Biopolym. Cell. 2005; 21(1):70-79.
http://dx.doi.org/10.7124/bc.0006DF
Молекулярна біофізика
Молекулярний механізм спонтанних мутацій заміщення, обумовлених таутомерією основ: ПостХартрі-Фоківське вивчення рідкісних пар основ ДНК
1Данілов В. І., 1Говорун Д. М., 2Куріта Н.
  1. Інститут молекулярної біології і генетики НАН України
    Вул. Академіка Заболотного, 150, Київ, Україна, 03680
  2. Технологічний університет Тоєгаши
    1-1 Hibarigaoka Tenpaku-чо, Тоєгаши, Aichi 441-8580, Японія

Abstract

Здійснено газофазну градієнтну оптимізацію рідкісних пар основ ДНК, які включають у себе лактам-лактимні і аміно-імінні таутомери, за допомогою методу Хартрі-Фока (ХФ), теорії функціонала густини (ТФГ) та другого порядку теорії збурень Моллера-Плессета (МП2) у базисі 6-31G(d, р). Пока­зано, що повна оптимізація геометрії на рівні МП2 веде до внутрішньо неплоскої пропелер-обертальної і вигнутої гео­метрії пар основ G*-T і G-T*. Неплощинність пар обумовлена пірамідалізацією атомів азоту аміногрупи, яка недооціню­ється методами ХФ і ТФГ. Це виправдовує важливість оптимізації геометрії на рівні МП2 для отримання помірко­ ваного передбачення розподілу зарядів, молекулярних диполь­них моментів і геометричної структури пар основ. Порів­няння енергій формування рідкісних пар основ демонструє енергетичну перевагу пар основ G*-T і А-С* стосовно пар G-T* і А*-С. Виявлено, що величини енергій стабілізації пар основ G-T* і А*-С, які описують взаємодію між мономерами, значно більші за аналогічні значення пар основ G*-T і А-С* відповідно. Використовуючи аналіз членів розкладання ХФ енергій молеку­лярної взаємодії методами Морокуми-Кітаури і зменшеного варіаційного простору, знайдено, що природа більшої стабіль­ності пар основ G-T* і А*-С порівняно з парами G*-T і А-С* на 60–65 % обумовлена електростатичними взаємодіями і на 35–40 % — поляризаційними взаємодіями і взаємодіями з перенесенням заряду відповідно.
Keywords: спонтанні мутації, таутомерія, рідкісні пари основ, Хартрі-Фок, ТФГ, Моллер-Плессет, оптимізація геометрії, неплоска аміногрупа, пропелер-обертальна і вигну­ та геометрія, метод Морокуми-Кітаури, енергія взаємодії, енергія стабілізації
Повний текст: (PDF, англійською)

References

[1] Watson JD, Crick FH. The structure of DNA. Cold Spring Harb Symp Quant Biol. 1953;18:123-31.
[2] Lowdin PO. Quantum genetics and the aperiodic solid. Some aspects of the biological problems of heredity, mutations, aging and tumors in view of the quantum theory of the DNA molecule. Adv. Quant. Chem. 1965; 2:213-360.
[3] Goodman MF. DNA models. Mutations caught in the act. Nature. 1995;378(6554):237-8.
[4] Jiang SP, Raghunathan G, Ting KL, Xuan JC, Jernigan RL. Geometries, charges, dipole moments and interaction energies of normal, tautomeric and novel bases. J Biomol Struct Dyn. 1994;12(2):367-82.
[5] Krechkivska OM, Kosach DA, Sudakov OO, Hovorun DM. Is the complementarity of canonical nucleotide bases in DNA their inherent physical-chemical characteristics? Results of the non-empirical quantum-chemical investigation. Biopolym Cell. 2003; 19(4):382-5.
[6] Hehre WJ, Radom L, Schleyer PVR, Pople JA. Ab initio molecular orbital theory. New York: J. Wiley, 1986.
[7] Danilov VI, Anisimov VM. Post Hartree-Fock studies of the canonical Watson-Crick DNA base pairs: molecular structure and the nature of stability. J Biomol Struct Dyn. 2005;22(4):471-82.
[8] Chalasinski G, Szczesniak MM. Origins of Structure and Energetics of van der Waals Clusters from ab Initio Calculations. Chem Rev.1994;94(7):1723–65.
[9] M?ller C, Plesset MS. Note on an approximation treatment for many-electron systems. Phys Rev. 1934;46(7):618–22.
[10] Morokuma K, Kitaura K. Energy decomposition analysis. Chemical applications of atomic and molecular electrostatic potentials. Eds P. Politzer, D. G. Truhlar. New York: Plenum press, 1981: 215-42.
[11] Stevens WJ, Fink WH. Frozen fragment reduced variational space analysis of hydrogen bonding interactions. Application to the water dimer. Chem Phys Lett. 1987;139(1):15–22.
[12] Gordon MS, Jensen JH. Wavefunctions and chemical bonding: interpretation. The Encyclopedia of Computational Chemistry. New York: J. Wiley, 1998: 3198-3214.
[13] Schmidt MW, Baldridge KK, Boatz JA, Elbert ST, Gordon MS, Jensen JH, et al. General atomic and molecular electronic structure system. J Comp Chem. 1993;14(11):1347–63.
[14] Hobza P, Sponer J. Toward true DNA base-stacking energies: MP2, CCSD(T), and complete basis set calculations. J Am Chem Soc. 2002;124(39):11802-8.
[15] Sponer J, Leszczynski J, Hobza P. Electronic properties, hydrogen bonding, stacking, and cation binding of DNA and RNA bases. Biopolymers. 2001-2002;61(1):3-31.
[16] Diekmann S. Definitions and nomenclature of nucleic acid structure parameters. J Mol Biol. 1989;205(4):787-91.
[17] Komarov VM, Polozov RV, Konoplev GG. Non-planar structure of nitrous bases and non-coplanarity of Watson-Crick pairs. J Theor Biol. 1992;155(3):281-94.
[18] Sloane DL, Goodman MF, Echols H. The fidelity of base selection by the polymerase subunit of DNA polymerase III holoenzyme. Nucleic Acids Res. 1988;16(14A):6465-75.
[19] Echols H, Goodman MF. Fidelity mechanisms in DNA replication. Annu Rev Biochem. 1991;60:477-511.
[20] Goodman MF. Hydrogen bonding revisited: geometric selection as a principal determinant of DNA replication fidelity. Proc Natl Acad Sci U S A. 1997;94(20):10493-5.
[21] Topal MD, Fresco JR. Complementary base pairing and the origin of substitution mutations. Nature. 1976;263(5575):285-9.