Скількома символами записується генетична інформація в ДНК?
З використанням сучасних неемпiричних методiв прикладної квантової механiки вперше встановлено, що найiмовiрнiшими претендентами на роль додаткових генетичних символiв є мутагеннi таутомери Gua* i Cyt*, а також Thy*, який дiє як iнтермедiат при перетвореннi Вобл-пари Gua · Thy у пару Gua* · Thy, ква...
Збережено в:
| Дата: | 2010 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Ukrainian |
| Опубліковано: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2010
|
| Назва видання: | Доповіді НАН України |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/29849 |
| 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: | Скількома символами записується генетична інформація в ДНК? / О.О. Броварець, Д.М. Говорун // Доп. НАН України. — 2010. — № 6. — С. 175-179. — Бібліогр.: 13 назв. — укр. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-29849 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-298492012-01-07T12:22:09Z Скількома символами записується генетична інформація в ДНК? Броварець, О.О. Говорун, Д.М. Біофізика З використанням сучасних неемпiричних методiв прикладної квантової механiки вперше встановлено, що найiмовiрнiшими претендентами на роль додаткових генетичних символiв є мутагеннi таутомери Gua* i Cyt*, а також Thy*, який дiє як iнтермедiат при перетвореннi Вобл-пари Gua · Thy у пару Gua* · Thy, квазiiзоморфну вотсон-крикiвським парам. Отриманi результати вкотре пiдтверджують думку про те, що саме Ade є еволюцiйно найвiддаленiшим генетичним символом. For the first time using non-empirical methods of the applied quantum mechanics, we have established that the most probable candidates on the role of the additional genetic symbols are mutagenic tautomers Gua* and Cyt*, and also Thy*, which acts as intermediary at the converting of the Wobble-pair Gua · Thy into the Gua* · Thy pair which is quasiisomorphic to Watson-Crick base pairs. The obtained results evidence once more that exactly Ade is the evolutionary eldest genetic symbol. 2010 Article Скількома символами записується генетична інформація в ДНК? / О.О. Броварець, Д.М. Говорун // Доп. НАН України. — 2010. — № 6. — С. 175-179. — Бібліогр.: 13 назв. — укр. 1025-6415 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/29849 577.3 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 Броварець, О.О. Говорун, Д.М. Скількома символами записується генетична інформація в ДНК? Доповіді НАН України |
| description |
З використанням сучасних неемпiричних методiв прикладної квантової механiки вперше встановлено, що найiмовiрнiшими претендентами на роль додаткових генетичних символiв є мутагеннi таутомери Gua* i Cyt*, а також Thy*, який дiє як iнтермедiат при перетвореннi Вобл-пари Gua · Thy у пару Gua* · Thy, квазiiзоморфну вотсон-крикiвським парам. Отриманi результати вкотре пiдтверджують думку про те, що саме Ade є еволюцiйно найвiддаленiшим генетичним символом. |
| format |
Article |
| author |
Броварець, О.О. Говорун, Д.М. |
| author_facet |
Броварець, О.О. Говорун, Д.М. |
| author_sort |
Броварець, О.О. |
| title |
Скількома символами записується генетична інформація в ДНК? |
| title_short |
Скількома символами записується генетична інформація в ДНК? |
| title_full |
Скількома символами записується генетична інформація в ДНК? |
| title_fullStr |
Скількома символами записується генетична інформація в ДНК? |
| title_full_unstemmed |
Скількома символами записується генетична інформація в ДНК? |
| title_sort |
скількома символами записується генетична інформація в днк? |
| publisher |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| publishDate |
2010 |
| topic_facet |
Біофізика |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/29849 |
| citation_txt |
Скількома символами записується генетична інформація в ДНК? / О.О. Броварець, Д.М. Говорун // Доп. НАН України. — 2010. — № 6. — С. 175-179. — Бібліогр.: 13 назв. — укр. |
| series |
Доповіді НАН України |
| work_keys_str_mv |
AT brovarecʹoo skílʹkomasimvolamizapisuêtʹsâgenetičnaínformacíâvdnk AT govorundm skílʹkomasimvolamizapisuêtʹsâgenetičnaínformacíâvdnk |
| first_indexed |
2025-07-03T10:07:03Z |
| last_indexed |
2025-07-03T10:07:03Z |
| _version_ |
1836619896633425920 |
| fulltext |
оповiдi
НАЦIОНАЛЬНОЇ
АКАДЕМIЇ НАУК
УКРАЇНИ
6 • 2010
БIОФIЗИКА
УДК 577.3
© 2010
О.О. Броварець, член-кореспондент НАН України Д.М. Говорун
Скiлькома символами записується генетична
iнформацiя в ДНК?
З використанням сучасних неемпiричних методiв прикладної квантової механiки впер-
ше встановлено, що найiмовiрнiшими претендентами на роль додаткових генетичних
символiв є мутагеннi таутомери Gua* i Cyt*, а також Thy*, який дiє як iнтермедiат
при перетвореннi Вобл-пари Gua · Thy у пару Gua* · Thy, квазiiзоморфну вотсон-крикiв-
ським парам. Отриманi результати вкотре пiдтверджують думку про те, що саме
Ade є еволюцiйно найвiддаленiшим генетичним символом.
Нестабiльнiсть геному, яка має не лише еволюцiйну цiннiсть, є вкрай важливим бiологiчним
феноменом [1, 2], природу якого продовжують iнтенсивно дослiджувати, зокрема бiофiзи-
чними методами.
В однiй з попереднiх наших праць [3] висловлено цiкаве з бiологiчної точки зору при-
пущення про те, що для запису генетичної iнформацiї в ДНК використовується не чотири,
як це традицiйно вважають, а вiсiм символiв: чотири нуклеотиднi основи в канонiчнiй тау-
томернiй формi — аденiн (Ade), гуанiн (Gua), цитозин (Cyt) i тимiн (Thy) та чотири їхнi
рiдкiснi, мутагеннi таутомери — Ade*, Gua*, Cyt* i Thy*.
У цiй роботi з використанням сучасних неемпiричних методiв прикладної квантової ме-
ханiки висловлене припущення обгрунтовується на пiдставi результатiв дослiджень елект-
ронної та геометричної комплементарностi генетичних пуринових i пiримiдинових символiв,
iзоморфностi та динамiчної стiйкостi усiх можливих пуриново-пiримiдинових пар основ, якi
можуть бути iнкорпорованi в структуру подвiйної спiралi ДНК. Згiдно з проведеним нами
аналiзом, додатковими генетичними символами, найiмовiрнiше, є Gua* i Cyt*, а також Thy*,
який вiдiграє роль iнтермедiату при перетвореннi Вобл-пари Gua·Thy у пару Gua*·Thy, ква-
зiiзоморфну вотсон-крикiвським парам. Отриманi результати вкотре пiдтверджують iсну-
ючу думку про те, що саме Ade є еволюцiйно найвiддаленiшим генетичним символом [4].
Об’єкти i методи дослiдження. У роботi використовували найпростiшi з фiзи-
чної точки зору структури-символи, що вiдповiдають за записування генетичної iнфор-
мацiї в ДНК — воднево-зв’язанi пари нуклеотидних основ за участю рiдкiсних таутомерiв
Cyt* · Ade, Cyt · Ade*, Thy · Gua* i Thy* · Gua.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2010, №6 175
Рис. 1. Геометрична структура пар основ ДНК за участю рiдкiсних мутагенних таутомерiв та перехiдних
станiв їхнього взаємоперетворення. Мiжмолекулярнi Н-зв’язки АН. . . В зображено пунктиром, а їхнi дов-
жини Н. . . В подано в Å
Квантово-механiчнi розрахунки геометричної та електронної будови дослiджуваних
об’єктiв проводили на рiвнi теорiї DFT B3LYP/6-311++G(d, p) у вакуумному наближеннi.
Усi зоптимiзованi структури перевiряли на стiйкiсть за вiдсутностi уявних час-
тот у їхнiх коливальних спектрах, якi отримували в гармонiчному наближеннi. Елект-
ронну енергiю взаємодiї в комплексах визначали на рiвнi теорiї MP2/6-311++G(2df,
pd)//B3LYP/6-311++G(d, p) з урахуванням так званої BSSE-поправки на базисний на-
бiр функцiй [5]. Квантово-механiчнi розрахунки виконували з використанням програмного
пакета “GAUSSIAN03” для платформи Win32 [6].
Мiжмолекулярнi водневi (Н) зв’язки iдентифiкували методом аналiзу топологiї еле-
ктронної густини [7], використовуючи хвильовi функцiї, отриманi на рiвнi теорiї B3LYP/6–
311++G(d, p). Топологiю електронної густини аналiзували за допомогою програмного па-
кета AIM2000.
Перехiднi стани таутомеризацiї локалiзували за методом STQN [8, 9] на рiвнi теорiї
MP2/6-311++G(2df, pd)//B3LYP/6-311++G(d, p). Енергiю класичних мiжмолекулярних
Н-зв’язкiв визначали за методом Йогансена [9], що грунтується на зсувi частоти валентних
коливань атомних груп — донорiв Н-зв’язку, використовуючи при цьому вибiркове дейте-
рування для усунення механiчних резонансiв. Енергiю Н-зв’язкiв С2Н. . .О2 визначали за
формулою, запропонованою авторами роботи [11].
Результати дослiдження та їхнє обговорення. При аналiзi одержаних результатiв
(рис. 1, табл. 1–3) ми будемо використовувати близькi за фiзичною суттю данi, наведенi
в попереднiх наших роботах [3, 12].
Дослiдженi генетичнi символи об’єднуються у вiсiм можливих пуриново-пiримiдинових
пар Cyt* ·Ade, Cyt ·Ade*, Thy ·Gua*, Thy* ·Gua, Ade* ·Thy*, Cyt* ·Gua*, Ade ·Thy i Cyt ·Gua,
виявляючи при цьому електронну та геометричну комплементарнiсть. Дiйсно, кожна iз цих
пар без винятку стабiлiзується трьома Н-зв’язками, найслабшими з-помiж яких є зв’язки
С2Н. . .О2 (табл. 1). Цiкаво, що лише в парах за участю Ade i Thy в канонiчнiй таутомернiй
176 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2010, №6
формi (Ade ·Thy, Cyt* ·Ade, Thy ·Gua*) сумарна енергiя трьох Н-зв’язкiв практично збiгає-
ться з величиною електронної енергiї взаємодiї (табл. 2; див. також табл. 1 i 2 у роботах [3]
та [12] вiдповiдно). У iнших парах (Cyt · Ade*, Thy* · Gua) сумарна енергiя Н-зв’язкiв, якi
їх стабiлiзують, лежить в межах 67,2–71,8% вiд енергiї електронної взаємодiї Eint. Крiм то-
Таблиця 1. Електронно-топологiчнi, геометричнi, спектрально-коливальнi та енергетичнi характеристики
мiжмолекулярних водневих зв’язкiв у дослiджених парах основ ДНК
Пари Н-зв’язок
AH. . . B
ρ, ат.
од.
∆ρ,
ат. од.
100 · ε dA. . .B,
Å
dH. . .B,
Å
∠AH. . . B,
град.
∆dAH,
Å
−∆ν,
см−1
EHB,
ккал/моль
Cyt* · Ade N6H. . . N4 0,029 0,083 7,60 2,987 1,959 173,8 0,021 375,1 6,04
N3H. . . N1 0,039 0,092 6,64 2,895 1,852 178,9 0,031 556,5 7,50
C2H. . .O2 0,005 0,016 1,86 3,884 2,798 133,1 0,00021 −6,0 0,89
Cyt · Ade* N4H. . . N6 0,037 0,091 7,18 2,907 1,866 176,2 0,033 571,7 7,61
N1H. . . N3 0,040 0,097 6,89 2,871 1,832 180,0 0,027 490,4 7,00
C2H. . .O2 0,005 0,017 1,63 3,848 2,763 132,2 0,00005 −9,0 0,96
Thy · Gua* O6H. . .O4 0,039 0,125 2,67 2,730 1,741 171,4 0,02 410,0 6,34
N3H. . . N1 0,040 0,091 6,17 2,889 1,841 175,9 0,035 618,9 7,94
N2H. . .O2 0,022 0,079 5,81 3,019 2,005 177,7 0,007 134,9 3,21
Thy* · Gua O4H. . .O6 0,062 0,146 2,06 2,589 1,567 173,1 0,053 975,0 10,09
N1H. . . N3 0,040 0,100 6,31 2,868 1,833 172,1 0,023 421,0 6,44
N2H. . .O2 0,023 0,083 5,67 2,993 1,973 174,4 0,011 189,5 4,04
Пр и м i т ка . ρ i ∆ρ — електронна густина i лапласiан електронної густини в критичнiй точцi вiдповiдно; ε —
елiптичнiсть; EHB — енергiя Н-зв’язку; dA...B, dH...B — вiдстань мiж атомами А i В та Н i В вiдповiдно, якi
беруть участь у Н-зв’язку; ∠AH. . . B — кут Н-зв’язування; ∆ν — зсув частоти валентного коливання ν(AH)
при втягуваннi групи AH у Н-зв’язок; ∆dAH — подовження хiмiчного зв’язку АН при утвореннi Н-зв’язку
АН. . . В.
Таблиця 2. Енергетичнi характеристики дослiджуваних пар основ ДНК
Пари
−Eint,
ккал/моль
−ΣEHB/Eint,
%
∆∆GTS,
ккал/моль
∆∆G ∆G,
ккал/мольккал/моль см−1
Cyt* · Ade 14,32 100,2 7,85 3,85 1208,9 0
Cyt · Ade* 21,92 71,8 7,85 3,85 1208,9 4,00
Thy · Gua* 17,51 100,0 2,44 1,16 377,0 0
Thy* · Gua 30,63 67,2 2,44 1,16 377,0 1,29
Примiтка: Eint — електронна енергiя взаємодiї; ΣEHB — сумарна енергiя внутрiшньопарних Н-зв’язкiв (див.
табл. 1); ∆∆GTS — енергетичний бар’єр таутомеризацiї; ∆∆G — зворотний енергетичний бар’єр таутоме-
ризацiї; ∆G — вiдносна енергiя таутомеризованого комплексу.
Таблиця 3. Вибранi геометричнi характеристики усiх можливих пар основ ДНК за участю канонiчних та
рiдкiсних таутомерiв
Пари ∠F1, град. ∠F2, град. R, Å
Ade · Thy 54,2 54,7 10,1
Ade* · Thy* 50,9 53,3 10,1
Ade · Cyt* 55,3 57,2 10,1
Ade* · Cyt 55,3 58,2 10,0
Gua* · Thy 51,5 51,1 10,3
Gua · Thy* 50,7 52,2 10,2
Gua · Cyt 53,1 55,1 10,2
Gua* · Cyt* 51,9 52,5 10,3
Пр и м i т ка . ∠F1 — кут N9HH; ∠F2— кут N1HH; H-атом водню при глiкозидному атомi азоту; R — вiдстань
мiж глiкозидними атомами водню комплементарних основ.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2010, №6 177
го, усi цi пари є квазiiзоморфними, тобто мають близькi геометричнi розмiри (табл. 3) та
подiбне розмiщення iнварiантних атомних груп N3 i O2 мiнорної борозенки ДНК.
Отже, у сенсi електронної i геометричної комплементарностi та квазiiзоморфностi пури-
ново-пiримiдиновi пари за участю мутагенних таутомерiв принципово не вiдрiзняються вiд
класичних вотсон-крикiвських пар Ade·Thy i Gua·Cyt. Водночас пари Thy*·Gua, Cyt·Ade*,
Ade* ·Thy* i Gua* ·Cyt* є динамiчно нестiйкими (див. табл. 2, а також табл. 2 у роботi [12])
i безбар’єрно “скочуються” в енергетично вигiднiшi пари Thy · Gua*, Cyt* · Ade, Ade · Thy
i Gua · Cyt вiдповiдно.
У цьому контекстi принагiдно зазначимо, що у перехiдному станi взаємного перетво-
рення пар Cyt* · Ade ↔ Cyt · Ade* (рис. 1) Н-зв’язок С2Н. . .О2 посилюється на 23,6%
у порiвняннi з аналогiчним Н-зв’язком у парi Cyt* · Ade. Пара Gua* · Cyt* не фiксує-
ться експериментально [13] не тому, що вона є високоенергетичнiшою, нiж пара Gua · Cyt
(∆G = 8,22 ккал/моль), а тому, що вона є динамiчно нестiйкою.
Таким чином, нами вперше встановлено, що найiмовiрнiшим претендентом на роль до-
даткових генетичних символiв є Gua* i Cyt*, а також Thy*, який, як буде показано в на-
ступнiй нашiй публiкацiї, вiдiграє роль iнтермедiату при перетвореннi Вобл-пари Gua ·Thy
у пару Gua* · Thy. Наведено додатковi фiзичнi аргументи на користь того, що саме Ade
є еволюцiйно першим генетичним символом.
1. Ашмарин И.П. Загадки и откровения биофизики памяти / Под. ред. Е.М. Крепса. – Ленинград:
Изд-во Ленингр. ун-та, 1975. – 160 с.
2. Эмануель Н.М. Кинетика экспериментальных опухолевых процессов. – Москва: Наука, 1977. – 419 с.
3. Броварець О.О., Булавiн Л.А., Говорун Д.М. Як бiлки реплiкативного комплексу блокують синтез
пар основ ДНК за участю мутагенних таутомерiв: просте фiзичне пояснення // Доп. НАН України. –
2009. – № 11. – С. 175–182.
4. Рич А. Передача биохимической информации и проблемы эволюции // Горизонты биохимии. – Моск-
ва: Мир, 1964. – С. 83–101.
5. Boys S. F., Bernardi F. The calculation of small molecular interactions by the differences of separate total
energies. Some procedures with reduced errors // Mol. Phys. – 1970. – 19, No 4. – P. 553–566.
6. Gaussian 03, Revision С. 02 / Frisch M. J., Trucks G.W., Schlegel H.B., Scuseria G. E., Robb M. A.,
Cheeseman J. R., Montgomery Jr. J. A., Vreven T., Kudin K.N., Burant J. C., Millam J. M., Iyengar S. S.,
Tomasi J., Barone V., Mennucci B., Cossi M., Scalmani G., Rega N., Petersson G.A., Nakatsuji H., Hada
M., Ehara M., Toyota K., Fukuda R., Hasegawa J., Ishida M., Nakajima T., Honda Y., Kitao O., Nakai H.,
Klene M., Li X., Knox J. E., Hratchian H.P., Cross J. B., Bakken V., Adamo C., Jaramillo J., Gomperts R.,
Stratmann R.E., Yazyev O., Austin A. J., Cammi R., Pomelli C., Ochterski J. W., Ayala P.Y., Morokuma
K., Voth G. A., Salvador P., Dannenberg J. J., Zakrzewski V.G., Dapprich S., Daniels A.D., Strain M. C.,
Farkas O., Malick D.K., Rabuck A.D., Raghavachari K., Foresman J. B., Ortiz J. V., Cui Q., Baboul A.G.,
Clifford S., Cioslowski J., Stefanov B.B., Liu G., Liashenko A., Piskorz P., Komaromi I., Martin R. L., Fox
D. J., Keith T., Al-Laham M. A., Peng C. Y., Nanayakkara A., Challacombe M., Gill P.M.W., Johnson B.,
Chen W., Wong M.W., Gonzalez C., Pople J.A. – Gaussian, Inc., Wallingford CT, 2004.
7. Бейдер Р. Атомы в молекулах. Квантовая теория. – Москва: Мир, 2001. – 532 с.
8. Peng C., Schlegel H. B. Combining synchronous transit and quasi-newton methods to find transition
states // Israel J. Chem. – 1993. – 33, No 4. – P. 449–454.
9. Peng C., Ayala P.Y., Schlegel H. B., Frisch M. J. Using redundant internal coordinates to optimize equi-
librium geometries and transition states // J. Comput. Chem. – 1996. – 17, No 1. – P. 49–56.
10. Иогансен А.В. Инфракрасная спектроскопия и спектральное определение энергии водородной свя-
зи // Водородная связь. – Москва: Наука, 1981. – С. 112–155.
11. Espinosa E., Molins E., Lecomte C. Hydrogen bond strenghts revealed by topological analyses of experi-
mentally observed electron densities // Chem. Phys. Lett. – 1998. – 285. – P. 170–173.
12. Броварець О.О., Булавiн Л.А., Говорун Д.М. Чи можуть бiлки таутомеризувати основи ДНК?
Фiзична вiдповiдь на бiологiчно важливе запитання // Доп. НАН України. – 2010. – № 2. –
С. 76–82.
178 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2010, №6
13. Bertran J., Blancafort L., Noguera M., Sodupe M. Proton transfer in DNA base pairs. Potential mutagenic
processes // Computational studies of RNA and DNA / Eds. J. Sponer, F. Lankas. – Berlin: Springer,
2006. – P. 411–432.
Надiйшло до редакцiї 15.10.2009Київський нацiональний унiверситет
iм. Тараса Шевченка
Iнститут молекулярної бiологiї та генетики
НАН України, Київ
O.O. Brovarets’, Corresponding Member of the NAS of Ukraine D.H. Hovorun
By how many characters is the genetic information written in DNA?
For the first time using non-empirical methods of the applied quantum mechanics, we have establi-
shed that the most probable candidates on the role of the additional genetic symbols are mutagenic
tautomers Gua* and Cyt*, and also Thy*, which acts as intermediary at the converting of the
Wobble-pair Gua · Thy into the Gua* · Thy pair which is quasiisomorphic to Watson-Crick base
pairs. The obtained results evidence once more that exactly Ade is the evolutionary eldest genetic
symbol.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2010, №6 179
|