Фізичний механізм молекулярного керування таутомерним статусом основ ДНК та його квантово-механічне обгрунтування
Вперше запропоновано i обгрунтовано на належному квантово-механiчному рiвнi фiзичний механiзм молекулярного керування таутомерним статусом основ ДНК. Наведенi у роботi його найпростiшi структурнi реалiзацiї дозволяють пригнiчувати ймовiрнiсть знаходження нуклеотидної основи у мутагеннiй таутомернiй...
Збережено в:
| Дата: | 2010 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Ukrainian |
| Опубліковано: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2010
|
| Назва видання: | Доповіді НАН України |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/19774 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Фізичний механізм молекулярного керування таутомерним статусом основ ДНК та його квантово-механічне обгрунтування / О.О. Броварець, Л.А. Булавiн, Д.М. Говорун // Доп. НАН України. — 2010. — № 3. — С. 85-91. — Бібліогр.: 15 назв. — укр. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-19774 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-197742025-02-09T17:27:31Z Фізичний механізм молекулярного керування таутомерним статусом основ ДНК та його квантово-механічне обгрунтування The physical mechanism of the molecular control over the tautomeric status of DNA base pairs and its quantum-mechanical foundation Броварець, О.О. Булавін, Л.А. Говорун, Д.М. Фізика Вперше запропоновано i обгрунтовано на належному квантово-механiчному рiвнi фiзичний механiзм молекулярного керування таутомерним статусом основ ДНК. Наведенi у роботi його найпростiшi структурнi реалiзацiї дозволяють пригнiчувати ймовiрнiсть знаходження нуклеотидної основи у мутагеннiй таутомернiй формi вiд 1,26 · 10¹ для Ade та 4,20 · 10^6 разiв для Сyt, доводячи її до значень, що не перевищують частоту спонтанних точкових мутацiй у живiй клiтинi. For the first time, it is suggested and proved the physical mechanism of the molecular control over the tautomeric status of DNA base pairs on the proper quantum-mechanical level of theory. Its simplest structural realization prohibits the probability of the existence of a nucleobase in the mutagenic tautomeric form from 1.26 · 10¹ for Ade base to 4.20 · 10^6 times for Сyt base taking it to the values that don’t exceed the frequency of point spontaneous mutations in a living cell. Автори висловлюють щиру вдячнiсть канд. бiол. наук Є.П. Юренку (Iнститут молекулярної бiологiї та генетики НАН України) за увагу до роботи та корпорацiї “Gaussian”(США) за люб’язно наданий одному iз спiвавторiв (Д.М. Говоруну) грант програмний пакет “Gaussian03” для платформи Win32, а також Iнформацiйно-обчислювальному центру Київського нацiонального унiверситету iм. Тараса Шевченка за надання обчислювальних ресурсiв. 2010 Article Фізичний механізм молекулярного керування таутомерним статусом основ ДНК та його квантово-механічне обгрунтування / О.О. Броварець, Л.А. Булавiн, Д.М. Говорун // Доп. НАН України. — 2010. — № 3. — С. 85-91. — Бібліогр.: 15 назв. — укр. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/19774 577.3 uk Доповіді НАН України 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 |
Фізика Фізика |
| spellingShingle |
Фізика Фізика Броварець, О.О. Булавін, Л.А. Говорун, Д.М. Фізичний механізм молекулярного керування таутомерним статусом основ ДНК та його квантово-механічне обгрунтування Доповіді НАН України |
| description |
Вперше запропоновано i обгрунтовано на належному квантово-механiчному рiвнi фiзичний механiзм молекулярного керування таутомерним статусом основ ДНК. Наведенi у роботi його найпростiшi структурнi реалiзацiї дозволяють пригнiчувати ймовiрнiсть знаходження нуклеотидної основи у мутагеннiй таутомернiй формi вiд 1,26 · 10¹ для Ade та 4,20 · 10^6 разiв для Сyt, доводячи її до значень, що не перевищують частоту спонтанних точкових мутацiй у живiй клiтинi. |
| format |
Article |
| author |
Броварець, О.О. Булавін, Л.А. Говорун, Д.М. |
| author_facet |
Броварець, О.О. Булавін, Л.А. Говорун, Д.М. |
| author_sort |
Броварець, О.О. |
| title |
Фізичний механізм молекулярного керування таутомерним статусом основ ДНК та його квантово-механічне обгрунтування |
| title_short |
Фізичний механізм молекулярного керування таутомерним статусом основ ДНК та його квантово-механічне обгрунтування |
| title_full |
Фізичний механізм молекулярного керування таутомерним статусом основ ДНК та його квантово-механічне обгрунтування |
| title_fullStr |
Фізичний механізм молекулярного керування таутомерним статусом основ ДНК та його квантово-механічне обгрунтування |
| title_full_unstemmed |
Фізичний механізм молекулярного керування таутомерним статусом основ ДНК та його квантово-механічне обгрунтування |
| title_sort |
фізичний механізм молекулярного керування таутомерним статусом основ днк та його квантово-механічне обгрунтування |
| publisher |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| publishDate |
2010 |
| topic_facet |
Фізика |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/19774 |
| citation_txt |
Фізичний механізм молекулярного керування таутомерним статусом основ ДНК та його квантово-механічне обгрунтування / О.О. Броварець, Л.А. Булавiн, Д.М. Говорун // Доп. НАН України. — 2010. — № 3. — С. 85-91. — Бібліогр.: 15 назв. — укр. |
| series |
Доповіді НАН України |
| work_keys_str_mv |
AT brovarecʹoo fízičnijmehanízmmolekulârnogokeruvannâtautomernimstatusomosnovdnktajogokvantovomehaníčneobgruntuvannâ AT bulavínla fízičnijmehanízmmolekulârnogokeruvannâtautomernimstatusomosnovdnktajogokvantovomehaníčneobgruntuvannâ AT govorundm fízičnijmehanízmmolekulârnogokeruvannâtautomernimstatusomosnovdnktajogokvantovomehaníčneobgruntuvannâ AT brovarecʹoo thephysicalmechanismofthemolecularcontroloverthetautomericstatusofdnabasepairsanditsquantummechanicalfoundation AT bulavínla thephysicalmechanismofthemolecularcontroloverthetautomericstatusofdnabasepairsanditsquantummechanicalfoundation AT govorundm thephysicalmechanismofthemolecularcontroloverthetautomericstatusofdnabasepairsanditsquantummechanicalfoundation |
| first_indexed |
2025-11-28T16:27:21Z |
| last_indexed |
2025-11-28T16:27:21Z |
| _version_ |
1850052178766462976 |
| fulltext |
УДК 577.3
© 2010
О.О. Броварець, академiк НАН України Л. А. Булавiн,
член-кореспондент НАН України Д. М. Говорун
Фiзичний механiзм молекулярного керування
таутомерним статусом основ ДНК та його
квантово-механiчне обгрунтування
Вперше запропоновано i обгрунтовано на належному квантово-механiчному рiвнi фiзич-
ний механiзм молекулярного керування таутомерним статусом основ ДНК. Наведенi у
роботi його найпростiшi структурнi реалiзацiї дозволяють пригнiчувати ймовiрнiсть
знаходження нуклеотидної основи у мутагеннiй таутомернiй формi вiд 1,26 · 10
1 для
Ade та 4,20 · 10
6 разiв для Сyt, доводячи її до значень, що не перевищують частоту
спонтанних точкових мутацiй у живiй клiтинi.
Вiдомо, що спонтанна таутомеризацiя основ ДНК, тобто їхнiй перехiд iз основної, енер-
гетично вигiдної таутомерної форми у високоенергетичну, мутагенну, якi рiзняться лише
положенням одного лабiльного атома водню, є фiзичним джерелом точкових мутацiй ДНК.
Нинi бiофiзичну значущiсть останнiх розглядають не лише в еволюцiйному контекстi, а й
все частiше пов’язують з виникненням низки недуг, зокрема ракових.
Те, що прототропна таутомерiя нуклеотидних основ є одним iз фiзичних джерел спон-
танних точкових мутацiй ДНК, вперше було постульовано Вотсоном i Криком та якiсно
обгрунтовано Топалом i Фреско у роботах [1, 2], якi вважаються класичними. Логiчним
продовженням цих дослiджень стало їхнє експериментальне пiдтвердження [3–5] та кван-
тово-механiчне обгрунтування [6]. У попереднiх наших роботах [7, 8] запропоновано простi
фiзичнi механiзми iнгiбування синтезу пар нуклеотидiв за участi рiдкiсних таутомерiв бiл-
ками реплiкативного комплексу.
Разом з тим у лiтературi тривалий час дискутується питання про елементарнi фiзичнi
механiзми власне таутомеризацiї (тобто переходу iз основної, канонiчної таутомерної фор-
ми, у рiдкiсну, мутагенну [9]) основ ДНК (див., наприклад, [10] та наведену там бiблiогра-
фiю). Виокремилися два пiдходи: таутомеризацiя водою, а саме — макро-, мiкрооточенням
чи поодинокими молекулами, i таутомеризацiя основ у комплементарних парах за рахунок
перенесення протонiв — так званий механiзм Льовдiна [10]. Перший iз них є унiверсаль-
ним i, в принципi, пояснює як таутомеризацiю основ ДНК у процесi реплiкацiї останньої,
так i основ нуклеотидiв, що включаються в ДНК пiд час її бiосинтезу. Другий стосується
виключно основ ДНК, що реплiкується.
Виникає цiлком логiчне запитання — чи є процеси таутомеризацiї основ ДНК у живiй
клiтинi спонтанними, випадковими, чи вони все-таки знаходяться “пiд наглядом” iнших
бiополiмерiв, якi функцiонують разом з ДНК, зокрема бiлкiв.
Вперше це надзвичайно важливе з бiофiзичної точки зору питання порушив Льовдiн
у своїй класичнiй роботi (див. [10] та наведену там бiблiографiю), яка не втратила своєї
актуальностi i понинi, вбачаючи кричущу невiдповiднiсть мiж частотою точкових мута-
цiй у живiй клiтинi (∼ 10
−9) i частотою таутомеризацiї нуклеотидних основ у водному
середовищi (∼ 10
−4–10−5). Ним вперше запропоновано елементарний фiзичний механiзм
“самозахисту” ДНК вiд спонтанної таутомеризацiї її основ, хоча заради справедливостi
треба сказати, що вiн блискуче розв’язав цю задачу у рамках помилкової, на наш по-
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2010, №3 85
гляд, парадигми, приписуючи функцiю молекулярного керування таутомерним статусом
нуклеотидних основ не бiлкам, а самiй макромолекулi ДНК, що суперечить сучасним по-
глядам на бiофiзичну значущiсть, насамперед функцiональну, бiлково-нуклеїнових взає-
модiй.
У данiй роботi ми вперше робимо спробу обгрунтувати з квантово-механiчної точки зору
фiзичний механiзм молекулярного керування таутомерним статусом основ ДНК. При вико-
ристаннi найпростiших молекулярних моделей бiлково-нуклеїнових взаємодiй та сучасних
чисельних методiв прикладної квантової механiки нам вдалося показати, що втягування
одного iз амiнних атомiв водню аденiну (Ade) i цитозину (Cyt), який не бере участi у во-
тсон-крикiвському спарюваннi, та тiєї вiльної електронної пари атомiв O6 i O4 гуанiну
(Gua) i тимiну (Thy), вiдповiдно, яка теж не бере участi у вотсон-крикiвському спарюваннi,
у мiжмолекулярний водневий зв’язок iз вiдповiдними амiнокислотними залишками бiлкiв
дозволяє iстотно iнгiбувати спонтанну таутомеризацiю основ ДНК, значно зменшивши ймо-
вiрнiсть знайти основу у мутагеннiй таутомернiй формi.
Об’єкти i методи дослiдження. Нами обрано такi об’єкти дослiдження: найпростi-
шими моделями нуклеотидних основ у складi ДНК слугували власне основи Ade, Gua, Cyt
i Thy, а елементарними воднево-зв’язаними комплексами, вiдповiдальними за iнгiбуван-
ня таутомеризацiї основ, вибрано комплекси основ ДНК з найпростiшими молекулярними
моделями бiчних залишкiв деяких амiнокислот, а саме — мурашиною кислотою у електро-
нейтральнiй НСООН та депротонованiй НСОО− формi та протонованою групою CN3H
+
6
.
Квантово-механiчнi розрахунки геометричної та електронної будови дослiджуваних
об’єктiв проведено на рiвнi теорiї DFT B3LYP/6-311++G(d,p) у вакуумному наближеннi.
Усi зоптимiзованi структури перевiрено на стiйкiсть за вiдсутнiстю уявних частот у їхнiх
коливальних спектрах, якi розраховували у гармонiйному наближеннi.
Електронну енергiю взаємодiї у комплексах визначали на рiвнi теорiї MP2/6-311
++G(2df,pd)//B3LYP/6-311++G(d,p) з урахуванням так званої BSSE-поправки на бази-
сний набiр функцiй [11].
Квантово-механiчнi розрахунки проведено iз використанням програмного пакету
“GAUSSIAN03” для платформи Win32 [12].
Мiжмолекулярнi Н-зв’язки iдентифiкували та дослiджували методом аналiзу тополо-
гiї електронної густини [13], використовуючи хвильовi функцiї, отриманi на рiвнi теорiї
B3LYP/6-311++G(d,p).
Топологiю електронної густини аналiзували за допомогою програмного пакету AIM2000.
Перехiднi стани таутомеризацiї локалiзували на рiвнi теорiї MP2/6-311++G(2df,
pd)//B3LYP/6-311++G(d,p). Енергiю класичних мiжмолекулярних водневих (Н) зв’язкiв
визначали за методом Йогансена [14], що грунтується на зсувi частоти валентних коливань
атомних груп — донорiв Н-зв’язку, використовуючи при цьому вибiркове дейтерування,
зокрема одного iз амiнних атомiв водню, не задiяних у вотсон-крикiвському спарюваннi,
для усунення механiчних резонансiв тестових нормальних коливань iз сусiднiми. Енергiю
Н-зв’язкiв С5Н. . .О визначали за формулою, запропонованою авторами роботи [15].
Одержанi результати та їхнє обговорення. Запропонований нами розв’язок зада-
чi про молекулярне керування таутомерним статусом основ ДНК грунтується на простiй
фiзичнiй iдеї. Вiдомо, що мутагенна таутомеризацiя нуклеотидних основ має амiно-iмiнний
(у випадку Ade i Cyt, що мають у своєму складi амiногрупу NH2) та кетоенольний (у ви-
падку Gua i Thy — основ з карбонiльною групою C=O) характер. З iншого боку, доконаним
є факт, що iмiногрупа = NH є значно гiршим донором Н-зв’язку, нiж амiногрупа NH2,
86 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2010, №3
Рис. 1. Геометрична структура дослiджених комплексiв (мiжмолекулярнi водневi зв’язки АН. . . В зображено
пунктиром, а їхнi довжини НВ подано в Å)
а атом кисню карбонiльної групи C=O є значно кращим акцептором Н-зв’язку, нiж атом
кисню гiдроксильної групи C−OH.
Таким чином, можна очiкувати, що втягування у мiжмолекулярний Н-зв’язок одного iз
амiнних атомiв водню Ade i Cyt, якi не беруть участi у вотсон-крикiвському спарюваннi,
та однiєї з вiльних пар карбонiльного атома кисню О6 i О4 Gua та Thy, вiдповiдно, якi теж
не задiянi у вотсон-крикiвському спарюваннi, спричинить зростання енергiї таутомеризацiї,
зокрема за рахунок послаблення вищезгаданих Н-зв’язкiв при переходi основи iз канонiчної
у мутагенну таутомерну форму.
Цi очiкування повнiстю пiдтверджено квантово-механiчними розрахунками, результати
яких наведено на рис. 1 та в табл. 1, 2 i 3. Дiйсно, енергiя таутомеризацiї основ ДНК у Н-зв’я-
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2010, №3 87
Таблиця 1. Електронно-топологiчнi, енергетичнi, геометричнi та спектрально-коливальнi характеристики мiжмолекулярних водневих зв’язкiв у до-
слiджених комплексах основ (у основнiй та мутагеннiй формах) з модельними бiчними радикалами деяких амiнокислот
Комплекси
Н-зв’язок
AH. . . B
ρ,
ат. од.
∇
2
ρ,
ат. од. 100 · ε
EHB,
ккал/моль dA. . .B, Å dH. . .B, Å
∠AH. . . B,
град. ∆dAH, Å
−∆ν,
см−1
Ade · HCOOH N4H. . .O 0,026 0,097 3,39 4,28 2,926 1,910 174,9 0,010 208,0
OH. . . N7 0,052 0,102 4,53 9,07 2,715 1,704 171,0 0,040 794,8
Ade* · HCOOH N4H. . .O 0,016 0,059 0,62 0,66 3,145 2,124 173,3 0,003 44,0
OH. . . N7 0,046 0,102 4,58 8,10 2,759 1,755 168,9 0,033 643,0
Thy·HCOOH C5H. . .O 0,010 0,032 2,03 1,83 3,505 2,413 159,8 −0,00047 —
OH. . .O4 0,034 0,126 3,6 5,44 2,750 1,762 169,8 0,017 312,0
Thy* · HCOOH C5H. . .O 0,009 0,028 1,63 1,66 3,556 2,463 165,1 −0,00027 —
OH. . .O4 0,024 0,090 7,31 3,57 2,912 1,933 160,3 0,008 156,8
Gua · CN3H
+
6 NH. . .O6 0,040 0,131 2,97 11,14 2,769 1,736 172,0 0,025 439,3
NH. . . N7 0,035 0,091 5,57 8,11 2,917 1,881 175,1 0,027 487,1
Gua* · CN3H
+
6 NH. . .O6 0,024 0,090 8,86 5,47 2,963 1,945 172,5 0,010 170,9
NH. . . N7 0,042 0,096 4,93 10,58 2,852 1,807 177,2 0,037 641,3
Cyt · HCOO− N4H. . .O 0,046 0,127 4,47 8,43 2,752 1,705 175,3 0,042 693,1
C5H. . .O 0,017 0,054 4,67 3,25 3,263 2,175 168,9 0,007 97,0
Cyt* · HCOO− N4H. . .O 0,025 0,084 2,63 4,79 2,991 1,957 176,5 0,016 250,3
C5H. . .O 0,022 0,069 5,01 4,29 3,153 2,061 179,4 0,012 169,3
Пр и м i т ка . ρ i ∆ρ — значення електронної густини i лапласiану електронної густини у критичнiй точцi вiдповiдно; ε — елiптичнiсть; EHB —
енергiя Н-зв’язку. Зiрочкою позначено мутагеннi таутомери основ.
88
IS
S
N
1
0
2
5
-6
4
1
5
R
epo
rts
o
f
th
e
N
a
tio
n
a
l
A
ca
d
em
y
o
f
S
cien
ces
o
f
U
kra
in
e,
2
0
1
0
,
№
3
заних комплексах помiтно зростає порiвняно з аналогiчною величиною для основ у вiльному
станi (див. табл. 2), причому це зростання супроводжується зменшенням енергiї Н-зв’язкiв
саме за участi атомних груп, якi перебудовуються у процесi таутомеризацiї (див. табл. 1),
i вiдповiдно зменшенням електронної енергiї взаємодiї. При таутомеризацiї основ у комплек-
сах взаємна орiєнтацiя амiнокислотних залишкiв вiдносно основи змiнюється незначно —
це вказує на те, що вибранi нами амiнокислоти є чи не найкращими претендентами на роль
молекулярного керування таутомерним статусом основ ДНК. При цьому найбiльший ефект
iнгiбування спостерiгається у комплексi Cyt · HCOO− — це пояснюється тим, що саме тут
реалiзується найбiльша енергiя мiжмолекулярної взаємодiї (а значить — i найбiльшi її змi-
ни при таутомеризацiї основи), яка має, в основному, електростатичний характер i внесок
у яку сумарної енергiї мiжмолекулярних Н-зв’язкiв найменший (35,53–42,52%) серед усiх
комплексiв (див. табл. 3).
Характерно, що навiть за умови досить сильного iнгiбування процесу таутомериза-
цiї Gua i Cyt кiнцева енергiя таутомеризацiї, що при цьому досягається (9,15 ккал/моль
та 11,66 ккал/моль вiдповiдно), не перевищує вiдповiдну енергiю вiльного Ade (14,00
ккал/моль) i ненабагато перевищує енергiю вiльного Thy (11,64 ккал/моль). Це означає,
що навiть за наявностi молекулярного керування таутомерним статусом основ ДНК її дi-
лянки, збагаченi на пари Gua ·Cyt, будуть мутувати значно частiше, нiж дiлянки, збагаченi
на пари Ade · Thy.
Закiнчуючи обговорення одержаних результатiв, вiдзначимо, що за даними квантово-ме-
ханiчних розрахункiв на рiвнi теорiї MP2/6-311++G(2df, pd)//B3LYP/6-311++G(d,p) за-
пропонований нами фiзичний механiзм молекулярного управлiння таутомерним статусом
Таблиця 2. Енергiя таутомеризацiї Гiббса ∆G вiльних основ ДНК та основ у Н-зв’язаних комплексах з де-
якими амiнокислотними залишками та iмовiрнiсть P знайти нуклеотидну основу у рiдкiснiй таутомерiй
формi
Основи/Комплекси ∆G, ккал/моль P
Ade 14,00 15,7 · 10
−11
Ade · HCOOH 15,57 1,25 · 10
−11
Thy 11,64 6,98 · 10
−9
Thy·HCOOH 15,11 2,60 · 10
−11
Gua 0,13 8,06 · 10
−1
Gua · CN3H
+
6 9,15 3,87 · 10
−7
Cyt 2,21 2,85 · 10
−2
Cyt · HCOO− 11,66 6,79 · 10
−9
Пр и м i т ка . P = e−∆G/kT .
Таблиця 3. Енергетичнi характеристики дослiджуваних комплексiв: Eint — електронна енергiя взаємодiї;
EHB — сумарна енергiя Н-зв’язкiв
Комплекси −Eint, ккал/моль EHB, ккал/моль EHB/Eint, %
Ade · HCOOH 17,08 13,34 78,1
Ade* · HCOOH 12,92 8,76 67,8
Thy · HCOOH 9,59 7,27 75,9
Thy* · HCOOH 5,46 5,23 95,7
Gua · CN3H
+
6 39,45 13,57 34,4
Gua* · CN3H
+
6 30,04 11,87 39,5
Cyt · HCOO−
32,88 11,68 35,5
Cyt* · HCOO−
21,35 9,08 42,5
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2010, №3 89
основ ДНК повнiстю блокує механiзм таутомеризацiї основ у вотсон-крикiвських парах
Ade · Thy i Gua · Cyt, запропонований свого часу Льовдiним.
Таким чином, у роботi вперше запропоновано i обгрунтовано на належному квантово-ме-
ханiчному рiвнi фiзичний механiзм молекулярного керування таутомерним статусом основ
ДНК. Наведенi у статтi його найпростiшi структурнi реалiзацiї дозволяють пригнiчувати
ймовiрнiсть знаходження нуклеотидної основи у мутагеннiй таутомернiй формi вiд 1,26 ·10
1
для Ade та 4,20 · 10
6 разiв для Сyt, доводячи її до значень, що не перевищують частоту
спонтанних точкових мутацiй у живiй клiтинi.
Автори висловлюють щиру вдячнiсть канд. бiол. наук Є.П. Юренку (Iнститут молекуляр-
ної бiологiї та генетики НАН України) за увагу до роботи та корпорацiї “Gaussian”(США) за
люб’язно наданий одному iз спiвавторiв (Д.М. Говоруну) грант — програмний пакет “Gaussian03”
для платформи Win32, а також Iнформацiйно-обчислювальному центру Київського нацiонального
унiверситету iм. Тараса Шевченка за надання обчислювальних ресурсiв.
1. Watson J. D., Crick F. H. C. The structure of DNA // Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. – 1953. –
18. – P. 123–131.
2. Topal M.D., Fresco J. R. Complementary base pairing and the origin of substitution mutations // Nature. –
1976. – 263. – P. 285–289.
3. Harris V.H., Smith C. L., Cummins W. J. et al. Recognition of base-pairing by DNA polymerases during
nucleotide incorporation: the properties of the mutagenic nucleotide dPTP αS // Org. Biomol. Chem. –
2003. – 1. – P. 2070–2074.
4. Harris V.H., Smith C. L., Cummins W. J. et al. The effect of tautomeric constant on the specificity of
nucleotide incorporation during DNA replication: support for the rare tautomer hypothesis of substitution
mutagenesis // J. Mol. Biol. – 2003. – 362. – P. 1389–1401.
5. Sinha N.K., Haimes M.D. Molecular mechanisms of substitution mutagenesis. An experimental test of
the Watson-Crick and Topal Fresco models of base mispairs // J. Biol. Chem. – 1981. – 256, No 20. –
P. 10671–10683.
6. Danilov V. I., Anisimov V.M., Kurita N., Hovorun D.M. MP2 and DFT studies of the DNA rare base
pairs: the molecular mechanism of the spontaneous substitution mutations conditioned by tautomerism of
bases // Chem. Phys. Lett. – 2005. – 412. – P. 285–293.
7. Броварець О.О., Булавiн Л.А., Говорун Д.М. Фiзична модель впiзнавання вотсон-крикiвських пар
основ ДНК бiлками реплiкативного комплексу // Доп. НАН України. – 2009. – № 10. – С. 194–200.
8. Броварець О.О., Булавiн Л.А., Говорун Д.М. Як бiлки реплiкативного комплексу блокують синтез
пар основ ДНК за участi мутагенних таутомерiв: просте фiзичне пояснення // Там само. – 2009. –
№ 11. – С. 175–182.
9. Ладик Я. Квантовая биохимия для химиков и биологов. – Москва: Мир, 1975. – 256 с.
10. Данилов В.И., Квенцель Г.Ф. Электронные представления в теории точечных мутаций. – Киев: Наук.
думка, 1971. – 83 с.
11. Boys S. F., Bernardi F. The calculation of small molecular interactions by the differences of separate total
energies. Some procedures with reduced errors // Mol. Phys. – 1970. – 19, No 4. – P. 553–566.
12. Gaussian 03, Revision С. 02, Frisch M. J., Trucks G.W., Schlegel H.B., Scuseria G.E., Robb M. A.,
Cheeseman J. R., Montgomery Jr. J. A., Vreven T., Kudin K.N., Burant J. C., Millam J. M., Iyengar S. S.,
Tomasi J., Barone V., Mennucci B., Cossi M., Scalmani G., Rega N., Petersson G.A., Nakatsuji H., Hada
M., Ehara M., Toyota K., Fukuda R., Hasegawa J., Ishida M., Nakajima T., Honda Y., Kitao O., Nakai H.,
Klene M., Li X., Knox J. E., Hratchian H.P., Cross J. B., Bakken V., Adamo C., Jaramillo J., Gomperts R.,
Stratmann R.E., Yazyev O., Austin A. J., Cammi R., Pomelli C., Ochterski J. W., Ayala P.Y., Morokuma
K., Voth G. A., Salvador P., Dannenberg J. J., Zakrzewski V.G., Dapprich S., Daniels A.D., Strain M. C.,
Farkas O., Malick D.K., Rabuck A.D., Raghavachari K., Foresman J. B., Ortiz J. V., Cui Q., Baboul A.G.,
Clifford S., Cioslowski J., Stefanov B.B., Liu G., Liashenko A., Piskorz P., Komaromi I., Martin R. L., Fox
D. J., Keith T., Al-Laham M. A., Peng C. Y., Nanayakkara A., Challacombe M., Gill P.M.W., Johnson B.,
Chen W., Wong M.W., Gonzalez C. and Pople J.A. / Gaussian, Inc., Wallingford CT, 2004.
13. Бейдер Р. Атомы в молекулах. Квантовая теория. – Москва: Мир, 2001. – 532 с.
90 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2010, №3
14. Иогансен А.В. Инфракрасная спектроскопия и спектральное определение энергии водородной свя-
зи // Водородная связь. – Москва: Наука, 1981. – С. 112–155.
15. Espinosa E., Molins E., Lecomte C. Hydrogen bond strenghts revealed by topological analyses of experi-
mentally observed electron densities // Chem. Phys. Lett. – 1998. – 285. – P. 170–173.
Надiйшло до редакцiї 22.06.2009Київський нацiональний унiверситет
iм. Тараса Шевченка
Iнститут молекулярної бiологiї та генетики
НАН України, Київ
O.O. Brovarets’, Academician of the NAS of Ukraine L.A. Bulavin,
Corresponding Member of the NAS of Ukraine D.M. Hovorun
The physical mechanism of the molecular control over the tautomeric
status of DNA base pairs and its quantum-mechanical foundation
For the first time, it is suggested and proved the physical mechanism of the molecular control
over the tautomeric status of DNA base pairs on the proper quantum-mechanical level of theory.
Its simplest structural realization prohibits the probability of the existence of a nucleobase in the
mutagenic tautomeric form from 1.26 · 10
1 for Ade base to 4.20 · 10
6 times for Сyt base taking it
to the values that don’t exceed the frequency of point spontaneous mutations in a living cell.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2010, №3 91
|