Неемпіричне квантово-хімічне моделювання біологічно суттєвих фізико-хімічних властивостей ізольованих та гідратованих молекулярних компонентів ДНК - Автореферат

Водночас дослідження фізико-хімічних властивостей ізольованих (негідратованих) молекулярних компонентів ДНК є чи не найважливішим джерелом даних щодо її внутрішньомолекулярних властивостей, які визначають взаємодію ДНК з білками, коли гідратаційна вода витискається із міжмолекулярного інтерфейсу на периферію. Так, зокрема, дослідження структурних параметрів доповнюють відомі дані про структуру ізольованих та гідратованих макромолекул ДНК і передбачають структурну нежорсткість їх піримідинових кілець, розрахунки фізичних властивостей кількісно відтворюють величини спорідненості до протону і вертикальні потенціали іонізації, а моделювання реакційної здатності (таутомерії) передбачають значення констант швидкості як у випадку внутрішньомолекулярного, так і міжмолекулярного обміну протонами. Робота відповідає основному плану фундаментальних досліджень, які проводяться у відділі молекулярної та квантової біофізики Інституту молекулярної біології і генетики НАН України в рамках бюджетних тем “Дослідження глибинних фізико-хімічних механізмів елементарних процесів білково-нуклеїнового пізнавання” (номер державної реєстрації - 0105U005339, 2006-2010 р.р.) та “Дослідження фізико-хімічних механізмів спонтанних точкових мутацій ДНК, спричинених її прототропною таутомерією” (номер державної реєстрації - 0101U000603, 2001-2005 р.р.). Серед неемпіричних методів квантової хімії і методу функціоналу електронної густини виокремити порівняно нетрудомісткі наближення і базисні набори, які б описували з близькою до експериментальної точністю біологічно значимі фізико-хімічні характеристики молекулярних компонентів ДНК та їхніх гідратованих комплексів, а саме: геометричну структуру, потенціали іонізації, спорідненість до протону, коливальні спектри та таутомерні властивості. Проаналізувати залежність потенціалів іонізації, спорідненості до протону та коливальних спектрів від особливостей будови основ ДНК, їхніх водневозвязаних пар, цукрово-фосфатного кістяка та умов мікро-і макрогідратації.Встановлено, що взаємодія з однією і двома молекулами води приводить до зміни геометричних параметрів N9H-і N7H-оксо-аміно таутомерів основи тільки у районі утворення водневих звязків; всі інші геометричні параметри гетероциклічної системи N7H-і N9H-таутомерів залишаються практично без змін і залежать тільки від хімічної природи таутомерів. За допомогою NBO-і AIM-аналізів встановлено, що взаємодія канонічної форми гуаніну з водою призводить до утворення значної кількості водневих звязків, включаючи й такі, де атом азоту N(11) аміногрупи діє як протоноакцептор. У підрозділі 2.4 аналіз геометричної і електронної будови полігідратних комплексів основ ДНК поширено на випадок піримідинових основ - тиміну і урацилу, оточених 11 молекулами води, та цитозину, оточеного 14 молекулами води. На підставі аналізу форм цих коливань зроблено висновок про те, що ізольовані основи ДНК - гуанін, тимін, урацил і цитозин мають, як мінімум, два напрямки, вздовж яких вони можуть з незначними витратами енергії бути переведені у стан, що відповідає непласкій будові піримідинового кільця. Співставлення результатів розрахунків, проведених у наближеннях MP2/6-31 G(d,p), MP26-311 G(d,p), MP4(SDQ/6-31 G(d,p) і MP4(SDTQ)/6-31G(d,p) (використовувалися геометричні параметри, одержані в наближенні MP2/6-31 G(d,p,), показало, що склад термодинамічно рівноважної суміші протонованого гуаніну і цитозину повинен сильно відрізнятися від складу рівноважної суміші непротонованих молекул: у випадку гуаніну повинен домінувати N7H оксо-аміно-N9H-таутомер, а протонований цитозин повинен існувати як суміш N3H -оксо-аміно і syn(N3)O2H -оксо-аміно-форм.З використанням сучасних неемпіричних методів і наближень квантової хімії, що враховують кореляцію електронів, розраховано біологічно важливі фізико-хімічні властивості молекулярних компонентів ДНК - основ , 2"-дезоксирибонуклеотидів і водневозвязаних пар основ у ізольованому стані, а також при взаємодії з обмеженою і необмеженою кількістю молекул води. Взаємодія основ з однією молекулою води призводить до максимального зниження потенціалу іонізації на 0,15 ЕВ, взаємодія з наступними другою і третьою молекулами знижує потенціал іонізації на 0,1 ЕВ. Показано, що кількісне співпадіння розрахованих і експериментальних даних спорідненості ізольованих основ ДНК до протону досягається вже на рівні теорії збурень Мюллера-Плессета другого порядку, якщо взяти до уваги, що гуанін і цитозин існують в ізольованому стані як суміш таутомерів. (Ідея та планування досліджень, виконання квантово-хімічних розрахунків, участь в інтерпретації результатів та написанні статті). (Планування досліджень, проведення квантово-хімічних розрахунків, участь в інтерпретації результатів та в написанні статті).

Основний зміст роботи