Моделирование колебательных состояний урациловых оснований ДНК и их спектральная идентификация Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 539.193/.194;535/33/34

М.Д. Элькин, В.В.Смирнов, Е.Ю. Степанович, В.Ф. Пулин, А.М. Лихтер, О.Н.Гречухина

МОДЕЛИРОВАНИЕ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ УРАЦИЛОВЫХ ОСНОВАНИЙ ДНК

И ИХ СПЕКТРАЛЬНАЯ ИДЕНТИФИКАЦИЯ

Представлены результаты модельных расчетов колебательных состояний мономеров и димеров гидроксиурацилов применительно к задаче их спектральной идентификации.

Структурно-динамические модели, колебательные спектры, адиабатический потенциал, ангармонизм колебаний

M.D. Elkin, V.V. Smirnov, E.Yu. Stepanovich, V.F. Pulin, A.M. Lihter, O.N. Grechuhina MODELLING OF VIBRATIONAL STATES FOR URACIL’S FOUNDATIONS OF DNK AND THEIR SPECTRAL IDENTIFICATION

Results of modelling calculation of vibrational states for uraciles is appeared here.

Structural dynamic models, vibrational spectra, adiabatic potential, anharmonic

Введение. Спектральная идентификация таутомеров урацила - известных оснований нуклеиновых кислот связана с предварительной теоретической интерпретацией колебательных спектров соединений. Такую возможность предоставляют неэмпирические и гибридные методы квантовой механики молекулярных объектов. Для базовой молекулы - урацила (мономеров и димеров) подобные исследования представлены, к примеру, в публикациях [1-4]. Предпочтение отдано методу функционала плотности DFT/b3LYP и базисами 6-311G** и 6-311+G** [5].

Таутомерные формы урацила - гидроксиурацилы (рисунок) связаны с появлением гидроксильных фрагментов СОН вместо связей С=О за счет атомов водорода связей NH. Интерпретация фундаментальных колебаний моногидроксиурацилов (МГДУ), основанная на результатах квантовых расчетов в рамках метода DFT/b3LYP/6-311+G**, представлена, к примеру, в публикации [6]. Однако авторы ограничились рассмотрением мономеров соединений в рамках гармонического приближения теории молекулярных колебаний, хотя в реальных условиях они образуют димеры и находятся в конденсированных состояниях.

В данной публикации на основании модельных квантовых расчетов параметров адиабатического потенциала мономеров и димеров гидроксиурацилов построены структурно-динамические модели соединений, выявлен характер поведения полос, интерпретированных как колебания фрагментов ОН и NH, по которым можно осуществлять их спектральную идентификацию. Расчеты выполнены в ангармоническом приближении теории молекулярных колебаний. Выбор из указанных выше базисов принципиального значения не имеет. Смещение полос не превышает величины ~ 20 см-1, качественный характер интенсивностей полос сохраняется.

Результаты модельных расчетов и их анализ

Оценка положения полос осуществлялась по известному соотношению

Ev = vs(ns + 1/2) + xSr(ns + 1/2)(nr + 1/2) (1)

Для ангармонических констант xsr использовались выражения из публикации [7]

Xss = 1/16FSSSS- 5/48(Fsss)2/Vs + 1/32(FsJ(Q(s;s;-r)- Q(s;s;r) - 12Q(r;r; r)) (1Ssr) (2)

Xsr = 1/16FSSrr - 1/8(FSSrf(Q(s;s;-r)+ Q(s;s;r)(1Ssr) + 3/8(Fsnf(Q(s;r;t) - Q(s;r;-t) +

Q(s;-r;t) - a(s;-r;-t))(1-Ssr)(1Sst)(1-Sn)+ L(a;sr)2/( Q(s; r;0)+ Q(s;-r;0))/2 (3)

В формулах (1)-(3) Pa = L(a;sr)QsPr; L(a;sr) - постоянные Кориолиса, vs - частоты гармонических колебаний (в см-1); Q - безразмерные нормальные колебательные координаты; Fsrt и Fsrtu - кубические и квартичные силовые постоянные, Q(s; ±r; ±t) = (vs ± vr± vt)-1 - резонансные функции, ns -набор квантовых чисел колебательного состояния.

Модельные расчеты геометрических параметров и колебательных спектров таутомеров гид-роксиурацилов для различных конформеров соединений, определяемых значениями двугранных углов D1(1,2,O,H) и D2(3,4,O,H). Значения D1=0 и D2=0 соответствуют конформерам К1, значения 180° конформерам К2. За подробностями относительно конформационной структуры МГДУ отсылаем к публикации [8].

Результаты модельных расчетов представлены в табл. 1-5.

Как следует из табл. 1, надежным признаком спектральной идентификации мономеров МГДУ являются сильные по интенсивности в ИК спектрах полосы в низкочастотном диапазоне спектра, интерпретированных как неплоские деформационные колебания связей NH (рш) и ОН (%OH). Отметим, что в мономере урацила [1-4] к неплоским деформационным колебаниям связей N1H и N3H отнесены полосы 667 и 560 см-1, соответственно.

Конформеры мономеров дигидроксиурацила (ДГДУ) могут быть идентифицированы по наличию дублета в низкочастотном диапазоне спектра, интерпретированного как крутильные колебания гидроксильного фрагмента. Для конформеров K2(D1=0°; D2=180°) и К4 (D1=180°; D2=180°) щель между ними достигает величины ~ 150 см-1, а полосы сравнимы по интенсивности в ИК спектрах. Для конформеров К1 и К3 интенсивна лишь одна из полос, а щель ссужается до величины порядка точности расчетов (~20 см-1). Для идентификации ДГДУ следует также использовать интенсивность дублета, интепретированного как проявление колебания валентного угла СОН (Рш).

Димеры МГДУ можно разделить на две группы. В первой имеет место сильная водородная связь, в образовании которой участвуют фрагменты С=О --- НК (табл. 2). Во вторую группу (слабая водородная связь) входят димеры типа С=О --- ИС5 (табл. 2) и С-О --- НК; С-О --- НС5 (табл. 4).

Образование димеров с сильной водородной связью (ЯО-Н = 1.66-1.75 А) приводит к существенному сдвигу (~ 400 - 500 см-1) полос валентных колебаний связей КН ^КН) в длинноволновый диапазон колебательного спектра. Дублетное расщепление полос достигает величины ~ 60-70 см-1. В димерах симметрии С2И имеет место правило альтернативного запрета для интенсивностей полос. В коротковолновый диапазон на величину ~ 300 см-1, смещаются полосы, интерпретированные как неплоские деформационные колебания связей КН, участвующих в образовании водородных связей. Дублеты указанных полос разнесены щелью от 30 см-1 до 90 см-1. В спектрах КР интенсивность полос мала. В зависимости от типа таутомера смещение полос в спектрах ИК может достигать величины ~ 50 см-1. Имеет место и различие в значениях интенсивностей полос. Тем не менее идентификацию конформеров и таутомеров МГДУ по указанным характеристикам полос следует признать затруднительной. Следует отметить, что такой же характер поведения полос валентных и неплоских деформационных колебаний связей КН, участвующих в образовании водородных связей, имеет место и в димере урацила, однако значения частот различаются на величину ~ 100 см-1. Для валентных колебаний ^КН) это дублеты в диапазоне ~3100-3170 см-1, для деформационных колебаний (рш) — 820-890 см-1.

Как и в мономерах, для целей идентификации следует использовать полосы, интерпретированные как крутильные колебания связей ОН. Дополнительные признаки спектральной идентификации димеров МГДУ с сильной водородной связью, выявленные из анализа характеристик полос циклических фрагментов в диапазоне 1700 - 1100 см-1, описаны в [10].

Образование слабой водородной связи между атомами кислорода гидроксильной группы и атомами водорода связей КН приводит к смещению полос валентных колебаний связей КН в длинноволновый диапазон на величину ~ 50-100 см-1 (табл. 4). Однако использование этого факта для спектральной идентификации таутомеров МГДУ может встретить затруднение, поскольку в реальном эксперименте контур соответствующих полос нередко имеет уширение такого же порядка. Сравнительно надежным признаком идентификации следует признать характер поведения полос, интерпретированных как неплоские деформационные колебания связей NN и ОН.

Характер поведения полос валентных и деформационных колебаний связей NN в димерах урацил - МГДУ по сравнению с соответствующими мономерами наглядно иллюстрируют данные, представленные в табл. 5. Щель между положением полос валентных колебаний связей NN ^КН---), участвующих в образовании слабых и сильных водородных связей может достигать величины ~ 200 см-1, что можно использовать в качестве признака спектральной идентификации димеров урацил - МГДУ. Для этих же целей следует использовать и характеристики полос, интерпретированных как неплоские деформационные колебания связей ОН (хОН) и NN (рКН).

Заключение

Представленные результаты модельных расчетов мономеров и димеров гидроксиурацилов, их сопоставление с имеющимися экспериментальными данными по колебательным спектрам соединений дает основание утверждать следующее. Возможности метода функционала плотности позволяют осуществлять достоверные предсказательные расчеты фундаментальных колебаний урациловых оснований ДНК и использовать эти расчеты для выявления признаков спектральной идентификации для различных представителей данного класса соединений.

Таблица 1

Интерпретация колебаний связей ОН и N4 в конформерах моногидроксиурацилов

Форма колеб Уэксп [8,9] N^^1 N^^2 N3H_K1 N3H_K2

Уанг ИК КР Уанг ИК КР Уанг ИК КР Уанг ИК КР

2-Г идроксиурацил

qoн 3615* 3630 60 143 3587 108 89 3587 116 115 3638 85 90

qNH 3435 3448 59 110 3462 105 104 3412 62 93 3391 29 98

PNH 662 389 102 3.9 494 154 1.3 662 60 2.0 604 102 3.2

Xoн - 170 57 2.6 538 25 3.2 521 114 3.2 250 46 2.1

4-Г идроксиурацил

qoн 3615* 3557 83 109 3636 72 97 3620 81 125 3628 98 120

qNH 3435 3439 75 110 3437 74 109 3403 40 102 3418 72 92

PNH 560 643 120 0.3 640 39 0.8 579 69 3.9 642 9.2 2.3

Xoн - 590 46 5.2 389 35 3.8 256 77 2.4 380 127 2.5

Таблица 2

Интерпретация колебаний связей ОН и ЫН - в конформерах димеров МГДУ

Форма Уанг ИК КР Vанг ИК КР ^нг ИК КР ^нг ИК КР

колеб. N1и_К1 N1 и_ К1,2 N1и_К2

2-гидроксиурацил(В(с=о---исб) = 2.20; 2.21. 2.22 А)

Яои 3633 127 364 3633 63 181 3588 105 103 3588 211 207

Яш 3449 120 285 3461 109 138 3449 60 140 3462 219 271

Рии 446 177 1.0 538 2.8 2.4 445 85 0.5 539 8.1 5.0

Хои 147 39 5.4 502 186 2.2 150 17 1.3 503 367 4.2

4-гидроксиурацил(В(с=о--+^1) = 1.73;1.72; 1.72 А)

Яои 3560 166 257 3635 79 132 3561 82 128 3636 157 265

Яш 3000 3951 2986 4068 0.2 - - - 2973 4182 0

Яш 2940 - 859 - - - 2924 0.2 858 2909 0 855

Рии 930 77 - 929 69 - 900 0.5 3.0 962 113 0

Хои 591 194 10 591 96 5.0 409 60 3.6 408 125 7.3

N3H_K1 N3^ К1,2 N3H_K2

2-гидроксиурацил (В(с=о---исб) 2.29; 2.30. 2.30 А)

Яои 3588 244 292 3640 84 99 3588 122 145 3640 168 199

Яии 3414 119 182 3413 61 92 3392 27 97 3392 55 195

Рии 661 115 4.1 661 58 2.0 601 98 3.3 602 197 6.5

Хои 519 224 6.8 519 112 3.4 238 41 2.3 239 83 4.6

2-гидроксиурацил (В(с=о--- HN3)= 1.75; 1.69; 1.70 А)

Яои 3590 244 257 3590 129 122 3584 178 83 3564 433 156

Яии 3004 3297 - 2959 3110 67 - - - 2919 3395 -

Яии 2949 - 675 - - - 2877 343 595 2847 - 603

Рии 952 124 -- 962 105 0.1 889 40 0.1 934 163 -

Хои 529 202 7.4 530 104 3.6 449 72 0.5 472 191 1.8

4-гидроксиурацил(В(с=о--+ш) = 1.66;1.64; 1.72 А)

Яои 3529 520 168 3633 112 125 3555 203 90 3634 204 259

Яии 2842 3896 0 2892 3610 60 - - - 2954 3787 -

Яии 2757 0 554 - - - 2795 395 597 2892 - 705

Рии 952 164 0 982 72 0.1 898 36 0.3 962 113 0

Хои 501 221 3.3 463 117 1.7 399 103 2.6 395 210 5.4

Таблица 3

Интерпретация колебаний связей ОН в конформерах дигидроксиурацила

Форма колебаний К1 К2 К3 К4

^нг ИК КР ^нг ИК КР ^нг ИК КР ^нг ИК КР

Яои 3595 95 98 3634 70 95 3595 89 90 3634 72 95

3569 85 118 3597 96 94 3569 72 115 3597 94 88

Рои 1214 22 2.7 1215 20 2.5 1199 211 3.3 1209 120 1.1

1179 400 1.6 1176 19 4.0 1174 213 1.5 1174 127 5.5

Хои 544 193 1.7 563 95 3.2 547 196 6.6 557 102 3.5

552 8,4 6.0 420 90 2.6 527 3.2 1.0 419 90 2.6

Таблица 4

Интерпретация колебаний в димерах МГДУ со слабой водородной связью (НО---Н)

^нг ИК КР ^нг ИК КР ^нг ИК КР ^нг ИК КР

Яои qNH PNH Хои

4-ГДУ^3и)---2-ГДУ (N1 и), В(но--нж)= 2.17 А; В(но- ^N3)= 1.95 А

3624 91 103 3397 496 220 715 11 0.2 518 161 2.3

3577 124 66 3311 620 319 569 20 0.7 355 81 2.6

4-ГДУ (Ши)--- 4-ГДУ (N3^, В(но-- НN3)= 2.04

3628 231 179 3352 938 460 748 112 - 378 217 4.1

2-гду(ти)---2-гду(ти), В(но-ню)= 2.01

3568 206 150 3348 1455 655 636 154 - 515 201 7.1

2-ГДУ(N3H)---2-ГДУ(N3H), В(но--ню)= 2.03

3580 252 172 3329 949 463 778 89 1.3 507 199 4.7

4-ГДУ (N1 и)---4-ГДУ (N1 и), В(но---нс5) = 2.46

3552 160 188 3439 163 258 648 218 0.5 559 100 9.6

4-ГДУ (Ши)---4-ГДУ (N3И), В(но---нсб) = 2.64

3620 161 222 3402 84 201 573 141 7.6 235 137 4.3

Таблица 5

Интерпретация колебаний в димерах урацил---гидроксиурацил

^нг ИК КР ^нг ИК КР ^нг ИК КР ^нг ИК КР

Яои, Хои qNH, PNH qNн--- PNH---

Урацил---2-ГДУ(Жи), В(с=о---и^) = 1.82 А; В(ти --- ои) = 1.99 А

3568 95 76 3421 63 72 3331 834 240 782 100 1.1

513 97 4,1 689 31 1.2 3136 1420 502 651 1.3 1.1

Урацил---2-ГДУ(Жи), В(с=о---и^) = 1.84 А; В(ши --- ои) = 2.01 А

3577 104 69 3462 105 89 3307 685 168 792 23 1.3

521 107 3.4 563 58 0.9 3198 1178 452 719 49 1.9

Урацил---2-ГДУ^3и), В(с=о--^3) = 1.90 А; В(ши --- ои) = 2.03 А

3577 109 84 3459 106 84 3340 495 163 858 103 0.1

519 92 2.6 569 55 0.9 3193 861 335 775 36 0.6

Урацил---4-ГДУ^3и), В(с=о--^3) = 1.88 А; В(ши --- ои) = 2.09 А

3623 78 99 3419 65 69 3387 524 213 846 117 0.1

360 77 2.3 681 76 1.8 3189 1034 365 625 14 0.7

Урацил---4-ГДУ^3и), В(с=о--^3) = 1.91 А; В(ти --- ои) = 2.04 А

3626 88 88 3459 108 114 3353 474 158 853 130 0.1

368 84 1.9 572 56 0.8 3188 987 369 729 0.1 1.0

Молекулярные диаграммы 2-, 4-гидроксиурацилов и дигидроксиурацила

ЛИТЕРАТУРА

1. Элькин М.Д. Проявление межмолекулярного взаимодействия в димерах урацила / М.Д. Элькин, Е.А. Джалмухамбетова, О.Н. Гречухина // Известия Сарат. ун-та. Серия Физика. 2008. Т. 8. Вып. 2. С. 24-30.

2. Элькин П.М. Моделирование колебательных состояний 5- и 6- азаурацилов / П.М. Элькин, А.М. Лихтер, О.Н. Гречухина // /Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. 2009, №1(5). С. 48-52.

3. Системный анализ структурно-динамических моделей димеров азаурацилов в конденсированном состоянии / Е.А. Эрман, Г.П. Стефанова, Н.А. Равчеева, Е.А. Джалмухамбетова, О.Н. Гречухина, О.М. Алыкова // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. 2012. №3(19). С. 96-102.

4. Элькин П.М. Математическое моделирование и динамика димеров урацила и азаурацилов / П.М. Элькин, М.А. Эрман // Известия Волгоград. гос. тех. ун-та. 2012. №10 (44). С. 55-62.

5. Frisch M.J. Gaussian / M.J. Frisch, G.W. Trucks, H.B. Schlegel. Inc., Pittsburgh PA, 2003.

6. Calculation and analysis of the structure and vibrational spectra of uracil tautomers / G.N. Ten, V.V. Nechev, R.S. Sherbakov, V.I. Baranov // J. Structural chemistry. 2010. Vol. 51. No. 1. P. 32-39.

7. Элькин М.Д. Учет ангармонического смещения полос в модельных расчетах колебательных спектров димеров с водородной связью / М.Д. Элькин, Л.М. Бабков // Известия Сарат. гос. ун-та. Серия Физика. 2011, Т. 11. Вып. 1. С. 20-25.

8. Структурно-динамические модели моногидроксиурацилов в конденсированном состоянии / М.Д. Элькин, В.В. Смирнов, Н.А. Равчеева, Е.А. Джалмухамбетова, О.Н. Гречухина, А.Р. Гайсина, О.М. Алыкова // Естественные науки. 2013. №1

9. The infrared spectra of uracil, thymine, and adenine in gas phase / P. Colarusso, K. Zhang, B. Guo, P.F. Bernath // Chemical Physics Letters. 1997. V.269. P. 39-48.

Элькин Михаил Давыдович -

доктор физико-математических наук, профессор кафедры «Техническая физика и информационные технологии»

Энгельсского технологического института (филиала) Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Пулин Виктор Федотович -

кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Физика» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Смирнов Владимир Вячеславович -

кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Физика» Астраханского государственного университета Степанович Екатерина Юрьевна -ассистент кафедры «Физика»

Астраханского государственного университета

Лихтер Анатолий Михайлович -

доктор технических наук, доцент кафедры «Физика» Астраханского государственного университета

Гречухина Оксана Николаевна -

кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Прикладная математика» Астраханского государственного университета

Mikhail D. Elkin -

Dr. Sc., Professor

Department of Technical Physics

and Information Technologies

Engels Technological Institute

Part of Gagarin Saratov State Technical University

Victor F. Pulin -

Ph. D., Associate Professor

Department of Physics

Gagarin Saratov State Technical University

Vladimir V. Smirnov -

Ph. D., Associate Professor Department of Physics Astrahan State University Ekaterina Yu. Stepanovich -

Assistant

Department of Physics Astrahan State University

Anatoli M. Lihter -

Dr. Sc., Associate Professor Department of Physics Astrahan State University

Oksana N. Grechuhina -

Ph. D., Associate Professor Department of Applied Mathematic Astrahan State University

Статья поступила в редакцию 15.01.13, принята к опубликованию 20.02.13