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《上海大学》 2011年
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蒽环类抗癌药物及其与DNA相互作用的分子模拟研究

朱素华  
【摘要】:本论文分两部分,第一部分是蒽环类抗癌药物及其与DNA相互作用的研究,第二部分是质子交换膜中水分子的电渗研究。抗肿瘤药物的研究对于保障人民生命健康有重要意义。蒽环类抗生素是临床上广泛使用、抗癌疗效显著的抗癌药物,然而,其毒副作用导致其应用受到限制。有关蒽环类抗生素的细胞毒性机理已有不少报道,但其中部分机理还颇具争议。因此,有必要从原子水平来探测这类药物分子的构象空间,并研究它们与作用靶体DNA间的相互作用,进而为了解这类药物分子的细胞毒性机制提供有用的信息。本论文利用第一性原理计算和分子动力学模拟方法对临床上广泛使用的四个蒽环类抗癌药物(阿霉素、柔红霉素、表阿霉素和伊达霉素)以及它们在甲醛介导下与DNA间的相互作用进行了深入的研究。新能源的开发和利用是维持社会持续发展的保障。近年来,质子交换膜燃料电池因其能量转换率高、结构简单、污染小、寿命长等优点而得到大力发展,但其商业化和民用化还受到限制。受限的主要原因之一就是水的管理。从原子水平来研究质子交换膜燃料电池中水在电场作用下的迁移对水的管理具有十分重要意义,为此,本论文利用分子动力学模拟方法对外电场作用下水分子在聚全氟磺酸(PFSA)质子交换K+膜中的电渗迁移进行了深入的研究。本研究两部分内容的主要结果如下: 第一部分蒽环类抗癌药物分子第一性原理计算和分子动力学模拟研究 (1)蒽环类抗癌药物分子构象分析 在B3LYP/6-31G(d)理论水平上对阿霉素、柔红霉素、表阿霉素和伊达霉素分子可能的构象进行了几何结构优化和频率计算,结果表明每个分子的构象具有很大的柔性,分布的构象空间很大。分析表明构象空间可分为三个区域,即蒽环类醌-氢醌骨架部分、锚固部分和六碳氨糖部分。骨架部分具有三个构象异构体和三个互变异构体。由于C8和C9相对方位不同锚固部分具有四个构象异构体。根据氨基氮和醌氧之间的距离六碳氨糖部分也具有四个构象异构体。分子的整体构象可由上述各具特征的三个区域构象类型的组合来表征。最后根据以上分类规则对文献报道的构象进行了归类。 (2)水溶液中蒽环类抗癌药物分子-DNA加合物分析 用全原子分子动力学模拟方法对甲醛介导的四个DNA-CH_2-蒽环类药物分子(药物分子为阿霉素、柔红霉素、表阿霉素和伊达霉素,这四个加合物系统依次用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、ⅠV表示)加合物生理盐水溶液系统进行了研究。结果表明药物分子一方面直接与DNA形成了众多的氢键,另一方面借助水分子的桥接作用与DNA形成了众多的氢键。对药物分子的构象分析表明,Ⅰ和Ⅱ系统中药物分子只有一个构象,而Ⅲ和ⅠV系统中药物分子则存在两个构象。药物分子和DNA的相互作用分析表明,药物分子与DNA间形成众多氢键,在甲醛介导下与DNA形成了有效crossing-linking结构,这个结构具有不稳定性,相对稳定性依次为ⅠV ⅢⅠⅡ。从加合物周围水分子分布分析可知,药物分子和DNA间通过水分子的桥梁作用增强了相互作用,相对强度为ⅠⅢⅡⅠV。综合药物分子与周围DNA上原子或基团、水分子间的相互作用,分析表明它们与DNA相互作用的相对强度依次为ⅢⅠV ⅠⅡ。 第二部分质子交换膜中水分子电渗的分子动力学模拟研究 1、电场作用下水化聚全氟磺酸K~+膜中水分子的电渗迁移 用分子动力学模拟方法研究外电场(简称电场)作用下水化聚全氟磺酸K~+膜中水分子的电渗迁移运动,并分析探讨膜的结构与水分子的电渗迁移特性的关系。结果表明,无外加电场时水分子和K~+的速度都服从麦克斯韦分布;施加适当电场时,水分子和K~+在垂直电场方向上的速度分量仍服从麦克斯韦分布,但平行电场方向上的速度分量则服从峰值漂移的麦克斯韦分布。并且,峰值漂移速度可作为水分子和K~+的平均迁移速度的近似值,从而计算得到水分子的电渗系数。结果还显示,K~+第一配位层内平均含有约4.04个水分子,它们的平均迁移速度只有K~+的57%。这部分水分子贡献的电渗迁移系数为总电渗迁移系数(2.97)的77%。
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