Прототропна молекулярно-цвітеріонна таутомерія гіпоксантину: розрахунок методом AMI у вакуумному наближенні

Abstract

Напівемпіричним квантовохімічним методом AMI в режимі оптимізації всіх структур­них параметрів досліджено прототропну молекулярно-цвітеріонну таутомерію мінорної нуклеотидної основи – гіпоксантину (Hyp) у вільному стані. Встановлено, що сімейство його молекулярно-цвітеріонних таутомеріє, займаючи діапазон відносних енергій близько 26 ккал/моль, складається з 12 плоскосиметричних дипольно-стійких структурних ізомерів – 10 молекулярних і 2 цвітеріонних. За результатами розрахунків, при кім­натній температурі у газовій фазі співіснують два найбільш енергетично вигідні моле­кулярні кетонні таутомери Hyp N9H і N7H, причому більш полярна форма N9H є ос­новною (82 %); за цих же умов концентрація єнольних таутомеріє не перевшцус 0,2 Це кількісно підтверджує висновки щодо характеру таутомерної рівноваги Hyp у ва­куумі, зроблені на основі дослідження його 14 коливальних спектрів в умовах кріоген­ної матричної ізоляції (Шеїна Г. Г. та ні., 1986). Перехід Hyp до розчину з універ­сальним механізмом сольватації ще більше зсуває таутомерну рівновагу в бік високо-полярного таутомера N9H (98,6%); концентрація всіх інших таутомеріє, за винятком таутомера N7H (1,4 %), за цих же умов надто низька, щоб брати її до уваги. Встанов­лено, що основна ілідна форма Hyp, що характеризується локалізацією імінопротонів при атомах N1, N7, N9 без атома водню при атомі С8, є перехідним станом воднево-Оейтеро-тритієвого обміну групи С8Н у вільному стані. Близькість розрахованої вели­чини енергетичного бар'єра цієї реакції до експериментальної підтверджує, на думку авторів, ілідний механізм воднево-дейтеро-тритієвого обміну групи С8Н Hyp з водою при кислих і нейтральних рН. В рамках отриманих результатів обговорюються причини «заміни» гуаніну на Hyp в антикодонових триплетах тРН.

Полуэмпирическим квантовохимическим методом AMl в режиме оптимизации всех структурных параметров исследована прототропная молекулярно-цвиттерионная таутомерия гипоксантина (Hyp) в свободном состоянии. Установлено, что его таутомерное молекулярно-цвиттерионное семейство, занимая диапазон относительных энергий порядка 26 ккал/моль, состоит из 12 структурных изомеров — 10 молекулярных и 2 цвиттерион- ных; все они без исключения являются плоскосимметричнымн дипольно-устойчивыми структурами. В соответствии с результатами расчетов, при комнатной температуре в газовой фазе сосуществуют даа наиболее энергетически выгодных молекулярных кетонных таутомера Hyp ?9? и ?7?, причем высокополярная форма ?9? – основная (82 %); при этих же условиях концентрация енольных таутомеров не превышает 0,2 %. Это количественно подтверждает выводы о характере таутомерного равновесия Hyp в вакууме, сделанные на основе изучения его ИК колебательных спектров в условиях криогенной матричной изоляции (Шеина Г. Г. и др., 1986). Переход Hyp в раствор с универсальным механизмом сольватации еще больше сдвигает таутомерное равновесие в сторону высокополярного таутомера ?9? (98,6 %); концентрация остальных таутомеров, за исключением молекулярного таутомера ?7? (1,4 %), при этих же условиях достаточно низкая, чтобы принимать ее во внимание. Установлено, что основная илидная форма Hyp, характеризующаяся локализа¬цией имипопротонов при атомах N1, N7 и N9 без атома водорода при атоме С8, представляет собой переходное состояние водородно-дейтеро-тритиевого обмена группы С8Н в свободном состоянии. Близость рассчитанной величины энергетического барьера этой реакции к экспериментальной подтверждает, по мнению авторов, илидный механизм водородно-дейтеро-тритиевого обмена группы С8Н Hyp с водой при кислых и нейтральных рН. В рамках полученных результатов обсуждаются причины «замены» гуанина на Hyp в антикодоновых триплетах тРНК.

The prototropic molecular-zwitterion tautomerism of hypoxanthine (Hyp) was investigated by means of semiempirical quantum mechanical AMI method with full parameters optimization in vacuum. It was established that rnolecular-zwitterion family of Xan occupies the energetical range about 26 ccal/mol and it consists of 12 structural isomers – 10 molecular and 2 zwitterion; all they are plant dipole-stable structures. According to calculation, at the room temperature in the gase phase there are two energetically prevalent molecular ketone tautomers of Hyp–N9H and N7H. More polar form N9H is the main (82 %). At the same condition concentration of enol tautomers is less than 0.2%. These results are quantitative conformation of tautomeric equilibrium of Hyp in vacuum, which was investigate from IR spectra of low temperature matrix isolation (Sheina G. G. et ah, 1986). Under transition to solvent with universal solvation mechanism the equilibrium shifts some more to the N9H tautomer (98.6 %); concentrations of all other tautomers except NTH (1.4 %) are very small. It was established, that the main ilid form (which has iminoproton at Nl, N7 and N9 atoms and has no C8H proton) is an intermediate state of hydrogen-deutero-tritium exchange of C8H group in vacuum. The calculated value of energetical barier of this reaction is in a good agreement with the experimental data, and, to our mind, this agree confirms the ilid mechanism of hydrogen-deutero-tritium exchange of C8H group in the water under the acidic and neutral pH In the frame of results obtained the reasons of «substitution» of guanine to Hyp in an-ticodon triplets of tRNA are discussed.