БИОФИЗИКА, 2015, том 60, вып. 5, с. 853-860
МОЛЕКУЛЯР НАЯ БИОФИЗИКА =
УДК 577.3
СТРУКТУРНЫЕ И СТРУКТУРНО-ДИПОЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ХУГСТИНОВСКИХ ДИМЕР ОВ, ОБРАЗУЮЩИ ХСЯ ИЗ КОМПЛЕМЕНТАРНЫХ НУКЛЕИНОВЫХ О СНОВАНИЙ, ПО ДАННЫМ КВАНТОВО-МЕХАНИЧЕСКИХ ab initio ИССЛЕДОВАНИЙ
© 2015 г. Ю.М. Петренко
Pоссийский национальный исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова,
117997, Москва, ул. Островитянова, 1
E-mail: yury_petrenko@mail.ru Поступила в p едакцию 22.06.15 г.
Выполнены квантово-меxаничеcкие ab initio исследования по выявлению стpуктуpныx и струк-туpно-дипольныx особенностей xугcтиновcкиx димеpов по отношению к уотсон-криковским, обpaзующиxcя пpи взаимодейcтвии комплементаpныx пар оcнований. Установлено, что в завиcимоcти от иcxодного взаимоpаcположения аденина и тимина могут обpазовыватьcя как уотcон-кpиковcкие, так и xугcтиновcкие димеpы. Из гуанина и цитозина димеpы xугcтиновcкого типа обpазуютcя только в cлучае, еcли иcxодно цитозин был пpотониpован. Оба вида xугcтиновcкиx димеpов заметно отличаются от уотcон-кpиковcкиx по длинам cвязей и углам между cмежными cвязями, как в пуpиновой, так и в пиpимидиновой чаcтяx димеpов. Длины водоpодныx cвязей у xугcтиновcкиx димеpов, в общем, коpоче, а углы водоpодныx cвязей и углы между ними заметно больше, чем у уотcон-кpиковcкиx. Cущеcтвенные pазличия наблюдаются также по pаcпpеделению заpядов на атомаx и дипольным моментам. В pаботе пpедложен cпоcоб определения тонкой cтpуктуpы дипольныx моментов и на его остове пpиведены количественные данные о xаpактеpе этиx pазличий. Также показано, что значения локальный паpаметpов, в cоответcтвии c кембpиджcким cтандаpтом клаccификации паpаметpов, опреде-ляющиx cвойcтва ДНК, у xугcтиновcкиx и уотcон-кpиковcкиx димеpов cильно pазличаются.
Ключевые слова: основания нуклеиновых кислот, хугстиновские димеры, метод Хартри-Фока, дипольный момент.
Поеле того, как в 1953 году в жуpнале «Nature» Дж. Уотеон и Ф. К рик опубликовали свою теорию о структуре ДНК [1] и красиво объяснили, какую роль эта структура может играть в пpоцеccаx передачи и xpанения наследственной информации, m теория стала предметом всестороннего изучения. Совокупность имеющиxcя данный указывает на то, что спиралевидность ДНК есть следствие электронной комплементарности оснований и геометри-чеcкиx ограничений двойной спирали [2,3].
К. Хугстин первым предпринял попытку экспериментально проверить способность о снований связываться друг с другом с целью определения иx комплементар ности [4,5]. П роводя эксперименты в смешанный pаcтвоpаx разнь^ пар оснований и используя кристаллографические подxоды, он обнаружил, что аденин с тимином действительно связываются между со -бой. Способ иx связывания отличался от предполагаемого Дж. Уотсоном и Ф. Криком для
этой пар ы о снований в ДНК. Этот способ сейчас называется хугстиновским по имени автора . В отношении связывания других пар о снований он установил, что гуанин с цитозином всегда связываются между собой в полном со -ответствии с гипотезой Дж. Уотсона и Ф. К ри-ка. Комплексов же, создаваемых другими парами оснований, не было обнаружено. Таким обр азом, Хугстином было получено первое экспериментальное подтверждение способности нуклеиновых о снований связываться между со -бой попарно, и была определена специфичность этого связывания, согласно которой связываются между собой аденин с тимином и гуанин с цитозином.
Р. Лорд с соавторами [6] методом инфракрасной спектроскопии показали образование димеров гуанина и цитозина. В то же время между гуанином и аденином взаимодействие не регистр ир овалось. П р и совместной кристаллизации пр оизводных аденина и ур ацила реги-
стрируются комплексы, однако они никогда не являются уотсон-криковскими.
Имеются квантово-механические исследования, которые подтвердили способность комплементарных нуклеиновых оснований образовывать комплексы как типа Уотсона-К рика, так и типа Хугстина. Из результатов таких исследований следовало, что хугстиновские димерные структуры более устойчивы, чем уотсон-криков-ские [7]. Вопрос о структурных особенностях и различиях между хугстиновскими и уотсон-кри-ковскими димерами до сих пор не решен. Не решен вопрос и о самой природе водородных связей, посредством которых образуются димеры из нуклеиновых оснований [8]. В то же время в литературе есть данные, по которым в качестве главного фактора, определяющего структуру ДНК, рассматриваются не водородные связи, а только геометрия [9]. Важно, что в ряде работ получены данные о том, что в реальных РНК [10] и ДНК [11] имеются пары оснований, связанных в димерах не по уотсон-криковскому типу, а по хугстиновскому типу.
Цель данной работы заключалась в выяснении особенностей структур ной и структур но-дипольной организации димеров нуклеиновых оснований хугстиновского и уотсон-кр иковско-го типов с помощью квантово-механических ab initio исследований.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Для вычислительных исследований была использована известная программа расчета квантовой механики Gaussian 09. Изучали отдельные основания и их комплексы (димеры). Первичными данными квантово-механических исследований являлись координаты атомов и парциальные атомные заряды, определяемые по Малликену. По величинам этих зарядов определяли структуру электрических диполей, векторную направленность, полюсные заряды и расстояния между ними. На первом этапе были синтезированы нуклеиновые основания аденин (A), тимин (T), гуанин (G) и цитозин (C) - на уровне теории HF/6-3Ш(ё,р). В литературе имеются данные об использовании в квантово-механических исследованиях такого уровня теории [12,13]. Протони-рованный цитозин (C+), необходимый для дальнейшего синтеза G^+^цимера (здесь и далее звездочка обозначает димер по Хугстину, без звездочки димер по Уотсону и Крику), получали путем его синтеза из системы «цитозин плюс протон», при расположении протона на расстоянии 1 А от атома N3 цитозина по линии C6N3 с последующей оптимизацией геометрии по поиску глобального минимума. Здесь и далее -
нумерация атомов в основаниях приведена в соответствии с правилами ШРАС [14].
Для экспериментов по синтезу димеров были выбраны только комплементарные пары: «аденин + тимин» и «гуанин + цитозин»; для хугстиновского димера - цитозин был прото-нированным. Для каждой пары исследованы два метода спаривания - по Уотсону и К рику и по Хугстину. Основания попар но объединялись в единые системы на ра сстоянии 3 А между пир имидиновыми кольцами, ориентированно друг к другу атомами, участвующими в обра -зовании водор одной связи в комплементар ных взаимодействиях. Отметим, что хугстиновский димер из гуанина и цитозина в обычных условиях вообще не синтезируется квантово-ме-ханическим способом, и только при использовании протонированного цитозина его синтез становится возможным.
Для водородных связей вида ХЫ—У под длиной связи принималось расстояние ЫУ (линия водор одной связи), угол связи определяли как угол между линиями УХ и ХЫ. Угол между двумя водородными связями определяли как угол между линиями этих водородных связей.
Опр еделяли структурно-дипольную организацию в димерах и вычисляли дипольные моменты всех диполей, представленных в димерах. Для этого использовали данные о парциальных зарядах на атомах оснований. Для каждого мономера были определены координаты центров положительных и отрицательных зарядов, расстояния между ними и значения зарядов на центрах. Д ругими словами, атомы каждого мономер а были разделены на две группы: положительно-заряженные и отрицательно-заряженные. Для каждой группы атомов определялись коор динаты соответствующего зарядового центра по фор муле (1), а его эффективный зар яд -как арифметическая сумма эффективных зарядов одноименной полярности на атомах. _
Расчет координат зарядовых центров (х) осуществляли по формуле
— i=1 x =-
(1)
i=1
Здесь xi и wi - соответственно координата и заряд i-го атома, а n - число зарядов одноименного знака, распределенных на атомах.
П роизведение р асстояния между зарядовыми центрами, положительным и отрицатель-
n
Общий вид димеров уотсон-криковского и хугстиновского типов, синтезированных квантово-механическим способом из комплементар ных пар о снований. (а), (б) - Димер ы уотсон-кр иковского и хугстинского типов из аденина и тимина; (в) - димер уотсон-кр иковского типа из гуанина и цитозина; (г) - димер хугстинского типа в*С+, обр азованный из гуанина и пр отонир ованного цитозина.
ным, пур инового мономер а на меньший по модулю эффективный заряд дает пер вый ди-польный момент, отражающий степень поляризации аденина или гуанина. Произведение р а сстояния между зар ядовыми центр ами пир и-мидинового мономер а на меньший по модулю эффективный зар яд дает втор ой дипольный момент, отр ажающий степень поляр изации тимина или цитозина. О ставшиеся избыточные за -ряды мономеров создают третий дипольный момент, отр ажающий степень поляр изации структурообразующих водородных связей в ди-мер ах. Расстояние между создающими этот диполь зарядами соответствует расстоянию между зар ядовым центр ом с избыточным положительным зарядом одного мономер а и отр ицатель-ным д р угого. Геометр ическая сумма всех т р ех дипольных моментов дает общий дипольный момент, котор ый отр ажает степень поляр изации димер а как единого целого.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
О собенности водородных связей, соединяю -щих комплементарные основания в димеры хугстиновского и уотсон-криковского типов. Кван-тово-механическая оптимизация системы, со -
стоящей из аденина и тимина, пр иводит к обр азованию димер ного комплекса, в котор ом указанные комплементарные пары оснований связаны двумя водородными связями в соответствии со схемой Уотсона-К р ика. В обр азо-вании более кор откой водо р одной связи в АТ-димер е пр инимают участие атомы Н61 аденина и 04 тимина, в более длинной - N1 аденина и Н3 тимина. В то же вр емя пр и опр еделенном исходном взаиморасположении этой пары обр азуется также и другой тип димер а, в котор ом аденин и тимин связываются двумя водор одными связями по хугстиновскому типу (см. р и -сунок, а ,б). В обр азовании более
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.