Tổng quan hệ chất nghiên cứu phương pháp tính Chương 3: Kết thảo luận Phần kết luận: trang Tài liệu thao khảo: trang Phụ lục PHẦN II: NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Cơ sở lý thuyết hóa học lượng tử 1.1.1 Phương trình Schrưdinger trạng thái dừng 1.1.2 Phương trình Schrodinger cho hệ nhiều electron 1.2 Các phương pháp gần hoá học lượng tử 1.3 Bộ hàm sở CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ CHẤT NGHIÊN CỨU VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH 2.1 Tổng quan hệ chất nghiên cứu 2.1.1 Hệ nghiên cứu Vấn đề tương tác N-H với nguyên tử âm điện oxy hay nitơ tạo liên kết hiđro base nucleic thực quan trọng hệ sinh học Bởi lẽ xác định cấu trúc phân tử nhỏ, đại phân tử sinh học Đặc biệt, tương tác tạo thành số lượng lớn liên kết hiđro dạng N-H O, N-H…N đem lại tính ổn định tính linh hoạt xếp hình thành cấu trúc phân tử axit nuclêic, protein protein- axit nucleic Bởi chọn số hệ để nghiên cứu tương tác tạo phức đime base nucleic sau: Hệ Adenine (A) tương tác với Adenine (A) Hệ Cytosine (C) tương tác với Cytosine ( C) Hệ Guanine (G) tương tác với Guanine (G) Hệ Thymine (T) tương tác với Thymine (T) Hệ Adenine (A) tương tác với Guanine (G) Hệ Thymine (T) tương tác với Guanine (G) Hệ Cytosine (C) tương tác với Guanine (G) Hệ Adenine (A) tương tác với Thymine (T) Hệ Adenine (A) tương tác với Cytosine (C) 10 Hệ Cytosine (C) tương tác với Thymine (T) Các hệ nghiên cứu lựa chọn dự đốn có khả hình thành liên kết hiđro Trong nguyên tử H liên kết N-H monome ban đầu mang điện tích dương ngun tử N, O monome thứ hai cặp e riêng dẫn tới hình thành liên kết hiđro liên phân tử bền vững, thuận lợi nhiều cho viêc nghiên cứu chất liên kết hiđro chuyển dời xanh hay đỏ nhà khoa học quan tâm Hơn , hình thành liên kết hiđro phức tạo monome cịn nghiên cứu mặt lý thyết Chúng cho việc khảo sát nghiên cứu hệ phân tử trên sở phương pháp lý thuyết đóng góp phần quan trọng việc tìm hiểu đầy đủ đặc tính cấu trúc đại phân tử sinh học rút đặc trưng cho việc tìm hiểu chất liên kết hiđro chuyển dời xanh hay đỏ 2.1.2 Phương pháp nghiên cứu Cấu trúc hình học bền phân tử monome đime tạo thành xác định theo bước sau đây: - Bước 1: Tiến hành tối ưu hóa hệ chất nghiên cứu phương pháp B3LYP với mức lý thuyết thấp 3-21+g* để loại bỏ phần khả không tối ưu cấu trúc đime mức lý thuyết cao, tránh lãng phí thời gian - Bước 2: Lấy cấu trúc đime tối ưu bước để tối ưu phương pháp B3LYP với mức lý thuyết cao 6-31+g(d,p) Bộ hàm sở bao gồm hàm khuếch tán hàm phân cực Với phưng pháp hàm lựa chọn phù hợp việc khảo sát liên kết hiđro hệ chất chọn - Kết thu tham số cấu trúc hình học, giá trị tần số dao động hóa trị, cường độ phổ hồng ngoại, điện tích ngun tử… - Thơng qua tính tốn xác định biến đổi liên kết hóa học, cấu trúc hình học đime tạo thành so với đime trạng thái cô lập, tính độ dài khoảng cách liên kết hiđro phức tạo thành - Năng lượng tương tác có chênh lệch lượng phức với monome cô lập Năng lượng tương tác hệ hiệu chỉnh với lượng dao động điểm không ZPE CHƯƠNG : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Một số thông số cấu trúc monome A, C, G, T (A) (C) (G) (T) Hình 4.1: Hình học phân tử monome tối ưu mức B3LYP/631+G(d,p) Dấu chấm (.) thay cho dấu phẩy (,) phần thập phân Độ dài liên kết tính theo Angstrom (Å), góc liên kết tính theo độ (º) Trước tiên, để xác định độ tin cậy phương pháp, chúng tơi tiến hành tối ưu hóa cấu trúc tính tần số dao động theo phương pháp B3LYP/6-31+G(d,p) cho monome A, C, G, T Trên sở đó, chúng tơi tiến hành xây dựng, tối ưu hóa cấu trúc tính tần số dao động đime tương ứng mức B3LYP/6-31+G(d,p) Từ kết tính tốn thu được, chúng tơi so sánh độ dài liên kết, lượng liên kết hiđro số đime với nghiên cứu trước Kết trình bày hình 4.2 bảng 4.1 (1.052) (1.776) (1.033) Hình 4.2: Hình học phân tử đime CC-2 tối ưu mức B3LYP/6-31+G(d,p) Dấu chấm (.) thay cho dấu phẩy (,) phần thập phân Độ dài liên kết tính theo Angstrom (Å) Giá trị ngoặc đơn tính mức wB97X-D/6-31+G(d,p) [24] Bảng 4.1: Năng lượng liên kết hiđro (kcal.mol-1) đime CC-2 Phương pháp hàm Năng lượng liên kết hiđro B3LYP/6-31+G(d,p) 19,3 wB97X-D/6-31+G(d,p) 19,8 [24] RI-MP2/6-311+G(d,p)//wB97X-D/6-31+G(d,p) 20,60 [24] wB97X-D/6-311++G(2df,2pd)// wB97X-D/6- 20,58 [24] 31+G(d,p) Hình 4.2 bảng 4.1 cho thấy kết tính tốn chúng tơi phù hợp với nghiên cứu trước Ngồi ra, chúng tơi đối chiếu tần số số quay phân tử monome Adenine với thực nghiệm Kết trình bày bảng 4.2, 4.3 Bảng 4.2: Hằng số quay monome Adenine (A) (MW) Hằng số quay A B3LYP/6-31+G(d,p) Thực nghiệm [20] A 2367,8600 2371,8730 B 1563,1100 1573,3565 C 941,5600 964,2576 Từ bảng 4.2 cho thấy kết tính tốn phù hợp tốt với thực nghiệm Như vậy, phương pháp mà sử dụng B3LYP/6-31+G(d,p) để tối ưu hóa cấu trúc, tính tần số dao động tính lượng cho hệ nghiên cứu phương pháp gần cho kết đáng tin cậy Hệ phức Adenine với Adenine (AA) 2.1 Cấu trúc lượng liên kết hợp chất phức hình thành Trong phân tử Adenine, có ngun tử N (N1, N2, N3, N4, N5) nguyên tử H (H3, H4, H5) có khả tạo liên kết hiđro để tạo thành đime, hình 4.1(A) Chúng tơi tiến hành tối ưu hóa cấu trúc, tính tần số dao động tính lượng đime (AA) tương ứng mức B3LYP/6-31+G(d,p) Kết thu cấu trúc phức bền AA-1, AA-2, AA-3 (hình 4.3) (AA-1) (AA-2) (AA-3) Hình 4.3: Hình học phân tử dime tạo Adenine với Adenine tối ưu mức B3LYP/6-31+G(d,p) Dấu chấm (.) thay cho dấu phẩy (,) phần thập phân Độ dài liên kết tính theo Angstrom (Å), góc liên kết tính theo độ (º) Bảng 4.3: Năng lượng liên kết độ dài liên kết phức tạo thành Adenine với Adenine Dấu chấm (.) thay cho dấu phẩy (,) phần thập phân Độ dài liên kết tính theo Angstrom (Å), lượng liên kết tính theo Kcal/ mol Dạng phức -∆E rN H rN H A A-1 11,0 2,025(N3 H9) 1,898(N10 H5) A A-2 15,5 1,747(N10 H5) 1,747(N10 H3) A A-3 12,0 1,991(N8 H3) 1,889(N10 H10) Kết cho thấy: Khi hình thành liên kết hiđro có thay đổi độ dài liên kết monome ban đầu Độ dài liên kết N-H ba phức tăng Độ tăng lớn phức AA-2 (0,048Å), nhỏ phức AA-1 (0,016Å) Điều giải thích sơ tham gia tạo liên kết hiđro N-H …N, nguyên tử N chuyển phần mật độ e sang H, kết mật độ e liên kết N-H giảm liên kết N-H trở nên dài Chúng ta thấy ba phức, tương ứng với kéo dài liên kết N-H, liên kết hiđro N-H…N phức thuộc loại liên kết hiđro chuyển rời đỏ Hệ phức Cytosine với Cytosine (CC) 3.1 Cấu trúc lượng liên kết hợp chất phức hình thành Trong phân tử Cytosine, có nguyên tử N (N1, N2, N3) nguyên tử O(O1) nguyên tử H (H3, H4, H5) có khả tạo liên kết hiđro để tạo thành đime, hình 4.1(C) Chúng tơi tiến hành tối ưu hóa cấu trúc, tính tần số dao động tính lượng đime (CC) tương ứng mức B3LYP/6-31+G(d,p) Kết thu cấu trúc phức bền CC-1, CC-2 (hình 4.4) (GG-1) (GG-2) Hình 4.5: Hình học phân tử đime tạo Guanine với Guanine tối ưu mức B3LYP/6-31+G(d,p) Dấu chấm (.) thay cho dấu phẩy (,) phần thập phân Độ dài liên kết tính theo Angstrom (Å), góc liên kết tính theo độ (º) Bảng 4.5: Năng lượng liên kết độ dài liên kết phức tạo thành Guanine với Guanine Dấu chấm (.) thay cho dấu phẩy (,) phần thập phân Độ dài liên kết tính theo Angstrom (Å), lượng liên kết tính theo Kcal/ mol Dạng phức -∆E rN H rO H GG-1 13,8 1,851(N3 H7) 1,860(O2 H4) GG-2 16,4 1,860(N6 H2) 2,148(O2 H3) Kết cho thấy: Khi hình thành liên kết hiđro có thay đổi độ dài liên kết monome ban đầu Độ dài liên kết N-H hai phức tăng Độ tăng lớn phức GG-1 (0,027Å), nhỏ phức GG-2 (0,005Å) Điều giải thích sơ tham gia tạo liên kết hiđro N-H…N, N-H…O nguyên tử N, O chuyển phần mật độ e sang H, kết mật độ e liên kết N-H giảm liên kết N-H trở nên dài Chúng ta thấy hai phức, tương ứng với kéo dài liên kết N-H, liên kết hiđro N-H…N, N-H…O thuộc loại liên kết hiđro chuyển rời đỏ Hệ phức Thymine với Thymine (TT) 5.1 Cấu trúc lượng liên kết hợp chất phức hình thành Trong phân tử Thymine, có nguyên tử N (N1, N2), nguyên tử O(O1, O2) nguyên tử H (H4, H5) có khả tạo liên kết hiđro để tạo thành đime, hình 4.1(T) Chúng tơi tiến hành tối ưu hóa cấu trúc, tính tần số dao động tính lượng đime (TT) tương ứng mức B3LYP/6-31+G(d,p) Kết thu cấu trúc phức bền TT-1, TT-2, TT-3 (hình 4.6) (TT-1) (TT-2) (TT-3) Hình 4.6: Hình học phân tử đime tạo Thymine với Thymine tối ưu mức B3LYP/6-31+G(d,p) Dấu chấm (.) thay cho dấu phẩy (,) phần thập phân Độ dài liên kết tính theo Angstrom (Å), góc liên kết tính theo độ (º) Bảng 4.6: Năng lượng liên kết độ dài liên kết phức tạo thành Thymine với Thymine Dấu chấm (.) thay cho dấu phẩy (,) phần thập phân Độ dài liên kết tính theo Angstrom (Å), lượng liên kết tính theo Kcal/ mol Dạng phức -∆E rO H rO H TT-1 12,4 1,861(O2 H7) 1,803(O4 H5) TT-2 13,0 1,786(O3 H5) 1,845(O2 H7) TT-3 16,3 1,786(O5 H4) 1,785(O2 H9) Kết cho thấy: Khi hình thành liên kết hiđro có thay đổi độ dài liên kết monome ban đầu Độ dài liên kết N-H ba phức tăng Độ tăng lớn phức TT-3 (0,023Å), nhỏ phức TT-1 (0,019Å) Điều giải thích sơ tham gia tạo liên kết hiđro N-H…O, nguyên tử O chuyển phần mật độ e sang H, kết mật độ e liên kết N-H giảm liên kết N-H trở nên dài Chúng ta thấy ba phức, tương ứng với kéo dài liên kết N-H , liên kết hiđro N-H…O thuộc loại liên kết hiđro chuyển rời đỏ Hệ phức Adenine với Guanine (AG) 6.1 Cấu trúc lượng liên kết hợp chất phức hình thành Trong phân tử Adenine Guanine có chứa phần tử cho nhận proton nên có khả tạo liên kết hiđro liên phân tử để tạo thành đime Chúng tiến hành tối ưu hóa cấu trúc, tính tần số dao động tính lượng đime (AG) tương ứng mức B3LYP/6-31+G(d,p) Kết thu cấu trúc phức bền AG1, AG-2, AG-3, AG-4, AG-5 (hình 4.7) (AA-1) (AA-3) (AG-2) (AG-4) (AG-5) Hình 4.7: Hình học phân tử đime tạo Adenine với Guanine tối ưu mức B3LYP/6-31+G(d,p) Dấu chấm (.) thay cho dấu phẩy (,) phần thập phân Độ dài liên kết tính theo Angstrom (Å), góc liên kết tính theo độ (º) Bảng 4.7: Năng lượng liên kết độ dài liên kết phức tạo thành Adenine với Guanine Dấu chấm (.) thay cho dấu phẩy (,) phần thập phân Độ dài liên kết tính theo Angstrom (Å), lượng liên kết tính theo kcal/ mol Dạng phức -∆E rN H rO H rN H AG-1 13,1 1,936(N2 H7) 1,832(O1 H3) AG-2 11,9 1,966(N6 H5) 1,035(N3 H7) AG-3 10,9 1,942(N9 H5) 1,955(N3 H9) AG-4 12,2 1,921(N4 H7) AG-5 11,1 1,913(N6 H5) 1,871(O1 H4) Kết cho thấy: Khi hình thành liên kết hiđro có thay đổi độ dài liên kết monome ban đầu Độ dài liên kết N-H năm phức tăng Độ tăng lớn phức AG-2 (0,025Å), nhỏ phức AG-4 (0,017Å) Điều giải thích sơ tham gia tạo liên kết hiđro N-H …O, N-H…N nguyên tử O N chuyển phần mật độ e sang H, kết mật độ e liên kết N-H giảm liên kết N-H trở nên dài Chúng ta thấy ba phức, tương ứng với kéo dài liên kết N-H , liên kết hiđro N-H…O, N-H…N thuộc loại liên kết hiđro chuyển rời đỏ Hệ phức Guanine với Thymine (GT) 7.1 Cấu trúc lượng liên kết hợp chất phức hình thành Trong phân tử Guanine Thymine có chứa phần tử cho nhận proton nên có khả tạo liên kết hiđro liên phân tử để tạo thành đime Chúng tơi tiến hành tối ưu hóa cấu trúc, tính tần số dao động tính lượng đime (GT) tương ứng mức B3LYP/6-31+G(d,p) Kết thu cấu trúc phức bền GT-1, GT-2, GT-3, GT-4, GT-5, GT-6, GT-7 (hình 4.8) (GT-1) (GT-2) (GT-3) (GT-4) (GT-5) ( GT-6) (GT-7) Hình 4.8: Hình học phân tử dime tạo Guanine với Thymine tối ưu mức B3LYP/6-31+G(d,p) Dấu chấm (.) thay cho dấu phẩy (,) phần thập phân Độ dài liên kết tính theo Angstrom (Å), góc liên kết tính theo độ (º) Bảng 4.8: Năng lượng liên kết độ dài liên kết phức tạo thành Guanine với Thymine Dấu chấm (.) thay cho dấu phẩy (,) phần thập phân Độ dài liên kết tính theo Angstrom (Å), lượng liên kết tính theo kcal/ mol Dạng phức -∆E rN H rO H GT-1 14,5 GT-2 16,7 GT-3 10,4 GT-4 12,6 1,864(N4 H7) GT-5 16,6 1,785(N3 H7) 2,001(O2 H4) GT-6 11,9 1,963(N3 H6) 1,845(O3 H5) GT-7 13,7 1,781(N3 H7) rO H 1,805(O1 H7) 1,778(O3 H2) 1,975(O3 H4) 1,778(O2 H5) 1,919(O1 H7) 1,825(O1 H7) 1,965(O3 H5) 1,796(O2 H2) Kết cho thấy: Khi hình thành liên kết hiđro có thay đổi độ dài liên kết monome ban đầu Độ dài liên kết N-H bảy phức tăng Độ tăng lớn phức GT-5 GT-2 (0,035Å), nhỏ phức GT-3 (0,011Å) Điều giải thích sơ tham gia tạo liên kết hiđro N-H …O, N-H…N nguyên tử O N chuyển phần mật độ e sang H, kết mật độ e liên kết N-H giảm liên kết N-H trở nên dài Chúng ta thấy ba phức, tương ứng với kéo dài liên kết N-H Vậy liên kết hiđro N-H…O, N-H…N thuộc loại liên kết hiđro chuyển rời đỏ Hệ phức Cytosine với Guamine (CG) 8.1 Cấu trúc lượng liên kết hợp chất phức hình thành Trong phân tử Cytosine Guanine có chứa phần tử cho nhận proton nên có khả tạo liên kết hiđro liên phân tử để tạo thành đime Chúng tơi tiến hành tối ưu hóa cấu trúc, tính tần số dao động tính lượng đime (CG) tương ứng mức B3LYP/6-31+G(d,p) Kết thu cấu trúc phức bền CG-1, CG-2, CG-3, CG-4, CG-5, CG-6, CG-7 , CG-8 (hình 4.9) (CG-1) (CG-2) (CG-3) (CG-5) (CG-4) (CG-6) (CG-7) (CG-8) Hình 4.9: Hình học phân tử đime tạo Cytosine với Guanine tối ưu mức B3LYP/6-31+G(d,p) Dấu chấm (.) thay cho dấu phẩy (,) phần thập phân Độ dài liên kết tính theo Angstrom (Å), góc liên kết tính theo độ (º) Bảng 4.9: Năng lượng liên kết độ dài liên kết phức tạo thành Cytosine với Guanine Dấu chấm (.) thay cho dấu phẩy (,) phần thập phân Độ dài liên kết tính theo Angstrom (Å), lượng liên kết tính theo Kcal/ mol Dạng phức -∆E rN H rO H CG-1 22,3 1,751(O1 H7) CG-2 13,3 2,002(N3 H7) 1,760(O2 H5) CG-3 13,0 1,960(N3 H8) 1,768(O2 H4) CG-4 12,4 2,033(N3 H9) rO H 1,694(O2 H2) 1,896(N6 H4) CG-5 24,5 1,914(N6 H2) CG-6 12,6 1,904(N6 H5) 1,912(O2 H3) 1,579(O1 H9) 2,072(N3 H9) CG-7 12,9 1,957(N3 H7) CG-8 12,1 1,899(N4 H8) 1,768(O2 H4) Kết cho thấy: Khi hình thành liên kết hiđro có thay đổi độ dài liên kết monome ban đầu Độ dài liên kết N-H tám phức tăng Độ tăng lớn phức CG-1 (0,030Å) Độ tăng nhỏ phức CG-5 (0,012Å) Điều giải thích sơ tham gia tạo liên kết hiđro N-H…O, N-H…N nguyên tử O N chuyển phần mật độ e sang H, kết mật độ e liên kết N-H giảm liên kết N-H trở nên dài Chúng ta thấy ba phức, tương ứng với kéo dài liên kết N-H Vậy liên kết hiđro N-H…O thuộc loại liên kết hiđro chuyển rời đỏ Hệ phức Adenine với Thymine (AT) 9.1 Cấu trúc lượng liên kết hợp chất phức hình thành Trong phân tử Adenine Thymine có chứa phần tử cho nhận proton nên có khả tạo liên kết hiđro liên phân tử để tạo thành đime Chúng tiến hành tối ưu hóa cấu trúc, tính tần số dao động tính lượng đime (AT) tương ứng mức B3LYP/6-31+G(d,p) Kết thu cấu trúc phức bền AT-1, AT-2, AT-3, AT-4, AT-5, AT-6, AT-7 (hình 4.10) (AT-1) (AT-2) (AT-3) (AT-4) (AT-5) (AT-6) (AT-7) Hình 4.10: Hình học phân tử đime tạo Adenine với Thymine tối ưu mức B3LYP/6-31+G(d,p) Dấu chấm (.) thay cho dấu phẩy (,) phần thập phân Độ dài liên kết tính theo Angstrom (Å), góc liên kết tính theo độ (º) Bảng 4.10: Năng lượng liên kết độ dài liên kết phức tạo thành Adenine với Thymine Dấu chấm (.) thay cho dấu phẩy (,) phần thập phân Độ dài liên kết tính theo Angstrom (Å), lượng liên kết tính theo kcal/ mol Dạng phức -∆E rN H rO H AT-1 12,6 1,884(N2 H8) 1,879(O1 H3) AT-2 12,1 1,801(N4 H7) 1,962(O1 H4) AT-3 12,0 1,802(N4 H7) 1,981(O2 H4) AT-4 13,5 1,861(N3 H7) 1,853(O1 H5) AT-5 15,6 1,883(N3 H7) 1,820(O1 H5) AT-6 11,4 1,830(N2 H6) 1,921(O2 H3) AT-7 11,5 1,904(N4 H8) 1,891(O1 H4) Kết cho thấy: Khi hình thành liên kết hiđro có thay đổi độ dài liên kết monome ban đầu Độ dài liên kết N-H bảy phức tăng Độ tăng lớn phức AT-6 (0,033Å) nhỏ phức AT-1 ( 0,011Å) Điều giải thích sơ tham gia tạo liên kết hiđro N-H …O, N-H…N nguyên tử O N chuyển phần mật độ e sang H, kết mật độ e liên kết N-H giảm liên kết N-H trở nên dài Chúng ta thấy ba phức, tương ứng với kéo dài liên kết N-H Vậy liên kết hiđro N-H…O, N-H N thuộc loại liên kết hiđro chuyển rời đỏ 10 Hệ phức Adenine với Cytosine (AC) 10.1 Cấu trúc lượng liên kết hợp chất phức hình thành Trong phân tử Adenine Cytosine có chứa phần tử cho nhận proton nên có khả tạo liên kết hiđro liên phân tử để tạo thành đime Chúng tơi tiến hành tối ưu hóa cấu trúc, tính tần số dao động tính lượng đime (AC) tương ứng mức B3LYP/6-31+G(d,p) Kết thu cấu trúc phức bền AC-1, AC-2, AC-3, AC-4 (hình 4.11) (AC-1) (AC-2) (AC-3) (AC-4) Hình 4.11: Hình học phân tử đime tạo Adenine với Cytosine tối ưu mức B3LYP/6-31+G(d,p) Dấu chấm (.) thay cho dấu phẩy (,) phần thập phân Độ dài liên kết tính theo Angstrom (Å), góc liên kết tính theo độ (º) Bảng 4.11: Năng lượng liên kết độ dài liên kết phức tạo thành Adeine với Cytosine Dấu chấm (.) thay cho dấu phẩy (,) phần thập phân Độ dài liên kết tínnh theo Angstrom (Å), lượng liên kết tính theo Kcal/ mol Dạng phức -∆E rN H rO H AC-1 12,4 1,938(N4 H8) 1,823(O1 H4) AC-2 17,4 1,919(N3 H8) 1,732(O1 H5) AC-3 12,1 1,949(N8 H3) AC-4 13,5 1,912(N2 H8) rN H 1,958(N2 H8) 1,803(O1 H3) Kết cho thấy: Khi hình thành liên kết hiđro có thay đổi độ dài liên kết monome ban đầu Độ dài liên kết N-H bốn phức tăng Độ tăng lớn phức AC-2 (0,028Å) Điều giải thích sơ tham gia tạo liên kết hiđro N-H…O, N-H…N nguyên tử O N chuyển phần mật độ e sang H, kết mật độ e liên kết N-H giảm liên kết N-H trở nên dài Chúng ta thấy ba phức, tương ứng với kéo dài liên kết N-H , liên kết hiđro N-H…O, N-H N thuộc loại liên kết hiđro chuyển rời đỏ 11 Hệ phức Cytosine với Thymine (CT) 11.1 Cấu trúc lượng liên kết hợp chất phức hình thành Trong phân tử Cytosine Thymine có chứa phần tử cho nhận proton nên có khả tạo liên kết hiđro liên phân tử để tạo thành đime Chúng tơi tiến hành tối ưu hóa cấu trúc, tính tần số dao động tính lượng đime (CT) tương ứng mức B3LYP/6-31+G(d,p) Kết thu cấu trúc phức bền CT-1, CT-2, CT-3, (hình 4.12) (CT-1) (CT-1) (CT-3) Hình 4.12: Hình học phân tử đime tạo Cytosine với Thymine tối ưu mức B3LYP/6-31+G(d,p) Dấu chấm (.) thay cho dấu phẩy (,) phần thập phân Độ dài liên kết tính theo Angstrom (Å), góc liên kết tính theo độ (º) Bảng 4.12: Năng lượng liên kết độ dài liên kết phức tạo thành Cytosine với Thymine Dấu chấm (.) thay cho dấu phẩy (,) phần thập phân Độ dài liên kết tính theo Angstrom (Å), lượng liên kết tính theo Kcal/ mol Dạng phức -∆E rN H 1,823(N3 H5) rO H rO H CT-1 18,2 1,869(O2 H9) CT-2 18,8 1,802(O2 H10) 1,693(O8 H14) CT-3 14,0 1,764(O3 H4) 1,790(O1 H11) Kết cho thấy: Khi hình thành liên kết hiđro có thay đổi độ dài liên kết monome ban đầu Độ dài liên kết N-H bốn phức tăng Độ tă ng lớn phức CT-2 (0,034Å), nhỏ phức CT-1 (0,019Å) Điều giải thích sơ tham gia tạo liên kết hiđro N-H …O, N-H…N nguyên tử O N chuyển phần mật độ e sang H, kết mật độ e liên kết N-H giảm liên kết N-H trở nên dài Chúng ta thấy ba phức, tương ứng với kéo dài liên kết N-H , liên kết hiđro N-H…O, N-H N thuộc loại liên kết hiđro chuyển rời đỏ KẾT LUẬN Qua kết khảo sát tương tác tạo phức đime base nucleic, rút số kết luận sau đây: Bằng phần mềm Gaussian 09 phần mềm hỗ trợ khác (Chemcraft, GaussView, ) tối ưu hóa, tính tần số dao động, lượng điểm đơn (E 0), lượng điểm không (ZPE) 100 cấu trúc bao gồm cấu trúc monome (A, T, C, G) phức đime tương ứng mức B3LYP/6-31+G(d,p), có 44 cấu trúc phức đime bền Đã so sánh cấu trúc phức đime CC-2 với nghiên cứu trước độ dài liên kết, lượng liên kết hiđro, so sánh số quay, tần số dao động monome Adenine (A) với thực nghiệm, kết tính tốn cho kết phù hợp tốt với thực nghiệm nghiên cứu trước Từ lượng điểm đơn, lượng điểm khơng, tính lượng liên kết hiđro 100 đime base Từ đó, xác định 44 đime bền Trên sở cấu trúc hình học tối ưu hóa, xác định biến thiên khoảng cách A-H từ monome đến đime khoảng từ 0,005Å (GG-2) đến 0,048Å (AA-2), từ xác định liên kết hiđro phức đime thuộc loại chuyển dời đỏ Kết thu hợp lý Hệ nghiên cứu phổ biến (gồm base nucleic phức đime tương ứng), yếu tố quan trọng cấu thành nên phân tử ADN, ARN, hi vọng tài liệu tham khảo hữu ích cho nhà nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm Đề tài mở hướng nghiên cứu sâu rộng với hệ lớn trime, prtotein, ; tương tác phức tạp base-axit H 3PO4, chuỗi ADN, ARN