Конформаційні властивості модифікованого нуклеозиду 2'-дезокси-8-аза-пурину: квантово-механічне дослідження методом функціонала густини
Квантово-механічним методом функціонала густини на рівні теорії MP2/6-311++G(d,p)//DFT B3LYP/6-31G(d,p) проведено вичерпний конформаційний аналіз модифікованого нуклеозиду 2'-дезокси-8-аза-пурину. Наведено основні геометричні, енергетичні та полярні характеристики усіх його 91 стійкого конформе...
Saved in:
| Published in: | Доповіді НАН України |
|---|---|
| Date: | 2010 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2010
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/30021 |
| 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: | Конформаційні властивості модифікованого нуклеозиду 2'-дезокси-8-аза-пурину: квантово-механічне дослідження методом функціонала густини / Р.О. Жураківський, Д.М. Говорун // Доп. НАН України. — 2010. — № 8. — С. 191-199. — Бібліогр.: 14 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-30021 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Жураківський, Р.О. Говорун, Д.М. 2012-01-17T16:54:15Z 2012-01-17T16:54:15Z 2010 Конформаційні властивості модифікованого нуклеозиду 2'-дезокси-8-аза-пурину: квантово-механічне дослідження методом функціонала густини / Р.О. Жураківський, Д.М. Говорун // Доп. НАН України. — 2010. — № 8. — С. 191-199. — Бібліогр.: 14 назв. — укр. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/30021 577.3 Квантово-механічним методом функціонала густини на рівні теорії MP2/6-311++G(d,p)//DFT B3LYP/6-31G(d,p) проведено вичерпний конформаційний аналіз модифікованого нуклеозиду 2'-дезокси-8-аза-пурину. Наведено основні геометричні, енергетичні та полярні характеристики усіх його 91 стійкого конформера, а також конформаційні рівноваги при температурі 298,15 К. Comprehensive conformational analysis of modified nucleoside 2'-deoxy-8-aza-purine is performed by means of density functional theory at MP2/6-311++G(d,p)//DFT B3LYP/6-31G(d,p) level. Main geometric, energetic, and polar characteristics of all its 91 conformers are presented, as well as conformational equilibria at 298.15 K. Автори висловлюють вдячнiсть корпорацiї “GAUSSIAN” (США) за наданий Д.М. Говоруну грант — програмний пакет “GAUSSIAN03” для платформи Win32. uk Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Доповіді НАН України Біофізика Конформаційні властивості модифікованого нуклеозиду 2'-дезокси-8-аза-пурину: квантово-механічне дослідження методом функціонала густини Conformational properties of modified nucleoside 2'-deoxy-8-aza-purine: the DFT quantum mechanical investigation Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Конформаційні властивості модифікованого нуклеозиду 2'-дезокси-8-аза-пурину: квантово-механічне дослідження методом функціонала густини |
| spellingShingle |
Конформаційні властивості модифікованого нуклеозиду 2'-дезокси-8-аза-пурину: квантово-механічне дослідження методом функціонала густини Жураківський, Р.О. Говорун, Д.М. Біофізика |
| title_short |
Конформаційні властивості модифікованого нуклеозиду 2'-дезокси-8-аза-пурину: квантово-механічне дослідження методом функціонала густини |
| title_full |
Конформаційні властивості модифікованого нуклеозиду 2'-дезокси-8-аза-пурину: квантово-механічне дослідження методом функціонала густини |
| title_fullStr |
Конформаційні властивості модифікованого нуклеозиду 2'-дезокси-8-аза-пурину: квантово-механічне дослідження методом функціонала густини |
| title_full_unstemmed |
Конформаційні властивості модифікованого нуклеозиду 2'-дезокси-8-аза-пурину: квантово-механічне дослідження методом функціонала густини |
| title_sort |
конформаційні властивості модифікованого нуклеозиду 2'-дезокси-8-аза-пурину: квантово-механічне дослідження методом функціонала густини |
| author |
Жураківський, Р.О. Говорун, Д.М. |
| author_facet |
Жураківський, Р.О. Говорун, Д.М. |
| topic |
Біофізика |
| topic_facet |
Біофізика |
| publishDate |
2010 |
| language |
Ukrainian |
| container_title |
Доповіді НАН України |
| publisher |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Conformational properties of modified nucleoside 2'-deoxy-8-aza-purine: the DFT quantum mechanical investigation |
| description |
Квантово-механічним методом функціонала густини на рівні теорії MP2/6-311++G(d,p)//DFT B3LYP/6-31G(d,p) проведено вичерпний конформаційний аналіз модифікованого нуклеозиду 2'-дезокси-8-аза-пурину. Наведено основні геометричні, енергетичні та полярні характеристики усіх його 91 стійкого конформера, а також конформаційні рівноваги при температурі 298,15 К.
Comprehensive conformational analysis of modified nucleoside 2'-deoxy-8-aza-purine is performed by means of density functional theory at MP2/6-311++G(d,p)//DFT B3LYP/6-31G(d,p) level. Main geometric, energetic, and polar characteristics of all its 91 conformers are presented, as well as conformational equilibria at 298.15 K.
|
| issn |
1025-6415 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/30021 |
| citation_txt |
Конформаційні властивості модифікованого нуклеозиду 2'-дезокси-8-аза-пурину: квантово-механічне дослідження методом функціонала густини / Р.О. Жураківський, Д.М. Говорун // Доп. НАН України. — 2010. — № 8. — С. 191-199. — Бібліогр.: 14 назв. — укр. |
| work_keys_str_mv |
AT žurakívsʹkiiro konformacíinívlastivostímodifíkovanogonukleozidu2dezoksi8azapurinukvantovomehaníčnedoslídžennâmetodomfunkcíonalagustini AT govorundm konformacíinívlastivostímodifíkovanogonukleozidu2dezoksi8azapurinukvantovomehaníčnedoslídžennâmetodomfunkcíonalagustini AT žurakívsʹkiiro conformationalpropertiesofmodifiednucleoside2deoxy8azapurinethedftquantummechanicalinvestigation AT govorundm conformationalpropertiesofmodifiednucleoside2deoxy8azapurinethedftquantummechanicalinvestigation |
| first_indexed |
2025-11-25T22:40:40Z |
| last_indexed |
2025-11-25T22:40:40Z |
| _version_ |
1850568753886003200 |
| fulltext |
оповiдi
НАЦIОНАЛЬНОЇ
АКАДЕМIЇ НАУК
УКРАЇНИ
8 • 2010
БIОФIЗИКА
УДК 577.3
© 2010
Р.О. Журакiвський, член-кореспондент НАН України Д. М. Говорун
Конформацiйнi властивостi модифiкованого нуклеозиду
2′-дезокси-8-аза-пурину: квантово-механiчне
дослiдження методом функцiонала густини
Квантово-механiчним методом функцiонала густини на рiвнi теорiї MP2/6-
311 ++G(d,p)//DFT B3LYP/6-31G(d,p) проведено вичерпний конформацiйний аналiз
модифiкованого нуклеозиду 2′-дезокси-8-аза-пурину. Наведено основнi геометричнi,
енергетичнi та полярнi характеристики усiх його 91 стiйкого конформера, а також
конформацiйнi рiвноваги при температурi 298,15 К.
Дослiдження конформацiйних властивостей iзольованих нуклеозидiв є класичною пробле-
мою сучасної бiохiмiї, молекулярної фармакологiї та структурної бiологiї [1, 2]. Саме в цiй
площинi лежать вiдповiдi, якi дозволяють зрозумiти бiологiчну активнiсть модифiкованих
нуклеозидiв i “молекулярну логiку” просторової будови та функцiонування нуклеїнових ки-
слот.
У попереднiх наших роботах застосовано новий пiдхiд до теоретичного конформацiйно-
го аналiзу 2′-дезоксирибонуклеозидiв: квантово-механiчним методом функцiонала густини
на рiвнi теорiї MP2/6–311G++(d,p)//DFT B3LYP/6–31G(d,p) вперше отримано повне кон-
формацiйне сiмейство 1′,2′-дидезоксирибози — модельного цукрового залишку [3] — i на
його основi проведено повний конформацiйний аналiз усiх канонiчних нуклеозидiв — 2′-де-
зоксицитидину [4], 2′-дезоксиуридину [5], 2′-дезоксиаденозину [6] та 2′-дезоксигуанозину [7].
Ця робота присвячена повноформатному квантово-механiчному конформацiйному ана-
лiзу 2′-дезокси-8-аза-пурину (d8azaPur). Властивостi 2′-дезоксипурину (dPur) дослiджено
нами ранiше [8].
Об’єкт i методи дослiдження. Для вивчення конформацiйних властивостей d8azaPur
використано теорiю функцiонала густини (DFT) iз застосуванням гiбридного обмiнно-ко-
реляцiйного функцiонала електронної густини в узагальненому градiєнтному наближеннi
B3LYP [9–11]. Для оптимiзацiї геометрiї ми скористалися стандартним набором базисних
функцiй 6–31G(d,p), який задовiльно зарекомендував себе для подiбних задач [3–8]. Усi
зоптимiзованi конформери перевiрено на стiйкiсть за вiдсутнiстю уявних частот в їхнiх ко-
ливальних спектрах. Коливальнi спектри отримано на тому ж рiвнi теорiї в гармонiчному
наближеннi.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2010, №8 191
Рис. 1. Структура i позначення атомiв молекул 2′-дезокси-8-аза-пурину та їх основних конформацiйних
змiнних
Розрахунки проведено з використанням програмного пакета “GAUSSIAN03” для плат-
форми Win32 [12].
Використанi в роботi позначення класичних конформацiйних змiнних (рис. 1) — стан-
дартнi [13].
Результати та їхнє обговорення. Конформацiйнi властивостi. Вперше встанов-
лено, що iзольований d8azaPur має 91 пару дзеркально-симетричних стiйких конформерiв,
вiдносна енергiя Гiббса яких лежить у дiапазонi 0–8,40 ккал/моль за нормальних умов
(табл. 1, рис. 2). За своїми конформацiйними ознаками та кiлькiстю вони розподiленi та-
ким чином (табл. 1, рис. 3).
Syn-орiєнтацiя цукрового залишку вiдносно нуклеотидної основи зафiксована в 46 кон-
формерах (31,1◦ 6 χsyn 6 93,4◦), а anti-орiєнтацiя — у 45 конформерах (137,9◦ 6 χanti 6
6 79,8◦).
Формально кiлькiсть конформерiв з пiвнiчною (N) конформацiєю фуранозного кiльця
цукрового залишку (331,3◦ < PN < 360◦; 0◦ 6 PN < 30,0◦) трохи менша — їх 43, нiж
кiлькiсть конформерiв з пiвденною (S) конформацiєю (153,6◦ < PS < 217,5◦) — їх нара-
ховується 48. При цьому S- та N-конформери не зводяться лише до “класичних” С2′-endo
та С3′-endo вiдповiдно. Їхня кiлькiсть у загальнiй чисельностi свого пiдсiмейства 17 та 25
вiдповiдно; поряд з ними спостерiгаються й iншi: 30 конформерiв С3′-exo, 18 конформерiв
С2′-exo, а також один конформер С4′-endo.
Розподiл значень торсiйних кутiв γ для всiх можливих конформерiв d8azaPur — три-
модальний. При цьому вони займають три доволi вузькi сектори: g+ (42,6◦ 6 γg+ 6 72,0◦) —
25 конформерiв, t (164,3◦ 6 γt 6 180,0◦; −180,0◦ 6 γt 6 169,1◦) — 36 конформерiв, g−
(−72,8◦ 6 γg− 6 52,8◦) — 30 конформерiв. Тримодальний розподiл також має мiсце i для
кутiв β, якi займають тi ж самi сектори g+, t i g−: g+ (40,7◦ 6 βg+ 6 85,3◦) — 32 конформери,
t (163,7◦ 6 βt 6 180,0◦; −180,0◦ 6 βt 6 −158,3◦) — 25 конформерiв, g− (−89,5◦ 6 βg− 6
6 −40,8◦) — 32 конформери. Два конформери мають значення кута β 94,0◦ i 95,8◦, що
прилягають до сектора g+. Для кута ε маємо сектори, що тiльки частково збiгаються iз
стандартними g+, t i g−: g+ (41,1◦ 6 εg+ 6 62,7◦) — 33 конформери, t (176,2◦ 6 εt 6
6 180,0◦; −180,0◦ 6 εt 6 151,2◦) — 29 конформерiв, g− (−95,8◦ 6 εg− 6 −59,1◦) — 29
конформерiв. Торсiйнi кути δ для всiх можливих конформерiв d8azaPur мають два сектори
192 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2010, №8
Таблиця 1. Деякi структурнi, енергетичнi та полярнi характеристики повного сiмейства конформерiв 2′-де-
зокси-8-аза-пурину
Конформер ∆G D P νmax χ β γ δ ε
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1 0,00 2,26 166,4 35,8 51,5 4,0 47,0 146,0 −179,5
2 0,25 2,49 169,0 35,9 52,4 71,0 46,1 150,8 −64,7
3 1,59 1,85 4,0 33,0 −105,6 172,2 −58,8 90,8 −60,3
4 1,60 2,73 190,0 32,6 −117,6 70,1 47,4 150,3 179,7
5 1,62 2,36 192,2 33,1 −116,9 70,1 46,7 155,0 −64,7
6 1,81 0,50 173,6 34,5 53,3 73,2 44,6 143,0 49,9
7 2,11 3,29 21,5 32,5 57,9 172,9 −59,0 88,6 −59,1
8 2,21 1,51 26,1 33,7 36,4 50,9 42,6 88,3 −83,8
9 2,30 2,05 0,6 31,1 −137,1 50,6 43,6 95,2 −86,2
10 2,36 3,27 350,6 31,3 −98,8 −56,2 178,7 95,8 −163,3
11 2,39 3,03 0,9 29,4 −135,7 50,6 45,5 93,7 −154,0
12 2,41 2,01 30,0 31,1 36,4 50,9 45,8 88,0 −153,7
13 2,49 1,80 348,2 30,8 −101,8 −55,4 178,2 100,9 −81,9
14 2,53 1,95 202,9 34,4 −114,1 74,0 42,8 149,2 47,8
15 2,70 3,40 175,4 35,4 65,5 −55,2 173,6 154,3 −60,6
16 2,86 3,03 189,7 34,2 −105,4 −55,8 173,1 157,4 −60,5
17 2,88 2,42 194,5 32,7 −101,4 178,9 −67,5 156,4 −64,9
18 2,96 4,39 170,3 35,4 64,3 −54,5 172,8 148,6 179,7
19 3,00 2,64 9,7 34,2 −103,7 −78,7 −58,7 87,4 −64,6
20 3,13 3,96 174,9 34,4 66,1 178,2 −67,9 152,8 −64,7
21 3,18 3,50 356,3 29,8 88,7 170,8 53,2 93,1 −159,9
22 3,19 3,57 18,9 30,5 64,4 −56,8 179,2 90,3 −162,6
23 3,21 3,23 350,1 31,3 −102,0 −57,8 179,7 91,5 57,3
24 3,23 2,38 353,1 32,8 −81,4 176,2 53,4 91,3 −160,9
25 3,25 2,86 22,0 33,2 57,7 −78,1 −58,8 86,8 −64,4
26 3,30 2,64 17,5 30,4 62,5 −56,0 178,8 94,4 −82,9
27 3,32 4,28 181,8 34,0 −105,2 −54,5 171,9 151,4 179,5
28 3,38 2,87 3,7 33,6 −88,0 164,7 48,4 90,2 −95,8
29 3,52 2,40 206,4 35,6 −102,3 −57,0 173,9 153,3 44,0
30 3,55 3,03 184,0 36,2 32,8 −71,2 165,2 157,3 −59,1
31 3,60 2,70 344,6 29,8 −99,0 −51,0 −52,8 98,0 −151,2
32 3,63 2,64 190,8 33,5 −101,6 −178,5 −65,3 153,6 −176,9
33 3,76 3,11 192,6 33,2 −101,3 −76,3 −66,5 156,4 −66,3
34 3,80 3,90 22,3 33,4 77,8 163,7 48,2 87,3 −95,0
35 3,83 2,35 16,9 30,6 62,5 −58,4 −179,6 85,8 57,4
36 3,86 3,60 176,3 34,6 66,3 −75,6 −66,6 153,4 −66,5
37 3,94 3,99 181,6 35,9 32,4 −70,0 164,3 152,6 179,3
38 3,99 3,90 173,1 35,4 65,8 −179,2 −65,9 150,3 −177,3
39 4,00 2,89 187,1 33,4 −101,6 −69,6 −63,7 151,8 −178,4
40 4,04 2,56 28,8 31,3 35,5 50,4 46,7 83,4 60,5
41 4,04 4,13 359,9 29,5 −137,9 50,5 46,3 89,5 60,1
42 4,05 1,98 187,4 34,4 70,4 −54,5 173,8 149,0 44,7
43 4,09 3,16 173,0 35,0 65,4 −68,7 −63,6 149,0 −178,4
44 4,25 2,55 353,4 31,7 −101,2 −173,2 −170,3 92,0 −164,5
45 4,28 0,39 210,4 36,2 −96,7 177,6 −66,9 154,5 44,7
46 4,34 2,66 196,7 33,2 −100,1 95,8 −69,5 156,6 −60,0
47 4,38 2,06 349,4 31,0 −105,3 −167,1 −169,9 97,8 −79,6
48 4,42 3,69 177,6 34,7 66,8 94,0 −69,7 153,5 −59,4
49 4,53 3,79 351,7 31,4 −99,3 63,7 −175,9 92,5 −163,9
50 4,53 3,56 14,0 36,5 −97,7 41,0 −69,9 81,2 −168,3
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2010, №8 193
Таблиця 1. Продовження
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
51 4,79 3,23 348,5 32,1 −79,8 −176,5 55,7 89,3 61,5
52 4,80 1,71 352,6 31,7 −104,1 −172,9 −169,6 87,8 57,4
53 4,82 3,37 353,7 29,1 88,8 177,0 54,9 90,1 61,2
54 4,88 2,15 189,3 35,1 71,4 177,8 −67,2 150,6 44,2
55 4,90 1,34 192,6 36,3 31,1 −73,5 167,9 151,5 41,1
56 4,90 3,89 29,7 36,3 65,5 40,7 −69,7 80,1 −167,6
57 4,92 3,99 345,0 31,5 −106,7 −40,8 70,4 89,8 58,2
58 4,93 1,89 210,5 35,9 −96,9 −69,6 −63,6 153,3 47,7
59 4,96 1,34 214,0 37,4 −96,2 −159,3 −175,8 153,9 43,8
60 5,00 4,05 20,3 31,4 61,2 −174,3 −170,1 86,9 −164,1
61 5,07 3,09 350,9 31,3 −102,3 58,5 −177,4 96,4 −87,5
62 5,13 3,38 11,3 35,6 −100,4 51,2 −68,0 78,2 55,2
63 5,15 3,93 17,7 31,1 58,7 −167,7 −169,6 91,4 −80,4
64 5,22 1,44 190,0 34,6 71,1 −68,8 −63,6 149,4 48,3
65 5,30 4,51 17,7 30,3 61,4 64,0 −175,7 87,9 −163,1
66 5,30 2,72 25,9 35,2 62,2 50,9 −67,8 77,0 55,8
67 5,31 4,94 174,9 34,6 64,9 −158,3 −173,9 147,8 178,0
68 5,36 1,50 335,1 29,2 −100,8 171,5 −67,4 99,7 51,7
69 5,38 4,13 189,9 33,6 −100,5 83,4 −71,3 152,4 178,3
70 5,48 2,63 17,9 31,5 59,5 −173,3 −169,1 82,6 57,4
71 5,52 4,05 17,0 30,8 59,7 58,6 −177,1 91,0 −87,6
72 5,61 4,63 173,3 35,3 65,9 81,8 −71,8 149,2 177,9
73 5,80 1,90 211,9 36,6 −95,5 85,4 −72,4 153,9 43,2
74 5,81 3,99 348,3 31,0 −101,8 66,4 −176,4 89,8 60,8
75 5,81 3,81 331,3 28,6 −98,6 −57,2 −55,2 100,6 62,7
76 5,90 4,95 176,7 34,0 66,3 58,3 177,3 147,4 178,0
77 5,96 4,93 182,7 34,3 68,0 58,0 176,5 153,6 −62,8
78 6,06 4,34 202,9 33,5 −96,3 59,0 177,4 156,3 −63,0
79 6,10 4,53 198,8 32,5 −96,9 58,8 177,8 150,6 178,0
80 6,12 2,49 217,5 37,0 −91,0 60,5 175,6 152,9 47,2
81 6,13 1,87 15,3 30,4 60,7 172,9 −71,4 87,0 43,4
82 6,13 2,23 190,9 35,2 71,8 82,8 −72,8 150,1 41,9
83 6,24 2,90 194,2 35,5 71,7 −163,7 −175,2 149,9 43,0
84 6,32 4,02 15,1 30,2 60,0 66,3 −176,1 84,1 60,8
85 6,59 2,84 199,3 35,2 74,2 59,2 174,3 150,0 46,9
86 6,72 4,77 158,3 37,7 −94,8 −89,5 47,4 142,2 176,2
87 7,17 5,01 165,9 36,8 −93,4 −85,0 48,6 148,9 −60,4
88 7,18 5,30 153,6 38,4 75,1 −84,2 49,8 139,7 176,7
89 7,18 5,35 161,1 36,8 78,1 −78,4 53,0 146,5 −60,4
90 7,96 2,98 181,6 34,1 −89,4 −87,4 47,8 144,3 50,6
91 8,40 2,89 208,4 30,6 93,4 −63,5 72,0 144,5 50,6
Пр и м i т ка . Позначення кутiв β, γ, δ, ε, χ, P , νmax — стандартнi [13], величини кутiв наведено в граду-
сах; ∆G — вiдносна вiльна енергiя Гiббса за нормальних умов, ккал/моль; D — дипольний момент, Дебаї.
Структурнi характеристики отримано на рiвнi теорiї DFT B3LYP/6-31G(d,p), а енергетичнi — на рiвнi тео-
рiї MP2/6-311++G(d,p)//DFT B3LYP/6-31G(d,p). Конформери пронумеровано в порядку зростання їхньої
вiльної енергiї Гiббса (∆G).
194 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2010, №8
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 ) усiх
можливих конформерiв 2′-дезокси-8-аза-пурину
Рис. 3. Конформацiйнi кiльця для основних структурних параметрiв конформерiв 2′-дезокси-8-аза-пурину
розподiлу — перший з кутами в межах 77,0◦ 6 δ 6 100,9◦ (43 конформери), другий з кутами
в межах 139,7◦ 6 δ 6 157,4◦ (48 конформерiв).
Таким чином, спостерiгається приблизно рiвномiрний кiлькiсний розподiл усiх можли-
вих конформерiв d8azaPur за класичними торсiйними кутами γ, β i ε у секторах g+, t i g−.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2010, №8 195
ДНК-п о д i б н i к о нформ е ри. Замiна групи C8H на атом азоту призводить до того,
що в конформацiйному сiмействi d8azaPur спостерiгаються лише два ДНК-подiбнi конфор-
мери, якi вiдповiдають AI та AII формам двоспiральної ДНК, при цьому значення кута χ
для них iстотно вiдрiзняються вiд значень у dPur та 2′-дезоксиаденозинi (dA) (табл. 2)
i вiдповiдають значенням у лiвозакрученiй спiралi ДНК з D-цукрами [14]. У той же час
ДНК-подiбнi конформери dPur та dA дуже схожi один до одного. Отже, можна припусти-
ти, що замiна пуринових нуклеозидiв у полiнуклеотидах на d8azaPur може спровокувати
утворення лiвозакручених спiралей з D-цукрами.
О с о б л и в о с т i д о вжин з в’ я з к i в т а в а л е н т н и х к у т i в . Вивчаючи структурнi
властивостi всiх можливих конформерiв d8azaPur, ми не обмежилися лише аналiзом їхнiх
основних (номенклатурних) характеристик, а дослiдили конформацiйну мiнливiсть усiх без
винятку структурних параметрiв, а саме — довжин хiмiчних зв’язкiв, величин валентних
кутiв та торсiйних кутiв, що описують неплощиннiсть гетероциклу основи та вихiд глi-
козидного зв’язку iз середньої площини гетероциклу основи. При цьому зафiксовано такi
закономiрностi.
З-помiж усiх хiмiчних зв’язкiв нуклеозиду конформацiйно найчутливiшим є глiкози-
дний зв’язок C1′N9 — для нього параметр ∆ становить 0,0046, довжина зв’язку змiнюється
в межах 1,451–1,482 Å, а середнє значення дорiвнює 1,466 Å. Наступними в списку iдуть
зв’язки C4′O4′, C5′O5′ i O5′H, для яких ∆ = 0,0039, та C4′C5′, для якого ∆ = 0,0036. Зна-
чення ∆ > 0,0030 мають ще п’ять зв’язкiв: C1′O4′, C5′H2, C2′C3′, C3′O3′ та C3′C4′. Для
зв’язкiв C5′H1, C4′H, C3′H1 та C1′C2′ 0,002 6 ∆ 6 0,003, а для зв’язкiв C2′H2 та O3′H2
0,001 6 ∆ 6 0,002. Мiнiмальнi значення ∆ спостерiгаються для зв’язкiв C2′H1 (∆ 6 0,0008)
та C1′H2 (∆ 6 0,0009). Для зв’язкiв основи найбiльше значення ∆ встановлено у зв’язку
N9N8, для якого ∆ = 0,0022, довжина зв’язку змiнюється в межах 1,367–1,379 Å, а середнє
значення становить 1,374 Å. Для порiвняння зазначимо, що для зв’язкiв N7N8, N1C2, N3C4
та C4N9 основи 0,001 6 ∆ 6 0,002, а зв’язки N1C6, C2N3, C2H, C4C5, C5C6, C6N7 та C6H
основи є конформацiйно найменш чутливими (∆ < 0,001). Таким чином, хiмiчнi зв’язки
цукрового залишку загалом конформацiйно лабiльнiшi, нiж хiмiчнi зв’язки основи.
Така ж сама закономiрнiсть спостерiгається i для валентних кутiв: валентнi кути цукро-
вого залишку конформацiйно лабiльнiшi, нiж валентнi кути основи. У основi значення па-
раметра ∆ змiнюються вiд 0,0005 (N1C2N3) до 0,0044 (N3C4N9). У цукровому залишку
цi змiни значно бiльшi i сягають 0,0255 (C2′C3′O3′). При цьому ще п’ять валентних ку-
тiв мають високi значення ∆: O3′C3′H — 0,0250, O5′C5′H1 — 0,0233, С4′C3′O3′ — 0,0229,
O5′C5′H2 — 0,0228, C4′C5′O5′ — 0,0224. Мiнiмальне ж значення ∆ зафiксовано для кута
C2′C3′C4′ — 0,0034.
Таким чином, за всiма структурними ознаками азотиста основа d8azaPur є конформа-
цiйно консервативнiшою, нiж цукровий залишок.
Iншою структурною особливiстю конформерiв d8azaPur є вихiд глiкозидного зв’язку
C1′N9 iз середньої площини пуринового кiльця. Середньою площиною кiльця вважається
площина, проведена через його атоми таким чином, щоб забезпечити мiнiмальне значення
суми квадратiв вiдстаней вiд них до цiєї площини. Згiдно з отриманими результатами, кут
виходу зв’язку C1′N9 iз площини пуринового кiльця змiнюється вiд 0,08◦ до 1,24◦.
Конформацiйнi рiвноваги. Спираючись на енергетичнi характеристики усiх без ви-
нятку конформерiв d8azaPur, ми чисельно охарактеризували його конформацiйнi рiвноваги
при температурi 298,15 K. Виявилося, що рiвновага syn:anti при T = 298,15 K сильно зсу-
нута лiворуч (syn : anti = 84,3% : 15,7%), а рiвновага S : N — в бiк S-конформерiв (S : N=
196 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2010, №8
Таблиця 2. Порiвняння фiзичних параметрiв ДНК-подiбних конформерiв 2′-дезокси-8-аза-пурину, 2′-дезоксипурину [8] та 2′-дезоксиаденозину [6]
Фiзичнi
параметри
Форма ДНК
BI BII AI AII
dPur d8azaPur dA dPur d8azaPur dA dPur d8azaPur dA dPur d8azaPur dA
∆G 5,00 — 6,47 5,35 — 6,88 5,42 7,03 6,84 5,81 7,45 7,23
D 6,5 — 4,9 7,5 — 6,1 5,6 2,4 4,0 6,4 2,9 5,2
P 172,9 — 172,1 175,9 — 175,4 9,6 353,1 9,6 10,9 3,7 11,4
νmax 33,3 — 33,4 33,5 — 33,4 33,6 32,8 34,0 34,6 33,6 34,7
χ −125,6 — −125,5 −122,5 — −122,2 −152,4 −81,4 −153,3 −149,9 −88,0 −148,7
β 175,5 — 174,6 174,4 — 173,6 172,4 176,2 172,2 164,2 164,7 162,9
γ 51,0 — 50,6 50,3 — 49,9 51,3 53,4 51,3 48,0 48,4 47,5
δ 145,2 — 145,0 150,1 — 149,8 85,6 91,3 85,1 87,8 90,2 87,4
ε 175,1 — 173,9 −65,2 — −64,6 −166,0 −160,9 −167,3 −89,1 −95,8 −89,0
Пр и м i т ка . Вiдносна енергiя Гiббса за нормальних умов (∆G) вiдраховується вiд глобального мiнiмуму окремо для кожної молекули. Використанi
позначення аналогiчнi таким у табл. 1, також див. рис. 1.
IS
S
N
1
0
2
5
-6
4
1
5
Д
оп
овiдi
Н
ац
iон
ал
ь
н
ої
ак
адем
iї
н
ау
к
У
к
раїн
и
,
2
0
1
0
,
№
8
197
88,1%:11,9%). При цьому встановлено такi спiввiдношення мiж “класичними” та “некласи-
чними” конформерами фуранозного кiльця цукрового залишку:
для S-пiдсiмейства: C2′-endo — 79,8%, C3′-exo — 8,3%;
для N-пiдсiмейства: C3′endo — 9,4%, C2′-exo — 2,5%.
Заселенiстю пiдсiмейства C4′-endo можна знехтувати, оскiльки вона не перевищує
0,002%.
Також нами зафiксовано такi закономiрностi (у дужках наведено заселеностi при T =
= 298,15 K). Конформери з γ ∈ g+ (89,7%) домiнують над конформерами з γ ∈ t (4,1%) та
конформерами з γ ∈ g− (6,2%). Конформери з β ∈ g+ (89,2%) домiнують над конформерами
з β ∈ t (6,0%) i конформерами з β ∈ g− (4,8%); при цьому конформери β ∈ g+ є syn-любни-
ми: (80,6% проти 8,7%), для iнших конформерiв переважає anti-конформацiя: β ∈ t (4,1%
проти 1,9%) та β ∈ g− (3,0% проти 1,8%). Конформери з ε ∈ t (53,3%) переважають над кон-
формерами з ε ∈ g− (43,1%) та з ε ∈ g+ (3,6%); при цьому всi конформери є syn-любними:
ε ∈ t — 47,9% проти 5,5%, ε ∈ g− — 34,0% проти 9,1%, ε ∈ g+ — 2,4% проти 1,1%.
Щодо полярних властивостей d8azaPur, то нуклеозид має великий дипольний момент,
який сильно змiнюється вiд конформера до конформера i лежить у межах 0,39 ÷ 5,35D.
Таким чином, проведено вичерпний конформацiйний аналiз модифiкованого дезоксири-
бонуклеозиду 2′-дезокси-8-аза-пурину квантово-механiчним методом функцiонала густини
на рiвнi теорiї MP2/6–311 + +G(d,p)//DFT B3LYP/6–31G(d,p). Визначено основнi геоме-
тричнi, енергетичнi та полярнi характеристики усiх його 91 стiйкого конформера, а також
конформацiйнi рiвноваги при температурi 298,15 K. Виявлено вiдсутнiсть у конформацiйно-
му сiмействi дослiджуваного нуклеозиду BI i BII ДНК-подiбних конформерiв; встановлено,
що AI i AII ДНК-подiбнi конформери мають значення кутiв χ, що вiдповiдають лiвозакру-
ченiй спiралi ДНК з D-цукрами.
Автори висловлюють вдячнiсть корпорацiї “GAUSSIAN” (США) за наданий Д.М. Говоруну
грант — програмний пакет “GAUSSIAN03” для платформи Win32.
1. Зенгер В. Принципы структурной организации нуклеиновых кислот. – Москва: Мир, 1987. – 584 с.
2. Микельсон А. Химия нуклеозидов и нуклеотидов. – Москва: Мир, 1966. – 668 с.
3. 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.
4. 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.
5. Yurenko Ye. P., Zhurakivsky R.O., Ghomi M., Samijlenko S. P., Hovorun D.M. How many conformers
determine the thymidine low-temperature matrix infrared spectrum? The DFT and MP2 quantum chemical
study // J. Phys. Chem. B. – 2007. – 111, No 32. – P. 9655–9663.
6. Журакiвський Р.О., Говорун Д.М. Повний конформацiйний аналiз дезоксиаденозину квантово-хiмi-
чним методом функцiоналу густини // Бiополiмери i клiтина. – 2007. – 23, № 1. – С. 45–53.
7. Журакiвський Р.О., Говорун Д.М. Повний конформацiйний аналiз молекули 2′-дезоксигуанозину
квантово-механiчним методом функцiонала густини // Доп. НАН України. – 2007. – № 4. – С. 187–196.
8. Журакiвський Р.О., Говорун Д.М. Конформацiйнi можливостi 2′-дезоксипурину: квантово-механiчне
дослiдження методом функцiонала густини // Доп. НАН України. – 2010. – № 1. – С. 180–187.
9. Parr R.G., Yang W. Density functional theory of atoms and molecules. – New York: Oxford University
Press, 1989. – 350 p.
10. Lee C., Yang W., Parr R.G. Development of the Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional
of the electron density // Phys. Rev. B. – 1988. – 37. – P. 785–789.
11. Becke A.D. Density-functional thermochemistry. IV. A new dynamical correlation functional and impli-
cations for exact-exchange mixing // J. Chem. Phys. – 1996. – 104. – P. 1040–1046.
198 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2010, №8
12. Gaussian 03, Revision С. 02 / M. J. Frisch, G. W. Trucks, H.B. Schlegel, G. E. Scuseria, M. A. Robb,
J.R. Cheeseman, J. A. Montgomery Jr., 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. Jara-
millo, 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, Al-M.A. 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.
13. Seeman N.C., Rosenberg J.M., Suddath F. L. et al. A simplified alphabetical nomenclature for dihedral
angles in the polynucleotide backbone // J. Mol. Biol. – 1976. – 104. – P. 142–143.
14. Urata H., Miyagoshi H., Kumashiro T. et al. Basis for the right-handed helical sense of double-stranded
DNA: formation of the right-handed helix by L-oligonucleotides fixed in low-anti glycosyl conformation //
J. Amer. Chem. Soc. – 2001. – 123. – P. 4845–4846.
Надiйшло до редакцiї 15.12.2009Iнститут молекулярної бiологiї
i генетики НАН України, Київ
R.O. Zhurakivsky, Corresponding Member of the NAS of Ukraine D.M. Hovorun
Conformational properties of modified nucleoside 2′-deoxy-8-aza-purine:
the DFT quantum mechanical investigation
Comprehensive conformational analysis of modified nucleoside 2′-deoxy-8-aza-purine is performed
by means of density functional theory at MP2/6-311++G(d,p)// DFT B3LYP/6-31G(d,p) level.
Main geometric, energetic, and polar characteristics of all its 91 conformers are presented, as well
as conformational equilibria at 298.15 K.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2010, №8 199
|