Теоретичне дослідження структури і властивостей моно і полігідратів гуаніну і аденіну

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ В.Н. КАРАЗІНА

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук

ТЕОРЕТИЧНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ СТРУКТУРИ ТА ВЛАСТИВОСТЕЙ МОНО- І ПОЛІГІДРАТІВ ГУАНІНУ ТА АДЕНІНУ

02.00.04 - фізична хімія

СУХАНОВ ОЛЕГ СТАНІСЛАВОВИЧ

ХАРКІВ - 2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в ДНУ ''НТК ''Інститут монокристалів'' НАН України'' м. Харків.

Науковий керівник доктор хімічних наук, Шишкін Олег Валерійович, Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, професор кафедри неорганічної хімії, перший заступник генерального директора ДНУ ''НТК ''Інститут монокристалів'' НАН України'' м. Харків

Офіційні опоненти: доктор хімічних наук, старший науковий співробітник, Лобанов Віктор Васильович, провідний науковий співробітник Інституту хімії поверхні НАН України, м. Київ.

кандидат хімічних наук, доцент кафедри неорганічної хімії Калугін Олег Миколайович, Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, декан хімічного факультету.

Захист відбудеться «12» грудня 2008 р. о 16 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.051.14 у Харківському національному університеті імені В.Н. Каразіна (Україна, 61077, Харків, пл. Свободи, 4)

З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна (Україна, 61077, Харків, пл. Свободи, 4)

Автореферат розісланий “7” листопада 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 64.051.14 к.х.н., доцент В.Г. Панченко

АНОТАЦІЯ

Суханов О.С. Теоретичне дослідження структури і властивостей моно і полігідратів гуаніну і аденіну.- Рукопис.

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

За допомогою методів аb initio квантової хімії були вивчені моногідрати і полігідрати пуринових основ ДНК. В рамках дисертації здійснено (проведено) систематичне дослідження структури моногідратів найбільш стабільних таутомерів

гуаніну і аденіну. Проаналізована відносна стабільність комплексів. Було знайдено, що число стабільних комплексів основа-вода залежить від таутомерної форми основи. Зокрема були запропоновані моделі для побудови гідратних оболонок. На основі аналізу топології розподілу електронної густини в наближенні теорії AIM і NBO були досліджені характер і особливості водневих зв'язків в полігідратних комплексах. Показано, що взаємодія з водою може істотно деформувати геометрію пуринових основ. Встановлено, що особливий розподіл положень молекул води навколо аденіну і гуаніну сприяють утворенню незвичайних водневих зв'язків.

За допомогою ab initio молекулярної динаміки в наближенні Кара-Паррінелло вивчена структура полігідратів гуаніну і аденіну.

На прикладі комплексів з водневим зв'язком проведені порівняльні дослідження методів неемпіричної квантової хімії, зокрема теорії обурень Меллера - Плесета 2 порядку (MP2), теорії функціоналу густини (DFT), Карр-Паррінелло молекулярної динаміки (CPMD).

Ключові слова: моногідрати, полігідрати, основи ДНК, гуанін, аденін, гідратація, структура, молекулярна динаміка, аb initio розрахунки.

АННОТАЦИЯ

Суханов О.С. Теоретическое исследование структуры и свойств моно и полигидратов гуанина и аденина.- Рукопись.

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

В рамках работы проведено систематическое исследование структуры моногидратов наиболее стабильных таутомеров гуанина и аденина. Были рассчитаны энергии взаимодействия оснований с водой с учетом суперпозиционной ошибки, частоты нормальных колебаний, термодинамические характеристики комплексов.

Проанализирована относительная стабильность комплексов. Было найдено, что число стабильных комплексов основание-вода зависит от таутомерной формы основания ДНК. Показано, что изменение таутомерной формы основания приводит к образованию дополнительных водородных связей между гуанином и водой, которые не характерны для канонического таутомеров гуанина и аденина.

Было найдено, что наиболее чувствительной к взаимодействию с водой является геометрия аминогруппы. Взаимодействие с водой влияет на длины связей и валентные углы молекул оснований главным образом в области межмолекулярных водородных связей.

С помощью методов аb initio квантовой химии были изучены полигидратные комплексы пуриновых оснований ДНК. Предложена модель для построения гидратной оболочки. Изучено влияние сольватной оболочки на геометрические параметры оснований. На основе анализа топологии распределения электронной плотности в приближении теории «атомы в молекуле» (AIM) и натуральных орбиталей (NBO) были исследованы характер и особенности водородных связей в полигидратных комплексах. Показано, что взаимодействие с водой может существенно деформировать геометрию пуриновых оснований. Установлено, что распределение молекул воды вокруг аденина и гуанина способствует образованию необычных водородных связей, которые для моногидратных комплексов не характерны. Показано, что в отдельных случаях акцептором водородной связи между основанием и водой является -система пуриновых оснований ДНК и неподеленная пара атома азота аминогруппы.

С помощью ab initio молекулярной динамики в приближении Карр-Парринелло изучена структура полигидратов гуанина и аденина. Найдена структура первой гидратной оболочки вокруг гуанина и аденина. Проанализированы функции радиального распределения и найдены координационные числа. Показано, что время жизни или вероятность определенных конфигураций этой оболочки зависит от количества молекул воды, непосредственно взаимодействующих с гуанином. Наиболее вероятны структуры комплексов, в которых с гуанином непосредственно взаимодействуют 9, 10 и 11 молекул воды, а с аденином 4 и 5 молекул воды.

Ключевые слова: моногидраты, полигидраты, основания ДНК, гуанин, аденин, гидратация, структура, молекулярная динамика, ab initio расчеты.

ABSTRACT

Sukhanov O.S. Theoretical research the structure and property of mono and polyhydrates of guanine and adenine.- Manuscript.

The thesis for candidate of Science degree in speciality 02.00.04 - physical chemistry. V.N. Karazin Kharkiv National University, Kharkiv, 2008.

The Molecular structures and properties of mono and polyhydrates complexes of adenine and guanine were calculated using ab initio approach of quantum chemistry. The systematic research of the structure of the most stable guanine and adenine tautomers monohydrates was performed in the context of this thesis. It have been found that the number of stable complexes of base-water depends on a tautomeric form DNA base. We proposed model for representation of the first hydration shell of purine DNA bases. Formation a hydrogen bonds net leads to a significant deformation of the geometry parameters bases. Our data reveal the possibility of the formation of unusual hydrogen bonds in polyhydrated complexes.

A Bader's atoms-in-molecules (AIM) topological analysis of the election density distribution and Natural Bond Orbital (NBO) approach have been carried out for the study of characteristics of hydrogen bonds.

The structure of polyhydrates of guanine and adenine have been investigated by ab initio molecular dynamics using the Car-Parrinello approach..

Key words: Monohydrates, polyhydrates, DNA bases, guanine, adenine, hydration, structure, molecular dynamics, ab initio calculation.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Отримані дані про характер можливих взаємодій між гуаніном, аденіном і водою можуть служити основою для досліджень гідратації нуклеїнових кислот, а також для моделювання різних процесів, в яких беруть участь ці сполуки. Зокрема вони є основою для уточнення параметризації силових полів молекулярної динаміки, за допомогою яких описується динаміка нуклеїнових кислот. Величини відносних енергій моногідратів різних таутомерів основ є базою для інтерпретації спектральних даних про таутомерні рівноваги.

Особистий внесок здобувача полягає в проведенні квантово-хімічних розрахунків, математичній обробці і узагальненні одержаних даних, їх порівняльному аналізі, активної участі в постановці завдань дослідження, формулювання висновків та підготовки до публікацій.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації були представлені на наукових конференціях різного рівня: Регіональній конференції молодих учених і студентів з актуальних проблем хімії (Дніпропетровськ, 2000); III Національної конференції по крісталлохімії. (Росія, Черноголовка, 2003); Україно-польсько-молдавському симпозіумі по супрамолекулярній хімії. (Київ, 2003); Міжнародної конференції «Хімія азотвмісних гетероциклів» (Харків, 2003); I української наукової конференції «Проблеми бiологiчної i медічної фiзики» (Харкiв, 2004); III школі-конференції «Розрахунки великих молекулярних систем» (США, Орендж-бич, 2003); IV школі-конференції «Розрахунки великих молекулярних систем» (США, Орендж-бич, 2004); 13 конференції «Сучасні тенденції комп'ютерної хімії» (США, Джексон, 2004); 1 міжнародної конференції «Методи і застосування комп'ютерної хімії» (Харків, 2005).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 4 статті в провідних міжнародних наукових журналах, 10 тез доповідей на наукових конференціях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з введення, 6 розділів, висновків, списку літератури з 190 найменувань і викладена на 162 сторінках машинописного тексту, включає 35 таблиць і 59 малюнків.

У першому розділі представлено огляд літературних даних з проблеми гідратації основ ДНК.

Другий розділ містить опис методів розрахунку і теоретичних досліджень гідратів аденіну і гуаніну.

У третьому розділі описано власні результати автора по теоретичному дослідженню моногідратних комплексів таутомерів гуаніну і аденіну.

Четвертий розділ присвячено вивченню полігідратних комплексів аденіну і гуаніну.

П'ятий розділ містить дані моделювання гідратації пуринових основ нуклеїнових кислот за допомогою методу ab initio молекулярної динаміки.

У шостому розділі приведено дані по будові і властивостям моногідратів амінів, в яких аміногрупа виступає в ролі акцептора протона.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ. Обґрунтовано актуальність теми дослідження, сформульовано мету і завдання, які потрібно вирішити, показано новизну і практичне значення роботи.

У першому розділі, який є оглядом літературних даних, проведено узагальнення результатів попередніх наукових досліджень гідратації і таутомерії пуринових основ нуклеїнових кислот. Було показано, що даному напрямку досліджень приділяється велика увага в світовій науці. Розглянуто основні існуючі підходи для вивчення цієї проблеми. Вказано, що теоретичні дослідження на основі ab initio методів квантової хімії, свідчать про значний вплив молекул води на геометрію і різні властивості основ, на термодинаміку і кінетику таутомерних перетворень. А експериментальні дані на базі методів масс-спектрометрії і ІК/УФ спектроскопії доводять можливість існування і стійкість комплексів нуклеїнових основ з водою. Було описано важливу роль, яку відіграє гідратація пуринових основ в структурі і функціях нуклеїнових кислот. Приділено увагу характеру і особливостям гідратації пуринових основ в ДНК.

Моногідрати аденіну. На підставі характеру взаємодії вода-основа моногідрати аденіну можливо розділити на групи комплексів. Найбільш сильні водневі зв'язки утворюються в комплексах W110, W710 і W39. Комплекси, в яких тільки аденін виступає акцептором протону, а також за участю групи С(8)-Н мають невеликі енергії взаємодії і є найменше стабільними в своій групі. Енергія взаємодії вода-основа для аденіну лежить в межах: 4,5 - 11,6 ккал/моль.Встановлено, що у ряді відносної стабільності, яка змінюється в наступному порядку: Ade9-W39>Ade9-W710>Ade9-W110>Ade7-W710>Ade7-W110>Ade9*-W110, найбільш нестійкі це комплекси Ade7* і Ade9*, тоді як моногідрати таутомерів Ade9 і Ade7 є найбільш стабільними.

Максимальна стабілізація унаслідок гідратації відбувається при утворенні моногідрату Ade9*-W110 (~1.5ккал/моль), який має найбільшу величину енергії взаємодії (-11.62 ккал/моль). Найбільш енергетично вигідні положення гідратації, для яких характерні енергії взаємодії від -8.5 ккал/моль до -11.62 ккал/моль, знаходяться або біля аміногрупи і атомів N3 і N9, або біля екзоциклічної іміногрупи. Зміна таутомерної форми основи приводить до виникнення додаткової стабілізуючої взаємодії C-H...O, за участю групи C(8)-H, між аденіном і водою. Подібні комплекси за участю канонічної форми не утворюються.

Результати розрахунків показали, що геометрія аміногрупи є дуже чутливою до взаємодії аденіну з водою. Утворення міжмолекулярного водневого зв'язку з участю NH₂ групи є причиною сплощення аміногрупи і укорочення зв'язку N(10)-C(6). Це пов'язано із значним спряженням неподіленої пари атому азоту N10 з ароматичною системою і впливом на геометрію аденіну додаткових резонансних структур.

У четвертому розділі «Полігідратні комплекси пуринових основ нуклеїнових кислот» було представлено розрахунки молекулярної структури полігідратних комплексів аденіну і гуаніну. Процедура побудови комплексів аденіну і гуаніну з молекулами води включала: а) визначення найбільш стабільного моногідрата; б) додавання нової молекули води і визначення найбільш стабільного дигідрату; в) повторення цієї процедури до повної побудови замкнутого ланцюга молекул води. Ці розрахунки було виконано в наближенні HF/6-31G(d) в рамках теорії фрагментних потенціалів. Далі геометрія комплексів була повністю оптимізована в наближенні B3LYP/6-31G(d) і B3LYP/6-311G(d,p).

Полігідратні комплекси гуаніну. На оптимізовану структуру комплексу гуаніну з 12 молекулами води (G12W). Показано, що для комплексів гуаніну характерні гідратні оболонки симетричні до площини основи. Водневі зв'язки можуть бути диференційовані на декілька типів залежно від їх місця розташування і сили. Знайдено, що найбільш сильні водневі зв'язки першого типу (1.732-1.763Е) утворюються за участю карбонільної групи і атомів азоту імідазольного циклу. Було підтверджено можливість існування зв'язків C (8) - H...О.

Для оцінки енергії водневих зв'язків був використаний підхід, який базується на аналізі топології розподілу електронної густини молекули. Оскільки величина лапсасіану електронної густини в критичній точці зв'язку (3-1) добре корелює з енергією зв'язку, нами було запропоновано середнє значення лапсасіана (Lap) для всіх зв'язків певного типу в полігідратних комплексах, використовувати для характеристики сили водневих зв'язків в системі.

Дослідження моногідратів найбільш стабільних таутомерів гуаніну і аденіну показало, що утворення зв'язку N…H-O між водою і аміногрупою можливо тільки для неканонічних таутомерів пуринових основ. Проте аміногрупа в комплексі канонічної форми гуаніну з 13 молекулами води (G13W) може брати участь в подібній взаємодії.

Аналізуючи можливість утворення O-H…р водневих зв'язків, ми дослідили молекулярну структуру комплексу гуаніну з 16 і 17 молекулами води. Знайдено, що неподілена пара азоту і р-система гуаніну одночасно виступають в ролі акцептора протона (рис. 5), причому внесок -системи як акцептора протонів залежить від орієнтації молекули води відносно середньої площини пуринового біциклу. Акцептором протона в інших випадках може виступати тільки р-орбіталь C(4)-C(5).

Таблиця 1. Довжини зв'язків (Е) в ізольованому і гідратованому гуаніні|.

Взаємодія основи з водою викликає поляризацію основи і помітно впливає на молекулярну структуру гуаніну. Найбільш суттєві зміни геометричних параметрів спостерігаються для карбонільної і аміногрупи. У гуаніні довжина карбонільного зв'язку, а зв'язок C(2)-N(11) коротше на 0.04Е. При цьому ступінь пірамідальності аміногрупи зменшується. Ці дані дозволяють припустити, що сильний внесок в геометрію G12W - G17W вносять додаткові резонансні структури. На рис. 4 представлені основні з них, які ми знайшли за допомогою резонансної теорії натурального аналізу.

Результати квантово-хімічних розрахунків енергії взаємодії молекул води з гуаніном свідчать про те, що гуанін володіє значно вищою здатністю до взаємодії з молекулами води, чим аденін, урацил і тимін, оскільки величина енергії взаємодії складає -77,81, що в 2 рази вище, ніж для решти основ ДНК.

Додаткове дослідження комплексу гуаніну з водою за допомогою ab initio молекулярної динаміки в наближенні Карра-Паррінелло показало, що сольватна оболонка, що складається з 12 молекул води, термодинамічно стійка і час життя комплексу складає не менше 2.5 пс.

Якщо розрив і утворення водневих зв'язків між молекулою гуаніну і сольватною оболонкою відбуваються асинхронно, то середнє число місткових водневих зв'язків вода-вода підтримується за рахунок узгоджених і синхронних процесів розриву і утворення водневих зв'язків між молекулами води.

Полігідратні комплекси аденіну. Гідратна оболонка в комплексі аденіну з 12 молекулами H₂O (Ade9-12W) істотно неплоска (рис. 7), тому що утворення водневих зв'язків і значна непланарність геометрії аміногрупи обумовлює відхилення молекул води від площини основи. Згідно з аналізом геометричних характеристик зв'язків і значення лапсасіана електронної густини, водневі зв'язки між молекулами води сильніші, ніж між аденіном і водою. Також знайдено, що сила водневих зв'язків між молекулами води залежить від місця зв`язування.

Всі взаємодії вода - вода можуть бути класифіковані як гомодромні, якщо напрям донорно-акцепторних взаємодій є однаковим.. Утворення гомодромної мережі асоціюється з додатковою стабілізацією через багаточастинкові неадитивні взаємодії - явище, відоме як кооперативність водневих зв'язків. Можливо припустити, що сильніший характер зв'язків між молекулами води, чим між аденіном і водою обумовлений кооперативним ефектом. Характеристики водневих зв'язків між аденіном і водою залежать від характеру взаємодіючого фрагмента основи.

Додаткова молекула води у Ade9-13W, за рахунок водневого зв'язку типу N…H-O, значно підвищує пірамідальність аміногрупи, що супроводжується значним подовженням C(6)-N(10) зв'язку (табл. 2), зменшення спряження між аміногрупою і р-системою пуринового фрагмента і зміною пірамідальності атому азоту аміногрупи в напрямі sp³ гібридизації.

Збільшення числа зв'язаних молекул води в комплексі аденіну з 16 молекулами води Ade9-16W призводить до ослаблення взаємодій між водою і аденіном, та значної реорганізації сольватної оболонки.

Порівняння геометрії ізольованого і гідратованого аденіну, дозволило зробити висновок, що взаємодія з молекулами води значно впливає на молекулярну будову основи (табл. 2). В аденіні відбувається подовження зв'язків: N(3)-C(4) та N(1)-C(6) і скорочення зв`язків C(6)-N(10) і C(4)-N(9) в середньому на 0.01Е. Продемонстровано, що як показник гібридизації атома азоту, особливо в конденсованій фазі надійніше використовувати характеристики C-N зв'язку. Було знайдено, що взаємодія аденіну з водою приводить до поза площинних деформацій пуринового циклу.

Таблиця 2. Геометричні параметри ізольованого і гідратованого аденіну.

У п'ятому розділі «Моделювання гідратації пуринових основ нуклеїнових кислот методом ab initio молекулярної динаміки» представлено дані дослідження гідратації молекули гуаніну і аденіну у водному розчині за допомогою методу аb initio молекулярної динаміки.

Молекулярно-динамічне моделювання полігідратованого комплексу гуаніну.Стартова геометрія для ab initio МД гуаніну і аденіну в оточенні 54 молекул води була одержана за допомогою класичної молекулярної динаміки тривалістю 500 пікосекунд з силовим полем CHARMM.

Для системи було застосовано періодичні граничні умови. Кубічна комірка з ребром 12Е була заповнена молекулами води в рамках моделі ECP. Система розглядаласяяк NVT ансамбль. Температура в 300 К регулювалася за допомогою термостата Нозе-Хувера.

Аналіз результатів моделювання полігідратів аденіну і гуаніну методом молекулярної динаміки Кара-Парінелло показав, що виходячи з функції радіального розподілу атомів, молекули води мають близьку до тетраедричної координацію за рахунок міжмолекулярних водневих зв`язків.

Для оцінки ефективного числа водневих зв'язків, утворених атомом кисню гуаніну, на основі інтеграла функції радіального розподілу було одержано значення координаційного числа рівне 2,07. Таким чином можливо стверджувати, що у формуванні водневих зв'язків атомом кисню гуаніну беруть участь дві молекули води. Розрахунок координаційних чисел n(N7)=1,35 і n(N3)=1,6 показав, що атоми азоту N(7) і N(3) також можуть одночасно як акцептори протонів утворювати 2 водневі зв'язки. Тому можна говорити про високу вірогідність існування комплексів гуаніну з водою, у яких неподілена пара атомів азоту і -система гуаніну вносить значний внесок в утворення нових водневих зв'язків. Взаємодії типу: С(8)-Н…Ow та N(11)…Hw можуть грати помітну роль у формуванні міжмолекулярних водневих зв'язків в розчині, що підтведжується аналізом.функції радіального розподілу.

Знайдено, що перша гідратна оболонка гуаніну утворена в середньому 11 молекулами води (сума координаційних чисел рівна 10,9) і найбільш вірогідні структури комплексів, в яких між гуаніном і водою існує 9, 10 і 11 водневих зв'язків.

У кожен момент часу гуанін в оточенні водного розчину має певну структуру першої гідратної оболонки. Вірогідність певних конфігурацій цієї оболонки залежить від кількості молекул води , що безпосередньо взаємодіють з гуаніном. Найбільшим часом життя характеризується структура G9_1. На підставі даних траєкторій МД було проаналізовано середні геометричні параметри і знайдено, що середня довжина зв'язку C(2)-N(11) зменшується на 0,014Е порівняно з ізольованою молекулою гуаніну, довжина карбонільного зв'язку С=О (=0,026 Е) збільшується разом із скороченням зв'язку C(6)-N(1) (=0,045 Е).

Все це вказує на суттєвий цвіттер-іонних резонансних структур до загальної будови гуаніну у водному оточенні. Дуже характерно і те, що величини довжин зв'язків імідазольного циклу практично не змінюються у присутності води. Здібність до деформації циклу і позаплощинних коливань NH₂ групи при сольватації, за даними МД моделювання, залишається високою. Одержані результати свідчать, що молекулярна динаміка і розрахунки в наближенні B3LYP/6-311G(d,p) приводять до схожих результатів в оцінці впливу молекул води на пуринові основи ДНК.

Молекулярно-динамічне моделювання полігідратованого комплексу аденіну. В структурі першої гідратної оболонки аденіну було знайдено конфігурації із загальною кількістю молекул води від 3 до 7, проте серед них превалюють конфігурації А4_1, А4_2 і А5_1, оскільки час життя цих структур в цілому більший.

Вплив води на геометрію аденіну слід розглядати як результат міжмолекулярних водневих зв'язків між основою і молекулами розчинника та дії загальної поляризуючої здатності води. Внаслідок цього довжина зв'язку C(6)-N(10) значно скорочується в розчині (=0. 15Е), а середнє значення торсійних кутів свідчить, що цикл стає більш непланарним. В процесі молекулярно-динамічної симуляції відбувається також інверсія атома азоту аміногрупи.

У шостому розділі «Будова і властивості моногідратів амінів в яких аміногрупа виступає в ролі акцептора протонів» описано результати по теоретичному дослідженню моногідратів моно і діаміно похідних N,N`- діметілурацилу та комплексів інших амінів з водою.

Найбільш ясне експериментальне існування водневого зв'язку N...H-O дає рентгеноструктурний аналіз моногідратів N,N`-діметіл-5,6-діаміноурацилу (Ura5-W3). Результати наших розрахунків показали, що утворення N...H-O водневих зв'язків за участю атома азоту аміногрупи в комплексі N,N`-діметіл-5,6-діаміноурацилу, з молекулою води є внутрішня властивість цього замісника, а не ефект кристалічної упаковки. Аналіз структури і енергії взаємодії для різних моногідратів моно і діаміно похідних N,N`- діметілурацилу показав, що утворення водневих зв'язків N…H-O можливо у присутності сусідніх протонодонорних груп, які стабілізують систему, за рахунок додаткової взаємодії з атомом кисню води. Порівняння енергії взаємодій і відносної стабільності ізомерних моногідратів дозволило нам також зробити висновок, що утворення водневих зв'язків N…H-O - це найбільш загальний механізм взаємодії 1,2-діамінів з водою.

Дослідження гідратації амінів підтвердили, що взаємодії N…H-O практично завжди збільшують довжину зв'язку С-N.

ВИСНОВКИ

1. За допомогою неемпіричних квантово-хімічних розрахунків полігідратів гуаніну і аденіну виявлено можливі напрями деформації геометрії основ під впливом водної оболонки. Встановлено, що взаємодія з водою приводить до помітного збільшення внеску цвіттер-іонної резонансної структури в будову гуаніну. Аденін є набагато стійкішим до поляризуючої дії гідратної оболонки унаслідок ароматичного характеру пуринового біциклу.

2. Асиметричне розташування молекул води відносно середньої площини пуринового біциклу може приводить до помітного разплощення піримідінового кільця в обох молекулах. При цьому спостерігається порушення співвідношення між ступенем пірамідальності аміногрупи і довжиною зв'язку C-N, що відповідає пірамідалізації аміногрупи без порушення спряження між неподіленою парою атома азоту і -системою пуринового біциклу.

3. Насичення звичайних місць зв`язування води гуаніном і аденіном створює умови для утворення нестандартних водневих зв'язків С-Н…О, О-Н… і O-H…N(H₂) між основами і водою. Вперше виявлено змішаний характер водневих зв'язків О-H…N/O-H…, у яких внесок -системи як акцептора протонів залежить від орієнтації молекули води щодо середньої площини пуринового біциклу.

4. Взаємодія з водою призводить до суттєвої відносної стабільності таутомерів гуаніну та аденіну. Зокрема відбувається дестабілізація канонічного оксо-аміну таутомеру гуаніну та додаткова стабілізація аміно-9Н таутомеру аденіну.

5. Здатність супряженої аміногрупи утворювати водневі зв`язки як акцептор протону є внутрішньою властивістю замісника, а не тільки обумовлена заповненням звичайних місць зв`язування води. У випадку 1,2-діамінів формування зв`язку O-H…N(H₂) є найбільш вигідним способом утворення моногідратів.

6. Моделювання структури аденіну і гуаніну у водному середовищі методом неемпіричної молекулярної динаміки Карра-Паррінелло виявило, що перша гідратна оболонка навколо основ містить 8-11 молекул води для гуаніна і 3-7 молекул води для аденіна. При цьому характер взаємодій вода-основа узгоджується з даними статичних розрахунків полігідратів основ за допомогою неемпіричної квантової хімії.

полігідрат гуанін аденін молекула

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ВИКЛАДЕНО У НАСТУПНИХ ПУБЛІКАЦІЯХ

1. The interaction of the most stable guanine tautomers with water. The structure and properties of monohydrates / O.V. Shishkin, O.S. Sukhanov, L. Gorb, J. Leszczynski // Physical Chemistry Chemical Physics. -- 2002. -- №4. -- P. 5359--5364.

Здобувачем проведено серію квантово-хімічних розрахунків будови моногідратів найбільш стабільних таутомерів гуаніну, проаналізовано міжмолекулярні взаємодії, інтерпретовано одержані результати.

2. Shishkin O.V. Interaction of Water with Mono and Diamino Derivatives of N,N'-Dimethyluracil / O.V. Shishkin, O.S. Sukhanov, J. Leszczynski // The Journal of Physical Chemistry A. -- 2002. -- № 106. -- P. 7828--7833.

Здобувачем виконано квантово-хімічні дослідження просторової будови і енергії гідратів аміно похідних N,N`-діметілурацилу.

3. Structure and Hydrogen Bonding of Adenine in Polyhydrated Complexes. A DFT Study / O.S. Sukhanov, O.V. Shishkin, L. Gorb, et. al // The Journal of Physical Chemistry B. -- 2003. -- № 107. -- P. 2846--2852.

Здобувачем підготовлено моделі полігідратів аденіну, проведено ab initio розрахунки будови комплексів, проаналізовано міжмолекулярні взаємодії в системах. Прийнято участь в інтерпретації одержаних результатів.

4. Structure and hydrogen bonding in polyhydrated complexes of guanine / O.S. Sukhanov, O.V. Shishkin, L. Gorb, J. Leszczynski // Structural Chemistry. --2008. -- V 19. -- №1. -- P. 171--180.

Здобувачем підготовлено моделі полігідратів гуаніну, проведено ab initio розрахунки будови комплексів, проаналізовано міжмолекулярні взаємодії в системах.

5. Структура моногидратов гуанина / О.С. Суханов, О.В. Шишкин, Л. Горб, Е. Лещинский: тезисы докладов Регіональній конференції молодих учених і студентів з актуальних проблем хімії. (Дніпропетровськ, 9-10 червня 2000 р.) -- Дніпропетровськ: Днепр. держ. хіміко-техн. ун-т, 2000. -- С. 34.

Здобувачем запропоновано підхід щодо побудови всіх можливих моногідратних комплексів канонічної форми гуаніну. Виконано квантово-хімічні розрахунки будови і енергії.

6. Шишкин О.В. Аминогруппы оснований ДНК как акцептор протонов в водородных связях / О.В. Шишкин, О.С. Суханов: тезисы докладов III Национальной кристаллохимической конференции. (Черноголовка, 18-23 мая 2003г.) -- Россия, Черноголовка: ИПХФ РАН, 2003. -- С. 29.

Здобувачем прийнято участь в обговоренні результатів що до особливостей утворення

водневих зв'язків, в яких аміногрупа основ ДНК виступає як акцептор протону.

7. The structure and intermolecular interaction in the polyhydrated complexes of DNA bases / O.V.

Shishkin, O.S. Sukhanov, L. Gorb, J. Leszczynski: Book of abstracts of Ukrainian-polish-moldavian symposium on supramolecular chemistry. (Kyiv, November 24-27 2003) -- Kyiv, 2003. -- P. 78--80.

Здобувачем прийнято участь в узагальненні даних розрахунків, проаналізовано спільні риси в будові та властивостях гідратів основ ДНК.

8. Shishkin O.V. Polarization of DNA bases due to the interaction with water in polyhydrated complexes / O.V. Shishkin, O.S. Sukhanov: book of abstracts of International conference “Chemistry of nitrogen containing heterocycles”. (Kharkiv, September 30 - October 3 2003) -- Kharkiv: V.N. Karazin Kharkiv national university, 2003. -- P. 206.

Здобувачем прийнято участь в узагальненні власного матеріалу та інтерпретації результатів щодо особливостей впливу молекул води на молекулярну структуру гуаніну та аденіну.

9. Деформация геометрии и особенности межмолекулярных взаимодействий в полигидратных комплексах гуанина и аденина / О.С. Суханов, О.В. Шишкин, Л. Горб, Е. Лещинский: тези доповiдей I української наукової конференцiї «Проблеми бiологiчної i медичної фiзики». (Харкiв, 20-22 вересня 2004р.) -- Харкiв: Харківський нац. ун-т., 2004. -- С. 28.

Здобувачем проведено аналіз літератури. За допомогою сучасних методів теоретичної хімії проаналізовано характер і особливості водневих зв'язків в полігідратних комплексах пуринових основ ДНК.

10. Structure and Property of Polyhydrated Complexes of Guanine. A Density Functional Study / O.V. Shishkin, O.S. Sukhanov, L.Gorb, J. Leszczynski: book of abstracts of the 3th Southern School on Computational Chemistry. Workshop on High Performance Computing of Large Molecular Systems. (Orange Beach, March 28-29 2003) -- Orange Beach, AL, 2003. -- P. 73.

Здобувачем розроблено методику побудови гідратної оболонки в полігідратних комплексах, підготовлено моделі комплексів гуаніну з водою, проведено квантово-хімічні розрахунки будови комплексів, проаналізовано міжмолекулярні взаємодії в системах. Прийнято участь в інтерпретації і обговоренні одержаних результатів.

11. Combined ab initio molecular dynamics and quantum-chemical study of

selected chemical processes of biological importance / L. Gorb, O.S. Sukhanov, A.Isaev, et. al: book of abstracts of the 4th Southern School on Computational Chemistry. Workshop on High Performance Computing of Large Molecular Systems. (Orange Beach, March 26-27 2003) -- Orange Beach, AL, 2004. -- P. 41.

Здобувачем проведено квантово-хімічні розрахунки гідратів гуаніну за допомогою ab initio молекулярної динаміки, інтерпретовано одержані результати.

12. Ab Initio Molecular Dynamics Study on Structural Nonrigidity of Nucleic Acid Bases / A. Furmanchuk, A. Isaev, O.S. Sukhanov, et. al: book of abstracts of 13th Conference on Current Trends in Computational Chemistry. (Jackson, November 12-13 2004) -- Jackson, MS, 2004 -- P. 55.

Здобувачем проведено квантово-хімічні розрахунки за допомогою ab initio молекулярної динаміки пуринових основ ДНК. Звернено увагу на високу структурну нежорсткість пуринів.

13. Car -Parrinello molecular dynamic simulation of Purine DNA Bases in Aqueous solution. / O.V. Shishkin, O.S. Sukhanov, L.Gorb, J. Leszczynski: book of abstracts of 1st International Symposium on Methods and Applications of Computational Chemistry. (Kharkiv, June 30 - July 1 2005) -- Kharkov: Institute for scintillation materials NAS of Ukraine, 2005. -- P. 74.

Здобувачем проведена класична та ab initio молекулярнa динамікa пуринових основ ДНК в водному середовищі. Проаналізовано функції радіального розподілу, знайдено структуру першої гідратної оболонки аденіну і гуаніну. Розглянуто вплив іонів гідроксонію та гідрооксид іонів на таутомерні перетворення.

14. Theoretical study of hydration and tautomer transitions of mono- and polyhydrates energetically low-lying tautomers of purine DNA bases. / O.V. Shishkin, O.S. Sukhanov, L. Gorb, J. Leszczynski: book of abstracts of 1st International Symposium on Methods and Applications of Computational Chemistry. (Kharkiv, June 30 - July 1 2005.) -- Kharkov: Institute for scintillation materials NAS of Ukraine, 2005. -- P. 75.

Здобувачем проведено квантово-хімічні розрахунки таутомерних перетворень пуринових основ ДНК.

Размещено на Allbest.ru