Повна множина Н-зв’язаних гомоасоцiатiв 9-метилгуанiну за участю мутагенних таутомерiв: квантово-механiчне дослiдження
Вперше на рiвнi квантово-механiчної теорiї MP2/6-311++G(2df,pd)//B3LYP/6-311++G(d,p) у вакуумному наближеннi отримано повне сiмейство H-зв’язаних гомоасоцiатiв m⁹Gua·m⁹Gua, яке складається з 57 структур, вiдносна енергiя Гiббса яких знаходиться в дiапазонi 0–17,69 ккал/моль за нормальних умов. Гомоа...
Gespeichert in:
| Datum: | 2016 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainian |
| Veröffentlicht: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2016
|
| Schriftenreihe: | Доповіді НАН України |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/99071 |
| 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: | Повна множина Н-зв’язаних гомоасоцiатiв 9-метилгуанiну за участю мутагенних таутомерiв: квантово-механiчне дослiдження / А.М. Глушенков, Д.М. Говорун // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2016. — № 3. — С. 98-106. — Бібліогр.: 15 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-99071 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-990712017-11-02T15:08:12Z Повна множина Н-зв’язаних гомоасоцiатiв 9-метилгуанiну за участю мутагенних таутомерiв: квантово-механiчне дослiдження Глушенков, А.М. Говорун, Д.М. Біофізика Вперше на рiвнi квантово-механiчної теорiї MP2/6-311++G(2df,pd)//B3LYP/6-311++G(d,p) у вакуумному наближеннi отримано повне сiмейство H-зв’язаних гомоасоцiатiв m⁹Gua·m⁹Gua, яке складається з 57 структур, вiдносна енергiя Гiббса яких знаходиться в дiапазонi 0–17,69 ккал/моль за нормальних умов. Гомоасоцiати стабiлiзуються класичними (NH…N, NH…O, OH…N, OH...O), слабкими (CH...N, CH...O) H-зв’язками, а також ван-дер-ваальсовими контактами. Iз зафiксованих гомоасоцiатiв 11 структур є плоскосиметричними (3 з яких центросиметричнi), 7 структур U-подiбнi, 12 структур мають Г-подiбну неканонiчну геометрiю, 2 структури мають Т-подiбну геометрiю, 20 структур спiралеподiбнi, 3 структури хрестоподiбнi та 2 iстотно непланарнi. Доведено, що метильна група m⁹Gua є донором Н-зв’язування та впливає на енергетичний розподiл гомоасоцiатiв. Показано, що при самоасоцiацiї m⁹Gua його амiногрупа може бути одночасно як донором, так i акцептором H-зв’язку. Встановлено лiнiйну залежнiсть мiж енергiєю H-зв’язкiв CH...O=N та значенням електронної густини у вiдповiдних критичних точках. Впервые на уровне квантово-механической теории MP2/6-311++G(2df,pd)//B3LYP/6-311+ +G(d,p) в вакуумном приближении получено полное семейство H-связанных гомоассоциатов m⁹Gua·m⁹Gua, состоящее из 57 структур, относительная энергия Гиббса которых находится в диапазоне 0–17,69 ккал/моль при нормальных условиях. Гомоассоциаты стабилизируются классическими (NH...N, NH...O, OH...N, OH...O), слабыми (CH...N, CH...O) H-связями, а также ван-дер-ваальсовыми контактами. Из зафиксированных гомоассоциа- тов 11 структур являются плоскосимметричными (3 из которых центросимметричны), 7 структур U-образные, 12 структур имеют Г-образную неканоническую геометрию, 2 структуры обладают Т-образной геометрией, 20 структур винтовые, 3 структуры крестообразные и 2 структуры существенно непланарные. Доказано, что метильная группа m⁹Gua является донором H-связывания и влияет на энергетическое распределение гомоассоциатов. Показано, что при самоассоциации m⁹Gua аминогруппа может быть одновременно как донором, так и акцептором H-связи. Установлена линейная зависимость между энергией CH...O=N H-связей и значением электронной плотности в соответствующих критических точках. For the first time on the MP2/6-311++G(2df,pd)//B3LYP/6-311++G(d,p) theory level, the complete family of m⁹Gua·m⁹Gua homoassociates in vacuum, which consists of 57 structures the interval 0–17.69 kcal/mol of relative Gibbs free energies under standard conditions, is obtained. Homoassociates are stabilized through classical (NH...N, NH...O, OH...N, OH...O) and weak (CH...N, CH...O) H-bonds, and van-der-Waals contacts. The structures of 11 m9Gua·m9Gua homoassociates are planar (3 of them are centrosymmetric), 7 structures are U-shaped, 12 structures have L-shaped noncanonical geometry, 2 structures have T-shaped geometry, 20 structures — spiral, 3 — cross shaped, 2 — significantly non-planar. It is proved that the methyl group of m⁹Gua in position 9 is a donor of H-bonding and influences the energy distribution of homoassociates. It is demonstrated that, during the self-association of m⁹Gua, its amino-group can be simultaneously a donor and an acceptor of an H-bond. A linear relation between the energy of CH...O=N H-bonds and their electron density in corresponding critical bonds is established. 2016 Article Повна множина Н-зв’язаних гомоасоцiатiв 9-метилгуанiну за участю мутагенних таутомерiв: квантово-механiчне дослiдження / А.М. Глушенков, Д.М. Говорун // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2016. — № 3. — С. 98-106. — Бібліогр.: 15 назв. — укр. 1025-6415 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/99071 577.332 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 |
Біофізика Біофізика |
| spellingShingle |
Біофізика Біофізика Глушенков, А.М. Говорун, Д.М. Повна множина Н-зв’язаних гомоасоцiатiв 9-метилгуанiну за участю мутагенних таутомерiв: квантово-механiчне дослiдження Доповіді НАН України |
| description |
Вперше на рiвнi квантово-механiчної теорiї MP2/6-311++G(2df,pd)//B3LYP/6-311++G(d,p) у вакуумному наближеннi отримано повне сiмейство H-зв’язаних гомоасоцiатiв m⁹Gua·m⁹Gua, яке складається з 57 структур, вiдносна енергiя Гiббса яких знаходиться в дiапазонi 0–17,69 ккал/моль за нормальних умов. Гомоасоцiати стабiлiзуються класичними (NH…N, NH…O, OH…N, OH...O), слабкими (CH...N, CH...O)
H-зв’язками, а також ван-дер-ваальсовими контактами. Iз зафiксованих гомоасоцiатiв 11 структур є плоскосиметричними (3 з яких центросиметричнi), 7 структур U-подiбнi, 12 структур мають Г-подiбну неканонiчну геометрiю, 2 структури мають
Т-подiбну геометрiю, 20 структур спiралеподiбнi, 3 структури хрестоподiбнi та 2 iстотно непланарнi. Доведено, що метильна група m⁹Gua є донором Н-зв’язування та впливає на енергетичний розподiл гомоасоцiатiв. Показано, що при самоасоцiацiї m⁹Gua його амiногрупа може бути одночасно як донором, так i акцептором H-зв’язку. Встановлено лiнiйну залежнiсть мiж енергiєю H-зв’язкiв CH...O=N та значенням електронної густини у вiдповiдних критичних точках. |
| format |
Article |
| author |
Глушенков, А.М. Говорун, Д.М. |
| author_facet |
Глушенков, А.М. Говорун, Д.М. |
| author_sort |
Глушенков, А.М. |
| title |
Повна множина Н-зв’язаних гомоасоцiатiв 9-метилгуанiну за участю мутагенних таутомерiв: квантово-механiчне дослiдження |
| title_short |
Повна множина Н-зв’язаних гомоасоцiатiв 9-метилгуанiну за участю мутагенних таутомерiв: квантово-механiчне дослiдження |
| title_full |
Повна множина Н-зв’язаних гомоасоцiатiв 9-метилгуанiну за участю мутагенних таутомерiв: квантово-механiчне дослiдження |
| title_fullStr |
Повна множина Н-зв’язаних гомоасоцiатiв 9-метилгуанiну за участю мутагенних таутомерiв: квантово-механiчне дослiдження |
| title_full_unstemmed |
Повна множина Н-зв’язаних гомоасоцiатiв 9-метилгуанiну за участю мутагенних таутомерiв: квантово-механiчне дослiдження |
| title_sort |
повна множина н-зв’язаних гомоасоцiатiв 9-метилгуанiну за участю мутагенних таутомерiв: квантово-механiчне дослiдження |
| publisher |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| publishDate |
2016 |
| topic_facet |
Біофізика |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/99071 |
| citation_txt |
Повна множина Н-зв’язаних гомоасоцiатiв 9-метилгуанiну за участю мутагенних таутомерiв: квантово-механiчне дослiдження / А.М. Глушенков, Д.М. Говорун // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2016. — № 3. — С. 98-106. — Бібліогр.: 15 назв. — укр. |
| series |
Доповіді НАН України |
| work_keys_str_mv |
AT glušenkovam povnamnožinanzvâzanihgomoasociativ9metilguaninuzaučastûmutagennihtautomerivkvantovomehaničnedoslidžennâ AT govorundm povnamnožinanzvâzanihgomoasociativ9metilguaninuzaučastûmutagennihtautomerivkvantovomehaničnedoslidžennâ |
| first_indexed |
2025-07-07T07:27:41Z |
| last_indexed |
2025-07-07T07:27:41Z |
| _version_ |
1836972257534017536 |
| fulltext |
оповiдi
НАЦIОНАЛЬНОЇ
АКАДЕМIЇ НАУК
УКРАЇНИ
3 • 2016
БIОФIЗИКА
УДК 577.332 http://dx.doi.org/dopovidi2016.03.098
А.М. Глушенков, член-кореспондент НАН України Д.М. Говорун
Iнститут високих технологiй Київського нацiонального унiверситету iм. Тараса Шевченка
Iнститут молекулярної бiологiї i генетики НАН України, Київ
E-mail: an.glushenkov@yandex.ru
Повна множина Н-зв’язаних гомоасоцiатiв
9-метилгуанiну за участю мутагенних таутомерiв:
квантово-механiчне дослiдження
Вперше на рiвнi квантово-механiчної теорiї MP2/6-311++G(2df,pd)//B3LYP/6-311+
+G(d,p) у вакуумному наближеннi отримано повне сiмейство H-зв’язаних гомоасоцi-
атiв m9Gua·m9Gua, яке складається з 57 структур, вiдносна енергiя Гiббса яких зна-
ходиться в дiапазонi 0–17,69 ккал/моль за нормальних умов. Гомоасоцiати стабiлi-
зуються класичними (NH. . .N, NH. . .O, OH. . .N, OH. . .O), слабкими (CH. . .N, CH. . .O)
H-зв’язками, а також ван-дер-ваальсовими контактами. Iз зафiксованих гомоасоцiа-
тiв 11 структур є плоскосиметричними (3 з яких центросиметричнi), 7 структур
U-подiбнi, 12 структур мають Г-подiбну неканонiчну геометрiю, 2 структури мають
Т-подiбну геометрiю, 20 структур спiралеподiбнi, 3 структури хрестоподiбнi та 2 iсто-
тно непланарнi. Доведено, що метильна група m9Gua є донором Н-зв’язування та впли-
ває на енергетичний розподiл гомоасоцiатiв. Показано, що при самоасоцiацiї m9Gua його
амiногрупа може бути одночасно як донором, так i акцептором H-зв’язку. Встановле-
но лiнiйну залежнiсть мiж енергiєю H-зв’язкiв CH. . .O/N та значенням електронної
густини у вiдповiдних критичних точках.
Ключовi слова: таутомерна гiпотеза, самозбирання, гуанiн, 9-метилгуанiн, повна мно-
жина, повне сiмейство, Н-зв’язок.
Генетична iнформацiя в ДНК i РНК кодується послiдовнiстю основ нуклеотидних кислот,
при цьому комплементарнi пари нуклеотидних основ забезпечують її стiйке зберiгання та
передачу. Однак, незважаючи на високу точнiсть реплiкацiї [1], з’являються спонтаннi то-
чковi мутацiї, механiзм виникнення яких до кiнця так i не з’ясовано. Однiєю з головних
гiпотез, що пояснюють їхнє походження, є таутомерна гiпотеза Вотсона i Крика. Для по-
шуку розв’язання цiєї проблеми у рамках даної гiпотези необхiдно, зокрема, знати повний
набiр пар нуклеотидних основ за участю всiх таутомерних форм нуклеотидних основ, що
входять до їх складу. Така бiблiотека дасть можливiсть прискорити знаходження енергети-
чно найвигiднiших шляхiв таутомеризацiї нуклеотидних основ в їхнiх рiзних асоцiацiях.
© А.М. Глушенков, Д. М. Говорун, 2016
98 ISSN 1025-6415 Dopov. Nac. akad. nauk Ukr., 2016, №3
З iншого боку, пари нуклеотидних основ вiдiграють важливу роль у галузi сучасних
нанотехнологiй для вирiшення проблеми самозбирання наноструктур [2–4]. Iнформацiя про
рiзноманiтнi пари нуклеотидних основ дасть можливiсть наноiнженерам вибирати потрi-
бний їм мотив при проектуваннi тих чи iнших нанопристроїв нуклеотидної природи.
База нуклеїнових кислот NDB мiстить усi експериментально зафiксованi i класифiкованi
за Вестхофом–Леонтiсом [5] пари нуклеотидних основ: на сьогоднi вона мiстить п’ять пар
нуклеотидних основ типу G·G. Водночас Лi i Гутелл [6], проаналiзувавши усi доступнi екс-
периментальнi данi, запропонували свою класифiкацiю, у рамках якої нараховується 12 пар
нуклеотидних основ типу G·G. Таким чином, кiлькiсть пар нуклеотидних основ одного
й того самого типу значною мiрою залежить вiд способу їхньої класифiкацiї. Отриманi
нами результати показують, що обидвi класифiкацiї мають недолiки i за їх допомогою не
можна однозначно класифiкувати усi без винятку можливi пари.
Мета роботи — отримати геометричнi та фiзико-хiмiчнi характеристики усiх можливих
гомоасоцiатiв 9-метилгуанiну (m9Gua) за участю його енергетично найвигiднiших тауто-
мерних форм [7].
Об’єкт та методи дослiдження. Вихiднi структурнi гiпотези генерували автоматично
за допомогою оригiнального алгоритму [8]. Квантово-механiчнi розрахунки геометричної
та електронної будови дослiджуваних об’єктiв проводили на рiвнi теорiї DFT B3LYP/6-
311++G(d,p) у вакуумi. Усi оптимiзованi структури перевiряли на стiйкiсть за вiдсутнiстю
уявних частот в їхнiх коливальних спектрах, розрахованих у гармонiйному наближеннi.
Електрону енергiю взаємодiї нуклеотидних основ у комплексах та вiдносну енергiю Гiббса
останнiх визначали на рiвнi теорiї MP2/6-311++G(2df,pd)//B3LYP/6-311++G(d,p). Кван-
тово-механiчнi розрахунки проводили з використанням програмного пакета Gaussian 03 для
Win32 (Gaussian 03, RevisionE.01, M. J. Frisch, G. W. Trucks, H.B. Schlegel, et. al.).
Мiжмолекулярнi Н-зв’язки iдентифiкували за методом аналiзу топологiї електронної
густини QTAIM за Бейдером з використанням хвильових функцiй, отриманих на рiвнi те-
орiї B3LYP/6-311++G(d,p). Додатково для iдентифiкацiї CH. . .O/N H-зв’язкiв застосову-
вали методи NBO-аналiзу [9] та Грюненберга [10]. Для розрахункiв констант Грюненберга
використовували програму Compliance 3.0.2. Енергiї класичних Н-зв’язкiв розраховували
методом Iогансена [11], а неканонiчних CH. . .O/N H-зв’язкiв та притягувальних ван-дер-ва-
альсових контактiв — методом Еспiнози–Молiнса–Лєкомте (ЕМЛ) [12].
Результати та їхнє обговорення. Проведенi нами розрахунки усiх можливих Н-зв’я-
заних гомоасоцiатiв m9Gua·m9Gua показали, що їхнє повне сiмейство складається iз 57 стру-
ктур, вiдносна енергiя Гiббса яких знаходиться в дiапазонi 0–17,69 ккал/моль за нормальних
умов. До сiмейства входять асоцiати в основнiй та рiдкiснiй таутомерних формах.
Енергетично найвигiднiший конформер 1 має плоску центросиметричну будову i пiд-
тримується двома антипаралельними Н-зв’язками N1H. . .O6 за вотсон–крикiвським сайтом
зв’язування m9Gua. Його заселенiсть за стандартних умов становить 0,9999 (рис. 1, табл. 1).
11 iз зафiксованих гомоасоцiатiв m9Gua·m9Gua мають плоскосиметричну будову (1–
3, 7, 23, 25, 31, 32, 49, 50, 53; 3 з них (1, 2, 50) — центросиметричну), 12 структур
мають Г-подiбну неканонiчну геометрiю (8, 17, 30, 34–37, 41, 43, 44, 48, 54), 2 структури
Т-подiбнi (39, 56), 20 структур спiралеподiбнi (4–6, 9, 11, 12, 14–16, 18, 21, 22, 24,
27, 28, 40, 45, 46, 52, 57), 7 структур U-подiбнi (10, 13, 19, 26, 29, 38, 47), 3 структури
хрестоподiбнi (42, 51, 55), 2 структури суттєво непланарнi (20, 33).
Встановлено, що гомоасоцiати m9Gua асоцiйованi Н-зв’язками шiстьох типiв, а саме —
NH. . .N, NH. . .O, OH. . .N, OH. . .O, CH. . .O i CH. . .N та притягувальними ван-дер-ваальсови-
ISSN 1025-6415 Доп. НАН України, 2016, №3 99
Рис. 1. Енергетично найвигiднiший самоасоцiат m9Gua ·m9Gua. Тут i на рис. 2–4 мiжмолекулярнi Н-зв’язки
AHS. . .B зображено пунктиром, їхню довжину H. . .B вказано в Å
ми контактами C. . .N, C. . .C i O. . .N. Енергiї класичних Н-зв’язкiв знаходяться в дiапазонi
0,86–9,79 ккал/моль, а некласичних — в дiапазонi 0,36–2,43 ккал/моль. Слiд виокремити
чималу кiлькiсть комплексiв, в яких амiногрупа виступає як донор, так i акцептор Н-зв’я-
зування.
Енергетично найвигiднiший конформер 2, в якому бере участь рiдкiсна таутомерна фор-
ма гуанiну, має вiдносну енергiю Гiббса (∆G0) 6,16 ккал/моль, нульовий дипольний момент
та стабiлiзується двома антипаралельними O6H. . .N1 Н-зв’язками, що робить його можли-
вим кандидатом зародку кристалiзацiї (рис. 2, табл. 1).
У роботах [13, 14] розглядається механiзм таутомеризацiї G з використанням конфор-
мера 4, який у повному сiмействi гомоасоцiатiв m9Gua·m9Gua має вiдносну енергiю Гiббса
7,02 ккал/моль та спiралеподiбну структуру (рис. 3, табл. 1).
Цей конформер стабiлiзується за допомогою трьох Н-зв’язкiв N2H. . .N2, N1H. . .N1
i O6H. . .O6. Цiкавим фактом є те, що конформер 4 — це енергетично найвигiднiший го-
моасоцiат, який стабiлiзується Н-зв’язком мiж двома амiногрупами, коли остання виконує
роль донора i акцептора Н-зв’язування. Ще цiкавiшим у цьому контекстi є iстотно непло-
щинний Т-подiбний конформер 21, утворений за участю чотирьох Н-зв’язкiв N2H. . .N2,
Таблиця 1. Електронно-топологiчнi та структурнi характеристики мiжмолекулярних зв’язкiв у деяких енер-
гетично найвигiднiших гомоасоцiатах m9Gua·m9Gua
Пара
AH. . .B
H-зв’язок ρ, a. o. ∆ρ, a. o. 100ε dA...B, Å dH...B, Å ∆dA...H, Å ∠AH. . .B
1 N1H. . .O6 0,042 0,125 3,88 2,781 1,748 −0,025 173,6
N1H. . .O6 0,042 0,125 3,88 2,781 1,748 −0,025 173,6
2 O6H. . .N1 0,057 0,100 5,24 2,690 1,682 −0,046 172,3
O6H. . .N1 0,057 0,100 5,24 2,690 1,682 −0,046 172,3
4 O6H. . .O6 0,050 0,138 2,51 2,647 1,650 −0,036 171,2
N1H. . .N1 0,035 0,091 6,64 2,919 1,892 −0,021 172,5
N2H. . .N2 0,016 0,048 6,55 3,230 2,241 −0,006 164,4
21 N2H. . .N2 0,016 0,050 8,05 3,188 2,242 −0,004 155,2
N2H. . .N2 0,006 0,020 137,0 3,434 2,847 −0,004 117,5
N1H. . .N3 0,026 0,075 5,28 3,032 2,016 −0,018 168,5
C9H. . .O6 0,013 0,042 3,23 3,353 2,287 0,000 164,7
100 ISSN 1025-6415 Dopov. Nac. akad. nauk Ukr., 2016, №3
Рис. 2. Енергетично найвигiднiший самоасоцiат m9Gua·m9Gua за участю рiдкiсних таутомерних форм
Рис. 3. Стереозображення мутагенного конформера 4 m9Gua·m9Gua, який стабiлiзується за допомогою
трьох Н-зв’язкiв N2H. . .N2, N1H. . .N1 i O6H. . .O6
Рис. 4. Стереозображення суттєво непланарного конформера 21, у якому амiногрупа є одночасно донором
i акцептором Н-зв’язування
N2H. . .N3, N1H. . .N3 i C9H. . .O6 (E(2) = 2,36 ккал/моль, Cstr = 14,87 мдин/Å). У цьому
конформерi амiногрупа однiєї основи виступає одночасно донором i акцептором протона
(рис. 4, табл. 1).
Нами також проведено грунтовний аналiз усiх виявлених у сiмействi гомоасоцiатiв
m9Gua·m9Gua слабких мiжмолекулярних Н-зв’язкiв CH. . .O/N. Зв’язки цього типу спо-
стерiгаються в 29 конформерах (3; 6; 8; 11–14; 18–20; 22; 23; 25; 28; 29; 31; 32; 35; 37;
41; 42; 44; 46–48; 51; 53–55). У 21 конформерi (8; 11; 13; 14; 18; 19; 20; 22; 25; 28;
31; 32; 35; 37; 41; 42; 46; 51; 53–55) iснують CH. . .O/N H-зв’язки за участю метильної
групи в положенi 9 як донора протона. Як видно з табл. 2, виявленi нами специфiчнi конта-
ISSN 1025-6415 Доп. НАН України, 2016, №3 101
Т
а
б
л
и
ц
я
2
.
Е
л
ек
т
р
о
н
н
о
-т
о
п
о
л
о
гi
ч
н
i
в
л
а
ст
и
в
о
ст
i,
зн
ач
ен
н
я
ст
а
б
iл
iз
а
ц
iй
н
о
ї
ен
ер
гi
ї
E
(2
)
та
л
iн
iй
н
о
ї
к
о
н
ст
а
н
т
и
Г
р
ю
н
ен
б
ер
га
C
st
r
д
л
я
м
iж
м
о
л
ек
ул
я
р
н
и
х
Н
-з
в
’я
зк
iв
C
H
..
.O
/
N
у
го
м
о
а
со
ц
iа
та
х
m
9
G
u
a
·
m
9
G
u
a
П
а
р
а
A
H
..
.B
H
-з
в
’я
зо
к
ρ
,
a
.o
.
∆
ρ
,
a
.o
.
1
0
0
ε
d
A
..
.B
,
Å
d
H
..
.B
,
Å
∆
d
A
..
.H
,
Å
∠
A
H
..
.B
E
H
B
,
к
к
а
л
/
м
о
л
ь
E
(2
)
,
к
к
а
л
/
м
о
л
ь
C
st
r
,
м
д
и
н
/
Å
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
0
1
1
1
2
3
C
8
H
..
.O
6
0
,0
0
7
0
,0
2
6
2
,7
8
3
,3
0
3
2
,5
8
8
−
0
,0
0
1
1
2
3
,0
1
,4
5
1
,8
9
2
0
,9
5
7
7
C
8
H
..
.O
6
0
,0
1
1
0
,0
3
8
1
,1
2
3
,2
0
2
2
,3
7
8
−
0
,0
0
2
1
3
1
,8
2
,0
9
1
,4
3
1
7
,3
3
9
9
C
9
H
..
.N
2
0
,0
0
8
0
,0
2
2
4
,6
0
3
,6
4
5
2
,6
3
9
0
,0
0
0
1
5
3
,0
1
,3
0
1
,1
7
2
4
,3
4
7
1
2
C
9
H
..
.O
6
0
,0
0
7
0
,0
2
5
2
0
,0
1
3
,2
9
8
2
,5
9
2
0
,0
0
1
1
2
1
,7
1
,3
7
0
,2
0
4
1
,2
5
7
1
3
C
8
H
..
.O
6
0
,0
0
2
0
,0
0
9
1
5
2
,9
8
3
,7
9
7
3
,2
3
9
0
,0
0
0
1
1
3
,2
0
,3
6
0
,0
9
4
1
1
,9
9
4
1
4
C
9
H
..
.O
6
0
,0
0
7
0
,0
2
6
1
8
,0
6
3
,2
9
4
2
,5
7
7
0
,0
0
2
1
2
2
,6
1
,4
0
0
,2
6
4
5
,8
2
0
1
5
C
9
H
..
.O
6
0
,0
1
1
0
,0
3
7
1
2
,7
8
3
,2
1
2
2
,3
9
8
0
,0
0
2
1
3
0
,4
2
,1
1
0
,8
9
2
4
,1
0
1
2
0
C
9
H
..
.N
7
0
,0
0
6
0
,0
1
8
1
4
,2
8
3
,6
0
1
2
,7
7
7
−
0
,0
0
1
1
3
2
,0
1
,0
5
0
,3
6
5
1
,6
1
1
C
9
H
..
.N
7
0
,0
0
5
0
,0
1
6
1
4
,1
6
3
,6
4
0
2
,8
3
2
−
0
,0
0
1
1
3
0
,8
0
,9
4
0
,2
7
6
4
,7
2
3
2
1
C
9
H
..
.O
6
0
,0
1
3
0
,0
4
2
3
,2
3
3
,3
5
3
2
,2
8
7
0
,0
0
0
1
6
4
,7
2
,4
3
2
,3
6
1
4
,8
7
3
2
2
C
9
H
..
.O
6
0
,0
1
3
0
,0
3
9
3
,1
3
3
,3
7
7
2
,3
1
4
0
,0
0
0
1
6
3
,9
2
,2
9
2
,1
3
1
6
,4
2
2
2
4
C
9
H
..
.O
6
0
,0
1
2
0
,0
3
7
3
,0
1
3
,3
9
7
2
,3
3
5
−
0
,0
0
1
1
6
3
,8
2
,1
9
2
,0
6
1
7
,1
0
5
2
5
C
8
H
..
.N
3
0
,0
0
5
0
,0
1
4
3
,1
2
3
,6
5
7
2
,9
6
0
0
,0
0
0
1
2
2
,5
0
,7
1
0
,5
3
2
4
6
,4
0
3
2
7
C
9
H
..
.N
1
0
,0
1
0
0
,0
2
6
2
,8
2
3
,6
2
1
2
,5
5
1
0
,0
0
1
1
6
6
,6
1
,4
5
1
,9
3
2
1
,0
6
5
3
0
C
8
H
..
.N
7
0
,0
0
7
0
,0
2
2
3
6
,9
7
3
,4
9
0
2
,6
9
4
−
0
,0
0
1
1
3
0
,1
1
,2
4
0
,3
5
3
6
,5
7
5
C
9
H
..
.N
7
0
,0
0
6
0
,0
1
8
2
0
,3
3
3
,5
7
0
2
,8
2
7
0
,0
0
0
1
2
5
,2
1
,0
4
0
,3
0
4
7
,4
0
6
C
9
H
..
.O
6
0
,0
0
2
0
,0
0
9
2
1
,6
4
4
,2
3
1
3
,1
4
8
0
,0
0
0
1
7
1
,7
0
,3
7
0
,1
4
1
5
6
,4
9
7
3
1
C
8
H
..
.N
1
0
,0
1
2
0
,0
3
5
3
,3
7
3
,2
9
5
2
,4
6
1
−
0
,0
0
1
1
3
3
,1
1
,8
2
2
,2
0
1
6
,1
5
8
3
3
C
9
H
..
.N
7
0
,0
1
3
0
,0
3
7
3
,3
3
3
,4
7
3
2
,3
8
8
0
,0
0
0
1
7
2
,7
1
,9
7
2
,9
5
1
2
,3
6
6
3
4
C
8
H
..
.N
7
0
,0
0
7
0
,0
2
1
3
8
,4
9
3
,4
9
1
2
,6
8
5
−
0
,0
0
1
1
3
1
,0
1
,1
2
0
,3
6
3
5
,4
1
7
C
9
H
..
.N
7
0
,0
0
6
0
,0
1
8
2
2
,8
9
3
,5
8
4
2
,8
4
2
−
0
,0
1
1
1
2
5
,2
0
,9
4
0
,2
9
4
9
,0
8
5
C
9
H
..
.O
6
0
,0
0
2
0
,0
0
8
5
1
,6
8
4
,2
7
4
3
,1
8
9
−
0
,0
1
1
1
7
2
,6
0
,3
2
0
,1
1
1
3
1
,3
9
0
3
7
C
9
H
..
.O
6
0
,0
1
4
0
,0
5
5
3
,6
5
3
,2
8
0
2
,2
0
1
0
,0
0
2
1
7
0
,1
3
,0
6
3
,6
5
1
0
,0
3
9
102 ISSN 1025-6415 Dopov. Nac. akad. nauk Ukr., 2016, №3
Т
а
б
л
и
ц
я
2
.
П
р
од
о
в
ж
ен
н
я
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
0
1
1
1
2
3
9
C
9
H
..
.N
7
0
,0
0
5
0
,0
1
6
3
8
,1
7
3
,8
0
3
2
,8
2
4
0
,0
0
2
1
4
9
,5
0
,8
8
0
,0
9
5
5
,1
8
3
C
9
H
..
.O
6
0
,0
0
3
0
,0
1
2
3
1
,9
7
3
,8
0
8
3
,0
6
8
0
,0
0
0
1
2
5
,6
0
,5
7
0
,0
1
1
5
6
,4
5
3
C
9
H
..
.N
2
0
,0
0
5
0
,0
1
5
3
2
,3
6
3
,7
7
1
2
,9
0
1
0
,0
0
0
1
3
6
,8
0
,8
4
0
,3
5
6
2
,6
0
0
4
3
C
8
H
..
.N
7
0
,0
0
8
0
,0
2
2
5
9
,4
6
3
,5
4
2
2
,6
5
4
−
0
,0
0
1
1
3
9
,0
1
,1
7
0
,3
5
3
6
,3
1
0
C
9
H
..
.N
7
0
,0
0
6
0
,0
1
7
8
,8
5
3
,6
1
9
2
,8
3
0
0
,0
0
0
1
2
9
,1
0
,9
4
0
,4
0
6
9
,6
8
0
4
4
C
9
H
..
.O
6
0
,0
1
1
0
,0
3
2
3
,1
4
3
,3
9
0
2
,4
1
3
0
,0
0
0
1
4
8
,3
1
,9
2
1
,2
0
3
7
,5
8
0
4
6
C
8
H
..
.N
1
0
,0
0
5
0
,0
1
3
1
,1
2
3
,6
8
9
2
,9
5
7
0
,0
0
0
1
2
5
,4
0
,7
2
0
,6
0
2
4
6
,2
2
4
4
8
C
8
H
..
.O
6
0
,0
1
2
0
,0
4
0
4
,4
9
3
,3
4
1
2
,2
9
8
0
,0
0
0
1
6
1
,6
2
,1
5
1
,6
5
1
7
,9
9
1
C
9
H
..
.N
7
0
,0
0
7
0
,0
2
0
3
,1
0
3
,7
2
5
2
,6
4
9
0
,0
0
1
1
6
8
,7
1
,1
2
1
,2
1
5
1
,7
7
3
C
9
H
..
.O
6
0
,0
0
2
0
,0
0
9
2
7
4
,6
6
3
,9
4
6
3
,2
3
8
0
,0
0
1
1
2
3
,5
0
,3
7
0
,8
8
1
7
6
,7
4
7
4
9
C
8
H
..
.N
3
0
,0
0
8
0
,0
2
1
3
,6
9
3
,5
0
6
2
,6
9
3
−
0
,0
0
1
1
3
1
,6
1
,1
5
1
,3
2
4
5
,2
8
4
5
0
C
8
H
..
.N
7
0
,0
1
2
0
,0
3
7
5
,6
9
3
,2
8
9
2
,4
1
1
−
0
,0
0
2
1
3
7
,3
1
,8
7
2
,4
6
1
6
,6
7
1
C
8
H
..
.N
7
0
,0
1
2
0
,0
3
7
5
,6
9
3
,2
8
9
2
,4
1
1
−
0
,0
0
2
1
3
7
,3
1
,8
7
2
,4
6
1
6
,6
5
2
5
3
C
8
H
..
.N
7
0
,0
1
3
0
,0
3
9
6
,4
3
3
,4
4
4
2
,3
6
3
−
0
,0
0
2
1
7
7
,5
1
,9
6
4
,0
7
1
3
,3
8
8
C
9
H
..
.O
6
0
,0
0
9
0
,0
2
9
2
,3
2
3
,5
1
3
2
,4
5
1
0
,0
0
0
1
6
4
,7
1
,6
0
1
,6
3
2
5
,7
8
2
5
5
C
9
H
..
.N
1
0
,0
0
5
0
,0
1
4
6
,8
9
3
,9
4
0
2
,8
8
6
0
,0
0
0
1
6
2
,6
0
,8
1
0
,4
5
1
2
3
,4
7
9
5
6
C
9
H
..
.N
3
0
,0
0
4
0
,0
1
1
2
,5
1
4
,0
1
8
2
,9
8
5
0
,0
0
1
1
5
8
,2
0
,6
2
0
,3
2
1
7
6
,0
8
6
5
7
C
8
H
..
.O
6
0
,0
1
0
0
,0
3
5
9
,4
3
3
,4
3
7
2
,3
7
1
0
,0
0
0
1
6
8
,7
1
,8
4
2
,1
7
1
9
,3
3
4
C
9
H
..
.N
7
0
,0
0
9
0
,0
2
4
4
,8
3
3
,6
6
0
2
,5
7
4
−
0
,0
0
1
1
7
3
,7
1
,3
2
1
,7
8
2
5
,5
8
8
ISSN 1025-6415 Доп. НАН України, 2016, №3 103
кти CH. . .O/N однозначно iдентифiкуються як справжнi Н-зв’язки за усiма критерiями —
QTAIM, NBO-аналiзу та Грюненберга. Дiйсно, усi розрахованi для них значення E(2) >0,
що свiдчить про наявнiсть перенесення заряду iз неподiленої електронної пари атома-акце-
птора на антизв’язок групи C−H. Усi константи Грюненберга додатнi, що, у свою чергу,
свiдчить про стабiлiзацiйний (притягування, а не вiдштовхування) їхнiй характер.
Нами виявлено лiнiйну залежнiсть енергiї Н-зв’язку CH. . .O/N E
CH...O/N
HB вiд значення
електронної густини в критичнiй точцi ρ. Для наведених у табл. 2 значень цi залежностi
мають вигляд
ECH...O
HB = 189,978 · ρ, (1)
ECH...N
HB = 154,836 · ρ. (2)
Отриманi залежностi мають вiдносно низькi середньоквадратичнi вiдхилення — 0,134
та 0,082 ккал/моль для Н-зв’язкiв CH. . .O та CH. . .N вiдповiдно. Екстраполяцiя на їхнiй
основi до мiнiмального значення ρ = 0,002 а. о. [15] дає прийнятнi величини мiнiмальної
енергiї Н-зв’язування — ECH...O
HB (min) = 0,38 ккал/моль та ECH...N
HB (min) = 0,31 ккал/моль.
Таким чином, вперше отримано повне сiмейство H-зв’язаних гомоасоцiатiв m9Gua·
·m9Gua, яке складається з 57 структур, якi лежать у дiапазонi вiдносних енергiй Гiббса
0–17,69 ккал/моль за нормальних умов. Гомоасоцiати стабiлiзуються за участю класичних
(NH. . .N; NH. . .O; OH. . .N i OH. . .O), слабких (CH. . .N i CH. . .O) H-зв’язкiв та притягуваль-
них ван-дер-ваальсових контактiв (C. . .N, C. . .C i O. . .N). Доведено, що метильна група
m9Gua у дев’ятому положеннi є донором Н-зв’язування i впливає на розподiл гомоасоцiатiв
за енергiєю Гiббса. Показано, що при дослiдженнi специфiчних мiжмолекулярних конта-
ктiв доцiльно використовувати теорiю QTAIM разом iз NBO-аналiзом. Встановлено лiнiйну
залежнiсть мiж енергiєю CH. . .O/N H-зв’язкiв та значенням електронної густини в кри-
тичнiй точцi. Показано, що при самоасоцiацiї m9Gua Н-зв’язками амiногрупа може бути
одночасно як донором, так i акцептором протона.
Цитована лiтература
1. Kunkel T.A. DNA Replication Fidelity // J. Biol. Chem. – 2004. – 279. – P. 16895–16898.
2. Rothemund P.W.K. Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns // Nature. – 2006. – 440. –
P. 297–302.
3. Geary C., Rothemund P.W.K., Andersen E. S. A single-stranded architecture for cotranscriptional folding
of RNA nanostructures // Science. – 2014. – 345. – P. 799–803.
4. Liu L., Xia D., Klausen L.H., Dong M. The self-assembled behavior of DNA bases on the interface // Int.
J. Mol. Sci. – 2014. – 15. – P. 1901. – 1914.
5. Leontis N.B., Wethof E. Geometric nomenclature and classification of RNA base pairs // RNA. – 2001. –
7. – P. 499–512.
6. Lee J. C., Gutell R.R. Diversity of Base-pair Conformations and their Occurence in rRNA Structure and
RNA Structural Motifs // J. Mol. Biol. – 2004. – 344. – P. 1225–1249.
7. Глушенков А.Н., Говорун Д.Н. Прототропная таутомерия 9-метилгуанина: квантово-механическое
исследование // Доп. НАН України. – 2014. – № 9. – С. 151–156.
8. Глушенков А.Н., Говорун Д.Н. Геометрическое построение всех возможных ассоциированных водо-
родными связями пар нуклеотидных оснований // Доп. НАН України. – 2014. – No 8. – С. 133–137.
9. Weinhold F., Landis C.R. Discovering Chemistry With Natural Bond Orbitals. – New York: John Wiley
& Sons, Inc., 2012. – 350 p.
10. Brandhorst K., Grunenberg J. Efficient computation of compliance matrices in redundant internal coordi-
nates from Cartesian Hessians for nonstationary points // J. Chem. Phys. – 2010. – 132. – 184101.
104 ISSN 1025-6415 Dopov. Nac. akad. nauk Ukr., 2016, №3
11. Iogansen A.V. Direct proportionality of the hydrogen bonding energy and the intensification of the stret-
ching ν(XH) vibration in infrared spectra // Spectrochim. Acta. Part A. – 1999. – 55. – P. 1585–1612.
12. Espinosa E., Mollins E., Lecomte C. Hydrogen bond strengths revealed by topological analyses of experi-
mentally observed electron densities // Chem. Phys. Lett. – 1998. – 285. – P. 170–173.
13. Brovarets’ O.O., Hovorun D.M. Does the G·G∗
syn DNA mismatch containing canonical and rare tautomers
of the guanine tautomerise through the DPT? A QM/QTAIM microstructural study // Mol. Phys. – 2014. –
112. – P. 3033–3046.
14. Brovarets’ O.O., Hovorun D.M. How does the long G·G∗ Watson-Crick DNA base mispair comprising
keto and enol tautomers of the guanine tautomerise? The results of a QM/QTAIM investigation // Phys.
Chem. Chem. Phys. – 2014. – 16. – P. 15886–15899.
15. Brovarets’ O.O., Yurenko Y.P., Hovorun D.M. Intermolecular CH. . . O/N H-bonds in the biologically
important pairs of natural nucleobases: a thorough quantum-mechanical study // J. Biomol. Struct. Dyn. –
2014. – 32. – P. 993–1022.
References
1. Kunkel T.A. J. Biol. Chem., 2004, 279:16895–16898.
2. Rothemund P.W.K. Nature, 2006, 440: 297–302.
3. Geary C., Rothemund P.W.K., Andersen E. S. Science, 2014, 345: 799–803.
4. Liu L., Xia D., Klausen L.H., Dong M. Int. J. Mol. Sci., 2014, 15: 1901–1914.
5. Leontis N.B., Wethof E. RNA, 2001, 7: 499–512.
6. Lee J. C., Gutell R.R. J. Mol. Biol., 2004, 344: 1225–1249.
7. Glushenkov A.N., Hovorun D.M. Dop. NAN Ukraine, 2014, 9: 151–156.
8. Glushenkov A.N., Hovorun D.M. Dop. NAN Ukraine, 2014, 8: 133–137.
9. Weinhold F., Landis C.R. Discovering Chemistry With Natural Bond Orbitals, New York: John Wiley &
Sons Inc, 2012.
10. Brandhorst K., Grunenberg J. J. Chem. Phys., 2010, 132: 184101.
11. Iogansen A.V. Spectrochim. Acta. Part A., 1999, 55: 1585–1612.
12. Espinosa E., Mollins E., Lecomte C. Chem. Phys. Lett., 1998, 285: 170–173.
13. Brovarets’ O.O., Hovorun D.M. Mol. Phys., 2014, 112: 3033–3046.
14. Brovarets’ O.O., Hovorun D.M. Phys. Chem. Chem. Phys., 2014, 16: 15886–15899.
15. Brovarets’ O.O., Yurenko Y.P., Hovorun D.M. J. Biolmol. Struct. Dyn., 2014, 32: 993–1022.
Надiйшло до редакцiї 03.07.2015
А.Н. Глушенков, член-корреспондент НАН Украины Д.Н. Говорун
Институт высоких технологий Киевского национального университета им. Тараса Шевченко
Институт молекулярной биологии и генетики НАН Украины, Киев
E-mail: an.glushenkov@yandex.ru
Полное множество Н-связанных гомоассоциатов 9-метилгуанина
с участием мутагенных таутомеров: квантово-механическое
исследование
Впервые на уровне квантово-механической теории MP2/6-311++G(2df,pd)//B3LYP/6-311+
+G(d,p) в вакуумном приближении получено полное семейство H-связанных гомоассоци-
атов m9Gua·m9Gua, состоящее из 57 структур, относительная энергия Гиббса которых
находится в диапазоне 0–17,69 ккал/моль при нормальных условиях. Гомоассоциаты стаби-
лизируются классическими (NH. . .N, NH. . .O, OH. . .N, OH. . .O), слабыми (CH. . .N, CH. . .O)
H-связями, а также ван-дер-ваальсовыми контактами. Из зафиксированных гомоассоциа-
тов 11 структур являются плоскосимметричными (3 из которых центросимметричны), 7
ISSN 1025-6415 Доп. НАН України, 2016, №3 105
структур U-образные, 12 структур имеют Г-образную неканоническую геометрию, 2 струк-
туры обладают Т-образной геометрией, 20 структур винтовые, 3 структуры крестообра-
зные и 2 структуры существенно непланарные. Доказано, что метильная группа m9Gua
является донором H-связывания и влияет на энергетическое распределение гомоассоциатов.
Показано, что при самоассоциации m9Gua аминогруппа может быть одновременно как до-
нором, так и акцептором H-связи. Установлена линейная зависимость между энергией
CH. . .O/N H-связей и значением электронной плотности в соответствующих критиче-
ских точках.
Ключевые слова: таутомерная гипотеза, самосборка, гуанин, 9-метилгуанин, полное мно-
жество, полное семейство, Н-связь.
A.N. Glushenkov, Corresponding Member of the NAS of Ukraine D.M. Hovorun
Institute of High Technology, Taras Shevchenko National University of Kiev
Institute of Molecular Biology and Genetics of the NAS of Ukraine, Kiev
E-mail: an.glushenkov@yandex.ru
Complete set of H-bonded homoassociates of 9-methylguanine with
participation of mutagenic tautomers: quantum-mechanical study
For the first time on the MP2/6-311++G(2df,pd)//B3LYP/6-311++G(d,p) theory level, the comp-
lete family of m9Gua·m9Gua homoassociates in vacuum, which consists of 57 structures the interval
0–17.69 kcal/mol of relative Gibbs free energies under standard conditions, is obtained. Homoassoci-
ates are stabilized through classical (NH. . .N, NH. . .O, OH. . .N, OH. . .O) and weak (CH. . .N,
CH. . .O) H-bonds, and van-der-Waals contacts. The structures of 11 m9Gua·m9Gua homoassoci-
ates are planar (3 of them are centrosymmetric), 7 structures are U-shaped, 12 structures have
L-shaped noncanonical geometry, 2 structures have T-shaped geometry, 20 structures — spiral,
3 — cross shaped, 2 — significantly non-planar. It is proved that the methyl group of m9Gua in
position 9 is a donor of H-bonding and influences the energy distribution of homoassociates. It is
demonstrated that, during the self-association of m9Gua, its amino-group can be simultaneously a
donor and an acceptor of an H-bond. A linear relation between the energy of CH. . .O/N H-bonds
and their electron density in corresponding critical bonds is established.
Keywords: tautomeric hypothesis, self-assembly, guanine, 9-methylguanine, complete set, comp-
lete family, H-bond.
106 ISSN 1025-6415 Dopov. Nac. akad. nauk Ukr., 2016, №3
|