Внесок водневих зв'язків CH···O у стабілізацію пар основ ДНК. Квантово-хімічне дослідження

Завдяки геометричному, спектрально-коливальному та електронно-топологічному аналізам пар основ за участю канонічних і рідкісних таутомерів на рівнях теорії MP2/6-31G(d,p) й DFT B3LYP/6-31G(d,p) було встановлено, що контакти CH···O у парах є водневими зв'язками, їхня енергія становить близько 1...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2011
Автор:	Юренко, Є.П.
Формат:	Стаття
Мова:	Ukrainian
Опубліковано:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2011
Назва видання:	Доповіді НАН України
Теми:	Біохімія
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/37388
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Внесок водневих зв'язків CH···O у стабілізацію пар основ ДНК. Квантово-хімічне дослідження / Є.П. Юренко // Доп. НАН України. — 2011. — № 4. — С. 163-169. — Бібліогр.: 14 назв. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-37388
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-373882012-10-10T12:07:38Z Внесок водневих зв'язків CH···O у стабілізацію пар основ ДНК. Квантово-хімічне дослідження Юренко, Є.П. Біохімія Завдяки геометричному, спектрально-коливальному та електронно-топологічному аналізам пар основ за участю канонічних і рідкісних таутомерів на рівнях теорії MP2/6-31G(d,p) й DFT B3LYP/6-31G(d,p) було встановлено, що контакти CH···O у парах є водневими зв'язками, їхня енергія становить близько 1 ккал/моль. The geometric, vibrational, and electron density topological analyses of base pairs involving canonical and rare tautomers have beem performed at the MP2/6-31G(d,p) level of theory. As a result, CH···O contacts proved to be real H-bonds with an approximate energy of 1 kcal/mol. 2011 Article Внесок водневих зв'язків CH···O у стабілізацію пар основ ДНК. Квантово-хімічне дослідження / Є.П. Юренко // Доп. НАН України. — 2011. — № 4. — С. 163-169. — Бібліогр.: 14 назв. — укр. 1025-6415 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/37388 577.1 uk Доповіді НАН України Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	Біохімія Біохімія
spellingShingle	Біохімія Біохімія Юренко, Є.П. Внесок водневих зв'язків CH···O у стабілізацію пар основ ДНК. Квантово-хімічне дослідження Доповіді НАН України
description	Завдяки геометричному, спектрально-коливальному та електронно-топологічному аналізам пар основ за участю канонічних і рідкісних таутомерів на рівнях теорії MP2/6-31G(d,p) й DFT B3LYP/6-31G(d,p) було встановлено, що контакти CH···O у парах є водневими зв'язками, їхня енергія становить близько 1 ккал/моль.
format	Article
author	Юренко, Є.П.
author_facet	Юренко, Є.П.
author_sort	Юренко, Є.П.
title	Внесок водневих зв'язків CH···O у стабілізацію пар основ ДНК. Квантово-хімічне дослідження
title_short	Внесок водневих зв'язків CH···O у стабілізацію пар основ ДНК. Квантово-хімічне дослідження
title_full	Внесок водневих зв'язків CH···O у стабілізацію пар основ ДНК. Квантово-хімічне дослідження
title_fullStr	Внесок водневих зв'язків CH···O у стабілізацію пар основ ДНК. Квантово-хімічне дослідження
title_full_unstemmed	Внесок водневих зв'язків CH···O у стабілізацію пар основ ДНК. Квантово-хімічне дослідження
title_sort	внесок водневих зв'язків ch···o у стабілізацію пар основ днк. квантово-хімічне дослідження
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate	2011
topic_facet	Біохімія
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/37388
citation_txt	Внесок водневих зв'язків CH···O у стабілізацію пар основ ДНК. Квантово-хімічне дослідження / Є.П. Юренко // Доп. НАН України. — 2011. — № 4. — С. 163-169. — Бібліогр.: 14 назв. — укр.
series	Доповіді НАН України
work_keys_str_mv	AT ûrenkoêp vnesokvodnevihzvâzkívchoustabílízacíûparosnovdnkkvantovohímíčnedoslídžennâ
first_indexed	2025-07-03T19:07:43Z
last_indexed	2025-07-03T19:07:43Z
_version_	1836653911782457344
fulltext	УДК 577.1 © 2011 Є.П. Юренко Внесок водневих зв’язкiв CH· · ·O у стабiлiзацiю пар основ ДНК. Квантово-хiмiчне дослiдження (Представлено членом-кореспондентом НАН України Д. М. Говоруном) Завдяки геометричному, спектрально-коливальному та електронно-топологiчному ана- лiзам пар основ за участю канонiчних i рiдкiсних таутомерiв на рiвнях теорiї MP2/6- 31G(d,p) й DFT B3LYP/6-31G(d,p) було встановлено, що контакти CH· · ·O у парах є водневими зв’язками, їхня енергiя становить близько 1 ккал/моль. Водневi (Н) зв’язки мiж комплементарними основами у ДНК значною мiрою визначають її просторову будову [1]. Всi ключовi процеси, що вiдбуваються за участi ДНК, супровод- жуються розривом старих та утворенням нових Н-зв’язкiв [2]. Вважається, що пара GC охоплена трьома Н-зв’язками, а АT — двома. Проте ще в 1966 р. Ф. Крик (F. Crick) на- голошував [3], що вiдсутнiсть третього зв’язку в парi АТ може бути потенцiйним джере- лом структурно-динамiчної нестiйкостi останньої. Питання наявностi CH· · ·O зв’язку у вот- сон-крикiвських та хугстинiвських парах вперше порушується в роботi [4], де йому припи- сується важлива стабiлiзуюча роль. Є. Старiков (E. Starikov) та Т. Штайнер (T. Steiner) [5] перевiрили цю гiпотезу за допомогою квантово-хiмiчних розрахункiв на експериментальнiй кристалiчнiй геометрiї аденiлил-3′-5′-уридину. В результатi виявилось, що за наявностi кон- такту електронна енергiя взаємодiї мiж компонентами пари AU зростає, тобто вiн дiйсно є стабiлiзуючим. Зауважимо, що навiть така невелика енергiя зв’язку може викликати ефект “останньої краплi”, тобто вiн може бути вирiшальним при взаємодiї ДНК з бiлками [6]. Що ж стосується самої природи контакту, то домiнуючою його складовою є електростатичне притягання мiж групою C2δ+−Hδ+ та негативним кiнцем диполя O2δ− = Cδ+ [5]. Згодом за допомогою бейдерiвського топологiчного аналiзу електронної густини вперше було виявлено критичну точку (3,−1) та градiєнтний шлях мiж атомами H2 й О2 у парi АТ [7]. П. Хобзою (P. Hobza) з спiвавторами [8] було дослiджено електронну природу взаємодiї C2H· · ·O2 у парi AU. Ними виявлено, що електронна густина незв’язуючої орбiталi σ∗, що вiдповiдає зв’язку C2−H2, при утвореннi пари не змiнюється. Отже, всi вищезгаданi данi не заперечують можливiсть утворення некласичного (blue-shifting [9]) CH· · ·O зв’язку у вотсон-крикiвських парах АТ й АU, проте питання про його iснування досi залишається вiдкритим, оскiльки до цього часу достеменно не встановлено, чи задовольняє взаємодiя C2H· · ·O2 квантово-механiчним критерiям Коха i Попельє [10]. У даному повiдомленнi описано проведений автором геометричний, спектрально-коли- вальний та електронно-топологiчний аналiз Н-зв’язкiв у п’яти парах за участi канонiчних та рiдкiсних таутомерiв. Останнi, згiдно з класичною таутомерною гiпотезою Вотсона–Крика (Watson–Crick, 1953), можуть бути потенцiйним джерелом точкових мутацiй в ДНК. Спiльним для всiх дослiджуваних пар є наявнiсть контакту CH· · ·O [11], природа якого представляє науковий iнтерес. ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2011, №4 163 Рис. 1. Геометрiї пар нуклеотидних основ, якi оптимiзованi на рiвнi теорiї MP2/6-31G(d,p). Пунктирними лiнiями позначено Н-зв’язки. Їхнi довжини (мiж воднем та атомом-акцептором) наведено в Å Матерiали та методи дослiджень. За об’єкти дослiдження брали п’ять воднево-зв’я- заних пар (рис. 1) за участi канонiчних та рiдкiсних таутомерiв, а саме: вотсон-крикiвська пара AT (надалi позначатиметься як AT WC), хугстинiвська пара AT (Нoogsteen) [12], а та- кож пари АТ, АС та АС (зiрочка позначає рiдкiсний iмiно- або єнольний таутомер). Геометрiї пар отримано на рiвнi теорiї МР2 (теорiя Мелера–Плесета другого порядку) — з використанням стандартного набору базисних функцiй 6-31G(d,p). Вiдноснi електроннi, вiльнi енергiї Гiббса та енергiї взаємодiї у комплексах визначали на рiвнi теорiї MP2/6-31G(d,p) (останнi — з урахуванням так званої BSSE-поправки на похибку суперпозицiї базисного набору функцiй, оцiненої, згiдно з методом Бойза–Бернардi). Н-зв’язки iдентифiкували топологiчним аналiзом електронної густини, який грунтуєть- ся на квантовiй теорiї атомiв у молекулах (QTAIM) [13]. Наявнiсть критичної точки (3,−1) i градiєнтного шляху електронної густини вважали необхiдними умовами iснування Н-зв’яз- ку. Крiм того, всi Н-зв’язки були протестованi за так званими двомолекулярними критерiя- ми Коха та Попельє [10], якi оперують змiнами атомних характеристик водню при утвореннi Н-зв’язку в порiвняннi з вiльним мономером (збiльшення позитивного заряду ∆q, зменшен- ня дипольної поляризацiї ∆M та атомного об’єму ∆V , енергетична дестабiлiзацiя ∆E, а та- 164 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2011, №4 кож взаємне проникання водню та атома-акцептора ∆rH +∆rA, де ∆rH > 0 та ∆rA > 0 — змiна атомних радiусiв водню та акцептора вiдповiдно). Хвильовi функцiї обчислювали на тому ж рiвнi теорiї, що й оптимiзували геометрiю, з використанням програмного пакета “Gaussian 03” для платформи Win32. Аналiз топологiї електронної густини проводили за допомогою програмного пакета AIMall. Мiцнiсть OH· · ·O та NH· · ·O водневих зв’язкiв у комплексах оцiнювали за комплексним показником Грабовського ∆com [14], який оперує геометричними та топологiчними пара- метрами валентного зв’язку X−H (зокрема, у нашому випадку X = O, N): ∆com = {[ rX−H − r0X−H r0X−H ]2 + [ ρ0X−H − ρX−H ρ0X−H ]2 + [ ∇ 2ρX−H −∇ 2ρ0X−H ∇2ρ0X−H ]2}1/2 , (1) де rX−H, ρX−H та ∇ 2ρX−H — параметри валентного зв’язку, який є донором протона при Н-зв’язуваннi (довжина зв’язку X−H, електронна густина в критичнiй точцi (3,−1) зв’язку та Лапласiан електронної густини вiдповiдно), а r0X−H, ρ0X−H, ∇2ρ0X−H — цi самi параметри для незбуреного зв’язку X−H у вiльному мономерi. Значення енергiї класичних (OH· · ·O та OH· · ·N) Н-зв’язкiв оцiнювалися двома метода- ми — на основi спектральних та електронно-топологiчних характеристик. Перший метод грунтується на використаннi емпiричної формули Йогансена: −∆Hfreq = 0,33(∆ν − 40)1/2, (2) де ∆H — енергiя Н-зв’язку, ккал/моль; ∆ν — зсув частоти, см−1 валентного коливан- ня ν(OH) або ν(NH) у червону область при наявностi Н-зв’язку. Для порiвняння також використовували iншу формулу Йогансена: −∆Hintens = 2,92 ( I I0 )1/2 , (3) де I0 — iнтегральна iнтенсивнiсть моди незбуреного валентного коливання (за вiдсутностi Н-зв’язку); I — аналогiчна iнтенсивнiсть для Н-зв’язаної ОН- або NH-групи. Iнший метод (Еспiнози–Молiнса–Леконта, далi — ЕМЛ) дозволив нам оцiнити енергiю Н-зв’язку на основi розподiлу електронної густини в його критичнiй точцi (3,−1) за фор- мулою: EHB = 0,5V (r) (4) (тут V (r) — значення локальної потенцiальної енергiї у критичнiй точцi). Результати та їх обговорення. Оптимiзованi пари основ на рiвнi MP2/6-31G(d,p) зображено на рис. 1. Їхнi енергетичнi характеристики наведенi в табл. 1. Привертає увагу факт, що пара AT(H) є енергетично вигiднiшою (має менше значення вiльної енергiї ∆G за нормальних умов), нiж вотсон-крикiвська АТ. Можливо, саме тому пара AT(H) була експериментально виявлена найпершою [12] у кристалiчному станi за допомогою рентгено- структурного аналiзу. Найменш стабiльною серед АТ-пар є рiдкiснотаутомерна пара АТ, яка утворюється в результатi взаємного перенесення двох протонiв. Що стосується пар АС, то AC* стабiлiзується краще, нiж АС. Цiкаво, що у всiх випадках, за винятком пари АС, сумарна ентальпiя Н-зв’язкiв у парi, знайдена за методом ЕМЛ (див. табл. 1), перевищує ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2011, №4 165 Таблиця 1. Енергетичнi, геометричнi та електронно-топологiчнi характеристики пар нуклеотидних основ та внутрiшньомолекулярних взаємодiй, що їх стабiлiзують, отриманi на рiвнi теорiї MP2/6-31G(d,p) Пара основ ∆G EBSSE BSSE D H-зв’я- зок dA···B dH···B ∠AH· · ·B∗ ∆dAH ∗∗ ∆H···B ∗∗∗ ρ ∆ρ 100ε E ∆com 3∑ i=1 Ei EBSSE AT H 0,00 −12,83 5,72 5,92 N6H· · ·O4 3,009 2,007 169,3 0,007 0,71 0,022 0,063 1,42 5,45 0,045 1,3305 N3H· · ·N7 2,803 1,766 173,9 0,029 0,98 0,045 0,109 4,66 10,29 0,150 C8H. . .O2 3,458 2,660 121,0 0,0002 0,06 0,007 0,025 12,01 1,33 0,035 AT WC 0,62 −12,05 5,78 2,07 N6H· · ·O4 2,976 1,963 173,9 0,010 0,76 0,025 0,070 1,88 6,08 0,057 1,3983 N3H· · ·N1 2,837 1,793 178,7 0,032 0,96 0,043 0,100 5,03 9,65 0,171 C2H· · ·O2 3,571 2,731 134,0 0,0003 −0,01 0,006 0,021 6,36 1,12 0,031 AT* 14,01 −22,47 6,54 1,82 O4H· · ·N6 2,598 1,547 175,1 0,081 1,20 0,076 0,092 4,12 22,30 0,478 1,5412 N1H· · ·N3 2,773 1,737 170,8 0,032 1,01 0,049 0,113 4,95 11,54 0,192 C2H· · ·O2 3,609 2,864 126,0 −0,0004 −0,14 0,004 0,017 19,39 0,79 0,053 AC* 0,00 −12,63 5,59 3,36 N6H· · ·N4 3,000 1,982 173,1 0,016 0,77 0,028 0,070 5,78 6,03 0,092 1,3120 N3H· · ·N1 2,852 1,811 177,5 0,030 0,94 0,041 0,097 5,14 9,16 0,163 C2H· · ·O2 3,504 2,653 134,9 0,0002 0,10 0,007 0,024 4,99 1,38 0,034 AC 4,74 −19,60 5,81 4,67 N4H· · ·N6 2,910 1,879 175,7 0,027 0,87 0,035 0,085 5,78 7,51 0,142 0,9571 N1H· · ·N3 2,828 1,789 179,1 0,028 0,96 0,043 0,103 5,48 9,83 0,159 C2H· · ·O2 3,474 2,641 133,2 0,0000 0,08 0,007 0,025 6,04 1,42 0,035 Пр и м i т ка . ∆G — вiдносна вiльна енергiя Гiббса пари за нормальних умов, ккал/моль; EBSSE— енергiя взаємодiї мiж основами в парi з ура- хуванням похибки суперпозицiї базисного набору (BSSE); BSSE — похибка суперпозицiї базисного набору; D — дипольнi моменти (дебай); d — вiдстань мiж атомами донором (A) та акцептором (B) Н-зв’язку, Å; вiдстань мiж атомами Н i В, Å; ∗ — кут Н-зв’язку, град; ∗∗ — подовження хiмiчного зв’язку АН при Н-зв’язуваннi, Å; ∗∗∗ — рiзниця мiж сумою ван-дер-ваальсiвських радiусiв Бондi водню й атома акцептора та вiдстанню мiж ними, Å; ρ — значення електронної густини в критичнiй точцi (3,−1), а. о.; ∆ρ — значення Лапласiану електронної густини в критичнiй точцi (3,−1), а. о.; ε — елiптичнiсть Н-зв’язку; E — енергiя Н-зв’язку, розрахована методом ЕМЛ; ∆com — комплексний показник мiцностi Н-зв’язку Грабовського. Вiдношення сумарної енергiї всiх Н-зв’язкiв у парi до енергiї стабiлiзацiї пари. 166 IS S N 1 0 2 5 -6 4 1 5 R epo rts o f th e N a tio n a l A ca d em y o f S cien ces o f U kra in e, 2 0 1 1 , № 4 енергiю стабiлiзацiї пари. Це наштовхує на думку, що метод ЕМЛ дозволяє встановити насамперед верхню межу енергiї для конкретного Н-зв’язку без врахування поправки на обмiнне вiдштовхування електронних оболонок. Аналiз класичних OH· · ·O та OH· · ·N Н-зв’язкiв дозволяє констатувати, що вони задо- вольняють усiм геометричним критерiям Н-зв’язування (данi на рiвнi МР2): кути ∠AH· · ·B лежать в дiапазонi вiд 170,8◦ до 179,1◦; вiдстанi мiж воднем та атомом-акцептором дорiв- нюють 0,1547–0,2007 нм, що значно менше, нiж сума ван-дер-ваальсiвських радiусiв Бон- дi (0,272 нм для Н й О та 0,275 нм для N й О); довжини хiмiчних зв’язкiв АН подов- жуються у межах 0,0007–0,0081 нм. Бейдерiвський топологiчний аналiз електронної густи- ни засвiдчив, що дiапазони значень електронної густини ρ (0,004–0,076 а. о.) та Лапласiану електронної густини ∆ρ (0,017–0,113 а. о.) у критичнiй точцi (3,−1) також знаходяться в межах, встановлених ранiше У. Кохом (U. Koch) та П. Попельє (P. Popelier) [10]. Малi значення елiптичностей 100ε (див. табл. 1) вказують на стiйкiсть цих взаємодiй. При цьо- му енергiї класичних Н-зв’язкiв, якi оцiненi за методом ЕМЛ, лежать у дiапазонi вiд 5,45 до 22,30 ккал/моль i задовiльно корелюють з показником Грабовського ∆com (коефiцiєнт кореляцiї становить 0,95). Це є пiдтвердженням тому, що комплексна величина ∆com — адекватна характеристика мiцностi класичних Н-зв’язкiв. Також на рiвнi B3LYP/6-31G(d,p) дослiджено cпектрально-коливальнi характеристи- ки мiжмолекулярних Н-зв’язкiв у парах основ (табл. 2). Насамперед слiд вiдзначити, що Таблиця 2. Спектрально-коливальнi характеристики Н-зв’язкiв у парах нуклеотидних основ (за участi ка- нонiчних та рiдкiсних таутомерiв) отриманi на рiвнi теорiї B3LYP/6-31G(d,p) Пара основ H-зв’язок ∆νstr Istr/I0 str νop/ν0 op Iop/Iop 0 ∆Hfreq ∆Hintens 3∑ i=1 ∆Hi freq EBSSE AT H N6H· · ·O4 210 13,1 1,5 0,3 4,30 10,57 0,94 N3H· · ·N7 592 34,8 1,5 1,0 7,75 17,23 C8H· · ·O2 −10 3,6 1,03 2,7 — 5,77 AT WC N6H· · ·O4 258 14,4 1,5 8,0 4,87 11,08 1,05 N3H· · ·N1 638 37,8 1,5 0,9 8,07 17,95 C2H· · ·O2 −13 0,14 1,03 5,6 — — AT O4H· · ·N6 1876 4,1 2,0 6,1 14,14 5,91 0,95 N1H· · ·N3 766 45,7 1,5 0,6 8,89 19,74 C2H· · ·O2 −16 0,04 1,04 11,7 — — AC* N6H· · ·N4 403 24,8 1,5 31,7 6,29 14,5 1,09 N3H· · ·N1 617 32,0 1,5 0,7 7,93 16,52 C2H· · ·O2 −12 0,13 1,03 1,2 — — AC N4H· · ·N6 619 38,10 1,7 8,1 7,94 18,02 0,76 N1H· · ·N3 554 37,4 1,6 3,0 7,48 17,86 C2H· · ·O2 −11 0,32 1,07 2,4 — — Пр и м i т ка . ∆νstr — зсув частоти валентного коливання ν(OH), ν(NH) або ν(СH) вiдносно мономера, см−1. За мономери брали вiльнi нуклеотиднi основи з планарними амiногрупами, що оптимiзованi на рiвнi теорiї DFT B3LYP/6-31G(d,p); Istr/I0 str — вiдношення iнтенсивностей характеристичного валентного коливання за наявностi та вiдсутностi Н-зв’язку; νop/ν0 op — вiдношення частот неплощинного характеристичного ко- ливання ОН-, NH- або СН-групи; Iop/Iop 0 — вiдношення iнтенсивностей неплощинного коливання; ∆Hfreq та ∆Hintens — ентальпiї Н-зв’язкiв за Йогансеном, встановленi на основi зсувiв частот та вiдношень iнтенсив- ностей валентних коливань вiдповiдно. 3∑ i=1 ∆Hi freq EBSSE — спiввiдношення мiж сумарними енергiями Н-зв’язкiв та взаємодiї основ у парi. Всi частоти коливань множились на масштабний множник 0,9608. ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2011, №4 167 у випадку класичних Н-зв’язкiв OH· · ·O й OH· · ·N частоти характеристичних валентних коливань ν(OH) й ν(NH) зсуваються в червону область, а iнтенсивностi вiдчутно зроста- ють в порiвняннi з вiльними основами. Оцiнка енергiй зв’язкiв OH· · ·O та OH· · ·N за двома емпiричними формулами Йогансена (2) й (3) продемонструвала, що лише перша з них, яка оперує зсувом частоти, дає достовiрнi результати. В усiх випадках, крiм пари AC, спiввiдношення мiж сумарною ентальпiєю Йогансена всiх Н-зв’язкiв у парi та електронною енергiєю стабiлiзацiї пари близьке до одиницi. У парi AC, крiм Н-зв’язкiв, велика роль, очевидно, належить вiддаленим ван-дер-ваальсiвським взаємодiям, зокрема лондонiвськiй дисперсiї. Цiкаво, що частоти неплощинних (out-of-plane) коливань зростають при Н-зв’я- зуваннi як у випадку традицiйних, так i некласичних зв’язкiв. Спостереження за спiввiд- ношенням iнтенсивностей неплощинних мод Iop/Iop 0 не дозволяє, на вiдмiну вiд валентних коливань, достеменно стверджувати про iснування якоїсь стiйкої закономiрностi. Аналiз усiх Н-зв’язкiв у парах основ з канонiчними та рiдкiсними таутомерами за додат- ковими “двомолекулярними” критерiями Коха та Попельє засвiдчив, що класичнi Н-зв’язки задовольняють необхiдним вимогам. Дещо iнша ситуацiя складається з нетрадицiйними Н-зв’язками CH· · ·O. Як видно з табл. 1, геометричнi критерiї не дають можливостi однозначно пiдтвердити їхнє iснуван- ня. Так, кути ∠AH· · ·B лежать у дiапазонi значень вiд 121,0◦ до 134,9◦, вiдстанi мiж воднем та ймовiрним акцептором Н-зв’язування наближаються до суми ван-дер-ваальсiвських ра- дiусiв Бондi i в деяких випадках навiть її перевищують (параметр ∆H···B див. у табл. 1), довжини хiмiчних зв’язкiв потенцiйних груп-донорiв CH майже не змiнюються. Не проли- ває свiтло на проблему i спектрально-коливальний аналiз (див. табл. 2): частоти валентних коливань незначно (на 10–16 см−1) змiщуються в синю область, а iнтенсивностi спадають (за винятком зв’язку C8H· · ·O2 у парi AT H). При цьому значення частот неплощинних мод збiльшуються, як i для класичних зв’язкiв. Отже, в данiй ситуацiї бейдерiвський топологiчний аналiз електронної густини видаєть- ся майже безальтернативним пiдходом. Дослiдження хвильових фунцiй на рiвнях теорiї MP2 та DFT B3LYP дозволило встановити в усiх без винятку парах наявнiсть критичної точки (3,−1) мiж воднем та потенцiйним атомом-акцептором Н-зв’язку. В принципi, вже це є необхiдною та достатньою умовою наявностi зв’язку (взаємодiї), характерного для систем iз закритими електронними оболонками (closed-shell interactions). Проте чи можна його вва- жати водневим? Спираючись на метод ЕМЛ, нами проведено оцiнку енергiй цих взаємодiй в парах (див. табл. 1): вони змiнюються вiд 0,79 ккал/моль у парi АТ* до 1,33 ккал/моль у парi AT H i, таким чином, перевищують значення kT (0,62 ккал/моль) за нормальних умов. Тестування взаємодiй CH· · ·O за двомолекулярними критерiями Коха та Попельє остаточно пiдтвердило, що всi вони є Н-зв’язками, оскiльки задовольняють основнiй умовi, яка передбачає взаємну проникнiсть атомiв водню та акцептора (тобто збiльшення їх атом- них радiусiв). Iншi фiзичнi характеристики атомiв водню (q(H), M(H), V (H), E(H)) теж змiнюються в необхiдному напрямi. QTAIM однозначно пiдтверджує утворення водневих зв’язкiв CH· · ·O у дослiджених парах нуклеотидних основ. На нашу думку, їх можна вiднести до категорiї blue-shifting Н-зв’язкiв. Цей термiн вказує на те, що їхнє утворення супроводжується зсувом частоти валентного коливання в синю область (blue-shift). Таким чином, вiдзначимо, що проблема надiйного експериментального встановлення H-зв’язкiв CH· · ·O у парах основ ДНК, зокрема методами ЯМР та кристалографiї, досi залишається вiдкритою i чекає на своє вирiшення. 168 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2011, №4 Вперше на рiвнях теорiї MP2/6-31G(d,p) та DFT B3LYP/6-31G(d,p) детально дослiдже- но фiзико-хiмiчнi характеристики Н-зв’язкiв у парах нуклеотидних основ за участi кано- нiчних та рiдкiсних таутомерiв. Топологiчний аналiз електронної густини дозволив дати однозначну вiдповiдь на питання, чи є взаємодiї CH· · ·O у парах основ ДНК справжнiми Н-зв’язками. На вiдмiну вiд iнших взаємодiй (зокрема, електростатичних), у всiх випад- ках спостерiгається взаємна проникнiсть водню та атома-акцептора, що однозначно вказує на формування Н-зв’язкiв. Встановлено, що енергiї Н-зв’язкiв CH· · ·O лежать в iнтервалi 0,79–1,33 ккал/моль, перевищуючи таким чином значення kT за нормальних умов. Автор висловлює щиру вдячнiсть члену-кореспонденту НАН України Д.М. Говоруну за увагу до роботи, а також корпорацiї “Gaussian”(США) за наданий програмний пакет Gaussian 03 для платформи Win 32. 1. Зенгер В. Принципы структурной организации нуклеиновых кислот. – Москва: Мир, 1987. – 584 с. 2. Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж. и др. Молекулярная биология клетки. – Москва: Мир, 1994. – Т. 1. – 520 с. 3. Crick F.H.C. Codon-anticodon pairing: the wobble hypothesis // J. Mol. Biol. – 1966. – 19. – P. 548–555. 4. Leonard G.A., McAuley-Hecht K., Brown T., Hunter W.N. Do CH· · ·O hydrogen bonds contribute to the stability of nucleic acid base pairs? // Acta Crystr. D. – 1995. – 51. – P. 136–139. 5. Starikov E.B., Steiner T. Computational support for the suggested contribution of C−H· · ·O=C interacti- ons to the stability of nucleic acid base pairs // Ibid. – 1997. – 53. – P. 345–347. 6. Mandel-Gutfreund Y., Margalit H., Jernigan R. L., Zhurkin V. B. A role for CH· · ·O interactions in protein- DNA recognition // J. Mol. Biol. – 1998. – 277. – P. 1129–1140. 7. Parthasarathi R., Amutha R., Subramanian V. et al. Bader’s and reactivity descriptors’ analysis of DNA base pairs // J. Phys. Chem. A. – 2004. – 108. – P. 3817–3828. 8. Hobza P., Sponer J., Cubero E. et al. CH· · ·O contacts in the adenine . . . uracil Watson–Crick and uracil . . . uracil nucleic acid base pairs: nonempirical ab initio study with inclusion of electron correlation effects // J. Phys. Chem. B. – 2000. – 104. – P. 6286–6292. 9. Hobza P., Havlas Z. Blue-shifting hydrogen bonds // Chem. Rev. – 2000. – 100. – P. 4253–4264. 10. Koch U., Popelier P. L. A. Characterization of C−H−O hydrogen bonds on the basis of the charge density // J. Phys. Chem. – 1995. – 99. – P. 9747–9754. 11. Броварець O. О., Говорун Д.М. Фiзико-хiмiчний механiзм перетворення змiщених пар основ ДНК Gua · Thy i Ade · Cyt у пари за участi мутагенних таутомерiв Gua·Thy i Ade · Cyt // Ukr. Bioorg. Acta. – 2009. – № 2. – С. 12–18. 12. Hoogsteen K. The crystal and molecular structure of a hydrogen-bonded complex between 1-methylthymine and 9-methyladenine // Acta. Cryst. – 1963. – 16. – P. 907–916. 13. Бейдер Р. Атомы в молекулах. Квантовая теория. – Москва: Мир, 2001. – 532 с. 14. Grabowski S. J. A new measure of hydrogen bonding strength-ab initio and atoms in molecules studies // Chem. Phys. Lett. – 2001. – 338. – P. 361–366. Надiйшло до редакцiї 21.07.2010Iнститут молекулярної бiологiї i генетики НАН України, Київ Ye. P. Yurenko Contribution of CH· · ·O hydrogen bonds to stabilization of DNA base pairs. A quantum-mechanical study The geometric, vibrational, and electron density topological analyses of base pairs involving canoni- cal and rare tautomers have beem performed at the MP2/6-31G(d,p) level of theory. As a result, CH· · ·O contacts proved to be real H-bonds with an approximate energy of 1 kcal/mol. ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2011, №4 169

Внесок водневих зв'язків CH···O у стабілізацію пар основ ДНК. Квантово-хімічне дослідження

Репозитарії

Схожі ресурси