Молекулярная и электронная структуры фрагмента металлизированной ДНК-пары аденин-тимин с ионом цинка

To study physical properties of fragments of metallic DNA (M-DNA), molecular and electronic structures and thermodynamic characteristics of the adenine-thymine pair with a Zn2+ ion (the ion was placed between nucleic acid bases) and of components forming this pair are calculated at the МР2/6–31 +G*...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2008
Hauptverfasser: Рубин, Ю.В., Белоус, Л.Ф., Якуба, А.А.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2008
Schlagworte:
Online Zugang:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/4669
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Молекулярная и электронная структуры фрагмента металлизированной ДНК-пары аденин-тимин с ионом цинка / Ю.В. Рубин, Л.Ф. Белоус, А.А. Якуба // Доп. НАН України. — 2008. — № 5. — С. 186-191. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-4669
record_format dspace
spelling nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-46692025-02-09T09:35:46Z Молекулярная и электронная структуры фрагмента металлизированной ДНК-пары аденин-тимин с ионом цинка Рубин, Ю.В. Белоус, Л.Ф. Якуба, А.А. Біофізика To study physical properties of fragments of metallic DNA (M-DNA), molecular and electronic structures and thermodynamic characteristics of the adenine-thymine pair with a Zn2+ ion (the ion was placed between nucleic acid bases) and of components forming this pair are calculated at the МР2/6–31 +G* level of theory. As well, the calculations were performed for adeni- ne-thymine-Zn2+-hydroxyl. It was revealed that the following bond lengths changed in investigated complexes: on the N3-C2-N1-C6-N10 fragment in the adenine, on С2-N3-C4-C5-C6-N1 fragment on the pyrimidine ring, and on C4-O8 in thymine, in comparison with neutral molecules. Charges on atoms changed at the same fragments. In the complexes calculated, the interaction energies of base pairs with Zn2+ are significantly higher than that of imino-proton with the AT pair or that of Zn2+ with its hydrate shell (6 water molecules). The HOMO and LUMO analyses of the ATZn+ triple complex and the AT pair showed the increase of sizes of the triple complex LUMO, which points to a possibility of the electron delocalization over the whole complex. 2008 Article Молекулярная и электронная структуры фрагмента металлизированной ДНК-пары аденин-тимин с ионом цинка / Ю.В. Рубин, Л.Ф. Белоус, А.А. Якуба // Доп. НАН України. — 2008. — № 5. — С. 186-191. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/4669 577.3 ru application/pdf Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
topic Біофізика
Біофізика
spellingShingle Біофізика
Біофізика
Рубин, Ю.В.
Белоус, Л.Ф.
Якуба, А.А.
Молекулярная и электронная структуры фрагмента металлизированной ДНК-пары аденин-тимин с ионом цинка
description To study physical properties of fragments of metallic DNA (M-DNA), molecular and electronic structures and thermodynamic characteristics of the adenine-thymine pair with a Zn2+ ion (the ion was placed between nucleic acid bases) and of components forming this pair are calculated at the МР2/6–31 +G* level of theory. As well, the calculations were performed for adeni- ne-thymine-Zn2+-hydroxyl. It was revealed that the following bond lengths changed in investigated complexes: on the N3-C2-N1-C6-N10 fragment in the adenine, on С2-N3-C4-C5-C6-N1 fragment on the pyrimidine ring, and on C4-O8 in thymine, in comparison with neutral molecules. Charges on atoms changed at the same fragments. In the complexes calculated, the interaction energies of base pairs with Zn2+ are significantly higher than that of imino-proton with the AT pair or that of Zn2+ with its hydrate shell (6 water molecules). The HOMO and LUMO analyses of the ATZn+ triple complex and the AT pair showed the increase of sizes of the triple complex LUMO, which points to a possibility of the electron delocalization over the whole complex.
format Article
author Рубин, Ю.В.
Белоус, Л.Ф.
Якуба, А.А.
author_facet Рубин, Ю.В.
Белоус, Л.Ф.
Якуба, А.А.
author_sort Рубин, Ю.В.
title Молекулярная и электронная структуры фрагмента металлизированной ДНК-пары аденин-тимин с ионом цинка
title_short Молекулярная и электронная структуры фрагмента металлизированной ДНК-пары аденин-тимин с ионом цинка
title_full Молекулярная и электронная структуры фрагмента металлизированной ДНК-пары аденин-тимин с ионом цинка
title_fullStr Молекулярная и электронная структуры фрагмента металлизированной ДНК-пары аденин-тимин с ионом цинка
title_full_unstemmed Молекулярная и электронная структуры фрагмента металлизированной ДНК-пары аденин-тимин с ионом цинка
title_sort молекулярная и электронная структуры фрагмента металлизированной днк-пары аденин-тимин с ионом цинка
publisher Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate 2008
topic_facet Біофізика
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/4669
citation_txt Молекулярная и электронная структуры фрагмента металлизированной ДНК-пары аденин-тимин с ионом цинка / Ю.В. Рубин, Л.Ф. Белоус, А.А. Якуба // Доп. НАН України. — 2008. — № 5. — С. 186-191. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.
work_keys_str_mv AT rubinûv molekulârnaâiélektronnaâstrukturyfragmentametallizirovannojdnkparyadenintiminsionomcinka
AT belouslf molekulârnaâiélektronnaâstrukturyfragmentametallizirovannojdnkparyadenintiminsionomcinka
AT âkubaaa molekulârnaâiélektronnaâstrukturyfragmentametallizirovannojdnkparyadenintiminsionomcinka
first_indexed 2025-11-25T08:49:19Z
last_indexed 2025-11-25T08:49:19Z
_version_ 1849751583730958336
fulltext оповiдi НАЦIОНАЛЬНОЇ АКАДЕМIЇ НАУК УКРАЇНИ 5 • 2008 БIОФIЗИКА УДК 577.3 © 2008 Ю.В. Рубин, Л.Ф. Белоус, А.А. Якуба Молекулярная и электронная структуры фрагмента металлизированной ДНК-пары аденин-тимин с ионом цинка (Представлено членом-корреспондентом НАН Украины Д. Н. Говоруном) To study physical properties of fragments of metallic DNA (M-DNA), molecular and electronic structures and thermodynamic characteristics of the adenine-thymine pair with a Zn 2+ ion (the ion was placed between nucleic acid bases) and of components forming this pair are calculated at the МР2/6–31 +G* level of theory. As well, the calculations were performed for adeni- ne-thymine-Zn 2+-hydroxyl. It was revealed that the following bond lengths changed in investi- gated complexes: on the N3-C2-N1-C6-N10 fragment in the adenine, on С2-N3-C4-C5-C6-N1 fragment on the pyrimidine ring, and on C4-O8 in thymine, in comparison with neutral mo- lecules. Charges on atoms changed at the same fragments. In the complexes calculated, the interaction energies of base pairs with Zn 2+ are significantly higher than that of imino-proton with the AT pair or that of Zn 2+ with its hydrate shell (6 water molecules). The HOMO and LUMO analyses of the ATZn + triple complex and the AT pair showed the increase of sizes of the triple complex LUMO, which points to a possibility of the electron delocalization over the whole complex. В 1990-е гг. канадские исследователи обнаружили, что ионы некоторых двухвалентных ме- таллов (Ni2+, Co2+, Zn2+) способны встраиваться в пары оснований ДНК [1]. Такую струк- туру ДНК (М-ДНК) экспериментально получают в щелочной среде при pH 8,5–9,5 [1–3]. ЯМР исследования данной структуры показали отсутствие сигнала иминопротонов. Это позволило пpедположить, что в каждой паре оснований иминный протон замещен ионом пе- реходного металла [1]. Рентгеноструктурные исследования М-ДНК отсутствуют. В прямых исследованиях проводимости М-ДНК, помещенной между золотыми электродами, было показано, что М-ДНК является лучшим проводником электрического тока по сравнению с В-формой ДНК [2]. Аналогичный вывод был сделан на основе флуорометрических иссле- дований электронного транспорта в синтетических олигонуклеотидах с присоединенными по концам донором и акцептором [4]. Сейчас обсуждается вопрос об использовании М-ДНК в качестве нанопроводника и в качестве биосенсора в нанотехнологиях [3]. 186 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008, №5 С целью подробного изучения и моделирования молекулярной структуры М-ДНК и ме- ханизма проводимости в ней нами проведен неэмпирический расчет пространственной и электронной структуры, термодинамических свойств пар оснований: пары аденин-тимин с расположенным между основаниями ионом цинка (AТZn+), пары аденин-тимин (АТ) и их составляющих. Ранее мы изучали электронную структуру пары аденин-урацил с ио- ном цинка [5]. Методы расчета. Расчеты полной энергии и пространственной структуры пары аде- нин-тимин (АТ), комплекса этой пары с ионом цинка Zn2+, (ATZn+), комплекса пары АТ с ионом цинка, гидроксилом и двумя молекулами воды (ATZnOH), молекул аденина (А), протонированного по N1 аденина (Ар+), комплекса тимина с цинком (ТZn+), тимина (T) проводились методами DFT и МР2 с базисом 6–31G∗ и 6–31+G ∗ с помощью пакетов про- грамм Gaussian03 и Games(R5) [6, 7]. Гидроксил ОН− в комплексе ATZnOH моделировал щелочную среду; молекулы воды в нем, расположенные над и под ионом цинка, модели- ровали возможное взаимодействие иона цинка с соседними по стопке парами оснований в макромолекуле ДНК. Был также проведен расчет агрегатов иона цинка с шестью моле- кулами воды и иона цинка с гидроксилом (ZnOH+) в окружении семи молекул воды. Оптимизация молекулярной структуры вначале проводилась с помощью метода DFT, а затем молекулярная структура реоптимизировалась с помощью метода МР2 с использо- ванием базиса 6–31+G ∗ для всех структур, кроме комплекса АТZnOH. Для оптимизации геометрии этого комплекса использовался базис 6–31+G ∗ для иона цинка и базис 6–31G* — для остальных атомов комплекса. Для проверки правильности оптимизации геометрии изу- чаемых структур и расчета термодинамических характеристик проводился расчет колеба- тельного спектра. Установлено отсутствие отрицательных частот в колебательном спектре. Расчеты энергии взаимодействия в комплексах проводились с учетом ошибки BSSE. За- ряд электростатического потенциала рассчитывался с помощью метода Мерц-Колмена [8]. Для визуализации пространственной структуры и молекулярных орбиталей использова- лась программа ChemCraft [9]. Результаты и обсуждение. Как видно на рис. 1, б, при образовании комплекса ATZn+ ион цинка образует три координационных связи с атомом N1 аденина и атомами N3 и O8 тимина. Расстояния между атомом N1 аденина и ионом цинка, атомом N3 тимина и ионом цинка и атомом О8 тимина и ионом цинка соответственно равны 1,898, 1,897 и 2,096 Å. Между атомами N10 аденина и O8 тимина, по-видимому, сохранилась водородная связь (расстояние между этими атомами лишь на 0,1 Å больше, чем между соответствующими атомами в паре АТ). Структура комплекса почти плоская, двугранный угол между пло- скостями оснований равен 176,3◦. При образовании комплекса ATZnOH ион цинка образует также три координационных связи: с атомами N1 аденина, N3 тимина и кислородом гидроксила (см. рис. 1, в), длины связей составляют 2,124, 2,039 и 1,893 Å соответственно. Молекулы воды образуют водо- родные связи с атомами О7 тимина и кислородом гидроксила (нижняя молекула воды) и О8 тимина (верхняя молекула). Вследствие образования водородных связей с молекулами воды структура комплекса существенно неплоская — двугранный угол между плоскостями оснований равен 136◦, пропеллерность оснований составляет 40◦. Расстояние от иона цинка до кислорода верхней молекулы воды равно 2,241 Å, до кислорода нижней молекулы — 2,310 Å, т. е. меньше суммы ван-дер-ваальсовых радиусов рассматриваемых атомов. Анализ длин связей в комплексе ATZn+, в комплексе ATZnOH и протонированном аде- нине в сравнении с длинами связей в изолированном аденине показал, что при образовании ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2008, №5 187 Рис. 1. Структурные формулы пары АТ (а), комплексов АТZn+ (б ) и АТZnОН (в — вид сверху, г — вид сбоку). На рис. г видны две молекулы воды в комплексе ATZnOH, расположенные над и под ионом цинка комплекса с ионом цинка изменение длин связей более чем на 0,02 Å в молекуле аденина произошло на фрагменте N3—C2—N1—C6—N10 (рис. 2, а). Изменения длин связей в ком- плексе ATZnOH по модулю меньше, чем в комплексе ATZn+ и протонированном аденине. Симбатное изменение длин связей согласуется с гипотезой о сходном влиянии протони- рования и координации с ионом металла на физические свойства оснований нуклеиновых кислот [10]. У тимина (см. рис. 2, б ) длины связей в комплексах TZn+, ATZn+ и ATZnOH существенно (более чем на 0,015 Å) изменились на фрагменте N3—C4—C5—С6—N1—С2 пиримидинового кольца и на экзоциклическом фрагменте С4—О8, участвующем в образо- вании координационной и водородной связей. Сравнение рассчитанных длин связей и данных рентгеноструктурного анализа [11, 12] показало, что имеется хорошее согласие между рассчитанными и экспериментальными дли- нами связей как для нейтральной молекулы аденина, так и для протонированной формы, а также для пары АТ. Различия между рассчитанными и экспериментально определен- ными длинами связей составляют ±1,5%. Рассчитанные нами заряды электростатического потенциала нейтральной и протони- рованной молекул аденина, нейтральной молекулы тимина, комплексов TZn+, ATZn+ и ATZnOH приведены в табл. 1. При образовании комплексов с ионом цинка и протонирова- нии аденина по N1 наибольшие изменения произошли на атомах N1, C2, N3, С5, C6, C8, N10, протонах при C2, N10 аденина. При образовании комплексов ТZn+, ATZn+ и ATZnOH наибольшие изменения величин зарядов отмечены на атомах С2, N3, C4, C6 (заряд на C6 188 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008, №5 Рис. 2. Изменения длин связей аденина (а) и тимина (б ) при образовании комплексов TZn+, ATZn+, ATZnOH и протонировании аденина (Ap+). Обозначения длин связей: а: 1 — N1—C2; 2 — C2—N3; 3 — N3—C4; 4 — C4—C5; 5 — C5—C6; 6 — N1—C6; 7 — C5—N7; 8 — N7—C8; 9 — C8—N9; 10 — C4—N9; 11 — C2—H11; 12 — C6—N10; 13 — N10—H12; 14 — N10—H13; 15 — C8—H14; 16 — N9—H15. б : 1 — N1—C2; 2 — C2—N3; 3 — N3—C4; 4 — C4—C5; 5 — C5—C6; 6 — N1—C6; 7 — C2—O7; 8 — C4—O8; 9 — C5—C9; 10 — N1—H9; 11 — N3—H10; 12 — C6—H12; 13 — C5—H13; 14 — C5—H14; 15 — C5—H15. На рис. б не показаны изменения длины связи N3—Zn по сравнению с длиной связи N3—Н10 из-за их большой величины (> 0,7 Å) в комплексах TZn+ и ATZn+ поменял знак), О8. В отличие от аденина изменения зарядов на атомах тимина в составе комплексов носят симбатный характер. C целью выяснения причин внедрения иона цинка между основаниями изученных пар проведен расчет энергий взаимодействия в паре АТ и в этой же паре с ионом цинка. Показано, что энергия взаимодействия в паре АТ (между аденином и тимином) равна 12,05 ккал/моль, что согласуется с экспериментальными и расчетными данными [13, 14]. Энергия взаимодействия иона цинка с молекулами аденина и тимина в комплексе ATZn+ значительно выше, чем энергия взаимодействия иминопротона с анионом тимина и адени- ном и энергия взаимодействия иона цинка с его гидратной оболочкой (шестью молекулами воды) — 472,3, 377,1, 250,3 ккал/моль соответственно. Энергия взаимодействия иона цинка и гидроксила (ZnOH+) с молекулами аденина и тимина в комплексе АТZnОН значительно выше, чем энергия взаимодействия иона цинка с гидроксилом с их общей гидратной обо- лочкой — 250 и 180 ккал/моль соответственно. Все это делает выгодным нахождение иона цинка между основаниями нуклеиновых кислот. Значительный интерес представляет анализ формы верхней занятой и нижней свобод- ной молекулярных орбиталей пары оснований АТ с ионом цинка и без него. Как видно из рис. 3, в образовании верхней занятой орбитали пары оснований AТ принимают участие орбитали аденина, а в образовании нижней свободной орбитали — орбитали тимина. В обра- зовании верхней занятой орбитали комплекса ATZn+ принимают участие орбитали тимина, но в образовании нижней свободной орбитали этого комплекса уже участвуют орбитали ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2008, №5 189 Рис. 3. Рассчитанные формы верхней занятой (слева) и нижней свободной (справа) молекулярных орбиталей пары АТ и комплекса АТZn+ Таблица 1. Заряды электростатического потенциала на атомах изолированных аденина и тимина (А(Т)), протонированного аденина (Ар+), в комплексе тимина с цинком (TZn+), в комплексе аденин — тимин — цинк (ATZn+) и в комплексе аденин — тимин — цинк-гидроксил (ATZnОН) Атом А(Т) Ap+ TZn+ ATZnOH ATZn+ N1 −0,714 −0,668 −0,385 −0,896 C2 0,509 0,360 0,305 0,438 N3 −0,780 −0,583 −0,676 −0,612 C4 0,739 0,715 0,592 0,741 C5 −0,044 −0,020 0,297 0,043 C6 0,584 0,736 0,205 0,727 N7 −0,579 −0,535 −0,626 −0,577 C8 0,255 0,363 0,271 0,378 N9 −0,648 −0,622 −0,608 −0,711 N10 −0,766 −0,930 −0,680 −0,960 H11 0,067 0,159 0,170 0,091 H12 0,351 0,477 0,383 0,462 H13 0,365 0,477 0,326 0,516 H14 0,143 0,157 0,137 0,153 H15 0,429 0,455 0,426 0,474 N′1 −0,507 −0,608 −0,525 −0,527 C′2 0,687 1,217 0,840 0,995 N′3 −0,629 −1,328 −0,768 −1,119 C′4 0,687 0,957 0,772 0,951 C′5 −0,001 −0,085 −0,057 −0,115 C′6 −0,054 0,145 −0,081 0,035 O′7 −0,582 −0,613 −0,678 −0,527 O′8 −0,552 −0,758 −0,634 −0,798 C′9 −0,510 −0,519 −0,401 −0,464 H′10 0,369 0,381 0,383 0,378 H′11 (Zn) 0,373 1,459 1,085 1,280 H′12 0,185 0,191 0,198 0,205 H′13 0,166 0,204 0,128 0,172 H′14 0,137 0,205 0,131 0,175 H′15 0,166 0,154 0,119 0,152 190 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008, №5 аденина, иона цинка и тимина, т. е. размеры молекулярной орбитали существенно увели- чиваются и возможна делокализация электрона в пределах двух оснований. Проведенный нами расчет также показал, что энергии верхней занятой и нижней свободной молекуляр- ных орбиталей для тройного комплекса выше, чем для пары АТ без иона цинка. На основании проведенных расчетов можно сделать следующие выводы. При образова- нии комплексов пары АТ с ионом цинка произошли изменения длин связей на фрагменте N3—C2—N1—C6—N10 аденина по сравнению с изолированной нейтральной молекулой аде- нина, по всему пиримидиновому кольцу тимина, кроме связи C2—N3, а также на экзоци- клическом фрагменте С4—О8. Комплекс АТZn+ является почти плоским. Образование комплексов АТ пары с ионом цинка сопровождалось изменениями зарядов на атомах N1, C2, N3, С5, C6, C8, N10, протонах при C2, N10 аденина и на атомах C2, N3, C4, C6, O8 тимина. Энергия взаимодействия иона цинка с аденином и тимином в изученных комплексах значительно выше, чем иминопротона в паре АТ. Нижняя свободная орбиталь комплекса ATZn+ включает орбитали аденина, тимина и иона цинка, в то время как в паре АТ она локализована на тимине, что указывает на делокализацию электрона в пределах комплекса. Авторы благодарят Институт кибернетики им. В.М. Глушкова НАН Украины и Институт монокристаллов НАН Украины за предоставление машинного времени. 1. Aich P., Labiuk S. L., Tari L.W. et al. M-DNA: A complex between divalent metal ions and DNA which behaves as a molecular wire // J. Mol. Biol. – 1999. – 294. – P. 477–485. 2. Rakitin A., Aich P., Papadopoulos C. et al. Metallic conduction through engineered DNA: DNA nanoelect- ronic building blocks // Phys. Rev. Lett. – 2001. – 86. – P. 3670–3673. 3. Wettig S. D., Li C. Z., Long Y.T. et al. M-DNA: a self-assembling molecular wire for nanoelectronics and biosensing // Anal Sci. – 2003. – 19. – P. 23–26. 4. Aich P., Skinner R. J., Wettig S.D. et al. Long range molecular wire behaviour in a metal complex of DNA // J. Biomol. Struct. Dyn. – 2002. – 20. – P. 93–98. 5. Белоус Л.Ф., Гречнев Г.Е., Рубин Ю.В., Степанян С.Г. Нанотехнологии и компьютерные расче- ты // Тр. Всерос. науч. конф. “Научный сервис в сети Интернет: технологии параллельного програм- мирования”. – Москва: Изд-во Моск. ун-та, 2006. – С. 5–8. 6. Frisch M. J. et al. Gaussian 03, Revision E. 2. – Pittsburgh, PA: Gaussian Inс, 2003. – 455 p. 7. Schmidt M. W. et al // J. Comput. Chem. – 1993. – 14. – P. 1347–1363; Gamess Version = Jun. 2005. – (R5). – Iowa State University. 8. Besler B., Merz P., Kolman P. Atomic Charges Derived from Semiempirical Methods // J. Comput. Chem. – 1990. – 11. – P. 431–439. 9. Zhurko G.A. Chem Craft. Tool for treatment of chemical data. Version 5.1. 10. Благой Ю.П., Галкин В.Л., Гладченко Г.О. и др. Металлокомплексы нуклеиновых кислот в раство- рах. – Киев: Наук. думка, 1991. – 270 с. 11. Taylor R., Kennard O. Molecular Structure of Nucleosides and Nucleotides // J. Mol. Struct. – 1982. – 78. – P. 1–28. 12. Olson W. K, Manju Bansal, Burley S.K. et al. Standard Reference Frame for the Description of Nucleic Acid Base-pair Geometry // J. Mol Biol. – 2001. – 313. – P. 229–237. 13. Веркин Б.И., Янсон И.К., Суходуб Л.Ф., Теплицкий А.Б. Взаимодействия биомолекул: Новые эк- спериментальные подходы и методы. – Киев: Наук. думка, 1985. – 162 с. 14. Hobza P., Sponer J. Structure, Energetics and Dynamics of the Nucleic Acid Base Pairs: Nonempirical Ab Initio Calculations // Chem. Rev. – 1999. – 99. – P. 3247–3276. Поступило в редакцию 13.09.2007Физико-технический институт низких температур им. Б.И. Веркина НАН Украины, Харьков Институт кибернетики им. В.М. Глушкова НАН Украины, Киев ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2008, №5 191