Повний конформаційний аналіз низькомолекулярної електронейтральної моделі цукрово-фосфатного ланцюга ДНК

Вперше квантово-механічним методом на рівні теорії MP2/6–311++G(2df,pd)//DFT B3LYP/6–31G(d,p) проведено вичерпний конформаційний аналіз низькомолекулярної сполуки, що моделює електронейтральний цукрово-фосфатний кістяк ДНК. Встановлено, що із усіх 14495 можливих конформерів лише 107 є твірними цукро...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2011
Hauptverfasser:	Войтешенко, І.С., Жураківський, Р.О., Булавін, Л.А., Говорун, Д.М.
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainian
Veröffentlicht:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2011
Schriftenreihe:	Доповіді НАН України
Schlagworte:	Біофізика
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/37807
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:	Повний конформаційний аналіз низькомолекулярної електронейтральної моделі цукрово-фосфатного ланцюга ДНК / І.С. Войтешенко, Р.О. Жураківський, Л.А. Булавін, Д.М. Говорун // Доп. НАН України. — 2011. — № 6. — С. 188-196. — Бібліогр.: 14 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-37807
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-378072012-10-23T12:15:38Z Повний конформаційний аналіз низькомолекулярної електронейтральної моделі цукрово-фосфатного ланцюга ДНК Войтешенко, І.С. Жураківський, Р.О. Булавін, Л.А. Говорун, Д.М. Біофізика Вперше квантово-механічним методом на рівні теорії MP2/6–311++G(2df,pd)//DFT B3LYP/6–31G(d,p) проведено вичерпний конформаційний аналіз низькомолекулярної сполуки, що моделює електронейтральний цукрово-фосфатний кістяк ДНК. Встановлено, що із усіх 14495 можливих конформерів лише 107 є твірними цукрово-фосфатного кістяка A-подібних форм ДНК. Не виявлено модельних A-подібних форм ДНК з нативними значеннями торсійних кутів. Зафіксовано 62 твірних конформера цукрово-фосфатного кістяка B-подібних форм ДНК, 11 з яких мають ідентичний до природного набір номенклатурних торсійних кутів α, β, γ, δ, ε та ζ. Виявлено 803 твірні конформери цукрово-фосфатного кістяка P-подібних форм ДНК з цукрами C2'-endo та C3'-endo. Решта 1160 структур мають широкий спектр конформацій цукрів, найчисленнішими серед яких є C1'-exo та C2'-exo. The complete conformation analysis of a low-molecular compound which simulates the electroneutral sugar-phosphate frame of DNA is performed by a quantum-mechanical method at the MP2/6–311++G(2df,pd)//DFT B3LYP/6–31G(d,p) level of the theory. It is shown that only 107 from all 14495 possible conformers can be formative for the sugar-phosphate frame of A-like DNA forms. No modeled DNA A-forms with native values of torsion angles were registered. 62 formative conformers of sugar-phosphate frame of B- like DNA forms are found, and 11 of them have a set of nomenclatural torsion angles α, β, γ, δ, ε, and ζ, which are identical to natural ones. The 803 formative conformers of sugar-phosphate frame of P-like DNA forms with sugars C2'-endo and C3'-endo were determined. Other 1160 remaining compounds have a wide spectrum of sugar's conformations among which the most numerous are C1'-exo and C2'-exo. 2011 Article Повний конформаційний аналіз низькомолекулярної електронейтральної моделі цукрово-фосфатного ланцюга ДНК / І.С. Войтешенко, Р.О. Жураківський, Л.А. Булавін, Д.М. Говорун // Доп. НАН України. — 2011. — № 6. — С. 188-196. — Бібліогр.: 14 назв. — укр. 1025-6415 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/37807 577.32 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 Войтешенко, І.С. Жураківський, Р.О. Булавін, Л.А. Говорун, Д.М. Повний конформаційний аналіз низькомолекулярної електронейтральної моделі цукрово-фосфатного ланцюга ДНК Доповіді НАН України
description	Вперше квантово-механічним методом на рівні теорії MP2/6–311++G(2df,pd)//DFT B3LYP/6–31G(d,p) проведено вичерпний конформаційний аналіз низькомолекулярної сполуки, що моделює електронейтральний цукрово-фосфатний кістяк ДНК. Встановлено, що із усіх 14495 можливих конформерів лише 107 є твірними цукрово-фосфатного кістяка A-подібних форм ДНК. Не виявлено модельних A-подібних форм ДНК з нативними значеннями торсійних кутів. Зафіксовано 62 твірних конформера цукрово-фосфатного кістяка B-подібних форм ДНК, 11 з яких мають ідентичний до природного набір номенклатурних торсійних кутів α, β, γ, δ, ε та ζ. Виявлено 803 твірні конформери цукрово-фосфатного кістяка P-подібних форм ДНК з цукрами C2'-endo та C3'-endo. Решта 1160 структур мають широкий спектр конформацій цукрів, найчисленнішими серед яких є C1'-exo та C2'-exo.
format	Article
author	Войтешенко, І.С. Жураківський, Р.О. Булавін, Л.А. Говорун, Д.М.
author_facet	Войтешенко, І.С. Жураківський, Р.О. Булавін, Л.А. Говорун, Д.М.
author_sort	Войтешенко, І.С.
title	Повний конформаційний аналіз низькомолекулярної електронейтральної моделі цукрово-фосфатного ланцюга ДНК
title_short	Повний конформаційний аналіз низькомолекулярної електронейтральної моделі цукрово-фосфатного ланцюга ДНК
title_full	Повний конформаційний аналіз низькомолекулярної електронейтральної моделі цукрово-фосфатного ланцюга ДНК
title_fullStr	Повний конформаційний аналіз низькомолекулярної електронейтральної моделі цукрово-фосфатного ланцюга ДНК
title_full_unstemmed	Повний конформаційний аналіз низькомолекулярної електронейтральної моделі цукрово-фосфатного ланцюга ДНК
title_sort	повний конформаційний аналіз низькомолекулярної електронейтральної моделі цукрово-фосфатного ланцюга днк
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate	2011
topic_facet	Біофізика
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/37807
citation_txt	Повний конформаційний аналіз низькомолекулярної електронейтральної моделі цукрово-фосфатного ланцюга ДНК / І.С. Войтешенко, Р.О. Жураківський, Л.А. Булавін, Д.М. Говорун // Доп. НАН України. — 2011. — № 6. — С. 188-196. — Бібліогр.: 14 назв. — укр.
series	Доповіді НАН України
work_keys_str_mv	AT vojtešenkoís povnijkonformacíjnijanalíznizʹkomolekulârnoíelektronejtralʹnoímodelícukrovofosfatnogolancûgadnk AT žurakívsʹkijro povnijkonformacíjnijanalíznizʹkomolekulârnoíelektronejtralʹnoímodelícukrovofosfatnogolancûgadnk AT bulavínla povnijkonformacíjnijanalíznizʹkomolekulârnoíelektronejtralʹnoímodelícukrovofosfatnogolancûgadnk AT govorundm povnijkonformacíjnijanalíznizʹkomolekulârnoíelektronejtralʹnoímodelícukrovofosfatnogolancûgadnk
first_indexed	2025-07-03T19:39:15Z
last_indexed	2025-07-03T19:39:15Z
_version_	1836655895428202496
fulltext	оповiдi НАЦIОНАЛЬНОЇ АКАДЕМIЇ НАУК УКРАЇНИ 6 • 2011 БIОФIЗИКА УДК 577.32 © 2011 I. С. Войтешенко, Р.О. Журакiвський, академiк НАН України Л. А. Булавiн, член-кореспондент НАН України Д. М. Говорун Повний конформацiйний аналiз низькомолекулярної електронейтральної моделi цукрово-фосфатного ланцюга ДНК Вперше квантово-механiчним методом на рiвнi теорiї MP2/6–311++G(2df,pd)//DFT B3LYP/6–31G(d,p) проведено вичерпний конформацiйний аналiз низькомолекулярної спо- луки, що моделює електронейтральний цукрово-фосфатний кiстяк ДНК. Встановлено, що iз усiх 14495 можливих конформерiв лише 107 є твiрними цукрово-фосфатного кi- стяка A-подiбних форм ДНК. Не виявлено модельних A-подiбних форм ДНК з нативни- ми значеннями торсiйних кутiв. Зафiксовано 62 твiрних конформера цукрово-фосфат- ного кiстяка B-подiбних форм ДНК, 11 з яких мають iдентичний до природного набiр номенклатурних торсiйних кутiв α, β, γ, δ, ε та ζ. Виявлено 803 твiрнi конформе- ри цукрово-фосфатного кiстяка P -подiбних форм ДНК з цукрами C2′-endo та C3′-endo. Решта 1160 структур мають широкий спектр конформацiй цукрiв, найчисленнiшими серед яких є C1′-exo та C2′-exo. Роботу присвячено теоретичному дослiдженню фiзичних причин спiральностi ДНК сучас- ними квантово-механiчними методами з використанням модельного бiцукрово-фосфатного залишку з електронейтральними фосфатними групами. Ця сполука є найпростiшою струк- турною моделлю полiмерного ланцюга ДНК, який, в свою чергу, слугує надзвичайно важ- ливим об’єктом пошукiв у багатьох областях структурної бiологiї, бiохiмiї та молекулярної бiофiзики. Власне мiнливiсть ДНК лежить в основi її бiологiчної активностi i значною мiрою визначається конформацiйними властивостями саме цукрово-фосфатного кiстяка. Тому лише вичерпнi фiзичнi уявлення про конформацiйну будову останнього дозволять краще зрозумiти просторову будову ДНК i, зокрема, походження її спiральностi. Проводячи всебiчний аналiз конформацiйних можливостей модельного бiцукрового за- лишку, ми продовжуємо започаткований ранiше пiдхiд до теоретичного конформацiйного аналiзу модельних фрагментiв ДНК [1–5] та намагаємося вiдповiсти на важливе запитан- ня — якi фiзичнi причини зумовлюють спiральну структуру цiєї бiологiчно важливої макро- молекули. Попереднi нашi дослiдження модельного анiнного цукрово-фосфатного кiстяка 188 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2011, №6 не виявили прийнятної моделi бiологiчно поширеної B-форми ДНК. Було лише показано [1] iснування не менш важливих A-подiбних форм зi значно бiльшими кутами спiрального обертання (45,6–176,1)◦ порiвняно з вiдповiдними значеннями, характерними для нативної макромолекули. Першi дослiдження особливостей будови цукрово-фосфатного кiстяка теоретичними ме- тодами були присвяченi диметилфосфату. Це дало можливiсть описати характерну пове- дiнку та кореляцiю номенклатурних торсiйних кутiв α i ζ [6]. Наступним важливим мо- дельним об’єктом, дослiдженим ранiше, був тетрагiдрофуран з фосфатом у положеннi 5′. Такi дослiдження дали змогу додатково змоделювати поведiнку ще одного номенклатур- ного торсiйного кута β та показати, що його значення у найбiльш енергетично вигiдному конформерi близьке до 240◦, що корелює з вiдповiдною нативною величиною [7]. У роботi [4] запропоновано бiльш досконалу модель цукрово-фосфатного кiстяка ДНК, що складалася iз цукрового залишку та приєднаної до нього через фосфодиефiрний зв’язок метильної гру- пи. Цю модель було використано для встановлення залежностi енергетичних характеристик моделi з номенклатурними торсiйними кутами α та γ. На жаль, моделi, використанi у попереднiх дослiдженнях, мiстять лише один фраг- мент дезоксирибози, що значно обмежує розумiння впливу структурних одиниць на повний спектр конформацiйних можливостей подвiйних спiралей ДНК. Наступними логiчними кроками у моделюваннi кiстяка ДНК є ускладнення його низь- комолекулярних моделей шляхом послiдовного приєднання нових структурних фрагментiв, а саме — цукрiв, фосфатiв i нуклеотидних основ. Так, проведенi дослiдження складнiшої модельної системи, що включає два дезоксири- бозних залишки без основ, з’єднанi фосфодиефiрним зв’язком в анiоннiй формi та з дода- тково приєднаними 3′-метокси та 4′-метоксиметилом, показали, що така модель непогано описує конформацiйнi властивостi зв’язкiв C5′-O5′-P-O3′-C3′. Проте автори роботи зазна- чають, що квантово-механiчнi дослiдження цiєї моделi вельми нетривiальнi з огляду на значний конформацiйний простiр i не можуть бути реалiзованi. Бiльше того, розглянутi в роботi [4] модельнi сполуки мають у своєму складi не характернi для ДНК фрагменти, що ускладнює iнтерпретацiю отриманих результатiв. Iнша схожа модель, а саме — тетрагiдрофуран з 3′-фосфатом та приєднаним до нього цукром, дослiджена лише частково, зважаючи на значну кiлькiсть усiх можливих конфор- мерiв (приблизна кiлькiсть 106) [5]. Незважаючи на це, вона дозволила виявити повний набiр торсiйних кутiв цукрово-фосфатного кiстяка ДНК. Проте i цi результати не є вичер- пними, адже оптимiзацiю проведено лише “цiльових” параметрiв при фiксацiї всiх iнших, зокрема лише для C2′-endo (S)- та C3′-endo (N)-конформацiй цукрових залишкiв. Окрiм того, всi отриманi структури не дослiджено на стiйкiсть, тобто на наявнiсть у їхнiх коли- вальних спектрах уявних частот. Об’єкт та методи дослiдження. Стартовi конформери дослiджуваної нами низько- молекулярної моделi електронейтрального цукрово-фосфатного ланцюга ДНК — електро- нейтрального бiцукрового залишку (рис. 1) — отримано iз повного конформацiйного сiмей- ства 1′,2′-дидезоксирибози [2]. Його фосфатна група нейтралiзована протоном при атомi ки- сню О2 з такими параметрами: (O3′-P-O2-Н) = 83 ◦, (P-O2-Н) = 111,5◦ i (O2-Н) = 0,967Å [3]. Крiм того, додатково враховано, що джерелом конформацiйної мiнливостi бiцукрового за- лишку є загальмоване повертання навколо кожного з одинарних хiмiчних зв’язкiв цукро- во-фосфатного кiстяка на кут 120◦, що вiдповiдає розташуванню вiдповiдних номенклатур- них торсiйних кутiв у сусiднiх секторах стiйких значень. ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2011, №6 189 Рис. 1. Просторова будова низькомолекулярної сполуки, що моделює електронейральний цукрово-фосфа- тний кiстяк ДНК: позначення конформацiйних змiнних i атомiв остова загальноприйняте [11] τ ≡ O3′–P– O2–Н, θ ≡ P–O2–Н, d ≡ O2–Н Конформацiйне сiмейство вважалося вичерпним, якщо будь-яка наступна стартова кон- формацiя, сформована на основi будь-якої з сiмейства ранiше отриманих, “скочувалася” у процесi оптимiзацiї в один з конформерiв цього сiмейства. Вибором згаданої моделi ми намагалися зберегти усi типовi зв’язки та складовi цукро- во-фосфатного кiстяка ДНК та найповнiше описати її конформацiйну поведiнку, макси- мально мiнiмiзуючи при цьому розмiр модельної системи з метою економiї необхiдного часу для розрахункiв, адже залежнiсть мiж розмiром системи i необхiдним часом на виконання оптимiзацiї оцiнюється як N2,5–N4, де N — кiлькiсть атомiв в модельнiй системi [8]. Розрахунки без будь-яких структурних обмежень проводили на рiвнi теорiї MP2/6-311++G(2df,pd)//DFT B3LYP/6-31G(d,p). Коливальнi спектри розраховували у гармонiчному наближеннi, використовуючи маштабний множник 0,9608. Цi данi за умови вiдсутностi у їхнiх коливальних спектрах уявних частот використовували для iдентифiкацiї стiйкостi отриманих структур та для обчислення їхньої вiдносної енергiї Гiббса за стандартних умов. Квантово-механiчнi розрахунки проведено з використанням програмного пакету “GAUSSIAN03′′ для платформи Win32 [9]. Набiр параметрiв спiралi макромолекули визначили з використанням так званих внут- рiшнiх параметрiв, а саме: довжин зв’язкiв, валентних та двогранних кутiв [10]. У роботi використано стандартнi позначення атомiв та класичних конформацiйних змiн- них цукрово-фосфатного кiстяка ДНК [11]. 190 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2011, №6 Рис. 2. Кiлькiсний розподiл бiцукрових залишкiв, якi моделюють гомогенний цукрово-фосфатний ланцюг ДНК, за класичними конформацiйними пiдсiмействами: N i S — конформери з пiвнiчними та пiвденними цукрами, вiдповiдно Результати та їх обговорення. Встановлено, що модельний бiцукровий залишок еле- ктронейтрального цукрово-фосфатного кiстяка ДНК має 14 495 стiйких конформерiв. Ви- явилося, що з усiєї множини цих конформерiв лише 3036 мають цукри в однакових кон- формацiях i можуть бути потенцiйно використанi для побудови гомогенного кiстяка ДНК. Подальший аналiз показав, що лише 2132 iз них, якi розмiщуються у дiапазонi вiдносних вiльних енергiй Гiббса (0–17,80) ккал/моль за стандартних умов, мають прийнятний набiр двогранних кутiв α, β, γ, δ, ε та ζ, що дозволяє без стеричних перешкод i ускладнень побу- дувати однорiднi спiралi. Решта 904 конформери є структурами, замкненими внутрiшньо- молекулярними водневими зв’язками, що унеможливлює реалiзацiю згаданих спiралей. Модельнi бiцукровi залишки, якi моделюють гомогенний електронейральний цукро- во-фосфатний ланцюг ДНК, утворюють два сiмейства, розподiл яких за конформацiйними властивостями наведено на рис. 2. Усi сформованi на їхнiй основi електронейтральнi цукро- во-фосфатнi спiральнi структури є правозакрученими. У першому сiмействi нараховується 371 структура: деякi з них з цукрами C2′-endo i C3′-endo наведено в табл. 1 з прийнятними наборами конформацiйних параметрiв, що дозволяють утворювати гомогеннi спiральнi кiстяки ДНК у тому розумiннi, що при приєд- наннi до них основ з вiдповiдними значеннями кута χ утворюються спiралi, в яких основи орiєнтованi до її осi. Конформери цього сiмейства мають широкий спектр цукрiв (в дуж- ках вказано їхню кiлькiсть): C1′-endo (45), C1′-exo (52), C2′-endo (S) (62), C3′-exo (6) (S), C2′-exo (N) (59), C3′-endo (N) (107), C4′-endo (28) i C4′-exo (12). Оскiльки конформацiй- Таблиця. 1. Основнi структурнi параметри конформерiв — твiрних електронейтрального цукрово-фосфат- ного кiстяка А- та В-подiбних форм ДНК i однорiдних спiралей, що їм вiдповiдають. Тут ∆G — вiльна енергiя Гiббса за нормальних умов (ккал/моль), кути (град) позначено, як i у [11] τ — O3′–P–O2–Н Конформацiя цукру Кут спiрального обертання γ β α ζ ε δ τ P νmax ∆G C2′-endo 111,2 76,6 −110,2 179,3 −84,7 −153,2 137,6 −99,4 147,2 37,1 0,00 C3′-endo 122,7 48,3 −103,2 166,1 52,2 −115,1 94,2 −101,5 4,2 34,6 1,18 C2′-endo 76,0 −175,4 −170,9 83,1 63,1 68,6 129,2 −140,0 145,8 33,0 10,01 C3′-endo 63,5 60,5 149,4 179,9 55,8 105,6 76,5 −111,2 2,4 38,4 13,63 ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2011, №6 191 Рис. 3. Модельний електронейтральний цукрово-фосфатний ланцюг: а — A-подiбної форми ДНК, твiрною якого є енергетично найвигiднiший конформер бiцукрово-фосфатного залишку; б — аналогiчний B-подiбний ланцюг ДНК; в — вигляд вздовж осi B-подiбного ланцюга з торсiйними кутами, що характернi для нативної молекули ДНК. Один з ланцюгiв канонiчної B-ДНК — вигляд вздовж осi нi переходи в межах одного з сiмейств N або S вiдбуваються практично без подолання енергетичних бар’єрiв [11], то всi 166 модельних конформерiв з сiмейства N є твiрними еле- ктронейтрального цукрово-фосфатного кiстяка A-подiбних форм ДНК. В межах даного сi- мейства виявлено 68 конформерiв з S-цукрами, що є твiрними цукрово-фосфатного кiстяка B-подiбних форм ДНК, на вiдмiну вiд модельної сполуки в анiоннiй формi, де в аналогi- чному сiмействi серед бiологiчно важливих конформерiв було виявлено лише конформери з C3′-endo (N) цукрами [1]. Енергетично найвигiднiшим твiрним конформерам з першого сiмейства вiдповiдають спiралеподiбнi електронейтральнi цукрово-фосфатнi кiстяки A(C3′-endo)-та B(C2′-endo)-по- дiбних форм ДНК з кутами спiрального обертання 122,7 та 111,2◦ (рис. 3), що майже в чо- тири рази перевищує аналогiчну величину для нативної A-форми та в три рази для на- тивної B-форми ДНК [11]. Цей результат вказує на те, що вищезгаданi однорiднi спiралi є перекрученими i мiстять запас енергiї, за рахунок якої частково реалiзується стiйкiсть подвiйної спiралi ДНК. З отриманих результатiв також випливає, що нетрадицiйною скла- довою стекiнгових взаємодiй ДНК є притискання сусiднiх пар основ одна до одної за раху- нок напруги як в анiонному, так i електронейтральному модельному цукрово-фосфатному кiстяку [1]. Iншi 106 конформерiв A-подiбної форми ДНК є твiрними електронейтральних спiральних цукрово-фосфатних кiстякiв, значення кутiв спiрального обертання яких знахо- дяться у межах вiд 20,3 до 176,4◦ i теж є здебiльшого перекрученими порiвняно з нативною ДНК. Вiдповiдний дiапазон кута спiрального обертання для решти 61 B-подiбної форми цукрово-фосфатного кiстяка ДНК лежить у межах вiд 57,8 до 167,5◦. При цьому в обох 192 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2011, №6 вищезгаданих випадках двограннi кути, що вiдповiдають перекрученим спiралям, суттєво вiдрiзняються. Так, в енергетично найвигiднiшому A-подiбному конформерi з шести тор- сiйних кутiв нативним секторам значень, що найчастiше реалiзуються в експериментально дослiджених зразках ДНК [12], вiдповiдають лише два: γ i δ ∈ ск; кут ε має досить близьке значення до нативної областi −ан; решта кутiв α, β i ζ знаходяться в секторах ан, −ак i ск, вiдповiдно. Отже, можемо зробити висновок, що за реалiзацiю перекрученого стану ланцюга (рис. 3, а), побудованого з енергетично найвигiднiшого конформера, вiдповiдають три номенклатурнi торсiйнi кути α, β та ζ. Повна вiдповiднiсть усiх шести торсiйних кутiв нативним значенням в модельних конформерах A-подiбних форм ДНК з цукрами C3′-endo в межах даного сiмейства вiдсутня. Повну вiдповiднiсть усiх номенклатурних торсiйних кутiв виявлено лише для одинадця- ти електронейтральних спiралеподiбних цукрово-фосфатних конформерiв B-подiбних форм ДНК з C2′-endo цукрами, побудованих на модельних твiрних з першого сiмейства. Так, спi- ральнi кути B-подiбних кiстякiв лежать у межах вiд 69,2 до 74,3◦, а дiапазон їхнiх вiдносних енергiй Гiббса становить (0–3,66) ккал/моль. Енергетично найвигiднiшою модельною спо- лукою у данiй групi є конформер з кутом спiрального обертання 73,5◦, що удвiчi бiльше, нiж у нативнiй подвiйнiй спiралi ДНК (див. рис. 3, в, г). В A-подiбнiй структурi з кутом спiрального обертання 63,5◦, що вiдповiдає найменш енергетично вигiдному твiрному конформеру, природним значенням торсiйних кутiв на- тивної ДНК [12] вiдповiдають лише два кути: γ i δ ∈ ск. Кут β лежить в ак-областi, що є наближеним значенням до його нативної величини, а решта кутiв розмiщенi таким чи- ном: α ∈ ан, ζ ∈ ск, ε ∈ ак. У найменш енергетично вигiдному B-подiбному конформерi з першого сiмейства приро- дним значенням торсiйних кутiв вiдповiдають два з них: β ∈ −ан i δ ∈ ак. Кут γ i кути α, ε, ζ ∈ −ан — i ск-секторам вiдповiдно та реалiзують кут спiрального обертання 76,0◦. Усi твiр- нi конформери з першого сiмейства за стандартних умов знаходяться у дiапазонi вiдносних енергiй Гiббса (0–13,63) ккал/моль. У другому сiмействi конформерiв — твiрних гомогенних спiралей, основи в яких зорi- єнтованi вiд осi спiралi, налiчується 1761 конформер. Усi вони є твiрними спiралеподiбних електронейтральних цукрово-фосфатних ланцюгiв P -подiбних форм ДНК [1, 13, 14]. Се- ред них 468 модельних сполук мають цукри у конформацiях C2′-endo (S), що характерно для B-форм i 335 — з конформацiєю C3′-endo (N), характерною для A-форм ДНК. Основ- нi параметри енергетично невигiдних та найбiльш вигiдних конформерiв з C2′-endo (S) i C3′-endo (N) цукрами наведено в табл. 2. Решта структур, а саме 958 конформерiв другого сiмейства, мають цукри в таких кон- формацiях (у дужках надано їхню кiлькiсть): C1′-exo (431), O4′-endo (35), C1′-endo (92), Таблиця. 2. Основнi структурнi параметри енергетично найвигiднiших та енергетично невигiдних конфор- мерiв, якi є твiрними спiральних електронейтральних цукрово-фосфатних ланцюгiв P -подiбних форм ДНК та спiралей, що їм вiдповiдають з цукрами C2′-endo та C3′-endo (позначення тi ж самi, що у табл. 1) Конформацiя цукру Кут спiрального обертання γ β α ζ ε δ τ P νmax ∆G C2′-endo 167,8 77,6 −109,4 177,6 −71,3 −85,1 143,1 −105,7 148,4 37,0 0,00 C3′-endo 167,4 57,7 100,8 174,8−100,4 −168,1 86,0 143,0 17,3 36,5 2,05 C2′-endo 135,5 176,2 −112,8 106,6 55,5 66,7 128,3 173,5 147,5 33,8 11,03 C3′-endo 137,6 178,2 94,5−102,7−161,7 80,4 70,8 −133,5 24,5 40,6 15,59 ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2011, №6 193 Рис. 4. Спiраль цукрово-фосфатного ланцюга P -подiбної форми ДНК, твiрною якої є енергетично най- вигiднiший конформер другого сiмейства з цукром C2′-endo (а) та аналогiчна спiраль з цукром C3′-endo (б ) C4′-exo (101) та C3′-exo (12) — вони є перехiдними конформерами мiж цукрами з S- до N-сiмейств або навпаки [11]), а також 145 конформерiв з цукрами C2′-exo, що вiднося- ться до N- сiмейства (A-подiбної форми ДНК). Окрiм того, присутнi 142 модельнi сполуки з цукрами С4′-endo, що рiдко зустрiчаються у природних ДНК, оскiльки цей шлях переходу вiд S- до N-конформерiв чи навпаки є менш енергетично вигiдним. Кут спiрального обер- тання, що вiдповiдає цим твiрним конформерам, лежить у дiапазонi (7,1–179,9)◦. Твiрних конформацiй з енергетично невигiдним шляхом переходу вiд S до N через цукри O4′-exo нами не виявлено. Енергетично найвигiднiшому твiрному конформеру з другого сiмейства, який продукує електронейральний цукрово-фосфатний кiстяк P -подiбної форми ДНК з цукром C2′-endo, вiдповiдає кут спiрального обертання 167,8◦ (рис. 4, а), що майже в 4,5 рази перевищує аналогiчну величину для нативної макромолекули ДНК. При цьому торсiйнi кути, якi ви- значають параметри спiралi, — γ i δ лежать у межах природних областей ск i ак; iншi чотири, що вiдповiдно i реалiзують P -подiбний стан, розмiщенi у такий спосiб: β ∈ −ак, α ∈ ан, ζ i ε ∈ −ск. Спiраль, яка вiдповiдає P -формi ДНК i побудована на основi енергетично найбiльш невигiдного конформера модельного електронейтрального цукрово-фосфатного залишку з цукром C2′-endo, має кут спiрального обертання 135,5◦ та торсiйнi кути α, β, γ, ε i ζ зi значеннями, що вiдрiзняються вiд кутiв у полiнуклеотидах i вiдповiдно реалiзують її перекручений стан, а також кут δ ∈ ак. Найбiльш та найменш енергетично вигiднi модельнi конформери — твiрнi електроней- тральних цукрово-фосфатних кiстякiв P -подiбних форм ДНК з C3′-endo цукрами — мають 194 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2011, №6 кути спiрального обертання 167,4 та 137,6◦, вiдповiдно. В енергетично невигiдному кон- формерi лише кут δ вiдповiдає його природному значенню в полiнуклеотидах, а в найбiльш вигiднiй модельнiй сполуцi — три з них: γ ∈ ск, ε ∈ −ан i δ ∈ ск є прийнятними, решта реалiзує значне перекручення (рис. 4, б ). Таким чином, на рiвнi теорiї MP2/6-311++G(2df,pd)//DFT B3LYP/6-31G(d,p) проведе- но вичерпний конформацiйний аналiз низькомолекулярної сполуки, що моделює електро- нейтральний цукрово-фосфатний кiстяк ДНК, а саме бiцукрово-фосфатний залишок в еле- ктронейтральнiй формi. Встановлено, що з усiх 14 495 його конформерiв лише 107 є твiрни- ми цукрово-фосфатного ланцюга A-подiбних форм ДНК з кутами спiрального обертання, якi лежать в дiапазонi (20,3–176,4)◦. Модельних A-подiбних форм ДНК з усiма нативними значеннями торсiйних кутiв не виявлено. Показано, що iснує одинадцять твiрних конформа- цiй однорiдного спiрального цукрово-фосфатного кiстяка B-подiбної форми ДНК з торсiй- ними кутами, характерними для нативної молекули ДНК, якi забезпечують при цьому кути спiрального обертання в дiапазонi (69,2–74,3)◦. Виявлено також 803 конформери з цукрами C2′-endo та C3′-endo, якi є твiрними спiральних цукрово-фосфатних ланцюгiв P -подiбних форм ДНК. Решта 1160 структур мають широкий конформацiйний спектр цукрiв, найчисленнiшими з яких є сiмейства C1′-exo i C2′-exo. Одержанi результати, на нашу думку, розширюють iснуючi уявлення про конформацiйну будову та мiнливiсть макромолекули ДНК. 1. Войтешенко I.С., Журакiвський Р.О., Булавiн Л.А., Говорун Д.М. Конформацiйний аналiз низько- молекулярної моделi анiонного цукрово-фосфатного ланцюга ДНК // Доп. НАН України. – 2010. – № 11. – С. 158–166. 2. Журакiвський Р.О., Юренко Є.П., Говорун Д.М. Конформацiйнi властивостi 1′,2′-дезоксирибози – модельного цукрового залишку 2′-дезоксирибонуклеозидiв: результати неемпiричного квантово-ме- ханiчного дослiдження // Там само. – 2006. – № 8. – С. 207–213. 3. Нiколаєнко Т.Ю., Булавiн Л.А., Говорун Д.М. Структурно-динамiчнi особливостi модельних цукро- во-фосфатних залишкiв 3′-дезоксирибонуклеотидiв // Там само. – 2009. – № 12. – С. 75–82. 4. Svozil D., Sponer J. E., Marchan I. et al. Cheatham III, Forti F., Javier Luque F., Orozco M., Sponer J. Geometrical and Electronic Structure Variability of the Sugar-phosphate Backbone in Nucleic Acids // J. Phys. Chem. – 2008. – 112. – P. 8188–8197. 5. MacKerell A. D. Contribution of the Intrinsic Mechanical Energy of the Phosphodiester Linkage to the Relative Stability of the A, BI, and BII Forms of Duplex DNA // Ibid. – 2009. – 113. – P. 3235–3244. 6. Alagona G., Ghio C., Kollman P. Monte Carlo simulations of the solvation of the dimethyl phosphate anion // J. Am. Chem. Soc. – 1985. – 107. – P. 2229–2239. 7. Foloppe N., MacKerell A. D. Contribution of the Phosphodiester Backbone and Glycosyl Linkage Intrinsic Torsional Energetics to DNA Structure and Dynamics // J. Phys. Chem. B. – 1999. – 103. – P. 10955–10964. 8. Foresman J. B., Frisch A. Exploring chemistry with electronic structure: Second Edition. Gaussian, Incor- porated, 1996. – 354 p. 9. 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., Jarami- llo 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., Dani- els 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., Koma- romi 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. ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2011, №6 195 10. Sugeta H. Miyazawa T. General method for calculating helical parameters of polymer chains from bond lengths bond angles and internal-rotation angles // Biopolymers. – 1967. – 5. – P. 673–679.. 11. Зенгер В. Принципы структурной организации нуклеиновых кислот. – Москва: Мир 1987. – 584 с. 12. Schneide B. Neidle St., Berman H.M. Conformations of the Sugar-Phosphate Backbone in Helical DNA Crystal Structures // Biopolymers. – 1997. – 42. – P. 113–124. 13. Pauling L. Corey R.B. A Proposed Structure For The Nucleic Acids // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. – 1953. – 39. – P. 84–97. 14. Allemand J. F. Bensimon D. Lavery R. Croquette V. Stretched and overwound DNA forms a Pauling-like structure with exposed bases // Ibid. – 1998. – 95. – P. 14152–14157. Надiйшло до редакцiї 22.06.2010Київський нацiональний унiверситет iм. Тараса Шевченка Iнститут молекулярної бiологiї та генетики НАН України, Київ Iнститут високих технологiй КНУ iм. Тараса Шевченка, Київ I. S. Voiteshenko, R.O. Zhurakivsky, Academician of the NAS of Ukraine L.A. Bulavin, Corresponding Member of the NAS of Ukraine D.M. Hovorun Complete conformation analysis of a low-molecular electroneutral model of sugar-phosphate DNA chain The complete conformation analysis of a low-molecular compound which simulates the electro- neutral sugar-phosphate frame of DNA is performed by a quantum-mechanical method at the MP2/6-311++G(2df,pd)//DFT B3LYP/6–31G(d,p) level of the theory. It is shown that only 107 from all 14495 possible conformers can be formative for the sugar-phosphate frame of A-like DNA forms. No modeled DNA A-forms with native values of torsion angles were registered. 62 formative conformers of sugar-phosphate frame of B — like DNA forms are found, and 11 of them have a set of nomenclatural torsion angles α, β, γ, δ, ε, and ζ, which are identical to natural ones. The 803 formative conformers of sugar-phosphate frame of P — like DNA forms with sugars C2′-endo and C3′-endo were determined. Other 1160 remaining compounds have a wide spectrum of sugar’s conformations among which the most numerous are C1′-exo and C2′-exo. 196 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2011, №6

Повний конформаційний аналіз низькомолекулярної електронейтральної моделі цукрово-фосфатного ланцюга ДНК

Institution

Ähnliche Einträge