Прототропная таутомерия 9-метилгуанина: квантово-механическое исследование
Впервые получено полное молекулярно-цвиттерионное семейство 9-метилгуанина в вакууме, воде, ДМСО и среде с ε = 4. Показано, что оно состоит из 14 молекулярных таутомеров и 18 цвиттерионов, 9 из которых — илиды....
Gespeichert in:
| Datum: | 2014 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2014
|
| Schriftenreihe: | Доповіді НАН України |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/88267 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Прототропная таутомерия 9-метилгуанина: квантово-механическое исследование / А.Н. Глушенков, Д.Н. Говорун // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2014. — № 9. — С. 151-156. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-88267 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-882672015-11-12T03:02:20Z Прототропная таутомерия 9-метилгуанина: квантово-механическое исследование Глушенков, А.Н. Говорун, Д.Н. Біофізика Впервые получено полное молекулярно-цвиттерионное семейство 9-метилгуанина в вакууме, воде, ДМСО и среде с ε = 4. Показано, что оно состоит из 14 молекулярных таутомеров и 18 цвиттерионов, 9 из которых — илиды. Вперше отримано повне молекулярно-цвiтерiонне сiмейство 9-метилгуанiну в вакуумi, водi, ДМСО та середовищi з ε = 4. Показано, що воно складається з 14 молекулярних таутомерiв та 18 цвiтерiонiв, 9 з яких — iлiди. For the first time, the full molecular-zwitterionic 9-methylguanine family has been obtained in vacuum, water, DMSO, and the ε = 4 continuum. It is shown that it consists of 14 molecular tautomers and 18 zwitterions, 9 of which are ylides. 2014 Article Прототропная таутомерия 9-метилгуанина: квантово-механическое исследование / А.Н. Глушенков, Д.Н. Говорун // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2014. — № 9. — С. 151-156. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. 1025-6415 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/88267 577.332 ru Доповіді НАН України Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Біофізика Біофізика |
| spellingShingle |
Біофізика Біофізика Глушенков, А.Н. Говорун, Д.Н. Прототропная таутомерия 9-метилгуанина: квантово-механическое исследование Доповіді НАН України |
| description |
Впервые получено полное молекулярно-цвиттерионное семейство 9-метилгуанина в вакууме, воде, ДМСО и среде с ε = 4. Показано, что оно состоит из 14 молекулярных
таутомеров и 18 цвиттерионов, 9 из которых — илиды. |
| format |
Article |
| author |
Глушенков, А.Н. Говорун, Д.Н. |
| author_facet |
Глушенков, А.Н. Говорун, Д.Н. |
| author_sort |
Глушенков, А.Н. |
| title |
Прототропная таутомерия 9-метилгуанина: квантово-механическое исследование |
| title_short |
Прототропная таутомерия 9-метилгуанина: квантово-механическое исследование |
| title_full |
Прототропная таутомерия 9-метилгуанина: квантово-механическое исследование |
| title_fullStr |
Прототропная таутомерия 9-метилгуанина: квантово-механическое исследование |
| title_full_unstemmed |
Прототропная таутомерия 9-метилгуанина: квантово-механическое исследование |
| title_sort |
прототропная таутомерия 9-метилгуанина: квантово-механическое исследование |
| publisher |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| publishDate |
2014 |
| topic_facet |
Біофізика |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/88267 |
| citation_txt |
Прототропная таутомерия 9-метилгуанина: квантово-механическое исследование / А.Н. Глушенков, Д.Н. Говорун // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2014. — № 9. — С. 151-156. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
| series |
Доповіді НАН України |
| work_keys_str_mv |
AT glušenkovan prototropnaâtautomeriâ9metilguaninakvantovomehaničeskoeissledovanie AT govorundn prototropnaâtautomeriâ9metilguaninakvantovomehaničeskoeissledovanie |
| first_indexed |
2025-07-06T16:01:50Z |
| last_indexed |
2025-07-06T16:01:50Z |
| _version_ |
1836914008143167488 |
| fulltext |
оповiдi
НАЦIОНАЛЬНОЇ
АКАДЕМIЇ НАУК
УКРАЇНИ
9 • 2014
БIОФIЗИКА
УДК 577.332
А.Н. Глушенков, член-корреспондент НАН Украины Д.Н. Говорун
Прототропная таутомерия 9-метилгуанина:
квантово-механическое исследование
Впервые получено полное молекулярно-цвиттерионное семейство 9-метилгуанина в ва-
кууме, воде, ДМСО и среде с ε = 4. Показано, что оно состоит из 14 молекулярных
таутомеров и 18 цвиттерионов, 9 из которых — илиды.
Согласно гипотезе Вотсона и Крика [1], редкие таутомерные формы нуклеотидных осно-
ваний могут быть ответственны за точечные мутации в ДНК. Таким образом, знание всех
возможных таутомерных форм нуклеотидных оснований является задачей фундаменталь-
ной важности.
С другой стороны, в современных нанотехнологиях [2] используют последовательности
ДНК для построения наноструктур [3, 4]. В этом смысле метилированные производные
нуклеотидных основ представляют особый интерес [5] и являются предметом активного
изучения [6].
Гуанин (Gua) — нуклеотидное основание ДНК, участвующее в кодировании генетичес-
кой информации. Начиная с 1970-х годов Gua активно исследуют теоретически и экспери-
ментально. Так в работе [7] изучена электронная структура двух его таутомерных форм
N9H и N7H. Экспериментально они обнаружены в работах [8, 9].
Квантово-механические исследования предсказывают 36 молекулярных таутомерных
форм Gua [10, 11]. Из них только 8 обнаружены экспериментально [12]. В то же время
известно, что таутомеры пуриновых оснований могут быть цвиттерионами, часть из кото-
рых — илиды [13]. Поскольку Gua является производным пурина, можно предположить
наличие его прототропных цвиттерионов, часть которых может быть илидами. Посколь-
ку N7 ↔ N9 таутомерия в нуклеиновых кислотах запрещена сахарофосфатным остовом,
в качестве модели нами выбран 9-метилгуанин (m9Gua).
Цель и методы. Целью работы является получение полного молекулярно-цвиттерион-
ного семейства прототропных таутомеров m9Gua. Исходные структурные гипотезы гене-
рировали перемещением по одному или по два протона с позиций 1, 2 на позиции 3,
6, 7 (рис. 1). Илиды генерировали перемещением протона с позиции 8 на позиции 3, 6
© А.Н. Глушенков, Д.Н. Говорун, 2014
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2014, №9 151
Рис. 1. Геометрическое строение 9-метилгуанина. Нумерация атомов общепринятая (Зенгер)
и 7. Квантово-механические расчеты геометрической и электронной структуры исследуе-
мых объектов проведены на уровне теории MP2/6-311++G(2df,pd)//B3LYP/6-311++G(d,p)
в вакууме и в некоторых средах (вода, ε = 4, ДМСО) с использованием метода PCM [14].
Все их оптимизированные структуры проверялись на устойчивость по отсутствию мни-
мых частот в колебательных спектрах, рассчитывавшихся в гармоническом приближе-
нии. Квантово-механические расчеты проведены с использованием программного пакета
Gaussian03 для Win32 (Gaussian 03, RevisionE.01, M. J. Frisch, G.W. Trucks, H.B. Schlegel,
et. al.).
Результаты и обсуждение. Нами получено полное семейство прототропных таутоме-
ров m9Gua, состоящее из 32 структур (рис. 2, табл. 1).
Наиболее энергетически выгодным таутомером 9-метилгуанина в вакууме является ке-
то-амино форма 1. За ней по шкале относительной энергии Гиббса идут два энол-ротамера
2, 3 со значениями ∆G0 0,03 и 0,25 ккал/моль соответственно. Полученные нами результаты
очень хорошо согласуются с полученными теоретически в работе [15], где также обнаруже-
на их практическая изоэнергетичность. Прямой барьер таутомеризации 1 → 2 в вакууме
составляет 32,07 ккал/моль. Аналогичная величина для таутомеризации энол-ротамеров
2 → 3 в вакууме составляет 8,20 ккал/моль. Оба барьера значительно больше kT, что
свидетельствует об их устойчивости.
В воде, ДМСО и среде с малой диэлектрической проницаемостью наиболее энергетиче-
ски выгодным таутомером m9Gua является ротамер 2.
Всего в семействе таутомеров m9Gua насчитывается 14 молекулярных таутомеров (1–5,
7–10, 12, 14, 15, 18, 19) и 18 цвиттер-ионов (6, 11, 13, 16, 17, 20–32).
Как видно из рис. 3, ряд молекулярных таутомеров не является непрерывным. Между
наиболее энергетически выгодным таутомером 1 и наименее энергетически выгодным мо-
лекулярным таутомером 19 находится 5 цвиттерионов (6, 11, 13, 16, 17), из которых 2 —
илиды (13, 16). Данный факт существенно влияет как на заселенность высокоэнергетичес-
ких молекулярных таутомеров, так и на заселенность таутомеров 9-метилгуанина в целом.
В табл. 2 приведены значения заселенности прототропных таутомеров m9Gua в различных
средах для наиболее энергетически выгодных таутомеров.
152 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2014, №9
Таблица 1. Относительные энергии Гиббса ∆G (ккал/моль) и дипольные моменты µ(D) прототропных таутомеров m9Gua, полученные в различных
средах при T = 298,15 K
Вакуум (ε = 1)
Среда с малой диэлектрической
проницаемостью (ε = 4) ДМСО (ε = 46,70) Вода (ε = 78,39)
Таутомер ∆G µ Таутомер ∆G µ Таутомер ∆G µ Таутомер ∆G µ
1 0,00 7,53 2 0,00 3,65 2 0,00 3,66 2 0,00 3,66
2 0,03 3,63 3 0,13 4,50 3 0,11 4,54 3 0,11 4,54
3 0,25 4,45 1 0,43 7,81 1 0,65 7,97 1 0,65 7,98
4 14,63 7,16 4 14,42 7,37 4 14,69 7,49 4 14,71 7,49
5 16,10 10,07 5 15,60 10,28 5 16,47 10,40 5 16,53 10,40
6 17,81 11,13 6 18,59 12,38 6 19,01 13,61 6 19,02 13,66
7 18,89 12,09 7 19,60 13,04 7 20,59 13,42 7 20,58 13,43
8 23,08 5,49 8 22,89 5,64 8 22,78 5,72 8 22,75 5,72
9 23,15 5,27 9 23,13 5,49 9 23,56 5,61 9 23,59 5,61
10 23,98 8,12 10 23,68 8,32 10 23,84 8,44 10 23,85 8,44
11 25,62 11,91 11 26,06 12,35 11 26,36 12,57 11 26,36 12,58
12 28,64 2,33 13 28,65 6,57 13 28,78 6,73 13 28,79 6,74
13 28,86 6,24 15 29,01 8,29 15 29,07 8,36 15 29,02 8,36
14 28,91 5,00 12 29,21 2,53 16 29,38 3,05 16 29,38 3,05
15 28,99 8,17 14 29,38 5,93 12 29,81 2,63 12 29,84 2,64
16 29,98 2,99 16 29,42 3,04 14 30,02 5,47 14 30,08 5,48
17 30,50 10,44 18 30,66 10,75 18 31,09 10,84 18 31,10 10,85
18 30,74 10,57 17 31,29 10,88 17 31,67 11,10 17 31,67 11,11
19 35,60 3,16 20 35,77 0,71 20 35,83 0,79 20 35,83 0,79
20 35,88 0,66 19 36,11 3,78 19 37,18 4,62 19 37,24 3,55
21 43,08 8,87 21 43,67 9,64 21 44,12 9,93 21 44,11 9,95
22 45,10 13,29 23 44,91 13,03 22 46,51 14,01 22 46,57 14,03
23 45,16 12,55 22 45,54 13,75 23 46,77 13,30 23 46,85 13,32
24 45,85 15,68 24 46,76 16,34 24 47,74 16,64 24 47,74 16,66
25 55,02 17,98 25 55,80 18,71 26 57,15 15,98 26 57,25 15,99
26 55,15 15,01 26 56,39 15,61 25 57,29 19,02 25 57,36 19,03
27 55,77 15,82 27 56,54 16,52 27 57,87 16,81 27 57,96 16,82
28 60,29 4,86 29 60,10 4,21 29 60,94 4,35 29 60,98 4,36
29 60,58 3,94 28 60,66 5,16 28 61,07 5,34 28 61,09 5,35
30 66,25 6,63 31 66,79 6,76 30 67,43 7,10 30 67,46 7,11
31 68,17 6,32 30 66,84 6,92 31 68,33 6,90 31 68,39 6,91
32 80,11 17,58 32 81,69 18,32 32 83,09 18,70 32 83,24 18,71
IS
S
N
1
0
2
5
-6
4
1
5
Д
оп
овiдi
Н
ац
iон
ал
ь
н
ої
ак
адем
iї
н
ау
к
У
к
раїн
и
,
2
0
1
4
,
№
9
153
Рис. 2. Молекулярно-цвиттерионное семейство 9-метилгуанина, полученное на уровне теории
MP2/6-311++G(2df,pd)//B3LYP/6-311++G(d,p). Молекулы упорядочены по возрастанию относитель-
ной энергии Гиббса (T = 298,5 K) в вакууме
Таким образом, на уровне теории MP2/6-311++G(2df,pd)//B3LYP/6-311++G(d,p) впер-
вые показано, что полное семейство m9Gua является молекулярно-цвиттерионным. Оно
состоит из 14 молекулярных таутомеров и 18 цвиттерионов, 9 из которых — илиды. Энер-
Таблица 2. Заселенность (%) трех наиболее энергетически выгодных таутомеров 9-метилгуанина, полу-
ченных на уровне теории MP2/6-311++G(2df,pd)//B3LYP/6-311++G(d,p) в различных средах при T =
= 298,15 K
Вакуум (ε = 1,00)
Среда с малой
диэлектрической
проницаемостью (ε = 4,00)
ДМСО (ε = 46,70) Вода (ε = 78,39)
1 38,43 2 43,86 2 46,33 2 46,25
2 36,38 1 35,06 3 38,31 3 38,44
3 25,19 3 21,08 1 15,36 1 15,32
154 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2014, №9
Рис. 3. Диаграмма относительных энергий Гиббса и дипольных моментов полного семейства таутомеров
9-метилгуанина в вакууме. Ось абсцисс обозначает таутомер, а ось ординат слева — величину относительной
энергии Гиббса в ккал/моль. Ось ординат справа обозначает величину дипольного момента таутомера µ(D)
гетический ряд молекулярных таутомеров в вакууме прерывается 5 цвиттерионами, 2 из
которых — илиды.
1. Watson J.D., Crick F.H.C. Genetical implications of the structure of DNA // Nature. – 1953. – 171. –
P. 964–967.
2. Service R. F. DNA nanotechnology grows up // Science. – 2011. – 332. – P. 1140.
3. Benenson Y. Biocomputers: from test tubes to live // Mol. Biosyst. – 2009. – 5. – P. 675.
4. Li D., Fan C. DNA nanotechnology. From structure to function. – Springer, 2013. – 411 p.
5. Zhu C., Wen Y., Peng H., et al. A methylation-stimulated DNA machine: an autonomous isothermal
route to methyltransferase activity and inhibition analysis // Anal. Bioanal. Chem. – 2011. – 399. –
P. 3459–3464.
6. Geunjung L., Young-Gui Y. First-principles studies of the energetics and the electronic structures of
methylguanine // J. of the Korean Physical Society. – 2012. – 60. – P. 1452–1456.
7. Pullman B., Pullman A. Electronic aspects of purine tautomerism // Advances in Heterocyclic Chemistry. –
1971. – 13. – P. 77–159.
8. Szczepaniak K., Szczesniak M. Matrix isolation infrared studies of nucleic acid constituents // J. Mol.
Struct. – 1987. – 156. – P. 29–42.
9. Sheina G.G., Stepanian S.G., Radchenko E.D. IR Spectra of guanine and hypoxanthine isolated molecu-
les // J. Mol. Struct. – 1987. – 158. – P. 275–292.
10. Sabio M., Topiol S., Lumma W.C., Jr. An Investigation of tautomerism in adenine and guanine // J. Phys.
Chem. – 1990. – 94. – P. 1366–1372.
11. Wanchun L., Haoran L., Xingbang H., Shijun H. Systematic theoretical investigations on all of the tauto-
mers of guanine: From both dynamics and thermodynamics viewpoint // Chem. Phys. – 2006. – 328. –
P. 93–102.
12. Plekan O., Feyer V. et al. An experimental and theoretical core-level study of tautomerism in guanine //
J. Phys. Chem. A – 2009. – 113. – P. 9376–9385.
13. Brovarets’O. O., Hovorun D.M. Prototropic tautomerism and basic molecular principles of hypoxanthine
mutagenicity: an exhaustive quantum-chemical analysis // J. of Biomol. Structure and Dynamics. – 2012. –
P. 1–24.
14. Tomasi J., Mennucci B., Cammi R. Quantum mechanical continuum solvation models // Chem. Rev. –
2005. – 105. – P. 2999–3093.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2014, №9 155
15. Chin W., Mons M., Piuzzi F. et al. Gas phase rotamers of the nucleobase 9-methylguanine enol and its
monohydrate optical spectroscopy and quantum mechanical calculations // J. Phys. Chem. A. – 2004. –
108. – P. 8237–8243.
Поступило в редакцию 15.01.2014Институт высоких технологий Киевского
национального университета им. Тараса Шевченко
Институт молекулярной биологии и генетики
НАН Украины, Киев
А.М. Глушенков, член-кореспондент НАН України Д.М. Говорун
Прототропна таутомерiя 9-метилгуанiну: квантово-механiчне
дослiдження
Вперше отримано повне молекулярно-цвiтерiонне сiмейство 9-метилгуанiну в вакуумi, во-
дi, ДМСО та середовищi з ε = 4. Показано, що воно складається з 14 молекулярних тау-
томерiв та 18 цвiтерiонiв, 9 з яких — iлiди.
A.N. Glushenkov, Corresponding Member of the NAS of Ukraine D.M. Hovorun
Prototropic tautomerism of 9-methylguanine: quantum-mechanical
investigation
For the first time, the full molecular-zwitterionic 9-methylguanine family has been obtained in
vacuum, water, DMSO, and the ε = 4 continuum. It is shown that it consists of 14 molecular
tautomers and 18 zwitterions, 9 of which are ylides.
156 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2014, №9
|