Cтабільність мутагенних таутомерів урацилу та його галогенових похідних: результати квантово-механічного дослідження

Abstract

Мета. Дослідити квантово-механічними методами внутрішньомолекулярну таутомеризацію урацилу (Ura) та вплив на цей процес заміни метильної (Me) групи тиміну (Thy) на галоген. Методи. Неемпірична квантова механіка, аналіз топології електронної густини за Бейдером, фізико-хімічна кінетика. Результати. Вперше встановлено, що заміна Me-групи тиміну на галоген (Br, F, Cl) практично не впливає на основні фізико-хімічні характеристики внутрішньомолекулярної таутомеризації. Водночас енергія таутомеризації Ura у порівнянні з аналогічною величиною для Thy збільшується на 3,08 ккал/моль за нормальних умов. Висновки. Таким чином, Thy (на противагу від Ura), очевидно, здатний як канонічна нуклеотидна основа ДНК забезпечити разом із Ade, Gua і Cyt прийнятний рівень мінливості геному з точки зору його адаптаційного резерву. Мутагенна дія галогенпохідних Ura безпосередньо не пов’язана з їхньою таутомеризацією.

Aim. To investigate by quantum-mechanical methods the uracil (Ura) intramolecular tautomerisation and effect of changing the thymine (Thy) methyl (Me) group with halogen on this process. Methods. Non-empirical quantum mechanics, analysis of the electron density by means of Bader’s atom in molecules (AIM) theory and physical-chemical kinetics were used. Results. It has been established for the first time that the substitution of halogen (Br, F, Cl) for thymine Me-group has practically no effect on the main physical-chemical characteristics of the intramolecular tautomerisation. At the same time, the energy of Ura tautomerisation increases by 3.08 kcal/mole in comparison with the corresponding value for Thy under standard conditions. Conclusions. Thus, Thy, unlike Ura, is obviously able, as a canonical DNA nucleotide base, to provide together with Ade, Gua and Cyt an acceptable mutability degree of the genom from the point of view of its adaptation reserve. A mutagenic action of the Ura halogen derivatives is not directly associated with their tautomerisation.

Цель. Исследовать квантово-механическими методами внутримолекулярную таутомеризацию урацила (Ura) и влияние на этот процесс замещения метильной (Ме) группы тимина (Thy) на галоген. Методы. Неэмпирическая квантовая механика, анализ топологии электронной плотности по Бейдеру, физико-химическая кинетика. Результаты. Впервые установлено, что замещение Ме-группы тимина на галоген (Br, F, Cl) практически не влияет на основные физико-химические характеристики внутримолекулярной таутомеризации. В то же время энергия таутомеризации Ura в сравнении с аналогичной величиной для Thy возрастает на 3,08 ккал/моль при нормальных условиях. Выводы. Таким образом, Thy в отличие от Ura как каноническое нуклеотидное основание ДНК способен, очевидно, обеспечивать вместе с Ade, Gua и Cyt приемлемый уровень изменчивости генома с точки зрения его адаптационного резерва. Мутагенное действие галогенпроизводных Ura не связано непосредственно с их таутомеризацией.