Стабілізація Вотсон-Криківських пар основ ДНК протонуванням: квантово-хімічне дослідження

Стабілізація Вотсон-Криківських пар основ ДНК протонуванням: квантово-хімічне дослідження

Напівемпіричним квантово-хімічним методом AMI встановлено, що одноразове проточування Вотсон-Криківських пар основ ДНК по місцях, які не беруть участі у водневому зв'язуванні, підвищує їхню стабільність. Найбільший енергетичний ефект спостерігається при протонуванні атомів O2 і O4 Thy пари Ade....

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2002
Hauptverfasser: Потягайло, А.Л., Говорун, Д.М.
Format: Artikel
Sprache:Ukrainian
Veröffentlicht: Інститут молекулярної біології і генетики НАН України 2002
Schriftenreihe:Біополімери і клітина
Schlagworte:
Короткі повідомлення
Online Zugang:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/155987
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:Стабілізація Вотсон-Криківських пар основ ДНК протонуванням: квантово-хімічне дослідження / А.Л. Потягайло, Д.М. Говорун // Вiopolymers and Cell. — 2002. — Т. 18, № 3. — С. 258-261 . — Бібліогр.: 4 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-155987
record_format dspace
spelling nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1559872025-02-23T20:27:34Z Стабілізація Вотсон-Криківських пар основ ДНК протонуванням: квантово-хімічне дослідження Stabilization of Watson-Crick base pairs of DNA by protonation: quantum-chemical study Стабилизация Уотсон-Криковских пар оснований ДНК протонированием: квантово-химическое исследование Потягайло, А.Л. Говорун, Д.М. Короткі повідомлення Напівемпіричним квантово-хімічним методом AMI встановлено, що одноразове проточування Вотсон-Криківських пар основ ДНК по місцях, які не беруть участі у водневому зв'язуванні, підвищує їхню стабільність. Найбільший енергетичний ефект спостерігається при протонуванні атомів O2 і O4 Thy пари Ade.Thy – він супроводжується перенесенням протона від атома N3 Thy+ до атома N1 Ade і суттєвою зміною геометричної структури пари. Найбільші геометричні збурення мають місце в парі Gua:Cyt*(O2), яка розкривається і стабілізується лише одним Н-зв'язком N4H...O6 (два інших Н-зв'язки при цьому розриваються). Вперше висловлено припущення, що проточування основ ДНК та їхніх Вотсон-Криківських пар є поліфункціональним фізико-хімічним механізмом, який може використовуватися як на етапі збереження генетичної інформації (стабілізація пар основ з метою запобігання їхньої модифікації), так і під час реплікації ДНК (підтримання ДНК-полімеразою канонічного таутомерного статусу основ, що одночасно поліпшує їхню здатність до комплементарного спарювання). Не виключається також, що проточування атома O2 Cyt пари Gua:Cyt є елементарним механізмом дії білків, від­ повідальних за розплітання ДНК By means of semi-empirical quantum-chemical method AMI the protonation of Watson-Crick, base pairs at the positions that don't participate in H-binding has been found to stabilize these pairs. The greatest effect has been observed upon the protonation of Thy O2 and O4 atoms of the pair Ade:Thy with the proton transfer from Thy N3 to Ade N1 and significant changes in the pair geometrical structure. The maximal geometrical changes occur in the pair Gua:Cyt (O2) which opens, being stabilized by only one H-bond N4H...O6 (two other H-bonds are broken). The protonation of DNA bases and their Watson-Crick pairs is assumed to be a multifunctional physico-chemical mechanism, which is possibly used for both preservation of genetic information (DNA base pairs' stabilization to prevent their modification) and DNA replication (DNA-polymerase provides base pairs with canonical status that improves at the same time their ability for complementary pairing). Besides, the protonation of Cyt O2 atom in the pair Gua:Cyt is likely to be a common mechanism of action of proteins responsible for DNA untwisting. Полу эмпирическим квантово-химическим методом AMI уста­новлено, что одноразовое протонирование Уотсон-Криковских пар оснований ДНК по местам, не участвующим в водородном связывании, повышает их стабильность. Наибольший эффект наблюдается при протонировании атомов O2 и O4 Thy пары Ade.Thy – он сопровождается перенесением протона от ато­ма N3 Thy+ к атому N1 Ade и существенным изменением геометрической структуры пары. Максимальные геометриче­ ские изменения имеют место для пары Gu·Cyt (O2), которая раскрывается, стабилизируясь при этом лишь одной водород­ной связью N4H...O6 (две другие Н-связи при этом разрыва­ются). Впервые высказано предположение, что протонирование оснований ДНК и их Уотсон-Криковских пар является полифункциональным физико-химическим механизмом, кото­рый может использоваться белками как на этапе хранения генетической информации (стабилизация пар оснований ДНК для предотвращения их модификации), так и во время репли­кации ДНК (поддержание ДНК-полимеразой канонического таутомерного статуса нуклеотидных оснований, одновременно улучшающее способность последних к комплементарному спариванию). Не исключается также, что протонирование ато­ма O2 Cyt пары Gua:Cyt является элементарным механизмом действия белков, ответственных за расплетание ДНК 2002 Article Стабілізація Вотсон-Криківських пар основ ДНК протонуванням: квантово-хімічне дослідження / А.Л. Потягайло, Д.М. Говорун // Вiopolymers and Cell. — 2002. — Т. 18, № 3. — С. 258-261 . — Бібліогр.: 4 назв. — укр. 0233-7657 DOI:http://dx.doi.org/10.7124/bc.000608 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/155987 573.3 uk Біополімери і клітина application/pdf Інститут молекулярної біології і генетики НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Ukrainian
topic Короткі повідомлення
Короткі повідомлення
spellingShingle Короткі повідомлення
Короткі повідомлення
Потягайло, А.Л.
Говорун, Д.М.
Стабілізація Вотсон-Криківських пар основ ДНК протонуванням: квантово-хімічне дослідження
Біополімери і клітина
description Напівемпіричним квантово-хімічним методом AMI встановлено, що одноразове проточування Вотсон-Криківських пар основ ДНК по місцях, які не беруть участі у водневому зв'язуванні, підвищує їхню стабільність. Найбільший енергетичний ефект спостерігається при протонуванні атомів O2 і O4 Thy пари Ade.Thy – він супроводжується перенесенням протона від атома N3 Thy+ до атома N1 Ade і суттєвою зміною геометричної структури пари. Найбільші геометричні збурення мають місце в парі Gua:Cyt*(O2), яка розкривається і стабілізується лише одним Н-зв'язком N4H...O6 (два інших Н-зв'язки при цьому розриваються). Вперше висловлено припущення, що проточування основ ДНК та їхніх Вотсон-Криківських пар є поліфункціональним фізико-хімічним механізмом, який може використовуватися як на етапі збереження генетичної інформації (стабілізація пар основ з метою запобігання їхньої модифікації), так і під час реплікації ДНК (підтримання ДНК-полімеразою канонічного таутомерного статусу основ, що одночасно поліпшує їхню здатність до комплементарного спарювання). Не виключається також, що проточування атома O2 Cyt пари Gua:Cyt є елементарним механізмом дії білків, від­ повідальних за розплітання ДНК
format Article
author Потягайло, А.Л.
Говорун, Д.М.
author_facet Потягайло, А.Л.
Говорун, Д.М.
author_sort Потягайло, А.Л.
title Стабілізація Вотсон-Криківських пар основ ДНК протонуванням: квантово-хімічне дослідження
title_short Стабілізація Вотсон-Криківських пар основ ДНК протонуванням: квантово-хімічне дослідження
title_full Стабілізація Вотсон-Криківських пар основ ДНК протонуванням: квантово-хімічне дослідження
title_fullStr Стабілізація Вотсон-Криківських пар основ ДНК протонуванням: квантово-хімічне дослідження
title_full_unstemmed Стабілізація Вотсон-Криківських пар основ ДНК протонуванням: квантово-хімічне дослідження
title_sort стабілізація вотсон-криківських пар основ днк протонуванням: квантово-хімічне дослідження
publisher Інститут молекулярної біології і генетики НАН України
publishDate 2002
topic_facet Короткі повідомлення
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/155987
citation_txt Стабілізація Вотсон-Криківських пар основ ДНК протонуванням: квантово-хімічне дослідження / А.Л. Потягайло, Д.М. Говорун // Вiopolymers and Cell. — 2002. — Т. 18, № 3. — С. 258-261 . — Бібліогр.: 4 назв. — укр.
series Біополімери і клітина
work_keys_str_mv AT potâgajloal stabílízacíâvotsonkrikívsʹkihparosnovdnkprotonuvannâmkvantovohímíčnedoslídžennâ
AT govorundm stabílízacíâvotsonkrikívsʹkihparosnovdnkprotonuvannâmkvantovohímíčnedoslídžennâ
AT potâgajloal stabilizationofwatsoncrickbasepairsofdnabyprotonationquantumchemicalstudy
AT govorundm stabilizationofwatsoncrickbasepairsofdnabyprotonationquantumchemicalstudy
AT potâgajloal stabilizaciâuotsonkrikovskihparosnovanijdnkprotonirovaniemkvantovohimičeskoeissledovanie
AT govorundm stabilizaciâuotsonkrikovskihparosnovanijdnkprotonirovaniemkvantovohimičeskoeissledovanie
first_indexed 2025-11-25T04:43:16Z
last_indexed 2025-11-25T04:43:16Z
_version_ 1849736087289724928
fulltext ISSN 0233-7657. Біополімери і клітина. 2002. Т. 18. № З Стабілізація Вотсон-Криківських пар основ ДНК протонуванням: квантово-хімічне дослідження А. Л. Потягайло, Д. М. Говорун Інститут молекулярної біології і генетики НАН України Вул. Академіка Заболотного, 150, Київ, 03143, Україна E-mail: dhovorun@imbg.org.ua Напівемпіричним квантово-хімічним методом AM J встановлено, що одноразове проточування Вотсон-Криківських пар основ ДНК по місцях, які не беруть участі у водневому зв'язуванні, підвищує їхню стабільність. Найбільший енергетичний ефект спостерігається при протонуванні атомів 02 і 04 Thy пари Ade.Thy — він супроводжується перенесенням протона від атома N3 Thy до атома N1 Ade і суттєвою зміною геометричної структури пари. Найбільші геометричні збурення мають місце в парі Gua:Cyt*(02), яка розкривається і стабілізується лише одним Н-зв'язком N4H...06 (два інших Н-зв'язки при цьому розриваються). Вперше висловлено припу­ щення, що проточування основ ДНК та їхніх Вотсон-Криківських пар є поліфункціональним фізико-хімічним механізмом, який може використовуватися як на етапі збереження генетичної інформації (стабілізація пар основ з метою запобігання їхньої модифікації), так і під час реплікації ДНК (підтримання ДНК-полімеразою канонічного таутомерного статусу основ, що одночасно поліпшує їхню здатність до комплементарного спарювання). Не виключається також, що проточування атома 02 Cyt пари GuaCyt є елементарним механізмом дії білків, від­ повідальних за розплітання ДНК Вступ. У попередній наглій роботі [1 ] напівем- піричними квантово-хімічними (AMI) розрахунка­ ми вперше встановлено, що одноразове протону- вання основ ДНК, яке не заважає їхньому Вотсон- Криківському спарюванню, суттєво змінює в той чи інший бік у залежності від його місця прото- тропну таутомерну рівновагу останніх. Так, прото- нування атомів N3 Ade, Об і N7 Gua, 02 Cyt і 04 Thy стабілізує канонічну таутомерну форму; висо­ коенергетичні неканонічні таутомери — імінний Ade і енольні Gua і Thy — стабілізуються протону­ ванням атомів N7 Ade, N3 Gua і 0 2 Thy. Вислов­ лено припущення, що фіксація канонічних тауто- мерів основ ДНК вибірковим протонуванням біч­ ними залишками лізину, аргініну і гістидину може використовуватися ДНК-полімеразою для мінімі­ зації спонтанних помилок біосинтезу ДНК, спри­ чинених прототропною таутомерією основ, на ста­ дії, що передує їхньому спарюванню у центрі розпізнавання правильних пар полімерази [1 ]. © А. Л. ПОТЯГАЙЛО, Д. М. ГОВОРУН, 2002 Спираючись на ці дані, а також на результати роботи [2 ], присвяченої теоретичному дослідженню зовнішнього протонування Вотсон-Криківських пар нуклеотидних основ Gua.Cyt і Ade.Ura, можна думати, що процеси протонування нуклеїнових ки­ слот оснбвними білками, які несуть на собі над­ лишковий позитивний заряд, мають багатоплано­ вий, з точки зору їхньої можливої біологічної ролі, сенс. Тому вивчення квантово-хімічних засад цих явищ на низькомолекулярних моделях може про­ лити світло на елементарні фізико-хімічні меха­ нізми перебігу таких взаємопов'язаних процесів, як зміцнення Вотсон-Криківських пар основ ДНК гістоновими білками на етапі зберігання генетичної інформації, локальне розплітання ДНК спеціаль­ ними білками та підтримання ДНК-полімеразою нуклеотидних основ материнської ДНК і полінук- леотиду, що включається, в канонічній таутомер- ній формі для мінімізації частоти точкових му­ тацій, які спричиняються прототропною таутоме­ рією основ. Ця робота, що є логічним продовженням попе­ редньої праці [1 ], присвячена квантово-хімічному 258 mailto:dhovorun@imbg.org.ua СТАБІЛІЗАЦІЯ ВОТСОН-КРИКІВСЬКИХ ПАР ОСНОВ ДНК дослідженню впливу зовнішнього протонування Вотсон-Криківських пар основ Ade.Thy і Gua.Cyt на енергію їхньої міжмолекулярної взаємодії та на геометричну структуру пар і короткому аналізові можливого біологічного значення цих ефектів. Матеріали і методи. Геометричні структури класичних (електронейтральних) і одноразово про- тонованих Вотсон-Криківських пар основ ДНК Ade.Thy і Gua.Cyt (рис. 1) розраховували методом AMI, який добре зарекомендував себе для по­ дібного класу задач [3 ], у режимі оптимізації всіх структурних параметрів. Зростання енергії вза­ ємодії основ у парах при їхньому протонуванні АЕ визначали за формулою АЕ = І? — Е, де Е і ЕҐ — енергія взаємодії нуклеотидних основ у електро- нейтральній і протонованій Вотсон-Криківській па­ рі відповідно. При цьому енергію взаємодії основ у парах, утворених непротонованими і протоновани- ми основами, обчислювали як різницю між сума­ рною теплотою утворення основ — партнерів по взаємодії і теплотою утворення пари. Результати і обговорення. Зростання енергії міжмолекулярної взаємодії АЕ (ккал/моль) у Вот­ сон-Криківських парах основ ДНК Ade.Thy та Gua.Cyt при їхньому одноразовому зовнішньому протонуванні (див. рис 1) проілюстровано наступ­ ними даними (в дужках наведено експериментальні значення енергії Вотсон-Криківської взаємодії ос­ нов у вакуумі [4 ]): 0 Аналіз числових результатів, наведених вище, дозволяє зробити такі висновки. Одноразове протонування Вотсон-Криківської пари Ade.Thy по будь-якому місцю Ade чи Thy (рис 1), яке не бере участі у спарюванні основ, призводить до значної її стабілізації. Пари щодо своєї стабільності утворюють ряд: Ade:Thy +(02) > > Ade:Thy +(04) > Ade +(N3):Thy > Ade+(N7):Thy > > Ade.Thy. При цьому для перших двох пар ряду підвищення стабільності (тобто зростання енергії міжмолекулярної взаємодії основ) значно переви- Рис. 1. Класичні Вотсон-Криківські пари основ ДНК та місця їхнього зовнішнього протонування (показані стрілками): а — AderThy; б — Gua:Cyt. Нумерація атомів — стандартна. Тут і на рис. 2 водневі зв'язки зображено пунктирними лініями щує саму енергію взаємодії в електронейтральній парі, експериментальне значення якої у вакуумі становить 13,0 ккал/моль [4]. Звертає на себе увагу те, що протонування Thy, яке супровод­ жується перенесенням протона при атомі N3 Thy + на атом N1 Ade і значною деформацією геометрич­ ної структури пари, призводить до значно більшого ефекту стабілізації пари, аніж протонування Ade, хоча слід зазначити, що навіть для найменш ста­ більної пари Ade +(N7):Thy виграш у її стабілізації співмірний зі стабільністю непротонованої пари Ade.Thy. Одноразове протонування атомів Об чи N7 Gua або 02 Cyt у складі Вотсон-Криківської пари Gua.Cyt також значно її стабілізує. Однак геомет­ рична структура пари Gua.Cyt* (02) дуже відріз­ няється від структури пари Gua.Cyt (рис. 2) — вона розкривається (при цьому розриваються два Н-зв'язки N1H...N3 і 02...HN2) і підтримується лише одним Н-зв'язком N4H...06. За своєю ста­ більністю пари утворюють ряд: Gua +(N3):Cyt > > Gua +(06):Cyt > Gua +(N7):Cyt > Gua:Cyt+(02) > >Gua:Cyt Зважаючи на експериментальне значен- 259 ПОТЯГАЙЛО А. Л., ГОВОРУН Д. М. 6 Рис. 2. Геометрична структура протонованих Вотсон-Криків- ських пар основ ДНК, яка (за даними методу AMI) найбільше відрізняється від аналогічної структури непротонованих пар: а — Ade:Thy+<02) •+ Ade +(Nl):Thy(enol02H); б — Ade:Thy+<04) - - Ade+(Nl):Thy(enol04H); в — Gua:Cyt+(02) ня енергії взаємодії основ у Вотсон-Криківській парі Gua.Cyt у вакуумі (21,0 ккал/моль [4]), легко переконатися, що й для цієї пари ефект стабілізації співмірний з енергією взаємодії в електронейт- ральній парі, хоча й не перевищує останньої. Аналіз величин АЕ, наведених вище (їх треба розглядати як оцінку знизу, оскільки метод AMI, як відомо [3], занижує енергію водневого зв'язу­ вання), а також геометричних параметрів Н-зв'яз- ків однозначно вказує на те, що стабілізація пар при їхньому протонуванні досягається за рахунок двох чинників — іонно-дипольної взаємодії і поси­ лення деяких міжмолекулярних Н-зв'язків, причо­ му перший з них є провідним. Отримані нами результати щодо стабілізації Вотсон-Криківських пар основ ДНК шляхом прото- нування останніх та збурень їхньої геометричної структури повністю узгоджуються з аналогічними результатами, отриманими методом MNDO/M [2]. Це дозволяє зробити висновок про те, що зафіксо­ ваний ефект є цілком реальним і не залежить від квантово-хімічного методу, який використовується для його дослідження. Враховуючи біологічну зна­ чущість явища, яке розглядається, плануємо най­ ближчим часом повторити розрахунки методом ab initio на рівні теорії HF/6-31G(d, р). Одержані в цій праці результати разом з наши­ ми попередніми даними на аналогічну тематику [1 ] дозволяють зробити деякі припущення стосовно можливої біологічної ролі процесів, пов'язаних з протонуванням основ ДНК та їхніх Вотсон-Кри­ ківських пар. Не виключено, що протонування нуклеотид- них основ та їхніх пар є багатофункціональним фізико-хімічним інструментом, який може викори­ стовуватися білками як на етапі збереження гене­ тичної інформації, так і під час реплікації ДНК. У першому випадку існує потреба стабілізувати Вот- сон-Криківські пари основ аби запобігти їхній мо­ дифікації. В другому — виникає необхідність за­ фіксувати канонічну таутомерну форму основ ДНК, не погіршуючи при цьому їхньої здатності до Вотсон-Криківського спарювання. Вочевидь, біль­ шість з розглянутих нами варіантів протонування основ [1] та їхніх пар задовольняє цим вимогам, проте найімовірнішим з них є лише два — протону­ вання Ade і Gua по атомах азоту N3 і N7 від­ повідно. Не виключено також, що протонування атома 02 Cyt Вотсон-Криківської пари Gua:Cyt є елементарним фізико-хімічним механізмом, який забезпечує функціонування білків, відповідальних за розплітання ДНК. A. L. Potyahaylo, D. М. Hovorun Stabilization of Watson-Crick base pairs of DNA by protonation: quantum-chemical study Summary By means of semi-empirical quantum-chemical method AMI the protonation of Watson-Crick base pairs at the positions that don't participate in H-binding has been found to stabilize these pairs. The greatest effect has been observed upon the protonation of Thy 02 and 04 atoms of the pair Ade.Thy with the proton transfer from Thy N3 to Ade NJ and significant changes in the pair geometrical structure. The maximal geometrical changes occur in the pair GuwCyt (02) which opens, being stabilized by only one H-bond N4H...06 (two other H-bonds are broken). The protonation of DNA bases and their Watson-Crick pairs is assumed to be a mul­ tifunctional physico-chemical mechanism, which is possibly used for both preservation of genetic information (DNA base pairs' sta- 260 СТАБІЛІЗАЦІЯ ВОТСОН-КРИКІВСЬКИХ ПАР ОСНОВ ДНК bilization to prevent their modification) and DNA replication (DNA-polymerase provides base pairs with canonical status that improves at the same time their ability for complementary pairing). Besides, the protonation of Cyt 02 atom in the pair GuwCyt is likely to be a common mechanism of action of proteins responsible for DNA untwisting. А. Л. Потягайло, Д. H. Говорун Стабилизация Уотсон-Криковских пар оснований ДНК протонированием: квантово-химическое исследование Резюме Полу эмпирическим квантово-химическим методом AMI уста­ новлено, что одноразовое протонирование Уотсон-Криковских пар оснований ДНК по местам, не участвующим в водородном связывании, повышает их стабильность. Наибольший эффект наблюдается при протонировании атомов 02 и 04 Thy пары Ade.Thy — он сопровождается перенесением протона от ато­ ма N3 Thy к атому NJ Ade и существенным изменением геометрической структуры пары. Максимальные геометриче­ ские изменения имеют место для пары GuwCyt (02), которая раскрывается, стабилизируясь при этом лишь одной водород­ ной связью N4H...06 (две другие Н-связи при этом разрыва­ ются). Впервые высказано предположение, что протонирова­ ние оснований ДНК и их Уотсон-Криковских пар является полифункциональным физико-химическим механизмом, кото­ рый может использоваться белками как на этапе хранения генетической информации (стабилизация пар оснований ДНК для предотвращения их модификации), так и во время репли­ кации ДНК (поддержание ДНК-полимеразой канонического та- у то мерного статуса нуклеотидных оснований, одновременно улучшающее способность последних к комплементарному спа­ риванию). Не исключается также, что протонирование ато­ ма 02 Cyt пары GuwCyt является элементарным механизмом действия белков, ответственных за расплетание ДНК ПЕРЕЛІК ЛІТЕРАТУРИ 1. Потягайло А. Л., Говорун Д. М. Регуляція прототропної таутомерії основ ДНК протонуванням: результати кван­ тово-хімічного дослідження / / Біополімери і клітина.— 2002.—18, № 2 — С. 174—176. 2. Войтюк А. А., Близнюк А. А. Влияние протонирования оснований нуклеиновых кислот на энергию образования Уотсон-Криковских пар / / Молекуляр. биология.—1988.— 22, № 4.—С. 1080—1086. 3. Говорун Д. М. Фізико-хімічні механізми біомолекулярного впізнавання: Автореф. дис. д-ра біол. наук.—Київ: ІМБїГ НАН України, 1999.—34 с. 4. Веркин Б. И., Я неон И. К, Суходуб Л. Ф., Теплицкш А. Б. Взаимодействие биомолекул. Новые экспериментальные подходы и методы.—К.: Наук, думка, 1985.—164 с. УДК 573.3 Надійшла до редакції 15.02.02 261

Ähnliche Einträge