Структурно-динамічна модель спонтанних напіврозкритих станів ДНК

Abstract

На основі дослідження напівемпіричним квантовохімічним методом MNDO/H гіперповерхні потенціальної енергії Уотсон-Криківських пар Ade:Thy і Gua:Cyt у вільному стані запропоновано структурно-динамічну модель спонтанних напіврозкритих станів дволанцюгової ДНК У рамках цієї моделі напіврозкриті метастабільні стани ДНК пов'язуються із спонтанним напіврозкритим метастабільним станом Уотсон-Криківської пари Ade:Thy, котрий стабілізується двома внутрішньопарними водневими зв'язками N3H...N1 і С2Н...О2 з вивільненою від водневого зв'язування аміногрупою Ade. При цьому віртуальним напіврозкритим станам пари Gua:Cyt, що утворюють­ся внаслідок повороту екзоциклічної аміногрупи Gua та Cyt в цис- та транс-положення відносно сусіднього подвійного зв'язку, відводиться роль попередника метастабільних напіврозкритих станів ДНК, які виникають при значно вищих температурах. Віртуальні напіврозкриті стани, на думку автора, сприяють також утворенню індукованих (наприклад взаємодією з лігандами різноманітної природи) напіврозкритих станів. Наводиться низка експериментальних фактів, які знаходять послідовне пояснення в рамках запропонованої моделі, підтверджуючи тим самим її адекватність.

На основе исследования полуэмпирическим квантовохимическим методом MNDO/H топологических свойств гиперповер­хности потенциальной энергии Уотсон-Криковских пар Ade:Thy и Gua:Cyt в свободном состоянии предложена структурно-динамическая модель спонтанных полураскрытых со­стояний двутяжевой ДНК. В рамках этой модели полураскры­тые метастабильные состояния ДНК отождествляются с полураскрытым метастабильным состоянием Уотсон-Кри- ковской пары Ade:Thy, которое стабилизируется двумя водо­родными связями N3H...NJ и С2Н...O2 с освобожденной от водородного связывания аминогруппой Ade. При этом вирту­альным полураскрытым состояниям пары Gua:Cyt, образую­щимся за счет поворотов экзоциклической аминогруппы Gua и Cyt в цис- и транс-положение соответственно относительно соседней двойной связи C2N3, отводится роль предвестника метастабильных полураскрытых состояний ДНК, реализую­щихся при более высоких температурах. Виртуальные полураскрытые состояния, по мнению автора, способствуют также образованию индуцированных (например взаимодействием с лигандами различной природы) полураскрытых состояний. Приводится ряд экспериментальных фактов, находящих последовательное объяснение в рамках предложенной модели, подтверждая тем самым ее адекватность.

In this work there is suggested a structural-dynamic model on semiopen states in a two-strand DNA based on the semiempirical quantum-mechanical MNDO/H investigation of topologic properties of potential energy hyperfurface of free Watson-Crick Ade:Thy and Gua:Cyt pairs. In the frame of this model semiopen methastable states of Ade:Thy rich DNA sites are related to the spontaneous methastable state of Ade:Thy Watson-Crick pair, which is stabilized by two intrapair N3H...N1 and C2H...O2 hydrogen bonds, the Ade amino group being released from an H-bond. Therewith virtual semiopen states of the Gua:Cyt pair which are formed as a result of the turn of Gua and Cyt amino groups to cis- and trans-position with respect to the adjacent C2N3 bonds are believed to be a predecessors of methastable semiopen DNA states, arising in the Gua:Cyt rich sites at much higher temperature. The author is opinion that the virtual semiopen states favour to the formation of induced (for examle by interactions with ligands of various nature) semiopen states. A number of experimental facts explained in the frame of the proposed model confirm its adequacy.