Фізико-хімічні характеристики водневих зв’язків у модельних білково-нуклеїнових комплексах за участі таутомерів урацилу та тиміну. Результати квантово-хімічного моделювання Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

Фізика живого, Т. 1S, No 3, 2010. С.14-23. С Юренко Є. П.

РІі.уяіоч oHlic Alhc

П11 n.|M.M>U‘ll(4>44‘lltrr.net

УДК 277.3

ФІЗИКО-ХІМІЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОДНЕВИХ ЗВ’ЯЗКІВ У МОДЕЛЬНИХ БІЛКОВО-НУКЛЕЇНОВИХ КОМПЛЕКСАХ ЗА УЧАСТІ ТАУТОМЕРІВ УРАЦИЛУ ТА ТИМІНУ. РЕЗУЛЬТАТИ КВАНТОВО-ХІМІЧНОГО МОДЕЛЮВАННЯ

Юренко Є.П.

Інститут молекулярної біології та генетики НАН України, відділ молекулярної та квантової біофізики,

Київ, Україна e-mail: [email protected]

Шдійшла до редакції 14.03.2010

Квантово-хімічними методами на рівні теорії В3ЬУР/6-311++0(сС,р) досліджено водневі зв’язки в подвійних та потрійних модельних комплексах таутомерів урацилу та тиміну з СИ3СОО” та з СИ3СОО” і :№+. За допомогою аналізу КВО встановлено, що при Н-зв’язуванні відбувається міграція електронної густини з неподіленої електронної пари атому У на незв’язуючу орбіталь а" групи Х-И. Значення електронної густини та Лапласіану електронної густини в критичних точках (3,-1) деяких водневих зв’язків перевищують допустимі межі Коха і Попельє, що вказує на високу енергію зв’язування. Вперше показано, що енергія орбітальної взаємодії Е(2) для водневих зв’язків тісно пов’язана з ентальпією-ДИ, а, отже, може використовуватися для оцінки їхньої енергії.

Ключові слова: модельні білково-нуклеїнові комплекси, прототропна таутомерія, урацил, тимін.

ВСТУП

Білково-нуклеїнове впізнавання лежить в основі ключових процесів, що відбуваються на молекулярному рівні в живій клітині: реплікації, транскрипції, трансляції та репарації. Одним з основних чинників впізнавання певної послідовності ДНК білками є наявність донорів та акцепторів водневих (Н) зв’язків у парах основ, що взаємодіють з “впізнавальними” (комплементарними)

амінокислотами в районі малої та великої борозенки [1]. Крім того, експериментально встановлено, що у високоспецифічних білково-нуклеїнових комплексах кількість Н-зв’язків значно більша в порівнянні з неспецифічними [2].

Згідно із сучасними уявленнями [3], Н-зв’язок є переважно електростатичною взаємодією, яка

супроводжується частковим перенесенням заряду (електронної густини) та поляризацією [4]. На відміну від інших нековалентних взаємодій [5] (наприклад, Ван-дер-Ваальсівських сил), Н-зв’язки є

спрямованими і специфічними. Саме ці

характеристики Н-зв’язків зумовлюють їх центральну роль в біомолекулярному впізнаванні. В літературі [2] впізнавання інколи поділяють на пряме (хімічне), основними факторами якого є просторова орієнтація та комплементарність хімічних груп, та непряме, в основі якого лежить взаємна конформаційна адаптація.

Як відомо, урацил (Ura) та тимін (Thy) є канонічними основами РИК та ДИК відповідно. Проте існують винятки - у деяких вірусів [6] та клітинах еукаріот [У] дезоксиуридин (dU) є основним нуклеотидом ДHК замість тимідину (T). Загалом же присутність Ura в ДHК є джерелом мутагенезу. Так, дезамінування цитозину (Cyt) до Ura, а також помилкова інкорпорація 2'-

дезоксиуридинмонофосфату (dUMP) в ДHК, можуть призвести до утворення неправильних пар основ G:T і A:U відповідно [8-10].

Завдяки наявності численних донорно-акцепторних сайтів, Ura та Thy можуть утворювати H-зв’язки з амінокислотами [11]. Так, зокрема встановлено, що в комплексах білок - РHК Ura утворює велику кількість зв’язків із залишками аспарагінової (Asn) та глютамінової (Glu) кислот [12]. В роботі Германа та ін. [13] було показано, що нуклеотидні основи мають схильність до взаємодії з бічними групами амінокислот, хоча останні також можуть взаємодіяти з фосфатними залишками [2]

В нашій попередній статті [14] ми експериментально (методами УФ, ІЧ та ЯМР

спектроскопії в розчині диметилсульфоксиду-ДМСО) дослідили модельні білково-нуклеїнові контакти таутомерів урацилу (Ura) й тиміну (Thy) з карбоксилат-йоном (який моделює негативно заряджений залишок цвіттер-іонів глютаміну й

аспарагіну) та координуючим йоном натрію. Квантово-хімічна інтерпретація отриманих

результатів дозволила встановити, що основні дикето-

форми Ura i Thy в розчині ДМСО співіснують з 2-енол-4-кето-1-іміно таутомерами. Оскільки в

активних центрах ферментів середовище є менш полярним (діелектрична константа є складає лише декілька одиниць [15]), ніж у ДМСО (є=48), то є всі підстави вважати, що in vivo рівновага дикето^-енол Ura (Thy) може бути ще більше зміщеною вправо у порівнянні з дослідженою модельною системою. Отже, ці результати переконливо підтвердили гіпотезу про біологічне значення високоенергетичних рідкісних таутомерів нуклеотидних основ (так званих “прихованих структур” [16]), які не можуть бути виявлені експериментально в ізольованому стані, але виникають при їх взаємодіях із амінокислотними залишками та іонами металів. Ця стаття є логічним продовженням попередньої [14]. Щоб зрозуміти, як стабілізуються рідкісні таутомери, ми досліджуємо характер та енергетику H-зв’язків у комплексах Ura та Thy, використовуючи різні теоретичні підходи -топологічний аналіз електронної густини [17], аналіз коливальних спектрів та комплексну оцінку міцності H-зв’язків за критерієм Грабовського Д^щ [18].

МАТЕРІАЛИ І МЕТОДИ

Геометрії подвійних та потрійних комплексів на рівні теорії DFT (гібридний обмінно-кореляційний функціонал електронної густини в узагальненому градієнтному наближенні B3LYP) з використанням Гаусівського набору функцій 6-311++G(d,p), були отримані в попередній роботі [14]. Подвійними вважались комплекси, в яких таутомери Ura (або Thy) взаємодіють за допомогою двох H-зв’язків з карбоксилат-йоном CH3COO-, який моделює негативно заряджені залишки аспарагінової та глютамінової кислот (комплекси GH3COO-: таутомер Ura(Thy)). Щоб дослідити координаційний вплив йонів Na+, ми розрахували [14] потрійні комплекси СH3COO : таутомер Ura(Thy):Na+.

Hаявність локальних мінімумів на гіперповерхні потенціальної енергії перевірялася відсутністю уявних частот в коливальних спектрах.

Енергії взаємодії подвійних та потрійних комплексів Ura (Thy) оцінювалися з урахуванням похибки суперпозиції базисного набору (BSSE) за методом, описаним у роботі [19].

H-зв’язки в подвійних та потрійних комплексах ідентифікувалися за допомогою топологічного аналізу електронної густини, який ґрунтується на квантовій теорії атомів у молекулах (QTAIM) [17], вперше розробленій Річардом Бейдером. Hаявність критичної точки (3,-1) - bond critical point (BCP) і градієнтного шляху електронної густини, а також позитивне значення Лапласіану електронної густини вважали необхідними умовами існування H-зв’язку [20]. Хвильові функції обчислювали на тому ж рівні теорії, що й оптимізували геометрію, з використанням програмного пакету “Gaussian 03” для платформи Win32. Аналіз топології електронної густини

проводили за допомогою програмного пакету AIMPAC.

Міцність OH...O та NH...O водневих зв’язків у комплексах оцінювалася за комплексним показником Грабовського Дошп [18], який оперує геометричними та топологічними параметрами валентного зв’язку X-Н (зокрема, у нашому випадку Х=0, N):

= {[(** и - А іг)Ах н]' + [(А її - рхи )М нҐ

(1)

де гн-х, pH-x та V2 рх-H - параметри валентного зв’язку, який є донором протона при H-зв’язуванні (довжина зв’язку X-H, електронна густина в критичній точці (3,-1) зв’язку та Лапласіан

електронної густини відповідно), а rX-H , р°х-H ,

V 2pX-H - ці ж самі параметри для незбуреного зв’язку X-H у вільному мономері.

Абсолютні значення енергії H-зв’язків оцінювалися двома методами - на основі спектральних та електронно-топологічних

характеристик. Перший метод ґрунтується на використанні емпіричної формули Йогансена [21]

-AH = 0.33(Av- 40)1/2 (2)

де —АН - ентальпія H-зв’язку в ккал/моль, Av - зсув частоти (в см-1) валентного коливання v(OH) або v(NH) в червону область при наявності H-зв’язку.

Інший метод [22] (Еспінози-Молінса-Леконта, надалі - ЕМЛ) дозволив нам оцінити енергію H-зв’язку на основі розподілу електронної густини в його критичній точці (3,-1) за формулою:

EHB=0,5V(r), (3) де V(r) - значення локальної потенціальної енергії в критичній точці.

Природа та характеристики H-зв’язків також досліджувалися за допомогою аналізу заселеностей молекулярних орбіталей NBO [23] (natural bond orbitals).

Лінійні кореляції між значеннями Д^щ, ^H та EHB досліджувалися з використанням стандартної процедури, закладеної в програмному пакеті MS Excel 2003 (регресійні прямі будувалися за методом

найменших квадратів).

РЕЗУЛЬТАТИ ТА ЇХ ОБГОВОРЕННЯ

Результати для Ura та Thy виявилися дуже близькими, тому надалі ми будемо їх обговорювати разом (значення для комплексів таутомерів Thy наводитимуться в дужках). ^ рис. 1 та 2 зображено потрійні та подвійні комплекси таутомерів Ura та Thy, які розташовані у порядку зростання відносної енергії Гіббса. При розрахунку бралися до уваги лише таутомери, що здатні утворювати з карбоксилат-йоном два H-зв’язки. Оскільки карбоксилат-йон містить два сайти-акцептори протонів (C=O), то нами моделювалися точкові контакти за участі

Броварець О.О., Говорун Д.М.

розташованих поруч сайтів-донорів Н-зв’язків в Ura

2.241

та Thy.

2.202 ^ 2.287

(2.201 U 12 2851

Na'

AG (kcal mol) 0.00(0.00)

1.16(1.21)

II

2.93 (2.55)

III

AG (kcal mol) 2.96 (2.03)

21.02(21.59)

IV

Рис. 1. Потрійні комплекси Ura (Thy) з CH3COO та Na+. ДО: значення відносних енергій Гіббса в ккал/моль [14]. Н-зв’язки позначені жирним пунктиром, їх відстані вказані в А; стрілки позначають перенесення протону.

©

AG (kcal/mol) 0.00 (0.00)

Рис. 2. Подвійні комплекси Ura (Thy) з CH3COO . ДО: значення відносних енергій Гіббса в ккал/моль [14]. Н-зв’язки позначені жирним пунктиром, їх відстані вказані в А; стрілки позначають перенесення протону.

-ЛН, ккал/моль

^сот

Рис. 3. Лінійна кореляція між комплексним показником Грабовського для міцності водневих зв’язків Дсот та енергією Н-зв’язків, розрахованою за емпіричною формулою Йогансена. Регресійна пряма будувалася за методом найменших квадратів. Рівняння прямої має такий вигляд: -ДИ=22,387 Дсот + 3,101.

-ДМ, ккал/моль

E2, ккал/моль

Рис. 4. Лінійна кореляція між орбітальною енергією взаємодії Е2 для Н-зв’язків та їх енергією -ДН. Регресійна пряма будувалася за методом найменших квадратів. Рівняння прямої має такий вигляд: -ДН=0,149 Е2 + 3,712.

Аналіз Н-зв’язків у комплексах за електронно-топологічними критеріями Коха та Попельє [20] на основі хвильових функцій, отриманих на рівні теорії B3LYP/6-311++G(d,p) засвідчив, що діапазони значень електронної густини pBCP та Лапласіану

електронної густини V2 pBCP в критичних точках

зв’язків (3,-1) перевищують граничні межі 0,002-0,035 атомних одиниць (а.о.) (для pBCP) та

0.024-0.139 а.о (для V2 pBCP), запропоновані в роботі

[20]. Так, у випадку потрійних комплексів Ura (Thy) межі для електронної густини й Лапласіану електронної густини (табл. 1 та 2) складають

0,012-0,060 а.о. (0,013-0,061 а.о.) та 0,039-150 а.о. (0,043-0,150 а.о.) відповідно. Що стосується подвійних комплексів Ura (Thy), то відповідні

інтервали pBCP та V2 pBCP (табл. 3 та 4) є такими:

0,017-0,101 а.о. (0.017-0.095 а.о.) та 0,057-0,152 а.о. (0,057-0,152 а.о.)

Це досить цікавий результат, який свідчить про те, що межі Коха-Попельє для електронної густини та Лапласіану є досить умовними, оскільки встановлювалися на основі невеликої кількості модельних H-зв’язків, і, отже, мають бути розширеними.

Відстані H-зв’язування (табл. 3-4) у подвійних комплексах Ura (Thy) лежать в межах 1,395-2,176 А (1,419-2,178 А), а в потрійних (табл. 1-2) -

1,580-2,366 А (1,572-2,316 А), що значно менше за суму Ван-дер-Ваальсівських радіусів Бонді H. O (2,72 А) та H. N (2,75 А). Як і очікувалося, найкоротші відстані між атомом водню та атомом-акцептором відповідають H-зв’язкам OH...O (в середньому 1,551 А), дещо довші - OH...N (1,674 А) та NH.O (1,845 А) (оскільки NH-група та атом азоту N є слабшими донором та акцептором протону відповідно у порівнянні з OH-групою та киснем О) і найдовші - некласичним зв’язкам CH...O (2,259 А). Це повністю узгоджується з результатами, наведеними у монографії [24], які свідчать, що серед усіх H-зв’язків, відомих у біологічних структурах, найкоротшими відстанями взаємодії характеризуються саме OH...O. Середні значення електронної густини pBCP в критичній точці BCP (3,-1) для OH...O, OH...N, NH...O та CH...O зв’язків складають 0,068; 0,057; 0,036; 0,015 а.о. відповідно. Близькість

відстаней dH.Y та значень p для OH...O та OH...N взаємодій свідчить, що міцність H-зв’язків у модельних білково-нуклеїнових комплексах Ura (Thy) в значно більшій мірі залежить від полярності групи-донора, ніж від електронегативності акцептора. Загалом же спостерігається дуже гарна кореляція між усіма значеннями dH.Y та p (коефіцієнт кореляції складає -0,94). Регресійна пряма кореляції, розрахована за методом найменших квадратів, має такий вигляд: dH y = -10,349pBCP + 2,263. Що стосується довжин зв’язків XH, то вони також подовжуються для всіх типів взаємодій, крім CH. O. Величини подовжень AdxH корелюють зі значеннями

pBCP та V2 pBCP (коефіцієнти кореляції складають 0,93 та 0,94).

Привертає увагу факт, що в потрійних комплексах СH3COO_: таутомер Ura(Thy):Na+ відстані між

атомами водню та атомами-акцепторами H-зв’язків дещо подовжуються в порівнянні з подвійними комплексами. Це можна пояснити тим, що йон Na+ утворює сильні координаційні зв’язки з нуклеотидними основами, зміщуючи таким чином таутомерні рівноваги [14], зокрема, за рахунок ослаблення H-зв’язків між основами та карбоксильною групою. Але найбільш разючим ефектом, який справляє йон Na+ на потрійні комплекси Ura (Thy), є перенесення протону з гідроксильної групи енольних таутомерів основ на карбоксилат-йон (рис.1), який перетворюється на молекулу оцтової кислоти. В подвійних комплексах перенесення протону відбувається лише у випадку 4-енол-2-кето-3-іміно таутомерів Ura (Thy) (комплекс З на рис. 2).

Таблиця 1.

Геометричні, коливальні та електронно-топологічні характеристики Н-зв’язків у потрійних комплексах СНЗСОО-: таутомер Цга^а+._____________________

Потрійні комплекси CH3COO-: таутомер Ura:Na+

Номери комплексів як на рис.1 XH..Y da UX ...Y dH ... Y b Z XH...Yc AdXH * tr > <1 Лт(XH)f Лx(XH)tв 1str / 10 str h -AH1 Pbcpj 2k V Pbcp Eeml1 Л m com

I OH...O2 2.594 1.5S0 174.7 0.047 S72 1032 391 37.1 9.52 0.0б0 0.150 19.15 0,250

N1H...O 2.S52 1.S34 170.4 0.01S 307 S3 9 27S 20.2 5.39 0.033 0.110 8.2б 0,107

II OH...O4 2.б2б 1.б20 175.5 0.03S 717 991 350 33.1 S.59 0.053 0.14б 1б.58 0,203

N3H...O 2.91б 1.910 1б5.5 0.015 247 S71 20S 23.0 4.75 0.027 0.095 б.30 0,092

III OH...O2 2.б32 1.б33 173.2 0.034 б50 992 351 29.1 S.15 0.052 0.14S 1б.07 0,1 S2

N3H...O 2.9б3 1.9б1 1б5.1 0.013 207 S51 1SS 1S.7 4.2б 0.024 0.0S5 5.33 0.0S7

IV OH...O2 2.б04 1.59б 173.4 0.043 S11 102S 3S7 34.5 9.1б 0.05S 0.150 1S.32 0.234

N1H...O 2.S71 1.S5S 1б9.1 0.017 2S0 80б 27S 17.5 5.11 0.031 0.10б 7.б0 0.095

V OH...N1 2.б94 1.б74 17S.1 0.051 951 1072 431 51.7 9.9б 0.057 0.09S 1б.49 0.27S

C6H...O 3.22б 2.3бб 134.S -0.002 -42 995 41 0.22 - 0.012 0.039 2.2б -

Примітки (тут і далі): а у " відстань між атомами X та У (А). ь Н...Т - відстань між воднем Н та атомом-акцептором (А). с ^ ХН...У - кут Н-зв’язку (град). Л ^ХН - подовження хімічного зв’язку

XH у комплексі у порівнянні з вільним мономером (А). e Vstr - зсув частоти валентного коливання XH у порівнянні з мономером (см-1). f t(XH)- значення частоти неплощинного (out-of-plane) коливання (см-1). в Лx(XH)- зсув частоти неплощинного коливання в порівнянні з вільним мономером (см-1). h 1str / ^0 str - співвідношення між інтенсивністю валентного коливання v(XH) у комплексі та інтенсивністю цього ж

коливання у вільному мономері. 1 -AH - ентальпія Н-зв’язку, розрахована за формулою Йогансена (ккал/моль). j pBCP - значення електронної густини в критичній точці BCP (3,-1) Н-зв’язку (а.о.) k V 2 Pbcp -

значення Лапласіану електронної густини в критичній точці BCP (3,-1) Н-зв’язку (а. о.) 1 Eeml - енергія Н-зв’язку, розрахована за методом ЕМЛ (ккал/моль)Л Л^ - комплексний показник Грабовського для оцінки міцності Н-зв’ язку.

Таблиця 2.

Геометричні, коливальні та електронно-топологічні характеристики Н-зв’язків у потрійних комплексах СНЗСОО-: таутомер ТЬу^а+_____________________

Потрійні комплекси CH3COO-: таутомер Thy:Na+

Номери комплексів як на рис.1 XH..Y a Y.. X.. d dH ... Y b Z XH...Yc AdXH d tr < Лт(XH)f Лx(XH)tв 1str / 10 str h -AH1 Pbcpj 2k V Pbcp Eeml1 Л m com

I OH...O2 2.5S7 1.572 174.б 0.049 904 1037 39б 39.4 9.70 0.0б1 0.150 19,б9 0,2б4

N1H...O 2.S57 1.S41 1б9.9 0.01S 300 S31 274 20.7 5.32 0.032 0.109 S,0S 0.101

II OH...O4 2.б25 1.б20 175.3 0.03S 721 999 35S 34.5 8.б1 0.054 0.14б 1б,б4 0,205

N3H...O 2.920 1.913 1б5.7 0.015 24б 8б8 207 23.2 4.74 0.027 0.094 б, 24 0,093

III OH...O2 2.б25 1.б24 173.2 0.03б б79 1001 3б1 30.4 S.34 0.053 0.150 1б,58 0,191

N3H...O 2.9б2 1.9б0 1б5.0 0.013 210 S43 1S3 19.3 4.30 0.024 0.08б 5,35 0,089

IV OH...O2 2.599 1.590 173.2 0.045 S33 1032 391 Зб.5 9.29 0.059 0.151 18,74 0,241

N1H...O 2.87б 1.8б4 1б8.8 0.01б 272 S00 277 1S.0 5.03 0.030 0.105 7,43 0,092

V OH...N1 2.б94 1.б73 177.5 0.051 95S 10б5 425 52.4 10.00 0.057 0.09S 1б,51 0,279

C6H...O 3.194 2.31б 13б.3 -0.003 -4S 97б 3S 0.49 - 0.013 0.043 2,51 -

Таблиця 3.

Геометричні, коливальні та електронно-топологічні характеристики Н-зв’язків у подвійних комплексах СН3СОО-: таутомер Цга______________________

Подвійні комплекси CH3COO-: таутомер Ura.

Номери комплексів як на рис.2 XH..Y a Y.. X.. d d- н y b Z XH...Yc AdXH * tr > <1 Лт(XH)f Лт^Щв 1str ! 10 str h -AH' Pbcpj 2k V pBCP Eeml1 Л m com

1 N1H...O 2.б4б 1.581 1б8.б 0.068 1071 1102 566 28.65 10.60 0.064 0.135 20.02 0,331

C6H...O 3.128 2.176 144.6 0.007 77.б 1013 79 49.99 - 0.018 0.057 3.41 -

2 O2H...O 2.462 1.395 169.7 0.114 1801 1157 948 29.2б 13.85 0.101 0.113 37.00 0,539

N3H...O 2.832 1.797 172.2 0.028 464 953 378 43.28 б.79 0.037 0.111 9.51 0,152

3 OH...O4 2.506 1.467 170.6 0.077 1346 1132 475 57.21 11.93 0.081 0.152 28.15 0,424

N3H...O 3.116 2.134 161.1 0.006 117 793 151 29.2 2.90 0.017 0.058 3.28 0,087

4 O2H...O 2.579 1.561 173.9 0.058 1085 1007 859 14.85 10.67 0.065 0.145 20.90 0,311

N1H...O 2.724 1.673 177.0 0.043 707 909 589 64.03 8.52 0.051 0.130 14.91 0,223

Таблиця 4.

Геометричні, коливальні та електронно-топологічні характеристики Н-зв’язків у подвійних комплексах CH3COO~: таутомер Thy______________________

Подвійні комплекси CH3COO-: таутомер Thy

Номери комплексів як на рис.2 XH..Y a.. Y X.. d dн y b Z XH...Yc AdXH * tr > <1 Лт(XH)f Лт^Щ^ 1 str ! 10 str h -AH' Pbcpj 2k V PBCP Eeml1 Л m com

I N1H...O 2.654 1.593 168.2 0.065 1027 1085 572 28.98 10.37 0.062 0.135 19.21 0,320

C6H...O 3.139 2.178 145.7 0.007 78 982 106 2б.0б - 0.018 0.057 3.39 -

II O2H...O 2.47б 1.419 169.9 0.103 1699 1129 988 32.21 13.44 0.095 0.126 34.04 0,527

N3H...O 2.824 1.786 172.7 0.030 490 952 384 50.27 7.00 0.038 0.113 9.87 0,165

III OH...O4 2.508 і.469 170.7 0.077 1341 1135 457 59.10 11.90 0.080 0.152 27.98 0,416

N3H...O 3.112 2.129 161.4 0.008 117 796 158 29.38 2.90 0.017 0.059 3.33 0,086

IV O2H...O 2.580 1.562 173.9 0.058 1078 1001 851 15.56 10.63 0.065 0.145 20.79 0,302

N1H...O 2.730 і.680 177.3 0.042 693 934 605 68.67 8.43 0.050 0.129 14.55 0,212

Таблиця 5.

Популяційні характеристики Н-зв’язків у потрійних та подвійних комплексах Ura, отримані за допомогою NBO та Малікенівського аналізів заселеності

Комплекс Н-зв’язок Е2а Q (NBO)b Q (Mull)c

CH3COO": таутомер Ura:Na+ (I) OH...O2 33,12 -0,729 (0,513) -0,529 (0,504)

N1H...O 11,50 -0,677 (0,450) -0,327 (0,510)

CH3COO": таутомер Ura:Na+ (II) OH...O4 2б,45 -0,695 (0,518) -0,441 (0,495)

N3H...O 7,95 -0,662 (0,455) -0,315 (0,544)

CH3COO": таутомер Ura:Na+ (III) OH...O2 23,9б -0,851 (0,514) -0,717 (0,527)

N3H...O б,31 -0,645 (0,452) -0,314 (0,530)

CH3COO": таутомер Ura:Na+ (IV) OH...O2 30,90 -0,849 (0,515) -0,698 (0,535)

N1H...O 10,13 -0,667 (0,449) -0,325 (0,502)

CH3COO": таутомер Ura:Na+ (V) OH...N1 38,05 -0,649 (0,512) -0,522 (0,684)

C6H...O 1,02 -0,657 (0,221) -0,340 (0,208)

CH3COO : таутомер Ura (1) N1H...O 40,20 -0,794 (0,472) -0,427 (0,628)

C6H...O 3,38 -0,767 (0,256) -0,460 (0,240)

CH3COO : таутомер Ura (2) O2H...O 77,70 -0,774 (0,497) -0,478 (0,560)

N3H...O 17,33 -0,736 (0,457) -0,396 (0,580)

CH3COO : таутомер Ura (3) OH...O4 55,11 -0,758 (0,510) -0,561 (0,571)

N3H...O 3,53 -0,655 (0,434) -0,327 (0,426)

CH3COO : таутомер Ura (4) O2H...O 39,84 -0,779 (0,505) -0,458 (0,503)

N1H...O 28,47 -0,766 (0,452) -0,415 (0,578)

a Енергія орбітальної взаємодії (ккал/моль) b NBO часткові заряди атомів-акцепторів Н-зв’язку та воднів (у дужках). с Малікенівські часткові заряди

Таблиця б.

Повні електронні енергії (ET, а.о.), енергії взаємодії з урахуванням поправки BSSE (BSSE, Ei+bsse, ккал/моль) та сумарні енергії Н-зв’язків (-ЕДН та EEeml, ккал/моль) у подвійних і потрійних комплексах Ura (Thy) (Рис. 1, 2). Всі характеристики отримані на рівні теорії B3LYP/6-311++G(d,p).

Et bsse Ei+bsse -^H SEeml

CH3COO": таутомер Ura:Na+ (I) -805,8895741 1,64 163,94 14,91 27,41

CH3COO": таутомер Ura:Na+ (II) -805,8878059 1,48 148,04 13,34 22,88

CH3COO": таутомер Ura:Na+ (III) -805,8844880 1,57 147,80 12,41 21,40

CH3COO": таутомер Ura:Na+ (IV) -805,8841462 1,69 162,26 14,27 25,92

CH3COO": таутомер Ura:Na+ (V) -805,8533494 1,27 126,98 9,96 18,75

CH3COO": таутомер Ura (1) -643,6055583 0,70 39,69 10,60 23,43

CH3COO": таутомер Ura (2) -643,5963888 1,07 58,97 20,64 46,51

CH3COO": таутомер Ura (3) -643,5957406 0,68 22,00 14,83 31,43

CH3COO": таутомер Ura (4) -643.5913381 1,00 61,25 19,19 35,81

CH3COO": таутомер Thy:Na+ (I) -845.2181974 1,66 164,17 15,02 27,77

CH3COO": таутомер Thy:Na+ (II) -845.2159235 1,48 148,95 13,35 22,88

CH3COO": таутомер Thy:Na+ (III) -845.2132679 1,56 149,34 12,64 21,93

CH3COO": таутомер Thy:Na+ (IV) -845.2135630 1,71 162,94 14,32 26,17

CH3COO": таутомер Thy:Na+ (V) -845,1808197 1,26 127,68 10,00 19,02

CH3COO": таутомер Thy (1) -682.9329336 0,68 38,13 10,37 22,60

CH3COO": таутомер Thy (2) -682.9244074 1,04 56,61 20,44 43,91

CH3COO": таутомер Thy (3) -682.9222175 0,71 21,79 14,80 31,31

CH3COO": таутомер Thy (4) -682.9202316 1,00 59,86 19,06 35,34

Аналіз Н-зв’язків у комплексах Ura(Thy) за спектрально-коливальними характеристиками

засвідчив, що всі вони, за винятком CH...O, характеризуються значними зсувами частот валентних коливань v(XH) в червону область (табл.1-4). На основі зсувів ми розрахували енергії Н-зв’язків за формулою Йогансена (2). Так, середня енергія OH...O зв’язків у комплексах Ura (Thy) складає 10,27 (10,28) ккал/моль, NH...O зв’язків - б,01 (б,03) ккал/моль, енергії ж OH...N1 зв’язку в потрійному комплексі V Ura (Thy) (рис. 1) за участі дикето-таутомера складають 9,96 (10,00) ккал/моль. Для всіх

вищезгаданих типів Н-зв’язків також спостерігаються істотне збільшення інтенсивності str 0str валентних

коливань в порівнянні з незбуреними мономерами, а також зміщення позаплощинних (out-of-plane) коливань в синю область спектру. Осібно стоїть C6H...O зв’язок в потрійному комплексі V (рис. 1) та подвійному 1 (рис. 2). На відміну від інших взаємодій, він характеризується зсувом частоти валентного коливання v(C6H) в синю область, а довжина групи C6H при Н-зв’язуванні майже не змінюється (зміна довжини лежить у межах -0,003-0,007). Щодо інтенсивності валентного коливання v(C6H), то у подвійних комплексах таутомерів Ura (Thy) вона збільшується, а у потрійних - зменшується. Слід зазначити, що частота позаплощинного коливання t(C6H), як і у випадку традиційних Н-зв’язків, зростає. При цьому C6H...O має всі геометричні (характерний кут ZXH...Y, відстані dX.Y, d^.y) та електронно-топологічні ознаки Н-зв’язку (наявність критичної точки BCP (3,-1) та градієнтного шляху між воднем i акцептором, достатньо великі значення pBCP

та V2pBCP тощо). Це дозволяє його віднести до

категорії blue-shifting Н-зв’язків [25]. Цей термін вказує на те, що їх утворення супроводжується зсувом частоти валентного коливання в синю область (blue-shift). Існує точка зору [26], що всі Н-зв’язки XH...Y перебувають під впливом двох протилежних факторів: 1) електронна афінність атому X служить причиною накопичення електронної густини в районі зв’язку X-H у присутності акцептору Y, що сприяє скороченню зв’язку X-H; 2) притягання між позитивно зарядженим воднем Н та акцептором Y, що є причиною подовження X-H. У випадку традиційних Н-зв’язків з полярними групами X-H (X=O, N) останній фактор завжди переважає. Що стосується зв’язків з неполярними групами C-H, то в їх поведінці перший фактор може відігравати вирішальну роль. Інколи два чинники урівноважують один одного. Як наслідок, ця теорія пояснює і наявність червоного або синього зсуву (чи його відсутність) в ІЧ спектрах та зміни інтенсивності валентних коливань. На нашу думку, наявність зміщення в синю область може також зумовлюватися впливом сильного сусіднього Н-зв’язку в комплексі, який впливає на перерозподіл електронної густини в гетероциклічному кільці.

Щоб краще дослідити природу Н-зв’язків у потрійних та подвійних комплексах таутомерів Ura

(для комплексів за участю Thy ситуація буде аналогічною), ми провели аналіз заселеностей молекулярних орбіталей NBO [23]. Результати аналізу наведені в табл. 5. У всіх випадках (включаючи нетрадиційні зв’язки C6H...O) ми спостерігали перенесення електронної густини з неподіленої електронної пари атому Y на незв’язуючу орбіталь

* • • с групи X-H. Аналізуючи значення енергії орбітальної взаємодії E(2) (табл. 5,6), можна прийти до висновку, що вона дуже сильно залежить від природи атомів, що беруть участь в Н-зв’язку. Так, середнє значення E(2) для OH...O взаємодій складає 41,2 ккал/моль, в той час як для NH.O - 15,68 ккал/моль, для OH...N - 38,05 ккал/моль та для CH...O - 2,2 ккал/моль. У всі ці взаємодії залучена неподілена електронна пара акцептору Н-зв’язку Y (Y=O, N) та незайнята молекулярна орбіталь (С), (N), (O)-H. Цікаво також порівняти значення часткових зарядів на атомах, отримані за допомогою NBO та Малікенівського аналізів. Майже у всіх випадках величини Q (NBO) більші, проте між ними та Q (Mull) існує непогана кореляція, коефіцієнт якої складає 0,78.

Крім оцінки ентальпії за Иогансеном, ми використали два інших підходи для встановлення міцності Н-зв’язків: метод ЕМЛ, що використовує значення локальної потенціальної енергії в критичній точці BCP (3,-1) та оцінка за комплексним показником Грабовського Дсот, який оперує змінами довжини

зв’язку X-H та значень pBCP і V2pBCP . Як виявилось,

енергія Eeml у всіх випадках суттєво перевищує ентальпію -Д^ що дозволяє її розглядати як верхню енергетичну межу певного Н-зв’язку. Проте —ДH та Eeml взаємопов’язані (коефіцієнт кореляції складає 0,97). Також існує тісний зв’язок між ^H та показником Грабовського Дсот (коефіцієнт кореляції -

0,96, рис. 3 ). Раніше ми на прикладі всіх можливих конформерів канонічного нуклеозиду тимідину [27] вже продемонстрували адекватність Дсот для оцінки міцності Н-зв’язків. Коефіцієнт кореляції між Дсот та Eeml складає 0,98, що не дивно, оскільки обидва параметри оперують величинами, пов’язаними з розподілом електронної густини в критичній точці BCP (3,-1). Несподівано сильний взаємозв’язок (рис.) встановлено між енергією орбітальної взаємодії E(2) та ентальпією ^H (коефіцієнт кореляції-0,97). Раніше в науковій літературі залежність між E(2) та міцністю Н-зв’язку не досліджувалася.

Нарешті, ми оцінили (табл. 6) енергії взаємодії в потрійних та подвійних комплексах таутомерів Ura (Thy) з урахуванням похибки суперпозиції набору базисних функцій (BSSE) та порівняли їх з сумарними енергіями Н-зв’язків -IAH та XEeml. Виявилося, що в потрійних комплексах енергії взаємодії Ei+bsse суттєво перевищують -^H та XEeml, що не дивно, беручи до уваги наявність координаційних зв’язків між Na+ та таутомерами Ura (Thy). Значення Ei+bsse для подвійних комплексів менші, але все одно перевищують -IAH та XEeml (за винятком подвійного

комплексу 3 (рис. 2), в якому XEeml> Ei+bsse). Отже, питання фізичної природи стабілізації модельних білково-нуклеїнових комплексів залишається

відкритим і потребує подальшого дослідження.

ВИСНОВКИ

На рівні теорії B3LYP/6-311++G(d,p) досліджено Н-зв’язки в подвійних та потрійних модельних комплексах таутомерів урацилу та тиміну CH3COO-: таутомер Ura(Thy) та CH3COO": таутомер

Ura(Thy):Na+. За допомогою NBO аналізу з’ясовано природу взаємодій. Встановлено, зокрема, що при Н-зв’ язуванні відбувається міграція електронної густини з неподіленої електронної пари атому Y на

• * • незв’язуючу орбіталь с групи X-H. Деякі Н-зв’язки виявилися настільки сильними, що значення електронної густини та Лапласіану електронної густини в їх критичних точках BCP (3,-1) перевищують допустимі межі Коха і Попельє. Проведено оцінку енергії Н-зв’язків та спектрально-коливальними, електронно-топологічними та

геометричними параметрами. Продемонстровано сильний взаємозв’ язок між комплексним показником Грабовського та ентальпією за Иогансеном ДП Вперше встановлено, що енергія орбітальної взаємодії E(2) для Н-зв’язків тісно пов’язана з ентальпією Д^ а, отже, може використовуватися для оцінки їх енергії.

Література

1. Seeman N.C., Rosenberg J.M., Rich A. Sequence-specific recognition of double helical nucleic acids by proteins. // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. - 1976. - Vol.73. - P. 804808.

2. Coulocheri S.A.; Pigis D.G.; Papavassiliou K.A. ; Papavassiliou A.G. Hydrogen bonds in protein-DNA complexes: where geometry meets plasticity. // Biochimie.

- 2007. - Vol.89. - P. 1291-1303.

3. Steiner T., Saenger W. Role of CH. O hydrogen bonds in the coordination of water molecules. Analysis of neutron diffraction data. // J. Am. Chem. Soc. - 1993. - Vol.115. -P. 4540-4547.

4. Umeyama H., Morokuma H.T. The origin of hydrogen bonding. An energy decomposition study. // J. Am. Chem. Soc. - 1977. - Vol.99. - P. 1316-1332.

5. Steiner T., Desiraju G.R. Distinction between the weak hydrogen bond and the van der Waals interact-tion.//Chem.Commun.-1998.-Vol.8.-P.891-892.

6. Takahashi I., Marmur J. Replacement of thymidylic acid by deoxyuridylic acid in the deoxyribonucleic acid of a transducing phage for Bacillus subtilis // Nature. - 1963. -Vol.197. - P. 794-795.

7. Dekker C.A., Todd A.R. Uracil deoxyriboside. // Nature. -1950. - Vol.166. - P. 557-558.

8. Hagen L., Pena-Diaz,J., Kavli B., Otterlei M., Slupphaug G., Krokan H,E. Genomic uracil and human disease. // Exp. Cell. Res. - 2006. - Vol.312. - P. 2666-2672.

9. Liu P, Burdzy A, Sowers LC. Substrate recognition by a family of uracil-DNA glycosylases: UNG, MUG, and

TDG. // Chem. Res. Toxicol. - 2002. - Vol.15. - P. 10011009.

10. Kavli B, Otterlei M, Slupphaug G, Krokan H.E. Uracil in DNA-general mutagen, but normal intermediate in acquired immunity. // DNA Repair. - 2007. - Vol.6. - P. 505-516.

11. Vazquez M.E., Caamano A.M., Mascarenas, J.L. From transcription factors to designed sequence-specific DNA-binding peptides. // Chem. Soc. Rev. - 2003. - Vol.32. - P. 338-349.

12. Jones S, Daley DT, Luscombe NM, Berman HM, Thornton

J.M. Protein-RNA interactions: a structural analysis.// Nucleic Acids Res.-2001.-Vol.29.

- P. 943-954.

13. Hermann T. Strategies for the design of drugs targeting RNA and RNA-protein complexes. // Angew. Chem. Int. Ed.-2000.-Vol.39.-P.1890-1904.

14. Samijlenko S.P., Yurenko Y.P., Stepanyugin A.V., Hovorun D.M. Tautomeric equilibrium of uracil and thymine in model protein-nucleic acid contacts. Spectroscopic and quantum chemical approach. // J. Phys. Chem. B. - 2010.-Vol.114. - P. 1454-1461.

15. Mertz E., Krishtalik L. Low dielectric response in enzyme active site. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. - 2000. - T.97. -P. 2081-2086.

16. KondratyukI.V., Samijlenko S.P., Kolomiets I.M., Hovorun D.M. Prototropic molecular-zwitterionic tautomerism of xanthine and hypoxanthine. // J. Mol. Struct. - 2000. -Vol.523. - P. 109-118.

17. Бейдер Р. Атомы в молекулах. Квантовая теория. -Москва: Мир, 2001. - 532 с.

18. Grabowski S.J. Ab initio calculations on conventional and unconventional hydrogen bonds - study of the hydrogen bond strength. // J. Phys. Chem. A. - 2001. - Vol.105. - P. 10739-10746.

19. Boys S.F., Bernardi F. Calculation of small molecular interactions by differences of separate total energies - some procedures with reduced errors. // Mol. Phys. - 1970. -Vol.19. - P. 553-557.

20. Koch U., Popelier P.L.A. Characterization of C-H-O hydrogen bonds on the basis of the charge density //J. Phys. Chem. - 1995. - Vol.99. - P. 9747-9754.

21. Иогансен А. В. Инфракрасная спектроскопия и спектральное определение энергии водородной связи. // Водородная связь / Ред. Н. Д. Соколова. М.: Наука, 1981. - 286 с.

22. Espinosa E., Molins E., Lecomte C. Hydrogen bond strengths revealed by topological analyses of experimentally observed electron densities. // Chem. Phys. Lett. - 1998. - Vol.285. - P. 170-173.

23. Reed A.E., Weinhold F. Intermolecular interactions from a

natural bond orbital, donor-acceptor

viewpoint//Chem.Rev.- 1988. - Vol.88. - P. 899-926.

24. Geffrey G.A., Saenger W. Hydrogen bonding in biological structures - Berlin: Springer, 1991.

25. Hobza P., Havlas Z. Blue-shifting hydrogen bonds. // Chem. Rev. - 2000. - Vol.100. - P. 4253-4264.

26. Joseph J., Jemmis E.D. Red-, blue-, or no-shift in hydrogen bonds: a unified explanation. // J. Am. Chem. Soc. - 2007.

- Vol.129. - P. 4620-4632.

27. Yurenko Y.P., Zhurakivsky R.O., Samijlenko S.P., Ghomi M., Hovorun D.M. The whole of intramolecular H-bonding in the isolated DNA nucleoside thymidine. AIM electron density topological study. // Chem. Phys. Lett. -2007. - Vol.447. - P. 140-146.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОДОРОДНЫХ СВЯЗЕЙ В МОДЕЛЬНЫХ БЕЛКОВОНУКЛЕИНОВЫХ КОМПЛЕКСАХ С УЧАСТИЕМ ТАУТОМЕРОВ УРАЦИЛА И ТИМИНА. РЕЗУЛЬТАТЫ КВАНТОВО-МЕХАНИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Юренко Е.П.

Квантово-химическими методами на уровне теории В3ЬУР/6-311++0(С,р) исследованы водородные связи в двойных и тройных модельных комплексах таутомеров урацила и тимина и СИ3СОО_и СИ3СОО~№+. С помощью анализа КВО установлено, что при Н-связывании происходит миграция электронной плотности с неразделенной электронной пары атома У на несвязывающую орбиталь а" группы Х-Н. Значения электронной плотности и Лапласиана в критических точках (3,-1) некоторых водородных связей превышают допустиме границы Коха и Попелье, что свидетельствует о высокой энергии связывания. Впервые показано, что энергия орбитального взаимодействия Е(2) для водородных связей тесно связана с энтальпией АН и может быть использована для оценки их прочности.

Ключевые слова: модельные белково-нуклеиновые комплексы, прототропная таутомерия, урацил, тимин.

PHYSICO-CHEMICAL CHARACTERISTICS OF HYDROGEN BONDS IN MODEL PROTEIN-NUCLEIC ACID COMPLEXES INVOLVING TAUTOMERS OF URACIL AND THYMINE. RESULTS OF QUANTUM-MECHANICAL MODELLING

Yurenko Ye.P.

H-bonds in double and triple model protein-nucleic acid complexes of uracil and thymine tautomers with CH3COO_and CH3COO~Na+ were investigated by means of ab initio quantum chemical calculations at the B3LYP/6-311++G(d,p) level of theory. Results of NBO analysis evidence that electron density migrates from a lone electronic pair of the Y atom to antibonding orbital a" of the X-H group upon H-bonding. Some values of electron density and Laplacian of electron density at BCP exceed the Koch and Popelier limits which points to high H-bonding energy. It was shown that orbital interaction energy E(2) correlates satisfactorily with the enthalpy AH and thus can be used for estimating H-bond strength.

Key words: model protein-nucleic acid complexes, prototropic tautomerism, uracil, thymine.