金属离子与核酸碱基结合可能会导致DNA变异。过渡金属镉被国际癌症研究机构（International Agency for Research on cancer，IARC）定义为I类（影响人类健康的）致癌物质。由于其强烈的毒性和显著致癌性，镉离子与DNA和RNA的相互作用引起了较为广泛的关注，但是对镉离子毒性在分子层面的作用机制目前仍存在许多有待深入研究的问题。　　 本论文的研究工作主要包括两部分的内容。通过高精度的密度泛函理论方法，对溶剂化效应对镉离子与鸟嘌呤相互作用的影响进行了研究；探讨了镉离子对尿嘧啶及其硫代衍生物互变异构体平衡的影响。以探讨镉离子引起DNA变异的机制，提供镉金属对碱基影响的本质信息。　　 前两章将简要介绍了本论文研究背景和主要采用的理论计算方法。　　 第三章研究了镉离子的水合对鸟嘌呤碱基结构及性质的影响。通过显含水模型(0-5个水分子)和连续溶剂化模型模拟水溶液，研究了镉离子结合到鸟嘌呤N7和06位点的复合物。最稳定的构型是没有水分子与鸟嘌呤直接结合的五配位螯合复合物。随水分子数目增多，相应的稳定化能增加，鸟嘌呤和镉离子的平均结合能增加。水配体的结合能取决于其在复合物中的结合位置。鸟嘌呤上的电荷随水分子数目的增加而增加，从而可能会影响鸟嘌呤的碱基配对方式。随水分子数增加，电荷从鸟嘌呤向水分子配体转移，平均分配在每个水分子上的电荷则减少。两种连续溶剂化模型IEFPCM和CPCM得到的构型与五水复合物结构5a类似，5a是镉离子与鸟嘌呤的N7位点相结合的六配位构型复合物。对显含水模型和连续溶剂化模型的计算结果做了比较。　　 第四章研究了气相中镉离子与尿嘧啶及其硫代衍生物的相互作用。对两个结合位点相同的尿嘧啶和2，4-二硫代尿嘧啶，镉离子优先与4位杂原子结合。对有羰基和巯基两种杂原子结合位点的体系，镉离子优先与巯基S位点结合。尽管气相中观测不到尿嘧啶及其硫代衍生物的烯醇式构型，在镉离子-尿嘧啶（及其衍生物）复合物体系中，烯醇式却是最稳定的构型。这种稳定性源自烯醇式构型中镉离子同时与两个位点相结合，激发了杂环的芳香化。最为重要的是，镉离子与尿嘧啶及其衍生物的结合能大于酮式-烯醇式异构化过程的能垒。因此，气相中尿嘧啶及其衍生物与镉离子结合时，有可能是多个异构体同时存在。　　 本论文系统研究了镉离子与核酸碱基及衍生物的相互作用。用显含水模型和隐含水模型研究了溶剂化效应对相互作用的影响，探讨了镉离子对核酸碱基异构体过程的催化作用。本研究深化了对过渡金属与DNA碱基相互作用的认识，有助于理解过渡金属导致的DNA变异。