CC BY
32БІОФІЗИКА
МОЛЕКУЛЯРНА БІОФІЗИКА
Фізика живого, Т. 1?, Nol, 2009. С.44-53.
© Юренко Є.П., Жураківський Р.О., Говорун Д.М.
BIOPHYSICS
MOLECULAR BIOPHYSICS
УДК 5??.3
ВНУТРІШНЬОМОЛЕКУЛЯРНІ ВОДНЕВІ ЗВ'ЯЗКИ СН...О У БІОЛОГІЧНО ВАЖЛИВИХ КОНФОРМЕРАХ КАНОНІЧНИХ 2'-ДЕЗОКСИРИБОНУКЛЕОЗИДІВ: РЕЗУЛЬТАТИ КВАНТОВО-МЕХАНІЧНОГО ТОПОЛОГІЧНОГО АНАЛІЗУ ЕЛЕКТРОННОЇ ГУСТИНИ
Юренко Є.П., Жураківський Р.О., Говорун Д.М.
Інститут молекулярної біології та генетики НАН України вул. Академіка Заболотного, 150, Київ, 03143, Україна E-mail: yevgen.yurenko@gmail.com
Надійшла до редакції 17.06.2009
Квантово-хімічними методами на рівнях теорії МР2/6-3 Ш^,р) та ББТ В3ЬУР/6-3 Ш^,р), використовуючи топологічний аналіз електронної густини за Бейдером, вперше виявлено і охарактеризовано внутрішньомолекулярні Н-зв'язки у конформерах канонічних 2'-дезоксирибонуклеозидів: С2'Н2...05' (у всіх ВІ-конформерах), СГИ...02 (у ВІ-конформерах Т і dC), С6Н/С8Н...05' (у всіх конформерах) та С6Н...04' (у АІ-конформерах Т і dC). За формулою Еспінози-Молінса-Леконта оцінено їхню енергію. Встановлено, що вона помітно перевищує кТ за нормальних умов і лежить у діапазоні 2,27-5,57 ккал/моль (МР2/6-3Ш^,р)). Показано, що сумарна енергія внутрішньомолекулярних Н-зв'язків СН...0 у Вотсон-Криківських парах 2'-дезоксирибонуклеозидів співмірна з енергією Вотсон-Криківського спарювання. Це свідчить про те, що досліджувані зв'язки відіграють важливу роль у підтриманні просторової структури ДНК.
Ключові слова: дезоксирибонуклеозиди, ББТ, внутрішньомолекулярні водневі зв‘язки, топологічний аналіз електронної густини, енергія водневих зв‘язків.
ВСТУП
З моменту встановлення Вотсоном та Криком просторової будови ДНК [1,2] водневі (Н) зв'язки, що стабілізують її структуру, стали предметом численних досліджень. Нині існує кілька поглядів на їхню роль у функціонуванні ДНК. Так, тривалий час внесок Н-зв'язків у специфічність та стабільність білково-нуклеїнових комплексів і високу точність реплікації ДНК визнавався ключовим [3-6], проте наприкінці 90х років минулого століття цю думку було вперше піддано сумніву [7,8], що спричинило доволі гостру полеміку [9,10]. Врешті-решт до цього часу так і не з'ясовано остаточно, чи є внесок Н-зв'язків вирішальним у стабілізацію просторової архітектури ДНК: всупереч загальноприйнятим уявленням [2], нещодавно висловлено альтернативні уявлення про те, що основним чинником стабілізації є стекінгові взаємодії сусідніх Вотсон-Криківських пар основ [11].
Коли говорять про Н-зв'язки в ДНК, то зазвичай мають на увазі канонічні зв'язки у парах
комплементарних основ АТ і ОС. Піонерська модель Вотсона-Крика передбачала, що ланцюги подвійної правозакрученої спіралі ДНК з'єднані між собою двома Н -зв'язками між комплементарними основами у кожній парі АТ чи ОС [2]. Згодом Полінг та Корі [12] на основі аналізу електронної структури пари ОС та геометричних міркувань постулювали наявність третього Н-зв'язку К2Н...02, дещо слабшого, ніж інші два, проте не менш важливого для структури ДНК. Про це свідчить, зокрема, той факт, що ДНК, збагачена ОС-парами, є термодинамічно стабільнішою ніж ДНК, збагачена парами АТ [13]. На початку 90-х років минулого сторіччя ця історія повторилася для Вотсон-Криківської пари основ АТ: в літературі розгорнулась дискусія про наявність у ній третього Н-зв'язку С2Н...02. Необхідно зазначити, що ця ідея визріла раніше, коли ще 1966 року Крик наголошував [14], що відсутність такої взаємодії у малій борозенці ДНК може викликати її структурно-динамічну нестабільність. Леонард та ін. [15],
спираючись на рентгеноструктурні дані
полінуклеотидів, навели аргументи на користь Н-зв'язку C2H...O2 і на основі геометричних характеристик оцінили його енергію близько 1 ккал/моль. Старіков та Штайнер [16], використовуючи елегантну модель та неемпіричні квантово-хімічні методи на рівні теорії MP2/6-31G(d,p), встановили, що взаємодія C2H...O2 в парі AU має переважно електростатичний характер і її внесок у загальну енергію водневих зв'язків, котрі стабілізують пару, складає близько 6%. Проте навіть така невелика енергія зв'язку може викликати, на наш погляд, ефект "останньої краплі", тобто він може бути вирішальним при взаємодії ДНК з ферментами, зокрема полімеразами [6]. Згодом з'явилися інші квантово-хімічні докази існування водневого зв'язку C2H...O2, зокрема наявність критичної точки й градієнтного шляху на топологічній карті розподілу електронної густини у парі AT [17] та незначний (9 cm-1 на рівні теорії HF/6-31G(d,p)) зсув частоти валентного коливання v(C2R)A в червону область при утворенні пари AU [18]. Попри це, питання про третій Н-зв'язок у Вотсон-Криківських парах AT та AU досі залишається відкритим, оскільки до цього часу так і не отримано вичерпних доказів його існування за загальноприйнятими квантово-механічними критеріями Коха і Попельє [19].
Окрім H-зв'язків у Вотсон-Криківських парах основ ДНК, остання, швидше за все, обплетена мереживом так званих "неканонічних" Н-зв'язків CH.O, які виникають між основами та цукрово-фосфатним кістяком. Ці зв'язки вивчали як експериментально [22-24], так і теоретично [25-28], однак отримані при цьому результати є неповними, оскільки, зокрема, не містять такої важливої інформації як їхньої енергії та достовірних квантово-механічних доказів існування.
ДНК, як відомо, є поліморфною молекулою. Нині експериментально досліджені її основні конформаційні класи AI, BI, BII, ZI i ZII [29-31]. Нещодавно було відкрито AII форму [32], яка в англомовній літературі отримала назву 'crankshaft DNA', себто колінчастовальна ДНК [32,33]. Вочевидь таке конформаційне різномаїття не можна пояснити, враховуючи лише Н-зв'язки у парах основ.
У цій роботі, використовуючи найпростіші структурні моделі ДНК-нуклеозиди, вперше зроблено спробу методом аналізу топології електронної густини [34] ідентифікувати неканонічні внутрішньомолекулярні Н-зв'язки CH. O, що охоплюють АІ і ВІ форми ДНК, та оцінити їхню енергію.
МАТЕРІАЛИ І МЕТОДИ
Нумерацію атомів та позначення номенклатурних торсійних кутів у нуклеозидах [29] представлено на Рис. 1. Геометрію нуклеозидів отримано на двох
рівнях теорії - DFT (гібридний обмінно-кореляційний функціонал електронної густини в узагальненому градієнтному наближенні B3LYP) та MP2 (теорія Мелера-Плесета другого порядку) - з використанням стандартного набору Гаусівських функцій 6-31G(d,p). ДНК-подібними вважали конформери нуклеозидів, для яких значення конформаційних параметрів лежать у таких секторах: для AI- форми ДНК: хє anti, Pє C3'endo, вє t, ує g+, єє t, а для BI- форми - х є anti, PG C2'endo, Рє t, ує g+, єє t. Початку геометричну структуру конформерів розраховували методом повної оптимізації (без жодних обмежень накладених на структурні параметри), а потім з фіксованим кутом X, який збігається з середніми експериментальними значеннями для так званих ідеальних AI- (х=201,1°) та BI- (х=258,1°) форм ДНК [35]. Значення вільних енергій Гіббса конформерів отримано на рівні теорії MP2/6-311++G(d,p) // B3LYP/6-31G(d,p) (електронна енергія системи - на рівні теорії MP2, а нульова коливальна енергія, термічні поправки й ентропійні внески - на рівні DFT). Усі квантово-хімічні розрахунки виконано з використанням програмного пакету “GAUSSIAN03” для платформи Win32.
Хвильові функції обчислювали на тому ж рівні теорії, що й оптимізували геометрію. Аналіз топології електронної густини проводили за допомогою програмного пакету AIM 2000. Внутрішньо-молекулярні Н-зв'язки ідентифікували за допомогою критеріїв Коха та Попельє [19]. Наявність критичної точки типу (3,-1) - bond cricital point (BCР) і градієнтного шляху електронної густини, а також позитивне значення Лапласіану електронної густини вважали необхідною умовою існування Н-зв’язку. Також ми перевіряли усі Н-зв’язки на відповідність класичним геометричним критеріям. Енергію Н-зв'язків оцінювали за методом Еспінози-Молінса-Леконта [36], який базується на розподілі електронної густини у критичній точці H-зв'язку: EHB=0,5 V(r), де EHB - енергія H-зв'язку, a V(r) - значення локальної потенціальної енергії у критичній точці. Раніше було показано, що оцінка за цією формулою Н-зв'язків є адекватною [37].
РЕЗУЛЬТАТИ ТА ЇХ ОБГОВОРЕННЯ
Геометричні характеристики ДНК-подібних конформерів нуклеозидів, отриманих на рівнях теорії B3LYP/6-31G(d,p) та MP2/6-31G(d,p), наведено в Таблиці 1. Їхнє порівняння свідчить про те, що конформаційні параметри в обох випадках є доволі близькими, це засвідчує прийнятність використаного методу DFT, який вимагає значно менше обчислювальних ресурсів, аніж метод MP2. Раніше нами було встановлено [38,39], що реконструйовані на рівні теорії B3LYP/6-31G(d,p) коливальні ІЧ спектри тимідину (T) і 2'-дезоксиуридину добре
узгоджуються з експериментальними ІЧ спектрами цих нуклеозидів у низькотемпературній аргоновій матриці.
Розрахунок відносних енергій Гіббса (за точку відліку брали енергетично найвигідніші конформери у повному конформаційному сімействі кожного з нуклеозидів [38, 40-42]) дозволив встановити, що у всіх випадках, за винятком 2'-дезоксиаденозину (dA), ВІ-подібний конформер є енергетично вигіднішим, ніж конформер АІ. Слід зазначити, що Оке та ін. опублікували ряд статей [26, 43-44], присвячених з'ясуванню "незвичної" конформаційної поведінки 2'-дезоксицитидину ^С), яка полягає у тому, що, на відміну від інших канонічних 2'-дезокси-рибонуклеозидів, електронна енергія ВІ конформера dC виявилася дещо вищою за таку для конформера АІ. Цей факт автори [26] пояснили тим, що водневий зв'язок С6Н...05' є найслабшим саме в ВІ конфомері dC. Лише прямі розрахунки енергії Н-зв'язків (про які йтиметься нижче) можуть підтвердити чи спростувати це припущення. Отримані нами дані (табл. 1) свідчать, що таку "аномальну" поведінку виявляє dA, а не dC. Це пов'язано з тим, що ми оперуємо не електронною енергією [43], а вільною енергією Гіббса ДО, яка враховує як нульову коливальну енергію, так і ентропійні ефекти, і, отже, відображає реальний енергетичний розподіл конформерів за нормальних умов (Т=298,15 К). Що ж стосується конформерів з фіксованими значеннями кутів х, то тут ситуація інша: ідеальні АІ структури є стабільнішими, ніж ВІ; виняток складає лише dО.
Знайдені різниці енергії Гіббса ДДО між
ідеальними структурами та відповідними ДНК-подібними конформерами дозволяють зробити такі висновки:
1) Серед усіх нуклеозидів dC має, очевидно,
найбільшу енергію переходу в ідеальну структуру ВІ, про що свідчить істотна енергетична різниця (2,25 ккал/моль) між ВІ конформером та відповідною ідеальною структурою. Це пояснюється тим, що значення кута х у двох конформаціях різниться майже на 50°. Отриманий результат узгоджується з
попередніми теоретичними роботами [45-46], в яких стверджується, що dC у складі ДНК має чітко виражену тенденцію до утворення А форми.
Можливо, саме через відсутність цитозинів ділянки ДНК polydA•polydT не переходять в А форму [47].
2). АІ конформер Т і його ідеальний аналог АІ-ДНК практично ідентичні за енергією. Для 2 -дезоксигуанозину ^О) енергія ідеальної ВІ структури навіть нижча на 0,02 ккал/моль за енергію ВІ конформера. Це дозволяє припустити, що при синтезі ДНК за участі високоточних ДНК-полімераз (як відомо, в реплікативній вилці ДНК перебуває у дегідратованій А-формі [48]), останнім майже немає потреби витрачати енергію на поворот тиміну та
гуаніну навколо глікозидного зв'язку при інкорпорації фосфорильованих AI конформерів Т та dG в ДНК.
Топологічний аналіз електронної густини за Бейдером [34] на основі критеріїв Коха і Попельє [19] показав, що досліджувані конформери стабілізуються внутрішньомолекулярними Н-зв'язками різних типів (Рис. 2, Таблиці 1, 2). H-зв'язок C2H2...O5' є внутрішньоцукровим (він спостерігається також в модельному цукровому залишку 1,2-дидезоксирибозі [49]), всі ж інші утворюються між основою та цукровим залишком. Н-зв'язки C8H.O5' та C6H.O5' формуються у всіх конформерах пуринових та піримідинових нуклеозидів відповідно. !нші ж Н-зв'язки є більш чутливими до конформації та природи основи: так, типи C2H2...O5' та
C1H.O2 стабілізують виключно BI конформери, причому останній тип - лише конформери піримідинів.
Встановлено, що всі без винятку Н-зв'язки задовольняють класичним геометричним критеріям водневого зв'язування: відстань HB між воднем та киснем-акцептором менша за cyмy їхніх ван-дер-ваальсівських радіусів (за Бонді ця величина складає 2.72 А), кут AH...B завжди тупий (мінімальне його значення спостерігається у випадку Н-зв'язку C6H...O4' в ідеальній структурі AI dC). Огосовно електронних характеристик, то значення електронної густини p та Лапласіану електронної густини Ap (Таблиці 2, 3) лежать у межах, встановлених Кохом і Попельє [19]. Всі типи Н-зв'язків, які спостерігаються в ДНК-подібних конформерах нуклеозидів, раніше [26, 28] тестувалися п'ятьма іншими критеріями Попельє, що оперують зміною атомних властивостей O і H та потребують референтної конформації без відповідного H-зв'язку (two molecules criteria):
1) збільшення позитивного атомного заряду атома водню q;
2) зменшення атомного поляризаційного моменту водню M;
3) зменшення атомного об'єму водню v;
4) зростання енергії атома водню Е;
5) взаємна проникність атомів водню та акцептора, яка дорівнює сумі змін атомних радіусів ArH+ArB.
Як наслідок, всі вони задовольняють вищезгаданим критеріям [28]. Нещодавно в роботі, присвяченій дослідженню внутрішньомолекулярних H-зв'язків у канонічних нуклеотидах [21], були запропоновано що, окрім критеріїв Попельє, справжні водневі зв'язки (на відміну від електростатичних взаємодій) мають задовольняти додаткові вимоги, а саме є<0,1 і Lrcp>1,4 А, де є-еліптичність у критичній точці (3,-1), а Lrcp - відстань від критичної точки (3,-1) до найближчої кільцевої критичної точки (3,+1)
dA
01(3 сіС
Рис. 1. Нумерація атомів та позначення двогранних кутів у канонічних 2'-дезоксирибонуклеозидах
Рис. 2. Внутрішньомолекулярні Н-зв'язки CH.O у BI- та AI- конформерах канонічних 2'-дезоксирибонуклеозидів
>
К
і
dA*T/AI
dA-T/BI
•-> *
dG•dC/AI dG•dC/BI
Рис. 3. Водневі зв'язки у Вотсон-Криківських парах нуклеозидів, що відповідають АІ та ВІ формам ДНК.
Таблицяі. Cтрyктyрні та енергетичні характеристики ДНК-подібних конформерів канонічних 2'-дезоксирибонуклеозидів та конформерів, що відповідають ідеальним AI та BI формам ДНК, отриманих на рівні теорії DFT B3LYP/6-31G(d,p) та MP2/6-31G(d,p)
Нуклеозид Конформація P Vmax х Y в 5 є AG AAG
DFT MP2 DFT MP2 DFT MP2 DFT MP2 DFT MP2 DFT MP2 DFT MP2
dA AI 9,6 6,5 34,0 38,8 -153,3 -168,6 51,3 52,9 172,2 178,7 85,1 82,1 -167,3 -168,7 4,02 0,20
AI-ДНК 8,9 9,4 34,5 38,4 -158,9 -158,9 52,0 51,3 174,5 174,6 84,6 81,8 -167,2 -168,0 4,21
BI 172,1 169,1 33,4 35,9 -125,5 -128,6 50,6 50,4 174,6 175,3 145,0 148,0 173,9 173,0 4,25 0,52
BI-ДНК 177,8 174,4 32,9 35,4 -101,9 -101,9 48,8 48,2 171,9 173,1 146,3 149,5 174,4 173,6 4,77
T AI 13,7 12,3 34,2 38,5 -158,8 -162,1 52,9 52,3 175,6 176,0 84,0 80,8 -168,8 -170,5 1,34 0,00
AI-ДНК 13,9 13,0 34,2 38,3 -158,9 -158,9 52,8 51,9 175,2 175,0 83,9 80,8 -169,2 -170,0 1,34
BI 164,6 163,3 34,4 37,0 -129,5 -128,8 51,3 50,1 176,2 175,9 142,7 146,0 174,1 172,9 0,65 0,82
BI-ДНК 171,1 168,1 33,9 36,4 -101,9 -101,9 48,5 47,8 173,6 174,0 144,8 147,7 175,2 173,8 1,47
dG AI 11,0 9,6 33,5 38,5 -149,2 -161,7 49,9 50,8 167,2 173,1 85,5 81,7 -164,5 -165,5 4,66 0,07
AI-ДНК 9,9 10,2 34,3 38,4 -158,9 -158,9 51,3 50,3 171,7 171,2 84,9 81,8 -164,4 -165,1 4,73
BI 172,5 169,6 33,4 35,9 -123,0 -126,1 49,6 49,3 171,8 172,8 145,2 148,2 175,5 174,2 4,49 -0,02
BI-ДНК 179,2 175,4 33,0 35,3 -101,9 -101,9 47,6 47,4 168,5 170,0 146,8 149,8 175,8 174,5 4,47
dC AI 12,3 11,6 34,4 38,6 -163,0 -165,3 54,1 53,3 178,0 178,2 83,7 80,7 -172,6 -173,4 1,62 0,14
AI-ДНК 13,1 12,6 34,2 38,3 -158,9 -158,9 53,6 52,5 176,5 175,4 83,8 80,6 -172,0 -172,8 1,75
BI 163,7 164,1 34,3 36,5 -145,8 -152,3 53,9 53,2 178,7 179,3 142,0 145,9 169,8 168,2 1,32 2,25
BI-ДНК 171,5 167,3 33,6 36,5 -101,9 -101,9 49,1 48,3 174,7 174,7 144,6 147,2 172,6 171,8 3,57
Примітка: AI та BI - конформери. що відповідають AI та AII формам ДНК; AI-ДНК та BI-ДНК - ідеальні ДНК-подібні конформери з фіксованим кутом х ( %AI =201.1° і %BI =258.1°). Позначення кутів P, р, у, б, є, х, P, vmax - стандартні ([52], Рис.1), їхні величини наведено у градусах; AG - відносна вільна енергія Гіббса за нормальних умов, ккал/моль; AAG - різниця між вільними енергіями Гіббса ДНК-подібних конформерів та відповідних ідеальних конформацій з фіксованими кутами х.
Таблиця 2. Геометричні, електронно-топологічні та енергетичні характеристики внутрішньомолекулярних Н-зв'язків у ДНК-подібних конформерах канонічних 2'-деюксирибонуклеотдів. отриманих на рівні теорії B3LYP/6-31G(d,p)
Нуклеозид Конформер Н-зв'язок СН...О dС...О ^...О СН...О Р ДР ЕНВ
dA АІ С8Н...05' 2.305 3.312 154.2 0.014 0.039 3.19
АІ-ДНК С8Н...05’ 3.304 2.325 149.8 0.013 0.039 3.06
ВІ С8Н...05’ 2.518 3.455 144.5 0.009 0.029 1.96
С2'Н2...05' 2.533 3.076 109.5 0.010 0.037 2.11
ВІ-ДНК С8Н...05' 3.416 2.512 140.5 0.009 0.030 1.99
С2'Н2...05' 3.049 2.510 109.2 0.010 0.040 2.24
Т АІ С6Н...05' 2.286 3.315 158.0 0.014 0.041 3.34
С6Н...04' 2.319 2.742 101.1 0.017 0.074 4.30
АІ-ДНК С6Н...05' 3.317 2.287 158.1 0.014 0.041 3.33
С6Н...04' 2.741 2.318 101.1 0.017 0.074 4.30
ВІ С6Н...05' 2.414 3.454 160.0 0.011 0.033 2.53
С2'Н2...05' 2.590 3.118 108.7 0.009 0.034 1.87
С1'Н...02 2.256 2.782 107.2 0.019 0.077 4.63
ВІ-ДНК С6Н...05' 3.417 2.398 156.0 0.012 0.035 2.65
С2'Н2...05' 3.074 2.543 108.8 0.010 0.038 2.10
С1'Н...02 2.780 2.240 108.2 0.019 0.078 4.75
dG АІ С8Н...05' 2.319 3.339 156.6 0.014 0.038 3.10
АІ-ДНК С8Н...05' 3.316 2.332 150.6 0.013 0.038 3.02
ВІ С8Н...05' 2.528 3.464 144.4 0.009 0.028 1.91
С2'Н2...05' 2.528 3.069 109.4 0.010 0.038 2.13
ВІ-ДНК С8Н...05' 3.419 2.520 140.1 0.009 0.030 1.96
С2'Н2...05' 3.039 2.497 109.4 0.010 0.041 2.31
dC АІ С6Н...05' 2.314 3.313 152.4 0.014 0.039 3.14
С6Н...04' 2.307 2.719 100.3 0.018 0.077 4.44
АІ-ДНК С6Н...05' 3.321 2.297 156.7 0.014 0.040 3.25
С6Н...04' 2.724 2.324 99.7 0.017 0.079 4.44
ВІ С6Н...05' 2.532 3.498 147.9 0.011 0.033 1.89
С2'Н2...05' 2.612 3.139 108.7 0.009 0.034 1.77
С1'Н...02 2.260 2.706 102.0 0.019 0.077 4.86
ВІ-ДНК С6Н...05' 4.414 2.403 154.5 0.012 0.034 2.62
С2'Н2...05' 3.075 2.545 108.7 0.010 0.037 2.10
С1'Н...02 2.742 2.184 109.2 0.021 0.080 5.26
Примітка: dc...О - відстань між воднево зв'язаними атомами С і О. А; dн...o - відстань між атомами Н і О. А; Я СН...О - кут водневого зв'язку. град; р та Др - значення електронної густини та Лапласіану електронної густини в критичній точці (3.-1) Н-зв'язку СН..О відповідно. а.о.; Енв - енергія Н-зв'язку. розрахована за формулою Еспінози-Молінса-Леконта. ккал/моль.
Таблиця 3. Геометричні. електронно-топологічні та енергетичні характеристики внутрішньомолекулярних Н-зв'язків в ідеальних ДНК-подібних конформерах канонічних 2'-дезоксирибонуклеозидів. отримані на рівні теорії МР2/6-3Ш(Др)_____________________________________________________________________________________________________________
Нуклеозид Конформер Н-зв'язок СН..О А ^,.О. А СН...О. град р. а.о. ДР. а.о. ЕНВ. ккал/моль
dA АІ-ДНК С8Н...05' 3.247 2.266 150.6 0.015 0.044 3.71
ВІ-ДНК С8Н...05' 3.384 2.476 141.2 0.010 0.033 2.33
С2'Н2...05' 2.962 2.391 111.1 0.013 0.050 3.17
Т АІ-ДНК С6Н...05' 3.245 2.212 159.3 0.017 0.048 4.18
С6Н...04' 2.721 2.298 101.1 0.019 0.079 4.95
ВІ-ДНК С6Н...05' 3.378 2.350 158.0 0.013 0.039 3.18
С2'Н2...05' 2.992 2.434 110.4 0.012 0.047 2.91
С1'Н...02 2.782 2.255 107.4 0.019 0.081 5.05
dG АІ-ДНК С8Н...05' 3.263 2.276 151.6 0.015 0.044 3.64
ВІ-ДНК С8Н...05' 3.387 2.488 140.2 0.010 0.033 2.27
С2'Н2...05' 2.957 2.386 111.1 0.013 0.050 3.21
dC АІ-ДНК С6Н...05' 3.262 2.234 158.2 0.016 0.046 3.97
С6Н...04' 2.708 2.305 99.9 0.019 0.083 5.05
ВІ-ДНК С6Н...05' 3.404 2.386 156.3 0.012 0.037 2.91
С2'Н2...05' 2.997 2.438 110.5 0.012 0.046 2.88
С1'Н...02 2.741 2.199 108.2 0.022 0.082 5.57
Примітка: позначення ті ж самі. що й у Таблиці 2.
Таблиця 4. Енергетичні та електронно-топологічні характеристики водневих зв'язків у Вотсон-Криківських парах нуклеозидів dA•T й dG•dC, що відповідають АІ та ВІ формам ДНК. Результати отримані на рівні теорії B3LYP/6-31G(d,p)._____________________________________________________________________________________________________
Пара нуклеозидів та їхня конформація Н-зв'язок p EHB
dA-T/AI N6H...O4 0,028 0,078 6,46
N3H...Ni 0,043 0,095 8,9i
C2H...O2 0,005 0,018 0,89
C8H...O5' (dA) 0,0i4 0,039 3,i4
C6H...O5' (T) 0,0i4 0,040 3,23
C6H...O4' (T) 0,0i7 0,074 4,33
dA-T/BI N6H...O4 0,028 0,075 6,31
N3H...Ni 0,043 0,095 8,95
C2H...O2 0,005 0,019 0,97
C8H...O5' (dA) 0,009 0,028 i,82
C2'H2...O5' (dA) 0,0i0 0,037 2,07
C6H...O5' (T) 0,0ii 0,032 2,4i
C2'H...O5' (T) 0,009 0,034 i,85
Ci'H...O2 (T) 0,0i9 0,077 4,70
dG^dC/AI N4H...O6 0,039 0,ii2 8,88
NiH...N3 0,034 0,080 6,98
N2H...O2 0,029 0,08i 6,73
C8H...O5' (dG) 0,0i3 0,037 2,93
C6H...O5' (dC) 0,0i4 0,04i 3,30
C6H...O4' (dC) 0,0i7 0,076 4,40
dG^dC/BI N4H...O6 0,040 0,ii3 9,05
NiH...N3 0,034 0,080 6,93
N2H...O2 0,030 0,082 6,77
C8H...O5' (dG) 0,008 0,027 i,69
C2'H...O5'(dG) 0,010 0,038 2,i2
C6H...O5' (dC) 0,0ii 0,032 2,42
C2'H...O5' (dC) 0,008 0,033 i,80
Ci'H...O2 (dC) 0,020 0,078 4,89
Примітка: позначення ті ж самі, що й у Таблиці 2.
Таблиця 5. Аналіз взаємодії С2Н...02 у парах нуклеозидів за "двомолекулярними" електронно-топологічними критеріями. Інтегрування навколо атомних басейнів здійснювали у натуральних координатах.______________________
Пара нуклеозидів та їхня конформація q(H) Дq M(H) -ДM v(H) ^v -E(H) ДБ r(H) r(O) Дr(H) Дr(O)
dA-T-AI 0,076 0,043 0,i30 0,005 45,3 2,3 0,604 0,0i9 2,i7 3,i2 0,36 0,i6
dA-T-BI 0,075 0,039 0,i27 0,008 44,9 2,5 0,605 0,0i7 2,i4 3,09 0,39 0,i9
Примітка: наведено абсолютні значення в атомних одиницях (а.о.) та зміни фізичних властивостей атома водню (атомного заряду q(H), поляризаційного моменту М(Н). об'єму v(H), енергії Е(Н) та радіусу г(Н)). а також атомний радіус кисню г(0) і його зміна Дг(0).
RCP (ring critical point). Значення електронної густини та Лапласіана електронної густини в точці ВСР, як і “two molecules criteria”, на думку авторів роботи [21], не можуть дати однозначної відповіді щодо стійкості водневого зв'язку. Проте ця точка зору не може претендувати на універсальність, бо, приміром, Н-зв'язки типу C6H...O4' спостерігаються
експериментально в нуклеїнових кислотах [22] незважаючи на те, що вони характеризуються досить високими значеннями еліптичності (Таблиці. 2, 3). На нашу думку, великі значення еліптичності, швидше за
все, вказують на те, що зв'язки мають динамічний характер, тобто значення їхньої енергії змінюються по мірі того, як варіюється кут Н-зв'язування АН.. В, причому ці модуляції збільшуються по мірі зростання еліптичності [25].
Ми оцінили енергії Н-зв'язків на рівнях теорії ББТ та МР2 за методом Еспінози-Молінса-Леконта [36] (Таблиці. 2, 3) Привертає увагу той факт, що енергії на рівні МР2 у всіх випадках більші, ніж енергії на рівні ББТ. Серед усіх Н-зв'язків найбільшу енергію має зв'язок СГН...О2 в ВІ-ДНК конформації
^, а сумарна енергія Н-зв'язків у цій ідеальній структурі значно більша у порівнянні з ВІ конформером. Можливо, саме це допомагає компенсувати різницю 2,25 ккал/моль між ВІ конформером та ВІ-ДНК структурою (табл. 1) при інкорпорації ^ в ДНК. Слід зазначити, що Н-зв'язок С6Н...05' у ВІ конформері dC є значно слабшим, ніж у АІ конформері (Таблиця 2), що підтверджує непряму оцінку його енергії, здійснену Оке [44]. Несподівано великі значення енергії (табл. 2, табл. 3) мають Н-зв'язки С6Н...04' та С1'Н...О2, які характеризуються значними еліптичностями та відстанями ЬЯСР [21]. Щоб дослідити, чи не розриваються ці зв'язки при модуляціях кута х, ми провели розрахунок конформацій dC АІ'-ДНК' та ВІ'-ДНК' на рівні теорії В3ЬУР/6-3Ш^,р), для яких цей кут брали більшим і меншим від ідеального значення на 5°. Виявилось, що всі Н-зв'язки зберігаються при змінах кута х у вищевказаному діапазоні.
Порівняння енергій відповідних Н-зв'язків у АІ та ВІ ДНК-подібних конформерах та ідеальних конформаціях (Таблиця 2) свідчить, що їхня сумарна енергія відчутно збільшується при набутті х ідеального значення для ВІ форми, і майже не змінюється, коли х фіксується для ідеальної АІ форми.
Таким чином, отримані нами дані дозволяють припустити, що ці Н-зв'язки спостерігатимуться і в дволанцюговій правоспіральній ДНК.
Але яким є внесок цих неканонічних Н-зв'язків у підтримання структури ДНК? Щоб пролити світло на це питання, ми розрахували на рівні теорії В3ЬУР/6-3Ш^,р) чотири Вотсон-Криківські пари нуклеозидів dA•T і dG•dC з конформаціями цукру, що відповідають АІ і ВІ формам ДНК (Рис.3, Таблиця 4). Виявилося, що сумарна енергія неканонічних Н-зв'язків між основою та цукром та всередені цукру в парах нуклеозидів, співмірна з сумарною енергією Вотсон-Криківських Н-зв'язків у парах основ. Отже, є всі підстави вважати, що неканонічні зв'язки в ДНК мають чимале значення у формуванні тривимірної структури цієї біомакромолекули і можуть відігравати важливу роль в процесах білково-нуклеїнового впізнавання, зокрема при синтезі ДНК, оскільки високоточні ДНК-полімерази дуже чутливі до конформації цукрових залишків та орієнтації основи відносно цукру [50]. Крім того виявилося, що енергія Н-зв'язку С2Н.02, як і передбачалось раніше [15], складає 1 ккал/моль, тобто має достатню величину як для водневого зв'язку типу СН...0 [51]. Щоб детальніше дослідити цю взаємодію у Н-зв'язаних парах нуклеозидів dA•T-АІ та dA•T-BI, ми перевірили, чи задовольняє вона п'яти "двомолекулярним" критеріям Коха і Попельє [19]. Результати, наведені в табл.5, свідчать на користь того, що С2Н...02 відповідає квантово-механічним
критеріям водневого зв'язування і, поза всяким сумнівом, є Н-зв'язком.
ВИСНОВКИ
Вперше проведено геометричний та електронно-топологічний аналіз Н-зв'язків у конформерах канонічних 2'-дезоксирибонуклеозидів, що відповідають АІ та ВІ формам ДНК. Оцінка енергії водневих зв'язків за методом Еспінози-Молінса-Леконта показала, що
внутрішньомолекулярні Н-зв'язки між основою та цукровим залишком і всередині цукрового залишку мають енергію, що помітно перевищує kT за кімнатної температури, а, отже, відіграють суттєву роль у стабілізації ДНК-подібних конформерів нуклеозидів. В ідеальних ДНК-подібних
конформаціях (з кутами х, характерними для АІ та ВІ форм ДНК) всі Н-зв'язки зберігаються, і їхня сумарна енергія зростає у порівнянні з відповідними конформерами для BI форми і майже не змінюється для АІ форми. Розрахунок Вотсон-Криківських пар нуклеозидів dAT і dGdC як найпростішої моделі дволанцюгової ДНК з конформаціями цукру, що відповідають АІ та ВІ формам ДНК, показав, що сумарна енергія внутрішньомолекулярних Н-зв'язків між основою та цукром та всередені цукру співмірна з енергією Вотсон-Криківських Н-зв'язків між парами основ. Це свідчить про те, що "неканонічні" Н-зв'язки СН...О відіграють важливу роль у підтриманні тривимірної структури ДНК, а також у процесах білково-нуклеїнового та нуклеїново-нуклеїнового впізнавання.
Література
1. Watson J.D., Crick F.H.C. Molecular structure of nucleic acids ; a structure for deoxyribose nucleic acid // Nature.-1953.-Vol.171. - P.737-738.
2. Watson J.D., Crick F.H.C. Genetical implications of the structure of the deoxyribonucleic acid // Nature. - 1953. -Vol. 171. - P. 964-967.
3. Seeman N.C., Rosenberg J.M., Rich A. Sequence-specific recognition of double helical nucleic acids by proteins. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. - 1976. - Vol. 73. - P. 804-808.
4. Pabo C.O., Sauer, R.T. Transcription factors : structural families and principles of DNA recognition. // Annu. Rev. Biochem. - 1992. - Vol. 61. - P. 1053 - 1095.
5. Mandel-Gutfreund Y., Schueler O., Margalit H. Comprehensive analysis of hydrogen bonds in regulatory protein-DNA complexes : in search of common principles // J. Mol. Biol. - 1995. - Vol. 253.- P. 370-382.
6. Mandel-Gutfreund Y., Margalit H., Jernigan R.L., Zhurkin V.B. A role for CH... O interactions in protein-DNA recognition. // J. Mol. Biol. - 1998. - Vol. 277.
- P. 1129-1140.
7. Moran S., Ren X.-F., Rumney IV S., Kool E.T. Difluorotoluen, a nonpolar isostere of thymine, codes specifically and efficiently for adenine in DNA replication // J. Am. Chem. Soc. - 1997. - Vol. 119. - P. 2056-2057.
8. Kool E.T., Morales J.C., Guckian K.M. Mimicking the structure and function of DNA: insights into DNA stability and replication // Angew. Chem. Int. Ed. - 2000. - Vol. 39. -P. 990-1009.
9. Evans T.A., Seddon K.R. Hydrogen bonding in DNA - a return to the status quo // Chem. Commun. - 1997.
- P. 2023-2024.
10. WangX., HoukK.N. Difluorotoluen, a thymine isostere, does not hydrogen bond after all // Chem. Commun. - 1998. -2631-2632.
11. Yakovchuk P., Protozanova E., Frank-Kamenetskii, M.D. Base-stacking and base-pairing contributions into thermal stability of the DNA double helix // Nucleic Acids Res. -2006. - Vol. 34. - P. 564-574.
12. Pauling L., Corey R.B. Specific hydrogen-bond formation between pyrimidines and purines in deoxyribonucleic acid // Arch. Biochem. Biophys. - 1956. - Vol. 65. - P. 164-181.
13. Vinogradov, A.E. DNA helix: the importance of being GC-rich // Nucleic Acids Res. - 2003. - Vol. 31.- P. 1838-1844.
14. Crick F.H.C. Codon-anticodon pairing: the wobble hypothesis // J. Mol. Biol. - 1966. - Vol. 19. - P. 548 - 555.
15. Leonard GA., McAuley-Hecht K., Brown T., Hunter W.N. Do CH...O hydrogen bonds contribute to the stability of nucleic acid base pairs? // Acta Ciystr. D. - 1995. - Vol. 51.
- P. 136-139.
16. Starikov E.B., Steiner T. Computational support for the suggested contribution of C-H...O=C interactions to the stability of nucleic acid base pairs // Acta Cryst. D. - 1997.-Vol. 53. - P. 345-347.
17. Parthasarathi R., Amutha R., Subramanian V., Nair B. U., Ramasami T. Bader's and reactivity descriptors' analysis of DNA base pairs// J. Phys. Chem. A. - 2004.- Vol. 108.
- P. 3817-3828.
18. Hobza P., Sponer J., Cubero E., Orozco M., Luque F.J. CH...O contacts in the adenine...uracil Watson-Crick and uracil...uracil nucleic acid base pairs: nonempirical ab initio study with inclusion of electron correlation effects // J. Phys. Chem. B. - 2000. - Vol. 104. - P. 6286-6292.
19. Koch U., Popelier P.L.A. Characterization of C-H-O hydrogen bonds on the basis of the charge density // J. Phys. Chem. - 1995. - Vol. 99. - P. 9747-9754.
20. Hobza P, Havlas Z. Blue-shifting hydrogen bonds // Chem. Rev. - 2000. - Vol. 100. - P. 4253-4264.
21. 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. - Vol. 110. - P. 4413-4422.
22. Berger I, Egli M, Rich A. Inter-strand CH... O hydrogen bonds stabilizing four-stranded intercalated molecules: stereoelectronic effects of O4' in cytosine-rich DNA // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. - 1996. - Vol. 93. - P. 12116-12121.
23. EgliM, GessnerR.V. Stereoelectronic effects of deoxyribose O4' on DNA conformation // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. -1995. - Vol. 92. - P. 180-184.
24. Bratek-Wiewiorowska M.D., Alejska M., Sarzynska J., Surma K., Figlerowicz M., Wiewiorowski M. A new outlook on the nature of short intramolecular non-bonded contacts 6C.O5' in the crystals of pyrimidine nucleosides and their salts // J. Mol. Struct. - 1992. - Vol. 275. - P. 167-181.
25. Matta C.F., Castillo N., Boyd R.J. Extended weak bonding interactions in DNA: n-stacking (base-base), base-backbone, and backbone-backbone interactions // J. Phys. Chem. B. -2006. - Vol. 110. - P. 563-578.
26. Hocquet A. Intramolecular hydrogen bonding in 2'-deoxyribonucleosides: an AIM topological study of the
electronic density // Phys. Chem. Chem. Phys. - 2001.
- Vol. 3. - P.3192-3199.
27. Louit G., Hocquet A., Ghomi M. Intramolecular hydrogen bonding in ribonucleosides: an AIM topological study of the electronic density // Phys. Chem. Chem. Phys. - 2002.
- Vol. 4. - P.3843-3848.
28. Yurenko Y.P., Zhurakivsky R.O., GhomiM., Samijlenko S.P., Hovorun D.M. The whole of intramolecular H-bonding in the isolated DNA nucleoside thymidine. AIM electron density topological study // Chem. Phys. Lett. - 2007.
- Vol. 447. - P. 140-146.
29. Зенгер В. Принципи структурной организации нуклеиновьіх кислот. - Москва: Мир, 1987. - 584с.
30. Berman H.M. Crystal studies of B-DNA: the answers and the questions // Biopolymers. - 1997. - Vol. 44. - 23-44.
31. Wang A.H.J., Quigley G.J., Kolpak F.J., Crawford J.L., van Boom J.H., Van der Marel G., Rich A. Molecular structure of a left-handed double-helical DNA fragment at atomic resolution // Nature (London). - 1979. - Vol. 282.
- P. 680-686.
32. Sims G.E., Sung-Hou, K. Global mapping of nucleic acid
conformational space: dinucleoside monophosphate
conformations and transition pathways among conformational classes // Nucleic Acid Res. - 2003.
- Vol. 31. - 5607-5616.
33. Svozil D., Kalina J., Omelka M., Schneider B. DNA conformations and their sequence preferences // Nucleic Acid Res. - 2008. - Vol. 36. - 3690-3706.
34. Бейдер Р. Атоми в молекулах. Квантовая теория. -Москва: Мир. - 2001. - 532c.
35. Hartmann B., Lavery R. DNA structural forms // Q. Rev. Biophys. - 1996. - Vol. 29. - P. 309-368.
36. 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.
37. Lyssenko KA., Korlyukov AA., Golovanov D.G., Ketkov
S.Yu., Antipin M. Yu. Estimation of the barrier to rotation of benzene on the (r|6 - C6H6)2Cr crystal via topological analysis of the electron density distribution function // J. Phys. Chem. A - 2006. - Vol. 110. - P. 6545-6551.
38. Yurenko Y.P., Zhurakivsky R.O., GhomiM., Samijlenko S.P., Hovorun D.M. How Many Conformers Determine the Thymidine Low-Temperature Matrix Infrared Spectrum? DFT and MP2 Quantum Chemical Study // J. Phys. Chem. B-2007.-Vol. 111, №32.-P. 9655-9663.
39. Yurenko Y.P., Zhurakivsky R.O., GhomiM., Samijlenko S.P., Hovorun D.M. Ab Initio Comprehensive Conformational Analysis of 2'-deoxyuridine, the Biologically Significant Minor Nucleoside, and Reconstruction of its Low-Temperature Matrix Infrared Spectrum // J. Phys. Chem.-2008.-Vol. 112.-P.1240-1250.
40. Жураківський Р. О., Говорун Д. М. Вичерпний
конформаційний аналіз канонічного нуклеозиду 2'-дезоксицитидину квантово-механічним методом функціоналу густини // Фізика живого. - 2006. - Vol. 14.
- С.35-48.
41. Жураківський Р. О., Говорун Д. М. Повний
конформаційний аналіз молекули 2'-дезоксигуанозину квантово-механічним методом функціонала густини // Доповіді НАН України. - 2007. - №4 - С.187-196.
42. Жураківський Р. О., Говорун Д. М. Повний
конформаційний аналіз дезоксиаденозину квантово-хімічним методом функціоналу густини // Біополімери і клітина. - 2007. - 23. - С.45-53.
43. Hocquet A., Leulliot N., Ghomi M. Ground-state properties of nucleic acid constituents studied by density functional calculations. 3. Role of sugar puckering and base orientation on the energetics and geometry of 2'-deoxyribonucleosides and ribonucleosides // J. Phys. Chem. B. - 2000. - Vol. 104.
- P. 4560-4568.
44. Hocquet A., Ghomi M. The peculiar role of cytosine in nucleoside conformatrional behaviour: hydrogen bond donor capacity of nucleic bases // Phys. Chem. Chem. Phys. -2000. - Vol. 2. - P. 5351-5353.
45. Foloppe N., MacKerell Jr. A.D. Intrinsic conformational properties of deoxyribonucleosides: implicated role for cytosine in the equilibrium among the A, B, and Z forms of DNA // Biophys. J. - 1999. - Vol. 76. - P. 3206-3218.
46. Foloppe N., Nilsson L., MacKerell A.D. Ab initio conformational analysis of nucleic acid components: intrinsic energetic contributions to nucleic acid structure and dynamics // Biopolymers (Nucleic Acid Sciences) - 2002. -Vol. 61. - P. 61-76.
47. Diekmann S., Zarling D.A. Unique poly(dA)poly(dT) B'-conformation in cellular and synthetic DNAs //Nucl. Acids Res.- i987.-Vol. i5.-F. 6063-6074.
48. Kool E.T. Hydrogen bonding, base stacking, and steric effects in DNA replication // Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. - 200І. - Vol. 30. - F. i-22.
49. Жураківський Р.О., Юренко Є.П., Говорун ДМ. Kонформaційні властивості І',2'-дезоксирибози -модельного цукрового залишку 2'-дезокси-рибонуклеозидів: результати неемпіричного квантово-механічного дослідження // Доповіді HAH України. -2006. - №8. - C. 207-2І4.
50. Summerer D., Marx A. DNA polymerase selectivity: sugar interactions monitored with high-fidelity nucleotides // Angew. Chem. Int. Ed. - 200І. - Vol. 40. - F. 3693-3695.
51. Steiner T. The hydrogen bond in the solid state // Angew. Chem. Int. Ed. - 2002. - Vol.4i. - F. 48-76.
52. Зенгер В. Принципы структурной организации нуклеиновых кислот. - Москва: Мир, І987. - 584с.
ВНУТРИМОЛЕКУЛЯРНЫЕ ВОДОРОДНЫЕ СВЯЗИ СН...О В БИОЛОГИЧЕСКИ ВАЖНЫХ КОНФОРМЕРАХ КАНОНИЧЕСКИХ 2’-ДЕЗОКСИРИБОНУКЛЕОЗИДОВ: РЕЗУЛЬТАТЫ КВАНТОВОМЕХАНИЧЕСКОГО ТОПОЛОГИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ЭЛЕКТРОННОЙ ПЛОТНОСТИ
Юренко Е.П., Журакивський Р. А., Говорун Д.Н.
Квантово-химическими методами на уровне теории MP2/6-31G(d,p) и DFT B3LYP/6-31G(d,p), используя топологический анализ электронной плотности по Бейдеру, впервые обнаружено и охарактеризовано внутримолекулярные Н-связи в конформерах канонических 2'-дезоксирибонуклеозидов: C2'H2...O5' (во всех В1-конформерах), C1H...O2 (в В1-конформерах T и dC), C6H/C8H...O5' (во всех конформерах) и C6H...O4’ (в А1-конформерах T и dC). По формуле Эспинозы-Молинса-Леконта оценена их энергия. Установлено, что она заметно превышает kT при нормальных условиях и лежит в диапазоне 2,27-5,57 ккал/моль (MP2/6-31G(d,p)). Показано, что суммарная энергия внутримолекулярных Н-связей CH...O в Уотсон-Криковских парах 2'-дезоксирибонуклеозидов сопоставима с энергией Уотсон-Криковского спаривания. Это свидетельствует про то, что исследуемые связи играют важную роль в поддержании пространственной структуры ДНК.
Ключевые слова: дезоксирибонуклеозиды, DFT, внутримолекулярные водородные связи, топологический анализ электронной плотности, энергия водородных связей.
INTRAMOLECULAR HYDROGEN BONDS CH...O IN BIOLOGICALLY SIGNIFICANT CONFORMERS OF CANONICAL 2-DEOXYRIBONUCLEOSIDES: AB INITIO TOPOLOGICAL ANALYSIS OF THE ELECTRON DENSITY
Yurenko Ye. P., Zhurakivsky R. O., Hovorun D. M.
Based on ab initio quantum chemical calculations at the MP2/6-31G(d,p) Ta DFT B3LYP/6-31G(d,p) levels of theory and Bader's topological analysis of the electron density, we identified and characterized intramolecular H-bonds shaping DNA-like conformers of canonical 2'-deoxyribonucleosides: C2'H2...O5' (all BI conformers), C1'H...O2 (BI conformers of T and dC), C6H/C8H...O5' (all conformers) and C6H...O4' (AI conformers of T and dC). We also evaluated H-bonds energies using Espinosa-Molins-Lecomte formula. It was shown that H-bonds energies lie within the range of values 2,27-5,57 kcal/mol (MP2/6-31G(d,p) level of theory), i.e. exceed the kT value at the room temperature (T=298.15 K). The results of this study demonstrate that total energy of intramolecular CH. O H-bonds in Watson-Crick nucleoside pairs is congruous to total energy of Watson-Crick base pairing. Therefore, 'noncanonical' H-bonds are crucial in shaping the three-dimensional molecular structure of DNA.
Key words: deoxyribonucleosides, DFT, intramolecular hydrogen bonds, electron density topological analysis, energy of hydrogen bonds.
