Аналіз конформаційних можливостей молекули 2-дезокси-D-рибофуранози квантово-механічним методом функціоналу густини

Abstract

Мета. Виявити повне сімейство конформерів a- і b-аномерних форм молекули 2-дезокси-D-рибофуранози і встановити, чи може ця молекула слугувати моделлю цукрового залишку ДНК. Методи. Конформації молекули описано за допомогою чотирьох торсійних кутів (b, g, e, і c') та кута псевдообертання фуранозного кільця Р. У 810 стартових геометріях для всіх аномерів кожен з кутів b, g, e, і c' набував кожного із значень +60°, –60°і 180°, а кут псевдообертання фуранозного кільця при цьому – кожного з 10 різних значень. Оптимізацію геометрії проведено квантово-механічним методом функціоналу густини (DFT) з використанням обмінно-кореляційного функціоналу B3LYP і стандартного базисного набору 6-31G(d,p). Електронні енергії при оптимізованих геометріях розраховано методом MP2/6-311++G(d,p), а для енергетично найвигідніших конформерів a- і b-аномерних форм – методом MP2/cc-pVQZ. Ангармонійність власних коливань молекули описано в рамках спектроскопічної теорії збурень другого порядку (PT2). Результати. Одержано повні сімейства конформерів для двох аномерних форм молекули 2-дезокси-D-рибофуранози. Для a-аномера воно налічує 94 структури, для b-аномера – 107. Визначено, що в газовій фазі у термодинамічно рівноважній суміші a- і b-аномерів переважають представники a-сімейства у пропорції 82:18 %. У кожного з конформерів охарактеризовано ангармонійність його нормальних коливань. Висновки. Встановлено присутність B- та AII-ДНК-подібних структур у конформаційних сімействах обох аномерів. Показано, що врахування ангармонійності нормальних коливаль може істотно (більш ніж на kBT за нормальних умов) змінювати коливальну складову енергії Гіббса молекули. Ключові слова: 2-дезокси-D-рибофураноза, конформаційний аналіз, розрахунки ab initio.

Aim. To reveal the exhaustive conformational family for a- and banomeric forms of the 2-deoxy-D-ribofuranose molecule and to elucidate whether this molecule can be considered as the representative DNA sugar model. Methods. The molecule conformations were described with four torsion angles (b, g, e and c') and the sugar pseudorotation angle P. In 810 initial geometries for each of the anomeric forms all torsion angles (b, g, e and c') were set to each of three values: +60, –60 and 180, while the furanose ring pseudorotation angle was set to each of 10 different values. The geometry optimization had been carried out with the quantum-mechanical density functional theory (DFT) method with the B3LYP exchange-correlation functional and standard 6-31G(d, p) basis set. Single point electron energies in the optimized geometries were calculated at the MP2/6-311++G (d, p) theory level while the MP2/cc-pVQZ theory level was used to calculate the electron energies of energetically most favorable conformations for a- and b-anomeric forms. Normal vibrations anharmonicity was described by the spectroscopic second-order perturbation theory (PT2). Results. The exhaustive conformational families for both anomeric forms of the 2-deoxy-Dribofuranose molecule were obtained. For a-anomer it consists of 89 structures and contains 107 structures for b-anomer. It is shown, that in gas-phase mixture of a- and b-anomers in thermodynamic equilibrium the former would dominate with the 82:18 % ratio. In each conformation the normal vibrations anharmonicity has been characterized. Conclusions. The presence of B- and AII-DNA-like conformations in conformational families of both anomeric forms is established. It is shown, that the anharmonic correction can lead to significant (more than kBT under standard conditions) changes in the vibrational part of the molecule’s Gibbs energy. Keywords: 2-deoxy-D-ribofuranose, conformational analysis, ab initio calculations.

Цель. Выявить полное семейство конформеров a- и b-аномерных форм молекулы 2-дезокси-D-рибофуранозы и установить возможность использования этой молекулы для моделирования сахарного остатка ДНК. Методы. Конформации молекулы описаны при помощи четырех торсионных углов (b, g, e и c') и угла псевдовращения фуранозного кольца Р. В 810 стартовых геометриях для всех аномеров каждый из углов b, g, eи c'принимал каждое из значений +60°, –60°и 180°, а угол псевдовращения фуранозного кольца при этом – каждое из 10 различных значений. Оптимизацию геометрии выполняли квантово-механическим методом функционала плотности (DFT) с использованием обменно-корреляционного функционала B3LYP и стандартного базисного набора 6-31G(d,p). Электронные энергии при оптимизированных геометриях вычислены методом MP2/ 6-311++G(d,p), а для наиболее энергетически выгодных кон - формеров a- иb-аномерных форм – методом MP2/cc-pVQZ. Ангармоничность собственных колебаний молекулы описана в рамках спектроскопической теории возмущений второго по рядка (PT2). Результати. Получены полные семейства конформеров для двух аномерных форм молекулы 2-дезокси-Dрибофуранозы. Для a-аномера оно состоит из 94 структур, а для b-аномера – из 107. Определено, что в газовой фазе в термодинамически равновесной смеси a- и b-аномеров будут преобладать представители a-семейства в пропорции 82:18 %. У каждого из конформеров охарактеризована ангармоничность его нормальных колебаний. Выводы. Установлено наличие B- и AII-ДНК-подобных структур в конформационных семействах обоих аномеров. Показано, что учет ангармоничности нормальных колебаний может существенно (более чем на kBT при нормальных условиях) изменить колебательную составляющую энергии Гиббса молекулы. Ключевые слова: 2-дезокси-D-рибофураноза, конформационный анализ, расчеты ab initio.