Квантово-хімічний аналіз усіх можливих пар основ ДНК m¹Thy · m⁹Ade
Вперше квантово-хiмiчними методами на рiвнi теорiї MP2/6-311++G(2df,pd)//B3LYP/ 6-311++G(d,p) отримано повне сiмейство воднево-зв’язаних пар основ ДНК m¹Thy · m⁹Ade, метильованих за глiкозидним атомом азоту, яке нараховує 32 структури. Встановлено, що хугстинiвська пара вiдповiдає глобальному мiнiму...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Доповіді НАН України |
|---|---|
| Datum: | 2014 |
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainisch |
| Veröffentlicht: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2014
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/87965 |
| 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: | Квантово-хімічний аналіз усіх можливих пар основ ДНК m¹Thy · m⁹Ade / Д.П. Плоднiк, I.С. Войтешенко, Д.М. Говорун // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2014. — № 7. — С. 158-164. — Бібліогр.: 14 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859804663690297344 |
|---|---|
| author | Плоднік, Д.П. Войтешенко, І.С. Говорун, Д.М. |
| author_facet | Плоднік, Д.П. Войтешенко, І.С. Говорун, Д.М. |
| citation_txt | Квантово-хімічний аналіз усіх можливих пар основ ДНК m¹Thy · m⁹Ade / Д.П. Плоднiк, I.С. Войтешенко, Д.М. Говорун // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2014. — № 7. — С. 158-164. — Бібліогр.: 14 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Доповіді НАН України |
| description | Вперше квантово-хiмiчними методами на рiвнi теорiї MP2/6-311++G(2df,pd)//B3LYP/ 6-311++G(d,p) отримано повне сiмейство воднево-зв’язаних пар основ ДНК m¹Thy · m⁹Ade, метильованих за глiкозидним атомом азоту, яке нараховує 32 структури. Встановлено, що хугстинiвська пара вiдповiдає глобальному мiнiмуму вiльної енергiї Гiббса, поруч з яким у дiапазонi енергiй 0–1,20 ккал/моль знаходяться ще три локальних мiнiмуми обернена хугстинiвська, вотсон-крикiвська та обернена вотсон-крикiвська пара. Їхня сумарна заселенiсть за нормальних умов становить 99,9%.
Впервые квантово-химическими методами на уровне теории MP2/6-311++G(2df,pd)//B3LYP/6-311++G(d,p) получено полное семейство водородно-связанных пар оснований ДНК m¹Thy · m⁹Ade, метилированных по гликозидному атому азота, насчитывающее 32 структуры. Установлено, что хугстиновская пара соответствует глобальному минимуму свободной энергии Гиббса, рядом с которым в диапазоне энергий 0–1,20 ккал/моль располагаются еще три локальных минимума обратная хугстиновская, вотсон-криковская и обратная вотсон-криковская пара. Их суммарная заселенность при нормальных условиях составляет 99,9%.
The complete family of hydrogen-bound base pairs of DNA m¹Thy · m⁹Ade methylated by glycosidic linkages is obtained by quantum-chemical methods on MP2/6-311++G(2df,pd)//B3LYP/6-311 ++G(d,p) levels of theory for the first time. The total number is 32 different structures. It is first found that the Hoogsten pair corresponds to the global minimum of the Gibbs free energy, near which three couples (reverse Hoogsten, Watson–Crick, and reverse Watson–Crick ones) in the energy interval 0–1.20 kcal/mol are located. Their combined occupancy under normal conditions is 99.9%.
|
| first_indexed | 2025-12-07T15:15:28Z |
| format | Article |
| fulltext |
оповiдi
НАЦIОНАЛЬНОЇ
АКАДЕМIЇ НАУК
УКРАЇНИ
7 • 2014
БIОФIЗИКА
УДК 577.3
Д.П. Плоднiк, I. С. Войтешенко,
член-кореспондент НАН України Д. М. Говорун
Квантово-хiмiчний аналiз усiх можливих пар основ
ДНК m1Thy · m9Ade
Вперше квантово-хiмiчними методами на рiвнi теорiї MP2/6-311++G(2df,pd)//B3LYP/
6-311++G(d,p) отримано повне сiмейство воднево-зв’язаних пар основ ДНК
m1Thy · m9Ade, метильованих за глiкозидним атомом азоту, яке нараховує 32
структури. Встановлено, що хугстинiвська пара вiдповiдає глобальному мiнiмуму
вiльної енергiї Гiббса, поруч з яким у дiапазонi енергiй 0–1,20 ккал/моль знахо-
дяться ще три локальних мiнiмуми — обернена хугстинiвська, вотсон-крикiвська
та обернена вотсон-крикiвська пара. Їхня сумарна заселенiсть за нормальних умов
становить 99,9%.
Актуальнiсть проблеми, винесеної у заголовок роботи, пов’язана, щонайменше, iз кiлько-
ма причинами. Попри непересiчну бiологiчну значущiсть таких пар основ ДНК, як аденiн
(Ade)·тимiн (Thy) у чотирьох їхнiх конфiгурацiях (вотсон-крикiвська, обернена вотсон-кри-
кiвська, хугстинiвська i обернена хугстинiвська) [1], нинi вiдсутня iнформацiя про те, чи на-
лежать вони до енергетично найвигiднiших iз усiх можливих, чи нi. Вiдповiдь на це питання
цiкава також з точки зору глибшого проникнення в сутнiсть комплементарностi, особливо
пiд еволюцiйним кутом зору [2]. Крiм того, знання про повну множину пар m1Thy · m9Ade
(m — метильна група, верхнiй iндекс — мiсце метилування) необхiднi для вичерпної iнтер-
претацiї модельних бiофiзичних експериментiв [3], а також для кращого розумiння природи
специфiчних мiжмолекулярних взаємодiй, що стабiлiзують ДНК. Нарештi, iнформацiя про
всi можливi види Н-зв’язування пуринових основ з пiримiдиновими необхiдна в теорiї точ-
кових мутацiй [4].
Об’єкти, предмет та методи дослiдження. Об’єктами дослiдження були всi мож-
ливi Н-зв’язанi пари основ ДНК m1Thy · m9Ade, метильованi за глiкозидним зв’язком.
Предмет дослiдження — енергетичнi та геометричнi характеристики цих пар та основ-
нi фiзико-хiмiчнi параметри Н-зв’язкiв, якi їх стабiлiзують. Квантово-хiмiчнi розрахун-
ки геометричної та електронної будови дослiджуваних об’єктiв проводили на рiвнi теорiї
MP2/6-311++G(2df,pd)//B3LYP/6-311++G(d,p) у вакуумному наближеннi, який для цiєї
© Д.П. Плоднiк, I. С. Войтешенко, Д.М. Говорун, 2014
158 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2014, №7
Рис. 1. Енергетично найвигiднiшi плоскосиметричнi пари основ ДНК m1Thy ·m9Ade. Пунктиром позначено
мiжмолекулярнi Н-зв’язки. У дужках вказано вiдносну енергiю Гiббса (ккал/моль) пар при температурi
298,15 К. Нумерацiя атомiв основ стандартна
задачi є адекватним [5, 6]. Усi зоптимiзованi структури перевiрено на стiйкiсть за вiдсутнiс-
тю уявних частот у їхнiх коливальних спектрах. Дослiдження проведено iз використанням
програмного пакета “GAUSSIAN03” для платформи Win32 [7]. Розподiл електронної густи-
ни в парах основ аналiзували, використовуючи теорiю Бейдера “Атомiв у молекулах” [8]
та хвильовi функцiї, одержанi на рiвнi теорiї B3LYP/6-311++G(d,p). Н-зв’язки [9] iденти-
фiкували за наявнiстю критичної точки (3, -1) мiж двома валентно незв’язаними атомами
та додатного лапласiана електронної густини в цiй точцi. Топологiю електронної густи-
ни аналiзували за допомогою програмного пакета AIMAll [10], використовуючи стандартнi
опцiї.
Результати та їхнє обговорення. Нами вперше отримано повне сiмейство Н-зв’язаних
пар основ ДНК m1Thy ·m9Ade в основнiй таутомернiй формi, що налiчує 32 структури, якi
лежать у енергетичних межах вiдносної енергiї Гiббса 0 — 10,69 ккал/моль за нормальних
умов (рис. 1, табл. 1).
Вперше показано, що глобальному мiнiмуму вiльної енергiї Гiббса вiдповiдає хугсти-
нiвська пара (1), поруч з нею розмiщуються ще три бiологiчно важливi пари — оберне-
на хугстинiвська (2), вотсон-крикiвська (3) i обернена вотсон-крикiвська (4) (див. рис. 1,
табл. 1). За ними з доволi великим енергетичним вiдривом знаходиться пара 5 (див. табл. 1),
яка стабiлiзована трьома Н-зв’язками C2H. . .O2, N3H. . . N3 i C9H. . .O4 (табл. 2). Сумарна
заселенiсть пар 1–4 становить 45,0%(1)+36,7%(2)+12,3%(3)+5,9%(4) = 99,9%. Це означає,
що результати класичного мас-спектрометричного експерименту [3] треба iнтерпретувати
в рамках чотирьох спiвiснуючих пар (див. рис. 1), а не ототожнювати експериментальне
значення ентальпiї взаємодiї лише з вотсон-крикiвською парою m1Thy · m9Ade 3, як це
традицiйно роблять донинi.
Усi зафiксованi нами пари є полярними комплексами, дипольний момент яких лежить
у межах вiд 1,81 до 9,11 Д. Серед них структури 1–4 — плоскосиметричнi, решта 28 пар
мають непланарну будову.
Детально дослiджено основнi фiзико-хiмiчнi характеристики мiжмолекулярних Н-зв’яз-
кiв, що стабiлiзують пари. Загальна кiлькiсть Н-зв’язкiв становить 65, з-помiж них:
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2014, №7 159
NH. . . N – 8, NH. . .O – 8, СH. . .O – 17, CH. . . N – 32 зв’язки. При цьому енергiя Н-зв’яз-
кiв EHB лежить у межах 0,27 — 12,06 ккал/моль. Три Н-зв’язки виявлено у 6 парах, два —
у 21 парi; один зв’язок — у 5 парах.
Найсильнiшi Н-зв’язки типу NH. . . N i NH. . .О мають енергiю EНВ 12,06 i 5,83 ккал/моль
та такi геометричнi параметри: dAB = 2,887 Å, dHB = 1,843 Å, ∠AHB = 178,5◦ та dAB =
= 2,961 Å, dHB = 1,947 Å, ∠AHB = 172,9◦ вiдповiдно. Найслабшi ж Н-зв’язки цього типу
мають енергiю EНВ 1,55 i 0,86 ккал/моль та такi геометричнi параметри: dAB = 3,586 Å,
dHB = 2,509 Å, ∠AHB = 168,7◦ та dAB = 2,972 Å, dHB = 2,000 Å, ∠AHB = 160,1◦ вiдповiдно.
Найсильнiшi зв’язки СН. . .О i CH. . . N мають енергiю EНВ 2,49 i 1,85 ккал/моль та
такi геометричнi параметри: dAB = 3,273 Å, dHB = 2,240 Å, ∠AHB = 158,9◦ та dAB =
= 3,497 Å, dHB = 2,414 Å, ∠AHB = 175,2◦ вiдповiдно. Найслабшi зв’язки цього ж типу
Таблиця 1. Енергетичнi характеристики всiх можливих комплексiв m9Ade · m1Thy. Розрахунок на рiвнi
теорiї MP2/6-311++G(2df,pd)//B3LYP/6-311++G(d,p) у вакуумi. Усi пари, за винятком пар 1–4, мають
неплоскосиметричну будову
Пара ∆G, ккал/моль µ, Д Н-зв’язки
1 0,00 6,57 N3H. . . N7, C8H. . . O2, N6H. . .O4
2 0,12 5,39 C8H. . .O4, N3H. . . N7, N6H. . .O2
3 0,77 1,81 C2H. . .O2, N3H. . . N1, N6H. . .O4
4 1,20 2,41 C2H. . .O4, N3H. . . N1, N6H. . .O2
5 4,64 3,49 C2H. . .O2, N3H. . . N3, C9H. . . O4
6 5,00 4,77 C2H. . .O4, N3H. . . N3, C9H. . . O2
7 6,20 9,11 C6H. . . N1
8 6,39 6,64 C1H. . . N7, N6H. . .O2
9 6,79 6,24 C6H. . . N7
10 6,84 6,99 C1H. . . N3, C6H. . . N3
11 6,97 9,02 C6H. . . N1
12 7,09 4,26 N6H. . . O2, C1H. . . N1
13 7,15 3,32 N6H. . . O4, C5H. . . N1
14 7,18 5,58 C1H. . . N7, C6H. . . N7
15 7,27 6,66 C6H. . . N3
16 7,32 8,81 C1H. . . N1
17 7,35 6,60 C1H. . . N3, C6H. . . N3
18 7,47 6,68 C1H. . . N3, C6H. . . N3
19 7,49 6,90 C6H. . . N7, C1H. . . N7
20 7,61 9,01 C6H. . . N1, C1H. . . N1
21 7,61 6,40 C1H. . . N7, N6H. . .O2
22 7,65 9,05 C1H. . . N1, C6H. . . N1
23 7,95 3,23 C9H. . .O2, N1H. . . N3
24 8,08 5,66 C1H. . . N7, C6H. . . N7
25 8,40 5,73 C5H. . . N7, C8H. . . O4
26 8,45 2,57 C9H. . .O2, N1H. . . N3
27 8,48 4,11 C1H. . . N7, C8H. . . O2
28 8,48 2,67 C5H. . . N3, C9H. . . O4
29 8,61 2,37 C5H. . . N3, C9H. . . O4
30 10,13 5,16 C2H. . .O2, C1H. . . N1
31 10,61 6,64 C2H. . .O4, C5H. . . N3
32 10,69 3,75 C2H. . .O4, C5H. . . N1
Пр и м i т ка. ∆G — вiдносна енергiя Гiббса, µ — дипольний момент.
160 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2014, №7
Таблиця 2. Електронно-топологiчнi, геометричнi, спектрально-коливальнi та енергетичнi характеристики
мiжмолекулярних H-зв’язкiв у дослiджених парах основ ДНК m9Ade · m1Thy. Розрахунок на рiвнi теорiї
B3LYP/MP2 у вакуумi
Пара H-зв’язок
AH. . . B
ρ,
ат. од.
∆ρ,
ат. од.
dA...B,
Å
dH...B,
Å
∠AH. . . B,
град
∆dAH,
Å
∆ν,
см−1
EHB,
ккал/моль
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1 C8H. . .O2 0,005 0,016 3,520 2,834 121,4 0,0001 −4,9 0,84
N3H. . . N7 0,041 0,099 2,852 1,810 176,5 0,0309 572,4 7,60
N6H. . .O4 0,024 0,088 2,963 1,954 171,8 0,0121 139,6 3,29
2 C8H. . .O4 0,005 0,017 3,493 2,794 122,2 0,0003 −4,0 0,92
N3H. . . N7 0,042 0,100 2,847 1,805 176,4 0,0308 572,3 7,61
N6H. . .O2 0,022 0,082 2,995 1,986 171,1 0,0107 111,2 2,78
3 C2H. . .O2 0,004 0,014 3,690 2,871 132,3 0,0002 −6,1 0,77
N3H. . . N1 0,039 0,093 2,887 1,843 178,5 0,0323 1375,3 12,06
N6H. . .O4 0,026 0,094 2,937 1,920 173,7 0,0144 187,1 4,00
4 C2H. . .O4 0,005 0,015 3,674 2,846 133,0 0,0002 −6,4 0,81
N3H. . . N1 0,039 0,093 2,888 1,844 178,5 0,0318 582,7 7,69
N6H. . .O2 0,024 0,089 2,961 1,947 172,9 0,0062 153,4 5,83
5 C2H. . .O2 0,010 0,031 3,361 2,446 141,2 0,0006 −16,8 1,81
N3H. . . N3 0,028 0,079 3,000 1,974 170,9 0,0221 397,7 6,24
C9H. . .O4 0,014 0,047 3,298 2,247 161,5 −0,0023 17,8 2,63
6 C2H. . .O4 0,011 0,033 3,344 2,266 160,2 −0,0004 −15,5 1,92
N3H. . . N3 0,028 0,079 3,000 1,973 171,0 0,0220 397,1 6,23
C9H. . .O2 0,014 0,045 3,311 2,420 142,2 −0,0014 11,9 2,51
7 C6H. . . N1 0,012 0,033 3,518 2,433 176,1 0,0022 33,3 1,81
8 C1H. . . N7 0,012 0,034 3,514 2,423 179,9 0,0072 10,8 1,81
N6H. . .O2 0,020 0,082 2,972 2,000 160,1 0,0008 46,9 0,86
9 C6H. . . N7 0,012 0,035 3,497 2,414 175,2 0,0018 28,6 1,85
10 C1H. . . N3 0,005 0,014 3,917 2,902 155,3 −0,0040 35,1 0,79
C6H. . . N3 0,012 0,033 3,514 2,434 172,8 0,0019 28,6 1,78
11 C6H. . . N1 0,012 0,033 3,517 2,440 171,6 0,0018 29,5 1,81
12 C1H. . . N1 0,012 0,034 3,513 2,428 172,5 0,0051 15,9 1,85
N6H. . .O2 0,021 0,034 2,977 1,967 173,0 0,0087 79,9 2,08
13 C5H. . . N1 0,010 0,026 3,623 2,538 170,8 0,0009 26,2 1,49
N6H. . .O4 0,022 0,086 2,974 1,969 169,9 0,0094 91,8 2,38
14 C1H. . . N7 0,006 0,017 3,799 2,768 157,9 −0,0038 40,6 0,99
C6H. . . N7 0,010 0,028 3,572 2,509 166,3 0,0016 13,1 1,51
15 C6H. . . N3 0,012 0,033 3,524 2,452 169,1 0,0017 25,1 1,76
16 C1H. . . N1 0,011 0,032 3,533 2,450 174,7 0,0016 25,2 1,72
17 C1H. . . N3 0,005 0,014 4,570 3,721 135,9 −0,0038 37,6 0,80
C6H. . . N3 0,011 0,031 3,531 2,461 168,5 0,0012 839,0 1,69
18 C1H. . . N3 0,004 0,013 3,850 2,823 157,2 0,0019 37,4 0,67
C6H. . . N3 0,011 0,030 3,533 2,465 167,7 0,0014 21,9 1,61
19 C1H. . . N7 0,005 0,014 3,910 2,911 152,7 −0,0039 35,4 0,79
C6H. . . N7 0,012 0,035 3,462 2,420 160,3 0,0018 26,5 1,87
20 C1H. . . N1 0,005 0,014 3,922 2,908 155,0 −0,0039 34,9 0,79
C6H. . . N1 0,012 0,033 3,523 2,447 170,7 0,0018 28,7 1,78
21 C1H. . . N7 0,012 0,033 3,515 2,439 168,4 0,0051 13,5 1,76
N6H. . .O2 0,020 0,084 2,971 1,987 162,9 0,0081 61,2 1,51
22 C1H. . . N1 0,006 0,016 3,848 2,819 157,7 −0,0038 36,7 0,92
C6H. . . N1 0,011 0,031 3,542 2,469 169,8 0,0016 24,5 1,70
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2014, №7 161
Таблиця 2. Продовження
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
23 N1H. . . N3 0,010 0,028 3,586 2,509 168,7 −0,0001 17,8 1,55
C9H. . .O2 0,012 0,040 3,390 2,300 178,4 −0,0001 3,5 2,16
24 C1H. . . N7 0,007 0,020 3,737 2,687 161,7 −0,0036 −41,4 1,13
25 C5H. . . N7 0,006 0,016 3,797 2,758 158,6 0,0017 37,7 0,92
C8H. . .O4 0,014 0,050 3,280 2,216 167,2 0,0018 16,5 2,16
26 N1H. . . N3 0,009 0,024 3,602 2,573 156,9 −0,0013 1,9 1,34
C9H. . .O2 0,011 0,036 3,384 2,352 157,4 −0,001 14,9 1,95
27 C1H. . . N7 0,009 0,025 3,597 2,550 160,3 −0,0006 8,6 1,37
C8H. . .O2 0,013 0,047 3,273 2,240 158,9 0,0016 12,7 2,49
28 C5H. . . N3 0,008 0,002 3,729 2,652 167,9 0,0008 22,3 1,17
C9H. . .O4 0,012 0,041 3,384 2,297 174,5 −0,0001 27,6 2,18
29 C5H. . . N3 0,007 0,018 3,767 2,708 162,9 0,0087 39,4 1,03
C9H. . .O4 0,011 0,039 3,379 2,347 157,2 −0,0006 20,6 1,98
30 C1H. . . N1 0,010 0,027 3,606 2,523 170,9 −0,0001 3,9 1,49
C2H. . .O2 0,009 0,028 3,485 2,456 157,8 −0,0001 −11,3 1,58
31 C2H. . .O4 0,009 0,029 3,488 2,444 160,9 −0,0001 −13,1 1,59
C5H. . . N3 0,008 0,020 3,735 2,655 168,8 0,0022 20,1 1,14
32 C2H. . .O4 0,009 0,028 3,492 2,447 160,9 −0,0002 −11,9 1,58
C5H. . . N1 0,008 0,020 3,734 2,650 170,9 0,0023 22,5 1,18
Пр и м i т ка. ρ i ∆ρ — значення електронної густини i лапласiана електронної густини в критичнiй точцi
вiдповiдно; dA...B, dH...B — вiдстань мiж атомами А i В та Н i В вiдповiдно, якi беруть участь у Н-зв’язку
AH. . . B; ∠AH. . . B — кут Н-зв’язування; ∆ν — зсув частоти валентного коливання ν(AH) у разi втягування
групи AH у Н-зв’язок; ∆dAH — подовження зв’язку АН при утвореннi Н-зв’язку АН. . . В; EHB — енер-
гiя Н-зв’язку, розрахована за методом Йогансена (у випадку класичних контактiв) [13] або за формулою
Еспiнози [14] (у випадку CH. . .O/N).
мають енергiю EНВ 0,77 i 0,67 ккал/моль та такi геометричнi параметри: dAB = 3,690 Å,
dHB = 2,871 Å, ∠AHB = 132,3◦ i dAB = 3,850 Å, dHB = 2,823 Å, ∠AHB = 157,2◦ вiдповiдно.
Зауважимо, що для всiх без винятку некласичних (слабких) Н-зв’язкiв за участю групи
СН як донора протона характерна додатна стала Грюненберга [11] (7,18-102,84 Å/мдин),
а також ненульова енергiя E(2) (0,25–3,72 ккал/моль) згiдно з NBO аналiзом [12].
Цiкаво, що метильна група, надто в положеннях 1 та 9, є доволi сильним донором Н-зв’я-
зування (див. табл. 2). Це означає, що метилування глiкозидних атомiв водню основ з метою
уникнення утворення “небiологiчних” Н-зв’язкiв не вирiшує повнiстю проблему унеможлив-
лення H-зв’язкiв, реально вiдсутнiх у ДНК, бо не зводить нанiвець специфiчнi взаємодiї
мiж основами за участю метильних груп.
Ще один цiкавий висновок стосується сумарного внеску мiжмолекулярних Н-зв’язкiв
у електронну енергiю стабiлiзацiї пар: виявляється, що у переважнiй бiльшостi випадкiв
вiн помiтно менший, нiж 100%.
Нарештi, згiдно з одержаними даними, залежнiсть енергiї неканонiчних Н-зв’язкiв EHB
CH. . .O i CH. . . N вiд електронної густини в критичнiй точцi є лiнiйною (рис. 2).
Наголосимо також на одну характерну особливiсть метильної групи як донора Н-зв’я-
зування: при її втягуваннi в мiжмолекулярний Н-зв’язок частота торсiйного коливання
метильної групи помiтно зростає.
Автори висловлюють щиру вдячнiсть канд. фiз.-мат. наук О.О. Броварець (Iнститут мо-
лекулярної бiологiї i генетики НАН України) за увагу до роботи.
162 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2014, №7
Рис. 2. Залежнiсть енергiї мiжмолекулярних H-зв’язкiв EHB CH . . .O/N вiд величини електронної густини
у вiдповiднiй критичнiй точцi
1. Броварець О.О. Структурно-енергетичнi властивостi чотирьох конфiгурацiй пар основ ДНК А · Т i
G · C // Укр. бiохiм. журн. – 2013. – 85, № 4. – С. 104–110.
2. Броварець О.О., Говорун Д.М. Молекулярнi механiзми мутагенної дiї 2-амiнопурину на ДНК // Ukr.
bioorgan. acta. – 2010. – № 1. – С. 11–17.
3. Sukhodub L.F. Interaction and hydration of nucleic acid basis in a vacuum. Experimental study // Chem.
Rev. – 1987. – 87, No 3. – P. 589–606.
4. Brovarets O.O., Hovorun D.M. The physicochemical essence of the purine · pyrimidine transition mi-
smatches with Watson–Crick geometry in DNA: A·C∗
versa A∗
·C. A QM and QTAIM atomistic understan-
ding // J. Biomol. Struct. Dyn. – to appear. – DOI:10.1080/07391102.2013.852133.
5. Nedderman A.N.R., Stone M. J., Williams D.H. et al. Molecular-basis for methoxyamine-initiated mutage-
nesis – H-1 nuclear-magnetic-resonance studies of oligonucleotide duplexes containing base-modified cytosi-
ne residues // J. Mol. Biol. – 1993. – 230, No 3. – P. 1068–1076.
6. Petrushka J., Sowers L. C., Goodman M.F. Comparison of nucleotide interactions in water, proteins, and
vacuum: Model for DNA polymerase fidelity // Ibid. – 1986. – 83. – P. 1559–1562.
7. Gaussian 03, Revision С. 02 / M. J. Frisch, G. W. Trucks, H.B. Schlegel, G. E. Scuseria, M. A. Robb,
J.R. Cheeseman, Jr. JA. Montgomery, T. Vreven, K.N. Kudin, J. C. Burant, J. M. Millam, S. S. Iyengar,
J. Tomasi, V. Barone, B. Mennucci, M. Cossi, G. Scalmani, N. Rega, G. A. Petersson, H. Nakatsuji,
M. Hada, M. Ehara, K. Toyota, R. Fukuda, J. Hasegawa, M. Ishida, T. Nakajima, Y. Honda, O. Kitao,
H. Nakai, M. Klene, X. Li, J. E. Knox, H.P. Hratchian, J. B. Cross, V. Bakken, C. Adamo, J. Jarami-
llo, R. Gomperts, R. E. Stratmann, O. Yazyev, A. J. Austin, R. Cammi, C. Pomelli, J. W., Ochterski
P.Y. Ayala, K. Morokuma, G. A. Voth, P. Salvador, J. J. Dannenberg, V.G. Zakrzewski, S. Dapprich,
A.D. Daniels, M.C. Strain, O. Farkas, D.K. Malick, A.D. Rabuck, K. Raghavachari, J. B. Foresman,
J.V. Ortiz, Q. Cui, A.G. Baboul, S. Clifford, J. Cioslowski, B.B. Stefanov, G. Liu, A. Liashenko, P. Pi-
skorz, I. Komaromi, R. L. Martin, D. J. Fox, T. Keith, M. A. Al-Laham, C. Y. Peng, A. Nanayakkara,
M. Challacombe, P.M. W. Gill, B. Johnson, W. Chen, M. W. Wong, C. Gonzalez, J. A. Pople. – Gaussian,
Inc., Wallingford CT, 2004.
8. Bader R.W.F. Atoms in molecules. A quantum theory. – Oxford: Calendon Press, 1990. – 436 p.
9. Водородная связь / Под ред. Н.Д. Соколова, В. М. Чулановского. – Москва: Наука, 1964. – 340 с.
10. Keith T.A. AIMAll (Version 10.05.04). – 2010. – http://aim.tkgristmill.com.
11. Grunenberg J., Barone G. Are compliance constants ill-defined descriptors for weak interactions? // Royal
Society of Chem. – 2013. – No 3. – P. 4757–4762.
12. Weinhold F., Landis C.R. Natural bond orbitals and extensions of localized bonding concepts // Chem.
Educ. Res. Pract. Eur. – 2001. – No 2. – P. 91–104.
13. Iogansen A.V. Direct proportionality of the hydrogen bonding energy and the intensification of the stret-
ching v(XH) vibration in infrared spectra // Spectrochim. Acta. Part A. – 1999. – 55. – P. 1585–1612.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2014, №7 163
14. Espinosa E., Alkorta I., Rozas I., Elguero J., Molins E. About the evaluation of the local kinetic, potential
and total energy densities in closed-shell interactions // Chem. Phys. Lett. – 2001. – 336, No 5–6. –
P. 457–461.
Надiйшло до редакцiї 20.12.2013Iнститут молекулярної бiологiї
i генетики НАН України, Київ
Iнститут високих технологiй
Київського нацiонального унiверситету
iм. Тараса Шевченка
Д.П. Плодник, И. С. Войтешенко,
член-корреспондент НАН Украины Д. Н. Говорун
Квантово-химический анализ всех возможных пар оснований ДНК
m1Thy · m9Ade
Впервые квантово-химическими методами на уровне теории MP2/6-311++G(2df,pd)//
B3LYP/6-311++G(d,p) получено полное семейство водородно-связанных пар оснований ДНК
m1Thy ·m9Ade, метилированных по гликозидному атому азота, насчитывающее 32 струк-
туры. Установлено, что хугстиновская пара соответствует глобальному минимуму сво-
бодной энергии Гиббса, рядом с которым в диапазоне энергий 0–1,20 ккал/моль распо-
лагаются еще три локальных минимума — обратная хугстиновская, вотсон-криковская
и обратная вотсон-криковская пара. Их суммарная заселенность при нормальных условиях
составляет 99,9%.
D.P. Plodnik, I. S. Voiteshenko,
Corresponding Member of the NAS of Ukraine D.M. Hovorun
Quantum-chemical analysis of all possible m1Thy · m9Ade pairs of DNA
bases
The complete family of hydrogen-bound base pairs of DNA m1Thy · m9Ade methylated by glycosi-
dic linkages is obtained by quantum-chemical methods on MP2/6-311++G(2df,pd)//B3LYP/6-311
++G(d,p) levels of theory for the first time. The total number is 32 different structures. It is first
found that the Hoogsten pair corresponds to the global minimum of the Gibbs free energy, near whi-
ch three couples (reverse Hoogsten, Watson–Crick, and reverse Watson–Crick ones) in the energy
interval 0–1.20 kcal/mol are located. Their combined occupancy under normal conditions is 99.9%.
164 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2014, №7
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-87965 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1025-6415 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-07T15:15:28Z |
| publishDate | 2014 |
| publisher | Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Плоднік, Д.П. Войтешенко, І.С. Говорун, Д.М. 2015-11-01T19:43:36Z 2015-11-01T19:43:36Z 2014 Квантово-хімічний аналіз усіх можливих пар основ ДНК m¹Thy · m⁹Ade / Д.П. Плоднiк, I.С. Войтешенко, Д.М. Говорун // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2014. — № 7. — С. 158-164. — Бібліогр.: 14 назв. — укр. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/87965 577.3 Вперше квантово-хiмiчними методами на рiвнi теорiї MP2/6-311++G(2df,pd)//B3LYP/ 6-311++G(d,p) отримано повне сiмейство воднево-зв’язаних пар основ ДНК m¹Thy · m⁹Ade, метильованих за глiкозидним атомом азоту, яке нараховує 32 структури. Встановлено, що хугстинiвська пара вiдповiдає глобальному мiнiмуму вiльної енергiї Гiббса, поруч з яким у дiапазонi енергiй 0–1,20 ккал/моль знаходяться ще три локальних мiнiмуми обернена хугстинiвська, вотсон-крикiвська та обернена вотсон-крикiвська пара. Їхня сумарна заселенiсть за нормальних умов становить 99,9%. Впервые квантово-химическими методами на уровне теории MP2/6-311++G(2df,pd)//B3LYP/6-311++G(d,p) получено полное семейство водородно-связанных пар оснований ДНК m¹Thy · m⁹Ade, метилированных по гликозидному атому азота, насчитывающее 32 структуры. Установлено, что хугстиновская пара соответствует глобальному минимуму свободной энергии Гиббса, рядом с которым в диапазоне энергий 0–1,20 ккал/моль располагаются еще три локальных минимума обратная хугстиновская, вотсон-криковская и обратная вотсон-криковская пара. Их суммарная заселенность при нормальных условиях составляет 99,9%. The complete family of hydrogen-bound base pairs of DNA m¹Thy · m⁹Ade methylated by glycosidic linkages is obtained by quantum-chemical methods on MP2/6-311++G(2df,pd)//B3LYP/6-311 ++G(d,p) levels of theory for the first time. The total number is 32 different structures. It is first found that the Hoogsten pair corresponds to the global minimum of the Gibbs free energy, near which three couples (reverse Hoogsten, Watson–Crick, and reverse Watson–Crick ones) in the energy interval 0–1.20 kcal/mol are located. Their combined occupancy under normal conditions is 99.9%. Автори висловлюють щиру вдячнiсть канд. фiз.-мат. наук О.О. Броварець (Iнститут молекулярної бiологiї i генетики НАН України) за увагу до роботи. uk Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Доповіді НАН України Біофізика Квантово-хімічний аналіз усіх можливих пар основ ДНК m¹Thy · m⁹Ade Квантово-химический анализ всех возможных пар оснований ДНК m¹Thy · m⁹Ade Quantum-chemical analysis of all possible m¹Thy · m⁹Ade pairs of DNA bases Article published earlier |
| spellingShingle | Квантово-хімічний аналіз усіх можливих пар основ ДНК m¹Thy · m⁹Ade Плоднік, Д.П. Войтешенко, І.С. Говорун, Д.М. Біофізика |
| title | Квантово-хімічний аналіз усіх можливих пар основ ДНК m¹Thy · m⁹Ade |
| title_alt | Квантово-химический анализ всех возможных пар оснований ДНК m¹Thy · m⁹Ade Quantum-chemical analysis of all possible m¹Thy · m⁹Ade pairs of DNA bases |
| title_full | Квантово-хімічний аналіз усіх можливих пар основ ДНК m¹Thy · m⁹Ade |
| title_fullStr | Квантово-хімічний аналіз усіх можливих пар основ ДНК m¹Thy · m⁹Ade |
| title_full_unstemmed | Квантово-хімічний аналіз усіх можливих пар основ ДНК m¹Thy · m⁹Ade |
| title_short | Квантово-хімічний аналіз усіх можливих пар основ ДНК m¹Thy · m⁹Ade |
| title_sort | квантово-хімічний аналіз усіх можливих пар основ днк m¹thy · m⁹ade |
| topic | Біофізика |
| topic_facet | Біофізика |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/87965 |
| work_keys_str_mv | AT plodníkdp kvantovohímíčniianalízusíhmožlivihparosnovdnkm1thym9ade AT voitešenkoís kvantovohímíčniianalízusíhmožlivihparosnovdnkm1thym9ade AT govorundm kvantovohímíčniianalízusíhmožlivihparosnovdnkm1thym9ade AT plodníkdp kvantovohimičeskiianalizvsehvozmožnyhparosnovaniidnkm1thym9ade AT voitešenkoís kvantovohimičeskiianalizvsehvozmožnyhparosnovaniidnkm1thym9ade AT govorundm kvantovohimičeskiianalizvsehvozmožnyhparosnovaniidnkm1thym9ade AT plodníkdp quantumchemicalanalysisofallpossiblem1thym9adepairsofdnabases AT voitešenkoís quantumchemicalanalysisofallpossiblem1thym9adepairsofdnabases AT govorundm quantumchemicalanalysisofallpossiblem1thym9adepairsofdnabases |