Biopolym. Cell. 2011; 27(4):291-299.
http://dx.doi.org/10.7124/bc.00010E
Молекулярна біофізика
Квантово-механічне дослідження конформаційних можливостей молекули 5'-дезоксигуанілової кислоти
1Ніколаєнко Т. Ю., 1Булавін Л. А., 1, 2Говорун Д. М.
  1. Київський національний університет імені Тараса Шевченка
    вул. Володимирська 64, Київ, Україна, 01601
  2. Інститут молекулярної біології і генетики НАН України
    Вул. Академіка Заболотного, 150, Київ, Україна, 03680

Abstract

Мета. Повний конформаційний аналіз ізольованої молекули 5'-дезоксигуанілової кислоти (дГК). Методи. Конформацію молекули описували за допомогою торсійних кутів β= РО5'С5'С4', γ = О5'С5'С4'С3', ε= С4'С3'O3'HO3', χ = О4'С1'N9C4, α ' = C5'O5'POP, ξ1 = O5'POP1HP1, ξ2 = O5'POP2HP2, кута P та амплітуди max псевдообертання фуранозного кільця. Стартові геометрії будували, виходячи з отриманих раніше повних конформаційних сімейств молекул 2'-дезоксигуанозину, метилдигідрофосфату та 1,2-дидезоксирибофуранози-5-фосфату. Оптимізацію геометрії виконували на рівні теорії DFT B3LYP/6-31G(d,p), а розрахунок електронних енергій – MP2/6-311++G(d,p). Результати. Виявлено 745 конформерів ізольованої молекули дГК з відносними енергіями Гіббса за нормальних умов в межах 016,4 ккал/моль. Охарактеризовано конформаційну мінливість довжин хімічних зв’язків, валентних кутів та ендо- і екзоцик- лічних торсійних кутів нуклеотидної основи. Висновки. Встановлено, що енергетично найвигідніший конформер має syn-орієнтацію основи та C1'exo-конформацію фуранозного кільця. Серед знайдених конформерів структура 13 подібна до нуклеотидів ДНК у її AI-, AII-, BI-, ZI- чи ZII-формах, причому найменшу енергію Гіббса (ΔG = 9,1 ккал/моль) серед цих конформерів має BI-ДНК-подібний. Продемонстровано роль внутрішньомолекулярних H-зв’язків у підтриманні просторової структури конформерів.
Повний текст: (PDF, українською)

Supplementary data

References

[1] G-Quadruplex DNA: methods and protocols / Ed. P. Baumann New York: Humana Press, 2010 276 p.
[2] Morris G. K., Williams W. L. Inhibition of growth of Lactobacillus bulgaricus by purine deoxyribonucleotides J. Bacteriol 1965 90, N 3 P. 715–719.
[3] Kimura N., Shimada N., Ishijima Y., Fukuda M., Takagi Y., Ishikawa N. Nucleoside diphosphate kinases in mammalian signal transduction systems: Recent development and perspective J. Bioenerg. Biomembr 2003 35, N 1 P. 41–47.
[4] Young D. W., Tollin P., Wilson H. R. The structure of disodium deoxyguanosine-5'-phosphate tetrahydrate Acta Cryst 1974 30, N 8 P. 2012–2018.
[5] Nafissi S., Aghabozorgh H., Sadjadi S. A. S. Interaction of T1+ with mononucleotides: metal ion binding and sugar conformation J. Inorg. Biochem 1997 66, N 4 P. 253–258.
[6] Robinson J. M., Greig M. J., Griffey R. H., Mohan V., Laude D. A. Hydrogen/deuterium exchange of nucleotides in the gas phase Anal. Chem 1998 70, N 17 P. 3566–3571.
[7] Santamaria R., Quiroz-Gutierrez A., Juarez C. Structures and energetic properties of B-DNA nucleotides J. Mol. Struct.: Theochem 1995 357, N 1–2 P. 161–170.
[8] Shishkin O. V., Gorb L., Zhikol O. A., Leszczynski J. Conformational analysis of canonical 2-deoxyribonucleotides. 2. Purine nucleotides J. Biomol. Struct. Dyn 2004 22, N 2 P. 227– 243.
[9] Nikolaienko T. Yu., Hovorun D. M. Quantum-mechanical conformational analysis of 2'-deoxycytidilic acid molecule — the DNA structural unit Dopovidi . Nat. Acad. Sci. Ukraine 2010 N 9 P. 173–184.
[10] Nikolaienko T. Yu., Bulavin L. A., Hovorun D. M. Quantummechanical conformational analysis of the 5'-thymidilic acid molecule Ukr. Biokhim. Zh 2010 82, N 6 P. 76–86.
[11] Liu D., Wyttenbach T., Bowers M. T. Hydration of mononucleotides J. Am. Chem. Soc 2006 128, N 47 P. 15155–15163.
[12] Boryskina O. P., Tkachenko M. Yu., Shestopalova A. V. Variability of DNA structure and protein-nucleic acid reconginition Biopolym. Cell 2010 26, N 5 P. 360–372.
[13] Saenger W. Principles of nucleic acid structure. New York: Springer, 1984; 556 p.
[14] Nikolaienko T. Yu., Bulavin L. A., Hovorun D. M. The 5'-deoxyadenylic acid molecule conformational capacity investigated using density functional theory (DFT). Ukr Biokhim Zh. 2011 83(4):16-28
[15] Zhurakivsky RO, Hovorun DM. Complete conformational analysis of 2'-deoxycytidine molecule by density functional theory. Dopovidi Nats Akad Nauk Ukrainy. 2007; (4):187-95.
[16] Nikolaienko T. Yu., Bulavin L. A., Hovorun D. M. How many conformers of the methyl dihydrogen phosphate molecule exist? Detailed quantum-mechanical investigation Biophysical bulletin 2010 Iss. 25 (2) P. 17–25.
[17] Nikolaienko T. Yu., Bulavin L. A., Hovorun D. M., Missura O. O. Conformational variety and physical properties of the 1,2dideoxyribofuranose-5-phosphate, the model DNA monomer structural unit Ukr. Biokhim. Zh 2011 83, N 1 P. 54–62.
[18] Frisch M. J., Trucks G. W., Schlegel H. B., Scuseria G. E., Robb M. A., Cheeseman J. R., Montgomery Jr., J. A., Vreven T., Kudin K. N., Burant J. C., Millam J. M., Iyengar S. S., Tomasi J., Barone V., Mennucci B., Cossi M., Scalmani G., Rega N., Petersson G. A., Nakatsuji H., Hada M., Ehara M., Toyota K., Fukuda R., Hasegawa J., Ishida M., Nakajima T., Honda Y., Kitao O., Nakai H., Klene M., Li X., Knox J. E., Hratchian, H. P., Cross J. B., Bakken V., Adamo C., Jaramillo J., Gomperts R., Stratmann R. E., Yazyev O., Austin A. J., Cammi R., Pomelli C., Ochterski J. W., Ayala P. Y., Morokuma K., Voth G. A., Salvador P., Dannenberg J. J., Zakrzewski V. G., Dapprich S., Daniels A. D., Strain M. C., Farkas O., Malick D. K., Rabuck A. D., Raghavachari K., Foresman J. B., Ortiz J. V., Cui Q., Baboul A. G., Clifford S., Cioslowski J., Stefanov B. B., Liu G., Liashenko A., Piskorz P., Komaromi I., Martin R. L., Fox D. J., Keith T., Al-Laham M. A., Peng C. Y., Nanayakkara A., Challacombe M., Gill P. M. W., Johnson B., Chen W., Wong M. W., Gonzalez C., Pople J. A. Gaussian 03, Revision E.01 Wallingford CT: Gaussian Inc., 2004.
[19] Bader R. F. W. Atoms in Molecules: a quantum theory Oxford: Univ. Press, 1990 458 p.
[20] Iogansen A. V. Direct proportionality of the hydrogen bonding energy and the intensification of the stretching (XH) vibration in infrared spectra Spectrochim. Acta A 1999 55, N 7–8 P. 1585–1612.
[21] Espinosa E., Molins E., Lecomte C. Hydrogen bond strengths revealed by topological analyses of experimentally observed electron densities Chem. Phys. Lett 1998 285, N 3–4 P. 170– 173.
[22] Kitamura K, Wakahara A, Mizuno H, Baba Y, Tomita K. Conformationally 'concerted' changes in nucleotide structures. A new description using circular correlation and regression analyses. J Am Chem Soc. 1981; 103(13):3899–904.
[23] Svozil D., Kalina J., Omelka M., Schneider B. DNA conformations and their sequence preferences Nucl. Acids Res 2008 36, N 11 P. 3690–3706.
[24] Schneide B., Neidle S., Berman H. M. Conformations of the sugar-phosphate backbone in helical DNA crystal structures Biopolymers 1997 42, N 1 P. 113–124.