Стабілізація Вотсон-Криківських пар основ ДНК протонуванням: квантово-хімічне дослідження

Abstract

Напівемпіричним квантово-хімічним методом AMI встановлено, що одноразове проточування Вотсон-Криківських пар основ ДНК по місцях, які не беруть участі у водневому зв'язуванні, підвищує їхню стабільність. Найбільший енергетичний ефект спостерігається при протонуванні атомів O2 і O4 Thy пари Ade.Thy – він супроводжується перенесенням протона від атома N3 Thy+ до атома N1 Ade і суттєвою зміною геометричної структури пари. Найбільші геометричні збурення мають місце в парі Gua:Cyt*(O2), яка розкривається і стабілізується лише одним Н-зв'язком N4H...O6 (два інших Н-зв'язки при цьому розриваються). Вперше висловлено припущення, що проточування основ ДНК та їхніх Вотсон-Криківських пар є поліфункціональним фізико-хімічним механізмом, який може використовуватися як на етапі збереження генетичної інформації (стабілізація пар основ з метою запобігання їхньої модифікації), так і під час реплікації ДНК (підтримання ДНК-полімеразою канонічного таутомерного статусу основ, що одночасно поліпшує їхню здатність до комплементарного спарювання). Не виключається також, що проточування атома O2 Cyt пари Gua:Cyt є елементарним механізмом дії білків, від­ повідальних за розплітання ДНК

By means of semi-empirical quantum-chemical method AMI the protonation of Watson-Crick, base pairs at the positions that don't participate in H-binding has been found to stabilize these pairs. The greatest effect has been observed upon the protonation of Thy O2 and O4 atoms of the pair Ade:Thy with the proton transfer from Thy N3 to Ade N1 and significant changes in the pair geometrical structure. The maximal geometrical changes occur in the pair Gua:Cyt (O2) which opens, being stabilized by only one H-bond N4H...O6 (two other H-bonds are broken). The protonation of DNA bases and their Watson-Crick pairs is assumed to be a multifunctional physico-chemical mechanism, which is possibly used for both preservation of genetic information (DNA base pairs' stabilization to prevent their modification) and DNA replication (DNA-polymerase provides base pairs with canonical status that improves at the same time their ability for complementary pairing). Besides, the protonation of Cyt O2 atom in the pair Gua:Cyt is likely to be a common mechanism of action of proteins responsible for DNA untwisting.

Полу эмпирическим квантово-химическим методом AMI уста­новлено, что одноразовое протонирование Уотсон-Криковских пар оснований ДНК по местам, не участвующим в водородном связывании, повышает их стабильность. Наибольший эффект наблюдается при протонировании атомов O2 и O4 Thy пары Ade.Thy – он сопровождается перенесением протона от ато­ма N3 Thy+ к атому N1 Ade и существенным изменением геометрической структуры пары. Максимальные геометриче­ ские изменения имеют место для пары Gu·Cyt (O2), которая раскрывается, стабилизируясь при этом лишь одной водород­ной связью N4H...O6 (две другие Н-связи при этом разрыва­ются). Впервые высказано предположение, что протонирование оснований ДНК и их Уотсон-Криковских пар является полифункциональным физико-химическим механизмом, кото­рый может использоваться белками как на этапе хранения генетической информации (стабилизация пар оснований ДНК для предотвращения их модификации), так и во время репли­кации ДНК (поддержание ДНК-полимеразой канонического таутомерного статуса нуклеотидных оснований, одновременно улучшающее способность последних к комплементарному спариванию). Не исключается также, что протонирование ато­ма O2 Cyt пары Gua:Cyt является элементарным механизмом действия белков, ответственных за расплетание ДНК