Специфічна взаємодія модельної форми депротонованої карбоксильної групи амінокислот з пурином переводить основу в рідкісний таутомер N7H: результати ab initio розрахунків у вакуумі

Специфічна взаємодія модельної форми депротонованої карбоксильної групи амінокислот з пурином переводить основу в рідкісний таутомер N7H: результати ab initio розрахунків у вакуумі

За даними ab initio розрахунків (МР2/6-ЗЮ**/1HF/6-31G**) у вакуумі, що є прийнятною імітацією гідрофобного оточення у місцях білково-нуклеїнових контактів, специфічна взаємодія ацетат-іона – моделі депротонованої карбоксильної групи аспарагінової та глутамінової кис­лот – з пурином переводить нуклео...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:Біополімери і клітина
Datum:2001
Hauptverfasser: Самійленко, С.П., Богдан, Т.В., Тригубенко, С.А., Говорун, Д.М.
Format: Artikel
Sprache:Ukrainian
Veröffentlicht: Інститут молекулярної біології і генетики НАН України 2001
Schlagworte:
Структура та функції біополімерів
Online Zugang:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/155890
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:Специфічна взаємодія модельної форми депротонованої карбоксильної групи амінокислот з пурином переводить основу в рідкісний таутомер N7H: результати ab initio розрахунків у вакуумі / С.П. Самійленко, Т.В. Богдан, С.А. Тригубенко, Д.М. Говорун // Біополімери і клітина. — 2001. — Т. 17, № 6. — С. 540-545. — Бібліогр.: 33 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-155890
record_format dspace
spelling Самійленко, С.П.
Богдан, Т.В.
Тригубенко, С.А.
Говорун, Д.М.
2019-06-17T15:01:58Z
2019-06-17T15:01:58Z
2001
Специфічна взаємодія модельної форми депротонованої карбоксильної групи амінокислот з пурином переводить основу в рідкісний таутомер N7H: результати ab initio розрахунків у вакуумі / С.П. Самійленко, Т.В. Богдан, С.А. Тригубенко, Д.М. Говорун // Біополімери і клітина. — 2001. — Т. 17, № 6. — С. 540-545. — Бібліогр.: 33 назв. — укр.
0233-7657
DOI:http://dx.doi.org/10.7124/bc.0005DD
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/155890
573.3
За даними ab initio розрахунків (МР2/6-ЗЮ**/1HF/6-31G**) у вакуумі, що є прийнятною імітацією гідрофобного оточення у місцях білково-нуклеїнових контактів, специфічна взаємодія ацетат-іона – моделі депротонованої карбоксильної групи аспарагінової та глутамінової кис­лот – з пурином переводить нуклеотидну основу з основної таутомерної форми N9H у високое­нергетичну N7H з енергетичним виграшем 0,46 ккал/моль. Ефект досягається за рахунок вищої комплексотвірної здатності таутомеру N7H у порівняння з таутомером N9H, яка з надлишком компенсує підвищення внутрішньої енергії при переході N9HN7H( близько 3,90 ккал/моль). Обговорюється можлива біологічна роль отриманих результатів для перебігу елементарних актів білково-нуклеїнового впізнавання, зокрема, ферментативного каталізу.
По данным ab initio расчетов (MP2l6-31G**//HFl6-31G**) в вакууме, являющемся приемлемой имитацией гидрофобного окружения в местах белково-нуклеиновых контактов, специ­фическое взаимодействие ацетат-иона – модели депротонированной карбоксильной группы аспарагиновой и глутаминовой кислот – с пурином переводит основание из основной тауто­мер ной формы N9H в высокоэнергетическую N7H с энергети­ческим выигрышем 0,46 ккал/моль. Эффект достигается за счет большей комплексообразующей способности таутомера N7H в сравнении с таутомером N9H, которая с избытком компенсирует повышение внутренней энергии при переходе N9H → N7H (около 3,90 ккал/моль). Обсуждается возможная биологическая роль полученных результатов для элементарных актов белково-нуклеинового узнавания, в частности, фер­ментативного катализа.
According to ab initio calculations (MP2/6-31G**//HF/6-31G**) In vacuum (which is an acceptable imitation of the hydrophobic medium at the sites of protein-nucleic acid contacts), specific interaction of the acetate onion (model of deprotonated residues of aspartic and glutamic acids) with the purine transforms this base from the N9H ground-state tautomeric form into the N7H high-energy tautomer (hE-EN7H-EN9H is about 4 kcul/mol) with the energy advantage of 0.46 kcal/moL The effect is achieved due to the higher complexation energy of the N7H tautomer as compared to the N9H one, which overcompensates the energy excess (about 3.90 kcal/mol) of the rare tautomer. A possible biological significance of the data obtained for more profound understanding of elementary acts of protein-nucleic acid recognition, in particular, the enzyme catalysis, is discussed.
uk
Інститут молекулярної біології і генетики НАН України
Біополімери і клітина
Структура та функції біополімерів
Специфічна взаємодія модельної форми депротонованої карбоксильної групи амінокислот з пурином переводить основу в рідкісний таутомер N7H: результати ab initio розрахунків у вакуумі
Специфическое взаимодействие модельной формы депротонированной группы аминокислот с пурином переводит основание в редкий таутомер N7H: результаты ab initio расчетов в вакууме
Specific interaction of the amino acid model carboxylic group with purine transforms it into its N7H rare tautomeric form: results of vacuum ab initio calculations
Article
published earlier
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
title Специфічна взаємодія модельної форми депротонованої карбоксильної групи амінокислот з пурином переводить основу в рідкісний таутомер N7H: результати ab initio розрахунків у вакуумі
spellingShingle Специфічна взаємодія модельної форми депротонованої карбоксильної групи амінокислот з пурином переводить основу в рідкісний таутомер N7H: результати ab initio розрахунків у вакуумі
Самійленко, С.П.
Богдан, Т.В.
Тригубенко, С.А.
Говорун, Д.М.
Структура та функції біополімерів
title_short Специфічна взаємодія модельної форми депротонованої карбоксильної групи амінокислот з пурином переводить основу в рідкісний таутомер N7H: результати ab initio розрахунків у вакуумі
title_full Специфічна взаємодія модельної форми депротонованої карбоксильної групи амінокислот з пурином переводить основу в рідкісний таутомер N7H: результати ab initio розрахунків у вакуумі
title_fullStr Специфічна взаємодія модельної форми депротонованої карбоксильної групи амінокислот з пурином переводить основу в рідкісний таутомер N7H: результати ab initio розрахунків у вакуумі
title_full_unstemmed Специфічна взаємодія модельної форми депротонованої карбоксильної групи амінокислот з пурином переводить основу в рідкісний таутомер N7H: результати ab initio розрахунків у вакуумі
title_sort специфічна взаємодія модельної форми депротонованої карбоксильної групи амінокислот з пурином переводить основу в рідкісний таутомер n7h: результати ab initio розрахунків у вакуумі
author Самійленко, С.П.
Богдан, Т.В.
Тригубенко, С.А.
Говорун, Д.М.
author_facet Самійленко, С.П.
Богдан, Т.В.
Тригубенко, С.А.
Говорун, Д.М.
topic Структура та функції біополімерів
topic_facet Структура та функції біополімерів
publishDate 2001
language Ukrainian
container_title Біополімери і клітина
publisher Інститут молекулярної біології і генетики НАН України
format Article
title_alt Специфическое взаимодействие модельной формы депротонированной группы аминокислот с пурином переводит основание в редкий таутомер N7H: результаты ab initio расчетов в вакууме
Specific interaction of the amino acid model carboxylic group with purine transforms it into its N7H rare tautomeric form: results of vacuum ab initio calculations
description За даними ab initio розрахунків (МР2/6-ЗЮ**/1HF/6-31G**) у вакуумі, що є прийнятною імітацією гідрофобного оточення у місцях білково-нуклеїнових контактів, специфічна взаємодія ацетат-іона – моделі депротонованої карбоксильної групи аспарагінової та глутамінової кис­лот – з пурином переводить нуклеотидну основу з основної таутомерної форми N9H у високое­нергетичну N7H з енергетичним виграшем 0,46 ккал/моль. Ефект досягається за рахунок вищої комплексотвірної здатності таутомеру N7H у порівняння з таутомером N9H, яка з надлишком компенсує підвищення внутрішньої енергії при переході N9HN7H( близько 3,90 ккал/моль). Обговорюється можлива біологічна роль отриманих результатів для перебігу елементарних актів білково-нуклеїнового впізнавання, зокрема, ферментативного каталізу. По данным ab initio расчетов (MP2l6-31G**//HFl6-31G**) в вакууме, являющемся приемлемой имитацией гидрофобного окружения в местах белково-нуклеиновых контактов, специ­фическое взаимодействие ацетат-иона – модели депротонированной карбоксильной группы аспарагиновой и глутаминовой кислот – с пурином переводит основание из основной тауто­мер ной формы N9H в высокоэнергетическую N7H с энергети­ческим выигрышем 0,46 ккал/моль. Эффект достигается за счет большей комплексообразующей способности таутомера N7H в сравнении с таутомером N9H, которая с избытком компенсирует повышение внутренней энергии при переходе N9H → N7H (около 3,90 ккал/моль). Обсуждается возможная биологическая роль полученных результатов для элементарных актов белково-нуклеинового узнавания, в частности, фер­ментативного катализа. According to ab initio calculations (MP2/6-31G**//HF/6-31G**) In vacuum (which is an acceptable imitation of the hydrophobic medium at the sites of protein-nucleic acid contacts), specific interaction of the acetate onion (model of deprotonated residues of aspartic and glutamic acids) with the purine transforms this base from the N9H ground-state tautomeric form into the N7H high-energy tautomer (hE-EN7H-EN9H is about 4 kcul/mol) with the energy advantage of 0.46 kcal/moL The effect is achieved due to the higher complexation energy of the N7H tautomer as compared to the N9H one, which overcompensates the energy excess (about 3.90 kcal/mol) of the rare tautomer. A possible biological significance of the data obtained for more profound understanding of elementary acts of protein-nucleic acid recognition, in particular, the enzyme catalysis, is discussed.
issn 0233-7657
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/155890
citation_txt Специфічна взаємодія модельної форми депротонованої карбоксильної групи амінокислот з пурином переводить основу в рідкісний таутомер N7H: результати ab initio розрахунків у вакуумі / С.П. Самійленко, Т.В. Богдан, С.А. Тригубенко, Д.М. Говорун // Біополімери і клітина. — 2001. — Т. 17, № 6. — С. 540-545. — Бібліогр.: 33 назв. — укр.
work_keys_str_mv AT samíilenkosp specifíčnavzaêmodíâmodelʹnoíformideprotonovanoíkarboksilʹnoígrupiamínokislotzpurinomperevoditʹosnovuvrídkísniitautomern7hrezulʹtatiabinitiorozrahunkívuvakuumí
AT bogdantv specifíčnavzaêmodíâmodelʹnoíformideprotonovanoíkarboksilʹnoígrupiamínokislotzpurinomperevoditʹosnovuvrídkísniitautomern7hrezulʹtatiabinitiorozrahunkívuvakuumí
AT trigubenkosa specifíčnavzaêmodíâmodelʹnoíformideprotonovanoíkarboksilʹnoígrupiamínokislotzpurinomperevoditʹosnovuvrídkísniitautomern7hrezulʹtatiabinitiorozrahunkívuvakuumí
AT govorundm specifíčnavzaêmodíâmodelʹnoíformideprotonovanoíkarboksilʹnoígrupiamínokislotzpurinomperevoditʹosnovuvrídkísniitautomern7hrezulʹtatiabinitiorozrahunkívuvakuumí
AT samíilenkosp specifičeskoevzaimodeistviemodelʹnoiformydeprotonirovannoigruppyaminokislotspurinomperevoditosnovanievredkiitautomern7hrezulʹtatyabinitiorasčetovvvakuume
AT bogdantv specifičeskoevzaimodeistviemodelʹnoiformydeprotonirovannoigruppyaminokislotspurinomperevoditosnovanievredkiitautomern7hrezulʹtatyabinitiorasčetovvvakuume
AT trigubenkosa specifičeskoevzaimodeistviemodelʹnoiformydeprotonirovannoigruppyaminokislotspurinomperevoditosnovanievredkiitautomern7hrezulʹtatyabinitiorasčetovvvakuume
AT govorundm specifičeskoevzaimodeistviemodelʹnoiformydeprotonirovannoigruppyaminokislotspurinomperevoditosnovanievredkiitautomern7hrezulʹtatyabinitiorasčetovvvakuume
AT samíilenkosp specificinteractionoftheaminoacidmodelcarboxylicgroupwithpurinetransformsitintoitsn7hraretautomericformresultsofvacuumabinitiocalculations
AT bogdantv specificinteractionoftheaminoacidmodelcarboxylicgroupwithpurinetransformsitintoitsn7hraretautomericformresultsofvacuumabinitiocalculations
AT trigubenkosa specificinteractionoftheaminoacidmodelcarboxylicgroupwithpurinetransformsitintoitsn7hraretautomericformresultsofvacuumabinitiocalculations
AT govorundm specificinteractionoftheaminoacidmodelcarboxylicgroupwithpurinetransformsitintoitsn7hraretautomericformresultsofvacuumabinitiocalculations
first_indexed 2025-11-25T22:33:40Z
last_indexed 2025-11-25T22:33:40Z
_version_ 1850567631865643008
fulltext ISSN 0233-7657. Біополімери і клітина* 2001. Т. 17. № 6 Специфічна взаємодія модельної форми депротонованої карбоксильної групи амінокислот з пурином переводить основу в рідкісний таутомер N7H: результати ah initio розрахунків у вакуумі С П. Самійленко 1, Т. В. Богдан 2 , С. А. Тригубенко 2, Д. M. Говорун 1 , 2 1 Інститут молекулярної біології і генетики НАН України Вул. Академіка Заболотного, 150, Київ, 03143, Україна 2 Національний університет «Києво-могилянська академія» Вул. Григорія Сковороди, 2, Київ, 04070, Україна E-mail: dhovorun@imbg.org.ua За даними ab initio розрахунків (МР2/6-ЗЮ**/1HF/6-31G**) у вакуумі, що є прийнятною імітацією гідрофобного оточення у місцях білково-нуклеїнових контактів, специфічна взаємодія ацетат-іона — моделі депротонованої карбоксильної групи аспарагінової та глутамінової кис­ лот — з пурином переводить нуклеотидну основу з основної таутомерної форми N9H у високое­ нергетичну N7H з енергетичним виграшем 0,46 ккал/моль. Ефект досягається за рахунок вищої комплексотвірної здатності таутомеру N7H у порівняння з таутомером N9H, яка з надлишком компенсує підвищення внутрішньої енергії при переході N9HN7H( близько 3,90 ккал/моль). Обговорюється можлива біологічна роль отриманих результатів для перебігу елементарних актів білково-нуклеїнового впізнавання, зокрема, ферментативного каталізу. Вступ. З хімічної точки зору молекула пурину (Pur) утворюється в результаті конденсації піри- мідинового та імідазольного кілець. Хоча сам пурин не є природним продуктом [1 ], багато його похід­ них — у першу чергу це нуклеотидні основи — широко розповсюджені в природі і мають важливе біологічне значення. Принагідно зауважимо, що нуклеозид Pur рибозиднебулярин відомий як ан­ тибіотик протимікробної та протипухлинної дії [2 ]. Існує навіть думка, що хімія пуринів зародилася раніше, ніж органічна хімія стала наукою [3 ]. Цікаво, що для Pur, як і для пуринових нук- леотидних основ, характерні дуже короткі (порядка кількох пікосекунд) значення тривалості збуджено­ го поглинанням УФ випромінювання стану (див. роботу [4] та посилання в ній), внаслідок внут­ рішньої конверсії до основного стану. Цю характер- © г . П. САМІЙЛЕНКО, Т. В. БОГДАН, С. А. ТРИГУБЕНКО, д . М. ГОВОРУН, 2001 ну рису пуринів розглядають як відібраний у про­ цесі еволюції один з механізмів захисту генетично­ го матеріалу від фотохімічного пошкодження разом з властивістю нуклеотидних основ поглинати саме ту частину сонячного спектра, яка послаблена по­ глинанням атмосферного озону [5 ]. Вивчення структури кристалічного Pur двома незалежними рентгеноструктурними методами [6] свідчить про площинність молекули в кристалі, яка є, скоріш за все, таутомером N7H, та про таке кристалічне пакування, коли між положеннями N9 та N7 сусідніх молекул існує досить сильний вод­ невий зв'язок N7H ... N9 довжини 2,85 А, що, на нашу думку, пояснює високу (213 °С) температуру плавлення. Спектроскопічні докази міцності такого міжмолекулярного зв'язку в кристалі отримано в роботі [7 ]: це досить високі значення частоти його «валентного» коливання (176 см"1) та відповідної силової константи (36 Н/м) . Проте, враховуючи 540 mailto:dhovorun@imbg.org.ua результата робота [8], не можна виключити, що кристал Pur, як і кристали деяких інших основ (наприклад, ізоцитозину), є гетеромолекулярним, тобто в ньому співіснують таутомери N9H та N7H, які займають симетрично нееквівалентні позиції. Досліджуючи процеси протонування та депро- тонування Pur за допомогою ЯМР на ядрах С, автори работа [9 ] дійшли висновку, що у водному розчині його імінопротон протягом майже однако­ вого часу знаходиться біля атомів N7 та N9. Результати дослідження резонансних Раманівських спектрів Pur [10] засвідчують перевагу таутомеру N7H у водному оточенні. На основі розрахунків електронних спектрів таутомерів Pur N7H та N9H із застосуванням методу (CAS)SCF та мульти- конфігураційного методу теорії збурень CAS РТ2 [11 ] показано, що електронні спектри Pur у непо­ лярних розчинниках можна інтерпретувати як обу­ мовлені сумішшю таутомерів N7H та N9H, а у водних розчинах — переважною таутомерною фор­ мою N7H. На противагу інтерпретації інфрачервоного спектра Pur, ізольованого в низькотемпературній аргоновій матриці, в роботах [12, 13], де йдеться про існування Pur як суміші співмірної кількості таутомерів N7H та N9H, у пізніших дослідженнях [14, 15] у трьох кріогенних матрицях (неоновій, аргоновій та азотній) зроблено висновок, що в матрично ізольованому стані Pur є таутомером N9H на відміну від конденсованих станів (див. посилання в роботі [14]). Згідно з розрахунками енергії таутомерів Pur методом MP2/6-31G [16, 17], у вільному стані таутомер N9H стабільніший, ніж таутомер N7H, на 15,1 кДж/моль, проте значення дипольних мо­ ментів (3,66 та 5,65 D відповідно) вказують на більшу здатність таутомеру N7H стабілізуватися полярним оточенням. Аналіз мікрохвильового спектра Pur за допомо­ гою техніки вільного струменя, що створює надзву­ ковий промінь [18], та розрахунок обертальних констант на основі геометрії, розрахованої ab initio (посилання [8] у роботі [18]), дозволили авторам локалізувати імінопротон Pur у газовій фазі на атомі N9. Виявлений у Pur невеликий негативний дефект момента інерції Ас - -0,076 мкА 2 є типовим для планарних молекул з низькою енергією таких неплоских коливань, як метеликове коливання, зморщування та закручування кільця. Дослідження фотоелектронних спектрів Pur та його 7- і 9-метилпохідних [19] також вказує на те, що у вільному стані з-поміж двох таутомерів N9H та N7H стабільнішим є перший. Детальному теоретичному вивченню прото- ВЗАЄМОДІЯ ДЕПРОТОНОВАНОЇ КАРБОКСИЛЬНОЇ ГРУПИ З ПУРИНОМ тропної таутомерії кислотно-лужних властивостей та комплексотвірної здатності Pur у вільному стані за допомогою напівемпіричного методу AMI при­ свячено роботи [20—22 ]. У роботі [20 ] розрахова­ но геометричну структуру, теплоту утворення, ди­ польні моменти та перші потенціали іонізації для повної множини усіх можливих прототропних тау­ томерів Pur. Вперше показано, що прототропна таутомерія Pur має молекулярно-цвітеріонний ха­ рактер і реалізується за участі всіх чотирьох про­ тонів, три з яких в основній канонічній формі N9H є карбопротонами, зв'язаними з атомами С2, С6 і С8. Встановлено, що друга за стабільністю тауто- мерна форма утворюється шляхом міграції іміно- протона з 9-го у 7-ме положення та є значно полярнішою, ніж основна. З-поміж таутомерів-цві- теріонів енергетично найвигіднішою виявилася ілі- дна форма, утворювана внаслідок переходу протона при атомі С8 на атом N7 імідазольного кільця. Виявилося, що всі без винятку таутомери молеку- лярно-цвітеріонного сімейства Pur мають плоску рівноважну будову. Слід зазначити, що серед нук- леотидних основ пуринового ряду, які є нежорстки- ми молекулами, власне пурин в основній формі є найжорсткішим щодо неплощинного згину: розра­ ховане значення силової константи цього коливан­ ня дорівнює 1,28-10"2 ккал-моль-" 1 град"2, а най­ нижча частота неплоского деформаційного коли­ вання — 232 см"1 [23 ]. Ці дані узгоджуються з даними мікрохвильової спектроскопії [18]. Кислотно-лужні властивості Pur та їхню за­ лежність від таутомерного стану вперше розрахова­ но в роботі [19]. Пріоритетність місць протонуван­ ня основної таутомерної форми Pur N9H складає ряд N1 (0 )>N7 (1,6) > N 3 (3,8), де в дужках наведено різницю між розрахованими значеннями енергії протонування та найбільшим значенням (-214,2 ккал/моль). Значення енергії депротону- вання Pur (ккал/моль) розташовані в порядку N9H (332,0) « С8Н (356,9) < С2Н (371,4) < С6Н (379,6). Зазначимо, що таутомерний перехід N9H N7H підсилює як кислотні, так і лужні властивості імідазольного кільця Pur, тобто під­ вищує його комплексотвірну здатність. Саме цим, очевидно, пояснюється вигідність стабілізації N7H таутомеру в кристалічній фазі [5]. У роботі [24] вперше експериментально (УФ) і теоретично (HF/6-31G**) переконливо продемон­ стровано унікальну властивість депротонованої карбоксильної групи амінокислот змінювати тауто­ мерний статус аденіну: енергетично вигіднішими є комплекси карбоксилат-іону з високоенергтичними таутомерами N9H та N1H. Цей факт є вкрай важливим для розуміння елементарних механізмів 541 САМІЙЛЕНКО С П. ТА ІН. ферментативного каталізу, оскільки карбоксильна група аспарагінової та глутамінової кислот часто зустрічається в активних центрах ферментів, що й спонукало нас вивчати поширеність такого ефекту серед нуклеотидних основ [24—26]. Ця робота присвячена дослідженню взаємодії Pur з карбокси- лат-іоном квантовомеханічним методом ab initio на рівні теорії MP2/6-31G*7/HF/6-31G*\ Об'єкти і методи дослідження. Напівемпірич- ним методом HF/6-31G** [27] у режимі повної оптимізації отримували геометрію молекулярних таутомерів Pur та його комплексів з карбоксилат- іоном (СН3СОО~), яку використовували для розра­ хунків в одній точці поверхні потенціальної енергії (single point calculation) відносної енергії тауто­ мерів та енергії їхньої взаємодії з лігандом на рівні теорії MP2/6-31G** [27], що враховує кореляцію електронів. Розрахунки здійснювали за допомогою пакету програм [27]. Суперпозиційну поправку (BSSE) до енергії взаємодії на рівні теорії МР2/6- 31G** вводили за стандартною процедурою. Результати і обговорення. Представлені в таб­ лиці та на рисунку результати для трьох енерге­ тично найвигідніших комплексів засвідчують, що, згідно з розрахунками MP2/6-31G / /HF/6-31G , карбоксилат-іон індукує в Pur таутомерний перехід N9H -* N7H з енергетичним виграшем не меншим, ніж 0,4 ккал/моль, при енергетичнній перевазі в 3,75 ккал/моль основного таутомеру N9H. Враху­ вання нульової коливальної енергії практично не змінює цього результату. Таутомерна форма N7H у комплексі з карбок- силат-іоном стабілізується двома майже ізоенерге- тичними способами 1 і 2 (таблиця, рисунок), які відрізняються один від одного лише орієнтацією депротонованої карбоксильної групи: у напрямку атома С8Н у комплексі 1 та атома С6Н — у комп­ лексі 2. Однак слід зазначити, що, оскільки комп­ лекс 1 значно полярніший, ніж комплекс 2 (їхні дипольні моменти дорівнюють 3,09 і 1,13 D від­ повідно), у конденсованому стані енергетична пе­ ревага першого може виявитися більш суттєвою. За даними розрахунків на рівні теорії HF/6- 31G**, комплекси 1—3 стабілізовані досить сильним водневим зв'язком N7H ... О" чи N9H ... О" між імінним атомом водню та атомом кисню карбокси- лат-іона, на що вказують значення його довжини 1,65; 1,64 та 1,68 А відповідно. У комплексах 1 і 2 цей водневий зв'язок незначно відхиляється від лінійного (~2°), а в комплексі 3 таке відхилення сягає ~10,5°. Очевидно, комплекси 1, 2 і 3 додат­ ково стабілізовані слабкими водневими зв'язками з карбопротонами при атомах С8, С6 та С8 відповід­ но. Деталі геометричної будови комплексів Pur з карбоксилат-іоном у вакуумі (таблиця) не наво­ дяться, оскільки вони отримані в рамках набли­ ження HF/6-31G**, яке дає значення енергії комп­ лексів, якісно відмінні від розрахованих при враху­ ванні кореляції електронів методом MP2/6-31G* навіть з використанням Хартрі-Фоківської геомет­ рії. Можна сподіватися, що оптимізація геометрії при врахуванні кореляції електронів у майбутньо­ му дасть більш переконливу різницю в енергіях комплексів на користь утворюваних таутомером N7H. Дипольні моменти, розраховані методом MP2/6-31G* із середнім набором базових функцій [29], та тим же методом з розширеним базисом 6-31G** [ЗО] дорівнюють для таутомера N9H 3,787 та 3,752 D, а для таутомера N7H — 7,560 та 5,744 D відповідно. Отримані нами відповідні дипольні моменти (таблиця) 3,66 та 6,01 D вкладаються в інтервал цитованих значень. При цьому відносні енергії таутомеру N7H, розраховані з геометрією, оптимізованою з урахуванням кореляції електронів із середнім [28 ] та розширеним базисом [29 ], мають значення 16,51 кДж (-3,95 ккал/моль) та 3,89 ккал/моль відповідно. Окремо слід наголосити на здатності карбокси- лат-іона утворювати досить міцні (енергії утворен­ ня комплексів — 42—46 ккал/моль) водневі зв'яз- Відносна енергія АЕ, енергія взаємодії Е, енергія деформації Ел (ккал/моль) та дипольний момент d (D) основного та високоенергетичного прототропних таутомерів пурину та їхніх комплексів з карбоксилат-іоном, розрахованих методом ab initio на рівні теорії HF/6-31G** та MP2/6-3JG**/1HF/Ь-ЗЮ** у вакуумі 542 ВЗАЄМОДІЯ ДЕПРОТОНОВАНОЇ КАРБОКСИЛЬНОЇ ГРУПИ З ПУРИНОМ Енергетично найвигідніші комплекси основного N9H та високоенергетичного N7H таутомерів пурину з карбоксилат-іоном. Усі комплекси плоскосиметричні, причому площина симетрії збігається з площиною рисунка. Нумерація ендоциклічних атомів стандартна ки з пурином, що характерно також для його комплексів з іншими нуклеотидними основами. В останні роки (див. огляд [ЗО] та посилання в ньому) таким сильним водневим зв'язкам, які ще часто називають низькобар'єрними, надають важ­ ливого значення у ферментативному каталізі, ос­ кільки в багатьох випадках вони вже зафіксовані експериментально. Енергія таких водневих зв'язків співмірна з енергією хімічних зв'язків. Характерною ознакою специфічної взаємодії карбоксилат-іона з пурином, так само як і з ін­ шими нуклеотидними основами [24—26 ], є досить велика (2,7—2,8 ккал/моль) деформаційна енергія. Це вказує на те, що подібні взаємодії в реальних білково-нуклеїнових комплексах здатні викликати значні конформаційні збурення, які можуть висту­ пати як один з механізмів дистанційного запуску біохімічних процесів. Висновки* Отже, розрахунки енергії комплек­ сів з карбоксилат-іоном двох енергетично най- вигідніших таутомерів Pur N9H та N7H у рамках квантовохімічного методу ab initio MP2/6-31G** навіть з оптимізованою на рівні теорії HF/6-31 G** геометрією свідчать про здатність депротонованої карбоксильної групи провокувати хімічне перетво­ рення основи, яке проявляється як перехід від основної таутомерної форми N9H до рідкісної N7H з подоланням енергетичної щілини між таутомера- ми 3,75 ккал/моль та з енергетичним виграшем, не меншим 0,4 ккал/моль. Цей результат вкотре підтверджує запропоно­ вану нами концепцію біологічної значущості ви­ сокоенергетичних таутомерних станів нуклеотид- них основ [31, 32] і стає в один ряд з висновками робіт [24—26 ], де експериментально, а також тео­ ретично (MP2/6-31G*7/HF/6-31G") продемонст­ ровано здатність депротонованої карбоксильної гру­ пи амінокислот суттєво зсувати таутомерну рівно­ вагу N9H -* N7H в аденіні праворуч. Це значно розширює рамки дії механізму взаємної адаптації білкових та нуклеїнових лігандів в елементарних процесах білково-нуклеїнового впізнавання за межі традиційно прийнятого нині конформаційного ме­ ханізму [33 ] та вказує на необхідність враховувати таутомерію при молекулярному впізнаванні також і в таких суміжних галузях, як супрамолекулярна хімія та біомолекулярна електроніка, можливість індукованої зміни хімічної будови нуклеотидних основ специфічними взаємодіями, що проявляється у зміні їхнього таутомерного статусу. Вичерпні числові дані квантовохімічних розра­ хунків зберігаються в базі даних відділу молеку­ лярної біофізики Інституту молекулярної біології і генетики НАН України та можуть бути отримані через запит. S. P. Samijlenko, Т. V. Bogdan, S. A. Trygubenko, D. M. Hovorun Specific interaction of the amino acid model carboxylic group with purine transforms it into its N7H rare tautomeric form: results of vacuum ab initio calculations Summary According to ab initio calculations (MP2/6-31G**//HF/6-31G**) in vacuum (which is an acceptable imitation of the hydrophobic medium at the sites of protein-nucleic acid contacts), specific interaction of the acetate anion (model of deprotonated residues of aspartic and glutamic acids) with the purine transforms this base from the N9H ground-state tautomeric form into the N7H high- energy tautomer (AE- EN7H - EN9H is about 4 kcallmol) with the energy advantage of 0.46 kcallmol The effect is achieved due to the 543 САШЙЛЕНКО С. П. ТА Ш. higher complexation energy of the N7H tautomer as compared to the N9H one, which overcompensates the energy excess (about 3.90 kcallmol) of the rare tautomer. A possible biological significance of the data obtained for more profound understanding of elementary acts of protein-nucleic acid recognition, in particular, the enzyme catalysis, is discussed. С. А. Самойленко, Т. В. Богдан, С. А. Тригубенко, Д. М. Говорун Специфическое взаимодействие модельной формы депротонированной группы аминокислот с пурином переводит основание в редкий таутомер N7H: результаты ab initio расчетов в вакууме Резюме По данным ab initio расчетов (MP2l6-31G**//HFl6-31G**) в вакууме, являющемся приемлемой имитацией гидрофобного окружения в местах белково-нуклеиновых контактов, специ­ фическое взаимодействие ацетат-иона — модели депротони­ рованной карбоксильной группы аспарагиновой и глутаминовой кислот — с пурином переводит основание из основной тауто­ мер ной формы N9H в высокоэнергетическую N7H с энергети­ ческим выигрышем 0,46 ккал/моль. Эффект достигается за счет большей комплексообразующей способности таутомера N7H в сравнении с таутомером N9H, которая с избытком компенсирует повышение внутренней энергии при переходе N9H -* N7H (около 3,90 ккал/моль). Обсуждается возможная биологическая роль полученных результатов для элементар­ ных актов белково-нуклеинового узнавания, в частности, фер­ ментативного катализа. ПЕРЕЛІК ЛІТЕРАТУРИ 1. Павлов Б. А., Терентьев А. П. Курс органической хи­ мии.—М: Госхимиздат, 1962.—592 с. 2. Handbook of Biochemistry and Molecular Biology: Nucleic Acids / Ed. G. D. Fasman.—New York: CRC press, 1986.— Vol. 1,—637 p. 3. Гетероциклические соединения / Под ред. Р. Эльдер- фельда.—М.: Мир, 1969.—Том 8.—363 с. 4. Lin J., Yu S., Peng S., Akiyama К, Li К., Lee L К, LeBreton P. R. Ultraviolet photoelectron studies of the ground- state electronic structure and gas-phase tautomerism of purine and adenine / / J. Amer. Chem. Soc—1980.—102, N 14.— P. 4627—4631. 5. Pecourt J.-M. L., Peon J., Kohler B. Ultrafast internal conversion of electronically exited RNA and DNA bases in water / / J. Amer. Chem. Soc.—2000.—122, N 38.— P. 9348—9349. 6. Watson D. G., Sweet R. M., Marsh R. E. Crystal and molecular structure of purine / / Acta Crystallogr.—1965.—19, N 4.—P. 573—580. 7. Novak A. Intermolecular hydrogen bond vibrations / / Croat, chem. acta.—1982.—55, N 1—2.—P. 147—169. 8. Зоркий П. M., Разумаева А. Е. О сосуществовании в органических кристаллах молекул, имеющих разное стро­ ение / / Журн. структур, химии.—1979.—20, № 3.— С. 463—466. 9. Pugmire R. J., Grant D. M. Carbon-13 magnetic resonance. XIX. Benzimidazole, purine, and their anionic and cationic species / / J. Amer. Chem. Soc.—1971.—93, N 8.—P. 1880— 1887. 10. Majoube M., Millie Ph., Chinsky L., Vergoten G. Resonance ?man spectra for purine / / J. Мої. Struct.—1995.—355, N 2.—P. 147—158. 11. Borin A. C, Serrano-Andres L, Fulscher M. P., Roos В. O. A theoretical study of electronic spectra of N9 and N7 purine tautomers / / J. Phys. Chem. A.—1999.—103, N 12 — P. 1838—1845. 12. Stepanian S. G., Sheina G. G., Radchenko E. D., Blagoi Yu, P. Theoretical and experimental studies of adenine, purine and pyrimidine isolated molecular structure / / J . Мої. Struct.— 1985.—124.—P. 333—346. 13. Sheina G. G., Radchenko E. D., Stepanian S. G, Blagoi Yu, P. Prototropic tautomerism of nucleic acid purine bases / / Stud, biophys.—1986.—114, N 1/3.—P. 123—131. 14. Nowak M. J., Lapinski L., Kwiatkowski J. S. An infrared matrix isolation study tautomerism in purine and adenine / / Chem. Phys. Letts.—1989.—157, N 12.—P. 14—18. 15. Nowak M. J., Lapinski L., Kwiatkowski J. S., Leszczynski J. Infrared matrix isolation and ab initio quantum mechanical studies of purine and adenine / / Spectrochim. acta.—1991.— 47A, N 1.—P. 87—103. 16. Nowak M. J., Rostkowska H., Lapinski L., Kwiatkowski J. S., Leszczynski J. Experimental matrix isolation and theoretical ab initio HF/6-31G (d, p) studies of infrared spectra of purine, adenine and 2-chloroadenine / / Spectrochim. acta.—1994.— 50A, N 6.—P. 1081—1094. 17. Nowak M. J., Rostkowska #., Lapinski L, Kwiatkowski J. S., Leszczynski J. Tautomerism N(9)H N(7)H of purine, adenine and 2-chloroadenine: combined experimental Ш matrix isola­ tion and ab initio quantum mechanical studies / / J. Phys. Chem.—1994.—98, N 11.—P. 2813—2816. 18. Caminati W., Maccaferri G., Favero P. G., Favero L B. Free jet absorption millimeter wave spectrum of purine / / Chem. Phys. Letts.—1996.—251, N 3, 4.—P. 189—192. 19. Nir E., Kleinermanns K, Grace L., de Vries M. S. On photochemistry of purine nucleobases / / J. Phys. Chem.— 2001.—105, N 21.—P. 1838—1845. 20. Говорун Д M., Кондратюк J. В., Желтовський М. В. Кислотно-лужні властивості піримідину, імідазолу та пури­ ну у вільному стані: розрахунок методом AMI / / Биополи­ меры и клетка.—1995.—11, № 5.—С. 21—23. 21. Говорун Д. М., Кондратюк I. В., Желтовський М. В. Прототропна молекулярно-цвітеріонна таутомерія пурину / / Биополимеры и клетка.—1995.—11, № 6.—С. 45—50. 22. Говорун Д. М, Кондратюк I. В., Желтовський М. В. Вплив протонування та депротонування на кислотно-лужні властивості пурину, піримідину та імідазолу / / Биополи­ меры и клетка.—1995.—И, № 3—4.—С. 29—34. 23. Shishkin О. V., Gorb L, Leszczynski J. Conformational flexibility of pyrimidine ring in adenine and related compounds / / Chem. Phys. Letts.—2000.—330.—P. 603—611. 24. Samijlenko S. P., Bogdan Т. V., Trygubenko S. A., Potyahaylo A. L, Hovorun D. M. Deporotonated carboxylic group of amino acids transforms adenine into its rare tautomers / / Укр. біохім. журн.—2000.—72, № 6.—P. 92—95. 25. Самійленко С. П., Потягайло А. Л., Степанюгін А. В., Богдан Т. В., Дзержинський М. Е., Говорун Д. М. Кванто- вохімічні розрахунки специфічної взаємодії ізогуаніну з нейтральною та депротонованою карбоксильною групою амінокислот / / Укр. біохім. журн.—2001.—73, № 3.— С. 147—151. 26. Samijlenko S. P., Kondratyuk I. V., Potyahaylo A. L, Stepanyugin A. V., Hovorun D. M. Specific interactions of deprotonated carboxylic group with uracil and thymine provoke diketo keto-enol tautomeric transition in bases / / Укр. біохім. журн.—2001.—73, № 4.—P. 128—131. 27. Schmidt M. W., Baldridge К К, Boatz J. A., Elbert S. Т., Gordon M. S., Jensen J. H., Koseki S., Matsunaga N., Nguyen К A, Su S. J., Windus T. L, Dupuis M., Mont- 544 ВЗАЄМОДІЯ ДЕПРОТОНОВАНОЇ КАРБОКСИЛЬНОЇ ГРУПИ З ПУРИНОМ gomery / . A General atomic and molecular electronic structure systems (review) / / J. Comput. Chem.—1993.—14.— P. 1347—1363. 28. Broo A , Holmen A Ab initio MP2 and DFT calculations of geometry and solution tautomerism of purine and some purine derivatives / / Chem. Phys.—1996.—211.—P. 147—161. 29. Ha T.-IC, Keller M. J., Gunde R., Gunthard H. H. Quantum chemical study of structure, energy, rotational constants, dipole moments and electric field gradients of all isomeric adenines / / J. Мої. Struct. (Theochem).—1996.—364.—P. 161—181. 30. Cleland W. W.t Frey P. A , Gerlt / . A The low barrier hydrogen bond in enzymatic catalysis / / J . Biol. Chem.— 1998.—273, N 40.—P. 25529—25532. 31. Kondratyuk I. K, Samijlenko S. P., Kolomiets I. M., Hovorun D. M, Prototropic molecular-zwitterionic tautomerism of xan­ thine and hypoxanthine / / J. Мої. Struct.—2000.—523, N 1.—P. 109—118. 32. Kondratyuk /. K, Samijlenko S. P., Kolomiets /. M.t Potya- haylo A L., Hovorun D. M. Prototropic molecular-zwitterionic tautomerism of xanthine and hypoxanthine: unexpected bio­ logical view / / Биополимеры и клетка.—2000.—16, № 2.— P. 124—137. 33. Koshland D. E. Application of a theory of enzyme specificity to protein synthesis / / Proc. Nat. Acad. Sci. USA.—1958.— 44, N 2.—P. 98—104. УДК 573.3 Надійшла до редакції 05.03.01 545

Ähnliche Einträge