CC BY
39Фізика живого, Т. 1S, No2, 2007. С.24-34. © Жураківський Р. О. *, Говорун Д. М.
УДК S77.3
КОНФОРМАЦІЙНІ МОЖЛИВОСТІ ГУАНОЗИНУ: КВАНТОВО-ХІМІЧНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ МЕТОДОМ ФУНКЦІОНАЛУ ГУСТИНИ
Жураківський Р. О.2, Г оворун Д. М. 1
1 Інститут молекулярної біології і генетики НАН України, вул. Академіка Заболотного, 150, 03143, Київ, Україна, e-mail: [email protected]
2 Національний університет імені Тараса Шевченка, радіофізичний факультет, просп. Академіка Глушкова, 2, корп. 5, 03127, Київ, Україна, e-mail: [email protected]
Надійшла до редакції 07.06.2007
Квантово-хімічним методом функціоналу густини на рівні теорії МР2/6-311++0(^р)//БРТ Б3ЬУР/6-3Ш(^р) проведено вичерпний конформаційний аналіз гуанозину - канонічного нуклеозиду РНК. Представлено основні геометричні, енергетичні та полярні характеристики усіх його 139 стійких конформерів, а також конформаційні рівноваги у діапазоні температур 298,15-420К. Встановлено, що при Т=298,15К зуп:ап1;і=92,5%:7,5%, 8:К=97,6%:2,4%, а при Т=420К зуп:ап1;і=76,2%:23,8%; 8:Б:К=90,3%:0,4%:9,2%. Методом квантово-хімічного аналізу топології електронної густини (теорія атомів у молекулах Бейдера) у 139 конформерах загалом зафіксовано 23 типи внутрішньомолекулярних водневих зв‘язків (їхня загальна кількість - 326): С2'И2...05', С2'И2...№, С3'И...№, С5’И1...Ш, С5'И1...Ш, С5’И1...С8, С5’И2...Ш, С5’Н2...Ш, С5’И2...С8, С8И...05’, С3’И...ИС8, С5’И1...ИС8, С5’И2...ИС8, 05’И...ИС8, 02’И...03’, 02’И...№, 03’И...02’, 03’И...05’, 05’И...03’, 05’И...Ш, 05’И...К9, 05’И...С8 та ШИ...05\ Представлено їхні конформаційні властивості, геометричні та електронно-топологічні характеристики.
Ключові слова: гуанозин, конформаційний аналіз, внутрішньомолекулярні водневі зв‘язки, аналіз топології електронної густини, ББТ.
ВСТУП
Дослідження конформаційних можливостей нуклеозидів у вільному стані та з‘ясування фізико-хімічної природи внутрішньомолекулярних взаємодій, зокрема водневих (И) зв‘язків, які їх стабілізують, є класичною проблемою сучасної біохімії, молекулярної фармакології, структурної біології та молекулярної біофізики [1,2]. Результати саме цих досліджень дозволяють зрозуміти біологічну активність модифікованих нуклеозидів та “молекулярну логіку” просторової будови та функціонування нуклеїнових кислот.
Раніше нами реалізовано новий підхід до теоретичного конформаційного аналізу 2'-дезокси-рибонуклеозидів: квантово-хімічним методом
функціоналу густини нами вперше отримано повне конформаційне сімейство 1?,2?-дидезоксирибози -модельного цукрового залишку [3] - і на його основі вперше проведено повний конформаційний аналіз всіх канонічних нуклеозидів. Такий же підхід ми започаткували і для канонічних рибонуклеозидів. Ми вже ретельно дослідили конформаційні властивості 1’-дезоксирибози - модельного цукрового залишку рибонуклеозидів [4] - і на його основі вперше провели
повний конформаційний аналіз цитидину [5] та уридину [6].
Ця робота присвячена повноформатному квантово-хімічного конформаційному аналізу
гуанозину (Guo) та дослідженню природи внутрішньомолекулярних Н-зв‘язків у всіх його стійких конформерах.
МАТЕРІАЛИ І МЕТОДИ
Для вивчення конформаційних властивостей Guo використано теорію функціоналу густини (DFT) із застосуванням гібридного обмінно-кореляційного функціоналу електронної густини в узагальненому градієнтному наближенні B3LYP [8-10]. Для оптимізації геометрії ми скористалися стандартним набором базисних функцій 6-31G(d,p), які задовільно зарекомендували себе для подібних задач [4-6]. Усі зоптимізовані конформери перевірено на стійкість за відсутністю уявних частот в їхніх коливальних спектрах. Коливальні спектри отримано на згаданому рівні теорії у гармонічному наближенні.
Наявність внутрішньомолекулярних Н-зв 'язків встановлювали методом квантово-хімічного аналізу топології електронної густини за Бейдером [7], використовуючи програмний пакет AIM2000. Хвильові функції для аналізу розподілу електронної
густини розраховано на рівні теорії ББТ Б3ЬУР/ 6-3Ш(4р).
Усі квантово -хімічні розрахунки проведено з використанням програмного пакету “ОАи88ІАШ3” для платформи Win32 [11].
Використані у роботі позначення класичних конформаційних змінних - стандартні [12]. Для характеристики просторової орієнтації гідроксильної групи 02'И додатково введено торсійний кут ^ = С3'С2'02’Н, а для опису взаємної орієнтації зв‘язків 03'С3' та С2'02' - торсійний кут
0 = 03'С3'С2'02' (рис. 1). За міру конформаційної мінливості того чи іншого структурного параметра -довжини зв‘язку, величини валентного чи торсійного кута - використано безрозмірну величину А, що є відношенням стандартного відхилення величини структурного параметра до його середнього значення.
Рис. 1: Структура та позначення атомїв молекули
гуанозину і її основних конформаційних змінних.
Коефіцієнти лінійної кореляції між торсійними кутами, які циклічно змінюються від 0 до 360°, обчислювали за методикою, запропонованою і реалізованою у роботі [І3].
РЕЗУЛЬТАТИ ТА ЇХ ОБГОВОРЕННЯ
Отримані результати представлено в Таблицях 1-3 та на Рисунках 2-4. Їхній аналіз дозволяє зробити такі висновки.
Конформаційні властивості. Вперше
встановлено, що ізольований Guo має І39 стійких конформерів, які лежать у діапазоні відносних енергій Гіббса 0-І2,76 ккал/моль за нормальних умов. За своїми конформаційними ознаками та кількістю вони розподілені таким чином.
Syn-орієнтація цукрового залишку відносно нуклеотидної основи зафіксована у 53 конформерах (3 9,0°<Csyn<80,6°), а 86 конформерів мають anti-орієнтацію (149,2°<Canti<178,5°; -179,9°<£,п<-99,9°).
Переважаюча кількість anti-конформерів та значно більший діапазон їх торсійних кутів c говорить про те, що для них мають місце менші стеричні обмеження, зумовлені невалентною взаємодією між цукровим залишком та основою, ніж для syn-конформерів.
Кількість конформерів з північною (N)
конфомацією фуранозного кільця цукрового залишку (315° < PN < 360°; 0° < PN < 45°) (їх 56), помітно менша, ніж кількість конформерів з південною (S) конформацією фуранозного кільця (135°<Ps<225°) (їх 69); окрім того 7 конформерів мають значення кута псевдообертання 45°<Pe<135°, що лежать у східному (E) квадранті, значення ще 7 конформерів 225°<Pw<315° лежать у західному (W) квадранті. Ширший діапазон кутів псевдообертання P у першому випадку свідчить про те, що S-конформери стерично менше обмежені, ніж N-конформери. При цьому S- та N-конформери не зводяться лише до “класичних” C2'-endo та С3 '-endo відповідно. Хоча кількість останніх у загальній чисельності свого підсімейства є максимальною (50 та 33 відповідно), проте поряд з ними спостерігаються й інші: 17 конформерів C4'-exo, 13 конформерів C3'-exo, 11 конформерів C4'-endo, 6 - C1'-exo, 6 - C2'-exo, а також три конформери O4'-endo.
Розподіл значень торсійних кутів g для всіх можливих конформерів Guo - тримодальний. При цьому вони займають три доволі вузькі сектори: g+ (36,5° < gg+ < 63,8°) (46 конформерів),
t (159,2° < g < 180,0°; -180,0° < g < -168,7°) (38 конформерів) і g- (-75,1° < gg- < -50,7°)
(41 конформер). Окрім цього 4 конформери мають значення кута g між секторами g+ і t (-17,3 °, -14,5°, -14,0°, 11,0°). Тримодальний розподіл також має місце і для кутів р, які займають ті ж самі сектори g+, t і g-: g+ (37,1° < bg+ < 87,6°) (48 конформерів), t (157,7° < pt < 180,0°; -180,0° < pt < -163,6°) (44 конформери) і g- (-89,9° < Pg- < -46,7°) (45 конформерів). Два конформери мають значення кута р = -91,4° і -90,9°, що прилягають до сектора g. Для кута e маємо сектори, що тільки частково збігаються із стандартними g+, t і g-: g+ (25,0° < £g+ < 37,1°; £g+ = 62,7°; 78,5° < £g+ < 94,7°) (49 конформерів), t (143,9° < e < 158,1°; et = 176,7°; -175,0° < et < -142,3°) (47 конформерів) і
g- (-98,9° < e g- < -47,2°) (43 конформери). Торсійні кути 8 для усіх можливих конформерів Guo не мають чіткого розподілу на сектори - всі кути лежать у межах 74,5° < 8 < 160,6°.
Таким чином, спостерігається приблизно
рівномірний кількісний розподіл всеможливих конформерів Guo за класичними торсійними
кутами g, р і e в секторах g+, t і g-.
Гідроксил у положенні 2' приймає три орієнтації (торсійний кут h=C3'C2'O2'H) - це, відповідно, сектори кутів t: 162,5° < h < 180,0°; -179,2° < h < 149,5°, 53 конформери; g+:
16,8° < h < 77,5°, 59 конформерів та g-: -101,1° < h < -24,6°, 27 конформерів. Останній сектор
розщеплений на два: вужчий -101,1° < h < -94,9°, 9 конформерів зі зв‘язком O3H...O2' та ширший —
40,6° < h < -24,6°, 17 конформерів зі зв‘язком O2'H...O3'. Взаємна орієнтація зв‘язків O3'C3' і C2'O2' така, що торсійний кут О лежить у двох секторах -44,0° < О < -16,5° та 16,9° < О < 44,4°.
Вивчаючи структурні особливості всіх можливих конформерів Guo, ми не обмежилися лише аналізом їхніх основних характеристик, а дослідили конформаційну мінливість усіх без винятку структурних параметрів, а саме - довжин хімічних зв’язків, величин валентних кутів та торсійних кутів, що описують неплощиність гетероциклу основи та вихід глікозидного зв’язку із середньої площини гетероциклу основи. При цьому зафіксовано такі закономірності.
Нуклеотидна основа у складі нуклеозиду є практично пласкою - ми не зафіксували статистично значущого відхилення від планарності у порівнянні з ізольованою основою.
Іншою структурною особливістю конформерів Guo є вихід глікозидного зв’язку C1'N9 із середньої площини імідазольного кільця основи. Середньою площиною кільця вважається площина, проведена через його атоми таким чином, щоб забезпечити мінімальне значення суми квадратів відстаней від них до цієї площини. Згідно отриманим результатам кут виходу зв’язку C1'N9 із площини імідазольного кільця основи змінюється від -1,53 o до +0,87o (знак “+” відповідає випадку, коли вектори N9C4, N9C8 та N9C1' утворюють праву трійку векторів).
Також ми встановили, що модуль кута між екзоциклічним зв‘язком C2N2 та площиною шестичленного кільця основи змінюється в межах від 1,9o до 3,7o. Щодо структурної поведінки аміногрупи основи, то розрахунок значень кутів між зв‘язком C2N2 та її площиною показує, що вони змінюються від 28,0o до 40,6o для різних конформерів.
З-поміж усіх хімічних зв’язків нуклеозиду конформаційно найчутливішим є зв‘язок C2'O2' -для нього параметр А становить 0,0078, довжина зв’язку змінюється в межах 1,393-1,433A, а середнє значення складає 1,412A. Другим у списку йде глікозидний зв‘язок C1'N9 - для нього А складає
0,0074, довжина зв’язку змінюється в межах 1,438-1,478A, а середнє значення складає 1,456A. Для порівняння зазначимо, що для зв’язків N3C4, C2N2 та C4N9 основи 0,0021 < А < 0,0026, для зв’язків N7C8, N1C6, C2N3, C8H, N2H2, N1C2 та C8N9 0,001 < А < 0,002, а зв'язки C5N7, N2H1, C6O6, C4C5, C5C6 та N1H основи є конформаційно нечутливими (А < 0,001). У цукровому залишку найбільші значення А після C2'O2' мають зв'язки C3'O3', C4'O4' та C1'C2' (0,0051 < А < 0,0068), а мінімальне значення А спостерігаються для зв’язка C4'H (А = 0,0024). Таким чином, хімічні зв'язки
цукрового залишку загалом конформаційно лабільніші, ніж хімічні зв'язки основи.
Така ж сама закономірність спостерігається і для валентних кутів: валентні кути цукрового залишку конформаційно лабільніші, ніж валентні кути основи. У основі параметр А для них змінюються від 0,0010 (ШСбС5) до 0,0065
(C2N2H2). В цукровому залишку ці зміни значно більші, сягаючи 0,0226 (C2'C3'O3'); при цьому ще п‘ять валентних кутів мають велике значення А: O5'C5'H2 (0,0222), O5'C5'H1 (0,0221), C1'C2'O2' (0,0220), C4'C5'O5' (0,0218), C3'C2'O2 (0,0210) і C4'C3'O3' (0,0208), мінімальне ж значення
А = 0,0034 спостерігається для кута H1C5'H2.
Таким чином, за всіма структурними ознаками азотиста основа Guo є конформаційно
консервативнішою, ніж цукровий залишок.
Кореляційні закономірності. Маючи у своєму розпорядженні дані для повного сімейства
конформерів Guo, ми застосували статистичні підходи щоб виявити взаємозв'язок між
номенклатурними конформаційними параметрами, а саме - торсійними кутами.
Зафіксовано такі статистичні закономірності.
По-перше, має місце доволі сильна кореляція (за одним винятком, який наведемо останнім) між торсійним кутом 8 і торсійними кутами v3 (-1,00), v2 (0,97) , v4 (-0,85), Vi (0,83) і v0 (-0,20) (тут і нижче у дужках наведено коефіцієнти лінійної кореляції, вирахувані із врахуванням кругової корекції [13]). Окрім того, спостерігається доволі сильна кореляція між торсійними кутами v1 та v2 (0,95), v3 (-0,82) , v0 (-0,70), v4 (-0,43), між v2 та v3 (-0,96), v4 (-0,70), v0 (-0,43), між v3 та v4 (0,87). Найслабше корелюють між собою кути v0 та v4(-0,34), v3 (0,17).
По-друге, встановлено, що торсійні кути р, g, e і % порівняно слабко корелюють як між собою, так і з торсійними кутами v0 v4 (значення відповідних коефіцієнтів лінійної кореляції не перевищує по модулю 0,24).
Конформаційний аналіз свідчить про те, що довжина глікозидного зв‘язку Guo як конформаційний параметр сильніше корелює з довжинами хімічних зв‘язків основи, а саме -C5N7 (-0,80), а не цукрового залишку, де його максимальна кореляція становить -0,60 з довжиною зв‘язку C1'O4'. Для кореляційного зв‘язку між довжиною глікозидного зв‘язку C1'N9 та величинами валентних кутів цукрового залишку найбільший коефіцієнт кореляції спостерігається лише для кута O4'C1'H (-0,64), всі інші по модулю менші за 0,49. Для валентних кутів основи найбільше значення 0,57 для кута N7C8H, для інших кутів воно не перевищує за модулем 0,45. Щодо торсійних кутів, то найсильніше довжина глікозидного зв‘язку корелює з трьома з них -
C4'O4'C1'N9 (0,78), C4'O4'C1'H (0,75) і v0 (-0,75). Для інших торсійних кутів рівень кореляції не перевищує за моделем 0,65. На противагу поширеній точці зору про наявність структурної кореляції між довжиною глікозидного зв‘язку та торсійним кутом % в пуринових нуклеозидах [1] (зафіксовану, до речі, в кристалічному стані) ми сильної кореляції в конформерах ізольованого Guo не зафіксували - принаймні її величина не перевищує 0,46.
Цікаві кореляційні закономірності спостережено для торсійного кута %: виявилося, що він доволі сильно корелює не з одним-двома, як це вважалося раніше [1], а з цілою низкою структурних параметрів - довжин зв‘язків, величин валентних та торсійних кутів. Так, кут % корелює з довжинами таких валентних зв‘язків N1H (0,55) - для інших
зв‘язків кореляція менше 0,50, валентних кутів N3C4N5 (-0,70) , N3C4N9 (0,62) та C1'N9C8 (0,62) -для інших кутів кореляція менше 0,60 і для 5 торсійних кутів до визначення яких входить зв‘язкок C1'N9 кореляція рівна за модулем 1, ще для 5 кутів значення коефіцієнтів лінійної кореляції
із врахуванням кругової корекції перевищують по модулю значення 0,70.
Привертає до себе увагу те, що взаємна орієнтація гідроксилів у положеннях 2' та 3' незалежна - коефіцієнт кореляції між торсійними кутами e і h близький до нуля (0,004).
Щодо полярних властивостей Guo, то нуклеозид має великий дипольний момент, який сильно змінуюється від конформера до конформера і лежить у межах 3,9^10,1D.
Таблиця 1.
Деякі структурні, енергетичні та полярні характеристики повного сімейства конформерів гуанозину.
Конформер AG D P vmax c b g б є h е Внутрішньо молекулярні Н-зв'язки
1 2 3 4 Б б 7 8 9 10 11 12 13
І 0,00 5,11 162,5 36,3 54,0 58,6 50,3 146,7 158,1 -166,2 -39,8 1, 2, 16, 19
2 1,06 7,83 163,6 33,9 54,2 59,5 48,0 149,1 -84,1 30,4 -37,6 1, 2, 14, 19
З 1,77 4,88 172,8 34,3 178,4 171,3 50,9 148,7 146,4 165,9 -38,9 1, 15, 16
4 1,97 5,86 156,3 37,2 169,7 64,0 57,2 145,3 149,6 168,8 -39,5 1, 15, 16
5 2,27 7,05 30,6 33,0 47,2 39,7 49,6 88,9 -150,9 -27,1 31,2 3, 14, 19, 23
б 3,19 5,99 168,4 32,8 55,3 60,9 46,6 144,0 31,5 22,8 -33,1 1, 2, 14, 19
7 3,34 7,40 157,9 37,7 171,8 -54,6 174,2 146,3 150,0 166,3 -40,3 15, 16
8 3,37 5,32 43,1 28,0 50,2 39,6 51,8 90,4 62,7 -76,0 29,6 19, 23
9 3,37 3,92 30,8 33,6 48,3 37,5 51,7 84,1 82,9 -153,0 36,7 3, 16, 19, 23
І0 3,81 5,17 165,7 36,7 175,1 -178,8 -69,0 150,3 149,8 165,3 -41,3 15, 16
ІІ 4,01 5,67 163,4 36,7 174,8 -67,4 -65,7 148,4 149,6 165,3 -40,8 15, 16
І2 4,33 6,91 165,0 36,1 178,5 -87,1 49,8 147,0 147,1 162,5 -39,7 1, 15, 16
ІЗ 4,38 7,14 13,1 33,9 -156,7 177,8 52,4 83,7 82,1 -167,8 39,9 13, 16
І4 4,70 5,71 32,4 39,5 -128,9 174,8 -59,1 81,7 -47,2 -35,1 40,1 4, 14, 17
І5 4,82 6,36 167,9 35,8 177,7 -174,9 -179,8 148,4 148,2 163,8 -40,4 15, 16
Іб 4,82 5,79 19,2 34,7 -128,0 64,7 60,9 88,7 -154,7 -30,6 35,2 4, 13, 14
І7 4,94 6,07 42,6 37,2 72,0 -56,8 178,1 81,8 83,3 -149,5 35,5 2, 3,16
І8 4,97 8,76 19,3 34,9 -133,8 65,3 63,4 84,0 81,5 -166,1 40,1 4, 13, 16
І9 5,02 7,05 171,0 35,3 -179,9 59,3 171,6 149,2 147,8 163,1 -40,1 15, 16
20 5,07 9,09 143,6 38,2 -107,6 64,2 59,0 141,5 -90,6 31,6 -36,9 14, 22
2І 5,08 7,25 159,6 37,2 175,2 71,8 -75,1 146,3 148,5 163,7 -39,8 15, 16
22 5,09 8,18 31,7 33,2 65,7 -56,4 178,0 89,4 -156,7 -24,6 30,7 3, 14
2З 5,09 5,58 12,8 34,9 -149,0 163,5 47,8 87,0 -155,3 -31,6 36,4 13, 14
24 5,09 5,32 179,2 37,3 42,0 -59,9 159,2 154,5 157,4 -170,1 -42,3 19, 23
25 5,28 5,23 173,0 33,7 -122,9 172,3 49,4 148,3 143,9 -97,2 -35,0 1, 13, 16
2б 5,42 8,20 16,6 27,9 61,4 -57,0 -50,7 94,8 -143,4 -27,7 29,4 3, 9, 14
27 5,45 5,54 155,7 37,0 -107,7 68,1 62,9 145,1 146,4 -97,2 -35,4 1, 16, 22
28 5,46 7,62 105,7 39,5 -114,9 59,0 57,5 111,1 -155,0 33,0 -17,5 14
29 5,52 8,28 12,9 35,2 -158,2 -87,1 52,8 82,1 81,8 -168,3 41,6 13, 16
ЗО 5,65 6,92 169,5 30,2 -124,9 173,0 49,2 144,2 -175,0 64,6 -37,5 1, 13
ЗІ 5,74 5,89 166,7 36,6 65,6 -67,3 -63,0 149,6 156,4 -174,5 -41,0 2, 9, 16
З2 5,83 8,95 166,5 33,7 67,4 -176,6 -66,2 151,0 -80,2 31,2 -38,1 2, 9, 14
ЗЗ 6,03 4,48 26,0 34,0 47,4 37,6 50,9 83,9 94,4 69,0 34,3 3, 16, 19, 23
З4 6,11 8,73 173,0 33,3 -121,5 170,2 48,8 151,2 -83,4 35,6 -39,5 1, 13, 14
Конформер АС D Р птах С Р 7 б Є П в Внутрішньо молекулярні Н-зв'язки
35 6,23 5,19 27,7 38,0 -138,7 -54,8 177,2 87,6 -66,8 -40,6 41,2 4, 14
36 6,28 6,35 43,8 41,0 73,0 44,7 -69,0 74,5 80,4 -155,2 37,8 2, 3, 16, 18
37 6,46 4,37 24,7 37,4 47,5 37,1 48,0 82,9 -87,2 -162,1 41,0 3, 19, 23
38 6,48 6,31 40,8 37,1 76,8 176,6 51,0 78,9 83,9 -152,3 35,9 2, 3, 16
39 6,51 7,75 146,4 38,0 -126,7 -179,5 -67,3 142,5 -80,8 32,3 -37,9 14
40 6,66 6,89 113,7 39,7 -124,2 -54,4 177,4 116,5 -160,4 42,3 -23,5 14
41 6,66 7,09 76,4 45,5 178,3 43,8 -69,8 79,6 94,7 176,9 16,9 15, 16, 18
42 6,70 8,37 167,2 35,3 67,8 -172,0 -65,9 150,0 147,2 -97,5 -35,8 2, 9, 16
43 6,78 6,14 152,9 37,8 -123,6 -50,6 172,1 144,1 147,4 -98,6 -35,4 16
44 6,79 8,42 133,6 37,7 -126,8 -70,4 -62,2 131,1 -142,3 39,6 -32,9 14
45 6,80 8,39 155,5 37,3 -122,5 -51,6 172,4 148,9 -77,7 35,1 -39,9 14
46 7,02 6,25 190,3 35,9 39,0 -64,6 163,6 154,5 27,8 27,1 -36,8 14, 19, 23
47 7,07 6,92 11,6 36,3 -154,5 -91,4 51,8 85,3 -163,4 -31,0 38,3 13, 14
48 7,26 7,08 162,8 37,7 65,2 70,1 -73,8 148,0 154,5 -179,2 -40,9 2, 9, 16
49 7,29 7,35 346,5 37,0 177,7 -55,4 178,8 91,7 86,4 73,8 40,8 2, 8, 16
50 7,30 9,25 36,2 36,7 69,9 -163,6 -168,7 86,6 -52,4 -34,8 37,3 2, 3, 14
51 7,40 9,58 36,3 35,7 68,1 -170,8 -169,7 84,7 -157,8 -25,1 31,4 3, 14
52 7,42 7,02 5,1 34,9 -150,1 175,1 50,5 84,7 88,1 77,1 38,0 13, 16
53 7,44 5,49 167,8 37,0 165,8 64,9 58,5 150,7 -73,6 176,9 -41,8 1, 15
54 7,46 7,24 42,5 36,9 71,4 65,1 -176,0 79,6 85,0 -152,8 35,2 2, 3,16
55 7,47 9,03 147,1 38,0 -126,6 -77,1 -66,7 142,6 -90,0 32,4 -38,0 14
56 7,56 8,26 37,6 38,7 68,2 41,3 -70,7 80,6 -162,2 -26,4 33,9 3, 14, 18
57 7,58 8,43 8,9 34,4 -126,6 66,1 62,4 86,8 89,3 74,8 37,4 4, 13, 16
58 7,61 7,50 43,8 40,2 76,9 -80,6 45,9 75,4 83,8 -153,7 37,6 2, 3, 16
59 7,64 5,29 182,9 35,0 174,1 164,4 50,6 152,8 -73,6 174,8 -40,5 1, 15
60 7,64 8,05 8,2 35,5 -175,2 62,2 -179,6 86,5 -159,2 -32,3 38,2 2, 14
61 7,69 6,18 10,7 36,0 -174,2 -176,7 -172,3 85,6 -160,7 -30,8 38,3 2, 14
62 7,71 8,35 168,2 34,1 -99,9 69,8 63,8 146,1 34,5 25,5 -35,2 1, 14, 22
63 7,73 7,41 218,5 30,8 169,4 81,4 48,5 153,8 -98,9 26,4 -29,9 1, 2, 14, 20
64 7,79 6,81 21,7 39,5 -163,5 44,5 -71,8 79,6 -164,2 -32,1 40,0 14, 18
65 7,82 5,58 12,1 36,9 -174,0 -170,1 -171,2 87,8 -62,4 -40,5 43,8 2, 14
66 7,84 9,48 31,9 33,7 65,0 62,1 -175,9 86,2 -156,3 -26,3 31,3 3, 14
67 7,86 5,05 11,9 38,9 -155,9 164,5 46,5 81,2 -94,8 -175,4 44,4 13
68 7,87 7,28 186,2 33,5 -116,5 174,1 47,0 148,9 35,7 26,9 -36,2 1, 13, 14
69 7,91 4,43 156,2 37,9 -127,7 -175,4 -67,7 146,3 146,8 -94,9 -36,9 16
70 7,95 7,70 158,2 39,8 59,1 -83,3 38,6 144,2 154,1 180,0 -42,1 1, 2, 16
71 7,95 5,87 153,9 38,0 -127,6 -67,3 -64,7 144,3 147,0 -96,4 -36,3 16
72 8,00 6,24 32,9 35,2 -169,6 176,9 -72,6 83,5 82,0 -167,7 38,2 16
73 8,12 6,31 4,9 33,4 48,5 -49,9 -14,0 85,2 78,5 -161,5 40,0 3, 9, 16, 23
74 8,18 6,24 18,0 39,0 -137,0 66,2 60,6 82,4 -94,9 -174,2 43,2 4, 13
75 8,19 6,73 233,7 26,1 170,8 87,5 46,0 143,8 -164,9 41,5 -21,0 2, 14, 21
76 8,21 6,75 186,8 33,2 73,3 -176,7 -66,6 151,9 28,3 25,5 -34,6 2, 9, 14
77 8,35 7,45 171,7 34,9 -114,6 -51,8 171,4 148,9 29,2 28,1 -36,5 8, 14
78 8,36 6,29 167,3 35,4 -119,9 -178,6 -68,2 147,5 29,0 27,6 -36,7 12, 14
79 8,38 8,67 165,9 34,5 66,3 56,9 178,7 145,9 146,4 -100,5 -34,6 2, 5, 16
80 8,39 7,66 6,4 38,6 -175,4 47,2 -70,5 79,1 82,6 75,5 42,6 2, 16, 18
81 8,41 9,72 36,0 38,1 76,3 -83,7 49,5 81,2 -162,1 -27,1 34,1 2, 3, 14
82 8,42 5,31 327,2 37,9 170,0 -179,3 177,8 99,5 88,6 74,3 38,6 2, 7, 16
83 8,42 5,48 224,5 36,2 169,6 84,7 46,5 153,3 37,1 16,8 -28,3 1, 2, 14, 20
84 8,46 4,90 174,4 37,0 171,8 -179,9 -69,0 153,8 -71,5 172,3 -43,0 15
85 8,50 9,72 173,8 34,4 -123,7 -88,3 52,4 153,1 -73,1 38,2 -40,6 1, 13, 14
86 8,54 5,12 38,0 34,5 72,4 179,5 -71,0 85,1 81,1 -149,9 36,5 2, 3,16
87 8,54 7,58 4,4 36,1 -154,8 -85,7 51,7 83,3 87,5 77,5 39,7 13, 16
88 8,54 6,57 172,1 38,5 164,0 -55,2 174,3 154,6 -67,3 176,9 -43,8 15
89 8,56 6,62 189,7 33,4 72,8 -70,5 -62,3 152,2 32,4 24,4 -34,5 2, 9, 14
90 8,64 8,61 207,0 33,9 149,2 -56,0 173,9 160,6 -78,5 31,2 -35,6 2, 14
91 8,85 6,85 224,6 32,4 168,4 -179,9 -66,8 156,5 -91,8 24,5 -28,7 2, 14
92 8,85 8,28 147,1 38,7 -130,5 -166,6 -174,1 142,1 -75,8 35,4 -39,1 14
А Ж А О ■Є = о X АС D Р птах С Р у 5 Є П 8 Внутрішньо молекулярні Н-зв'язки
93 8,94 6,55 180,6 39,6 41,5 -60,6 159,9 158,8 -63,9 -165,8 -44,1 19, 23
94 9,06 5,67 142,0 39,1 -131,7 -173,3 -175,9 135,3 145,7 -100,5 -33,1 16
95 9,09 8,22 165,8 35,7 -119,7 -72,4 -64,9 146,4 33,8 26,2 -36,5 14
96 9,14 7,28 326,2 37,5 171,4 60,5 171,4 100,2 90,3 74,7 37,6 2, 7,16
97 9,19 7,20 145,7 38,8 -133,6 56,9 174,6 137,5 146,4 -101,1 -34,1 16
98 9,20 6,01 36,5 39,0 76,5 176,1 -59,1 79,8 -50,4 -163,1 39,0 2, 3, 17
99 9,22 9,08 151,1 29,8 65,4 58,6 178,9 136,0 -159,9 47,7 -32,7 2, 5
100 9,28 5,33 174,9 37,1 171,5 -75,6 -67,9 153,9 -76,2 172,9 -42,9 15
101 9,43 6,53 225,6 40,4 157,2 -67,7 175,6 160,2 33,8 20,7 -30,9 2, 14, 21
102 9,48 6,56 184,1 33,8 70,8 80,0 -73,1 151,0 25,0 27,9 -35,2 2, 9, 14
103 9,50 6,26 38,4 37,9 74,5 -174,7 -170,6 78,7 93,3 71,0 33,7 2, 3,16
104 9,53 5,78 192,7 37,5 178,4 -171,8 -179,5 159,1 -65,6 171,4 -42,6 15
105 9,59 10,14 149,5 38,5 -134,4 54,8 172,7 143,3 -84,7 35,8 -39,7 14
106 9,68 7,20 102,6 41,3 -126,8 -171,6 -170,9 105,2 -165,7 40,0 -16,5 14
107 9,69 6,96 328,6 37,2 164,9 -54,0 -54,4 100,1 91,0 73,3 37,5 2, 11, 16
108 9,69 4,71 325,9 37,7 163,4 173,4 -68,3 103,0 89,7 72,4 38,2 2, 11, 16
109 9,71 5,45 36,8 39,4 74,2 -74,9 -58,8 78,1 -56,5 -162,6 39,1 2, 3, 17
110 9,73 4,73 228,4 39,1 166,6 179,6 -68,3 158,7 35,1 17,4 -28,8 2, 10, 14
111 9,84 7,15 169,9 38,7 65,1 -74,4 -65,4 153,8 -73,4 -169,0 -42,9 2, 9
112 9,84 9,70 151,1 35,5 60,2 -89,9 38,5 138,4 -165,1 54,4 -37,9 2
113 9,85 8,74 109,5 40,7 -128,8 61,4 -178,9 110,4 -165,2 44,3 -21,4 -
114 9,90 8,44 236,1 29,7 157,3 -60,9 175,9 148,2 -165,0 42,6 -21,6 2, 14, 22
115 10,00 4,71 2,8 28,0 75,9 179,4 -67,4 95,3 94,3 69,7 33,2 3, 9, 16
116 10,07 6,55 38,0 39,0 74,0 -54,9 176,8 82,7 -79,4 -159,1 37,9 2, 3
117 10,07 6,26 176,0 37,7 172,5 83,8 -71,7 154,6 -63,7 171,3 -43,3 15
118 10,12 6,64 356,1 34,4 49,8 -49,8 -17,3 87,6 86,6 73,3 37,9 3, 9, 16, 23
119 10,15 5,74 230,9 39,9 177,4 -166,3 178,7 157,5 35,4 17,4 -28,6 6, 13, 14
120 10,17 6,47 36,7 41,4 79,3 157,7 40,4 76,1 -86,4 -163,7 40,6 2, 3
121 10,25 6,97 34,4 37,6 80,6 -80,4 49,7 77,8 93,3 70,4 35,3 2, 3, 16
122 10,31 7,13 153,9 37,0 -123,7 77,1 -74,3 140,8 25,3 28,6 -35,1 14
123 10,31 7,85 195,2 34,9 -154,4 -176,2 173,3 159,6 -73,1 38,1 -40,5 13, 14
124 10,59 7,10 175,1 37,0 175,1 -83,8 50,8 151,9 -67,1 169,7 -42,4 1, 15
125 10,63 5,70 228,2 39,2 166,3 -72,8 -65,0 158,2 36,8 16,9 -28,9 2, 10, 14
126 10,66 7,78 193,9 34,8 74,8 61,3 178,8 152,6 31,9 26,7 -36,0 2, 5, 14
127 10,71 6,88 190,5 36,7 -178,7 56,7 169,4 157,5 -71,0 169,3 -41,9 15
128 10,97 7,33 131,7 39,6 -124,9 -168,9 -173,7 124,9 32,1 20,1 -28,4 14
129 11,01 7,02 21,3 39,1 -170,7 59,0 -179,0 79,5 -87,6 -173,3 43,4 -
130 11,10 4,67 23,3 39,3 -170,2 -174,0 -172,4 79,8 -81,6 -174,2 43,2 -
131 11,13 7,36 168,4 39,6 65,0 80,5 -70,5 153,2 -61,3 -171,8 -43,2 2, 9
132 11,30 5,69 4,5 32,9 50,6 -46,7 -14,5 85,6 176,7 -176,1 33,1 3, 9, 18, 23
133 11,37 6,48 227,9 39,8 166,2 87,6 -73,3 158,6 33,8 19,4 -29,5 2, 10, 14
134 11,48 7,35 224,4 37,8 165,1 -90,9 44,8 155,1 36,5 19,9 -30,1 1, 2, 14
135 11,59 8,93 189,1 35,8 62,8 -87,7 11,0 151,3 33,3 27,8 -37,7 2, 9, 14, 23
136 12,15 8,22 170,4 39,0 65,5 57,1 179,6 152,4 -68,8 -171,0 -43,1 2, 5
137 12,54 7,47 38,7 39,5 74,4 -169,3 -170,4 80,1 -78,4 -164,8 38,0 2, 3
138 12,71 7,52 37,8 39,3 74,2 58,4 -176,6 79,2 -86,0 -164,1 38,0 2, 3
139 12,76 9,14 164,0 41,5 58,5 -81,0 36,5 149,5 -65,4 -170,4 -44,4 1, 2
Примітки: Позначення кутів р, у, 5, Є, %, Р, Утах - стандартні [1]. Торсійний кут ^ = С3'С2'02'Н описує орієнтацію гідроксила в положенні 2', а кут 8 = 03'С3'С2'02' -взаємну орієнтацію зв‘язків С3'03' та С2'02'. Величини кутів наведено у градусах, ДО - відносна вільна енергія Гіббса за нормальних умов, ккал/моль, Б - дипольний момент, Дебаї. Структурні характеристики отримано на рівні теорії БП Б3ЬУР/6-31О(ё,р), а енергетичні - на рівні МР2/6-311++О(ё,р)//ОГТ Б3ЬУР/6-31О(ё,р). Конформери пронумеровано у порядку зростання їхньої вільної енергії ДО. Нумерацію та параметри внутрішньомолекулярних Н-зв‘язків наведено у таблицях 2 і 3.
Таблиця 2.
Основні геометричні та електронно-топологічні характеристики внутрішньомолекулярних ____________водневих зв’язків ЛИ...Б, які стабілізують конформери гуанозину_________________
Тип Н-зв'язок АН...В АВ, А нв, А АНВ, град. Р, а о. У2р, а.о.
тіп тах тіп тах тіп тах тіп тах тіп тах
1 С2'Н...05' 3,023 3,263 2,371 2,713 104,5 118,7 0,007 0,013 0,029 0,045
2 С2'Н.. .N3 3,004 3,423 2,349 2,852 99,5 128,5 0,007 0,015 0,024 0,049
3 С3'н...га 3,063 3,494 2,281 2,862 116,8 128,5 0,006 0,018 0,021 0,054
4 С3'Н...НС8 3,075 3,268 2,352 2,614 117,3 126,1 0,004 0,006 0,014 0,021
5 С5'Н1 .N3 3,507 3,944 2,515 3,081 136,1 150,4 0,004 0,011 0,012 0,030
6 С5'Н1 .N9 3,349 3,349 2,772 2,772 112,5 112,5 0,007 0,007 0,025 0,025
7 С5'Н1...С8 3,480 3,482 2,777 2,809 119,5 121,6 0,006 0,007 0,023 0,024
8 С5'Н1...НС8 3,134 3,569 2,505 2,839 115,0 123,5 0,002 0,005 0,007 0,017
9 С5'Н2...Ю 3,114 3,939 2,518 3,114 107,4 146,1 0,004 0,011 0,012 0,038
10 С5'Н2...Ш 3,364 3,381 2,816 2,864 108,8 110,6 0,006 0,007 0,022 0,023
11 С5'Н2...С8 3,549 3,629 2,866 2,879 120,2 125,8 0,005 0,006 0,018 0,019
12 С5'Н2...НС8 3,584 3,584 2,837 2,837 124,9 124,9 0,002 0,002 0,007 0,007
13 С8Н...05' 3,270 3,686 2,253 2,685 125,9 156,5 0,006 0,015 0,022 0,043
14 02'Н...03' 2,580 2,744 1,936 2,167 110,5 123,2 0,020 0,029 0,074 0,101
15 02'Н...Ю 2,800 3,006 1,874 2,163 143,9 156,2 0,020 0,036 0,051 0,088
16 03'Н...02' 2,637 2,776 2,041 2,220 111,3 120,5 0,018 0,024 0,071 0,086
17 03'Н...05' 2,892 2,953 2,130 2,201 133,4 134,7 0,017 0,018 0,052 0,056
18 05'Н...03' 3,023 3,093 2,214 2,409 125,5 140,1 0,011 0,016 0,043 0,049
19 05'Н...Ю 2,753 2,837 1,770 1,967 146,8 172,6 0,029 0,045 0,077 0,106
20 05'Н...Ш 3,128 3,209 2,504 2,567 122,2 123,9 0,009 0,011 0,033 0,038
21 05'Н...С8 3,296 3,645 2,461 2,787 144,4 148,2 0,005 0,010 0,018 0,035
22 05'Н...НС8 2,803 3,348 2,286 2,604 112,6 161,9 0,002 0,006 0,010 0,026
23 ШН...05' 3,223 3,456 2,303 2,561 134,6 159,0 0,007 0,012 0,025 0,036
Примітка: Виділено значення відстаней НВ, які перевищують суму ван-дер-ваальсових радіусів атомів Н та В.
Таблиця 3.
Конформаційні характеристики внутрішньомолекулярних водневих зв’язків, які охоплюють усі можливі _________________________________ конформери гуанозину_____________________________________
Тип Н-зв'язок АН...В Загаль на кіль- кість апіі N 8 Р у Є Л 8
ё+ 1 ё- ё+ 1 ё- ё+ 1 ё- ё+ 1 ё- ё+ ё-
1 С2'Н. .05' 21 5 16 0 21 9 6 6 21 0 0 5 8 8 10 9 2 0 21
2 С2'Н. .N3 56 36 20 25 31 20 16 20 16 20 20 26 13 17 29 20 7 25 31
3 С3'Н. .N3 29 29 0 29 0 9 9 11 9 10 10 13 8 8 5 16 8 29 0
4 С3'Н. НС8 6 0 6 6 0 4 1 1 4 1 1 2 1 3 1 2 3 6 0
5 С5'Н1 .N3 4 4 0 0 4 4 0 0 0 4 0 1 2 1 2 1 1 0 4
6 С5'Н1 .N9 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1
7 С5'Н1 .С8 2 0 2 2 0 1 1 0 0 2 0 2 0 0 2 0 0 2 0
8 С5'Н1. НС8 2 0 2 1 1 0 0 2 0 2 0 2 0 0 2 0 0 1 1
9 С5'Н2 .N3 15 15 0 5 10 3 4 8 1 0 14 7 5 3 7 6 2 5 10
10 С5'Н2 .N9 3 0 3 0 3 1 1 1 0 0 3 3 0 0 3 0 0 0 3
11 С5'Н2 .С8 2 0 2 2 0 0 1 1 0 0 2 2 0 0 2 0 0 2 0
12 С5'Н2. НС8 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 1
13 С8Н. .05' 18 0 18 11 7 4 10 4 16 2 0 8 5 5 9 5 4 11 7
14 02'Н. .03' 58 17 41 17 41 19 19 20 18 22 18 21 19 18 41 0 17 17 41
15 02'Н. .N3 19 0 19 1 18 7 6 6 6 6 7 1 9 9 0 19 0 1 18
16 03'Н. .02' 49 19 30 27 22 17 16 16 18 13 18 27 22 0 14 26 9 27 22
17 03'Н. .05' 3 2 1 3 0 0 2 1 0 0 3 0 0 3 0 2 1 3 0
18 05'Н. .03' 6 3 3 6 0 5 0 1 0 0 6 3 3 0 1 3 2 6 0
19 05'Н. .N3 11 11 0 5 6 8 0 3 8 3 0 5 3 3 4 5 2 5 6
20 05'Н. .N9 2 0 2 0 2 2 0 0 2 0 0 1 0 1 2 0 0 0 2
21 05'Н. С8 2 0 2 0 2 1 0 1 1 1 0 1 1 0 2 0 0 0 2
22 05'Н. НС8 4 0 4 0 4 3 0 1 3 1 0 1 2 1 3 0 1 0 4
23 ГОН.. .05' 12 12 0 8 4 5 0 7 6 3 3 7 3 2 4 6 2 8 4
AG, ккал/моль
Vmax, град
а)
ОтСо %
72
____л_
108
А
Р, град
"V V V Y Y -Г~
СЗ'-endo С4'-ехо 04'-endo С1'-ехо C2'-endo СЗ'-єхо C4'-endo 04'-ехо C1'-endo С2'-ехо
33 17 3 6 50 13 11 0 0 6
б)
Рис. 2. Залежність відносної вільної енергії Гібса ДО (а) та максимального вигину кільця цукрового залишку утах (б) від фазового кута псевдообертання фуранозного кільця цукрового залишку Р усіх можливих конформерів гуанозину.
Рис. 3. Конформаційні кільця для основних
структурних параметрів гуанозину.
0,3
а> 0,25
и
О
8 0,2 в
П
к
г
£ 0,15 з
о
0,1
0,05
Anti:Syn
-North:South
300 320 340 360 380 400
420
Т,К
Рис. 4. Температурна залежність відношення
заселеностей конформерів гуанозину Syn:Anti та North:South.
Конформаційні рівноваги. Спираючись на енергетичні характеристики усіх без винятку конформерів Guo, ми чисельно охарактеризували його конформаційні рівноваги у діапазоні температур 298,15-420K (Рис.4). Так, при 420К (таку температуру зазвичай використовують в експериментах з матричної ізоляції [14]) syn:anti=76,2%:23,8%, а S:E:N=90,3%:0,4%:9,2%.
Виявилося, що рівновага 8уп:ап1;і за температури Т=298,15К сильно зсунута ліворуч (8уп:ап1;і = 92,5%:7,5%), а рівновага 8:К - в бік 8-конформерів (8:К=97,6%:2,4%). При цьому співвідношення між “класичними” та
“некласичними” конформерами фуранозного кільця цукрового залишку таке: для 8-підсімейства -СЗ'ехо (97,6%); для К-підсімейства - СЗ'еп^
(2,1%), C4'exo (0,3%). Для інших підсімейств заселеність не перевищує 0,01%. Конформації C2'endo є syn-любивими (90,3% проти 7,3%); конформації C3'endo теж виключно syn-любиві -заселеність anti-конформерів 0,1%; конформери C4'exo - виключно syn-конформери.
Також нами зафіксовано такі закономірності (у дужках наведено заселеності). Конформери з yeg+ (99,3%) домінують над конформерами з yet (0,4%) та конформерами з yeg- (0,3%). Конформери
з beg+ (95,3%) домінують над конформерами з bet (4,2%) і конформерами з beg- (0,5%); при цьому конформери beg+ anti-любиві: (92,5% проти 2,9%), для інших конформерів переважає anti-конфомація: be t (4,2% проти 0,007%) та
beg- (0,4% проти 0,1%). Конформери з eet (86,2%) переважають над конформерами з eeg- (12,8%) та з eeg+ (1,0%); при цьому всі конформери є anti-любивими: eet (78,8% проти 7,3%), eeg-
(12,8% проти 0,1%), eeg+ (0,9% проти 0,1%).
Внутрішньомолекулярні водневі зв ‘язки. Отримані результати щодо внутрішньо-молекулярних Н зв‘язків у конформерах Guo представлено у Таблицях 1-3. У 139 конформерах Guo нами зафіксовано 23 типи внутрішньомолекулярних H-зв'язків (їхня загальна кількість - 326), а саме - C2'H...05' (21 зв’язок), C2'H...N3 (56), C3'H...N3 (29), C5'H1...N3 (4), C5'H1...N9 (1), C5'H1...CS (2), C5'H2...N3 (15), C5'H2...N9 (3), C5'H2...CS (2), CSH...05' (1S),
C3'H...HCS (б), C5'H1...HCS (2), C5'H2...HC8 (1), 05'H...HCS (4), 02'H...03' (5S), 02'H...N3 (19), 03'H...02' (49), 03'H...05' (3), 05'H...03' (б),
05'H...N3 (11), 05'H...N9 (2), 05'H...CS (2) і N2H...05' (12). Вони розподіляються на дві
різновеликі групи - H-зв’язки, локалізовані у цукровому залишку (типи 1, 14, 16-18; їхня
загальна кількість - 137), та зв’язки між
нуклеотидною основою і цукровим залишком (їх всього 1S9; це типи 2-13, 15, 19-23) (числові
позначення типів H-зв’язків див. у Таблиці 2). Природньо, що H-зв'язки між основою та цукровим залишком дуже “чутливі” до їх взаємної орієнтації. Так, зв’язки типу 4, 6-8, 10-13, 15, 12-22
реалізуються лише в anti-конформерах, а зв’язки типу 3, 5, 9, 19 і 23 - в syn-конформерах Guo. Внутрішньоцукрові H-зв’язки менш “чутливі” до взаємної орієнтації залишку і основи, але зв’язки 1,
14 і 16 є anti-любивими, зв‘язки типу 17 є syn-любивими. В той же час внутрішньоцукрові H-зв’язки дуже “чутливі” до конформації цукрового залишку: тип Н-зв’язків 1 реалізується лише в S-конформаціях, а типи 17 і 18 тільки в N-конформерах цукрового залишку. З-поміж H-зв’язків між цукровим залишком та основою
“найчутливішими” до конформації залишку є типи 5, б, 10, 12, 20-22 що реалізуються лише в S-конформерах, та типи 3, 4, 7 і 11, які
спостерігаються тільки в N-конформерах цукрового залишку. Серед решти є S-любиві (типи 2, 9, 15 і 19) та N-любиві (типи 13 і 23).
Для деяких типів H-зв’язків спостерігається також суттєва залежність й від інших конформаційних параметрів (Таблиці 1, 3). Так, H-зв’язки типу 1 реалізуються лише при yeg+, зв’язки типів 5-S - лише при yet, а Н-зв‘язки типів 10-12 та 17-1S - лише при yeg-. H-зв’язки типів 6-8, 10-12 реалізуються лише при eeg+, а зв’язки типу 17 -лише при ee g-. H-зв’язки типу 5 реалізуються лише при be g+, а Н-зв‘язки типів S - лише при be g. H-зв’язки типів 6-8, 10-12 та 20-21
спостерігаються лише при heg+, зв’язки типу 15 -лише при he t.
У конформерах Guo внутрішньомолекулярні H-зв'язки у більшості випадків співіснують. У 13 конформерах (2 anti та 11 syn) нами зафіксовано 4 H-зв’язки, в 54 конформерах (2S anti та 26 syn) зафіксовано 3 зв'язки, в 43 конформерах (2S anti та
15 syn) - 2 зв'язки і у 26 syn-конформерах (25 anti та
1 syn) спостерігається лише один зв'язок, 3
високоенергетичні anti-конформери 113, 129 і 130 не охоплені жодним H-зв'язком.
З-поміж зафіксованих нами
внутрішньомолекулярних H-зв^зків, які стабілізують всі можливі конформери Guo, -CH...0, CH...N, 0H...C, CH...C, 0H...HC та CH...HC - найбільшу увагу привертають до себе два останні. Характерною їх ознакою є те, що донором і акцептором H-зв'язування є атоми водню двох різних груп.
Підкреслимо, що майже всі (90,5%) внутрішньомолекулярні H-зв'язки (винятки стосуються 4 зв'язків C2'H...N3, 3 зв'язків
C3'H...N3, 4 зв'язків C3'H...HC8, 3 зв'язків
C5'H1...N3, 1 зв'язку C5'H1...N9, 2 зв'язків
C5'H1...HC8, S зв'язків C5'H2...N3, 3 зв'язків C5'H2...N9, 1 зв'язку C5'H2...HC8 і 2 зв'язків 05'H.HCS, тобто всього 31 зв‘язку з 326) задовольняють класичним геометричним вимогам (див. Таблицю 2) - для зв’язків AH...B сума ван-дер-ваальсових радіусів атомів H і B [15] повинна перевищувати відстань HB. При цьому найменша величина кутів H-зв’язування AHB спостерігається для зв’язків C2'H...N3 - мінімальне зафіксоване значення складає 95,5°.
Стосовно електронно-топологічних характеристик внутрішньомолекулярних H-зв’язків, а саме - параметрів p і V2p, то вони теж попадають у наведені у літературі межі [16]. Отже, є всі підстави класифікувати усі виявлені та охарактеризовані
нами внутрішньомолекулярні зв’язки у конформерах Guo як водневі.
Достатньо велика кількість зафіксованих H-зв’язків дозволила нам застосувати статистичні методи, а саме - лінійно-кореляційний аналіз, аби встановити деякі закономірності, що стосуються їхньої природи. Так, зокрема, виявлено доволі сильну кореляцію між параметрами p і V2p (0,94), а також між p і HB (-0,93) та між V2p і HB (-0,94). Наведемо також дані для коефіцієнтів лінійної кореляції між p і AB (-0,81) та між V2p і AB (-0,93).
Зафіксовано також прояви внутрішньомоле-кулярних Н-зв‘язків C8H...05' в ІЧ коливальних спектрах. При їх утворенні інтегральна інтенсивність валентного коливання v(C8H) (інтенсивність, як відомо [17], є одним з найчутливіших індикаторів Н-зв‘язування) зростає в середньому в 16,9 раза порівняно з середньою інтенсивністю цього ж коливання, не втягнутого у Н-зв‘язок (при цьому приймалися до уваги лише anti-конформери).
При утворенні H-зв^зків 02'H...N3 інтегральна інтенсивність валентного коливання v(02'H) зростає в середньому в 11,3 раза порівняно із середньою інтенсивністю у тих anti-конформерах, у яких відсутній цей H-зв^зок, а частота валентного коливання в середньому зменшується на 208см-1 (враховано маштабний множник 0,9608 [18]). Для конформерів із зв‘язком 05'H...N3 зростання інтегральної інтенсивності валентного коливання v(05'H) порівняно із середньою інтенсивністю в тих syn-конформерах, де цей №зв‘язок відсутній, складає в середньому 29,1 раза, а зсув частоти валентного коливання із врахуванням маштабного множника складає в середньому 307см-1.
ВИСНОВКИ
Вперше проведено вичерпний конформаційний аналіз канонічного рибонуклеозиду гуанозину квантово-хімічним методом функціоналу густини на рівні теорії MP2/6-311++G(d,p)//DFT B3LYP/6-31G(d,p). Представлено основні геометричні, енергетичні та полярні характеристики усіх його 139 стійких конформерів, а також конформаційні рівноваги у діапазоні температур T=298,15^420K. Методом аналізу топології електронної густини отримано дані щодо внутрішньомолекулярних Н-зв’язків. Вони свідчать про складну систему стабілізації його конформерів як класичними 0H...0 і 0H...N, так і нестандартними CH...0, CH...N, 0H...C, CH...C, 0H...HC та CH...HC внутрішньомолекулярними Н-зв’язками, які
співіснують з неспецифічними електростатичними взаємодіями нуклеотидної основи і цукрового залишку.
Автори висловлюють щиру вдячність корпорації “GAUSSIAN” (США) за люб’язно наданий грант - програмний пакет “GA USSIAN03 ” для платформи Win32.
Література
1. Зенгер В. Принципы структурной организации нуклеиновых кислот. М.:Мир, 1987. - 584с.
2. Микельсон А. Химия нуклеозидов и нуклеотидов. М.:Мир, 1966. - 668с.
3. Жураківський Р. О., Юренко Є. П., Говорун Д.М.
Конформаційні властивості 1',2'-дезоксирибози -модельного цукрового залишку 2'-дезоксирибо-нуклеозидів: результати неемпіричного квантово-механічного дослідження // Доп. НАН України. -2006. - №8. - С.207-213.
4. Жураківський Р.О., Говорун Д. М. Конформаційні
властивості 1 '-дезоксирибози, модельного цукрового залишку рибонуклеозидів: квантово-механічне
дослідження методом функціоналу густини // Доповіді НАН України. - 2007. - № 3. - С. 185-195.
5. Жураківський Р. О., Говорун Д. М. Конформаційні
властивості цитидину: квантово-механічне
дослідження методом функціоналу густини // Фізика живого. - 2007 - Т.15, №1. - С.92-108.
6. Жураківський Р.О., Говорун Д. М. Конформаційні
можливості уридину: квантово-механічне
дослідження методом функціоналу густини // Біополімери і клітина. - 2008. - Т.23, №4. -С.185-195.
7. Бейдер Р. Атомы в молекулах. Квантовая теория. -М. :Мир, 2001. - 532c.
8. Parr, R.G.; Yang, W. Density Functional Theory of Atoms and Molecules. - New York: 0xford University Press, 1989.
9. Lee C., Yang W., Parr R.G. Development of the Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron density // Phys. Rev. B. - 1988. - V.37. -P.785-789.
10. Becke A. D. Density-functional thermochemistry. IV. A new dynamical correlation functional and implications for exact-exchange mixing // J. Chem. Phys. - 1996. -V.104. - P.1040.
11. Gaussian 03, Revision C.02, 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.; and Pople, J. A. Gaussian, Inc., Wallingford CT, 2004.
12. Seeman, N. C., Rosenberg J.M., Suddath F.L., Parc Kim J.J., Rich A. A simplified alphabetical nomenclature for dihedral angles in the polynucleotide backbone // J. Mol. Biol. - 1976. - V.104. - P.142-143.
13. 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. - V.103. - P.3899-3904.
14. Краснокутський С.А. Молекулярна структура моно-мерних фрагментів нуклеїнових кислот, ізольованих у
низькотемпературних інертних матрицях // Автореферат дисертації канд. фіз.-мат. наук, Харків: Харків. ун-тет ім. В.Н.Каразіна, 2004. - 19 с.
15. Зефиров Ю.В., Зоркий П.М. Ван-дер-ваальсовы
радиусы и их применение в химии // Успехи химии.
- 1989. - Т.58, вып.5. - С.713-746.
16. Shishkin O.V., Palamarchuk G.V., Gorb L., Leszczynski J. Intramolecular hydrogen bonds in canonical 2'-deoxyribonucleotides: an atoms in molecules study // J. Phys. Chem. B. - 2006. - V.110. - P.4413-4422.
17. Водородная связь. Внутримолекулярные
взаимодействия. Киев: Наукова думка, 1991. - 320с.
18. CCCBDB Vibrational Frequency Scaling Factors / National Institute of Standards and Technology. - 2002.
- [Cited 2005, 30 November].- Available from: <http://srdata.nist.gov/cccbdb/vsf.asp>
КОНФОРМАЦИОННЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ГУАНОЗИНА: КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОМ ФУНКЦИОНАЛА ПЛОТНОСТИ Жураковский Р. А., Говорун Д. Н.
Квантово-химическим методом функционала плотности на уровне теории ЫР2/6-311++0(ё,р)//0ГТ В3ЬУР/6-3Ш(ё,р) проведен полный конформационный анализ гуанозина. Представлено основные геометрические, энергетические и полярные характеристики всех его 139 устойчивых конформеров, а также конформационные равновесия в диапазоне температур 298,15-420К. Установлено, что при 298,15К syn:anti=92,5%:7,5%; 8:К=97,6%:2,4%; при Т=420К syn:anti=76,2%:23,8%; 8:Б:К=90,3%:0,4%:9,2%. Методом квантово-химического анализа топологии электронной плотности (теория атомов в молекулах Бейдера) в 139 конформерах зафиксировано 23 типа внутримолекулярных водородных связей (их общее число - 326): С2'Н2...05', С2'Н2...Ш, С3'Н...Ш, С5'Н1...Ш, С5'Н1...Ш, С5Н1...С8, С5'Н2...Ш, С5'Н2...Ы9, С5Н2...С8, С8Н...05', С3Н...НС8, С5Н1...НС8, С5Н2...НС8, 05'Н...НС8, 02'Н...03', 02'Н...Ш, 03'Н...02', 03'Н...05', 05'Н...03', 05'Н...Ш, 05'Н...Ш, 05'Н...С8 и №Н...05'. Представлено из конформационные свойства, геометрические и электронно-топологические характеристики.
Ключевые слова: гуанозин, конформационный анализ, внутримолекулярные водородные связи, анализ топологии электронной плотности, БГТ.
GUANOSINE CONFORMATIONAL POSSIBILITIES: THE DFT QUANTUM CHEMICAL INVESTIGATION Zhurakivsky R. O., Hovorun D. M.
Full conformational analysis of guanosine is performed by means of density functional theory at MP2/6-311++G(d,p)//DFT B3LYP/6-31G(d,p) level. Main geometric, energetic and polar characteristics of all its 139 conformers are presented, as well as conformational equilibria in temperature interval 298.15-420K. At T=298.15K these are syn:anti=92.5%:7.5%; S:N=97.6%:2.4% and at T=420K syn:anti=76.2%:23.8%; S:E:N=90.3%:0.4%:9.2%. By quantum mechanical electron density topology analysis method (Bader’s Atoms-in-Molecules theory) as many as 23 types of intramolecular hydrogen bonds are established (their total number is 326) in all possible conformers of guanosine, namely these are C2'H2...O5', C2'H2...N3, C3'H...N3, C5'H1...N3, C5'H1...N9, C5'H1...C8, C5H2...N3, C5H2...N9, C5'H2...C8, C8H...O5', C3'H...HC8, C5'H1...HC8, C5'H2...HC8, O5'H...HC8, O2'H...O3', O2'H...N3, O3'H...O2', O3'H...O5', O5'H...O3', O5'H...N3, O5'H...N9, O5'H...C8 and N2H...O5'. Their conformational properties, geometric and electron topology characteristics are described.
Key words: guanosine, conformational analysis, intramolecular hydrogen bonds, electron density topology analysis, DFT.
