TÓM TẮT LUẬN VĂN: 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 và 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 được bảo vệ tại Hội đồng chấm luận văn Thạc sĩ
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội
Vào hồi ... giờ ... ngày ... tháng ... năm 2015

Có thể tìm đọc luận văn tại:
- Phòng tư liệu khoa Hóa học
- Thư viện trường Đại học Sư phạm Hà Nội


PHẦN I: GIỚI THIỆU VỀ LUẬN VĂN
1. Lí do chọn đề tài
Liên 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 A-H
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 A-H 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 A-H
dài hơn (kém bền hơn), tần số dao động hoá trị liên kết A-H 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 A-H, 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 Blue-shifting). 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”.
2. Mục đích nghiên cứu
- Tìm hiểu tổng quan về hệ chất nghiên cứu: Khái niệm, cấu trúc và vai trò của các
base nucleic trong các phân tử DNA và RNA.
- Tối ưu hoá cấu trúc monome và đime của các base nucleic, tính các loại năng lượng
như năng lượng liên kết, năng lượng điểm không, năng lượng siêu liên hợp…
- Xác định và giải thích loại liên kết hiđro tạo thành.
3. Phương pháp nghiên cứu
3.1. Nghiên cứu lí thuyết
3.2. Phương pháp tính
4. Bố cục luận văn
Luận văn gồm 75 trang
Phần mở đầu: 3 trang
Phần nội dung: 68 trang
Chương 1: Cơ sở lý thuyết
Chương 2: Tổng quan về hệ chất nghiên cứu và phương pháp tính
Chương 3: Kết quả và thảo luận
Phần kết luận: 1 trang
Tài liệu thao khảo: 3 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 Schrödinger ở trạng thái dừng
1.1.2. Phương trình Schrodinger cho hệ nhiều electron
1.2. Các phương pháp gần đúng hoá học lượng tử
1.3. Bộ hàm cơ sở
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ CHẤT NGHIÊN
CỨU VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH
2.1. Tổng quan về hệ chất nghiên cứu
2.1.1. Hệ nghiên cứu
Vấn đề tương tác giữa N-H với một nguyên tử âm điện hơn là oxy hay nitơ tạo
ra liên kết hiđro giữa các base nucleic thực sự quan trọng trong các hệ sinh học. Bởi
lẽ nó xác định cấu trúc các phân tử nhỏ, đại phân tử sinh học. Đặc biệt, các tương tác
tạo thành số lượng lớn liên kết hiđro dạng N-H...O, N-H…N đem lại tính ổn định và
tính linh hoạt trong sự sắp xếp hình thành cấu trúc phân tử axit nuclêic, các protein và
các protein- axit nucleic. Bởi vậy chúng tôi chọn một số hệ cơ bản để nghiên cứu
tương tác tạo phức đime giữa các base nucleic sau:
1. Hệ Adenine (A) tương tác với Adenine (A)
2. Hệ Cytosine (C) tương tác với Cytosine ( C)
3. Hệ Guanine (G) tương tác với Guanine (G)
4. Hệ Thymine (T) tương tác với Thymine (T)
5. Hệ Adenine (A) tương tác với Guanine (G)
6. Hệ Thymine (T) tương tác với Guanine (G)
7. Hệ Cytosine (C) tương tác với Guanine (G)
8. Hệ Adenine (A) tương tác với Thymine (T)
9. Hệ Adenine (A) tương tác với Cytosine (C)


10. Hệ Cytosine (C) tương tác với Thymine (T)

Các hệ nghiên cứu đã lựa chọn trên dự đoán đều có khả năng hình thành liên kết
hiđro. Trong khi nguyên tử H của liên kết N-H trong monome ban đầu mang điện tích
dương thì các nguyên tử N, O trong các monome thứ hai đều còn cặp e riêng dẫn tới
hình thành liên kết hiđro liên phân tử bền vững, thuận lợi hơn rất nhiều cho viêc
nghiên cứu bản chất liên kết hiđro chuyển dời xanh hay đỏ đang được các nhà khoa
học quan tâm. Hơn nữa , sự hình thành liên kết hiđro đối với các phức tạo bởi các
monome trên còn ít được nghiên cứu về mặt lý thyết. Chúng tôi cho rằng việc khảo
sát và nghiên cứu các hệ phân tử trên trên cơ sở các phương pháp lý thuyết sẽ đóng
góp phần quan trọng trong việc tìm hiểu đầy đủ các đặc tính cũng như cấu trúc của
đại phân tử sinh học và rút ra những đặc trưng cho việc tìm hiểu bản chất liên kết
hiđro chuyển dời xanh hay đỏ.
2.1.2. Phương pháp nghiên cứu
Cấu trúc hình học bền của các phân tử monome và các đime tạo thành được xác
định theo các bước chính sau đây:
- Bước 1: Tiến hành tối ưu hóa các hệ chất nghiên cứu bằng phương pháp
B3LYP với mức lý thuyết thấp 3-21+g* để có thể loại bỏ một phần nào khả
năng không tối ưu được cấu trúc đime ở mức lý thuyết cao, tránh lãng phí về
thời gian.
- Bước 2: Lấy các cấu trúc đime đã tối ưu tại bước một để tối ưu bằng phương
pháp B3LYP với mức lý thuyết cao hơn 6-31+g(d,p). Bộ hàm cơ sở này bao gồm các
hàm khuếch tán và các hàm phân cực. Với phưng pháp và bộ hàm trên là sự lựa chọn
phù hợp trong việc khảo sát liên kết hiđro của các hệ chất đã chọn.
- Kết quả thu được là các tham số về cấu trúc hình học, các giá trị tần số dao
động hóa trị, cường độ của phổ hồng ngoại, điện tích trên các nguyên tử…


- Thông qua tính toán sẽ xác định được sự biến đổi các liên kết hóa học, cấu trúc
hình học của các đime tạo thành so với đime ở trạng thái cô lập, tính được độ dài
khoảng cách của các liên kết hiđro của phức tạo thành.
- Năng lượng tương tác có được do sự chênh lệch về năng lượng giữa phức với

monome cô lập. Năng lượng tương tác của hệ được hiệu chỉnh với năng lượng dao
động điểm không ZPE.
CHƯƠNG 3 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
1. Một số thông số cấu trúc của các monome A, C, G, T.

(A)

(C)

(G)

(T)

Hình 4.1: Hình học phân tử của các monome được tối ưu ở mức B3LYP/631+G(d,p). Dấu chấm (.) thay cho dấu phẩy (,) trong 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 của phương pháp, chúng tôi tiến hành tối ưu
hóa cấu trúc và tính tần số dao động theo phương pháp B3LYP/6-31+G(d,p) cho các
monome A, C, G, T. Trên cơ sở đó, chúng tôi cũng tiến hành xây dựng, tối ưu hóa cấu
trúc và tính tần số dao động của các đime tương ứng ở cùng mức B3LYP/6-31+G(d,p).
Từ các kết quả tính toán thu được, chúng tôi so sánh độ dài liên kết, năng lượng liên kết


hiđro của một số đime với các nghiên cứu trước đó. Kết quả được trình bày ở hình 4.2
và bảng 4.1.

(1.052)

(1.776) (1.033)

Hình 4.2: Hình học phân tử của đime CC-2 được tối ưu ở mức B3LYP/6-31+G(d,p).

Dấu chấm (.) thay cho dấu phẩy (,) trong phần thập phân. Độ dài liên kết tính theo
Angstrom (Å). Giá trị trong ngoặc đơn được tính ở mức wB97X-D/6-31+G(d,p) [24].
Bảng 4.1: Năng lượng liên kết hiđro (kcal.mol-1) của đime CC-2
Phương pháp và bộ 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 và bảng 4.1 cho thấy kết quả tính toán của chúng tôi phù hợp với các nghiên
cứu trước đó.
Ngoài ra, chúng tôi đối chiếu tần số và hằng số quay trong phân tử monome Adenine
với thực nghiệm. Kết quả được trình bày ở bảng 4.2, 4.3.
Bảng 4.2: Hằng số quay của monome Adenine (A) (MW)

Hằng số quay của 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 ở trên cho thấy kết quả tính toán phù hợp tốt với thực nghiệm.
Như vậy, phương pháp mà chúng tôi sử dụng B3LYP/6-31+G(d,p) để tối ưu hóa
cấu trúc, tính tần số dao động và tính năng lượng cho các hệ nghiên cứu là phương pháp
gần đúng cho kết quả đáng tin cậy.
2. Hệ phức Adenine với Adenine (AA)

2.1 Cấu trúc và năng lượng liên kết của hợp chất phức hình thành
Trong phân tử Adenine, có 5 nguyên tử N (N1, N2, N3, N4, N5) và 3 nguyên tử
H (H3, H4, H5) đều có khả năng tạo liên kết hiđro để tạo thành đime, hình 4.1(A).
Chúng tôi tiến hành tối ưu hóa cấu trúc, tính tần số dao động và tính năng lượng của
các đime (AA) tương ứng ở cùng mức B3LYP/6-31+G(d,p). Kết quả thu được 3 cấu
trúc phức bền là AA-1, AA-2, AA-3 (hình 4.3).

(AA-1)

(AA-2)

(AA-3)
Hình 4.3: Hình học phân tử của các dime tạo bởi Adenine với Adenine được tối ưu ở
mức B3LYP/6-31+G(d,p). Dấu chấm (.) thay cho dấu phẩy (,) trong 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 và độ dài liên kết của các phức tạo thành giữa Adenine
với Adenine. Dấu chấm (.) thay cho dấu phẩy (,) trong phần thập phân. Độ dài liên kết
tính theo Angstrom (Å), năng 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 quả cho thấy: Khi hình thành liên kết hiđro có sự thay đổi về độ dài liên kết
trong monome ban đầu. Độ dài liên kết N-H trong cả ba phức đều tăng. Độ tăng lớn
nhất ở phức AA-2 (0,048Å), nhỏ nhất ở phức AA-1 (0,016Å). Điều này có thể giải
thích sơ bộ là do khi tham gia tạo liên kết hiđro N-H …N, nguyên tử N đã chuyển một
phần mật độ e sang H, kết quả là mật độ e trên liên kết N-H giảm và liên kết N-H trở
nên dài ra.
Chúng ta thấy trong cả ba phức, tương ứng với sự kéo dài liên kết N-H, liên kết
hiđro N-H…N trong cả 3 phức trên thuộc loại liên kết hiđro chuyển rời đỏ.

3. Hệ phức Cytosine với Cytosine (CC)
3.1 Cấu trúc và năng lượng liên kết của hợp chất phức hình thành
Trong phân tử Cytosine, có 3 nguyên tử N (N1, N2, N3) và một nguyên tử O(O1)
và 3 nguyên tử H (H3, H4, H5) đều có khả năng tạo liên kết hiđro để tạo thành đime,
hình 4.1(C). Chúng tôi tiến hành tối ưu hóa cấu trúc, tính tần số dao động và tính
năng lượng của các đime (CC) tương ứng ở cùng mức B3LYP/6-31+G(d,p). Kết quả
thu được 2 cấu trúc phức bền là CC-1, CC-2 (hình 4.4).


(CC-1)

(CC-2)

Hình 4.4: Hình học phân tử của các đime tạo bởi Cytosine với Cytosine được tối ưu ở
mức B3LYP/6-31+G(d,p). Dấu chấm (.) thay cho dấu phẩy (,) trong phần thập phân. Độ
dài liên kết tính theo Angstrom (Å), góc liên kết tính theo độ (º).
Bảng 4.4: Năng lượng liên kết và độ dài liên kết của các phức tạo thành giữa
Cytosine với Cytosine. Dấu chấm (.) thay cho dấu phẩy (,) trong phần thập phân. Độ
dài liên kết tính theo Angstrom (Å), năng lượng liên kết tính theo Kcal/ mol.
Dạng phức

-∆E

CC-1

20,3

CC-2

19,3

rN...H

rO...H
1,710(O2...H5)

1,827(N4...H5)

rO...H
1,710(O1...H7)

1,777(O7...H9)

Kết quả cho thấy: Khi hình thành liên kết hiđro có sự thay đổi về độ dài liên kết
trong monome ban đầu. Độ dài liên kết N-H, O-H trong cả hai phức đều tăng. Độ
tăng lớn nhất ở phức CC-1 (0,032Å), nhỏ nhất ở phức CC-2 (0,028Å). Điều này có
thể giải thích sơ bộ là do khi tham gia tạo liên kết hiđro N-H…N, N-H…O nguyên tử
N, O đã chuyển một phần mật độ e sang H, kết quả là mật độ e trên liên kết N-H
giảm và liên kết N-H trở nên dài ra.
Chúng ta thấy trong cả hai phức, tương ứng với sự kéo dài liên kết N-H , liên kết
hiđro N-H…N, N-H…O trong cả 2 phức trên thuộc loại liên kết hiđro chuyển rời đỏ.
4. Hệ phức Guanine với Guanine (GG)
4.1 Cấu trúc và năng lượng liên kết của hợp chất phức hình thành
Trong phân tử Guanine, có 5 nguyên tử N (N1, N2, N3, N4, N5), một nguyên tử
O(O1) và 4 nguyên tử H (H2, H3, H4, H5) đều có khả năng tạo liên kết hiđro để tạo
thành đime, hình 4.1(G). Chúng tôi tiến hành tối ưu hóa cấu trúc, tính tần số dao động
và tính năng lượng của các đime (GG) tương ứng ở cùng mức B3LYP/6-31+G(d,p).
Kết quả thu được 2 cấu trúc phức bền là GG-1, GG-2 (hình 4.5).

(GG-1)

(GG-2)

Hình 4.5: Hình học phân tử của các đime tạo bởi Guanine với Guanine được tối ưu ở
mức B3LYP/6-31+G(d,p). Dấu chấm (.) thay cho dấu phẩy (,) trong 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 và độ dài liên kết của các phức tạo thành giữa Guanine
với Guanine. Dấu chấm (.) thay cho dấu phẩy (,) trong phần thập phân. Độ dài liên kết
tính theo Angstrom (Å), năng 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 quả cho thấy: Khi hình thành liên kết hiđro có sự thay đổi về độ dài liên
kết trong monome ban đầu. Độ dài liên kết N-H trong cả hai phức đều tăng. Độ tăng
lớn nhất ở phức GG-1 (0,027Å), nhỏ nhất ở phức GG-2 (0,005Å). Điều này có thể
giải thích sơ bộ là do khi tham gia tạo liên kết hiđro N-H…N, N-H…O nguyên tử N,
O đã chuyển một phần mật độ e sang H, kết quả là mật độ e trên liên kết N-H giảm và
liên kết N-H trở nên dài ra.
Chúng ta thấy trong cả hai phức, tương ứng với sự kéo dài liên kết N-H, liên
kết hiđro N-H…N, N-H…O thuộc loại liên kết hiđro chuyển rời đỏ.
5. Hệ phức Thymine với Thymine (TT)
5.1 Cấu trúc và năng lượng liên kết của hợp chất phức hình thành


Trong phân tử Thymine, có 2 nguyên tử N (N1, N2), 2 nguyên tử O(O1, O2) và 2
nguyên tử H (H4, H5) đều có khả năng tạo liên kết hiđro để tạo thành đime, hình
4.1(T). Chúng tôi tiến hành tối ưu hóa cấu trúc, tính tần số dao động và tính năng
lượng của các đime (TT) tương ứng ở cùng mức B3LYP/6-31+G(d,p). Kết quả thu
được 3 cấu trúc phức bền là TT-1, TT-2, TT-3 (hình 4.6).

(TT-1)

(TT-2)

(TT-3)
Hình 4.6: Hình học phân tử của các đime tạo bởi Thymine với Thymine được tối ưu ở
mức B3LYP/6-31+G(d,p). Dấu chấm (.) thay cho dấu phẩy (,) trong 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 và độ dài liên kết của các phức tạo thành giữa
Thymine với Thymine. Dấu chấm (.) thay cho dấu phẩy (,) trong phần thập phân. Độ dài
liên kết tính theo Angstrom (Å), năng 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 quả cho thấy: Khi hình thành liên kết hiđro có sự thay đổi về độ dài liên kết
trong monome ban đầu. Độ dài liên kết N-H trong cả ba phức đều tăng. Độ tăng lớn


nhất ở phức TT-3 (0,023Å), nhỏ nhất ở phức TT-1 (0,019Å). Điều này có thể giải
thích sơ bộ là do khi tham gia tạo liên kết hiđro N-H…O, nguyên tử O đã chuyển một
phần mật độ e sang H, kết quả là mật độ e trên liên kết N-H giảm và liên kết N-H trở
nên dài ra.
Chúng ta thấy trong cả ba phức, tương ứng với sự kéo dài liên kết N-H , liên
kết hiđro N-H…O thuộc loại liên kết hiđro chuyển rời đỏ.
6. Hệ phức Adenine với Guanine (AG)
6.1 Cấu trúc và năng lượng liên kết của hợp chất phức hình thành
Trong phân tử Adenine và Guanine đều có chứa các phần tử cho và nhận proton
nên có khả năng tạo liên kết hiđro liên phân tử để tạo thành đime. Chúng tôi tiến hành
tối ưu hóa cấu trúc, tính tần số dao động và tính năng lượng của các đime (AG) tương
ứng ở cùng mức B3LYP/6-31+G(d,p). Kết quả thu được 5 cấu trúc phức bền là 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 của các đime tạo bởi Adenine với Guanine được tối ưu ở
mức B3LYP/6-31+G(d,p). Dấu chấm (.) thay cho dấu phẩy (,) trong 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 và độ dài liên kết của các phức tạo thành giữa Adenine
với Guanine. Dấu chấm (.) thay cho dấu phẩy (,) trong phần thập phân. Độ dài liên kết
tính theo Angstrom (Å), năng 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 quả cho thấy: Khi hình thành liên kết hiđro có sự thay đổi về độ dài liên
kết trong monome ban đầu. Độ dài liên kết N-H trong cả năm phức đều tăng. Độ tăng
lớn nhất ở phức AG-2 (0,025Å), nhỏ nhất ở phức AG-4 (0,017Å). Điều này có thể
giải thích sơ bộ là do khi tham gia tạo liên kết hiđro N-H …O, N-H…N nguyên tử O

và N đã chuyển một phần mật độ e sang H, kết quả là mật độ e trên liên kết N-H giảm
và liên kết N-H trở nên dài ra.
Chúng ta thấy trong cả ba phức, tương ứng với sự kéo dài liên kết N-H , liên
kết hiđro N-H…O, N-H…N thuộc loại liên kết hiđro chuyển rời đỏ.
7. Hệ phức Guanine với Thymine (GT)
7.1 Cấu trúc và năng lượng liên kết của hợp chất phức hình thành
Trong phân tử Guanine và Thymine đều có chứa các phần tử cho và nhận proton
nên có khả năng tạo liên kết hiđro liên phân tử để tạo thành đime. Chúng tôi tiến hành
tối ưu hóa cấu trúc, tính tần số dao động và tính năng lượng của các đime (GT) tương


ứng ở cùng mức B3LYP/6-31+G(d,p). Kết quả thu được 7 cấu trúc phức bền là 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 của các dime tạo bởi Guanine với Thymine được tối ưu ở
mức B3LYP/6-31+G(d,p). Dấu chấm (.) thay cho dấu phẩy (,) trong 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 và độ dài liên kết của các phức tạo thành giữa
Guanine với Thymine. Dấu chấm (.) thay cho dấu phẩy (,) trong phần thập phân. Độ dài
liên kết tính theo Angstrom (Å), năng 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 quả cho thấy: Khi hình thành liên kết hiđro có sự thay đổi về độ dài liên
kết trong monome ban đầu. Độ dài liên kết N-H trong cả bảy phức đều tăng. Độ tăng
lớn nhất ở phức GT-5 và GT-2 (0,035Å), nhỏ nhất ở phức GT-3 (0,011Å). Điều này
có thể giải thích sơ bộ là do khi tham gia tạo liên kết hiđro N-H …O, N-H…N nguyên
tử O và N đã chuyển một phần mật độ e sang H, kết quả là mật độ e trên liên kết N-H
giảm và liên kết N-H trở nên dài ra.
Chúng ta thấy trong cả ba phức, tương ứng với sự kéo dài liên kết N-H. Vậy liên kết
hiđro N-H…O, N-H…N thuộc loại liên kết hiđro chuyển rời đỏ.
8. Hệ phức Cytosine với Guamine (CG)
8.1 Cấu trúc và năng lượng liên kết của hợp chất phức hình thành
Trong phân tử Cytosine và Guanine đều có chứa các phần tử cho và nhận
proton nên có khả năng tạo liên kết hiđro liên phân tử để tạo thành đime. Chúng tôi
tiến hành tối ưu hóa cấu trúc, tính tần số dao động và tính năng lượng của các đime
(CG) tương ứng ở cùng mức B3LYP/6-31+G(d,p). Kết quả thu được 8 cấu trúc phức
bền là 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 của các đime tạo bởi Cytosine với Guanine được tối ưu ở
mức B3LYP/6-31+G(d,p). Dấu chấm (.) thay cho dấu phẩy (,) trong 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 và độ dài liên kết của các phức tạo thành giữa Cytosine
với Guanine. Dấu chấm (.) thay cho dấu phẩy (,) trong phần thập phân. Độ dài liên kết
tính theo Angstrom (Å), năng 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 quả cho thấy: Khi hình thành liên kết hiđro có sự thay đổi về độ dài
liên kết trong monome ban đầu. Độ dài liên kết N-H trong cả tám phức đều tăng. Độ
tăng lớn nhất ở phức CG-1 (0,030Å). Độ tăng nhỏ nhất ở phức CG-5 (0,012Å). Điều
này có thể giải thích sơ bộ là do khi tham gia tạo liên kết hiđro N-H…O, N-H…N
nguyên tử O và N đã chuyển một phần mật độ e sang H, kết quả là mật độ e trên liên
kết N-H giảm và liên kết N-H trở nên dài ra.
Chúng ta thấy trong cả ba phức, tương ứng với sự kéo dài liên kết N-H. Vậy liên
kết hiđro N-H…O thuộc loại liên kết hiđro chuyển rời đỏ.
9. Hệ phức Adenine với Thymine (AT)
9.1 Cấu trúc và năng lượng liên kết của hợp chất phức hình thành
Trong phân tử Adenine và Thymine đều có chứa các phần tử cho và nhận proton
nên có khả năng tạo liên kết hiđro liên phân tử để tạo thành đime. Chúng tôi tiến hành
tối ưu hóa cấu trúc, tính tần số dao động và tính năng lượng của các đime (AT) tương
ứng ở cùng mức B3LYP/6-31+G(d,p). Kết quả thu được 7 cấu trúc phức bền là 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 của các đime tạo bởi Adenine với Thymine được tối ưu ở
mức B3LYP/6-31+G(d,p). Dấu chấm (.) thay cho dấu phẩy (,) trong 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 và độ dài liên kết của các phức tạo thành giữa Adenine
với Thymine. Dấu chấm (.) thay cho dấu phẩy (,) trong phần thập phân. Độ dài liên kết
tính theo Angstrom (Å), năng 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 quả cho thấy: Khi hình thành liên kết hiđro có sự thay đổi về độ dài liên
kết trong monome ban đầu. Độ dài liên kết N-H trong cả bảy phức đều tăng. Độ tăng
lớn nhất ở phức AT-6 (0,033Å) và nhỏ nhất ở phức AT-1 ( 0,011Å). Điều này có thể
giải thích sơ bộ là do khi tham gia tạo liên kết hiđro N-H …O, N-H…N nguyên tử O
và N đã chuyển một phần mật độ e sang H, kết quả là mật độ e trên liên kết N-H giảm
và liên kết N-H trở nên dài ra.
Chúng ta thấy trong cả ba phức, tương ứng với sự 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 và năng lượng liên kết của hợp chất phức hình thành
Trong phân tử Adenine và Cytosine đều có chứa các phần tử cho và nhận proton
nên có khả năng tạo liên kết hiđro liên phân tử để tạo thành đime. Chúng tôi tiến hành
tối ưu hóa cấu trúc, tính tần số dao động và tính năng lượng của các đime (AC) tương
ứng ở cùng mức B3LYP/6-31+G(d,p). Kết quả thu được 4 cấu trúc phức bền là 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 của các đime tạo bởi Adenine với Cytosine được tối ưu ở
mức B3LYP/6-31+G(d,p). Dấu chấm (.) thay cho dấu phẩy (,) trong 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 và độ dài liên kết của các phức tạo thành giữa
Adeine với Cytosine. Dấu chấm (.) thay cho dấu phẩy (,) trong phần thập phân. Độ dài
liên kết tínnh theo Angstrom (Å), năng 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 quả cho thấy: Khi hình thành liên kết hiđro có sự thay đổi về độ dài liên kết
trong monome ban đầu. Độ dài liên kết N-H trong cả bốn phức đều tăng. Độ tăng lớn
nhất ở phức AC-2 (0,028Å). Điều này có thể giải thích sơ bộ là do khi tham gia tạo

liên kết hiđro N-H…O, N-H…N nguyên tử O và N đã chuyển một phần mật độ e sang
H, kết quả là mật độ e trên liên kết N-H giảm và liên kết N-H trở nên dài ra.
Chúng ta thấy trong cả ba phức, tương ứng với sự 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 và năng lượng liên kết của hợp chất phức hình thành


Trong phân tử Cytosine và Thymine đều có chứa các phần tử cho và nhận proton
nên có khả năng tạo liên kết hiđro liên phân tử để tạo thành đime. Chúng tôi tiến hành
tối ưu hóa cấu trúc, tính tần số dao động và tính năng lượng của các đime (CT) tương
ứng ở cùng mức B3LYP/6-31+G(d,p). Kết quả thu được 3 cấu trúc phức bền là CT-1,
CT-2, CT-3, (hình 4.12).

(CT-1)

(CT-1)

(CT-3)
Hình 4.12: Hình học phân tử của các đime tạo bởi Cytosine với Thymine được tối ưu ở
mức B3LYP/6-31+G(d,p). Dấu chấm (.) thay cho dấu phẩy (,) trong 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 và độ dài liên kết của các phức tạo thành giữa
Cytosine với Thymine. Dấu chấm (.) thay cho dấu phẩy (,) trong phần thập phân. Độ dài
liên kết tính theo Angstrom (Å), năng 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 quả cho thấy: Khi hình thành liên kết hiđro có sự thay đổi về độ dài liên
kết trong monome ban đầu. Độ dài liên kết N-H trong cả bốn phức đều tăng. Độ tă ng

lớn nhất ở phức CT-2 (0,034Å), nhỏ nhất ở phức CT-1 (0,019Å). Điều này có thể giải
thích sơ bộ là do khi tham gia tạo liên kết hiđro N-H …O, N-H…N nguyên tử O và N
đã chuyển một phần mật độ e sang H, kết quả là mật độ e trên liên kết N-H giảm và
liên kết N-H trở nên dài ra.
Chúng ta thấy trong cả ba phức, tương ứng với sự 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 quả khảo sát sự tương tác tạo phức đime của các base nucleic, chúng
tôi rút ra một số kết luận chính sau đây:
1.

2.
3.

4.

Bằng phần mềm Gaussian 09 cùng các phần mềm hỗ trợ khác (Chemcraft,
GaussView, ...) đã tối ưu hóa, tính tần số dao động, năng lượng điểm đơn (E 0), năng
lượng điểm không (ZPE) của hơn 100 cấu trúc bao gồm 4 cấu trúc monome (A, T, C,
G) cùng các phức đime tương ứng ở mức B3LYP/6-31+G(d,p), trong đó có 44 cấu trúc
phức đime bền. Đã so sánh một cấu trúc phức đime CC-2 với các nghiên cứu trước đó
về độ dài liên kết, năng lượng liên kết hiđro, so sánh hằng số quay, tần số dao động của
monome Adenine (A) với thực nghiệm, kết quả tính toán đều cho kết quả phù hợp tốt
với thực nghiệm và các nghiên cứu trước đó.
Từ năng lượng điểm đơn, năng lượng điểm không, tính được năng lượng liên
kết hiđro của hơn 100 đime của các base. Từ đó, xác định được 44 đime bền.

Trên cơ sở các cấu trúc hình học tối ưu hóa, xác định được biến thiên khoảng
cách A-H từ monome đến đime trong khoảng từ 0,005Å (GG-2) đến 0,048Å
(AA-2), từ đó xác định được liên kết hiđro trong các phức đime thuộc loại
chuyển dời đỏ. Kết quả thu được là khá hợp lý.
Hệ nghiên cứu là phổ biến (gồm các base nucleic và các phức đime tương ứng),
là các yếu tố quan trọng cấu thành nên các phân tử ADN, ARN, ... hi vọng là tài
liệu tham khảo hữu ích cho các nhà nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm. Đề tài
mở ra hướng nghiên cứu sâu rộng hơn với các hệ lớn hơn như trime,
prtotein, ... ; các tương tác phức tạp hơn như base-axit H 3PO4, ... trong chuỗi
ADN, ARN.