Неемпіричне квантово-хімічне моделювання біологічно суттєвих фізико-хімічних властивостей ізольованих та гідратованих молекулярних компонентів ДНК

5. Квантово-хімічне моделювання термодинаміки і кінетики подвійного перенесення протону у водневозв'язаних парах основ ДНК

Досліджено термодинаміку і кінетику іншого можливого шляху утворення таутомерів - подвійного обміну протонами між комплементарними основами, з'єднаними Н-зв'язками у пари в молекулі ДНК. Оскільки з технічної точки зору моделювання подвійного перенесення протону значно складніше завдання (особливо при локалізації перехідних станів), то підрозділ 5.1 присвячено дослідженню простішої ситуації - подвійному перенесенню протону у формамідино-формамідному димері, який має такий же самий фрагмент для подвійного перенесення протона, як і пара основ ДНК аденін - тимін. Аналіз геометричних параметрів стаціонарних точок, одержаних в наближеннях B3LYP/6-31+G(d,p) і MP2/6-31+G(d,p), дозволив зробити висновок про те, що обидва локальні мінімуми - це типові воднево-зв'язані системи, до того ж водневі зв'язки є міцнішими у комплексі з подвійно перенесеним протоном. Дуже цікавою виявилася структура перехідного стану (В), яка відповідає перенесенню одного із протонів формаміду на молекулу формамідину.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Отже, приведені дані свідчать про узгоджений асинхронно-естафетний механізм перенесення протонів.

В табл. 14 приведені термодинамічні і кінетичні параметри, розраховані різними квантово-хімічними наближеннями. Оскільки детальний аналіз термодинаміки і кінетики буде проведено безпосередньо для пари АТ, то тут ми обмежимося лише зауваженням, що отримані дані дозволяють припустити, що навіть якщо рівновага між канонічними і рідкісними формами в парі АТ встановлюється миттєво, величини ДG свідчать про їхній незначний вклад у частоту спонтанних точкових мутацій, фіксованих експериментально.

Таблиця 14. Термодинамічні (ДG⁰₂₉₈, ДG⁰_298dim ) і кінетичні (ДE^?, ДG^?) параметри (ккал/моль), які характеризують подвійне перенесення протону в формамідино-формамідному димері

Крім того, у рамках супермолекулярного і континуального наближень проведено аналіз впливу розчинника на топологію потенціальної поверхні подвійного перенесення протону. Обидва наближення свідчать про зміну механізму від узгодженого до стадійного, оскільки структура перехідного стану в газовій фазі трансформується в структуру, яка є локальним мінімумом.

В підрозділі 5.2 досліджується термодинаміка і кінетика подвійного перенесення протону в парах основ ДНК АТ і GC . З цією метою проаналізовано два типи даних: зміна уздовж координати реакції величин повних енергій, які не включають корекцію на нульову коливальну енергію, і зміну уздовж координати реакції вільної енергії Гіббса. Результати розрахунків приведені в табл. 15 і 16, а відповідні їм залежності візуалізовані на рис. 13. Дані, приведені в табл. 15, і одномірні діаграми зміни повних енергій (рис. 13А) свідчать про наявність двох мінімумів, що відповідають канонічним водневозв'язаним структурам і рідкісним таутомерам. Проте, більш точна картина про заселеність цих мінімумів може бути одержана, якщо розташувати в них енергетичні рівні, що відповідають коливанням протонів уздовж координати реакції.

Таблиця 15. Відносні енергії ( включають нульову коливальну енергію), які характеризують подвійне перенесення протона у Уотсон-Криківських парах основ ДНК при Т=300 К (ккал/моль)

Таблиця 16. Відносні вільні енергії Гіббса (рис. 13) , які характеризують подвійне перенесення протону у Уотсон-Криківських парах основ ДНК, Т=300 К (ккал/моль)

Як випливає з рис. 13А більше одного коливального рівня можна розташувати в мінімумах, що відповідають структурам пар АТ, GC і G*C* . Отже, ці мінімуми повинні бути заселені. В той же час у випадку структури А*Т* у локальному мінімумі не міститься жодного коливального рівня.

Ці результати стають яснішими після аналізу величин вільних енергій Гіббса, представлених в табл. 16, і відповідних профілів зміни вільної енергії Гіббса вздовж координати перенесення протону, представлених на рис. 13B. Видно, що у випадку подвійного перенесення протона в парі GC за кімнатної температури на поверхні вільної енергії Гіббса присутні два локальні мінімуми, які відповідають структурам GC і G*C*. В той же час мінімум, який відповідає структурі А*Т* на поверхні вільної енергії Гіббса відсутній. Отже, за кімнатної температури ми не можемо розглядати структуру А*Т* як стабільний комплекс.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 13. Профілі потенціалів (А) вільної енергії Гіббса (В) вздовж координати подвійного перенесення протонів в парах основ ДНК АТ і GC

Розраховано також константи швидкості подвійного перенесення протонів у GC-парі у прямому і зворотньому напрямку, які на рівні МР2/infinite//MP2/6-31G(d,p) при 298 K виявилися рівними 1,2·10⁷ і 1,2·10¹³ с^-1 відповідно. Це означає, що рівноважні концентрації рідкісних форм гуаніну і цитозину досягаються практично миттєво, як тільки-но гуанін і цитозин утворять водневозв'язану пару; при цьому стала рівноваги складає приблизно 2,0·10^-6 .

У підрозділі 5.3 з метою наблизити результати, одержані в підрозділі 5.2, до ситуації, характерної для ДНК, проведено вивчення впливу гідратації і впливу катіона на стабілізацію (дестабілізацію) АТ і GC пар основ ДНК, утворених канонічними ( АТ і GC) і рідкісними таутомерами ( А*Т* і G*C*). З цією метою проведено порівняння результатів методу DPS/DTSS (differential product/transition state stabilization) з даними, одержаними у супермолекулярному наближенні. Встановлено, що тільки дві із шести молекул, які формують гідратну оболонку АТ -пари, і одна із восьми молекул води, які формують гідратну оболонку GC-пари, стабілізують структури, що складаються з рідкісних таутомерів. Отже, наявність гідратної оболонки стабілізує пари основ ДНК, що мають канонічну будову. Аналогічне порівняння впливу катіона Na⁺ привело нас до дещо інших висновків. Одержані дані передбачають істотнішу стабілізацію структури А*Т* у порівнянні з АТ. Проте, загальна картина, представлена на рис. 13, при цьому зберігається. У випадку пари GC взаємодія з катіоном посилює стабілізацію канонічної структури.

Висновки

З використанням сучасних неемпіричних методів і наближень квантової хімії, що враховують кореляцію електронів, розраховано біологічно важливі фізико-хімічні властивості молекулярних компонентів ДНК - основ , 2'-дезоксирибонуклеотидів і водневозв'язаних пар основ у ізольованому стані, а також при взаємодії з обмеженою і необмеженою кількістю молекул води. Виокремлено методи, наближення квантової хімії і базисні набори, які найкраще поєднують зручності у роботі з потрібною точністю обчислень. Встановлено що, взаємодія компонентів ДНК з молекулами води істотно змінює низку їхніх біологічно важливих фізико-хімічних властивостей у порівнянні з ізольованим станом.

1. Встановлено факт сильної поляризації електронної структури основ ДНК водним оточенням, який може бути представлено як значний внесок цвітер-іонної резонансної форми. На прикладі гідратних комплексів, що містять не менше 12 зв'язаних молекул води, показано, що найбільшою мірою до цього ефекту схильний цитозин, а найменше - аденін; гуанін, тимін і урацил займають проміжне положення. На прикладі гуаніну виявлений ефект додатково підтверджено методом неемпіричної молекулярної динаміки. Показано, що структурні параметри моно- і дигідратованих оксо-аміно-форм гуаніну змінюються (відносно негідратованої молекули) тільки в областях утворення водневих зв'язків.

2. Проведено комплексний аналіз структурної нежорсткості ізольованих основ ДНК і нуклеотидів. За кімнатної температури усі ізольовані основи ДНК утворюють непласкі конформації попри те, що структурі локального мінімуму відповідає пласка конфігурація гетероциклу. Аналіз 2'-дезоксирибонуклеотидів показав, що основи ДНК, вбудовані в структуру мононуклеотидфосфата, залишаються нежорсткими, причому у ряді випадків навіть рівноважні конфігурації ядер приймають непласкі конформації. Структурна нежорсткість ізольованих основ ДНК у складі нуклеотидів підтверджена також методом неемпіричної молекулярної динаміки. молекулярний компонент іонізація днк

3. Доведено, що наближення МР2, яке використовує техніку спінової анігіляції для видалення спінового «забруднення» хвильової функції, отриманої методом HF, необмеженого за спіном (РМР2), гарантує практично експериментальну точність передбачення вертикальних потенціалів іонізації основ ДНК, включаючи відтворення експериментально спостережуваного ряду G < A < C ? T. Взаємодія основ з однією молекулою води призводить до максимального зниження потенціалу іонізації на 0,15 еВ, взаємодія з наступними другою і третьою молекулами знижує потенціал іонізації на 0,1 еВ. Зниження іонізаційних потенціалів макрогідратацією складає 3,48 - 4,05 еВ, що знаходиться у хорошій відповідності із середньою величиною, представленою у літературі (3,5 eВ).

4. Показано, що кількісне співпадіння розрахованих і експериментальних даних спорідненості ізольованих основ ДНК до протону досягається вже на рівні теорії збурень Мюллера-Плессета другого порядку, якщо взяти до уваги, що гуанін і цитозин існують в ізольованому стані як суміш таутомерів.

5. З метою інтерпретації експериментальних даних резонансної двохфотонної іонізаційної спектроскопії проведено неемпіричні квантово-хімічні розрахунки коливальних ІЧ-спектрів ізольованих і моногідратованих таутомерів гуаніну і N9(метил)-гуаніну. Зроблено висновок про те, що, на відміну від експериментів з гелієвими краплями, у цьому випадку спостерігаються високоенергетичні таутомери гуаніну. Ідентифіковано структуру моногідрату N9(метил)-гуаніну, яка фіксується експериментально.

6. При мікрогідратації гуаніну знайдено, що істотні зміни, які призводять до стабілізації його канонічної форми, настають при взаємодії з другою молекулою води. Відносний порядок стабільності його ізольованих таутомерів, підтверджений експериментальними даними: 7G ? 9G ? 9G* >> 7G*, зберігається й при моногідратації. Таутомерні властивості негідратованих 2'-дезоксирибонуклеотидів в anti- конформаціях практично такі ж самі, як й ізольованих основ, і не залежать від величини нескомпенсованого негативного заряду.

7. За кімнатної температури Уотсон-Криківська взаємодія водневими зв'зками гуаніну з цитозином призводить до хімічної рівноваги з утворенням незначної кількості їхніх рідкісних таутомерів, причому ця рівновага досягається практично миттєво. Уотсон-Криківська пара A*T*, утворена рідкісними таутомерами, не є стабільним інтермедіатом, тобто водневе зв'язування канонічних форм аденіну і тиміну у Уотсон-Криківську пару не сприяє таутомеризації основ.

8. Розраховано кінетичні параметри (висоти потенційних бар'єрів і константи швидкості), що характеризують швидкість внутрішньомолекулярного перенесення протону в гуаніні і цитозині. Показано, що швидкістю таутомеризації можна хімічно знехтувати у випадку ізольованих молекул. Взаємодія ж основ з молекулами води прискорює реакцію на 11 - 13 порядків і переводить її у розряд біологічно значущих. Показано, що таутомеризація ізольованих гуаніну і цитозину є нерівноважним, а моногідратованих основ - рівноважним процесом.

9. Оцінено можливий внесок таутомерії гуаніну і цитозину в частоту спонтанних точкових мутацій бактерій Е.coli. Результати розрахунків свідчать, що концентрація мутагенних таутомерних форм гуаніну вже через одну секунду після початку синтезу ДНК перевищує частоту спонтанних GCAT мутацій і, таким чином, може бути джерелом останніх.

10. Розраховано співвідношення амінних та імінних- таутомерів у водному розчині N-метил-Р, мутагенного синтетичного аналога цитозину. Показано, що розраховані таутомерні властивості практично не відрізняються від експериментальних. Таким чином незалежно підтверджено експериментальні данні та одержано їх фізико-хімічне тлумачення.

Перелік наукових праць, опублікованих за темою дисертації

1. Gorb L. Current Trends in Modeling Interactions of DNA Fragments With Polar Solvents / L. Gorb, J. Leszczynski // `'Computational Molecular Biology” of Theoretical and Computational Chemistry Book Series. - 1999. - V. 8. - P. 167-209. (Узагальнення літературних даних з квантово-хімічного моделювання взаємодії фрагментів ДНК з водою).

2. Gorb L. Chemistry of the Liquid State: Current Trends in Quantum-Chemical Modeling / L. Gorb, J. Leszczynski // Computational Chemistry: Reviews of Current Trends. - 1999. - V. 3. - p. 179-213. (Узагальнення літературних даних з квантово-хімічного моделювання впливу розчинника на фізичні і хімічні властивості розчинених молекул).

3. Are Isolated Nucleic Acid Bases Really Planar? A Car-Parrinello Molecular Dynamics Study / O. Isayev, A. Furmanchuk, O.V. Shishkin [et al.] // J. Phys. Chem. B. - 2007. - V. 111, N 13. - P. 3476-3481. (Планування досліджень та участь в інтерпретації результатів і написанні статті).

4. Near-UV Resonant Two-Photon Ionization Spectroscopy of Gas Phase Guanine: Evidence for the Observation of Three Rare Tautomers / M. Mons, F. Piuzzi, I. Dimicoli [et al.] // J. Phys. Chem. A. - 2006. - V. 110, N 38. - P. 10921-10924. (Виконання квантово-хімічних розрахунків та участь в інтерпретації результатів і написанні статті).

5. Influence of Microhydration on the Ionization Energy Thresholds of Thymine: Comparisons of Theoretical Calculations with Experimental Values / D.M. Close, C.E. Crespo-Hernandez, L. Gorb, J. Leszczynski // J. Phys. Chem. A. - 2006. - V. 110, N 23. - P. 7485-7490. (Ідея дослідження, постановка завдання, проведення обчислень, участь в обговоренні результатів і написання статті).

6. Podolyan Y. Rare Tautomer Hypothesis Supported by Theoretical Studies: Ab Initio Investigations of Prototropic Tautomerism in the N-Methyl-P Base / Y. Podolyan, L. Gorb, J. Leszczynski // J. Phys. Chem. A. - 2005. - V. 109, N 45. - P. 10445-10450. (Ідея та планування досліджень, виконання квантово-хімічних розрахунків, участь в інтерпретації результатів та написанні статті).

7. The Influence of Microhydration on the Ionization Energy Thresholds of Uracil and Thymine / D.M. Close, C.E. Crespo-Hernandez, L. Gorb, J. Leszczynski // J. Phys. Chem. A. - 2005. - V. 109, N 41. - P. 9279-9283. (Проведення квантово-хімічних обчислень, участь у обговоренні результатів і написанні статті).

8. Gorb L. Charges of Phosphate Groups. A Role in Stabilization of 2?-deoxyribonucleotides. A DFT Investigation / L. Gorb, O. Shishkin, J. Leszczynski // J. Biomol. Struct. Dyn. - 2005. - V. 22, N 4. - P. 441-454. (Планування досліджень, проведення квантово-хімічних розрахунків, участь в інтерпретації результатів та в написанні статті).

9. Gas Phase Rotamers of the Nucleobase 9-Methylguanine Enol and Its Monohydrate: Optical Spectroscopy and Quantum Mechanical Calculations / W. Chin, M. Mons, F. Piuzzi [et al.] // J. Phys. Chem. A. -2004. - V. 108, N 40. - P. 8237-8243. (Виконання квантово-хімічних розрахунків, участь в інтерпретації результатів та в написанні статті).

10. Conformational Analysis of Canonical 2-Deoxyribonucleotides. 2. Purine Nucleotides / O.V. Shishkin, L. Gorb, O.A. Zhikol, J. Leszczynski // J. Biomol. Struct. Dyn. - 2004. - V. 22, N 2. - P. 227-244. (Планування досліджень, проведення квантово-хімічних розрахунків, участь в інтерпретації результатів та в написанні статті).

11. Double-Proton Transfer in Adenine-Thymine and Guanine-Cytosine Base Pairs. A Post-Hartree-Fock ab Initio Study / L. Gorb, Y. Podolyan, P. Dziekonski [et al.] // J. Am. Chem. Soc. - 2004 . - V. 126, N 32. - P. 10119-10129. (Ідея та планування досліджень, виконання розрахунків, участь в інтерпретації результатів та в написанні статті).

12. Ab Initio Ionization Energy Thresholds of DNA and RNA Bases in Gas Phase and in Aqueous Solution / C.E. Crespo-Hernandez, R. Arce, Y. Ishikawa [et al.] // J. Phys. Chem. A. - 2004. - V. 108, N 30. - P. 6373-6377. (Провіведення квантово-хімічних обчислень, участь у написанні статті та обговоренні результатів).

13. Conformational Analysis of Canonical 2-Deoxyribonucleotides. 1. Pyrimidine Nucleotides / O. Shishkin, L. Gorb, O.A. Zhikol, J. Leszczynski // J. Biomol. Struct. Dyn. - 2004. - V. 21, N 4. - P. 537-553. (Планування досліджень, виконання квантово-хімічних розрахунків, участь в інтерпретації результатів та в написанні статті).

14. Podolyan Y. Ab Initio Study of the Prototropic Tautomerism of Cytosine and Guanine and Their Contribution to Spontaneous Point Mutations / Y. Podolyan, L. Gorb, J. Leszczynski // Int. J. Mol. Sci. - 2003. - V. 4, N 2. - P. 410-421. (Ідея та планування досліджень, виконання квантово-хімічних розрахунків, участь в інтерпретації результатів та в написанні статті).

15. Molecular Structure and Hydrogen Bonding in Polyhydrated Complexes of Adenine: A DFT Study / O.S. Sukhanov, O.V. Shishkin, L. Gorb [et al.] // J. Phys. Chem. B. - 2003. - V. 107, N 12. - P. 2846-2852. (Участь у плануванні досліджень, інтерпретації результатів та в написанні статті).

16. Podolyan Y. Double-Proton Transfer in the Formamidine-Formamide Dimer. Post-Hartree-Fock Gas-Phase and Aqueous Solution Study / Y. Podolyan, L. Gorb, J. Leszczynski // J. Phys. Chem. A. - 2002. - V. 106, N 50. - P. 12103-12109. (Ідея досліджень, участь в інтерпретації результатів та в написанні статті).

17. The Interaction of the Most Stable Guanine Tautomers with Water. The Structure and Properties of Monohydrates / O.V. Shishkin, O.S. Sukhanov, L. Gorb, and J. Leszczynski // Phys. Chem. Chem. Phys. - 2002. - V. 4, N 21. - P. 5359-5365. (Планування досліджень, участь у інтерпретації результатів та в написанні статті).

18. A Quantum-Dynamics Study of the Prototropic Tautomerism of Guanine and Its Contribution to Spontaneous Point Mutations in Escherichia Coli / L. Gorb, Y. Podolyan, J. Leszczynski [et al.] // Biopol. (Nuc. Acid Sci.). - 2002. - V. 61, N1. - P. 77-83. (Ідея досліджень, виконання розрахунків, участь в інтерпретації результатів).

19. A Theoretical Investigation of Tautomeric Equilibria and Proton Transfer in Isolated and Hydrated Thiocytosine / Y. Podolyan, L. Gorb, A. Blue, J. Leszczynski // J. Mol. Struct.-Theochem. - 2001. - V. 549, N 1-2. - P. 101-109. (Планування досліджень, участь в інтерпретації результатів та в написанні статті).

20. Shishkin O.V. Modeling of the Hydration Shell of Uracil and Thymine / O.V. Shishkin, L. Gorb, and J. Leszczynski // Int. J. Mol. Sci. - 2000. - V. 1, N 1. - P. 17-27. (Участь у плануванні досліджень, виконанні квантово-хімічних розрахунків, інтерпретації результатів та в написанні статті).

21. Structural Nonrigidity of Nucleic Acid Bases. Post-Hartree-Fock ab initio Study / O.V. Shishkin, L. Gorb, P. Hobza, J. Leszczynski // Int. J. Quantum Chem. - 2000. - V. 80, N 4-5. - P. 1116-1125. (Проведення квантово-хімічних обчислень, участь у написанні статті та обговоренні результатів).

22. A Direct-Dynamics Study of Proton Transfer through Water Bridges in Guanine and 7-Azaindole / Z. Smedarchina, W. Siebrand, A. Fernandez-Ramos [et al.] // J. Chem. Phys. - 2000. - V. 112, N 2. - P. 566-573. (Проведення обчислень, участь в інтерпретації результатів та в написанні статті).

23. Podolyan Y. Protonation of Nucleic Acid Bases. A Comprehensive Post-Hartree-Fock Study of the Energetics and Proton Affinities / Y. Podolyan, L. Gorb, J. Leszczynski // J. Phys. Chem. A. - 2000. - V. 104, N 31. - P. 7346-7352.

24. Shishkin O.V. Does the Hydrated Cytosine Molecule Retain the Canonical Structure? A DFT Study / O.V. Shishkin, L.Gorb, J.Leszczynski // J. Phys. Chem. B. - 2000. - V. 104, N 22. - P. 5357-5361. (Планування досліджень, участь в інтерпретації результатів та в написанні статті).

25. Hovorun D.M. From the Nonplanarity of the Amino Group to the Structural Nonrigidity of the Molecule: A Post-Hartree--Fock Ab Initio Study of 2-Aminoimidazole / D.M. Hovorun, L. Gorb, J. Leszczynski // Int. J. Quantum Chem. - 1999. - V. 75, N 3. - P. 245-253. (Виконання квантово-хімічних розрахунків, участь в інтерпретації результатів та в написанні статті).

26. Gorb L. A Theoretical Investigation of Tautomeric Equilibria and Proton Transfer in Isolated and Monohydrated Cytosine and Isocytosine Molecules / L. Gorb, Y. Podolyan, J. Leszczynski // J. Mol. Struct.-Theochem. - 1999. - V. 487, N 1-2. - P. 47-55. (Планування досліджень, виконання розрахунків, участь в інтерпретації результатів та в написанні статті).

27. Gorb L. Intramolecular Proton Transfer in Monohydrated Tautomers of Cytosine: An Ab initio Post-Hartree--Fock Study / L. Gorb, J. Leszczynski // Int. J. Quantum Chem. - 1998.- V. 70, N 4-5. - P. 855-862. (Планування досліджень, виконання розрахунків, участь в інтерпретації результатів та в написанні статті).

28. Gorb L. Intramolecular Proton Transfer in Mono- and Dihydrated Tautomers of Guanine: An ab Initio Post Hartree--Fock Study / L. Gorb, J. Leszczynski // J. Am. Chem. Soc. - 1998. - V. 120, N 20. - p. 5024-5032. (Планування досліджень, виконання квантово-хімічних розрахунків, участь в інтерпретації результатів та написанні статті).

29. Gorb L. Ab Initio Prediction of the Geometry and IR Frequencies of the Mono- and Dihydrated Complexes of the Oxo-Amino-Tautomers of Guanine / L. Gorb, J. Leszczynski // Int. J. Quantum Chem. - 1997. - V. 65, N 5. - P. 759-765. (Планування досліджень, проведення квантово-хімічних розрахунків, участь в інтерпретації результатів та написанні статті).

30. Combined ab Initio Molecular Dynamics and Quantum-Chemical Study of Selected Chemical Processes of Biological Importance / L. Gorb, O. S. Suhanov, O. Isaev, A. Furmanchuk, I. Tunon, M. F. Ruiz-Lopes, O.V. Shishkin, J. Leszczynski // 4^th Southern School on Computational Chemistry: March 26-27, 2004. - Orange Beach, AL, 2004. - P.41. (Планування досліджень, виконання квантово-хімічних розрахунків, участь в інтерпретації результатів).

31. Ab Initio Ionization Energy Thresholds of DNA and RNA Bases in Gas Phase and in Aqueous Solution / C.E. Crespo-Hernбndez, R. Arce, Y. Ishikawa, L. Gorb, J. Leszczynski, D. M. Close / 4^th Southern School on Computational Chemistry: March 26-27, 2004. - Orange Beach, AL, 2004. - P. 33. (Планування досліджень, виконання квантово-хімічних розрахунків, участь в інтерпретації результатів).

32. Rare (Hydroxo) Tautomers of Nucleotides / T.L. Robinson, L. Gorb, O. Shishkin, J. Leszczynski // 4^th Southern School on Computational Chemistry, Orange Beach: March 26-27, 2004. - Orange Beach, AL, 2004. - P. 99. (Планування досліджень, виконання квантово-хімічних розрахунків, участь в інтерпретації результатів).

33. Gorb L. The Influence of Water on the Double-Proton Transfer in Methylated Guanine-Cytosine Base Pair. An ab Initio Study / Y. Podolyan, L. Gorb, J. Leszczynski // 4^th Southern School on Computational Chemistry: March 26-27, 2004. - Orange Beach, AL, 2004. - P. 87. (Планування досліджень, виконання квантово-хімічних розрахунків, участь в інтерпретації результатів).

34. Theoretical ab Initio Study of the Effects of Methylation on Structure and Stability of Watson-Crick Base Pairs / A. Flood, G. Forde, C. Hubbard, L. Salter, G. Hill, L. Gorb, J. Leszczynski [et al.] // Third Southern School on Computational Chemistry: March 28-29, 2003. - Orange Beach, AL, 2003. - P. 20. (Планування досліджень, виконання квантово-хімічних розрахунків, участь в інтерпретації результатів)

35. Comprehensive Study of the Effects of Methylation on Tautomeric Equilibria of Nucleic Acid Bases / G. Forde, A. Flood, A. Fortner, L. Gorb, J. Leszczynski // 12th Conference on Current Trends in Computational Chemistry: October 31-November 1, 2003. - Jackson, MS, 2003. - P.54. (Планування досліджень, виконання квантово-хімічних розрахунків, участь в інтерпретації результатів).

36. Gorb L. Double Proton Transfer in DNA Base Pairs and Prototypic Complexes / L. Gorb, Y. Podolyan, J. Leszczynski // Third Southern School on Computational Chemistry: March 28-29, 2003. - Orange Beach, AL, 2003. -P. 23. (Планування досліджень, виконання квантово-хімічних розрахунків, участь в інтерпретації результатів).

37. Theoretical Investigation of 3-Methyl-Cytosine Hydration / A. Furmanchuk, O. Isayev, L. Gorb, J. Leszczynski // 12th Conference on Current Trends in Computational Chemistry: October 31-November 1, 2003. - Jackson, MS, 2003. - P.60. (Планування досліджень, виконання квантово-хімічних розрахунків, участь в інтерпретації результатів).

38. Structure and Property of Polyhydrated Complexes of Guanine: A Density Functional Study / O. S. Sukhanov, O. V. Shishkin, L. Gorb, J. Leszczynski // Third Southern School on Computational Chemistry: March 28-29, 2003. - Orange Beach, AL, 2003. -P. 73. (Планування досліджень, виконання квантово-хімічних розрахунків, участь в інтерпретації результатів).

39. Podolyan Y. Ab initio Post-Hartree-Fock Gas-Phase and Water Study on the Double Proton Transfer Phenomenon in the Formamidine-Formamide Dimer / Y. Podolyan, L. Gorb, J. Leszczynski // 10^th Conference on Current Trends in Computational Chemistry: November 1-3, 2001: - Jackson, MS, 2001. - P. 171. (Планування досліджень, виконання квантово-хімічних розрахунків, участь в інтерпретації результатів).

40. Hovorun D. Pronounced Structural Nonrigidity of the Canonical DNA Bases: A Post Hartree-Fock Quantum-Chemical Study / D. Hovorun, L. Gorb, J. Leszczynski // 10^th Conference on Current Trends in Computational Chemistry: November 1-3, 2001: - Jackson, MS, 2001. - P. 106. (Планування досліджень, виконання квантово-хімічних розрахунків, участь в інтерпретації результатів).

41. Gorb L. Tautomeric Properties of Guanine. Chemical and Biological Overview / L. Gorb, J. Leszczynski // 10^th Conference on Current Trends in Computational Chemistry: November 1-3, 2001: - Jackson, MS, 2001. - P. 88. (Планування досліджень, виконання квантово-хімічних розрахунків, участь в інтерпретації результатів).

42. Ab initio Study of Irradiated Species of 1-Methyl Thymine and 1-Methyl Uracil / G. Forde, L. Gorb, D. Close, J. Leszczynski // 10^th Conference on Current Trends in Computational Chemistry: November 1-3, 2001: - Jackson, MS, 2001. - P. 79. (Планування досліджень, виконання квантово-хімічних розрахунків, участь в інтерпретації результатів).

Анотація

Горб Л.Г. Неемпіричне квантово-хімічне моделювання біологічно суттєвих фізико-хімічних властивостей ізольованих та гідратованих молекулярних компонентів ДНК. -Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора хімічних наук за спеціальністю 02.00.04 - фізична хімія. - Харківський національний університет іменi В.Н. Каразіна, Харків, 2008.

З використанням неемпіричних методів і наближень квантової хімії, що враховують кореляцію електронів, розраховані біологічно важливі фізико-хімічні властивості молекулярних компонентів ДНК - основ, 2'-дезоксирибонуклеотидів і водневозв'язаних пар основ у ізольованому стані, а також при взаємодії з обмеженою і необмеженою кількістю молекул води. Окреслено методи, наближення квантової хімії і базисні набори, які найкраще поєднують зручності у роботі з потрібною точністю обчислень.

Показано, що взаємодія фрагментів ДНК з молекулами води суттєво змінює низку їхніх біологічно важливих фізико-хімічних властивостей порівняно з ізольованим станом. Зроблено висновок, що адекватні квантово-хімічні моделі механізмів функціонування ДНК в біологічних системах вимагають акуратного врахування ступеню їхньої гідратації.

Ключові слова: фізико-хімічні властивості, молекулярні компоненти ДНК, геометричні параметри, потенціал іонізації, спорідненість до протону, переносення протона,мікро- та макрогідратація, неемпіричні квантово-хімічні розрахунки.

Аннотация

Горб Л.Г. Неэмпирическое квантово-химическое моделирование биологически важных физико-химических свойств изолированных и гидратированных молекулярных компонентов ДНК. -Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора химических наук по специальности 02.00.04 - физическая химия. - Харьковский национальный университет имени В.Н. Каразина, Харьков, 2008.

Диссертация посвящена применению современных методов неэмпирической квантовой химии для изучения биологически значимых физико-химических свойств молекулярных компонентов ДНК, предсказанию и анализу их поведения в изолированном состоянии, при взаимодействии друг с другом, а также в условиях микро- и макрогидратации.

Установлен факт поляризации электронной структуры оснований ДНК водным окружением, который может быть представлен как значительный вклад цвиттер-ионной резонансной формы. На примере гидратных комплексов, содержащих 12 и более молекул воды, показано, что в наибольшей степени этому эффекту подвержен цитозин, а в наименьшей - аденин. Гуанин, тимин и урацил занимают промежуточное положение. На примере молекулы гуанина обнаруженный эффект дополнительно подтвержден методом неэмпирической молекулярной динамики. Показано также, что структурные параметры моно- и дигидратированных оксо-амино-форм гуанина изменяются (относительно негидратированной молекулы) только в областях образования водородных связей.

Выполнен комплексный анализ структурной нежесткости изолированных оснований ДНК и нуклеотидов. Установлено, что при комнатной температуре все изолированные основания ДНК образуют неплоские конформации, несмотря на то, что структуре локального минимума соответствует плоская конфигурация гетероциклов. Анализ 2'-дезоксирибонуклеотидов показал, что основания ДНК, встроенные в нуклеотид, продолжают оставаться нежесткими, причем в ряде случаев они принимают неплоские конформации даже в области равновесной конфигурации ядер. Структурная нежесткость изолированных оснований ДНК подтверждена методом неэмпирической молекулярной динамики.

Показано, что приближение МР2, использующее технику спиновой аннигиляции для удаления спинового «загрязнения» волновой функции метода HF, неограниченного по спину (РМР2), приводит к практически экспериментальной точности в расчетах вертикальных потенциалов ионизации оснований ДНК, включая воспроизведение экспериментально наблюдаемого ряда G < A < C ? T. Взаимодействие оснований с первой молекулой воды приводит к максимальному понижению потенциала ионизации на 0,15 эВ, взаимодействие со второй и третьей молекулой воды понижает потенциал ионизации на 0,1 эВ. Понижение ионизационных потенциалов под действием макрогидратации составляет 3,48 - 4,05 эВ, что находится в хорошем соответствии со средней величиной, используемой в литературе - 3,5 эВ.

Найдено, что количественного совпадения расчетных и экспериментальных данных сродства к протону у изолированных оснований ДНК можно достичь на уровне теории возмущений Мюллера-Плессета, если принять во внимание существование гуанина и цитозина в изолированном состоянии как смеси таутомеров.

С целью интерпретации экспериментальных данных резонансной двухфотонной ионизационной спектроскопии проведены неэмпирические квантово-химические расчеты колебательных ИК-спектров, изолированных и моногидратированных таутомеров гуанина и N9(метил)-гуанина. Сделан вывод о том, что в отличие от низкотемпературных экспериментов с гелиевыми каплями в этом случае наблюдаются высокоэнергетичные таутомеры гуанина. Идентифицирована экспериментально наблюдаемая структура моногидрата N9(метил)-гуанина.

При моделировании микрогидратации гуанина найдено, что существенные изменения, приводящие к стабилизации его канонической формы, наступают при взаимодействии со второй молекулой воды. Относительный порядок стабильности его изолированных таутомеров, подтвержденный экспериментальными данными: 7G ? 9G ? 9G* >> 7G*, сохраняется в случае моногидратации. Таутомерные свойства негидратированных 2'-дезоксирибонуклеотидов в anti- конформациях практически такие же, как и в изолированных основаниях, и не зависят от величины нескомпенсированного отрицательного заряда.

На основании анализа относительных свободных энергий Гиббса показано, что при комнатной температуре уотсон-криковское взаимодействие гуанина с цитозином водородными связями приводит к химическому равновесию с образованием малой доли редких таутомеров гуанина и цитозина. Оно достигается практически мгновенно после образования GC- пар. В противоположность этому уотсон-криковская пара A*T*, образованная редкими таутомерами, не существует как стабильный интермедиат, т.е. Н-связывание канонических форм аденина и тимина не способствует образованию редких таутомеров этих оснований.

Рассчитаны кинетические параметры (высоты потенциальных барьеров и константы скорости), характеризующие скорость внутримолекулярного переноса протона в гуанине и цитозине. Показано, что скорость таутомеризации химически пренебрежима в случае изолированных молекул. Взаимодействие оснований с молекулами воды ускоряет реакцию на 11 - 13 порядков и переводит ее в разряд биологически значимых. Показано, что таутомерные переходы в негидратированных гуанине и цитозине являются неравновесными процессами, а в моногидратированных - равновесными.

Обсужден возможный вклад таутомерии гуанина и цитозина в частоту спонтанных точечных мутаций в бактериях Е.coli. Результаты расчетов свидетельствуют, что концентрации таутомерных форм гуанина уже через одну секунду после начала синтеза ДНК превышают величину частоты спонтанных GCAT переходов и могут быть источником этих мутаций.

Рассчитано соотношение амино- и имино-таутомеров в водном растворе N-метил-Р, мутагенного аналога оснований ДНК, для которого имеются экспериментальные данные по отношение концентраций имино- и амино-форм в водном растворе. Показано, что рассчитанные таутомерные свойства практически не отличаются от экспериментально наблюдаемых. Таким образом, получено независимое подтверждение точности экспериментальных измерений.

Взаимодействие компонентов ДНК с молекулами воды существенно изменяет ряд их биологически важных физико-химических свойств по сравнению с таковыми в изолированном состоянии. Следовательно, адекватные квантово-химические модели механизмов функционирования ДНК в биологических системах требуют аккуратного учета степени их гидратации.

Ключевые слова: физико-химические свойства, молекулярные компоненты ДНК, геометрические параметры, потенциал ионизации, сродство к протону, перенос протона, микро- и макрогидратация, немпирические квантово-химические расчеты.

Summary

Gorb L.G. Nonempirical quantum-chemical modelling of biologically significant physical and chemival properties of isolated and hydrated DNA molecular components. - Manuscript. A dissertation for a Doctor of sciences degree by speciality 02.00.04 - physical chemistry. - Kharkiv National V.N. Karazin University, Kharkiv, 2008.

Biologically significant physical and chemical properties of molecular components of DNA - bases, 2'-deoxyribonucleotides and hydrogen bonded pairs have been studied at ab initio level that includes electron correlation. Those properties are predicted for both isolated and interacting with limited or unlimited amount of water molecules species. The quantum-chemical methods, approximations and basis sets that are sufficient to predict required properties and are not computer time demanding have been selected.

It has been concluded that interaction of DNA components with water molecules changes significantly biologically important physical and chemical the properties comparing to the ones in isolated state. Therefore, the adequate quantum-chemical models describing the mechanisms of a DNA functioning in biological systems need a careful inclusion of DNA hydration.

Keywords: physical and chemical properties, of DNA molecular conpomponents, geometrical parameters, ionization potentials, proton affinity, proton transfer, micro- and macrohydration, nonempirical quantum-chemical calculations.

Размещено на Allbest.ru