CC BY
14БІОФІЗИКА
BIOPHYSICS
МОЛЕКУЛЯРНА БІОФІЗИКА
Фізика живого, Т. 1S, No 2, 2010. С. 5-15. © Броварець О. О., Говорун Д.М.
MOLECULAR BIOPHYSICS
УДК 277.3
ВНУТРІШНЬОМОЛЕКУЛЯРНА ТАУТОМЕРИЗАЦІЯ ТА КОНФОРМАЦІЙНА МІНЛИВІСТЬ ДЕЯКИХ КЛАСИЧНИХ МУТАГЕНІВ - ПОХІДНИХ ЦИТОЗИНУ: КВАНТОВО-ХІМІЧНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ
1,2Броварець О.О., 1,3Говорун Д.М
1 Інститут молекулярної біології і генетики НАН України Київ, Україна 2Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, Україна 3Інститут високих технологій Київського національного університету імені Тараса Шевченка, Київ, Україна
e-mail: brovarets@list.ru
Надійшла до редакції 13.02.2010
Вперше з використанням методів неемпіричної квантової хімії на рівні теорії MP2/6-311++G(2df,pd)//B3LYP/6-311++G(d,p) проведено вичерпний конформаційний аналіз низки класичних мутагенів - похідних цитозину. Показано, що у всіх досліджених сполуках, окрім ОСуІ;, модифікація заважає спарюванню як у мутагенній, так і в канонічній таутомерій формі цитозинц з основою - партнером по взаємодії. Цей ефект може знижувати їхній мутагенний потенціал. Встановлено також, що на досліджені молекули формально поширюється таутомерна гіпотеза Вотсона-Крика, оскільки час життя їхніх мутагенних таутомерів набагато перевищує характерний час, який витрачає машинерія біосинтезу ДНК на інкорпорацію однієї пари нуклеотидів. Можна очікувати, що саме в рамках цієї гіпотези вдасться адекватно пояснити механізми мутагенної дії №-аміноцитозин, №-метоксицитозин, №-гідроксицитозин, №-дегідроцитозин, №-метилцитозин - саме ці мутагени мають енергетично вигіднішу імінну таутомерну форму, ніж амінну.
Ключові слова: індуковані точкові мутації ДНК, №-аміноцитозин, №-метоксицитозин, №-гідроксицитозин, N4-дегідроцитозин, №-метилцитозин, внутрішньомолекулярна таутомеризація, енергія таутомеризації, перехідний стан, енергія активації Гіббса, час життя, конформаційні властивості, структурна нежорсткість, аналіз топології електронної густини, ab initio.
ВСТУП
Ця праця є логічним продовження попередньої роботи [1] і присвячена дослідженню N4-аміноцитозину (4ашСуі), №-метоксицитозину (4шоСу:), №-гідроксицитозину (4ЬоСу1), N4-
дегідроцитозину (БСуі) і N4-метилцитозину (4шеСу!) класичних мутагенів - похідних цитозину, експериментальні дані (здебільшого
феноменологічного характеру) щодо мутагенної дії котрих є доволі розлогими і вичерпними [2-13]. Аналіз літератури [14-18] показує, що молекулярні механізми цього біологічно важливого феномену так до кінця і не з’ясовані. Це, зокрема, пов’язано із тим, що в літературі відсутні вичерпні фізико-хімічні дані стосовно конформаційних властивостей цих мутагенів та процесів їхньої внутрішньомолекулярної таутомеризації [19]. Ця робота покликана заповнити цю прогалину.
МАТЕРІАЛИ І МЕТОДИ
Як об’єкт дослідження ми вибрали деякі класичні мутагени - похідні цитозину, а саме - 4ашСуі, 4шоСуі, 4ЬоСуі, БСу і шеСу^ феноменологічні ефекти мутагенної дії яких найкраще представлено в літературі [7-13] з-поміж сполук аналогічної будови. Предмет нашого вивчення - фізико-хімічна природа процесів внутрішньомолекулярної таутомеризації досліджуваних мутагенів та їхні конформаційні властивості, включаючи структурну нежорсткість. Ця важлива з біологічної точки зору біофізична інформація є запорукою з’ясування елементарних фізико-хімічних механізмів їхньої мутагенної дії на ДНК. Нами обрано квантово-хімічний метод дослідження на рівні теорії МР2/6-311++0даГ^)//В3ЬУР/6-311++0(^р), який добре зарекомендував себе для подібного кола задач [23].
Квантово-хімічні розрахунки геометричної та електронної будови досліджуваних об’єктів
проведено на рівні теорії ББТ В3ЬУР/6-311++0(^р) у вакуумному наближенні, яке для цієї задачі є
адекватним [24,25]. При цьому перехідні стани перетворення основ ідентифікували методом STQN [26, 27]. Усі зоптимізовані структури перевірено на стійкість за відсутністю уявних частот у їхніх коливальних спектрах, які розраховували у
гармонійному наближенні. Квантово-хімічні розрахунки проведено із використанням програмного пакету “GAUSSIAN03” для платформи '^п32 [29].
Розподіл електронної густини у досліджуваних основах та перехідних станах їхнього взаємного перетворення аналізували, використовуючи теорію Бейдера “Атомів у молекулах” [30] та хвильові функції, отримані на рівні теорії В3ЬУР/6-311++G(d,p). Н-зв’язки [31] встановлювали за
наявністю критичної точки (3,-1) між двома валентно незв’заними атомами. Топологію електронної густини аналізували за допомогою програмного пакету АІМ2000 [32], використовуючи стандартні опції. При цьому енергію внутрішньомолекулярних Н-зв’язків визначали за формулою, запропонованою авторами роботи [33] БнВ=0,5У(г), де У(г) - значення локальної потенцальної енергії в критичній точці Н-зв’зку.
Константи швидкості для прямої та зворотної таутомеризації розраховували за формулою
1 ГГГ ДО
кт
к = г-
к
[34], де Г = 1 +
24
ґ
V
V квт у
множник Вігнера, що враховує тунелювання (позначення ті ж самі, що і в роботі [34]). Середній час життя (час релаксації) т та час напіврозпаду
(напівжиття) ті/2 обчислювали як т = к 1,
енергетичної
енергією.
найвигіднішої структури з нульовою
Т1/2 = т • 1п 2 [35]. Зазначимо, що усі значення енергії
Гіббса, якими оперують автори, наведено для стандартних умов, а енергії активації Гіббса відповідають переходам із низькоенергетичного конформаційного стану у високоенергетичний, а не навпаки. Відносні енергії Гіббса відраховуються від
V V г*
^15,, < ^18. V -
РЕЗУЛЬТАТИ ТА ЇХ ОБГОВОРЕННЯ
Стаття організована у такий же спосіб як і попередня [1]. Тому виклад отриманих результатів ми розпочинемо із аналізу базової молекули - цитозину (Суі). Нами встановлено, що Суі є структурно-нежорсткою молекулою (рис. 1). II інтерконверсія відбувається трьома топологічно і енергетично нееквівалентними шляхами - площинною інверсією непланарного амінного фрагмента >С4ШН2 через перехідний стан TSl та двома анізотропними поворотам (за і проти годинникової стрілки) аміногрупи навколо екзоциклічного зв’язку C4N4 через перехідні стани TS2 та TS3. Оскільки площинній інверсії відповідає енергія активації Гіббса лише 0,06 ккал/моль (що, з одного боку на порядок менше, ніж ОТ за кімнатної температури, а з іншого - під бар’єром інверсії не поміщається бодай один (нульовий) коливальний рівень компетентного коливання (212,1см-1) частота якого стає уявною (і154,6см-1) у перехідному стані площинної інверсії TSl), то вона відбувається у вигляді ангармонійного надбар’єрного віялового коливання аміногрупи великої амплітуди. Плоскосиметричному бар’єрові повертання аміногрупи, коли вільна електронна пара (ВЕП) амінного атома азоту N4 спрямована до атома водню при атомі С5 (№С4^Н1=56,6°; ШС4№Н2=-56,5°; НЫ4Н=104,8°) відповідає помітно менша
енергія активації Гіббса (11,85 ккал/моль), ніж у другому випадку, коли ВЕП зорієнтована до атома N3 (15,85 ккал/моль) (ШС4№Щ=120,6°; ШС4№Н2=-120,6°; НЫ4Н=107,4°). Це пов’язано із тим, що притягувальні взаємодії у першому випадку (ВЕП з НС5 та амінних атомів водню з ВЕП N3) замінюються на відштовхувальні (ВЕП N6 і N3 та амінних атомів водню з атомом водню при атомі С5).
я
т
Суі* 3,85
£
* *
Суі 0,00 Суі* 2,2
Аг* ґу*
ТБ, 0,06 ТБ, 11,85 Т53 15,85 Т54 38,47 ТБ, 25,11 ТБ, 25,11
Рис. 1. Інтерконверсія та внутрішньомолекулярна таутомеризація цитозину у основній таутомерній формі та конформаційні перетворення його мутагенного таутомера (тут і нижче біля кожної структури вказана її відносна енергія Гіббса у ккал/моль за стандартних умов).
<
*У^ Т5,‘‘'Т'*2 75,, Т8. Т5. ^
■ ггтУ ~
Т*' •лт'' *^т
2 3.41 3 4.40 4апіС\і* 2.47 чатС\1* 2.47 4атС\1* 0.0() ‘атСуІ*
V V-, те^у
^ у ^ - 1839 ^ ' Т
^ж^-»
Т5№1.
у
т
4 8.75
V* г -
Иу'-
1 2.30 ашСМ* 16.23 атСМ* 0.00
V
V4
< V-
Ж^'»
г
• £
ТБ, 7,37
уу
* ж -
.л
Т5- 35,67
Гу
ТБ. 11.16
т
•"Т*'
ТБ, 35.67
к
ГУ
. & у"" *^у^ ^у^
->Гу
0
ТБ, 11,16 Т$, 38.90
•Ч < -
ті
•Т‘
ТБ, 43.45 ТБ4 7.08
*Г
Я
<
Лу
^ ^у‘- ^-у'ч
ТБ. 5,07
У
< ^
ТБ,. 16.31 ТБ,, 16,31 ТБ,- 17.15 ТБ,, 17.15
У *у Ху Ху
ГТ т>,‘ гЧ* Гї
л
т
т‘‘ *"т
А
т
ТБ,, 20,92 Т5„ 20,92 Т8|# 22,01 ТБ,- 22.01
ІЗГу* Ч * ^
^Х'' ^Х"
ТБ,. 10.05 ТБ,, 9,77 ТБ.,, 9,77
>■--. <•
£
■ге.., 50.17 ТС- 50.17 15., І4.4«
Рис. 2. Конформаційні перетворення 4ашСу1 у основній та мутагенній таутомерних формах та його внутрішньомолекулярна таутомеризація.
Рис. 3. Інтерконверсія 4шюСу1 у основній та мутагенній таутомерних формах, внутрішньомолекулярна таутомеризація та конформаційні перетворення його мутагенного таутомера.
— Ч
¥
«АТ"'* •лт"'* "
2 10,32 'ЬоСуІ* 3,16 'ЬоСуІ* 0,00 1 9,14 1 9,14 'ЬоСуІ 12,81
те..,
"• **'УГ‘"т *^уч*'Т
-*2>у
Г ~ Т
"• "Ж 'в
«Г^
2 10,32
<Ґ ґ ‘ т '
< у*
*"ТЧ
< г* <у
*Ґ
г
>•
^ щґ
■т
-•
ТБ, 16,52 ТБ, 16,52
ТБ, 17,97
« л > «у уу ГТ
в-^_ 4 • ^ ^
ТБ, 55,05 ТБ, 55,05 ТБ, 22,12
«V
УЧ* V' V-
•^ Т '
ТБ.з 9,78 ТБ,, 17,71
<г *
‘ Iа-
Г ' ‘Г'
•% Д 1 ^ "* % . -•
нЬ *®
ТБ, 17,97 ТБ, 46,29 ТБ, 46,29 * > ґт т*
.'ж'^ *Г'*-'■*
Т" ' т
Рис. 4. Інтерконверсія ЬоСуІ у основній та мутагенній таутомерних формах, внутрішньомолекулярна таутомеризація та конформаційні перетворення його мутагенного таутомера.
Рис. 5. Конформаційні перетворення шеСуІ у основній та мутагенній таутомерних формах та внутрішньомолекулярна таутомеризація 4шеСу1 (пунктиром позначено внутрішньомолекулярні Н-зв’язки).
Рис. 6. Інтерконверсія БСуІ у основній та мутагенній таутомерних формах, внутрішньомолекулярна таутомеризація та конформаційні перетворення його мутагенного таутомера.
Таблиця 1. Основні кінетичні характеристики внутрішньомолекулярної таутомеризації основ ДНК досліджених мутагенів - похідних цитозину.____________________________________________________________________
Перехід ДАО, ккал/моль ' О Л4 т, с т1/2, с ДО, ккал/моль К
4атСу^4атСу1* 35,49 5,74-10-14 1,741013 1,211013 -0,94 4,90
4атСу1*^4атСу1 36,43 1,1710-14 8,531013 5,911013 0,94 0,20
4теСу^4теСу1* 35,45 6,20-10-14 1,611013 1,121013 1,34 0,11
4теСу1*^4теСуг 34,11 5,92-10-13 1,691012 1,171012 -1,34 9,55
4тоСу^4тоСуг* 35,44 6,3310-14 1,581013 1,091013 -7,18 1,85105
4тоСу1*^4тоСу1 42,62 3,4310-19 2,92-1018 2,02-1018 7,18 5,41 ■ 10-6
БСуг^БСуг * 39,74 4,40-10-17 2,27-1016 1,571016 -5,97 2,40-104
БСу^БС^ 45,71 1,8310-21 5,45 1020 3,78 1020 5,97 4,1710-5
4ЬоСу1^41іоСу1* 35,97 2,58-10-14 3,881013 2,69-1013 -7,16 1,79105
4ЬоСу1*^4ЬоСуг 43,13 1,44-10-19 6,931018 4,811018 7,16 5,5910-6
Перехід ДАО, ккал/моль ' О Л4 т, с с ДО, ккал/моль К
4атСу^4атСу1* 35,49 5,74-10-14 1,741013 1,211013 -0,94 4,90
4атСу1*^4атСуг 36,43 1,1710-14 8,531013 5,911013 0,94 0,20
4теСу^4теСу1* 35,45 6,20-10-14 1,611013 1,121013 1,34 0,11
4теСу1*^4теСу1 34,11 5,92-10-13 1,691012 1,171012 -1,34 9,55
4тоСу^4тоСу1* 35,44 6,3310-14 1,581013 1,091013 -7,18 1,85105
4тоСу1*^4тоСу1 42,62 3,4310-19 2,92-1018 2,02-1018 7,18 5,41 ■ 10-6
БСуг^БСуг * 39,74 4,40-10-17 2,27-1016 1,571016 -5,97 2,40-104
БСу^БС^ 45,71 1,8310-21 5,45 1020 3,78 1020 5,97 4,1710-5
4ЬоСу1^41іоСу1* 35,97 2,58-10-14 3,881013 2,69-1013 -7,16 1,79105
4ЬоСу1* ^4ЬоСу1 43,13 1,44-10-19 6,931018 4,811018 7,16 5,5910-6
Позначення: ДАО - енергія активації Гіббса переходу; к- константа швидкості; т - час життя; т1/2 - час напівжиття; К - стала таутомерної рівноваги; ДО - енергія таутомеризації Гіббса
Розпочнемо аналіз одержаних результатів із 4ашСу1, який демонструє серед досліджених мутагенів найширший спектр конформаційних можливостей (рис. 2). У канонічній таутомерній формі цієї сполуки, яка комплементарно спарюється з гуаніном (Оиа) [10, 17], нами виявлено чотири конформери плоско симетричної будови (група симетрії С8) (рис. 2). Вони відрізняються один від одного розміщенням та орієнтацією аміногрупи: з боку атома N3 або зв’зку С5Н, орієнтуючись при цьому своїми атомами водню до або від піримідинового кільця. У енергетично найвигіднішому конформері 1 (рис. 2) аміногрупа розміщена біля атома N3, її атоми водню спрямовані до кільця, а саме - до атома N3. Конформер 4 з найвищою відносною енергією Гіббса (ДО4=8,75ккал/моль) відрізняється від конформера 1 тим, що у ньому амінні водні спрямовані у протилежний бік - від кільця. Виявлено три різні шляхи їхнього взаємного перетворення. Два низькоенергетичних з енергією активації Гіббса 7,48
ккал/моль є дзеркально-симетричними: вони
здійснюються шляхом повороту аміногрупи КИ2 навколо зв’язку С4К4 за і проти годинникової стрілки через пару дзеркально-симетричних перехідних станів ТЗ^ і Т82о з неплощинним екзоциклічним С-фрагментом С4ШКИ2 (ЮС4Ш№±110,4°;
С4ШЖі=±50,0°; С4ШЖ2=±170,3°; ИШК=117,6°; тут і нижче знаки ± при двогранних кутах відповідають дзеркально-симетричним структурам -енантіомерам). Високоенергетичніше взаємне
перетворення конформерів 1 і 4, якому відповідає енергія активації Гіббса 7,75 ккал/моль, здійснюється інверсією аміногрупи КИ2 через плоскосиметричний перехідний стан ТБ18 із симетрією С8, у якому атоми аміногрупи і атом N4 лежать у одній площині, ортогональній до площини піримідинового кільця (ЮС4Ш№0,0°; С4ШЖ=±91,1°).Із решти
конформерів енергетично вигіднішим є конформер 2 (Д02=2,30ккал/моль). Він перетворюється у свого високоенергетичного відповідника 3
(Д03=4,40ккал/моль) трьома маршрутами:
низькоенергетичною інверсією аміногрупи через плоскосиметричний перехідний стан ТБ1 (симетрія С8), у якому атоми аміногрупи і атом N4 лежать у площині, ортогональній площині піримідинового кільця (С5C4N4N=0,0o; C4N4NH=±88,0o), з енергією активації Гіббса 4,07 ккал/моль і двома дзеркально-симетричними маршрутами через поворот аміногрупи NH2 за і проти годинникової стрілки через пару дзеркально-симетричних перехідних станів ТБ2, ТБ3 з неплощинним екзоциклічним С-фрагментом C4N4NH2 (C5C4N4N=±24,90; C4N4NHl=±49,30;
C4N4NH2=±159,40; HN4N=104,1), яким відповідає значно вища, ніж у першому випадку, енергія активації Гіббса 8,86 ккал/моль.
Дипольні моменти конформерів утворюють ряд: ц1(5,85) < ц2(6,63) < ц3(7,15) < ц4(7,65 Б). Це означає, що при переході із вакууму у полярне середовище, зокрема при інкорпорації у подвійну спіраль ДНК, у такому ж порядку будуть стабілізуватися конформери 4ашСуі
Наше дослідження не підтвердило механізм внутрішньомолекулярної таутомеризації,
запропонований у роботі [18] і зображений там на рис. 4. Енергетично найвигідніша
внутрішньомолекулярна таутомеризація, якій відповідає енергія активації Гіббса 36,43 ккал/моль, -це міграція амінопротона при атомі N4 конформера 2 через плоскосиметричні перехідні стани (ТБ4,5) на сусідній атом N3 з утворення пари дзеркально-симетричних мутагенних таутомерів, у яких група NH2 розміщена біля зв’язку С5Н (N1C6N6N=±179,1°; С^6МИ1=±°57,1; С6ШЖ2=±174,1°; HNH=107,4°).
Слід наголосити при цьому, що мутагенний таутомер має на 0,94 ккал/моль нижчу енергію Гіббса, ніж канонічний. Взаємне перетворення згаданих енантомерів відбувається через планарний перехідний стан ТБ6 з енергією активації Гіббса 5,01 ккал/моль.
Мутагенний таутомер 4ашСу1 (2,47ккал/моль) може інактивізуватися, перейшовши у конформер (ДО=0,00 ккал/моль), у якого аміногрупа розташована біля атома N3, заважаючи спарюватися з Ade. Відповідний конформаційний перехід має енергію активації Гіббса 35,67 ккал/моль і здійснюється поворотом амінної групи навколо подвійного зв’язку C4=N4 через дзеркально-симетричні перехідні стани ТБ7 і ТБ8 (N3C4N4N=±90,90; C4N4NHl=±116,00; C4N4NHl=±114,0°).
4шоСу1. У канонічній (аміно) таутомерній формі ця сполука має лише два конформери, які відрізняються просторовим розміщенням
оксиметильної групи (рис. 3). У низькоенергетичному конформері 1 (Д01=10,43 ккал/моль) вона розміщена біля групи С5Н, у високоенергетичному 2 (ДО2=12,69 ккал/моль) - біля атома азоту N3. Обидва конформери є суттєво неплощинними (С2ШС4№=±175,1°; N3C4N4H=±25,2°; N3C4N4O=±156,10;
C4N4OC=±127,0o та C2N3C4N4=±176,30;
N3 C4N4H=±15 6,1 °; N3C4N4O=±23,60;
C4N4OC=±94,2o для конформерів 1 та 2 відповідно) і
мають енантіомери. Вони попарно взаємно перетворюються двома дзеркально-симетричними шляхами через неплощинні дзеркально-симетричні перехідні стани ТБ1, ТБ2 і ТБ11, ТБ12. Для конформера 1 маємо енергію активації Гіббса 5,66 ккал/моль і таку коротку характеристику перехідного стану (N3C4N4O=±160,40; C4N4OC=±141,4°). Для
конформера 2 ці величини відповідно складають 7,59 ккал/моль і N3C4N4O=±13,50; C4N4OC=±143,8°. В свою чергу конформери 1 і 2 взаємно перетворюються двома топологічно і енергетично нееквівалентними шляхами, а саме - поворотами за і проти годинникової стрілки атомного фрагмента N4HOCH3 навколо екзоциклічного зв’язку C4N4 через неплощинні перехідні стани TS7,8(N3C4N4O=±49,9°;
N3C4N4H=±61,4°; C4N4OC=±119,30) і
TS9,lo(N3C4N4O=±115,8°; N3C4N4H=±134,10;
C4N4OC=±111,30), яким відповідають енергія активації Гіббса 12,05 і 12,31 ккал/моль. Дипольні моменти конформерів близькі за абсолютною величиною: ц1(6,38)> ц2(6,22 Б).
Внутрішньомолекулряна таутомеризація 4тоСу1 здійснюється міграцією амінопротона при атомі N4 конформера 1 двома дзеркально-симетричними шляхами через непланарні перехідні стани ТБ3,4 з енергією активації Гіббса 35,44 ккал/моль. При цьому мутагенний (іміно) таутомер має плоскосиметричну (симетрія С8) будову і на 7,18 ккал/моль меншу енергію Гіббса, ніж канонічний (амінний) таутомер.
Мутагенний таутомер 4тоСу1 може інактивізуватися, перейшовши у конформер (Д0=0,00 ккал/моль), у якого амінна група розташована біля атома N3, заважаючи спарюватися з Ade. Відповідний конформаційний перехід має енергію активації Гіббса 53,87 ккал/моль і здійснюється поворотом оксиметильної групи навколо подвійного зв’язку C4=N4 через два дзеркально-симетричні перехідні стани ТБ5,6 (ШС4ШО=±92,8°; С4Ш0С=±100,1°).
4ЬоСу1. У канонічній амінній таутомерній формі 4ЬоСу1 має два непланарних конформери, які відрізняються один від одного розташуванням гідроксильної групи відносно піримідинового кільця (рис. 4). Низькоенергетичний конформер 1 (ДО1=9,14 ккал/моль) охоплений доволі сильним (£^=8,63 ккал/моль) внутрішньомолекулярним Н-зв’язком OH.. .N3 за участі гідроксильної групи, яка дивиться в бік піримідинового кільця до атома азоту N3. Енантіомери цього конформера взаємно перетворюються через площинний перехідний стан ТБ13 з енергією активації Гіббса 0,64ккал/моль. Оскільки під бар’єром не поміщається навіть нульовий коливальний рівень, то конформер 1 є ефективно планарною структурою.
У високоенергетичному конформері 2 (Д02=10,32 ккал/моль) гідроксильна група спрямована від кільця і розташована біля зв’язку С5Н; структура демонструє суттєву неплощинність за рахунок непланарності екзоциклічного фрагмента N4HOH
(N3C4N4O=±155,1°, C4N4OH=±123,5°). Взаємне
перетворення енантіомерів відбувається двома топологічно і енергетично нееквівалентними маршрутами, які відрізняються напрямком (за чи проти годинникової стрілки) повороту гідроксильної групи навколо одинарного зв’язку N4^: поворотові ОН групи у напрямку “від” C5H відповідає менша енергія активації Гіббса (6,20 ккал/моль), ніж коли поворот відбувається навпаки - “до” групи С5Н (7,65 ккал/моль). У обох випаках дзеркально-симетричні перехідні стани неплощинні: N3C4N4H=±25,1°;
N3C4N4O=±159,5°; C4N4OH=±142,9° та
N3C4N4H=±19,70; N3C4N4O=±150,3°;
C4N4OH=±22,3o для низько- (ТБ12) та
високоенергетичних (ТБ3,4) станів відповідно).
Конформаційні переходи відповідних енантіомерів конформерів 1 і 2 (лівий у лівий, правий у правий) відбуваються дзеркально-симетричними
анізотропними повертаннями екзоциклічногоо фрагмента N4HOH навколо зв’язку С4№ через неплощинні перехідні стани ТБ910 і ТБ1112 з енергією активації Гіббса 11,80 і 12,19 ккал/моль
(N3C4N4H=±135,5°; N3C4N4O=±114,0°;
C4N4OH=±112,7o і N3 C4N4H=±61,3 °;
N3C4N4O=±50,1°; C4N4OH=±121,3o відповідно).
У процесі внутрішньомолекулярної таутомеризації енантіомерів конформера 2 4ЬоСуі через два
дзеркально-симетричних перехідних стани ТБ56 з енергією активації Гіббса 35,97 ккал/моль
утворюється мутагенний імінний таутомер з площинною будовою, який вигідніший, аніж
стартовий на 7,16 ккал/моль.
Мутагенний таутомер 4ЬоСу! може інактивізуватися, перейшовши у конформер (Д0=0,00 ккал/моль), у якого гідроксильна група розташована біля атома N3, заважаючи спарюватися з Ade. Відповідний конформаційний перехід має енергію активації Гіббса 55,05 ккал/моль і здійснюється поворотом гідроксильної групи навколо подвійного зв’язку C4=N4 через два дзеркально-симетричні перехідні стани ТБ7 і ТБ8 (N3C4N4О=±92,50;
C4N4ОН=±107,1°).
4шеСу1. Молекула має два - низькоенергетичний 1 (Д01=0 ккал/моль) і високоенергетичний 2 (ДО2=1,74 ккал/моль) - плоскосиметричні конформери (рис. 5). У конформері 1 метильна група знаходиться біля атома азоту N3: один її СН зв’язок лежить у одній і тій же площині, яка збігається із площиною симетрії молекули, що і амінозв’язок N4^ Два її інших зв’язки СН симетрично виходять із площини симетрії. Енергія активація Гіббса повертання метильної групи на 60° навколо зв’язку N4C невелика і складає 1,69 ккал/моль. У конформері 2 метильна група розміщена біля зв’язку С5^ знову ж таки один її зв’язок СН є компланарним зв’язку №Н, а два інших, які срямовані до зв’язку С5Н, виходять симетрично по обидва боки із площини симетрії молекули. Енергія активації Гіббса обертання метильної групи (на 60°) у цьому випадку становить 1,72 ккал/моль. Конформери 1 і 2 перетворюються двома анізотропними
обертаннями екзоциклічного фрагмента №НСН3 навколо зв’язку С4№. Менша енергія активації Гіббса (і4,83 ккал/моль) відповідає дзеркально-симетричним неплощинним перехідним станам ТБ5 і ТБ6 (N3 С4ШН=±63,9°; ШС4ШС=±56,1°), коли ВЕП амінного атому азоту N4 направлена до групи С5Н; більша енергія активації Гіббса (і8,82 ккал/моль) відповідає неплощинним перехідним станам ТБ7>8 (ЮС4ШН=±113,8°; ШС4ШС=±119,8°), коли ВЕП амінного атому азоту N4 направлена до групи N3.
Мутагенний імінний таутомер конформера 2, який має вищу на і,34 ккал/моль відносну енергію Гіббса, утворюється внутрішньомолекулярним перенесенням протону від атома N4 на атом N3 з енергією активації Гіббса 35,45 ккал/моль (ТБ2). Треба зазначити, що стала таутомеризації 4шеСуі (0,11) перевищує аналогічну величину для канонічної основи Суі (2,52). Це означає, що заселеність рідкісних таутомерів 4шеСуі вища, аніж для Су!
Мутагенний таутомер 4шеСуі може
інактивізуватися, перейшовши у конформер (Д 0=3,51 ккал/моль), у якого метильна група розташована біля зв’язку №Н, заважаючи спарюватися з Ade. Відповідний конформаційний перехід має енергію активації Гіббса 23,99 ккал/моль і здійснюється поворотом метильної групи навколо подвійного зв’язку C4=N4 через дзеркально-симетричні перехідні стани ТБ3 4 (ЮС4ШН=±81,5°).
БСуІ. Ця молекула-мутаген демонструє “найскромніші” конформаційні можливості (рис. 6). У канонічному таутомерному стані вона має суттєво непланарну будову: ШС4№Н=±25,7°;
ШС4Ш=±156,6°; С4ШОС=±59,6°; ШСС=±68,5°; ОССС5=±47,1°. Пара її енантіомерів дзеркально-симетрично перетворюється (лівий у лівий, а правий у правий) через дзеркально-симетричні неплощинні перехідні стани ТБ1 і ТБ2 (№С4№Н=±17,1°;
ШС4ШО=±139,3°; С4ШОС=±45,4°; NOCC=±1,7°; ОССС5=±43,7°) з енергією активації Гіббса 5,95 ккал/моль. Внутрішньомолекулярна таутомеризація, яка відбувається двома дзеркально-симетричними шляхами з енергією активації Гіббса 39,74 ккал/моль, аміноформи БСуі у мутагенну таутомерну форму БСуі* спричиняє помітне (на 5,97 ккал/моль) зниження енергії Гіббса. Мутагенний таутомер теж є неплощинною структурою - його енантіомери перетворюються через неплощинний перехідний стан ТБ5,6 (ШС4ШО=±139,3°; C4N4OC=±45,4°;
NOCc=±1,7°; ОССС5=±43,7°) з енергією активації Гіббса 9,63 ккал/моль, що менше, порівняно з канонічним таутомерним станом.
ВИСНОВКИ
Вперше з використанням методів неемпіричної квантової хімії на рівні теорії МР2/6-311++0даГ^)//Б3ЬУР/6-311++0^,р) проведено вичерпний конформаційний аналіз низки класичних мутагенів - похідних Су! Показано, що у всіх
досліджених сполуках, окрім DCyt, модифікація цитозину заважає спарюванню як у мутагенній, так і в канонічній таутомерій формі з основою - партнером по взаємодії. Цей ефект може пригнічувати їх мутагенний потенціал. Встановлено також, що на досліджені молекули формально поширюється таутомерна гіпотеза Вотсона-Крика, оскільки час життя їхніх мутагенних таутомерів (табл.1) набагато перевищує характерний час, який витрачає машинерія біосинтезу ДНК на інкорпорацію однієї пари нуклеотидів. Можна очікувати, що саме в рамках цієї гіпотези вдасться адекватно пояснити механізми мутагенної дії 4amCyt, 4moCyt, 4hoCyt і DCyt - саме ці мутагени мають вигіднішу імінну таутомерну форму, ніж амінну.
Література
1. Броварець О.О., Говорун Д.М. Внутрішньомолекулярна
таутомеризація та конформаційна мінливість деяких класичних мутагенів-похідних пуринових
нуклеотидних основ: квантово-хімічне дослідження // Фізика живого. - 2010. - №1. - С. 5-17.
2. Janion C. The efficiency and extent of mutagenic activity of some new mutagens of base-analogue type // Mutat. Res.
- 1978. - Vol. 56. - P.225-234.
3. Janion C. Some problems of mutagenesis induced by base analogues // Acta Biochim. Pol. -1984. - Vol.31. - P.183-192.
4. Negishi K., Harada C., Ohara Y., Oohara K., Nitta N., Hayatsu H. N4-Aminocytidine, a nucleoside analog that has an exceptionally high mutagenic activity // Nucleic Acids Res. - 1983. - . Vol. 11, N.15. - P.5223-5233.
5. Nomura A., Negishi K., Hayatsu H., Kuroda Y. Mutagenicity of N4-aminocytidine and its derivatives in Chinese hamster lung V79 cells. Incorporation of N4-aminocytosine into cellular DNA // Mutat. Res. -1987. -Vol.177. - P.283-287.
6. Negishi K., Bessho T., Hayatsu H. Nucleoside and nucleobase analog mutagens // Mutat. Res. -1994. -Vol.318. - P.227-238.
7. Suzuki T., Moriyama K., Otsuka C., Loakes D., Negishi K. Template properties of mutagenic cytosine analogues in reverse transcription // Nuclec Acids Res. - 2006. - Vol.34, N 22. - P.6438-6449.
8. Reeves S.T., Beattie K.L. Base-pairing properties of N4-methoxydeoxycytidine 5'-triphosphate during DNA synthesis on natural templates, catalyzed by DNA polymerase I of Escherichia coli // Biochem. -1985. -Vol.24. - P.2262-2268.
9. Takahashi M., Nishizawa M., Negishi K., Hanaoka F., Yamada M., Hayatsu H. Induction of mutation in mouse FM3A cells by N4-aminocytidine-mediated replicational errors // Mol. Cell. Biol. - 1988. - Vol.8. - P.347-352.
10. Hossain M.T., Chatake T., Hikima T., Tsunoda M., Sunami T., Ueno Y., Matsuda A., Takenaka A. Crystallographic studies on damaged DNAs:III. N4-methoxycytosine can form both Watson-Crick type and wobbled base pars in a B-form duplex // J. Biochem. - 2001. - Vol.130. - P.9-12.
11. Moriyama K., Otsuka C., Loakes D., Negishi K. Highly efficient random mutagenesis in transcription-reverse-
transcription cycles by a hydrogen bond ambivalent nucleoside 5'-triphosphate analogue: potential candidates for a selective anti-retroviral therapy // Nucleos. Nucleot. Nucleic Acids. - 2001. - Vol.20. - P.1473-1483.
12. Meervelt L.V., Lin P.K.T., Brown D.M. 6-(3,5-Di-O-acethyl-b-D-2-deoxyribofuranosyl)-3,4-dihydro-8Hpyrimido[4,5-c][1,2]-oxazin-7(6H)-one // Acta. Crystallogr. sect. C. - 1995. - Vol.51. - P.1347-1350.
13. Popowska E., Janion C. The metabolism of N4-hydroxycytidine—a mutagen for Salmonella typhimurium // Nucleic Acids Res. 1975. - Vol.2. - P.1143-1151.
14. Negishi K., Takahashi M., Yamashita Y., Nishizawa M., Hayatsu H. Mutagenesis by N4-aminocytidine: induction of AT to GC transition and its molecular mechanism // Biochem. - 1985. - Vol.24. - P.7273-7278.
15. Janion C., Glickman B. W. 4-hydroxycytidine: a mutagen specific for AT to GC transitions // Mutat. Res. - 1980. -Vol.72. - P.43-47.
16. Singer B., Spengler S. Ambiguity and transcriptional errors as a result of modification of exocyclic amino groups of cytidine, guanosine, and adenosine // Biochem. - 1981. -Vol.20. - P.1127-1132.
17. Takahashi M., Negishi K., Hayatsu H. Proofreading of a mutagenic nucleotide, N4-Aminodeoxycytidylic acid, by Escherichia coli DNA polymerase I // Biochem. Biophys. Res Comm. - 1987. - Vol. 143, N1. - P. 104-109.
18. Aida M., Negishi K., Hayatsu H., Maeda M. Ab initio molecular orbital study of the mispairing ability of a nucleotide base analogue, N4-aminocytosine // Biochem. Biophys. Res. Commun. - 1988. - Vol.153. - P.552-557.
19. Les A., Adamowicz L., RodeW. Structure and conformation of N4-hydroxycytosine and N4-hydroxy-5-fluorocytosine. A theoretical ab initio study // Biochim. Biophys. Acta. - 1993. -Vol.1173. - P.39-48.
20. Brown D., Hewlins M., Schell P. The tautomeric state of N(4)-hydroxy- and N(4)-amino-cytosine derivatives // J. Chem. Soc. -1968. - Vol. 15. - P.1925-1929.
21. Fazakerley G.V., Gdaniec Z., Sowers L.C. Base-pair induced shifts in the tautomeric equilibrium of a modified DNA base // J. Mol. Biol. - 1993. - Vol.230. - P.6-10.
22. Singer B., Frank-Conrat H., Abbott L.G., Spengler S.J. N4-Methoxydeoxycytidine triphosphate is in the imino tautomeric form and substitutes for deoxythymidine triphosphate in primed poly d[A-T] synthesis with E.coli DNA polymerase I // Nucleic Acids Res. - 1984. - Vol.12. - P.4609-4619.
23. Matta C. F. How dependent are molecular and atomic properties on the electronic structure method? Comparison of Hartree-Fock, DFT, and MP2 on a biologically relevant set of molecules // J. Comput. Chem. -2010. - Vol.31, N 6. - P. 12971311.
24. Dewar M.J.S., Storch D.M. Alternative view of enzyme reactions //Proc.Natl.Acad.Sci.USA.-1985.-V.82.-P.2225-2229.
25. Petrushka J., Sowers L.C., Goodman M.F. Comparison of nucleotide interactions in water, proteins, and vacuum: model for DNA polymerase fidelity //Proc.Natl.Acad.Sci.USA.-1986.-Vol.83.-P.1559-1562.
26. Peng C., Schlegel H.B. Combining synchronous transit and quasi-newton methods to find transition states // Israel J. Chem.
- 1993. - Vol.33, N 4. - P. 449-454.
27. Peng C., Ayala P.Y., Schlegel H.B., Frisch M.J. Using redundant internal coordinates to optimize equilibrium
geometries and transition states // J. Comput. Chem. - 1996. -Vol.17, N 1. - P. 49-56.
28. Boys S. F., Bernardi F. The calculation of small molecular interactions by the differences of separate total energies. Some procedures with reduced errors//Mol. Phys.-1970.-Vol.19,№4.-P.553-566.
29. 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.
30. Bader R.W.F. Atoms in molecules. A quantum theory. -Oxford: Calendon Press, 1990.-436p.
31. Водородная связь. Ред. Соколов Н. Д., Чулановский В. М.
- М.: Наука, 1964. - 340с.
32. Biegler-Konig F., Schonbohm J., Bayles D. Software news and updates. AIM2000 - a program to analyze and visualize atoms in molecules // J. Comput. Chem. - 2001. - Vol.22, N5. - P. 545-559.
33. 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.
34. Morpurgo S., Bossa M., Morpurgo G.O. Ab initio study of intramolecular proton transfer reactions in cytosine // Chem. Phys. Lett. - 1997. - Vol.280, N 3-4. - P.233-238.
35. Marshall A.G. Biophysical chemistry, principles, techniques and applications.- Moscow: Mir, 1981. - 358p.
ВНУТРИМОЛЕКУЛЯРНАЯ ТАУТОМЕРИЗАЦИЯ И КОНФОРМАЦИОННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ НЕКОТОРЫХ КЛАССИЧЕСКИХ МУТАГЕНОВ-ПРОИЗВОДНЫХ ЦИТОЗИНА: КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
Броварец О. О., Говорун Д.Н.
Впервые с использованием методов неэмпирической квантовой химии на уровне теории MP2/6-311++G(2df,pd)//B3LYP/6-311++G(d,p) проведен исчерпывающий конформационный анализ ряда классических мутагенов - производных цитозина. Показано, что у всех исследованных соединениях, кроме DCyt, модификация цитозина препятствует спариванию как в мутагенной, так и в канонической таутомерной форме с основанием - партнером по взаимодействию. Этот эффект может ингибировать их мутагенный потенциал. Установлено также, что на исследованные молекулы формально распространяется таутомерная гипотеза Вотсона-Крика, поскольку время жизни их мутагенных таутомеров намного превышает характерное время, которое использует машинерия биосинтеза ДНК на инкорпорацию одной пары нуклеотидов. Можно ожидать, что именно в рамках этой гипотезы удастся адекватно объяснить механизмы мутагенного действия №-аминоцитозин, N4-метоксицитозин, №-гидроксицитозин, №-дегидроцитозин, №-метилцитозин - именно эти мутагены имеют энергетически выгодную иминную форму, нежели аминную.
Ключевые слова: индуцированные точечные мутации ДНК, №-аминоцитозин, №-метоксицитозин, №-гидроксицитозин, №-дегидроцитозин, №-метилцитозин, внутримолекулярная таутомеризация, энергия татоумеризации, переходное состояние, энергия активации Гиббса, время жизни, конформационные свойства, структурная нежёсткость, анализ топологии электронной плотности, ab initio
INTRAMOLECULAR TAUTOMERISATION AND THE CONFORMATIONAL VARIABILITY OF SOME CLASSICAL MUTAGENS- CYTOSINE DERIVATIVES: QUANTUM CHEMICAL STUDY
Brovarets O.O., Hovorun D.M.
Comprehensive conformational analysis of some classical mutagens - cytosine derivatives has been carried using methods of non-empirical quantum chemistry at the the MP2/6-311++G(2df,pd)//B3LYP/6-311++G(d,p) level of theory For the first time. It has been shown that at all investigated compounds, except DCyt, cytosine modification both in mutagen, and in canonical tautomeric forms prevents pairing with a base which is the partner in interaction. This effect can inhibit their mutagenic potential. It is also established that Watson-Crick tautomeric hypothesis can be formally expanded on the investigated molecules so far as lifetime of the mutagenic tautomers much more exceeds characteristic time which is used by a machinery of DNA biosynthesis for incorporation of one pair nucleotides. It is possible to expect, that this hypothesis can adequately explain mechanisms of mutagen action of N4-aminocytosine, N4-methoxycytosine, N4-hydroxycytosine, N4-dexydrocytosine, N4-methylcytosine - just these mutagens have much more advantageous imino form, rather than amino.
Key words: induced point mutations of DNA, N4-aminocytosine, N4-methoxycytosine, N4-hydroxycytosine, N4-dexydrocytosine, N4-methylcytosine, intramolecular tautomerisation, energy of tautomerisation, transition state, Gibbs energy of activation, the lifetime, conformational properties, structural non-rigidity, analysis of the electron density topology, ab initio
