Повний конформаційний аналіз молекули 2'-дезоксигуанозину квантово-механічним методом функціонала густини
The comprehensive conformational analysis of 2'-deoxycytidine is first done by means of the quantum-chemical density functional method on the MP2/6–311++G(d, p)//DFT B3LYP/6–31G(d, p) theory level. Main geometric, energetic, and polar characteristics are given for all 96 stable conformers, as w...
Saved in:
| Date: | 2007 |
|---|---|
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2007
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/1803 |
| 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: | Повний конформаційний аналіз молекули 2'-дезоксигуанозину квантово-механічним методом функціонала густини / Р.О. Жураківський, Д.М. Говорун // Доп. НАН України. — 2007. — N 4. — С. 187-195. — Бібліогр.: 11 назв. — укp. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1803 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-18032025-02-09T14:31:50Z Повний конформаційний аналіз молекули 2'-дезоксигуанозину квантово-механічним методом функціонала густини Жураківський, Р.О. Говорун, Д.М. Біофізика The comprehensive conformational analysis of 2'-deoxycytidine is first done by means of the quantum-chemical density functional method on the MP2/6–311++G(d, p)//DFT B3LYP/6–31G(d, p) theory level. Main geometric, energetic, and polar characteristics are given for all 96 stable conformers, as well as the conformational equilibria under normal conditions. 2007 Article Повний конформаційний аналіз молекули 2'-дезоксигуанозину квантово-механічним методом функціонала густини / Р.О. Жураківський, Д.М. Говорун // Доп. НАН України. — 2007. — N 4. — С. 187-195. — Бібліогр.: 11 назв. — укp. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/1803 577.3 uk application/pdf Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Ukrainian |
| topic |
Біофізика Біофізика |
| spellingShingle |
Біофізика Біофізика Жураківський, Р.О. Говорун, Д.М. Повний конформаційний аналіз молекули 2'-дезоксигуанозину квантово-механічним методом функціонала густини |
| description |
The comprehensive conformational analysis of 2'-deoxycytidine is first done by means of the quantum-chemical density functional method on the MP2/6–311++G(d, p)//DFT B3LYP/6–31G(d, p) theory level. Main geometric, energetic, and polar characteristics are given for all 96 stable conformers, as well as the conformational equilibria under normal conditions. |
| format |
Article |
| author |
Жураківський, Р.О. Говорун, Д.М. |
| author_facet |
Жураківський, Р.О. Говорун, Д.М. |
| author_sort |
Жураківський, Р.О. |
| title |
Повний конформаційний аналіз молекули 2'-дезоксигуанозину квантово-механічним методом функціонала густини |
| title_short |
Повний конформаційний аналіз молекули 2'-дезоксигуанозину квантово-механічним методом функціонала густини |
| title_full |
Повний конформаційний аналіз молекули 2'-дезоксигуанозину квантово-механічним методом функціонала густини |
| title_fullStr |
Повний конформаційний аналіз молекули 2'-дезоксигуанозину квантово-механічним методом функціонала густини |
| title_full_unstemmed |
Повний конформаційний аналіз молекули 2'-дезоксигуанозину квантово-механічним методом функціонала густини |
| title_sort |
повний конформаційний аналіз молекули 2'-дезоксигуанозину квантово-механічним методом функціонала густини |
| publisher |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| publishDate |
2007 |
| topic_facet |
Біофізика |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/1803 |
| citation_txt |
Повний конформаційний аналіз молекули 2'-дезоксигуанозину квантово-механічним методом функціонала густини / Р.О. Жураківський, Д.М. Говорун // Доп. НАН України. — 2007. — N 4. — С. 187-195. — Бібліогр.: 11 назв. — укp. |
| work_keys_str_mv |
AT žurakívsʹkijro povnijkonformacíjnijanalízmolekuli2dezoksiguanozinukvantovomehaníčnimmetodomfunkcíonalagustini AT govorundm povnijkonformacíjnijanalízmolekuli2dezoksiguanozinukvantovomehaníčnimmetodomfunkcíonalagustini |
| first_indexed |
2025-11-26T21:42:36Z |
| last_indexed |
2025-11-26T21:42:36Z |
| _version_ |
1849890816511705088 |
| fulltext |
УДК 577.3
© 2007
Р.О. Журакiвський, член-кореспондент НАН України Д. М. Говорун
Повний конформацiйний аналiз молекули
2′-дезоксигуанозину квантово-механiчним методом
функцiонала густини
The comprehensive conformational analysis of 2′-deoxycytidine is first done by means of the
quantum-chemical density functional method on the MP2/6–311++G(d, p)//DFT B3LYP/6–
31G(d, p) theory level. Main geometric, energetic, and polar characteristics are given for all
96 stable conformers, as well as the conformational equilibria under normal conditions.
Фундаментальною властивiстю бiополiмерiв, зокрема нуклеїнових кислот, та їхнiх компо-
нентiв, яка лежить в основi їх функцiонування, є здатнiсть змiнювати свою конформацiю
пiд дiєю мiжмолекулярних взаємодiй [1]. Експериментальне її вивчення фiзико-хiмiчни-
ми методами стикається з методологiчними труднощами, якi пов’язанi з тим, що при цьо-
му у поле зору не попадають конформери, якi не є енергетично найвигiднiшими, а отже,
i не проявляються у дослiдi, але можуть бути бiологiчно значущими. Тому останнiм часом
все частiше i ефективнiше залучають сучаснi теоретичнi методи обчислювальної бiологiї,
зокрема квантово-хiмiчнi. Нинi їхня точнiсть завдяки використанню новiтнiх iнформацiй-
них технологiй дозволяє розцiнювати їх як iстотне доповнення до реального експерименту
чи навiть як його альтернативу.
У попереднiх наших роботах [2–5] започатковано новий пiдхiд до теоретичного конфор-
мацiйного аналiзу 2′-дезоксирибонуклеозидiв — сполук, бiологiчну значущiсть яких важко
переоцiнити [6, 7]. Квантово-механiчним методом функцiонала густини нами вперше отри-
мано повне конформацiйне сiмейство 1′,2′-дезоксирибози — модельного цукрового залишку
вищезгаданих нуклеозидiв [2], i на його основi вперше проведено повний конформацiйний
аналiз пiримiдинових нуклеозидiв 2′-дезоксиуридину [3], 2′-дезокситимiдину [4] та 2′-дезок-
сицитидину [5].
Дана робота присвячена повноформатному квантово-механiчному конформацiйному
аналiзу пуринового нуклеозиду — 2′-дезоксигуанозину (dGuo).
Методика дослiдження. Методика розрахункiв викладена в роботах [2, 3]. При роз-
рахунках використано програмний пакет “GAUSSIAN03” для платформи Win32.
Позначення атомiв (рис. 1) та конформацiйних змiнних, що використанi у роботi, за-
гальновживанi [8]. За мiру конформацiйної мiнливостi того чи iншого структурного пара-
метра — довжини зв’язку, величини валентного або ж торсiйного кута — взято безрозмiрну
величину ∆, що є вiдношенням стандартного вiдхилення структурного параметра до його
середнього значення.
Коефiцiєнти лiнiйної кореляцiї мiж торсiйними кутами, якi змiнюються вiд 0 до 360◦,
обчислювали за методикою, запропонованою i реалiзованою у роботi [9].
Результати дослiдження та їхнє обговорення. Отриманi результати конформа-
цiйного аналiзу молекули dGuo наведено в табл. 1 та на рис. 2–4. Вперше встановлено,
що молекула dGuo має 96 конформерiв, якi займають дiапазон вiдносних енергiй Гiббса
0–10,02 ккал/моль за нормальних умов. За своїми класичними конформацiйними ознаками
(номенклатурнi кути χ, P , γ, β, ε i δ [8]) та кiлькiстю вони розподiленi таким чином.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №4 187
Рис. 1. Структура та позначення атомiв молекули 2′-дезоксигуанозину
Рис. 2. Залежнiсть вiдносної вiльної енергiї Гiббса ∆G (а) та максимального вигину кiльця цукрового
залишку νmax (б ) вiд фазового кута псевдообертання фуранозного кiльця цукрового залишку P повного
конформацiйного сiмейства 2′-дезоксигуанозину
Syn-орiєнтацiю цукрового залишку вiдносно нуклеотидної основи мають 43 конформе-
ри (41,4◦ 6 χsyn 6 76,9◦), anti-орiєнтацiю — 53 конформери (−182,1◦ 6 χanti 6 −99,9◦).
Переважаюча кiлькiсть anti-конформерiв та значно бiльший дiапазон їх торсiйних кутiв χ
говорить про те, що для них стеричнi ускладнення меншi, нiж для syn-конформерiв.
Кiлькiсть конформерiв з пiвнiчною (N) конфомацiєю фуранозного кiльця цукрового за-
лишку (350,7◦ 6 PN 6 359,5◦; 1,3◦ 6 PN 6 38,4◦) — їх 45, менша, нiж з пiвденною (S)
конформацiєю (147,4◦ 6 PS 6 220,5◦) — їх 50. При цьому один конформер з P = 114,7◦
не попадає у класичний дiапазон S конформацiй. Ширший дiапазон кутiв псевдообертан-
ня P та вужчий дiапазон змiн максимального вигину фуранозного кiльця νmax (амплiтуди
псевдообертання — рис. 2) свiдчить про те, що S-конформери стерично менше обмеже-
нi, нiж N-конформери. При цьому S- та N-конформери не зводяться лише до класичних
С2′-endo та С3′-endo вiдповiдно. Хоч кiлькiсть останнiх у загальнiй чисельностi свого пiд-
188 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №4
Таблиця 1. Деякi структурнi, енергетичнi та полярнi характеристики повного сiмейства конформерiв 2′-де-
зоксигуанозину
Конформер ∆G D P χ γ β δ ε
1 0,00 5,63 162,7 56,3 48,2 56,2 −96,1 −178,7
2 0,20 6,55 165,4 56,9 47,5 56,7 −90,5 −64,8
3 1,93 4,41 167,9 57,6 45,8 57,8 −99,2 51,3
4 1,97 5,10 30,0 51,8 50,7 35,1 −153,2 −159,4
5 1,97 5,73 30,4 50,8 49,9 35,6 −149,9 −84,6
6 3,35 5,01 30,7 52,4 52,4 33,6 −156,2 60,6
7 3,74 7,05 37,0 70,0 −58,1 177,1 −153,7 −57,5
8 3,97 6,94 147,4 −107,1 61,1 64,0 −103,2 −179,3
9 4,28 5,92 180,1 44,2 158,9 −60,5 −87,1 179,4
10 4,29 6,97 183,0 41,4 161,0 −61,9 −81,9 −58,9
11 4,33 6,87 16,0 −124,1 62,4 63,4 −152,5 −163,9
12 4,45 7,64 159,4 −103,2 64,0 65,7 −93,3 −64,6
13 4,47 6,64 17,9 −123,2 60,4 62,9 −150,3 −86,0
14 4,49 6,40 172,5 −123,0 49,6 171,8 −92,9 175,5
15 4,56 5,85 32,4 −119,7 −57,8 176,0 −156,1 −56,1
16 4,65 6,16 29,8 66,7 178,4 −55,6 −151,9 −167,5
17 4,66 6,13 11,0 −149,2 49,9 167,2 −152,6 −164,5
18 4,72 8,10 171,4 68,9 −67,5 −176,2 −88,0 −64,1
19 4,82 6,84 33,7 69,4 178,2 −55,5 −149,0 −76,7
20 4,85 5,98 11,9 −147,8 46,6 158,8 −151,0 −89,5
21 4,99 5,92 29,1 70,0 179,6 −57,8 −157,0 57,9
22 5,01 5,98 157,0 −129,6 −68,8 −179,1 −93,8 −65,1
23 5,03 6,62 35,5 67,0 −58,3 −78,1 −154,4 −62,6
24 5,05 7,14 175,9 −120,9 49,1 170,8 −87,5 −65,2
25 5,07 7,22 164,8 −121,0 171,3 −50,1 −90,0 −60,9
26 5,15 6,36 29,4 −136,0 178,3 −56,2 −157,0 −170,4
27 5,16 7,55 174,9 68,4 −65,6 −74,8 −86,5 −65,6
28 5,25 7,35 154,2 −123,1 171,8 −50,4 −99,0 179,9
29 5,27 4,63 188,1 44,2 161,4 −63,6 −87,3 39,6
30 5,33 6,88 172,2 68,3 −62,9 −66,8 −91,4 −179,2
31 5,50 5,42 34,9 −121,9 177,5 −54,8 −153,6 −77,8
32 5,62 8,77 14,5 −122,9 62,8 63,4 −156,0 62,8
33 5,63 8,00 169,9 68,6 −65,4 −173,4 −91,3 −177,9
34 5,74 5,68 185,1 −117,9 47,5 174,5 −92,7 54,9
35 5,81 6,91 170,0 −99,9 64,8 69,5 −97,8 54,7
36 5,81 7,44 35,0 −120,1 −58,0 −78,8 −157,5 −60,2
37 5,82 5,66 157,9 −130,3 −67,2 −176,5 −95,9 −178,3
38 5,87 7,46 158,5 −128,0 −68,0 −76,7 −92,8 −67,5
39 5,89 6,75 185,5 −114,1 169,5 −48,3 −90,4 46,2
40 5,92 7,74 10,5 −149,9 51,5 172,7 −156,1 64,8
41 5,95 7,69 26,1 −135,7 179,5 −57,5 −160,4 60,7
42 5,98 7,23 155,3 −130,3 −64,8 −68,2 −97,7 −178,8
43 6,21 6,83 10,7 59,8 −43,0 −35,5 −146,9 −161,0
44 6,32 7,59 9,4 −156,0 53,2 −85,3 −155,2 −175,0
45 6,33 7,46 173,4 68,1 −70,8 82,3 −86,8 −58,0
46 6,41 7,84 17,9 −166,3 −70,4 43,0 −160,5 −171,9
47 6,59 6,14 35,8 65,8 −68,0 36,9 −158,9 −169,9
48 6,81 8,02 172,7 −124,4 52,2 −87,1 −92,8 173,9
49 6,82 7,81 36,5 68,7 −169,7 −174,5 −155,1 −169,2
50 6,83 5,44 187,7 73,2 −62,2 −68,1 −90,2 48,5
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №4 189
Таблиця 1. Продовження
Конформер ∆G D P χ γ β δ ε
51 6,87 6,27 36,6 71,7 −67,4 49,1 −164,1 57,2
52 6,91 7,31 169,1 67,2 −72,9 72,2 −92,6 176,7
53 6,93 8,36 17,1 −166,0 −68,5 51,5 −163,7 59,7
54 6,93 6,08 187,0 75,0 −66,3 −175,1 −89,4 43,8
55 6,96 5,94 220,5 −173,0 176,3 −174,0 −82,6 47,0
56 7,01 6,78 358,5 54,5 −22,7 −44,8 −146,9 −167,9
57 7,06 6,73 354,4 177,5 −173,9 −178,3 −149,0 −170,3
58 7,06 6,77 159,4 −132,1 −71,5 85,1 −92,6 −58,4
59 7,08 7,01 32,7 71,3 −168,5 −172,1 −159,5 57,9
60 7,08 8,08 37,0 70,8 −169,0 −166,1 −151,8 −75,3
61 7,09 8,58 9,3 −154,9 52,7 −85,2 −158,8 64,7
62 7,09 4,63 182,2 −112,4 −66,1 −175,1 −90,3 46,2
63 7,14 6,78 174,2 −119,3 −64,7 −69,4 −93,9 52,0
64 7,27 8,09 169,3 66,1 177,2 55,9 −92,8 177,6
65 7,28 8,71 175,3 67,0 176,4 55,2 −85,9 −62,6
66 7,29 7,68 31,0 65,6 −174,7 63,9 −153,0 −167,4
67 7,30 8,31 176,5 −122,5 52,1 −84,3 −87,0 −60,3
68 7,31 8,66 352,1 177,9 179,7 62,5 −147,6 −169,4
69 7,32 6,98 150,1 76,9 44,7 164,4 −106,4 58,9
70 7,32 8,42 166,2 68,3 −172,4 −160,4 −94,1 177,6
71 7,40 6,97 207,4 −168,3 175,2 −173,6 −79,3 −60,8
72 7,50 5,54 353,5 177,1 −173,4 −172,9 −144,6 −77,7
73 7,55 6,81 354,2 177,7 −172,8 −177,4 −152,9 61,2
74 7,55 7,82 205,0 −167,1 173,4 −176,1 −84,8 175,1
75 7,56 7,24 151,7 −147,1 −177,9 −173,3 −100,7 177,8
76 7,63 8,25 36,7 70,3 −176,3 57,3 −151,7 −81,2
77 7,64 7,02 8,4 −159,2 56,5 −78,2 −149,6 −78,8
78 7,66 8,78 193,0 −158,6 161,9 45,8 −86,1 175,7
79 7,66 7,35 154,3 −133,0 −74,2 72,7 −98,7 176,7
80 7,73 7,64 351,0 177,8 177,3 56,3 −143,6 −82,8
81 7,74 5,88 26,4 69,3 −70,3 178,8 −155,2 43,0
82 7,79 6,96 186,6 −118,8 49,7 −86,3 −91,7 51,8
83 7,80 7,32 211,5 −162,2 166,6 51,4 −84,0 49,4
84 7,82 5,07 37,0 −124,8 −169,2 −168,8 −154,7 −75,9
85 8,03 6,35 5,9 −174,9 −73,1 174,0 −156,9 45,3
86 8,04 7,70 29,0 68,2 −175,4 65,3 −156,9 61,1
87 8,12 5,64 184,8 72,3 −73,9 72,9 −90,8 42,0
88 8,13 6,32 166,7 −126,7 −75,0 72,4 −97,4 47,3
89 8,16 9,05 350,7 177,9 178,9 63,8 −150,8 64,9
90 8,23 7,02 38,4 −126,1 −176,8 58,5 −154,9 −81,4
91 8,35 7,23 359,5 53,0 −17,2 −44,4 −151,4 60,6
92 8,40 6,70 192,4 73,1 177,1 57,8 −88,5 47,2
93 8,49 8,69 157,1 62,0 41,4 −79,6 −97,2 175,6
94 8,82 9,42 160,0 62,9 41,9 −75,4 −91,3 −60,3
95 9,11 8,14 114,7 −132,3 −179,3 62,9 −131,2 60,6
96 10,02 7,55 192,2 66,2 5,8 −83,8 −88,4 49,1
Пр и м i т ка . Позначення кутiв β, γ, δ, ε, χ, P , νmax стандартнi [8], їхнi величини наведено в градусах;
∆G — вiдносна вiльна енергiя Гiббса за нормальних умов, ккал/моль; D — дипольний момент, Д.
Структурнi характеристики отримано на рiвнi теорiї DFT B3LYP/6–31G(d, p), а енергетичнi — на рiвнi
MP2/6–311++G(d, p)//DFT B3LYP/6–31G(d, p). Конформацiї пронумеровано в порядку зростання їхньої
вiльної енергiї ∆G.
190 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №4
Рис. 3. Конформацiйнi кiльця для номенклатурних структурних параметрiв 2′-дезоксигуанозину
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №4 191
Рис. 4. Просторова структура повного сiмейства конформерiв 2′-дезоксигуанозину: лiворуч — anti-пiдсi-
мейство, праворуч — syn-пiдсiмейство
сiмейства є максимальною (33 та 30 вiдповiдно), проте поряд з ними спостерiгаються й
iншi — 16 конформерiв С3′-exo, 1 конформер С4′-endo та 1 конформер С1′-exo у пiдсi-
мействi S-конформерiв та 7 конформерiв С4′-exo i 8 конформерiв С2′-exo серед N-конфор-
мерiв (див. рис. 2).
Розподiл значень торсiйних кутiв γ для конформерiв dGuo тримодальний (рис. 3). Вони
займають три доволi вузькi сектори: g+ (41,4◦ 6 γ 6 64,8◦) — 27 конформерiв; t (158,9◦ 6
6 γ 6 180,0◦; −180,0◦ 6 γ 6 −168,5◦) — 37 конформерiв; g− (−75,0◦ 6 γ 6 −43,0◦) — 29
конформерiв. Для трьох конформерiв значення кутiв γ лежать мiж секторами g+ i g−: одне
(5,8◦) ближче до g+, два iнших (−17,2◦ та −22,7◦) поблизу g−.
Тримодальний розподiл спостерiгається i для номенклатурних кутiв β i ε, якi займа-
ють сектори g+, t i g− (див. рис. 3). Для кута β: g+(33,6◦ 6 β 6 85,1◦) — 35 конфор-
мерiв; t(158,8◦ 6 β 6 180,0◦; −180,0◦ 6 β 6 −160,4◦) — 29 конформерiв; g−(−87,1◦ 6
6 β 6 −35,3◦) — 32 конформери. Для кута ε: g+(39,6◦ 6 ε 6 74,9◦) — 33 конформери;
t(173,9◦ 6 β 6 180,0◦; −180,0◦ 6 ε 6 −159,4◦) — 32 конформери; g−(−89,5◦ 6 ε 6 −56,1◦) —
31 конформер. Розподiл значень торсiйних кутiв δ — бiмодальний (див. рис. 3). Вони за-
ймають два сектори — один (−164,1◦ 6 δ 6 −131,2◦) поблизу верхньої межi сектора t (46
конформерiв), iнший (−106,4◦ 6 δ 6 −89,3◦) поблизу нижньої межi сектора g− (50 кон-
формерiв). При цьому перший сектор представлений лише N-конформерами (за одним ви-
нятком), а другий — S-конформерами цукрового залишку. Таким чином, спостерiгається
приблизно рiвномiрний кiлькiсний розподiл конформерiв dGuo за кутами γ, β i ε у секто-
рах g+, t i g− i кутом δ поблизу секторiв t i g−.
Вивчаючи структурнi особливостi всiх можливих конформерiв dGuo, ми не обмежилися
лише аналiзом їхнiх номенклатурних характеристик, а дослiдили конформацiйну мiнли-
вiсть усiх без винятку структурних параметрiв, а саме: довжин хiмiчних зв’язкiв, величин
валентних кутiв, торсiйних кутiв, що описують неплощиннiсть гетероциклу основи та ви-
хiд глiкозидного зв’язку iз середньої площини гетероциклу основи, а також пiрамiдальну
будову амiнного фрагмента >CNH2.
Пуриновий гетероцикл нуклеотидної основи у складi нуклеозиду є непласким — ми не
зафiксували жодного конформера iз пласким гетероциклом, при цьому вiдповiднi торсiйнi
кути, що описують неплощиннiсть, не перевищують 0,80◦ для шестичленного кiльця та 0,12◦
192 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №4
для п’ятичленного (нагадаємо для порiвняння, що iзольований Gua є плоскосиметричною
молекулою з пласким пуриновим кiльцем).
Iншою структурною особливiстю конформерiв dGuo є вихiд глiкозидного зв’язку C1′N9
iз середньої площини iмiдазольного кiльця основи. Середньою площиною кiльця вважа-
ється площина, проведена через його атоми таким чином, щоб значення суми квадратiв
вiдстаней вiд них до цiєї площини було мiнiмальним. Згiдно з одержаними результатами,
кут виходу зв’язку C1′N9 iз площини iмiдазольного кiльця основи змiнюється вiд −0,96
до +1,29◦ (знак “+ ” вiдповiдає випадку, коли вектори N9C4, N9C8 та N9C1′ утворюють
праву трiйку).
Ранiше неплощиннiсть гетероциклу основ у пiримiдинових нуклеозидах та вихiд глiко-
зидного зв’язку з площини гетероциклу основи в них фiксувалися в кристалiчному станi
рентгеноструктурним аналiзом [10]. Однак було не зрозумiло, чи цей ефект зобов’язаний
силам кристалiчного пакування, чи вiн має i внутрiшньомолекулярну складову. Проведений
нами конформацiйний аналiз вiльного нуклеозиду показує, що цi ефекти мають внутрiш-
ньомолекулярне походження i при переходi в кристал, очевидно, додатково збурюються
силами кристалiчного пакування.
Також ми встановили що модуль кута мiж зв’язком C2N2 та площиною шестичленного
кiльця основи змiнюється в межах вiд 1,1 до 3,8◦. Щодо структурної поведiнки амiногрупи
основи, то розрахунок значень кутiв мiж зв’язком C2N2 та площиною амiногрупи показує,
що кути змiнюються вiд 30,1 до 41,3◦ для рiзних конформацiй.
З-помiж усiх хiмiчних зв’язкiв нуклеозиду конформацiйно найчутливiшим є глiкозид-
ний — для нього значення параметра ∆ становить 0,0062. При цьому його довжина змi-
нюється в межах 1,444 ÷ 1,481 Å, а середнє значення становить 1,457 Å. Для порiвняння
зазначимо, що для зв’язку C2N2 основи спостерiгається максимальне значення параметра ∆
(0,0021), для зв’язкiв C4N9, N3C4, N7C8, N2H2, N1C6 та C8H 0,001 6 ∆ < 0,002, а зв’язки
C2N3, N1C2, C5N7, C8N9, C4C5, C5C6, C6O6, N2H1 та N1H є конформацiйно нечутливими
(∆ < 0,001). У цукровому залишку максимальне значення ∆ (0,0050) спостерiгається для
зв’язку O5′H, а мiнiмальне (0,0011) — для O3′H. Таким чином, хiмiчнi зв’язки цукрового
залишку конформацiйно лабiльнiшi, нiж хiмiчнi зв’язки основи.
Така ж сама закономiрнiсть встановлена i для валентних кутiв: валентнi кути цукро-
вого залишку конформацiйно лабiльнiшi, нiж валентнi кути основи. Для основи значення
параметра ∆ змiнюються вiд 0,0005 (C6N1H) до 0,0050 (H1N2H2). Для цукрового залишку
цi змiни значно бiльшi — вiд 0,004 (H1C5′H2) до 0,027 (C2′C3′O3′); при цьому ще п’ять ва-
лентних кутiв мають велике значення ∆: O3′C3′H, C4′C3′O3′ (0,025), C4′C5′O5′, O5′C5′H1
та O5′C5′H2 (0,022).
Таким чином, за всiма структурними ознаками азотиста основа всiх конформерiв dGuo
є конформацiйно консервативнiшою, нiж цукровий залишок.
Маючи у своєму розпорядженнi структурнi данi для всiх конформерiв dGuo, ми засто-
сували статистичнi пiдходи, аби виявити взаємозв’язок мiж номенклатурними торсiйними
кутами.
По-перше, має мiсце доволi сильна кореляцiя (за одним винятком, який наведемо остан-
нiм) мiж торсiйним кутом δ i кутами ν3 (−1,00), ν2 (0,98), ν1 (0,93), ν4 (−0,90) i ν0 (−0,48)
(тут i нижче у дужках наведено коефiцiєнти лiнiйної кореляцiї, обчисленi iз врахуванням
кругової корекцiї [9]). Крiм того, спостерiгається доволi сильна кореляцiя мiж кутами ν1
та ν2 (0,98), ν3 (−0,93), ν0 (−0,76), ν4 (−0,69), мiж ν2 та ν3 (−0,98), ν4 (−0,83), ν0 (−0,61),
мiж ν3 та ν4 (0,91). Найслабше корелюють мiж собою кути ν0 та ν4 (0,05), ν3 (0,46).
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №4 193
По-друге, встановлено, що кути γ, ε, β i χ практично не корелюють як мiж собою, так
i з кутами ν0 ÷ ν4 (значення вiдповiдних коефiцiєнтiв лiнiйної кореляцiї не перевищує за
модулем 0,19).
Цi доволi важливi висновки iстотно вiдрiзняються вiд результатiв, отриманих тим самим
методом для нуклеозидiв у кристалiчному станi [8, 9], якi свiдчать про сильну кореляцiю
(коефiцiєнти лiнiйної кореляцiї в межах 0,77–0,89) мiж кутами χ та β, ε, ν0 i мiж кутами ε
та δ. Вочевидь, цей ефект зумовлений дiєю сил кристалiчного пакування.
Конформацiйний аналiз свiдчить про те, що довжина глiкозидного зв’язку dGuo як
конформацiйний параметр сильнiше корелює з довжинами хiмiчних зв’язкiв основи, а са-
ме — C5N7 (−0,92), а не цукрового залишку, де його максимальна кореляцiя з довжиною
зв’язку C1′O4′ становить −0,77. Для кореляцiйного зв’язку мiж довжиною глiкозидного
зв’язку C1′N9 та величинами валентних кутiв цукрового залишку найбiльший коефiцiєнт
кореляцiї спостерiгається лише для кута C3′C2′H2 (0,68), для валентних кутiв основи вiн
не перевищує 0,49. Щодо торсiйних кутiв, то найсильнiше довжина глiкозидного зв’язку
корелює з двома з них — C4′O4′C1′H (0,90) i ν0 (−0,89). Проте найвищий рiвень кореляцiї
має мiсце з торсiйним кутом C4′O4′C1′N9 (0,91). На противагу поширенiй точцi зору про
наявнiсть структурної кореляцiї мiж довжиною глiкозидного зв’язку та торсiйним кутом χ
в пуринових нуклеозидах [8] (зафiксовану, до речi, у кристалiчному станi) ми такої кореля-
цiї в конформерах iзольованого dGuo не зафiксували — принаймнi, її величина за модулем
не перевищує 0,08.
Цiкавi статистичнi закономiрностi виявлено для торсiйного кута χ: вiн доволi сильно
корелює не з одним-двома, як це вважалося ранiше [8], а з цiлою низкою структурних
параметрiв — довжин зв’язкiв, величин валентних та торсiйних кутiв. Так, його величи-
на корелює iз значеннями валентних зв’язкiв C1′H (0,65), C5C6 (0,60) та C4N9 (0,60), ва-
лентних кутiв C1′N9C8 (−0,82), N3C4C5 (−0,81), C1′N9C4 (0,81), C5N7C8 (−0,77), N3C4N9
(0,76), N7C8N9 (0,75), C5C6O6 (−0,75), C4N9C8 (−0,73), C2N1C6 (−0,70) i торсiйних кутiв
O4′C1′N9C8 (−0,79), C2′C1′N9C4 (−0,78) та C4N9C8H (−0,70).
Спираючись на енергетичнi характеристики конформерiв dGuo, нам вперше вдалося
кiлькiсно охарактеризувати конформацiйнi рiвноваги. Виявилося, що рiвновага syn/anti
сильно змiщена за кiмнатної температури у бiк syn-конформерiв (syn : anti = 99,7 : 0,3%),
а рiвновага S/N — у бiк S-конформерiв (S : N = 95,6 : 4,4%). При цьому спiввiдношення
мiж класичними та некласичними конформерами фуранозного кiльця цукрового залишку
таке: для S-пiдсiмейства — C2′endo (95,5%), C1′exo (10−5%) i C3′exo (0,1%); для N-пiдсi-
мейства — C3′endo (4,3%), C4′exo (0,1%) i C2′exo (0,002%). При цьому конформацiї C2′endo
є syn-любними (95,3% проти 0,2%). Таким чином, є всi пiдстави нехтувати некласичними
конформацiями цукрового залишку dGuo з огляду на їхню незначну сумарну заселенiсть
(∼ 0,2%).
Що стосується iнших номенклатурних конформацiйних характеристик, то нам вдалося
зафiксувати такi закономiрностi (у дужках наведено заселеностi). Конформери з γ ∈ g+
(99,6%) сильно домiнують над конформерами з γ ∈ t (0,2%) та з γ ∈ g− (0,2%); при цьому
параметр γ є syn-любним (99,4% проти 0,3% для γ ∈ g+). Конформери з γ ∈ g+ асоцiюють-
ся в переважнiй кiлькостi випадкiв (95,4%) з конформацiєю цукрового залишку C2′endo.
Конформери з β ∈ g+ (95,4%) сильно домiнують над конформерами з β ∈ t (0,2%) i β ∈ g−
(0,2%); при цьому конформери з β ∈ g+ є syn-любними (99,4% проти 0,2%). Конформери
з β ∈ g+ у переважнiй своїй бiльшостi (95,4%) асоцiюються з конформацiєю цукрового
залишку C2′endo. Конформери з ε ∈ t (56,4%) i з ε ∈ g− (41,3%) сильно домiнують над
194 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №4
конформерами з ε ∈ g+ (2,3%); при цьому домiнуючi конформери є syn-любними: 56,3%
проти 0,2% та 41,1% проти 0,1% для конформерiв з ε ∈ t i з ε ∈ g− вiдповiдно. Незалежно
вiд параметра ε конформери у переважнiй своїй бiльшостi асоцiюються з конформацiєю
цукрового залишку C2′endo: 54,3% для конформерiв з ε ∈ t, 39,1% для конформерiв з ε ∈ g−
i 2,1% для конформерiв з ε ∈ g+.
Автори висловлюють щиру вдячнiсть корпорацiї “GAUSSIAN” (США) за люб’язно наданий
грант — програмний пакет “GAUSSIAN03” [11] для платформи Win32, а також Є.П. Юренку за
технiчну допомогу та увагу до роботи.
1. Структура и стабильность биологических макромолекул / Под ред. М.В. Волькенштейна. – Москва:
Мир, 1973. – 584 с.
2. Журакiвський Р.О., Юренко Є.П., Говорун Д.М. Конформацiйнi властивостi 1′,2′-дезоксирибози –
модельного цукрового залишку 2′-дезоксирибонуклеозидiв: результати неемпiричного квантово-ме-
ханiчного дослiдження // Доп. НАН України. – 2006. – № 8. – С. 207–213.
3. Журакiвський Р.О., Говорун Д.М. Вичерпний конформацiйний аналiз 2′-дезоксиуридину кванто-
во-хiмiчним методом функцiоналу густини // Бiополiмери i клiтина. – 2006. – 22, № 5. – С. 304–395.
4. Журакiвський Р.О., Говорун Д.М. Вичерпний конформацiйний аналiз 2′-дезокситимiдину кванто-
во-хiмiчним методом функцiоналу густини // Ukr. Bioorg. Acta. – 2006. – 4, № 2. – С. 56–63.
5. Журакiвський Р.О., Говорун Д.М. Вичерпний конформацiйний аналiз канонiчного нуклеозиду 2′-де-
зоксицитидину квантово-механiчним методом функцiоналу густини // Фiзика живого. – 2006. – 14,
№ 3. – С. 35–48.
6. Микельсон А. Химия нуклеозидов и нуклеотидов. – Москва: Мир, 1966. – 668 с.
7. Химия биологически активных природных соединений / Под. ред. Н.А. Преображенского, Р.П. Ев-
стигнеевой. – Москва: Химия, 1970. – 512 с.
8. Зенгер В. Принципы структурной организации нуклеиновых кислот. – Москва: Мир, 1987. – 584 с.
9. Kitamura K., Wakahara A., Mizuno H. et al. Conformationally “concerted” changes in nucleotide structures.
A new description using circular correlation and regression analyses // J. Amer. Chem. Soc. – 1981. – 103. –
P. 3899–3904.
10. Преображенская Н.Н., Шаброва З.А. Пространственное строение нуклеозидов, нуклеотидов и их
производных // Успехи химии. – 1969. – 38, вып. 2. – С. 222–247.
11. Gaussian 03, Revision С. 02 / M. J. Frisch, G.W. Trucks, H.B. Schlegel, G. E. Scuseria, M.A. Robb,
J.R. Cheeseman, Jr. J. A. Montgomery, T. Vreven, K.N. Kudin, J. C. Burant, J.M. Millam, S. S. Iyengar,
J. Tomasi, V. Barone, B. Mennucci, M. Cossi, G. Scalmani, N. Rega, G. A. Petersson, H. Nakatsuji,
M. Hada, M. Ehara, K. Toyota, R. Fukuda, J. Hasegawa, M. Ishida, T. Nakajima, Y. Honda, O. Kitao,
H. Nakai, M. Klene, X. Li, J. E. Knox, H.P. Hratchian, J. B. Cross, V. Bakken, C. Adamo, J. Jarami-
llo, R. Gomperts, R. E. Stratmann, O. Yazyev, A. J. Austin, R. Cammi, C. Pomelli, J. W. Ochterski,
P.Y. Ayala, K. Morokuma, G. A. Voth, P. Salvador, J. J. Dannenberg, V.G. Zakrzewski, S. Dapprich,
A.D. Daniels, M.C. Strain, O. Farkas, D.K. Malick, A.D. Rabuck, K. Raghavachari, J. B. Foresman,
J.V. Ortiz, Q. Cui, A.G. Baboul, S. Clifford, J. Cioslowski, B.B. Stefanov, G. Liu, A. Liashenko, P. Pi-
skorz, I. Komaromi, R. L. Martin, D. J. Fox, T. Keith, M. A. Al-Laham, C. Y. Peng, A. Nanayakkara,
M. Challacombe, P.M. W. Gill, B. Johnson, W. Chen, M. W. Wong, C. Gonzalez, J. A. Pople. – Gaussian,
Inc., Wallingford CT, 2004.
Надiйшло до редакцiї 20.09.2006Iнститут молекулярної бiологiї
та генетики НАН України, Київ
Київський нацiональний унiверситет
iм. Тараса Шевченка
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №4 195
|