Прототропная таутомерия 9-метилгуанина: квантово-механическое исследование

Прототропная таутомерия 9-метилгуанина: квантово-механическое исследование

Впервые получено полное молекулярно-цвиттерионное семейство 9-метилгуанина в вакууме, воде, ДМСО и среде с ε = 4. Показано, что оно состоит из 14 молекулярных таутомеров и 18 цвиттерионов, 9 из которых — илиды. Вперше отримано повне молекулярно-цвiтерiонне сiмейство 9-метилгуанiну в вакуумi, водi,...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:Доповіді НАН України
Datum:2014
Hauptverfasser: Глушенков, А.Н., Говорун, Д.Н.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2014
Schlagworte:
Біофізика
Online Zugang:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/88267
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:Прототропная таутомерия 9-метилгуанина: квантово-механическое исследование / А.Н. Глушенков, Д.Н. Говорун // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2014. — № 9. — С. 151-156. — Бібліогр.: 15 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-88267
record_format dspace
spelling Глушенков, А.Н.
Говорун, Д.Н.
2015-11-11T15:39:27Z
2015-11-11T15:39:27Z
2014
Прототропная таутомерия 9-метилгуанина: квантово-механическое исследование / А.Н. Глушенков, Д.Н. Говорун // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2014. — № 9. — С. 151-156. — Бібліогр.: 15 назв. — рос.
1025-6415
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/88267
577.332
Впервые получено полное молекулярно-цвиттерионное семейство 9-метилгуанина в вакууме, воде, ДМСО и среде с ε = 4. Показано, что оно состоит из 14 молекулярных таутомеров и 18 цвиттерионов, 9 из которых — илиды.
Вперше отримано повне молекулярно-цвiтерiонне сiмейство 9-метилгуанiну в вакуумi, водi, ДМСО та середовищi з ε = 4. Показано, що воно складається з 14 молекулярних таутомерiв та 18 цвiтерiонiв, 9 з яких — iлiди.
For the first time, the full molecular-zwitterionic 9-methylguanine family has been obtained in vacuum, water, DMSO, and the ε = 4 continuum. It is shown that it consists of 14 molecular tautomers and 18 zwitterions, 9 of which are ylides.
ru
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
Доповіді НАН України
Біофізика
Прототропная таутомерия 9-метилгуанина: квантово-механическое исследование
Прототропна таутомерiя 9-метилгуанiну: квантово-механiчне дослiдження
Prototropic tautomerism of 9-methylguanine: quantum-mechanical investigation
Article
published earlier
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
title Прототропная таутомерия 9-метилгуанина: квантово-механическое исследование
spellingShingle Прототропная таутомерия 9-метилгуанина: квантово-механическое исследование
Глушенков, А.Н.
Говорун, Д.Н.
Біофізика
title_short Прототропная таутомерия 9-метилгуанина: квантово-механическое исследование
title_full Прототропная таутомерия 9-метилгуанина: квантово-механическое исследование
title_fullStr Прототропная таутомерия 9-метилгуанина: квантово-механическое исследование
title_full_unstemmed Прототропная таутомерия 9-метилгуанина: квантово-механическое исследование
title_sort прототропная таутомерия 9-метилгуанина: квантово-механическое исследование
author Глушенков, А.Н.
Говорун, Д.Н.
author_facet Глушенков, А.Н.
Говорун, Д.Н.
topic Біофізика
topic_facet Біофізика
publishDate 2014
language Russian
container_title Доповіді НАН України
publisher Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
format Article
title_alt Прототропна таутомерiя 9-метилгуанiну: квантово-механiчне дослiдження
Prototropic tautomerism of 9-methylguanine: quantum-mechanical investigation
description Впервые получено полное молекулярно-цвиттерионное семейство 9-метилгуанина в вакууме, воде, ДМСО и среде с ε = 4. Показано, что оно состоит из 14 молекулярных таутомеров и 18 цвиттерионов, 9 из которых — илиды. Вперше отримано повне молекулярно-цвiтерiонне сiмейство 9-метилгуанiну в вакуумi, водi, ДМСО та середовищi з ε = 4. Показано, що воно складається з 14 молекулярних таутомерiв та 18 цвiтерiонiв, 9 з яких — iлiди. For the first time, the full molecular-zwitterionic 9-methylguanine family has been obtained in vacuum, water, DMSO, and the ε = 4 continuum. It is shown that it consists of 14 molecular tautomers and 18 zwitterions, 9 of which are ylides.
issn 1025-6415
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/88267
citation_txt Прототропная таутомерия 9-метилгуанина: квантово-механическое исследование / А.Н. Глушенков, Д.Н. Говорун // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2014. — № 9. — С. 151-156. — Бібліогр.: 15 назв. — рос.
work_keys_str_mv AT glušenkovan prototropnaâtautomeriâ9metilguaninakvantovomehaničeskoeissledovanie
AT govorundn prototropnaâtautomeriâ9metilguaninakvantovomehaničeskoeissledovanie
AT glušenkovan prototropnatautomeriâ9metilguaninukvantovomehaničnedoslidžennâ
AT govorundn prototropnatautomeriâ9metilguaninukvantovomehaničnedoslidžennâ
AT glušenkovan prototropictautomerismof9methylguaninequantummechanicalinvestigation
AT govorundn prototropictautomerismof9methylguaninequantummechanicalinvestigation
first_indexed 2025-11-25T23:32:46Z
last_indexed 2025-11-25T23:32:46Z
_version_ 1850583217808080896
fulltext оповiдi НАЦIОНАЛЬНОЇ АКАДЕМIЇ НАУК УКРАЇНИ 9 • 2014 БIОФIЗИКА УДК 577.332 А.Н. Глушенков, член-корреспондент НАН Украины Д.Н. Говорун Прототропная таутомерия 9-метилгуанина: квантово-механическое исследование Впервые получено полное молекулярно-цвиттерионное семейство 9-метилгуанина в ва- кууме, воде, ДМСО и среде с ε = 4. Показано, что оно состоит из 14 молекулярных таутомеров и 18 цвиттерионов, 9 из которых — илиды. Согласно гипотезе Вотсона и Крика [1], редкие таутомерные формы нуклеотидных осно- ваний могут быть ответственны за точечные мутации в ДНК. Таким образом, знание всех возможных таутомерных форм нуклеотидных оснований является задачей фундаменталь- ной важности. С другой стороны, в современных нанотехнологиях [2] используют последовательности ДНК для построения наноструктур [3, 4]. В этом смысле метилированные производные нуклеотидных основ представляют особый интерес [5] и являются предметом активного изучения [6]. Гуанин (Gua) — нуклеотидное основание ДНК, участвующее в кодировании генетичес- кой информации. Начиная с 1970-х годов Gua активно исследуют теоретически и экспери- ментально. Так в работе [7] изучена электронная структура двух его таутомерных форм N9H и N7H. Экспериментально они обнаружены в работах [8, 9]. Квантово-механические исследования предсказывают 36 молекулярных таутомерных форм Gua [10, 11]. Из них только 8 обнаружены экспериментально [12]. В то же время известно, что таутомеры пуриновых оснований могут быть цвиттерионами, часть из кото- рых — илиды [13]. Поскольку Gua является производным пурина, можно предположить наличие его прототропных цвиттерионов, часть которых может быть илидами. Посколь- ку N7 ↔ N9 таутомерия в нуклеиновых кислотах запрещена сахарофосфатным остовом, в качестве модели нами выбран 9-метилгуанин (m9Gua). Цель и методы. Целью работы является получение полного молекулярно-цвиттерион- ного семейства прототропных таутомеров m9Gua. Исходные структурные гипотезы гене- рировали перемещением по одному или по два протона с позиций 1, 2 на позиции 3, 6, 7 (рис. 1). Илиды генерировали перемещением протона с позиции 8 на позиции 3, 6 © А.Н. Глушенков, Д.Н. Говорун, 2014 ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2014, №9 151 Рис. 1. Геометрическое строение 9-метилгуанина. Нумерация атомов общепринятая (Зенгер) и 7. Квантово-механические расчеты геометрической и электронной структуры исследуе- мых объектов проведены на уровне теории MP2/6-311++G(2df,pd)//B3LYP/6-311++G(d,p) в вакууме и в некоторых средах (вода, ε = 4, ДМСО) с использованием метода PCM [14]. Все их оптимизированные структуры проверялись на устойчивость по отсутствию мни- мых частот в колебательных спектрах, рассчитывавшихся в гармоническом приближе- нии. Квантово-механические расчеты проведены с использованием программного пакета Gaussian03 для Win32 (Gaussian 03, RevisionE.01, M. J. Frisch, G.W. Trucks, H.B. Schlegel, et. al.). Результаты и обсуждение. Нами получено полное семейство прототропных таутоме- ров m9Gua, состоящее из 32 структур (рис. 2, табл. 1). Наиболее энергетически выгодным таутомером 9-метилгуанина в вакууме является ке- то-амино форма 1. За ней по шкале относительной энергии Гиббса идут два энол-ротамера 2, 3 со значениями ∆G0 0,03 и 0,25 ккал/моль соответственно. Полученные нами результаты очень хорошо согласуются с полученными теоретически в работе [15], где также обнаруже- на их практическая изоэнергетичность. Прямой барьер таутомеризации 1 → 2 в вакууме составляет 32,07 ккал/моль. Аналогичная величина для таутомеризации энол-ротамеров 2 → 3 в вакууме составляет 8,20 ккал/моль. Оба барьера значительно больше kT, что свидетельствует об их устойчивости. В воде, ДМСО и среде с малой диэлектрической проницаемостью наиболее энергетиче- ски выгодным таутомером m9Gua является ротамер 2. Всего в семействе таутомеров m9Gua насчитывается 14 молекулярных таутомеров (1–5, 7–10, 12, 14, 15, 18, 19) и 18 цвиттер-ионов (6, 11, 13, 16, 17, 20–32). Как видно из рис. 3, ряд молекулярных таутомеров не является непрерывным. Между наиболее энергетически выгодным таутомером 1 и наименее энергетически выгодным мо- лекулярным таутомером 19 находится 5 цвиттерионов (6, 11, 13, 16, 17), из которых 2 — илиды (13, 16). Данный факт существенно влияет как на заселенность высокоэнергетичес- ких молекулярных таутомеров, так и на заселенность таутомеров 9-метилгуанина в целом. В табл. 2 приведены значения заселенности прототропных таутомеров m9Gua в различных средах для наиболее энергетически выгодных таутомеров. 152 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2014, №9 Таблица 1. Относительные энергии Гиббса ∆G (ккал/моль) и дипольные моменты µ(D) прототропных таутомеров m9Gua, полученные в различных средах при T = 298,15 K Вакуум (ε = 1) Среда с малой диэлектрической проницаемостью (ε = 4) ДМСО (ε = 46,70) Вода (ε = 78,39) Таутомер ∆G µ Таутомер ∆G µ Таутомер ∆G µ Таутомер ∆G µ 1 0,00 7,53 2 0,00 3,65 2 0,00 3,66 2 0,00 3,66 2 0,03 3,63 3 0,13 4,50 3 0,11 4,54 3 0,11 4,54 3 0,25 4,45 1 0,43 7,81 1 0,65 7,97 1 0,65 7,98 4 14,63 7,16 4 14,42 7,37 4 14,69 7,49 4 14,71 7,49 5 16,10 10,07 5 15,60 10,28 5 16,47 10,40 5 16,53 10,40 6 17,81 11,13 6 18,59 12,38 6 19,01 13,61 6 19,02 13,66 7 18,89 12,09 7 19,60 13,04 7 20,59 13,42 7 20,58 13,43 8 23,08 5,49 8 22,89 5,64 8 22,78 5,72 8 22,75 5,72 9 23,15 5,27 9 23,13 5,49 9 23,56 5,61 9 23,59 5,61 10 23,98 8,12 10 23,68 8,32 10 23,84 8,44 10 23,85 8,44 11 25,62 11,91 11 26,06 12,35 11 26,36 12,57 11 26,36 12,58 12 28,64 2,33 13 28,65 6,57 13 28,78 6,73 13 28,79 6,74 13 28,86 6,24 15 29,01 8,29 15 29,07 8,36 15 29,02 8,36 14 28,91 5,00 12 29,21 2,53 16 29,38 3,05 16 29,38 3,05 15 28,99 8,17 14 29,38 5,93 12 29,81 2,63 12 29,84 2,64 16 29,98 2,99 16 29,42 3,04 14 30,02 5,47 14 30,08 5,48 17 30,50 10,44 18 30,66 10,75 18 31,09 10,84 18 31,10 10,85 18 30,74 10,57 17 31,29 10,88 17 31,67 11,10 17 31,67 11,11 19 35,60 3,16 20 35,77 0,71 20 35,83 0,79 20 35,83 0,79 20 35,88 0,66 19 36,11 3,78 19 37,18 4,62 19 37,24 3,55 21 43,08 8,87 21 43,67 9,64 21 44,12 9,93 21 44,11 9,95 22 45,10 13,29 23 44,91 13,03 22 46,51 14,01 22 46,57 14,03 23 45,16 12,55 22 45,54 13,75 23 46,77 13,30 23 46,85 13,32 24 45,85 15,68 24 46,76 16,34 24 47,74 16,64 24 47,74 16,66 25 55,02 17,98 25 55,80 18,71 26 57,15 15,98 26 57,25 15,99 26 55,15 15,01 26 56,39 15,61 25 57,29 19,02 25 57,36 19,03 27 55,77 15,82 27 56,54 16,52 27 57,87 16,81 27 57,96 16,82 28 60,29 4,86 29 60,10 4,21 29 60,94 4,35 29 60,98 4,36 29 60,58 3,94 28 60,66 5,16 28 61,07 5,34 28 61,09 5,35 30 66,25 6,63 31 66,79 6,76 30 67,43 7,10 30 67,46 7,11 31 68,17 6,32 30 66,84 6,92 31 68,33 6,90 31 68,39 6,91 32 80,11 17,58 32 81,69 18,32 32 83,09 18,70 32 83,24 18,71 IS S N 1 0 2 5 -6 4 1 5 Д оп овiдi Н ац iон ал ь н ої ак адем iї н ау к У к раїн и , 2 0 1 4 , № 9 153 Рис. 2. Молекулярно-цвиттерионное семейство 9-метилгуанина, полученное на уровне теории MP2/6-311++G(2df,pd)//B3LYP/6-311++G(d,p). Молекулы упорядочены по возрастанию относитель- ной энергии Гиббса (T = 298,5 K) в вакууме Таким образом, на уровне теории MP2/6-311++G(2df,pd)//B3LYP/6-311++G(d,p) впер- вые показано, что полное семейство m9Gua является молекулярно-цвиттерионным. Оно состоит из 14 молекулярных таутомеров и 18 цвиттерионов, 9 из которых — илиды. Энер- Таблица 2. Заселенность (%) трех наиболее энергетически выгодных таутомеров 9-метилгуанина, полу- ченных на уровне теории MP2/6-311++G(2df,pd)//B3LYP/6-311++G(d,p) в различных средах при T = = 298,15 K Вакуум (ε = 1,00) Среда с малой диэлектрической проницаемостью (ε = 4,00) ДМСО (ε = 46,70) Вода (ε = 78,39) 1 38,43 2 43,86 2 46,33 2 46,25 2 36,38 1 35,06 3 38,31 3 38,44 3 25,19 3 21,08 1 15,36 1 15,32 154 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2014, №9 Рис. 3. Диаграмма относительных энергий Гиббса и дипольных моментов полного семейства таутомеров 9-метилгуанина в вакууме. Ось абсцисс обозначает таутомер, а ось ординат слева — величину относительной энергии Гиббса в ккал/моль. Ось ординат справа обозначает величину дипольного момента таутомера µ(D) гетический ряд молекулярных таутомеров в вакууме прерывается 5 цвиттерионами, 2 из которых — илиды. 1. Watson J.D., Crick F.H.C. Genetical implications of the structure of DNA // Nature. – 1953. – 171. – P. 964–967. 2. Service R. F. DNA nanotechnology grows up // Science. – 2011. – 332. – P. 1140. 3. Benenson Y. Biocomputers: from test tubes to live // Mol. Biosyst. – 2009. – 5. – P. 675. 4. Li D., Fan C. DNA nanotechnology. From structure to function. – Springer, 2013. – 411 p. 5. Zhu C., Wen Y., Peng H., et al. A methylation-stimulated DNA machine: an autonomous isothermal route to methyltransferase activity and inhibition analysis // Anal. Bioanal. Chem. – 2011. – 399. – P. 3459–3464. 6. Geunjung L., Young-Gui Y. First-principles studies of the energetics and the electronic structures of methylguanine // J. of the Korean Physical Society. – 2012. – 60. – P. 1452–1456. 7. Pullman B., Pullman A. Electronic aspects of purine tautomerism // Advances in Heterocyclic Chemistry. – 1971. – 13. – P. 77–159. 8. Szczepaniak K., Szczesniak M. Matrix isolation infrared studies of nucleic acid constituents // J. Mol. Struct. – 1987. – 156. – P. 29–42. 9. Sheina G.G., Stepanian S.G., Radchenko E.D. IR Spectra of guanine and hypoxanthine isolated molecu- les // J. Mol. Struct. – 1987. – 158. – P. 275–292. 10. Sabio M., Topiol S., Lumma W.C., Jr. An Investigation of tautomerism in adenine and guanine // J. Phys. Chem. – 1990. – 94. – P. 1366–1372. 11. Wanchun L., Haoran L., Xingbang H., Shijun H. Systematic theoretical investigations on all of the tauto- mers of guanine: From both dynamics and thermodynamics viewpoint // Chem. Phys. – 2006. – 328. – P. 93–102. 12. Plekan O., Feyer V. et al. An experimental and theoretical core-level study of tautomerism in guanine // J. Phys. Chem. A – 2009. – 113. – P. 9376–9385. 13. Brovarets’O. O., Hovorun D.M. Prototropic tautomerism and basic molecular principles of hypoxanthine mutagenicity: an exhaustive quantum-chemical analysis // J. of Biomol. Structure and Dynamics. – 2012. – P. 1–24. 14. Tomasi J., Mennucci B., Cammi R. Quantum mechanical continuum solvation models // Chem. Rev. – 2005. – 105. – P. 2999–3093. ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2014, №9 155 15. Chin W., Mons M., Piuzzi F. et al. Gas phase rotamers of the nucleobase 9-methylguanine enol and its monohydrate optical spectroscopy and quantum mechanical calculations // J. Phys. Chem. A. – 2004. – 108. – P. 8237–8243. 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 Прототропна таутомерiя 9-метилгуанiну: квантово-механiчне дослiдження Вперше отримано повне молекулярно-цвiтерiонне сiмейство 9-метилгуанiну в вакуумi, во- дi, ДМСО та середовищi з ε = 4. Показано, що воно складається з 14 молекулярних тау- томерiв та 18 цвiтерiонiв, 9 з яких — iлiди. A.N. Glushenkov, Corresponding Member of the NAS of Ukraine D.M. Hovorun Prototropic tautomerism of 9-methylguanine: quantum-mechanical investigation For the first time, the full molecular-zwitterionic 9-methylguanine family has been obtained in vacuum, water, DMSO, and the ε = 4 continuum. It is shown that it consists of 14 molecular tautomers and 18 zwitterions, 9 of which are ylides. 156 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2014, №9

Ähnliche Einträge