Регуляція прототропної таутомерії основ ДНК протонуванням: результати квантово-хімічного дослідження
Напівемпіричними квантово-хімічними розрахунками (AMI) вперше встановлено, що одноразове протонування основ ДНК, яке не заважає їхньому Вотсон-Криківському спарюванню, суттєво змінює в той чи інший бік (у залежності від його місця) прототропну таутомерну рівновагу останніх. Так, протонування атомів...
Gespeichert in:
| Datum: | 2002 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainian |
| Veröffentlicht: |
Інститут молекулярної біології і генетики НАН України
2002
|
| Schriftenreihe: | Біополімери і клітина |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/155813 |
| 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: | Регуляція прототропної таутомерії основ ДНК протонуванням: результати квантово-хімічного дослідження / А.Л. Потягайло, Д.М. Говорун, // Вiopolymers and Cell. — 2002. — Т. 18, № 2. — С. 174-176. — Бібліогр.: 6 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-155813 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1558132019-07-06T10:24:48Z Регуляція прототропної таутомерії основ ДНК протонуванням: результати квантово-хімічного дослідження Потягайло, А.Л. Говорун, Д.М. Короткі повідомлення Напівемпіричними квантово-хімічними розрахунками (AMI) вперше встановлено, що одноразове протонування основ ДНК, яке не заважає їхньому Вотсон-Криківському спарюванню, суттєво змінює в той чи інший бік (у залежності від його місця) прототропну таутомерну рівновагу останніх. Так, протонування атомів N3 Ade, О6 і N7 Gua, О2 Cyt і 04 Thy стабілізує канонічну таутомерну форму; високоенергетичні неканонічні таутомери – імінний Ade і енольні Gua і Thy – стабілізуються протонуванням атомів N7 Ade, N3 Gua і О2 Thy. Висловлено припущення, що фіксація канонічних таутомеріє основ ДНК вибірковим протонуванням бічними залишками лізину, аргініну і гістидину може використовуватися ДНК-полімеразою для мінімізації спонтанних помилок біосинтезу ДНК, спричинених прототропною таутомерією основ, на стадії, що передує їхньому спарюванню в центрі розпізнавання правильних пар полімерази. Полуэмпирическими квантово-химическими расчетами (AMI) впервые установлено, что одноразовое протонирование оснований ДНК, не мешающее их Уотсон-Криковскому спариванию, существенно изменяет в ту или иную сторону (в зависимости от его места) прототропное таутомерное равновесие последних. Так, протонирование атомов N3 Ade, О6 N7 Gua, О2 Cyt и О4 Thy стабилизирует каноническую таутомерную форму; высокоэнергетические неканонические таутомеры – иминный Ade и енольные Gua и Thy – стабилизируются протонированием атомов N7 Ade, N3 Gua и О2 Thy. Высказано предположение, что стабилизация канонических таутомеров оснований ДНК адресным протонированием боковыми остатками лизина, аргинина и гистидина используется ДНК-полимеразой для минимизации спонтанных ошибок биосинтеза ДНК, вызванных прототропной таутомерией оснований, на стадии, предшествующей их спариванию в центре узнавания правильных пар полимеразы. By means of semi-empirical quantum chemical calculations (AMI) it was first established that a single profanation of DNA bases, that doesn't disrupt Watson-Crick base pairing, substantially changed their tautomeric equilibrium in both directions depending on a profanation site. The profanation of N3 Ade, O6 and N7 Gua, O2 Cyt and O4 Thy atoms stabilizes the canonical tautomeric form, while the high-energy non-canonical tautomers (iminic Ade and enolic Gua) are stabilized by the profanation of N7 Ade, N3 Gua and O2 Thy atoms. The stabilization of DNA base canonical tautomers by selected profanation with the Lys, Arg and His side chains was supposed to be used by DNA-polymerase in DNA synthesis to minimize spontaneous mismatches caused by prototropic tautomerism of the bases at the stage previous to their pairing in polymerase sites for matched pairs recognition. 2002 Article Регуляція прототропної таутомерії основ ДНК протонуванням: результати квантово-хімічного дослідження / А.Л. Потягайло, Д.М. Говорун, // Вiopolymers and Cell. — 2002. — Т. 18, № 2. — С. 174-176. — Бібліогр.: 6 назв. — укр. 0233-7657 DOI:http://dx.doi.org/10.7124/bc.0005FC http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/155813 573.3 uk Біополімери і клітина Інститут молекулярної біології і генетики НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Ukrainian |
| topic |
Короткі повідомлення Короткі повідомлення |
| spellingShingle |
Короткі повідомлення Короткі повідомлення Потягайло, А.Л. Говорун, Д.М. Регуляція прототропної таутомерії основ ДНК протонуванням: результати квантово-хімічного дослідження Біополімери і клітина |
| description |
Напівемпіричними квантово-хімічними розрахунками (AMI) вперше встановлено, що одноразове протонування основ ДНК, яке не заважає їхньому Вотсон-Криківському спарюванню, суттєво змінює в той чи інший бік (у залежності від його місця) прототропну таутомерну рівновагу останніх. Так, протонування атомів N3 Ade, О6 і N7 Gua, О2 Cyt і 04 Thy стабілізує канонічну таутомерну форму; високоенергетичні неканонічні таутомери – імінний Ade і енольні Gua і Thy – стабілізуються протонуванням атомів N7 Ade, N3 Gua і О2 Thy. Висловлено припущення, що фіксація канонічних таутомеріє основ ДНК вибірковим протонуванням бічними залишками лізину, аргініну і гістидину може використовуватися ДНК-полімеразою для мінімізації спонтанних помилок біосинтезу ДНК, спричинених прототропною таутомерією основ, на стадії, що передує їхньому спарюванню в центрі розпізнавання правильних пар полімерази. |
| format |
Article |
| author |
Потягайло, А.Л. Говорун, Д.М. |
| author_facet |
Потягайло, А.Л. Говорун, Д.М. |
| author_sort |
Потягайло, А.Л. |
| title |
Регуляція прототропної таутомерії основ ДНК протонуванням: результати квантово-хімічного дослідження |
| title_short |
Регуляція прототропної таутомерії основ ДНК протонуванням: результати квантово-хімічного дослідження |
| title_full |
Регуляція прототропної таутомерії основ ДНК протонуванням: результати квантово-хімічного дослідження |
| title_fullStr |
Регуляція прототропної таутомерії основ ДНК протонуванням: результати квантово-хімічного дослідження |
| title_full_unstemmed |
Регуляція прототропної таутомерії основ ДНК протонуванням: результати квантово-хімічного дослідження |
| title_sort |
регуляція прототропної таутомерії основ днк протонуванням: результати квантово-хімічного дослідження |
| publisher |
Інститут молекулярної біології і генетики НАН України |
| publishDate |
2002 |
| topic_facet |
Короткі повідомлення |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/155813 |
| citation_txt |
Регуляція прототропної таутомерії основ
ДНК протонуванням:
результати квантово-хімічного дослідження / А.Л. Потягайло, Д.М. Говорун, // Вiopolymers and Cell. — 2002. — Т. 18, № 2. — С.
174-176. — Бібліогр.: 6 назв. — укр. |
| series |
Біополімери і клітина |
| work_keys_str_mv |
AT potâgajloal regulâcíâprototropnoítautomerííosnovdnkprotonuvannâmrezulʹtatikvantovohímíčnogodoslídžennâ AT govorundm regulâcíâprototropnoítautomerííosnovdnkprotonuvannâmrezulʹtatikvantovohímíčnogodoslídžennâ |
| first_indexed |
2025-07-14T08:02:47Z |
| last_indexed |
2025-07-14T08:02:47Z |
| _version_ |
1837608644634476544 |
| fulltext |
ISSN 0233-7657. Біополімери і клітина. 2002. Т. 18. № 2
Регуляція прототропної таутомерії основ
ДНК протонуванням:
результати квантово-хімічного дослідження
A. JL Потягайло, Д. М. Говорун
Інститут молекулярної біології і генетики НАН України
Вул. Академіка Заболотного, 150, Київ, 03143, Україна
E-mail: dhovorun@imbg.org.ua
Напівемпіричними квантово-хімічними розрахунками (AMI) вперше встановлено, що одноразове
протонування основ ДНК, яке не заважає їхньому Вотсон-Криківському спарюванню, суттєво
змінює в той чи інший бік (у залежності від його місця) прототропну таутомерну рівновагу
останніх. Так, протонування атомів N3 Ade, Об і N7 Gua, 02 Cyt і 04 Thy стабілізує канонічну
таутомерну форму; високоенергетичні неканонічні таутомери — імінний Ade і енольні Gua і
Thy — стабілізуються протонуванням атомів N7 Ade, N3 Gua і 02 Thy. Висловлено припущення,
що фіксація канонічних таутомеріє основ ДНК вибірковим протонуванням бічними залишками
лізину, аргініну і гістидину може використовуватися ДНК-полімеразою для мінімізації спонтан
них помилок біосинтезу ДНК, спричинених прототропною таутомерією основ, на стадії, що
передує їхньому спарюванню в центрі розпізнавання правильних пар полімерази.
Вступ. Унікально високий рівень безпомилковості
копіювання генетичної інформації (in vivo на
10 9+10 п нуклеотидів, що включаються в ДНК,
трапляється лише одна помилка [1]) є одним з
фундаментальних атрибутів живого. Вже на пер
шому етапі полімеразного запобігання помилок біо
синтезу, що передує власне поліконденсації, точ
ність досягає 10"4+10"7, у той час як точність неен-
зиматичного синтезу не перевищує Ю'+ІО' 2 [1].
Однією з фізико-хімічних причин спонтанних
точкових мутацій, що виникають при реплікації
ДНК, є прототропні таутомерні перетворення основ
із канонічної у високоенергетичну неканонічну
форму (див [2] і наведену там бібліографію).
Оскільки енергія взаємодії основ у класичній Вот-
сон-Криківській парі GuarCyt ненабагато відрізня
ється від енергії взаємодії основ у парах, утворених
за участі неканонічних таутомерів [2], то під
тримання нуклеотидних основ, особливо на стадії,
що передує їхньому спарюванню в центрі роз
пізнавання правильних пар ДНК-полімерази, в
© А. Л. П О Т Я Г А Й Л О , Д . М. Г О В О Р У Н , 2 0 0 2
канонічній таутомерній формі є життєво важливою
функцією останньої. Фізико-хімічні механізми, на
яких вона грунтується, залишаються до цього часу
незрозумілими [2], оскільки так звані структурні
інваріанти класичних Вотсон-Криківських пар —
атоми N3 пуринів і 0 2 піримідинів, що, ймовірно,
відіграють роль додаткової матриці розпізнавання
правильних пар ДНК-полімеразою [3], практично
не змінюють своєї взаємної орієнтації в парах
основ, утворених за участі неканонічних таутомер-
них форм.
Ця робота присвячена квантово-хімічному об
грунтуванню одного з можливих механізмів підтри
мання нуклеотидних основ ДНК-полімеразою в
канонічній таутомерній формі, а саме — за раху
нок їхнього протонування. Його привабливість зу
мовлена, по-перше, тим, що протонування основ
ДНК деякими амінокислотними залишками не по
требує затрат вільної енергії [4] і, по-друге, що
більш важливо, в ряді випадків значно підвищує
стабільність Вотсон-Криківських пар [4], що ціл
ком може слугувати чинником додаткової селекції
неправильності спарювання.
Матеріали і методи. Розрахунки виконували
174
mailto:dhovorun@imbg.org.ua
РЕГУЛЯЦІЯ П Р О Т О Т Р О П Н О Ї Т А У Т О М Е Р І Ї О С Н О В Д Н К П Р О Т О Ч У В А Н Н Я М
напівемпіричним квантово-хімічним методом AMI,
який добре зарекомендував себе для подібного кла
су задач [5], у вакуумному наближенні. Існує ціла
низка переконливих аргументів на користь того,
що саме вакуум, а не водне оточення є прийнятною
імітацією гідрофобного локального середовища цен
тра впізнавання правильних пар ДНК-полімерази
(див., наприклад, [4, 2] і наведену там бібліо
графію). Здійснювали повну оптимізацію геомет
ричної структури електронейтральних і протонова-
них основ ДНК у канонічній і високоенергетичній
таутомерній формі (рисунок); відносну енергію ос
танніх визначали як різницю між теплотою утво
рення неканонічної і канонічної таутомерних форм
як для електронейтральної, так і для протонованої
основи. Змінами нульової коливальної енергії при
цьому нехтували, оскільки їхній внесок у ефект,
що визначався, незначний [6 ].
Результати і обговорення. Аналіз отриманих
числових результатів, наведених нижче, свідчить
про те, що одноразове протонування основ ДНК,
яке не заважає комплементарному Вотсон-Кри-
ківському спарюванню, суттєво впливає на прото-
тропну таутомерію, а саме — істотно змінює від
носну енергію високоенергетичних (неканонічних)
таутомерів, які спричиняють точкові мутації. При
цьому величина і знак ефекту залежать від місця
протонування:
Нуклеотидна основа Відносна енергія
(рисунок) неканонічного таутомеру,
ккал/моль
Так, протонування атомів N3 Ade, 0 6 і N7
Gua, 02 Cyt і 04 Thy стабілізує канонічну тауто-
мерну форму і призводить до суттєвого зростання
відносної енергії відповідних неканонічних форм.
При цьому найбільший ефект спостерігається при
протонуванні атома 06 Gua: відносна енергія ено-
льного таутомеру протонованої основи зростає на
Канонічні (зліва) та неканонічні (справа) таутомери основ ДНК,
що спричиняють точкові мутації під час її реплікації. Нумерація
атомів стандартна; місця протонування показано стрілками
44,9 ккал/моль у порівнянні з непротонованою.
Іншими словами, протонування основи спричинює
зменшення ймовірності її перебування в енольній
таутомерній формі при кімнатній температурі в
3-Ю 3 2 рази, тобто більше ніж на 32 порядки (цю
величину розраховували як ехр(АЕ/кТ), де АЕ —
збільшення відносної енергії неканонічного тауто
меру при протонуванні основи; к — постійна Боль-
цмана; Т — абсолютна температура). Найменший
ефект стабілізації канонічної таутомерної форми
має місце для Gua, протонованого по атому N7:
імовірність перебування протонованої основи у рід
кісній таутомерній формі зменшується у 7,8 разу в
порівнянні з непротонованою.
І, навпаки, високоенергетичні неканонічні тау
томери — імінний Ade і енольні Gua і Thy —
стабілізуються протонуванням атомів N7 Ade, N3
Gua і 02 Thy. Найменший ефект спостерігається
для Ade: значення відносної енергії імінного тауто
меру знижується при протонуванні основи всього
на 1,5 ккал/моль (для електронейтральної основи
175
П О Т Я Г А Й Л О А. Л . , Г О В О Р У Н Д . М.
амінний таутомер вигідніший, ніж імінний, на
13,56 ккал/моль), а найбільший для Gua: в прото-
нованій по атому N3 основі енольна таутомерна
форма є навіть вигіднішою (на 3,04 ккал/моль),
ніж канонічна кетоформа.
Висновки. Отримані результати дозволяють
припустити, що стабілізація канонічних таутомерів
основ ДНК адресним протонуванням бічними за
лишками лізину, аргініну і гістидину (співстав-
лення протофільності нуклеотидних основ з про-
тофільністю цих амінних залишків вказує на те,
що вони є найприйнятнішими претендентами на
цю роль [4]) використовується ДНК-полімеразою
для мінімізації спонтанних помилок біосинтезу
ДНК, спричинених прототропною таутомерією ос
нов, на стадії, що передує їхньому спарюванню в її
центрі розпізнавання правильних пар. Тим більше,
що протонування основ по тих місцях, які сприя
ють стабілізації канонічної таутомерної форми,
значно підвищує також стабільність Вотсон-Кри
ківських пар Ade+:Thy, Ade:Thy+ і Gua+:Cyt [4].
Цілком можливо, що такий механізм стабілізації
правильних нуклеотидних пар у центрі розпізна
вання ДНК-полімерази можна розцінювати як до
повнюючий чи навіть альтернативний механізмові,
запропонованому раніше Брусковим і Полтєвим
(див. [3] і наведену там бібліографію).
A. L. Potyahaylo, D. М. Hovorun
Regulation of DNA base prototropic tautomerism by protonation:
quantum chemical data
Summary
By means of semi-empirical quantum chemical calculations (AMI)
it was first established that a single protonation of DNA bases, that
doesn't disrupt Watson-Crick base pairing, substantially changed
their tautomeric equilibrium in both directions depending on a
protonation site. The protonation of N3 Ade, 06 and N7 Gua, 02
Cyt and 04 Thy atoms stabilizes the canonical tautomeric form,
while the high-energy non-canonical tautomers (iminic Ade and
enolic Gua) are stabilized by the protonation of N7 Ade, N3 Gua
and 02 Thy atoms. The stabilization of DNA base canonical
tautomers by selected protonation with the Lys, Arg and His side
chains was supposed to be used by DNA-polymerase in DNA
synthesis to minimize spontaneous mismatches caused by pro
totropic tautomerism of the bases at the stage previous to their
pairing in polymerase sites for matched pairs recognition.
А. Л. Потягайло, Д. H. Говорун
Регуляция прототропной таутомерии оснований ДНК
протонированием: результаты квантово-химического
исследования
Резюме
Полуэмпирическими квантово-химическими расчетами (AMI)
впервые установлено, что одноразовое протонирование осно
ваний ДНК, не мешающее их Уотсон-Криковскому спарива
нию, существенно изменяет в ту или иную сторону (в
зависимости от его места) прототропное таутомерное рав
новесие последних. Так, протонирование атомов N3 Ade, Об и
N7 Gua, 02 Cyt и 04 Thy стабилизирует каноническую
таутомерную форму; высокоэнергетические неканонические
таутомеры — иминный Ade и енольные Gua и Thy — стабили
зируются протонированием атомов N7 Ade, N3 Gua и 02 Thy.
Высказано предположение, что стабилизация канонических
таутомеров оснований ДНК адресным протонированием боко
выми остатками лизина, аргинина и гистидина используется
ДНК-полимеразой для минимизации спонтанных ошибок био
синтеза ДНК, вызванных прототропной таутомерией основа
ний, на стадии, предшествующей их спариванию в центре
узнавания правильных пар полимеразы.
ПЕРЕЛІК ЛІТЕРАТУРИ
1. Краевский А. А., Куханова М. К. Репликация ДНК у
Эукариот.—М.: ВИНИТИ, 1986.—С. 5—164 (Итоги науки
и техники. Сер. Молекуляр. биология; Т. 22).
2. Goodman М. F. Mutations caught in the act / / Nature.—
1995.-378, N 6554.—P. 237—238.
3. Полтев В. И., Шулюпина Н. В., Брусков В. И. Моле
кулярные механизмы правильности биосинтеза нуклеи
новых кислот. Сравнение результатов компьютерного мо
делирования с экспериментальными данными / / Моле
куляр. биология.—1998.—32, № 2.—С. 268—276.
4. Войтюк А. А., Близнюк А. А. Влияние протонирования
оснований нуклеиновых кислот на энергию образования
Уотсон-Криковских пар / / Молекуляр. биология.—1988.—
22, № 4.—С. 1080—1086.
5. Говорун Д. М. Прототропна таутомерія азотистих основ:
новий погляд на стару проблему / / Биополимеры и клет
ка.—1997.—13, № 3.—С. 191—196.
6. Говорун Д. М., Кондратюк I. В. Газофазні кислотно-лужні
властивості канонічних нуклеотидних основ / / Доповіді
НАН України.—1998.—№ 1.—С 207—212.
УДК 573.3
Надійшла до редакції 28.12.01
176
|