Геометрическое построение всех возможных ассоциированных водородными связями пар нуклеотидных оснований
Предложен оригинальный способ автоматического построения структурных гипотез всех возможных пар нуклеотидных оснований, ассоциированных водородными связями. Способ испытан на примере 1-метилцитозина на уровне квантово-механической теории B3LYP/6-311++G(d,p) в вакууме. Запропоновано оригiнальний сп...
Saved in:
| Published in: | Доповіді НАН України |
|---|---|
| Date: | 2014 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2014
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/88155 |
| 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: | Геометрическое построение всех возможных ассоциированных водородными связями пар нуклеотидных оснований / А.Н. Глушенков, Д.Н. Говорун // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2014. — № 8. — С. 133-137. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859951892167131136 |
|---|---|
| author | Глушенков, А.Н. Говорун, Д.Н. |
| author_facet | Глушенков, А.Н. Говорун, Д.Н. |
| citation_txt | Геометрическое построение всех возможных ассоциированных водородными связями пар нуклеотидных оснований / А.Н. Глушенков, Д.Н. Говорун // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2014. — № 8. — С. 133-137. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Доповіді НАН України |
| description | Предложен оригинальный способ автоматического построения структурных гипотез
всех возможных пар нуклеотидных оснований, ассоциированных водородными связями.
Способ испытан на примере 1-метилцитозина на уровне квантово-механической теории B3LYP/6-311++G(d,p) в вакууме.
Запропоновано оригiнальний спосiб автоматичної побудови структурних гiпотез усiх можливих пар нуклеотидних основ, стабiлiзованих мiжмолекулярними водневими зв’язками.
Спосiб випробувано на прикладi 1-метилцитозину на рiвнi квантово-механiчної теорiї
B3LYP/6-311++G(d,p) у вакуумi.
The original automated structural hypothesis creation technique for all possible pairs of hydrogen
bond stabilized nucleic bases is proposed and has been tested on 1-methylcytosine on the B3LYP/6-
311++G(d,p) theory level in vacuum.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:17:08Z |
| format | Article |
| fulltext |
оповiдi
НАЦIОНАЛЬНОЇ
АКАДЕМIЇ НАУК
УКРАЇНИ
8 • 2014
БIОФIЗИКА
УДК 577.332
А.Н. Глушенков, член-корреспондент НАН Украины Д.Н. Говорун
Геометрическое построение всех возможных
ассоциированных водородными связями пар
нуклеотидных оснований
Предложен оригинальный способ автоматического построения структурных гипотез
всех возможных пар нуклеотидных оснований, ассоциированных водородными связями.
Способ испытан на примере 1-метилцитозина на уровне квантово-механической тео-
рии B3LYP/6-311++G(d,p) в вакууме.
Кодирование генетической информации осуществляется за счет комплементарного спари-
вания водородными (H) связями нуклеотидных оснований [1]. Уотсоном и Криком была
выдвинута гипотеза о влиянии редких — так называемых мутагенных [2], таутомерных
форм оснований нуклеиновых кислот (ОНК) на возникновение точечных мутаций при био-
синтезе ДНК. В рамках этой гипотезы идет длительный, активный поиск молекулярных
механизмов, ответственных за появление в составе неправильных пар мутагенных форм
ОНК [3–5]. Ясно, что для доказательства единственности решения этой задачи необходимо
знать все множество пар ОНК, включающих мутагенные формы последних. В настоящее
время развиваются два взаимно дополняющих друг друга подхода: получение эксперимен-
тальных данных об H-связанных парах ОНК [6, 7] и теоретический прогноз всех возможных
пар ОНК [8, 9]. Наша работа затрагивает вопросы, относящиеся ко второму подходу.
Объект и методы исследования. Объектом построения структурных гипотез яв-
ляются H-связанные пары двух произвольных ОНК. Конечным продуктом построения яв-
ляется димер ОНК, стабилизированный межмолекулярными H-связями. В работе исполь-
зованы следующие допущения.
1. Молекула, в данном случае ОНК, — это набор “атомов-шариков”, имеющих Ван-дер-
Ваальсовы радиусы.
2. Электронные оболочки атомов различных ОНК упруги и непроницаемы при взаимо-
действии друг с другом.
3. Водородная связь между ОНК только межмолекулярная, на ее природу [10] не на-
лагается никаких ограничений.
© А.Н. Глушенков, Д.Н. Говорун, 2014
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2014, №8 133
Рис. 1. Геометрическая структура молекулы цитозина. О2 — центр. Активные атомы — H4–1, N3, N1, H1
4. Пара ОНК считается образованной, если между ними замыкаются, как минимум, две
H-связи.
5. Разрешены все, в том числе неплоские конформации, например, T-образные H-свя-
занные пары ОНК.
H-связь AH. . .B между ОНК считается образованной при выполнении следующих гео-
метрических условий:
1) расстояние dHB не менее, чем Rmin = RvwH+RvwB, где RvwH, RvwB — Ван-дер-Вааль-
совы радиусы атомов H и B соответственно;
2) расстояние dHB не превышает Rmax = 3,2–3,4 Å;
3) пусть M1 — мономер, содержащий атомы A и H, а M2 — мономер, содержащий
атом B. Тогда для произвольного акцептора H-связи X мономера M2 необходимо выпол-
нение условия dHX > Rmax, а для произвольного атома водорода Y 6= H мономера M1
необходимо выполнение условия dYB > Rmax.
Одновременное выполнение всех этих условий гарантирует однозначную идентифика-
цию димера по наличию двух H-связей. Длины последних лежат в диапазоне [RvwH+RvwB;
Rmax]. Таким образом, предложенный способ сводится к заданию всех возможных комби-
наций пар H-связей в димере.
Введем рабочую терминологию. Назовем центром C донор или акцептор, для которого
будет проводиться поиск атомов, способных образовать с ним межмолекулярную H-связь.
Пусть донор или акцептор A принадлежит той же молекуле M , что и центр C. Проведем
мысленно линию из A в C. Если она не пересекает граф молекулыM , либо A и C ковалентно
связаны, тогда атом A— активный (рис. 1). Пусть мономер Ms, относительно которого будут
проводится трансформации положения другого мономера Mm, называется стационарным
мономером. Тогда мономер Mm — подвижный мономер.
Очевидно, что центром может быть выбран произвольный атом-донор либо атом-акцеп-
тор ОНК. Можно составить таблицу активных атомов для всех центров мономера. Ти-
пичным примером такой таблицы является табл. 1 для наиболее энергетически выгодной
(канонической) таутомерной формы цитозина.
134 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2014, №8
Рис. 2. Определение расстояния dMN в димере, стабилизированном H-связями C. . .M и A. . .N. Rmin1
и Rmin 2 — сумма Ван-дер-Ваальсовых радиусов атомов C и M и A и N, соответственно; Rmax = 3,2–3,4 Å
Пусть мономер Ms имеет общее количество доноров и акцепторов I, а общее количест-
во активных атомов для конкретного атома-центра Ci составляет Ji. Зададим центры Ci,
i = 1, 2, . . . , I, и активные атомы Aj, j = 1, 2, . . . , Ji, только для стационарного мономера Ms.
Тогда для каждой пары атомов Ci и Aj можно подобрать такую пару атомов Ml и Nk моно-
мера Mm, что будут образованы две H-связи Ci · · ·Ml и Aj · · ·Nk. Взаимное расположение
атомов изображено на рис. 2.
Поскольку H-связь имеет длину от Rmin до Rmax, то атомы Ml и Nk могут находиться
в пространстве, ограниченном дугой и хордой M1M2 и N1N2 соответственно. Очевидно,
что расстояние между искомыми атомами dMN лежит в пределах от |M2N1| до |M1N2|.
Несложно определить, что
dmin = |M2N1| =
√
(Rmin 1−Rmin2)2+
(
dAC−
√
R2
max−R2
min 1−
√
R2
max−R2
min 2
)2
, (1)
dmax = |M1N2| =
√
(R2
min 1−R2
min 2)
2+
(
dAC+
√
R2
max−R2
min 1+
√
R2
max+R2
min 2
)2
. (2)
Таким образом, для произвольной пары Ci и Aj атомом M является любой донор или
акцептор мономера Mm (в зависимости от свойств атома Ci), для которого можно най-
ти такой атом N , что будет выполнено геометрическое условие: dmin 6 dMN 6 dmax. Все
возможные комбинации Ci · · ·Ml, Aj · · ·Nk формируют полное множество H-связанных ди-
меров ОНК (в нашей терминологии — структурных гипотез), удовлетворяющих вышепри-
веденным условиям.
Результаты и их обсуждение. Предложенный способ алгоритмизирован, реализован
в виде компьютерной программы и испытан при нахождении полного семейства H-само-
Таблица 1. Определение активных атомов относительно различных центров на примере молекулы цитозина
(см. также рис. 1 и 2)
Центры
Активные атомы
O2 N3 N4 N1 H4-1 H4-2 H5 H6 H1
O2 — + — + + — — — +
N3 + — + — + — — — —
N4 — + — — + + + — —
N1 + — — — — — — + +
H4-1 + + + — — + — — —
H4-2 — — + — + — + — —
H5 — — + — — + — + —
H6 — — — + — — + — +
H1 + — — + — — — + —
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2014, №8 135
Рис. 3. Некоторые H-связанные самоассоциаты 1-метилцитозина, полученные в результате квантово-меха-
нической апробации алгоритма. H-связи (изображены пунктиром) определены AIM-анализом [12]. Длина
H-связей указана в Å
ассоциатов 1-метилцитозина (m1Cyt) в основной таутомерной форме в вакууме. При по-
мощи алгоритма сгенерированы 211 структурных гипотез, стабилизированных 165 парами
межмолекулярных H-связей. Эти структуры использованы как входные файлы для кванто-
во-механических расчетов в программном пакете Gaussian 03 W (Gaussian 03, Revision E.01,
M. J. Frisch, G.W. Trucks, H.B. Schlegel et al.). Квантово-механические расчеты геомет-
рической и электронной структуры гомоассоциатов m1Cyt ·m1Cyt проведены на уровне те-
ории MP2/6-311++G(2df, pd)//B3LYP/6-311++g(d,p). Все оптимизированные структуры
проверены на устойчивость по отсутствию мнимых частот в их колебательных спектрах,
полученных в гармоническом приближении. Межмолекулярные H-связи индентифициро-
вались с помощью метода QTAIM [11]. В результате получено 37 уникальных H-связанных
пар ОНК. Детально эти структуры будут обсуждены в нашей следующей работе. Здесь
мы лишь отметим, что предложенный нами способ позволил выявить необычные межмо-
лекулярные H-связи (рис. 3), до сих пор не представленные в литературе, посвященной
нуклеиновым кислотам.
Таким образом, предложенный авторский способ автоматического построения геометри-
ческих структур, примененный к случаю с H-связанными гомоассоциатами 1метилцитози-
на, позволил выявить множество новых неизвестных ранее пар ОНК и получить их полное
семейство. Данный факт говорит о том, что использование авторского способа ко всем
остальным возможным комбинациям H-связанных пар ОНК позволит получить их пол-
ные семейства. К достоинствам метода можно отнести простоту реализации и малое время
использования. К недостаткам способа относится избыточность получаемых структурных
гипотез и необходимость их верификации более высокоуровневыми методами, например ab
initio.
1. Watson J.D., Crick F.H.C. Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic
Acid // Nature. – 1953. – 171. – P. 737–738.
2. Watson J.D., Crick F.H. C. Genetical Implications of the Structure of DNA // Ibid. – 1953. – 171. –
P. 964–967.
3. Villani G. Theoretical investigation of hydrogen atom transfer in the hydrated C-G base pair // Molecular
Phys. – 2013. – 111. – P. 201–214.
4. Brovarets’ O.O., Hovorun D.M. Can tautomerisation of the A · T Watson-Crick base pair via double proton
transfer provoke point mutations during DNA replication? A comprehensive QM and QTAIM analysis //
J. of Biomol. Structure and Dynamics. – 2013. – doi:10.1080/07391102.2012.
5. Броварець О.О., Говорун Д.М. Фiзико-хiмiчний механiзм перетворення змiщених пар основ ДНК
Gua ·Thy i Ade ·Cyt у пари за участi мутагенних таутомерiв Gua* ·Thy i Ade ·Cyt* // Ukr. Bioorganica
Acta. – 2009. – С. 12–18.
136 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2014, №8
6. Fox Lab. Department of Biology and Biochemistry. University of Houston. Режим доступа: http://prion.
bchs.uh.edu/bp_type/.
7. Burkard M.E., Turner D.H. NMR Structures of r(GCAGGCGUGC)2 and Determinants of Stability for
Single Guanosine-Guanosine Base Pairs // Biochemistry. – 2000. – 39. – P. 11748–11762.
8. Madariaga S. T., Contreras J. G., Guillermo J. Theoretical study of the non-Watson-Crick base pair Guani-
ne-Guanine // J. Chil. Chem. Soc. – 2010. – 55. – P. 50–52.
9. Nostrand K. P., Kennedy S.D., Turner D.H., Mathews D.H. Molecular Mechanics Investigation of an
Adenine-Adenine Non-Canonical Pair Conformational Change // J. Chem. Theory Comput. – 2011. – 7. –
P. 3779–3792.
10. Steiner T. The Hydrogen Bond in the Solid State // Angew. Chem. Int. Ed. – 2002. – 41. – P. 48–76.
11. Бейдер Р. Атомы в молекулах. Квантовая теория. – Москва: Мир, 2001. – 532 с.
Поступило в редакцию 15.01.2014Институт высоких технологий
Киевского национального университета
им. Тараса Шевченко
Институт молекулярной биологии и генетики
НАН Украины, Киев
А.М. Глушенков, член-кореспондент НАН України Д.М. Говорун
Геометрична побудова всiх можливих асоцiйованих водневими
зв’язками пар нуклеотидних основ
Запропоновано оригiнальний спосiб автоматичної побудови структурних гiпотез усiх мож-
ливих пар нуклеотидних основ, стабiлiзованих мiжмолекулярними водневими зв’язками.
Спосiб випробувано на прикладi 1-метилцитозину на рiвнi квантово-механiчної теорiї
B3LYP/6-311++G(d,p) у вакуумi.
A.N. Glushenkov, Corresponding Member of the NAS of Ukraine D.M. Hovorun
Geometric construction of all possible H-bonded associated nucleic base
pairs
The original automated structural hypothesis creation technique for all possible pairs of hydrogen
bond stabilized nucleic bases is proposed and has been tested on 1-methylcytosine on the B3LYP/6-
311++G(d,p) theory level in vacuum.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2014, №8 137
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-88155 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1025-6415 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:17:08Z |
| publishDate | 2014 |
| publisher | Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Глушенков, А.Н. Говорун, Д.Н. 2015-11-08T16:59:12Z 2015-11-08T16:59:12Z 2014 Геометрическое построение всех возможных ассоциированных водородными связями пар нуклеотидных оснований / А.Н. Глушенков, Д.Н. Говорун // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2014. — № 8. — С. 133-137. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/88155 577.332 Предложен оригинальный способ автоматического построения структурных гипотез всех возможных пар нуклеотидных оснований, ассоциированных водородными связями. Способ испытан на примере 1-метилцитозина на уровне квантово-механической теории B3LYP/6-311++G(d,p) в вакууме. Запропоновано оригiнальний спосiб автоматичної побудови структурних гiпотез усiх можливих пар нуклеотидних основ, стабiлiзованих мiжмолекулярними водневими зв’язками. Спосiб випробувано на прикладi 1-метилцитозину на рiвнi квантово-механiчної теорiї B3LYP/6-311++G(d,p) у вакуумi. The original automated structural hypothesis creation technique for all possible pairs of hydrogen bond stabilized nucleic bases is proposed and has been tested on 1-methylcytosine on the B3LYP/6- 311++G(d,p) theory level in vacuum. ru Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Доповіді НАН України Біофізика Геометрическое построение всех возможных ассоциированных водородными связями пар нуклеотидных оснований Геометрична побудова всiх можливих асоцiйованих водневими зв’язками пар нуклеотидних основ Geometric construction of all possible H-bonded associated nucleic base pairs Article published earlier |
| spellingShingle | Геометрическое построение всех возможных ассоциированных водородными связями пар нуклеотидных оснований Глушенков, А.Н. Говорун, Д.Н. Біофізика |
| title | Геометрическое построение всех возможных ассоциированных водородными связями пар нуклеотидных оснований |
| title_alt | Геометрична побудова всiх можливих асоцiйованих водневими зв’язками пар нуклеотидних основ Geometric construction of all possible H-bonded associated nucleic base pairs |
| title_full | Геометрическое построение всех возможных ассоциированных водородными связями пар нуклеотидных оснований |
| title_fullStr | Геометрическое построение всех возможных ассоциированных водородными связями пар нуклеотидных оснований |
| title_full_unstemmed | Геометрическое построение всех возможных ассоциированных водородными связями пар нуклеотидных оснований |
| title_short | Геометрическое построение всех возможных ассоциированных водородными связями пар нуклеотидных оснований |
| title_sort | геометрическое построение всех возможных ассоциированных водородными связями пар нуклеотидных оснований |
| topic | Біофізика |
| topic_facet | Біофізика |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/88155 |
| work_keys_str_mv | AT glušenkovan geometričeskoepostroenievsehvozmožnyhassociirovannyhvodorodnymisvâzâmiparnukleotidnyhosnovanii AT govorundn geometričeskoepostroenievsehvozmožnyhassociirovannyhvodorodnymisvâzâmiparnukleotidnyhosnovanii AT glušenkovan geometričnapobudovavsihmožlivihasociiovanihvodnevimizvâzkamiparnukleotidnihosnov AT govorundn geometričnapobudovavsihmožlivihasociiovanihvodnevimizvâzkamiparnukleotidnihosnov AT glušenkovan geometricconstructionofallpossiblehbondedassociatednucleicbasepairs AT govorundn geometricconstructionofallpossiblehbondedassociatednucleicbasepairs |