МОЛЕКУЛЯР НАЯ БИОФИЗИКА =
УДК 547.96
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ССЛЕДОВАНИЕ ТАУТОМЕРИИ АДЕНИНА, ПУРИНА, ГУАНИНА И ЦИТОЗИНА
© 2009 г. Г.Н. Тен, В.И. Баранов*
Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского, 410026, Саратов, ул. Московская, 155; * Институт геох имии и аналитической х имии им. В .И. Вернадского РАН, 119991, Москва, ул. Косыгина, 19
Поступила в р едакцию 03.02.08 г.
Рассчитаны параметры таутомерного равновесия и стабильности лактам-лактимной, амино-иминной и ^Н о ^Н таутомерии аденина, пур ина, гуанина и цитозина для изолир ованных со стояний. Показано, что для аденина наиболее стабильной является таутомерная форма Аёе-^Н, при этом возможен внутримолекулярный перенос протона и таутомерное превращение Аёе-^Н ^ Аёе-^Н. Опр еделены пар аметры стабильности и равновесия семи тауто-меров гуанина. Для цитозина возможно одновременное существование амино-гидрокси- и имино-оксо-форм, а также валентного таутомера амино-гидрокси-формы.
Ключевые слова: аденин, пурин, гуанин, цитозин, таутомерное равновесие.
Таутомерия оснований нуклеиновых кислот (ОНК) - аденина (Ade), гуанина (Gua) и цитозина (Cyt) - исследуется различными экспериментальными и теоретическими методами, в том числе и спектроскопическими [1-8]. C помощью анализа спектров поглощения Ade, Gua и Cyt можно показать наличие той или иной таутомер ной формы в изолированном состоянии (напр имер, амино-оксо- и амино-гидрокси-для Cyt [1-3]). Однако возникающие при этом сложности в сопоставлении результатов расчета с экспериментом [4-8] и, как следствие, неоднозначность интерпретации колебательных спектров не позволяют считать вопрос спектрального определения таутомерных форм Ade, Gua и Cyt полностью решенным. Действительно, если основным критерием присутствия ке-тонной и енольной форм молекулярных соединений является наличие в колебательных спектрах характеристических полос поглощения карбонильной и гидроксильной групп, то при определении N7H- и NgH-таутомерных форм Ade, Gua или пурина (Pur), спектры которых очень похожи, сделать однозначный вывод о таутомер ном составе вещества, основываясь только на спектральных данных, практически нельзя [4-8]. Аналогичные трудно сти возникают пр и опр еделении иминных форм ОНК, особенно если их доля в молекулярном составе вещества является незначительной [1,4]. Таким образом, традиционный подход при идентификации стр уктуры таутомер ов, основанный только
на анализе частот и интенсивностей полос поглощения, часто дает неоднозначный результат и поэтому неэффективен.
Это диктует необходимость поиска новых путей теоретического опр еделения таутомерного состава ОНК. С этой целью нами предложен [9] полуэмпирический параметрический метод оценки таутомерного состава и относительной стабильности системы таутомеров А о В с помощью параметров равновесия ЯАВ и стабильности S
AB-
R AB "
R AB "
Z ai
i e B
Z а
j e A
Z ai - aX - H
i e B
(1)
(2)
а
Z а
j e A
- R AB -
X-H
Z aj
j e A
Cокpащение: ОНК - основания нуклеиновых кислот.
где а = Ь;/Е{; Ь; = £ £ р2у и Е; - индекс и
ц е у V е г
энергия ;-й связи (между атомами У и Z); Р -элементы матр ицы плотности. Для связи X—Н с «мигрирующим» при таутомерном пр евр аще-нии протоном учитывается электроотрицательность атома X: «х—н = ХхРх—н/Ех—н. Суммирование в выражениях (1), (2) осуществляется
только по связям i и j таутомеров A и B, образующих структурный фрагмент, в котором происходит перено с протона. Апробация данного метода при анализе лактам-лактимной и тион-тиольной таутомерии урацила (Ura), тимина (Thy) и их тиозамещенны х показала его работоспособность и эффективность [9]. В частности, удалось выяснить роль межмолекулярного фактора при таутомерных превращениях данных молекул и целых ряд других особенностей, ранее не интерпретируемых (например, возможное тау-томерное превращение 2S,4S-Ura ^ 121 ^ 2141, т.е. одновременное существование трех молекулярных структур) [10].
Данная статья посвящена исследованию лак-там-лактимной, амино-иминной и N9H ^ N7H таутомер ии Ade, Pur, Gya и Cyt в изолированном состоянии.
АДЕНИН И ПУРИН
Согласно данным квантово-химических р ас-четов [4,5], в изолированном со стоянии должен пр исутствовать только таутомер Аde-N9H. Такой вывод подтверждается расчетами полной энергии, из которых следует, что ее значение для Аde-N9H меньше, чем для Аde-N7H (ДЕ = 10,6 ккал/моль при расчете неэмпирическим методом 4-21G [4]; наш расчет методом РМ 3 дает ДЕ = 5,8 ккал/моль; р а счет неэмпирическим методом на уровне БРТ(В3-ЬУР)/6-3Ш^,р) с учетом нулевого колебательного уровня (Ео + ZPV) предсказывает, что ДЕ = 32-34 кДж/моль [11]; аналогичные результаты получены и другими методами).
При этом интерпретация экспериментальных колебательных спектр ов разными автор ами неоднозначна. С одной стороны, расщепление линий в высокочастотной области является сильным аргументом в пользу одновременного существования рассматриваемых таутомерных фор м. Наблюдаемое в Ar-матр ице расщепление полос, интерпретируемых как валентные колебания связи NH (N9H или N7H), а также симметричных и антисимметричных валентных колебаний аминной группы NH2 для Ade, Pur и Gua и исчезновение эффекта расщепления полос для метилзамещенных по положению N9, по мнению авторов эксперимента [5], доказывает присутствие таутомерного процесса в имида-зольном кольце этих соединений. С другой стороны, данное расщепление, по мнению автор ов аналогичного эксперимента [13], - это результат взаимодействия с матрицей. Действительно, расщепление, наблюдающееся в Ar-матрице, исчезает в ^-матр ице, но при этом наблюдается уширение полос валентных колебаний группы
NH2 и о стается расщепление полос валентных колебаний связи N-H [11]. Для окончательного выяснения таутомерного состава были получены спектры изотопозамещенных Аёе-15^Н, Аёе-15^Н и проведено сравнение положения полос поглощения в высокочастотной области с аналогичными колебаниями для Аёе-14^Н. Наблюдаемый сдвиг обеих полос (3498 и 3489 см-1) для Аае-15^Н (3490 и 3480 см-1) и отсутствие такового для Аёе-15^Н (3498 и 3489 см-1), по мнению авторов, доказывает факт пр исутствия только одной таутомер ной формы, а именно Аёе-15^Н [11]. Надо заметить, что такой вывод справедлив, если учитывать смещение только первой полосы, а именно 3498 см-1. П рирода второй полосы поглощения (3489 см-1) и ее смещение на 9 см-1 при изотопоза-мещении автор ами эксперимента не объяснены.
Комплексное экспериментальное исследование таутомер ии Лёе в газовой фазе методами двойной резонансной спектроскопии (ИК-УФ) и резонансной двухфотонной ионизации не только подтверждает одновременное существование таутомеров Аёе-^Н, Аёе-^Н, но и не исключает возможность существования и других таутомер ных форм Лёе, напр имер иминной [12].
Расчеты колебаний, выполненные в различных приближениях, также дают неоднозначные результаты:
а) расчет в приближении 4-21G подтверждает существование обоих таутомер ов - Аёе-^Н и Аёе-^Н [4];
б) расчет, выполненный методом ab initio в приближении НР/6-3Ш(ё,р), не позволяет, по мнению авторов, однозначно ответить на во-пр ос, какой из таутомер ов пр исутствует в изолированном состоянии, пр и этом главным кр и-терием отнесения являлась полоса поглощения, отвечающая за неплоское колебание (выход связи ^Н или N^ из плоскости) [13];
в) расчет нормальных колебаний неэмпирическим методом на ур овне DFT(B3-LYP)/6-3Ш(<1,р) [11] указывает на присутствие только одного таутомера в низкотемпературной матрице, а именно таутомер а А-^Н, причем, как и в работе [13], основным критер ием для такого вывода послужило отсутствие в вычисленном спектре полосы поглощения, соответствующей колебанию у^7Н) имидазольного кольца. Действительно, в эксперименте для А-N^ это колебание проявляется в области 403 см-1, а в расчете в области 300-500 см-1 полосы поглощения отсутствуют. Однако в данном расчете не воспроизводятся другие экспериментально
Таблица 1. Значения параметров pавновесия (Rотн) и стабильности (Sотн) таутомеров Ade и Pur для внутр имолекуляр ного механизма
Таутомер*
Рис. 1. Молекулярные диаграммы таутомерных форм N9H (-) и N7H (---) Ade (а) и Pur (б).
наблюдаемые интенсивные поло сы поглощения с частотами 591 и 583 см-1;
г) с целью интерпретации этих колебаний (591 и 583 см-1) был выполнен р а счет в пр и-ближении DFT (B3-LYP/6-31G* и GGA/DNP)
[14], согласно которому колебание с частотой 528 см-1, по фо р ме отвечающее за дефор маци-онные колебания аминной группы NH2, являет ся сильно ангар моничным. П р и этом не учи -тывается интенсивное колебание с частотой 566 см-1, которое было интерпретировано как неплоское колебание y(N9H), и его воспр оизведе-ние являлось главным кр итер ием опр еделения таутомер а А -N9H [14].
Таким образом, имеющиеся противоречия не позволяют дать определенный ответ о существовании таутомерных форм Ade в изоли-р ованном со стоянии.
Кроме того, из анализа химических сдвигов методом ЯМP следует, что в поляр ном ра ство-рителе процентное содержание таутомерной фор мы Аde-N7H пр и 20°С со ставляет 15-22%
[15], а доля иминной фор мы - менее 0,01% [16].
Для оценки таутомер ного со става изолир о -ванного Ade были ра ссчитаны пар аметр ы таутомер ного равновесия R отн и стабильно сти S отн для аминной и иминной фор м таутомер ов Ade-N9H и Ade-N7H. Молекуляр ные диагр аммы Ade и Pur пр иведены на р и с. 1. Как следует из ср авнения S отн (табл. 1), в изолир ованном со стоянии более стабильным является таутомер А de-N9H, что согласуется с р езультатами др у-гих р асчетов. Поскольку значение R отн > 1, то возможен внутр имолекуляр ный пер ено с пр ото-на и таутомер ный пер еход Ade-N9H в А de-N7H. Таким обр азом, согласно р езультатам р асчета Rотн в изолирующей матрице колебательный спектр Ade является супер позицией спектр ов двух таутомер ных форм Аde-N9H и Аde-N7H. Более того, в колебательном спектр е изолир о -ванной молекулы должны также присутствовать и полосы, соответствующие иминным формам
А de-N7H А de-N9H Pur-N7H Pur-N9H А de-N7H А de-N9H
Путь пер ено са пр отона
Аde-N9H ^ Аde-N7H А de-N7H ^ А de-N9H Pur-N9H
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.