Cover Image

Прототропна таутомерія азотистих основ: новий погляд на стару проблему

Підсумовуються результати циклу розрахунково-теоретичних досліджень фізико-хімінних зако­номірностей прототропної таутомерії нуклеотидних основ, виконаних у рамках напівемпіричного квантовохімічного методу AMI (режим оптимізації всіх структурних пара­метрів). Застосувавши нетрадиційний підхід, який...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Биополимеры и клетка
Date:1997
Main Author: Говорун, Д.М.
Format: Article
Language:Ukrainian
Published: Інститут молекулярної біології і генетики НАН України 1997
Subjects:
Структура и функции биополимеров
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/155202
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Прототропна таутомерія азотистих основ: новий погляд на стару проблему / Д.M. Говорун // Биополимеры и клетка. — 1997. — Т. 13, № 3. — С. 191-196. — Бібліогр.: 53 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859519114701176832
author Говорун, Д.М.
author_facet Говорун, Д.М.
citation_txt Прототропна таутомерія азотистих основ: новий погляд на стару проблему / Д.M. Говорун // Биополимеры и клетка. — 1997. — Т. 13, № 3. — С. 191-196. — Бібліогр.: 53 назв. — укр.
collection DSpace DC
container_title Биополимеры и клетка
description Підсумовуються результати циклу розрахунково-теоретичних досліджень фізико-хімінних зако­номірностей прототропної таутомерії нуклеотидних основ, виконаних у рамках напівемпіричного квантовохімічного методу AMI (режим оптимізації всіх структурних пара­метрів). Застосувавши нетрадиційний підхід, який грунтується на тому, що максимальна, чисельність сімейства прототропних таутомеріє основи визначається загальною кількістю протонів і вільних електронних пар атомів – акцепторів протона, вдалося встановити, що у відношенні прототропної таутомерії нуклеотидні основи є значно мобільнішими структурами (прототропна таутомерія нуклеотидних основ має молекулярно-цвітеріонний характер і відбувається за участю карбопротонів), аніж це вважалося раніше. Обговорюється біологічна, значущість отриманих результатів, які сформульовано максимально узагальнено і можуть бути розповсюджені, на думку автора, на значно ширше коло об'єктів, ніж канонічні нуклеотидні основи, їхні «складові частини» та продукти їхньої модифікації, зокрема дезамінування. Подводятся итоги цикла расчетно-теоретических исследова­ ний, выполненных в рамках полу эмпирического квантовохими- ческого метода AMI, касающихся физико-химических законо­мерностей прототроппой таутомерии нуклеотидных основа­ний. Применив нетрадиционный подход, базирующийся на том, что максимальная численность семейства прототропных таутомеров основания определяется общим количеством протонов и иеподеленных электронных пар атомов – акцеп­торов протона, удалось установить, что в отношении про­тотропной таутомерии нуклеотидные основания представля­ют собой значительно более мобильные структуры (протот­ропная таутомерия нуклеотидных оснований имеет молеку­лярно-цвиттер ионный характер и происходит с участием карбопротонов), чем это было принято считать ранее. Об­суждается биологическая значимость полученных результа­тов, которые сформулированы в работе с максимально воз­можным обобщением и могут быть распространены, с точки зрения автора, на более широкий круг объектов, включая аминокислоты. The summary is made of the scries of calculation-theoretical investigations fulfilled by the setniempirical quantum-chemical AMI method on physico-chemical features of prototropic tautomerism of nucleotide bases. Applying of non-traditional approach which is based on the view that highest possible numbers of prototropic tautomers of bases are determined by an overall Quantity of protons and electron lone pairs of proton acceptor atoms, the success was achieved in ascertaining that as regards prototropic tautomerism nudcotule bases are more mobile structures (prototropic tautomerism of nucleotide bases has a molecular-zwitterionic diameter involving carboprotons as well) than it was assumed earlier. A biological significance of the data obtained, which are generalized and may be extended from the autlwr's point of view to larmier range of objects, ammo acids included.
first_indexed 2025-11-25T20:49:32Z
format Article
fulltext ISSN 0233-7657 . Б и о п о л и м е р ы и клетка . 1997. Т. 13. № 3 Прототропна таутомерія азотистих основ: новий погляд на стару проблему Д. ML Говорун Інститут молекулярної біології та генетики Н А Н України 252143 , Київ, вуя. Академіка Заболотного, 150 Підсумовуються результати циклу розрахунково-теоретичних досліджень фізико-хімінних зако­ номірностей прототропної таутомерії нуклеотидних основ, виконаних у рамках напівемпіричного квантовохімічного методу AMI (режим оптимізації всіх структурних пара­ метрів). Застосувавши нетрадиційний підхід, який грунтується на тому, що максимальна, чисельність сімейства прототропних таутомеріє основи визначається загальною кількістю протонів і вільних електронних пар атомів — акцепторів протона, вдалося встановити, що у відношенні прототропної таутомерії нуклеотидні основи є значно мобільнішими структурами (прототропна таутомерія нуклеотидних основ має молекулярно-цвітеріонний характер і відбувається за участю карбопротонів), аніж це вважалося раніше. Обговорюється біологічна, значущість отриманих результатів, які сформульовано максимально узагальнено і можуть бути розповсюджені, на думку автора, на значно ширше коло об'єктів, ніж канонічні нуклеотидні основи, їхні «складові частини» та продукти їхньої модифікації, зокрема дезамінування. Тривалий час явище прототропної таутомерії нук­ леотидних основ розглядається у молекулярній біо­ логії та біофізиці у зв ' язку з проблемою зберігання та відтворення генетичної інформації [1 ] . Зі спон­ танними чи наведеними у той чи інший спосіб таутомерними переходами комплементарних нук­ леотидних основ у рідкі (високоенергетичні) форми пов'язуються механізми утворення неправильних пар ДНК — потенційне джерело помилок біосин­ тезу [2—4 |. Деякі автори [5] вбачають у прототролній таутомерії Уотсон-Криківських пар Д Н К , яка ре­ алізується шляхом синхронного перенесення про­ тонів уздовж внутрішньопарних водневих зв 'язк ів , фізико-хімічний механізм спонтанних напіввідкри- тих станів ДНК [6] , які відіграють неабияку роль у її функціонуванні [1 J. Традиційно як теоретичні [2—4, 7—11] , так і експериментальні дослідження [12, 13] прототроп­ ної таутомерії нуклеотидних основ виходять з того, що вона має виключно молекулярний характер, і протони при атомах вуглецю в ній участі не беруть. Такий підхід грунтуться на нехтуванні СН-кислотністю нуклеотидних основ і значною © Д . М Г О Н О Р У Н, 1997 мірою наявністю в них сильного електронного спряження. Тим часом, отримані нами [1.4] а також ін­ шими авторами [15] дані переконливо свідчать, що азотисті основи є типовими СН-кислотами [16, 17] . Поєднання N H - та СН-кислотних властиво­ стей [14, 15] з яскраво вираженою протофільністю [18—21] азотистих основ — молекул із сильним електронним спряженням [7—20 ] дає всі підстави очікувати, що прототропна таутомерія останніх має молекулярно-цвітеріонний характер і реалізується за участю всіх без винятку протонів. Слушне на перший погляд заперечення, що набагато вища енергія таутомерів-цвітеріонів у порівнянні з ос­ новною таутомерною формою зводить нанівець їх­ нє можливе біологічне значення , знімається, ос­ кільки, як відомо [23 ], біохімічні реакції за участю нуклеїнових кислот (НК) з ендотермічним ефектом близько 10 к к а л / м о л ь і вище [24, 25 ] займають далеко не останнє місце в молекулярній біології та біохімії. Реалізувавши цей нетрадиційний підхід, який грунтується на тому, що максимальна чисельність сімейства прототропних таутомерів нуклеотидної основи визначається загальною кількістю протонів і вільних електронних пар (ВЕН) атомів — донорів 191 Г О В О Р У Н д . м . протона, в рамках напівемпіричного квантовохі­ мічного методу AMI (режим оптимізації всіх струк­ турних параметрів) , який добре зарекомендував себе для подібних об'єктів і задач [8, 9 ] , вдалося встановити, що з погляду прототропної таутомерії нуклеотидні основи є значно мобільнішими струк­ турами [26—33] , аніж вважалося раніше [7—13] . Це істотно розширює коло фізико-хімічних ефек­ тів, спричинених прототропною таутомерією, а від­ так і поглиблює її біологічну значущість. Доведено, що прототропна таутомерія нуклео­ тидних основ має молекулярно-цвітеріонний ха­ рактер — в ній беруть участь усі без винятку про­ тони молекули як при атомах азоту та кисню, так і при атомах вуглецю (так звані карбоиротони) [26—33] . Для всіх вивчених молекул основний, тобто енергетично найвигідніший таутомер з-поміж сімейства всіх можливих, є молекулярною формою: Іш (N1С2С4С5) , Руг (С2С4С5С6) / Pu r (C2C6C8N9) , H y p ( N l C 2 C 8 N 9 ) , X a n ( N l N 3 C 8 N 7 ) , U r a ( T h y ) ( N l - N3C5C6) , C y t ( N l N 4 N 4 C 5 C 6 ) , A d e ( C 2 N 6 N 6 C 8 N 9 ) , G u a ( N l N 2 N 2 C 8 N 9 ) (тут і далі в дужках наведено атоми, на яких локалізуються протони). Серед усіх можливих таутомерів-цвітеріонів пуринових основ та імідазолу енергетично найвигіднішою є так зва­ на ілідна форма, яка утворюється шляхом міграції протона при атомі С8 (С2 в І т ) на сусідній ендоциклічний атом азоту, зв ' я заний з останнім подвійним зв 'язком: l m ( N l N 3 C 4 C 5 ) , P u r ( C 2 C 6 N 7 - N9) , H y p ( N l C 2 N 7 N 9 ) , X a n ( N l N 3 N 7 N 9 ) , Ade (C2- N 6 N 6 N 7 N 9 ) , G u a ( N l N 2 N 2 N 7 N 9 ) . В піримідинах енергетично найвигідніші таутомери-цвітеріони ут­ ворюються шляхом переходу найкислішого (з-по­ між карбопротонів) протона при атомі С6 (С2 в Руг) на атом, що є найкращим акцептором протона (N1 або N 3 , N3 і 0 4 в Руг, Cyt і Ura (Thy) відповідно): Руг (N1 (або N3) С4С5С6) , Cyt ( N 1 - N3N4N4C5) , Ura (Thy) ( N 1 N 3 0 4 C 5 ) (в останньо­ му випадку протон при атомі 0 4 має цис-орі~ єнтацію відносно сусіднього зв ' язку С 5 Н ) . Харак­ т е р н о , щ о в і д н о с н а е н е р г і я о с н о в н и х таутомерів-цвітеріонів піримідинових основ більше ніж удвічі перевищує аналогічну величину для пуринів. При цьому молекулярне і молекулярно- цвітеріонне підсімейство для кожної з пуринових основ перетинаються в енергетичній іпкалі від­ носних енергій; в усіх без винятку піримідинах вони розділені істотною енергетичною щілиною, що перевищує 10 к к а л / м о л ь . Це однозначно вказує на значно більшу схильність пуринових основ порів­ няно з піримідиновими до цвітеріонної таутомерії. Показано, що всі прототропні таутомери ка­ нонічних нуклеотидних основ з екзоциклічним ато­ мом азоту (Ade, Gua і Cyt) є стереохімічно нежор- сткими дипольно-нестійкими структурами з непла- нарною будовою та інверсно-площинним механіз­ мом взаємоперетворення «енантіомерів» з енерге­ тичним бар 'єром, що не перевищує 1 ккал /моль . З 'ясувалося, що традиційне в розрахунково-те­ оретичних дослідженнях [7, 9, 10] планарне на­ ближення не є, строго кажучи , адекватним для всього сімейства прототропних таутомерів навіть у тих випадках, коли основна таутомерна форма є планарною дипольно-стійкою структурою. З-поміж досліджених молекул винятками щодо цього є І т [ЗО] (всі його прототропні таутомери, що склада­ ються з основної молекулярної форми I m ( N l C 2 - С4С5) та двох цвітеріонних — I m ( N l N 3 C 4 C 5 ) і I m ( N l C 2 N 3 C 4 (або С 5 ) ) , є планарними (симетрія С у) дипольно-стійкими структурами) , Pur {31 ] (йо­ го повне сімейство таутомерів складається з 33 планарних (симетрія C s ) дипольно-стійких струк­ тур — 4 молекулярних і 29 цвітеріонних) та Hyp [29] (всі його молекулярно-цвітеріонні таутомери є п л а н а р н и м и ( с и м е т р і я C s ) дипольно-ст ійкими структурами) . Для кожної з усіх інших дослід­ жених основ (Руг, Ura , T h y , Хап) серед переваж­ ної більшості планарних молекулярно-цвітеріонних таутомерів зафіксовано принаймні декілька суттєво непланарних дзеркально-симетричних пар тауто­ мерів (симетрія С,) як з площинно-інверсним ( X a n ( N l N 7 C 8 0 6 ) , U r a ( N l N 3 0 4 C 6 ) та ін.), так і з поворотним механізмом ( P y r ( N l N 3 C 4 C 6 ) , C y t ( N l - N 3 N 4 N 4 C 5 ) , Хап (N3N7C8N9) та ін.) взаємо­ перетворення «енантіомерів» (в останньому випад­ ку відповідний енергетичний бар 'єр зростає до кількох к к а л / м о л ь ) . Окрім того, неадекватність плаиарного набли­ ження [7, 9, 10] при розрахунково-теоретичному дослідженні прототропної таутомерії нуклеотидних основ, як з 'ясувалося, пов 'язана ще й з тим, що воно у окремих випадках примусово фіксує нестій­ кі конформації окремих таутомерів, що не відпові­ дають глобальному мінімумові на гіперповерхні потенціальної енергії ( Г П П Е ) . В результаті отри­ мане в такий спосіб сімейство прототропних тауто­ мерів виявляться дещо ширшим за реальне. Пока­ зовою ілюстрацією цього є результати робіт [8] і [9 ], отримані для одних і тих же молекул — канонічних нуклеотидних основ — одним і тим же методом (AMI) в режимі оптимізації всіх структур­ них параметрів [8 ] і в традиційному планарному наближенні [9 ]. В останньому випадку сімейство прототропних таутомерів містить «комп'ютерно за­ морожені» нестійкі конформації таутомерів, що відповідають максимумові Г П П Е . В реальних тау- томерних сімействах Hyp і Хап (27—29] , зокрема, роль таких «заморожених» структур відіграють 192 П Р О Т О Т Р О П Н А Т А У Т О М Е Р І Я А З О Т И С Т И Х О С Н О В планарні перехідні стани обертання екзоциклічної гідроксильної групи цілої низки реальних тауто- мерів, що відповідають глобальному максимумові ГППЕ: H y p ( N l C 2 0 6 C 8 ) , H y p ( C 2 0 6 N 7 C 8 ) (гідро­ ксильна група т ран с-орієнтована відносно сусід­ ньої групи N.1H і N7H відповідно), Xan(N102~ C8N9) , X a n ( N l 0 2 N 7 C 8 ) (т /к /не-орієнтація гідро­ к с и л у в і д н о с н о с у с і д н ь о г о з в ' я з к у N 1 H ) , X a n ( N 1 0 6 C 8 N 9 ) (транс-орієнтація гідроксилу від­ носно сусіднього зв ' язку N 1 H ) , X a n ( 0 2 N 3 N 7 C 8 ) (траї і с-орі є н та ці я гідроксилу відносно сусіднього зв 'язку N3H) і т. п. (перелік цих таутомерів-про- тотипів може бути продовжено на основі якісного аналізу сімейства молекулярно-цвітеріонних тауто­ мерів Хап, наведеного в роботі [26]) . Виявлено досить стійку структурну кореляцію, яка має місце майже для всіх прототропних тауто­ мерів з гідроксильною групою [8, 27—29] : цис- орієнтація останньої відносно сусіднього подвійного зв 'язку О С чи O N є енергетично вигіднішою, ніж трап: с-орі єнта ці я, Основним електронним чинни­ ком, що детермінує цей орієнтаційний ефект, є кулонівське відштовхування ВЕП гідроксильного атома кисню і сусіднього (сусідніх) з ним ендо- циклічного (ендоциклічних) атомів азоту. В тих випадках, коли гідроксильна група не лежить в площині кільця, її орієнтація зумовлена, в основ­ ному, стеричним фактором — електростатичним відштовхуванням її атома водню від атома водню сусідньої групи N H . Слід особливо наголосити, що прототропна та­ утомерія нуклеотидних основ спряжена з такою біологічно важливою властивістю останніх, як ком- плексотвірна здатність [18—21 ]. У цьому легко переконатися, порівнюючи такі фізико-хімічні ха­ рактеристики прототропних таутомерів одного і того ж сімейства, як розподіл зарядів на атомах, дипольний момент, перший адіабатичний потен­ ціал іонізації тощо, які змінюються від таутомера до таутомера в досить широких межах [26—33] , Найбільші збурення електронної структури, а ра­ зом з ними і комплексотвірної здатності спосте­ рігаються при переході від молекулярної таутомер­ ної форми до цвітеріонної. Показовим у цьому відношенні прикладом є m 7 G u a — фіксований ме- тилюванням високоенергетичний таутомер-цвіте- ріон Gua [33] , який є значно гетерополярнішою і амфотернішою сполукою, ніж Gua в основній тау- томерній формі. Енергія його протонування по атому N1 становить -250 ,8 к к а л / м о л ь , а енергія депротонування глікозидного зв 'язку N9H дорів­ нює 316,4 к к а л / м о л ь (розрахунок методом A M I ) , що значно відрізняється від аналогічних величин для основної таутомерної форми Gua [21] — енер­ гія його протонування по атому N7 складає лише -224 ,7 к к а л / м о л ь , а енергія депротонування з в ' я з ­ ку N9H становить 333,1 к к а л / м о л ь . Цілком природно, що нові погляди на протот- ропну таутомерію нуклеотидних основ розширю­ ють і поглиблюють вже існуючі уявлення про її можливу біологічну значущість та відкривають нові ймовірні аспекти її функціональних проявів. Перш за все, в цьому контексті треба зауважи­ ти, що всі без винятку такі біологічно важливі аналоги канонічних нуклеотидних основ, як мі­ норні компоненти Д Н К (m^Cyt, m 4 Cyt , m^Ade, га'Gua, m 2 G u a , m 7 G u a ) та Р Н К (m 6 Ade, m 'Ade, m 3 Ade , m 2 6 , 6 A d e , m 3 C y t , m 4 Cyt , m 5 Cyt , n^Gua , m ? G u a , rn 3 Gua, m 7 G u a , m 3 U r a та ін.) [34] , отримані шляхом метилювання останніх, є не чим іншим, як фіксованими таутомерними формами. Цей зовсім не випадковий збіг обставин може, зокрема, проли­ ти світло на фізико-хімічні механізми алкілування НК — не виключено, що перехідним станом цієї біологічно важливої реакції є відповідні рідкі тау- томерні форми нуклеотидних основ. До речі, саме дослідження структурно-енергетичних закономір­ ностей прототропної таутомерії пуринових основ за участю карбопротонів дозволило встановити, що перехідним станом реакції воднево-тритієвого об­ міну групи С8Н цих молекул з водою при сприят­ ливих рН є ілідна форма [35] . Окрім того, в рамках такого нетрадиційного підходу вдалося зафіксувати залежність швидкості цього процесу, що є одним з найпростіших і водно­ час найінформативніших експериментальних ме­ тодів вивчення структурно-динамічних властиво­ стей нуклеоиротеїдних комплексів у нативних умо­ вах [36 ], від к о н ф о р м а ц і ї основи і зробити принципово важливий висновок про те, що вона визначається власне не конформацією Н К , а її збуренням при переході відповідної пуринової осно­ ви з основної таутомерної форми в ілідну, що далебі не одне й те ж саме. Спадає на думку, що подібно до воднево-тритієвого обміну групи С8Н пуринів з водою аналогічний обмін груп N H нук­ леотидних основ [6 ] є теж не прямим (шляхом розриву — відновлення відповідного зв ' язку , по якому йде обмін), а опосередкованим процесом, коли перехідний стан — рідка таутомерна форма — утворюється шляхом естафетного протонування — депротонування основи за участю протонів середо­ вища. Про практичну важливість молекулярно-цві- теріонної таутомерії нуклеотидних основ свідчить також і те, що інформація стосовно енергетичних властивостей певної частини молекулярно-цвіте­ ріонних таутомерів є необхідною умовою з 'ясуван- 193 Г О В О Р У Н д . м . ня того, як протонодонорні-протоноакцепторні вла­ стивості нуклеотидних основ залежать від зміни зарядовош стану шляхом лротонування — депрото- нування останніх (37 ]. Нагальна необхідність де­ тального дослідження такого кола питань тісно пов 'язана з біологічною значущістю феномену вза­ ємозалежності міжмолекул5ірного водневого зв ' язу­ вання за участю компонентів НК [38, 3 9 ] . Варто також наголосити, що повне сімейство прототропних молекулярно-цвітеріонних таутоме­ рів кожної з нуклеотидних основ, а не лише її основна таутомерна форма є найпродуктивнішим ізоструктурним «полігоном» для висвітлення основ­ них квантовохімічних підвалин тих фізико-хіміч- них властивостей нуклеотидних основ, що детер­ мінують перебіг елементарних процесів нуклеї­ н о в о - н у к л е ї н о в о г о т а б і л к о в о - н у к л е ї н о в о г о впізнавання, а саме: стереохімічної нежорсткості [22 І, включаючи анізотропію поворотної рухливо­ сті аміногрупи [40] і топологічні властивості їхньої Г П П Е [41 J, нерівноцінність амінних зв 'язк ів [42] , наявність внутрішньомолекулярних водневих з в ' ­ язків та їхні кооперативні властивості [43 ] тощо. Слід розглянути також залежність комплек- сотвірної здатності нуклеотидних основ від їхнього таутомерного стану та її можливі практичні ре­ алізації. Характерні результати в цьому напрямку отримано при вивченні фізико-хімічних властиво­ стей низькомолекулярних комплексів типу «нукле- отидна основа — похідна амінокислоти» методами ЯМР, оптичної, зокрема коливальної спектроскопії, та комп'ютерного моделювання [39, 4 4 ] . Показано, шо сильна специфічна взаємодія карбоксилат-ані- она індукує в нуклеотидних основах перехід з основної таутомерної форми у високоенергетичну р і д к у ( A d e ( N 9 H ) + R C O O " = Ade(N7H):RCOO"; Xan(N7H) + RCOO~ = Xan(N9H):RCOO~) зі значно вищою комплексотвірною здатністю по відношенню до карбоксилат-іона. В рамках комп'ютерного мо­ делювання, виконаного напівемпіричним кванто- вохімічним методом M N D O / H у вакуумному на­ ближенні, вдалося зафіксувати непоодинокі випад­ ки синхронного п е р е н е с е н н я протонів вздовж мі ж молекулярних водневих зв 'язк ів у комплексах канонічних нуклеотидних основ з модельною спо­ л у к о ю — мурашиною кислотою [45] , що перево­ дять нуклеотидну основу з основної таутомерної форми у високоенергетичну рідку зі значно вищою комплексотвірною здатністю по відношенню до карбоксильної групи. Окрім того, термодинамічна спряженість комп- лексотвірної здатності нуклеотидних основ з тауто­ мерією є причиною квазігетеромолекулярності ут­ ворюваних ними кристалів. Так , наприклад, ква- зігетеромолекулярність кристалу isoCyt зумовлена співіснуванням в ньому двох молекулярних тауто­ мерів — основної (N2N2N3C5C6) і рідкої (N1N2- N2C5C6) форм, які не пов 'язані операціями про­ сторової групи симетрії [46, 47 ]. При цьому рідка форма isoCyt (N1N2N2C5C6) не є енергетично най- вигіднішою з-поміж рідких таутомерів [12] — її енергія перевищує енергію основної таутомерної форми isoCyt на 12,2 к к а л / м о л ь (розрахунок мето­ дом AMI в режимі оптимізації всіх структурних параметрів з нормою градієнта < 0,01) . Така , на перший погляд, нелогічна ситуація виявляться, як це не дивно, термодинамічно вигіднішою, аніж гомомолекулярний кристал, побудований із струк­ турно тотожних молекул — основного гаутомера i soCyt (N2N2N3C5C6) . Характерно, що при пере­ ході з вільного стану у кристалічний спостері­ гається істотна структурна деформація обох тауто- мерних форм isoCyt (так звана агрегаційна мін­ л и в і с т ь [48 ]) як с т е р е о х і м і ч н о н е ж о р с т к и х структур [22] . Причиною квазігетеромолекулярності криста­ лів азотистих основ може бути також спряженість прототропної таутомерії із стереохімічною нежорст- кістю [22] . Так , зокрема, квазігетеромолекуляр- ність кристалів Cyt і s 2 Cyt зумовлена наявністю симетрично незалежних молекул, тобто молекул, не зв 'язаних операціями просторової групи си­ метрії, які через свою нежорсткість мають різну геометрію, — так зване явище контактної конфор- мерії [46, 47 ]. У даному випадку співіснують конформери основної таутомерної форми Cyt і s 2 C y t ( N l N 4 N 4 C 5 C 6 ) . Нарешті , термодинамічна спряженість протот­ ропної таутомерії азотистих основ з їхньою комп­ лексотвірною здатністю має прямим своїм наслід­ ком сильну залежність таутомерії, зокрема роз­ поділу таутомерів у сімействі по енергії, від фізико-хімічних властивостей оточення [3, 10, 11, 13] . При цьому енергетична вигідність того чи іншого таутомера навіть у «інертному» [50 ] роз­ чині визначається не лише його полярністю — дипольним моментом у вільному стані (класична модель Онзагера [51] ) , а й поляризованістю [5] , причому в енергетичному відношенні ці фактори порівнянні [52 ]. Насамкінець треба підкреслити, що автор, не претендуючи на вичерпне залучення численних літературних джерел, тим не менше прагнув мак­ симально можливого узагальнення отриманих ре­ зультатів: з огляду на це, викладені вище зако­ номірності прототропної таутомерії можуть бути розповсюджені, принаймні на якісному рівні, на значно ширше коло біологічно важливих об'єктів, 194 зокрема, модифіковані нуклеотидні основи, нукле- озиди, нуклеотиди, НК і навіть на амінокислоти, прототропна таутомерія котрих, як і нуклеотидних основ, має молекулярно-цв ітер іонний характер [49, 5 3 ] , причому в ній беруть участь і протони при атомах вуглецю. Вичерпна інформація щодо геометричної та електронної структури повного сімейства молеку­ лярно-цвітеріонних таутомерів азотистих основ та їхніх складових частин, а також деяких їхніх фізико-хімічних властивостей, зокрема Г П П Е , роз­ рахованих методом AMI в режимі оптимізації всіх параметрів, знаходиться у комп'ютерному банку даних відділу молекулярної біофізики ІМБіГ НАН України. Роботу виконано при фінансовій підтримці Де­ ржавного комітету України з питань науки і техно­ логій (проект № 5 .4 /77 ) . Д. її. Говорун Прототропная таутомерия азотистых оснований: новый взгляд на старую проблему Резюме Подводятся итоги цикла расчетно-теоретических исследова­ ний, выполненных в рамках полу эмпирического квантовохими- ческого метода AMI, касающихся физико-химических законо­ мерностей прототроппой таутомерии нуклеотидных основа­ ний. Применив нетрадиционный подход, базирующийся на том, что максимальная численность семейства прототроп- ных may томе ров основания определяется общим количеством протонов и иеподеленных электронных пар атомов — акцеп­ торов протона, удалось установить, что в отношении про­ тотропной таутомерии нуклеотидные основания представля­ ют собой значительно более мобильные структуры (протот­ ропная таутомерия нуклеотидных оснований имеет молеку­ ляр но-цвшп тер ионный характер и происходит с участием карбопротонов), чем это было принято считать ранее. Об­ суждается биологическая значимость полученных результа­ тов, которые сформулированы в работе с максимально воз­ можным обобщением и могут быть распространены, с точки зрения автора, на более широкий круг объектов, включая аминокислоты. В. М. Hovorun The prototropic tan torn erism of nitrogen bases: a new insight into the old problem Summary The summary is made of Ike series of calculation-theoretical investigations fulfilled by the semiempirical quantum-chemical AMI method on physico-chemical features of prototropic tautomerism of nucleotide bases. Applying of non-traditional approach which is based on the view that highest possible numbers of prototropic tautomers of bases are determined by an overall quantity of protons and electron lone pairs of proton acceptor atoms, the success was achieved in ascertaining that as regards prototropic tautomerism nucleotide bases are more mobile structures (prototropic tau­ tomerism of nucleotide bases has a molecular-zwitterionic character involving carboprotons as well) than it was assumed earlier. A П Р О Т О Т Р О П Н А Т А У Т О М Е Р І Я А З О Т И С Т И Х О С Н О В biological significance of the data obtained, which are generalized and may be extended from the author's point of view to largier range of objects, amino acids included. С П И С О К Л І Т Е Р А Т У Р И 1. Льюин Б. Гены.—М.: Мир , 1987 .—544 с. 2. Полтев В. И., Брусков В. И., Шулюпина И. В. и др. Генотоксическая м о д и ф и к а ц и я оснований нуклеиновых кислот и ее биологические последствия. Обзор и перс­ пективы экспериментальных и расчетно-теоретических ис­ следований / / Молекуляр . биология. — 1 9 9 3 . — 2 7 , № 4 .— С. 7 3 4 — 7 5 7 . 3. Данилов В. И., Квенцель Г Ф. Электронные представления в теории точечных м у т а ц и й . — К и е в : Наук , думка , 1971 .— 83 с. 4. Гребнева Е. А. Облучение Д Н К ультрафиолетовым светом: потенциальные изменения и м у т а ц и и / / Молекуляр. био­ л о г и я . — 1 9 9 4 . — 2 8 , № 4 . — С . 8 0 5 — 8 1 2 . 5. Волков С. И. Приоткрытое состояние двойной спирали Д Н К / / Там же . ~ 1 9 9 5 . - 2 9 , № 5 .—С. 1086—1094 . 6. Франк-Каменецкий М. Д. Ф л у к т у а ц и о н н а я подвижность Д Н К / / Там ж е . — 1 9 8 3 . — 1 7 , № 3 .—С. 6 3 9 — 6 5 2 . 7. Пюльман Б., Пюльман А. Квантовая биохимия .—М.: Мир, 1965 .—654 с. 8. Norinder U. A theoretical reinvestigation of the nucleic bases aden ine , guanine , cytosine, thymine and uracil using AMI / / J. Мої. S t r u c t . — 1 9 8 7 . — 1 5 1 . — P . 2 5 9 — 2 6 9 . 9. Sabio M., Topiol S., Lu.rn.ma W.C., Jr. An investigation of tautomerism in aden ine and guanine III. P h y s . Chem.— 1990 .—94, N 4 . — P . 1366—1372 . 10. Kwiatkowski J. S., Person W. B. T h e tautomerism of the nucleic acid bases revisited: from non-interact ing to interacting bases / / Theor . biochem. and mol. biophys. / Eds D. L. Beveridge, R. Lavery.—New York: Adenine press, 1990.— P . 1 5 3 — 1 7 1 . 11 . Зефиров H. С, Трач С. С. Перегруппировки и ц и к л и з а ц и и . XV. Таутомерия : общие проблемы, к л а с с и ф и к а ц и я , поиск новых топологических и р е а к ц и о н н ы х типов / / Ж у р и . орг. х и м и и . — 1 9 7 6 . - 12, № 4 . — С . 6 9 7 — 7 1 8 . 12. Шеина Г. Г. Прототропная таутомерия пуриновых и пири- мидиновых оснований нуклеиновых кислот: Д и с . ... д-ра хим. н а у к . — К и е в : Ин-т биоорг. х и м и и и н е ф т е х и м и и АН У к р а и н ы , 1992 .—42 с. 13. Person W. В., Szczepaniak К., Szczesniak М. et a.l. Tau ­ tomerism of nucleic acid bases and the effect of molecular interactions on tautomerism equilibria / / J. Мої. Struct.— 1989. — 1 9 4 . — P . 2 3 9 — 2 5 8 . 14. Говорун Д. M., Кондратюк Ї. В., Желтовський М. В. Нуклеотидні основи як С Н - к и с л о т и / / Биополимеры и к л е т к а . — 1 9 9 5 . — 1 1 , № 5 .—С. 15—20 . 15. Брусков В. И., Окон М. С. Термодинамические харак теристики С - Н . . . 0 водородных связей, образуемых ана­ логами оснований н у к л е и н о в ы х кислот / / Д о к л . АН С С С Р . — 1 9 8 4 . — 2 7 7 , № 6 .—С. 1482—1486 . 16. Погорелый В. К., Вишнякова. Т. Б. Водородная связь и СН-кислотность / / Успехи х и м и и . — 1 9 8 4 . — 5 3 , № 12.— С. 1985—2008 . 17. Вишнякова Т. В., Погорелый В. К. Соотношение между протонодонорной способностью в водородных связях и СН-кислотностью / / Теор. и эксперим. химия . — 1 9 8 4 . — 20, № 1.—С. 3 1 — 3 6 . 18. Говорун Д. М., Кондратюк I. В., Желтовський М. В. Кислотно-лужні властивості п іримідину, імідазолу та пури­ ну у вільному стані: розрахунок методом AMI / / Б и о ­ полимеры и к л е т к а . — 1 9 9 5 . — 1 1 , № 5 .—С. 2 1 — 2 3 . 19. Говорун Д. М., Кондратюк I. В., Желтовський М. В, 195 http://Lu.rn.ma ГОЛО РУН д. м. Газофазні кислотно-лужні властивості молекулярного гіпо­ ксантину / / Там ж е . — № С. 3 6 — 3 9 . 20. Говорун Д. М., Кондратюк 1. В., Желтовський М. В. Кислотно-лужні властивості молекулярного ксантину та його комплексотвірна здатність / / Там ж е . — 1 9 9 4 . — 1 0 , № 6.—С. 6 1 — 6 4 . 21 . Говорун Д М., Кондратюк Г В. Газофазні кислотно-лужні властивості канонічних нуклеотидних основ / / Доповіді НАН України. —1997 (друкується) . 22. Говорун Д. М., Міщу к Я. Р., Кондратюк Г В. Про квантовохімічну природу стереохімічної нежорсткості кано­ нічних нуклеотидних основ / / Б и о п о л и м е р ы и клетка .— 1996. — 1 2 , № 5.—С. 5—12 . 23 . Малер J., Кордес Ю. Основы биологической х и м и и . — М . : Мир, 1970.—568 с. 24. Говорун Д. М. Структурно-енергетичні особливості спон­ танного дезамінування канонічних та модифікованих нук­ леотидних основ / / Б и о п о л и м е р ы и клетка . — 1 9 9 7 . — 1 3 , № 1.—С. 3 6 — 3 8 . 25. Говорун Д. М. П о ш к о д ж е н н я пуринових основ кисневими радикалами: енергетичний та структурний аспекти / / Там ж е . — 1 9 9 7 . — 1 3 , № 4 (друкується) . 26. Говорун Д М.} Кондратюк I. В., Желтовський М. В. Прототропна молекулярно-цвітеріонна таутомерія ксанти­ ну: розрахунок методом AMI / / Там ж е . — 1 9 9 4 . — 1 0 , № 6 — С 5 2 — 6 0 . 27. Говорун Д. М., Кондратюк Г В., Желтовський М. В. Прототропна молекулярно-цвітеріонна таутомерія гіпокса­ нтину: розрахунок методом AMI у вакуумному наближенні / / Там ж е . — 1 9 9 5 . — 1 1 , № 1.—С. 3 0 — 3 5 . 28. Кондратюк І. В., Говорун Д М., Желтовський М. В. Прототропна таутомерія молекулярного ксантину / / Д о п о ­ віді НАН України. — 1 9 9 5 . — № 4 . — С 109—112. 29. Говорун Д. М., Кондратюк Г В., Желтовський М. В. Прототропна молекулярно-цвітеріонна таутомерія гіпокса­ нтину / / Там ж е . — № 7 .—С. 135—138 . 30. Говорун Д M.t Кондратюк Г В., Желтовський М. В. Прототропна молекулярно-цвітеріонна таутомерія імідазо- .іу та піримідину / / Б и о п о л и м е р ы и к л е т к а . — 1 9 9 5 . — 1 1 , № 6. — С. 4 1 — 4 4 . 31 . Говорун Д. М., Кондратюк Г В., Желтовський М. В. Прототропна молекулярно-цвітеріонна таутомерія пурину / / Там ж е . — С . 4 5 — 5 0 . 32. Говорун Д. М., Кондратюк 1. В. Квантовохімічні розра­ хунки свідчать: прототропна таутомерія канонічних нук­ леотидних основ має молекулярно-цвітер іонний характер . I. Піримідини / / Там ж е . — 1 9 9 6 . — 1 2 , № 1.—С. 4 2 — 4 8 . 33. Говорун Д М., Кондратюк І. В. Квантовохімічні роз­ рахунки свідчать: прототропна таутомерія канонічних нук­ леотидних основ має молекулярно-цвітеріонний характер . II. Пурини / / Там ж е . — С. 4 9 — 5 2 . 34. Handbook of biochemistry and molecular biology / Ed . G. D. Fasman.—Boca Raton: C R C Press , 1983.—Vol. I I .—923 p . 35. Говорун Д. M., Кондратюк Г В., Желтовський М. В. Про фізико-хімічний механізм воднево-тритієвого обміну групи С 8 Н 8 нуклеотидних основ пуринового ряду з водою / / Биополимеры и клетка. — 1 9 9 5 . — 1 1 , № 3 — 4 . — С . 2 4 — 2 8 . 36. Агранович И. М. К о н ф о р м а ц и о н и ы е особенности Д Н К в растворе и в биологических объектах, выявляемые методом медленного Ч і ^ Н - о б м е н а : Автореф. дис. ... канд. хим . наук .—М.: ИМБ А Н С С С Р , 1985.—21 с. 37. Говорун Д. М., Кондратюк Г В., Желтовський М. В. Вплив протонування т а депротонування на кислотно-лужні в л а с т и в о с т і пурину, піримідину т а і м і д а з о л у / / Биопо­ лимеры и клетка—1995 .—11, № З — 4 . - С . 2 9 - 3 4 . 38. Міщук Я. Р. Вивчення фізико-хімічної природи елемен­ тарних актів білково-нуклеїнового та нуклеїново-нуклеїно­ вого впізнавання на низькомолекулярних модельних систе­ мах: Автореф. дис . ... канд. біол. наук .—Київ : ІМБіГ АН Укра їни , 1993.—21 с. 39. Кондратюк Г В. Досл ідження фізико-хімічної природи елементарних процесів молекулярного розпізнавання мето­ дами Я М Р , коливальної спектроскопії та комп'ютерного моделювання: Автореф. дис. ... канд. біол. наук .—Київ : ІМБіГ Н А Н Укра їни , 1996 — 1 9 с. 40. Говорун Д. М.} Кондратюк І. В. Анізотропія обертальної рухливості аміногрупи в канонічних нуклеотидних основах / / Доповіді Н А Н України . — 1 9 9 6 . — № 10.— С. 1 5 2 - 1 5 5 . 4 1 . Говорун Д. М., Міщук Я. Р., Кондратюк Г В. Топологічні властивості гіперповерхні потенціальної енергії канонічних нуклеотидних основ / / Б и о п о л и м е р ы и клетка .—1996 .— 12, № 5 .—С. 13—17. 42. Говорун Д М., Міщук Я. Р.у Кондратюк Г В., Жел­ товський М. В. Нееквівалентність амінних атомів водню в канонічних нуклеотидних основах / / Доповіді Н А Н Укра­ ї н и . — 1 9 9 5 . — № 8 - С. 130—132. 43 . Говорун Д М., Міщук Я. Р., Кондратюк J. В., Жел­ товський. М. В. Внутрішньомолекулярні кооперативні вод­ неві зв ' язки в нуклеотидних основах / / Там ж е . — 1 9 9 6 . - - № 8 .—С. 141 — 144. 44. Коломієць Г М. Вивчення специфічної взаємодії карбо­ ксильної групи амінокислот з нуклеотидними основами, нуклеозидами та їхніми метилпохідними методами оптич­ ної спектроскопії: Автореф. дис . ... канд. біол. наук .—Київ , ІМБіГ НАН Укра їни , 1996.—21 с 45 . Говорун Д. М., Міщук Я. Р., Кондратюк Г В., Кучер В. В. Специфічна взаємодія канонічних нуклеотидних основ з карбоксильною групою амінокислот та карбоксилат-аніо- ном: розрахунок методом M N D O / H у вакуумі / / Б и о ­ полимеры и клетка. — 1 9 9 7 (.друкується). 46. Зоркий Л. M.j Разумаева А. Е. О сосуществовании в органических кристаллах молекул , и м е ю щ и х разное стро­ ение / / Ж у р н . структ. х и м и и . - - 1 9 7 9 . — 2 0 , № 3 .—С. 4 6 3 — 466. 47. Разумаева А. Е., Зоркий П. М. Количественное сравнение геометрии органических молекул / / Там ж е . — 1 9 8 0 . — 2 1 , № 2 .—С. 7 7 — 8 2 . 48. Уразовский С. С. Молекулярный полиморфизм .—Киев : Изд-во АН У С С Р , 1956 .—336 с. 49. Гурская Г. В. С т р у к т у р ы а м и н о к и с л о т . — М . : Н а у к а , 1966.—160 с. 50. Кури А. Л. Роль растворителя в органических реакциях / / Ж у р н . Всесоюз. хим. о-ва им. Д . И. Менделеева. — 1 9 8 4 . — 29, № 5 .—С. 5 3 0 — 5 4 0 . 5 1 . Самоишн В. В., Зефиров Я. С. К о н ф о р м а ц и о н и ы е прев­ ращения органических молекул в растворах / / Там ж е . — 1984 ,—29, № 5 .—С. 5 2 1 — 5 3 0 . 52 . Булгаревич С. В., Мовшович Д. Я. П р и б л и ж е н и е Онзагера и универсальные взаимодействия полярных молекул / / Ж у р н . общ. х и м и и . — 1 9 9 2 . — 6 2 ( 1 2 4 ) , № 1 0 — С. 2187. 5 3 . Кизель В. А. Ф и з и ч е с к и е п р и ч и н ы диссимметрии живых систем.—М.: Н а у к а , 1985. — 1 2 0 с. УДК 577 .3 Над ійшла до редакції 15.01.97 196
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-155202
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 0233-7657
language Ukrainian
last_indexed 2025-11-25T20:49:32Z
publishDate 1997
publisher Інститут молекулярної біології і генетики НАН України
record_format dspace
spelling Говорун, Д.М.
2019-06-16T10:56:05Z
2019-06-16T10:56:05Z
1997
Прототропна таутомерія азотистих основ: новий погляд на стару проблему / Д.M. Говорун // Биополимеры и клетка. — 1997. — Т. 13, № 3. — С. 191-196. — Бібліогр.: 53 назв. — укр.
0233-7657
DOI: http://dx.doi.org/10.7124/bc.00047D
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/155202
577.3
Підсумовуються результати циклу розрахунково-теоретичних досліджень фізико-хімінних зако­номірностей прототропної таутомерії нуклеотидних основ, виконаних у рамках напівемпіричного квантовохімічного методу AMI (режим оптимізації всіх структурних пара­метрів). Застосувавши нетрадиційний підхід, який грунтується на тому, що максимальна, чисельність сімейства прототропних таутомеріє основи визначається загальною кількістю протонів і вільних електронних пар атомів – акцепторів протона, вдалося встановити, що у відношенні прототропної таутомерії нуклеотидні основи є значно мобільнішими структурами (прототропна таутомерія нуклеотидних основ має молекулярно-цвітеріонний характер і відбувається за участю карбопротонів), аніж це вважалося раніше. Обговорюється біологічна, значущість отриманих результатів, які сформульовано максимально узагальнено і можуть бути розповсюджені, на думку автора, на значно ширше коло об'єктів, ніж канонічні нуклеотидні основи, їхні «складові частини» та продукти їхньої модифікації, зокрема дезамінування.
Подводятся итоги цикла расчетно-теоретических исследова­ ний, выполненных в рамках полу эмпирического квантовохими- ческого метода AMI, касающихся физико-химических законо­мерностей прототроппой таутомерии нуклеотидных основа­ний. Применив нетрадиционный подход, базирующийся на том, что максимальная численность семейства прототропных таутомеров основания определяется общим количеством протонов и иеподеленных электронных пар атомов – акцеп­торов протона, удалось установить, что в отношении про­тотропной таутомерии нуклеотидные основания представля­ют собой значительно более мобильные структуры (протот­ропная таутомерия нуклеотидных оснований имеет молеку­лярно-цвиттер ионный характер и происходит с участием карбопротонов), чем это было принято считать ранее. Об­суждается биологическая значимость полученных результа­тов, которые сформулированы в работе с максимально воз­можным обобщением и могут быть распространены, с точки зрения автора, на более широкий круг объектов, включая аминокислоты.
The summary is made of the scries of calculation-theoretical investigations fulfilled by the setniempirical quantum-chemical AMI method on physico-chemical features of prototropic tautomerism of nucleotide bases. Applying of non-traditional approach which is based on the view that highest possible numbers of prototropic tautomers of bases are determined by an overall Quantity of protons and electron lone pairs of proton acceptor atoms, the success was achieved in ascertaining that as regards prototropic tautomerism nudcotule bases are more mobile structures (prototropic tautomerism of nucleotide bases has a molecular-zwitterionic diameter involving carboprotons as well) than it was assumed earlier. A biological significance of the data obtained, which are generalized and may be extended from the autlwr's point of view to larmier range of objects, ammo acids included.
Роботу виконано при фінансовій підтримці Державного комітету України з питань науки і технологій (проект № 5.4/77).
uk
Інститут молекулярної біології і генетики НАН України
Биополимеры и клетка
Структура и функции биополимеров
Прототропна таутомерія азотистих основ: новий погляд на стару проблему
Прототропная таутомерия азотистых оснований: новый взгляд на старую проблему
The prototropic tautomerism of nitrogen bases: a new insight into the old problem
Article
published earlier
spellingShingle Прототропна таутомерія азотистих основ: новий погляд на стару проблему
Говорун, Д.М.
Структура и функции биополимеров
title Прототропна таутомерія азотистих основ: новий погляд на стару проблему
title_alt Прототропная таутомерия азотистых оснований: новый взгляд на старую проблему
The prototropic tautomerism of nitrogen bases: a new insight into the old problem
title_full Прототропна таутомерія азотистих основ: новий погляд на стару проблему
title_fullStr Прототропна таутомерія азотистих основ: новий погляд на стару проблему
title_full_unstemmed Прототропна таутомерія азотистих основ: новий погляд на стару проблему
title_short Прототропна таутомерія азотистих основ: новий погляд на стару проблему
title_sort прототропна таутомерія азотистих основ: новий погляд на стару проблему
topic Структура и функции биополимеров
topic_facet Структура и функции биополимеров
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/155202
work_keys_str_mv AT govorundm prototropnatautomeríâazotistihosnovnoviipoglâdnastaruproblemu
AT govorundm prototropnaâtautomeriâazotistyhosnovaniinovyivzglâdnastaruûproblemu
AT govorundm theprototropictautomerismofnitrogenbasesanewinsightintotheoldproblem

Similar Items