Конформаційний аналіз низькомолекулярної моделі цукрово-фосфатного кістяка натрієвої ДНК
Вперше квантово-механічним методом на рівні теорії MP2/6-311++G(2df,pd)//DFT B3LYP/6-31G(d,p) проведено повний конформаційний аналіз низькомолекулярної натрієвої сполуки, що моделює електронейтральний цукрово-фосфатний кістяк ДНК. Встановлено, що з усіх 8959 можливих конформерів лише 51 є твірними ц...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Доповіді НАН України |
|---|---|
| Дата: | 2011 |
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2011
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/38152 |
| 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: | Конформаційний аналіз низькомолекулярної моделі цукрово-фосфатного кістяка натрієвої ДНК / І.С. Войтешенко, Р.О. Жураківський, Л.А. Булавін, Д.М. Говорун // Доп. НАН України. — 2011. — № 7. — С. 173-180. — Бібліогр.: 14 назв. — укр. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859653784893915136 |
|---|---|
| author | Войтешенко, І.С. Жураківський, Р.О. Булавін, Л.А. Говорун, Д.М. |
| author_facet | Войтешенко, І.С. Жураківський, Р.О. Булавін, Л.А. Говорун, Д.М. |
| citation_txt | Конформаційний аналіз низькомолекулярної моделі цукрово-фосфатного кістяка натрієвої ДНК / І.С. Войтешенко, Р.О. Жураківський, Л.А. Булавін, Д.М. Говорун // Доп. НАН України. — 2011. — № 7. — С. 173-180. — Бібліогр.: 14 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Доповіді НАН України |
| description | Вперше квантово-механічним методом на рівні теорії MP2/6-311++G(2df,pd)//DFT B3LYP/6-31G(d,p) проведено повний конформаційний аналіз низькомолекулярної натрієвої сполуки, що моделює електронейтральний цукрово-фосфатний кістяк ДНК. Встановлено, що з усіх 8959 можливих конформерів лише 51 є твірними цукрово-фосфатного кістяка A-подібних форм ДНК. Не виявлено модельних A-подібних форм ДНК з нативними значеннями всіх торсійних кутів. Зафіксовано 53 твірних конформери цукрово-фосфатного кістяка B-подібних форм ДНК, шість з яких мають ідентичний до природних набір номенклатурних торсійних кутів α, β, γ, δ, ε та ζ. Виявлено 426 твірних конформерів цукрово-фосфатного кістяка P-подібних форм ДНК з цукрами C2'-endo та C3'-endo. Решта 509 сполук мають широкий спектр конформацій цукрів, найчисленнішими серед яких є C1'-exo та C4'-endo. Отримані результати узгоджуються з попередніми дослідженнями модельного біцукрового залишку, в яких фосфатна група нейтралізована протоном, та розширюють існуючі уявлення про конформаційну будову та мінливість макромолекули ДНК.
The complete conformational analysis of a low-molecular sodium compound which simulates the electroneutral sugar-phosphatic frame of DNA by a quantum|=|mechanical method at MP2/6-311++G(2df,pd)//DFT B3LYP/6-31G(d,p) level of theory is first performed. It is shown that only 51 from all 8959 possible conformers are formative for sugar-phosphatic frame of A-like DNA forms, among which there are no modeled A-like DNA forms with native values of all torsion angles. 53 formative conformers of sugar-phosphatic frame of B-like DNA forms are detected, 6 of them having a set of nomenclatural torsion angles α, β, γ, δ, ε, and ζ which are identical to natural ones. 426 formative conformers of sugar-phosphatic frame of P-like DNA forms with C2'-endo and C3'-endo sugars are determined. Other 509 compounds have a wide spectrum of sugar's conformations, the most numerous ones are C1'-exo and C4'-endo. The obtained results are in good agreement with our previous investigation of a modeled bisugar residue with proton neutralized phosphate group. In our opinion, these results broaden the conception of the structure and the conformational changeability of a DNA macromolecule.
|
| first_indexed | 2025-12-07T13:36:53Z |
| format | Article |
| fulltext |
оповiдi
НАЦIОНАЛЬНОЇ
АКАДЕМIЇ НАУК
УКРАЇНИ
7 • 2011
БIОФIЗИКА
УДК 577.32
© 2011
I. С. Войтешенко, Р.О. Журакiвський,
академiк НАН України Л. А. Булавiн,
член-кореспондент НАН України Д. М. Говорун
Конформацiйний аналiз низькомолекулярної моделi
цукрово-фосфатного кiстяка натрiєвої ДНК
Вперше квантово-механiчним методом на рiвнi теорiї MP2/6-311++G(2df,pd)//DFT
B3LYP/6-31G(d,p) проведено повний конформацiйний аналiз низькомолекулярної натрiє-
вої сполуки, що моделює електронейтральний цукрово-фосфатний кiстяк ДНК. Вста-
новлено, що з усiх 8959 можливих конформерiв лише 51 є твiрними цукрово-фосфатного
кiстяка A-подiбних форм ДНК. Не виявлено модельних A-подiбних форм ДНК з на-
тивними значеннями всiх торсiйних кутiв. Зафiксовано 53 твiрних конформери цукро-
во-фосфатного кiстяка B-подiбних форм ДНК, шiсть з яких мають iдентичний до при-
родних набiр номенклатурних торсiйних кутiв α, β, γ, δ, ε та ζ. Виявлено 426 твiр-
них конформерiв цукрово-фосфатного кiстяка P -подiбних форм ДНК з цукрами C2
′-endo
та C3
′-endo. Решта 509 сполук мають широкий спектр конформацiй цукрiв, найчис-
леннiшими серед яких є C1
′-exo та C4
′-endo. Отриманi результати узгоджуються
з попереднiми дослiдженнями модельного бiцукрового залишку, в яких фосфатна група
нейтралiзована протоном, та розширюють iснуючi уявлення про конформацiйну будову
та мiнливiсть макромолекули ДНК.
У роботi теоретично дослiджено фiзичнi причини спiральностi натрiєвої ДНК сучасними
квантово-механiчними методами з використанням модельного бiцукрово-фосфатного за-
лишку з електронейтральними фосфатними групами. Ця сполука є найпростiшою структур-
ною моделлю полiмерного кiстяка ДНК, який, в свою чергу, слугує надзвичайно важливим
об’єктом дослiдження у бiохiмiї, бiологiї та молекулярнiй бiофiзицi, адже саме рентгеногра-
ма волокон натрiєвої солi тимусної ДНК у B-формi, отримана Р. Франклiн 1952 року [1],
стала головним поштовхом до вiдкриття Дж. Вотсоном i Ф. Криком просторової будови
цiєї молекули [2]. Крiм того, бiльшiсть сучасних бiофiзичних експериментiв поза клiтиною
проводять саме з натрiєвою ДНК — її агрегатними станами та конформацiями [3]. Бiологiч-
но активнi iони, зокрема натрiй, стабiлiзують структуру ДНК, визначають рiвновагу мiж
рiзними її формами, вiдiграють ключову роль у вищих рiвнях її органiзацiї. В свою чер-
гу конформацiйнi властивостi самої молекули ДНК здебiльшого реалiзуються за рахунок
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2011, №7 173
цукрово-фосфатного кiстяка. Тому вичерпнi фiзичнi уявлення про конформацiйну мiнли-
вiсть останнього вiдкривають перспективу кращого розумiння просторової будови ДНК,
зокрема, походження її спiральностi.
Проводячи всебiчний аналiз конформацiйних можливостей модельного бiцукрового за-
лишку, ми продовжуємо започаткований ранiше пiдхiд до теоретичного конформацiйного
аналiзу модельних фрагментiв ДНК [4–6], значно розширюючи та доповнюючи iснуючi да-
нi, та намагаємося вiдповiсти на важливе запитання — якi фiзичнi причини зумовлюють
спiральну структуру цiєї бiологiчно надважливої макромолекули.
Лiтературнi данi про конформацiйну мiнливiсть ДНК, на жаль, значно обмеженi у ви-
борi модельних фрагментiв або реалiзованi на застарiлих теоретичних засадах [7].
Попереднi нашi дослiдження модельного анiонного цукрово-фосфатного кiстяка не ви-
явили у його конформацiйному спектрi бiологiчно поширеної B-форми ДНК. Зафiксовано
лише iснування A-подiбних форм, що мають значно бiльшi кути спiрального обертання
9,2–176,0◦ [5] порiвняно з вiдповiдними значеннями, характерними для нативної макро-
молекули [8]. Аналiз бiцукрово-фосфатного кiстяка ДНК з нейтралiзованою протоном при
атомi кисню О2 фосфатною групою показав, що з усiєї множини його конформерiв лише 107
є твiрними цукрово-фосфатного кiстяка A-подiбних форм ДНК з кутами спiрального обер-
тання, якi лежать в дiапазонi 20,3–176,4◦. В той же час модельних A-подiбних форм ДНК
з усiма нативними значеннями торсiйних кутiв не виявлено. Проте показано, що iснує 11
твiрних конформацiй однорiдного спiрального цукрово-фосфатного кiстяка B-подiбної фор-
ми ДНК з торсiйними кутами, характерними для нативної молекули ДНК, якi забезпечують
при цьому кути спiрального обертання у дiапазонi 69,2–74,3◦ [6].
Об’єкт та методи дослiдження. Стартовi конформери дослiджуваної нами низько-
молекулярної моделi натрiєвого цукрово-фосфатного кiстяка ДНК — електронейтрально-
го натрiєвого бiцукрового залишку (рис. 1) — отримано iз повного конформацiйного сi-
мейства 1′,2′-дидезоксирибози [4]. Фосфатна група нейтралiзована iоном натрiю, локалiзо-
ваним мiж атомами кисню О1 та О2 у положеннi, що описується такими параметрами:
(O3′-P-O2-Na) = −135
◦, (P-O2-Na) = 88
◦ i (O2-Na) = 2,22 Å [9]. Крiм того, додатково
враховано, що джерелом конформацiйної мiнливостi бiцукрового залишку є загальмоване
обертання навколо кожного з одинарних хiмiчних зв’язкiв цукрово-фосфатного кiстяка на
кут 120◦, що вiдповiдає розташуванню номенклатурних торсiйних кутiв в сусiднiх секторах
стiйких значень.
У згаданiй моделi ми намагалися зберегти усi типовi зв’язки та складовi цукрово-фос-
фатного кiстяка ДНК та найповнiше дослiдити його конформацiйну поведiнку, мiнiмiзуючи
при цьому розмiр модельної системи з метою зменшення необхiдного часу розрахункiв [10].
Розрахунки без будь-яких структурних обмежень реалiзованi на рiвнi теорiї MP2/6-
311++G(2df,pd) // DFT B3LYP/6-31G(d,p). Данi коливальних спектрiв використовували
для iдентифiкацiї стiйкостi отриманих структур та для обчислення їхньої вiдносної енергiї
Гiббса при стандартних умовах.
Набiр параметрiв спiралi макромолекули визначали з використанням довжин зв’язкiв,
валентних та двогранних кутiв [11]. У роботi використано стандартнi позначення атомiв та
класичних конформацiйних змiнних цукрово-фосфатного кiстяка ДНК [8].
Квантово-механiчнi розрахунки проведено з використанням програмного пакету “GAUS-
SIAN03′′ для платформи Win32 [12].
Результати та їх обговорення. Встановлено, що модельний натрiєвий бiцукровий за-
лишок цукрово-фосфатного кiстяка ДНК має 8959 стiйких конформерiв. Виявилося, що
174 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2011, №7
Рис. 1. Просторова будова сполуки, що моделює натрiєвий цукрово-фосфатний кiстяк ДНК. Позначення
конформацiйних змiнних i атомiв кiстяка загальноприйняте [8], τ ≡ O3′-P-O2-Na +, θ ≡ P-O2-Na+, d ≡
≡ O2-Na +
Рис. 2. Кiлькiсний розподiл бiцукрових залишкiв, якi моделюють гомогенний натрiєвий цукрово-фосфатний
кiстяк ДНК, за класичними конформацiйними пiдсiмействами: N, S-конформери з пiвнiчними та пiвденними
цукрами вiдповiдно
з усiєї цiєї множини лише 1719 структур мають фуранозне кiльце в однаковiй конформа-
цiї i потенцiйно можуть бути використанi для побудови гомогенного цукрово-фосфатного
кiстяка ДНК. Подальший аналiз показав, що 582 конформери є замкненими структурами,
що унеможливлює побудову з них однорiдних спiралей без стеричних перешкод.
Решта 1137 конформерiв мають прийнятний набiр двогранних кутiв α, β, γ, δ, ε та ζ,
якi дозволяють побудовати з них однорiднi спiралi. Розподiл конформерiв за кутом псевдо-
обертання наведено на рис. 2. Дiапазон вiдносних вiльних енергiй Гiббса становить 0–19,83
ккал/моль при стандартних умовах. Усi сформованi на їх основi електронейтральнi натрiєвi
цукрово-фосфатнi спiральнi структури є правозакрученими.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2011, №7 175
Модельнi бiцукровi залишки гомогенного електронейрального цукрово-фосфатного кiс-
тяка ДНК утворюють два сiмейства.
Перше сiмейство нараховує 202 структури з прийнятними наборами конформацiй-
них параметрiв, що дозволяють отримувати гомогеннi спiральнi цукрово-фосфатнi кiстяки
ДНК у тому розумiннi, що при приєднаннi до них основ з вiдповiдними значеннями кута χ
утворюються структури з основами, зорiєнтованими до осi спiралi. Деякi такi структури
з цукрами C2′-endo i C3′-endo наведено в табл. 1. Конформери сiмейства мають широкий
спектр цукрiв (в дужках вказано їх кiлькiсть): C1′-endo (19), C1′-exo (17), C2′-endo (S) (53),
C2′-exo (N) (44), C3′-endo (N) (51), C4′-endo (13), C4′-exo (1) та О4′-endo (4). Оскiльки кон-
формацiйнi переходи у межах одного з пiдсiмейств (N або S) вiдбуваються практично без
подолання енергетичних бар’єрiв [8], то всi 95 модельних конформерiв з пiдсiмейства N
є твiрними електронейтрального цукрово-фосфатного кiстяка A-одiбних форм ДНК. У ме-
жах розглядуваного сiмейства виявлено 53 конформери з S-цукрами, що є твiрними цукро-
во-фосфатного кiстяка B-подiбних форм ДНК, на вiдмiну вiд модельної сполуки в анiоннiй
формi, де в аналогiчному сiмействi серед бiологiчно важливих конформерiв виявлено лише
конформери з C3′-endo (N) цукрами [5]. В свою чергу отриманi результати узгоджуються
з попереднiми дослiдженнями модельного бiцукрового залишку, коли фосфатна группа ней-
тралiзована протоном [6].
Енергетично найвигiднiшим твiрним конформерам сiмейства з цукровими залишками
в конформацiях C3′-endo та C2′-endo вiдповiдають спiралеподiбнi натрiєвi цукрово-фос-
фатнi кiстяки A- та B-подiбних форм ДНК з кутами спiрального обертання 169,3 та 76,1◦
вiдповiдно (рис. 3). Це майже в п’ять разiв перевищує величину кута спiрального обертання
для нативної A-форми та в два рази — для нативної B-форми ДНК [8]. Даний результат
вказує на те, що вищезгаданi однорiднi спiралi є перекрученими i мiстять запас енергiї, за
рахунок якої може реалiзуватися стiйкiсть подвiйної спiралi ДНК. З цього також випли-
ває, що нетрадицiйною складовою стекiнгових взаємодiй ДНК є притискання сусiднiх пар
основ одна до одної за рахунок напруги у цукрово-фосфатному кiстяку. При цьому в обох
вищезгаданих випадках двограннi кути, що вiдповiдають перекрученим спiралям, iстотно
вiдрiзняються.
Так, в енергетично найвигiднiшому A-подiбному конформерi нативним секторам зна-
чень, що найчастiше реалiзуються в експериментально дослiджених зразках ДНК [13],
з шести торсiйних кутiв вiдповiдає лише один −δ ∈ ск, решта кутiв α, β, γ, ε i ζ зна-
ходяться в секторах ан, ск, ск, −ак i ак, вiдповiдно (рис. 3, а). Повна вiдповiднiсть усiх
шести торсiйних кутiв нативним значенням в модельних конформерах A-подiбних форм
ДНК з цукрами C3′-endo в межах даного сiмейства вiдсутня. Найбiльша вiдповiднiсть при
Таблиця 1. Основнi структурнi параметри вибраних конформерiв, якi є твiрними натрiєвого цукрово-фос-
фатного кiстяка А- та В-подiбних форм ДНК та однорiдних спiралей, що їм вiдповiдають. Тут ∆G — вiльна
енергiя Гiббса при нормальних умовах (ккал/моль); кути (град) позначено, як i у [8], τ ≡ O3′-P-O2-Na
Конформацiя
цукру
Кут спiрального
обертання γ β α ζ ε δ τ P νmax ∆G
C3′-endo 169,3 40,9 82,3 155,0 104,5 −90,3 78,1 148,1 35,5 40,8 0,00
C2′-endo 76,1 49,3 169,2 −70,4 −78,8 −148,8 139,7 121,2 148,2 37,0 4,26
C3′-endo 77,6 51,2 158,3 −64,4 −64,4 −113,5 88,2 119,1 3,2 35,6 8,95
C2′-endo 70,9 −178,7 −167,1 156,8 −79,2 −157,4 138,0 119,6 150,2 38,1 11,06
C3′-endo 44,5 −168,2 −161,1 65,9 73,3 86,6 74,3 126,7 9,3 38,9 13,47
176 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2011, №7
Рис. 3. Модельний натрiєвий цукрово-фосфатний кiстяк A-подiбної форми ДНК, твiрною якого є енергетич-
но найвигiднiший конформер бiцукрово-фосфатного залишку (а), аналогiчний B-подiбний кiстяк ДНК (б )
цьому спостерiгається для конформера з вiдносною енергiєю 8,95 ккал/моль та значенням
кута спiрального обертання 77,6◦ (див. табл. 1), у якому вiдмiннiсть вiд експериментально
спостережуваних параметрiв реалiзується лише для кута ε ∈ −ак.
Повну вiдповiднiсть усiх номенклатурних торсiйних кутiв виявлено лише для шести з 53
електронейтральних спiралеподiбних натрiєвих цукрово-фосфатних конформерiв B-подiб-
них форм ДНК з C2′-endo цукрами, побудованих на модельних твiрних сiмейства. Так,
спiральнi кути цих B-подiбних спiральних кiстякiв лежать у межах вiд 72,6 до 76,1◦, а дiа-
пазон їхнiх вiдносних енергiй Гiббса становить (0–3,90) ккал/моль. Енергетично найвигiд-
нiшою модельною структурою, як у данiй групi з шести конформерiв, так i загалом серед
усiх B-подiбних конформерiв сiмейства, є конформер з кутом спiрального обертання 76,1◦
(рис. 3, б ).
Решта 50 конформерiв A-подiбної форми ДНК є твiрними натрiєвих спiральних цукро-
во-фосфатних кiстякiв, значення кутiв спiрального обертання яких знаходяться в межах
вiд 21,8 до 178,6◦ i порiвняно з нативною ДНК такi спiралi також є здебiльшого перекруче-
ними. В A-подiбнiй спiральнiй структурi з кутом спiрального обертання 44,6◦, що вiдповiдає
найменш енергетично вигiдному твiрному конформеру, природним значенням торсiйних ку-
тiв нативної ДНК [13] вiдповiдає лише кут δ ∈ ск. Решта кутiв набувають таких значень:
γ i β ∈ −ан, α, ζ i ε ∈ ск областям.
Вiдповiдний дiапазон кутiв спiрального обертання для 52 B-подiбних форм цукрово-фос-
фатного кiстяка ДНК без найбiльш енергетично вигiднiшого конформера має межi вiд 48,5
до 156,3◦. У найменш енергетично вигiдному B-подiбному конформерi сiмейства природним
значенням торсiйних кутiв вiдповiдають чотири з них: β, ε ∈ −ан, ζ ∈ −ск i δ ∈ ак. Кути
γ ∈ −ан i α ∈ ан, в свою чергу, реалiзують кут спiрального обертання 70,9◦. Усi твiрнi
конформери першого сiмейства при стандартних умовах знаходяться у дiапазонi вiдносних
енергiй Гiббса (0–17,25) ккал/моль.
Друге сiмейство конформерiв — твiрнi гомогенних спiралей, основи в яких зорiєнтованi
вiд осi спiралi, налiчує 935 конформерiв. Всi вони є твiрними спiралеподiбних електроней-
тральних цукрово-фосфатних кiстякiв P -подiбних форм ДНК [14]. Серед них 256 модель-
них сполук мають цукри в конформацiях C2′-endo (S), що характерно для B-форм, i 170 —
з конформацiєю C3′-endo (N), характерною для A-форм ДНК. Основнi параметри енерге-
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2011, №7 177
тично невигiдних та найбiльш вигiдних конформерiв з C2′-endo (S) i C3′-endo (N) цукрами
наведено в табл. 2.
Решта структур, а саме 509 конформерiв другого сiмейства, мають цукри в таких кон-
формацiях (в дужках наводиться їх кiлькiсть): C1′-exo (192), O4′-endo (27), C1′-endo (8)
та C4′-exo (40), а також 72 конформери з цукрами C2′-exo, що вiдносяться до N-сiмейства
(A-подiбної форми ДНК). Крiм того, присутнi 170 модельних сполук з С4′-endo цукрами,
що рiдко зустрiчаються в природнi ДНК. Кут спiрального обертання, який вiдповiдає цим
твiрним конформерам, лежить у дiапазонi (16,2–180,0)◦. Твiрних конформацiй з енергетич-
но невигiдним шляхом переходу вiд S до N через цукри O4′-exo не виявлено.
Енергетично найвигiднiшому твiрному конформеру з другого сiмейства, який продукує
електронейтральний цукрово-фосфатний кiстяк P -подiбної форми ДНК з C2′-endo цукром,
вiдповiдає кут спiрального обертання 136,2◦ (рис. 4, а). При цьому торсiйнi кути, якi ви-
значають параметри спiралi — γ, ε i δ, — лежать у межах природних областей ск, −ак i ак ;
iншi три, що реалiзують P -подiбний стан, розмiщенi у такий спосiб: α ∈ ан, ζ ∈ −ск i β ∈ ск.
Спiраль, яка вiдповiдає P -формi ДНК i побудована на основi енергетично найбiльш
невигiдного конформера модельного електронейтрального цукрово-фосфатного залишку
з C2′-endo цукром, має кут спiрального обертання 153,3◦ та торсiйнi кути β i δ, значен-
ня яких подiбнi до вiдповiдних кутiв у полiнуклеотидах, а також кути γ i α ∈ −ан, ε ∈ −сн
та ζ ∈ ск, якi реалiзують її перекручений стан.
Найбiльш та найменш енергетично вигiднi модельнi конформери — твiрнi електроней-
тральних цукрово-фосфатних кiстякiв P -подiбних форм ДНК з C3′-endo цукрами — мають
кути спiрального обертання 163,1 та 119,5◦, вiдповiдно. В енергетично невигiдному конфор-
мерi кути δ i β вiдповiдають його природному значенню в полiнуклеотидах. В найбiльш
вигiднiй модельнiй сполуцi теж два з них — ζ ∈ −ск i δ ∈ ск є прийнятними, решта реалiзує
значне перекручення (рис. 4, б ).
Таким чином, на рiвнi теорiї MP2/6-311++G(2df,pd)//DFT B3LYP/6-31G(d,p) прове-
дено вичерпний конформацiйний аналiз низькомолекулярної сполуки, що моделює цукро-
во-фосфатний кiстяк ДНК, фосфатнi групи якого нейтралiзованi iонами натрiю. Встанов-
лено, що з усiх 8959 його конформерiв лише 51 є твiрними цукрово-фосфатного кiстяка
A-подiбних форм ДНК з кутами спiрального обертання, якi лежать в дiапазонi 21,8–178,6◦.
Модельних A-подiбних форм ДНК, що мають нативнi значення усiх торсiйних кутiв, не
виявлено. Показано, що iснує шiсть твiрних конформацiй однорiдного спiрального цукро-
во-фосфатного кiстяка B-подiбної форми ДНК з торсiйними кутами, характерними для на-
тивної молекули ДНК, якi забезпечують кути спiрального обертання у дiапазонi 72,6–76,1◦.
Виявлено також 426 конформерiв з C2′-endo та C3′-endo цукрами, якi є твiрними спiральних
цукрово-фосфатних кiстякiв P -подiбних форм ДНК.
Таблиця 2. Основнi структурнi параметри енергетично найвигiднiших та енергетично невигiдних конфор-
мерiв, якi є твiрними спiральних натрiєвих цукрово-фосфатних кiстякiв P -подiбних форм ДНК та спiралей,
що їм вiдповiдають з C2′-endo та C3′-endo цукрами (позначення тi ж самi, що й у табл. 1)
Конформацiя
цукру
Кут спiрального
обертання γ β α ζ ε δ τ P νmax ∆G
C2′-endo 136,2 48,6 88,9 148,9 −73,6 −148,5 140,3 148,2 147,5 37,4 0,00
C3′-endo 163,1 38,8 81,2 155,6 −72,3 −108,1 79,0 146,5 35,1 39,8 0,30
C2′-endo 153,3 −176,9 150,4 −149,8 66,5 −2,9 141,2 123,3 160,8 35,5 15,71
C3′-endo 119,5 177,8 166,4 −159,5 65,4 49,0 68,0 123,7 32,0 42,0 17,61
178 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2011, №7
Рис. 4. Спiраль цукрово-фосфатного кiстяка натрiєвої P -подiбної форми ДНК, твiрною якої є енергети-
чно найвигiднiший конформер другого сiмейства з C2′-endo цукром (а) та аналогiчна спiраль з C3′-endo
цукром (б )
Решта модельних сполук мають широкий конформацiйний спектр цукрiв, найчисленнi-
шими з яких є пiдсiмейства C1′-exo i C4′-endo. Отриманi результати, на нашу думку, роз-
ширюють iснуючi уявлення про конформацiйну будову та мiнливiсть макромолекули ДНК.
1. Franklin R.E., Gosling R.G. Molecular Configuration in Sodium Thymonucleate // Nature. – 1953. –
171. – P. 740–741.
2. Watson J. D., Crick F. A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid // Ibid. – 1953. – 171. – P. 737–738.
3. Благой Ю.П., Галкин В.Л., Гладченко Г.О. и др. Металлокомплексы нуклеиновых кислот в раство-
рах. – Киев: Наук. думка, 1991. – 272 с.
4. 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.
5. Войтешенко I. С., Журакiвський Р.О., Булавiн Л.А., Говорун Д.М. Конформацiйний аналiз низь-
комолекулярної моделi анiонного цукрово-фосфатного ланцюга ДНК // Там само. – 2010. – № 11. –
С. 158–166.
6. Войтешенко I. С., Журакiвський Р.О., Булавiн Л.А., Говорун Д.М. Повний конформацiйний аналiз
низькомолекулярної електронейтральної моделi цукрово-фосфатного ланцюга ДНК // Там само. –
2011. – № 6. – С. 188–196.
7. Marynick D. S., Schaefer H. F. Theoretical studies of metal-phosphate interactions: interaction of Li+,
Na+, K+, Be++, Mg++, and Ca++ with H2PO4 – and (CH3O)2PO2 –: implications for nucleic acid
salvation // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. – 1975. – 72. – P. 3794–3798.
8. Зенгер В. Принципы структурной организации нуклеиновых кислот. – Москва: Мир, 1987. –
584 с.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2011, №7 179
9. Florian J., Baumruk V., Strajbl M., Bednarova L., Stepanek J. IR and Raman Spectra, Conformational
Flexibility, and Scaled Quantum Mechanical Force Fields of Sodium Dimethyl Phosphate and Dimethyl
Phosphate Anion // J. Phys. Chem. – 1996. – 5. – P. 1559–1568.
10. Foresman J. B., Frisch A. Exploring chemistry with electronic structure. – Wallingford, CT: Gaussian Inc.,
1996. – 354 p.
11. Sugeta H., Miyazawa T. General method for calculating helical parameters of polymer chains from bond
lengths, bond angles, and internal-rotation angles // Biopolymers. – 1967. – 5. – P. 673–679.
12. Frisch M. J., Trucks G.W., Schlegel H. B., Scuseria G. E., Robb M.A., Cheeseman J. R., Montgome-
ry 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., Pople J. A. Gaussian 03, Revision С. 02. –
Wallingford, CT: Gaussian Inc., 2004.
13. Schneide B., Neidle St., Berman H.M. Conformations of the Sugar-Phosphate Backbone in Helical DNA
Crystal Structures // Biopolymers. – 1997. – 42. – P. 113–124.
14. Pauling L., Corey R. B. A Proposed Structure For The Nucleic Acids // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. –
1953. – 39. – P. 84–97.
Надiйшло до редакцiї 22.10.2010Київський нацiональний унiверситет
iм. Тараса Шевченка
Iнститут молекулярної бiологiї та генетики
НАН України, Київ
Iнститут високих технологiй Київського
нацiонального унiверситету iм. Тараса Шевченка
I. S. Voiteshenko, R.O. Zhurakivsky,
Academician of the NAS of Ukraine L.A. Bulavin,
Corresponding Member of the NAS of Ukraine D.M. Hovorun
Conformational analysis of a low-molecular model of sugar-phosphatic
DNA sodium chain
The complete conformational analysis of a low-molecular sodium compound which simulates
the electroneutral sugar-phosphatic frame of DNA by a quantum-mechanical method at MP2/6-
311++G(2df,pd)// DFT B3LYP/6-31G(d,p) level of theory is first performed. It is shown that
only 51 from all 8959 possible conformers are formative for sugar-phosphatic frame of A-like DNA
forms, among which there are no modeled A-like DNA forms with native values of all torsion
angles. 53 formative conformers of sugar-phosphatic frame of B-like DNA forms are detected, 6
of them having a set of nomenclatural torsion angles α, β, γ, δ, ε, and ζ which are identical
to natural ones. 426 formative conformers of sugar-phosphatic frame of P -like DNA forms wi-
th C2
′-endo and C3
′-endo sugars are determined. Other 509 compounds have a wide spectrum of
sugar’s conformations, the most numerous ones are C1
′-exo and C4
′-endo. The obtained results
are in good agreement with our previous investigation of a modeled bisugar residue with proton
neutralized phosphate group. In our opinion, these results broaden the conception of the structure
and the conformational changeability of a DNA macromolecule.
180 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2011, №7
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-38152 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1025-6415 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-07T13:36:53Z |
| publishDate | 2011 |
| publisher | Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Войтешенко, І.С. Жураківський, Р.О. Булавін, Л.А. Говорун, Д.М. 2012-10-31T13:58:22Z 2012-10-31T13:58:22Z 2011 Конформаційний аналіз низькомолекулярної моделі цукрово-фосфатного кістяка натрієвої ДНК / І.С. Войтешенко, Р.О. Жураківський, Л.А. Булавін, Д.М. Говорун // Доп. НАН України. — 2011. — № 7. — С. 173-180. — Бібліогр.: 14 назв. — укр. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/38152 577.32 Вперше квантово-механічним методом на рівні теорії MP2/6-311++G(2df,pd)//DFT B3LYP/6-31G(d,p) проведено повний конформаційний аналіз низькомолекулярної натрієвої сполуки, що моделює електронейтральний цукрово-фосфатний кістяк ДНК. Встановлено, що з усіх 8959 можливих конформерів лише 51 є твірними цукрово-фосфатного кістяка A-подібних форм ДНК. Не виявлено модельних A-подібних форм ДНК з нативними значеннями всіх торсійних кутів. Зафіксовано 53 твірних конформери цукрово-фосфатного кістяка B-подібних форм ДНК, шість з яких мають ідентичний до природних набір номенклатурних торсійних кутів α, β, γ, δ, ε та ζ. Виявлено 426 твірних конформерів цукрово-фосфатного кістяка P-подібних форм ДНК з цукрами C2'-endo та C3'-endo. Решта 509 сполук мають широкий спектр конформацій цукрів, найчисленнішими серед яких є C1'-exo та C4'-endo. Отримані результати узгоджуються з попередніми дослідженнями модельного біцукрового залишку, в яких фосфатна група нейтралізована протоном, та розширюють існуючі уявлення про конформаційну будову та мінливість макромолекули ДНК. The complete conformational analysis of a low-molecular sodium compound which simulates the electroneutral sugar-phosphatic frame of DNA by a quantum|=|mechanical method at MP2/6-311++G(2df,pd)//DFT B3LYP/6-31G(d,p) level of theory is first performed. It is shown that only 51 from all 8959 possible conformers are formative for sugar-phosphatic frame of A-like DNA forms, among which there are no modeled A-like DNA forms with native values of all torsion angles. 53 formative conformers of sugar-phosphatic frame of B-like DNA forms are detected, 6 of them having a set of nomenclatural torsion angles α, β, γ, δ, ε, and ζ which are identical to natural ones. 426 formative conformers of sugar-phosphatic frame of P-like DNA forms with C2'-endo and C3'-endo sugars are determined. Other 509 compounds have a wide spectrum of sugar's conformations, the most numerous ones are C1'-exo and C4'-endo. The obtained results are in good agreement with our previous investigation of a modeled bisugar residue with proton neutralized phosphate group. In our opinion, these results broaden the conception of the structure and the conformational changeability of a DNA macromolecule. uk Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Доповіді НАН України Біофізика Конформаційний аналіз низькомолекулярної моделі цукрово-фосфатного кістяка натрієвої ДНК Conformational analysis of a low-molecular model of sugar-phosphatic DNA sodium chain Article published earlier |
| spellingShingle | Конформаційний аналіз низькомолекулярної моделі цукрово-фосфатного кістяка натрієвої ДНК Войтешенко, І.С. Жураківський, Р.О. Булавін, Л.А. Говорун, Д.М. Біофізика |
| title | Конформаційний аналіз низькомолекулярної моделі цукрово-фосфатного кістяка натрієвої ДНК |
| title_alt | Conformational analysis of a low-molecular model of sugar-phosphatic DNA sodium chain |
| title_full | Конформаційний аналіз низькомолекулярної моделі цукрово-фосфатного кістяка натрієвої ДНК |
| title_fullStr | Конформаційний аналіз низькомолекулярної моделі цукрово-фосфатного кістяка натрієвої ДНК |
| title_full_unstemmed | Конформаційний аналіз низькомолекулярної моделі цукрово-фосфатного кістяка натрієвої ДНК |
| title_short | Конформаційний аналіз низькомолекулярної моделі цукрово-фосфатного кістяка натрієвої ДНК |
| title_sort | конформаційний аналіз низькомолекулярної моделі цукрово-фосфатного кістяка натрієвої днк |
| topic | Біофізика |
| topic_facet | Біофізика |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/38152 |
| work_keys_str_mv | AT voitešenkoís konformacíiniianalíznizʹkomolekulârnoímodelícukrovofosfatnogokístâkanatríêvoídnk AT žurakívsʹkiiro konformacíiniianalíznizʹkomolekulârnoímodelícukrovofosfatnogokístâkanatríêvoídnk AT bulavínla konformacíiniianalíznizʹkomolekulârnoímodelícukrovofosfatnogokístâkanatríêvoídnk AT govorundm konformacíiniianalíznizʹkomolekulârnoímodelícukrovofosfatnogokístâkanatríêvoídnk AT voitešenkoís conformationalanalysisofalowmolecularmodelofsugarphosphaticdnasodiumchain AT žurakívsʹkiiro conformationalanalysisofalowmolecularmodelofsugarphosphaticdnasodiumchain AT bulavínla conformationalanalysisofalowmolecularmodelofsugarphosphaticdnasodiumchain AT govorundm conformationalanalysisofalowmolecularmodelofsugarphosphaticdnasodiumchain |