Квантово-механічне дослідження конформаційних можливостей молекули 5'-дезоксигуанілової кислоти

Abstract

Мета. Повний конформаційний аналіз ізольованої молекули 5'-дезоксигуанілової кислоти (дГК). Методи. Конформацію молекули описували за допомогою торсійних кутів b = РО5'С5'С4', g = О5'С5'С4'С3', e = = С4'С3'O3'HO3', c = О4'С1'N9C4 , a' = C5'O5'POP , z1 = O5'POP1HP1, z2 = O5'POP2HP2, кута P та амплітуди nmax псевдообертання фуранозного кільця. Стартові геометрії будували, виходячи з отриманих раніше повних конформаційних сімейств молекул 2'-дезоксигуанозину, метилдигідрофосфату та 1,2-дидезоксирибофуранози-5-фосфату. Оптимізацію геометрії виконували на рівні теорії DFT B3LYP/6-31G(d,p), а розрахунок електронних енергій – MP2/6-311++G(d,p). Результати. Виявлено 745 конформерів ізольованої молекули дГК з відносними енергіями Гіббса за нормальних умов в межах 0¸16,4 ккал/моль. Охарактеризовано конформаційну мінливість довжин хімічних зв’язків, валентних кутів та ендо- і екзоциклічних торсійних кутів нуклеотидної основи. Висновки. Встановлено, що енергетично найвигідніший конформер має syn-орієнтацію основи та C1'exo-конформацію фуранозного кільця. Серед знайдених конформерів структура 13 подібна до нуклеотидів ДНК у її AI-, AII-, BI-, ZI- чи ZII-формах, причому найменшу енергію Гіббса (DG = 9,1 ккал/моль) серед цих конформерів має BI-ДНК-подібний. Продемонстровано роль внутрішньомолекулярних H-зв’язків у підтриманні просторової структури конформерів. Ключові слова: 5'-дезоксигуанілова кислота, конформаційний аналіз, ДНК, розрахунки ab initio.

Aim. Exhaustive conformational analysis of the isolated 5'-deoxyguanylic acid (dGA) molecule. Methods. Torsion angles b = РО5'С5'С4', g = О5'С5'С4'С3', e= С4'С3'O3'HO3', c = О4'С1'N9C4 , a' = C5'O5'POP , z1 = = O5'POP1HP1, z2 = O5'POP2HP2 as well as sugar pseudorotation phase and amplitude have been used to identify the molecule conformation. Initial geometries were built using full sets of conformers of the 2'-deoxyguanosine, methyl dihydrogen phosphate and 1,2-dideoxyribofuranose-5-phosphate molecules obtained previously. Geometry optimization has been carried out at the DFT B3LYP/6-31G(d,p) theory level while the MP2/6-311++G(d,p) theory level has been used to calculate electronic energies of optimized structures. Results. As many as 745 different conformations of dGA molecule have been revealed with relative Gibbs free energies under standard conditions within 0¸16,4 kcal/ mole. Conformational variability of chemical bond lengths, valence angles and endo- and exocyclic torsion angles of guanine has been characterized. Conclusions. It has been found that the energetically most favorable structure has syn orientation of nitrogenous base and C1'exo sugar puckering. 13 conformers of isolated dGA have been shown to be similar to the structure of nucleotides in AI-, AII-, BI-, ZI- or ZIIforms of DNA. Among them the BI-DNA-like one has the lowest Gibbs free energy (9,1 kcal/mole). The role of intramolecular hydrogen bondsin stabilizing dGA conformerstructures has been demonstrated. Keywords: 5'-deoxyguanylic acid, conformational analysis, DNA, ab initio calculations.

Цель. Полный конформационный анализ изолированной молекулы 5'-дезоксигуаниловой кислоты (дГК). Методы. Конформацию молекулы описывали при помощи торсионных углов b = РО5'С5'С4', g = = О5'С5'С4'С3', e = С4'С3'O3'HO3' , c = О4'С1'N9C4 , a' = C5'O5'POP , z1 = = O5'POP1HP1, z2 = O5'POP2HP2, угла P и амплитуды nmax псевдовра - щения фуранозного кольца. Стартовые геометрии создавали на основе ранее полученных семейств конформеров молекул 2'-дезоксигуанозина, метилдигидрофосфата и 1,2-дидезоксирибофуранозы-5-фосфата. Оптимизацию геометрии проводили на уровне теории DFT B3LYP/6-31G(d,p), а расчет электронных энергий – MP2/ 6-311++G(d,p). Результаты. Выявлены 745 конформеров изолированной молекулы дГК с относительными энергиями Гиббса при нормальных условиях в пределах 0¸16,4 ккал/моль. Охарактеризовано влияние конформации молекулы на длины химических связей, величины валентных, а также эндо- и экзоциклических торсионных углов нуклеотидной основы. Выводы. Установлено, что наиболее энергетически выгодный конформер имеет syn-ориентацию основания и C1'exo-конформацию фуранозного кольца. Среди найденных конформеров структура 13 подобна таковой нуклеотидов ДНК в AI-, AII-, BI-, ZI- или ZII-формах, причем наименьшей энергией Гиббса (DG = 9,1 ккал/моль) среди них обладает BI-ДНК-подобный. Продемонстрирована роль внутримолекулярных H-связей в стабилизации пространственной структуры конформеров. Ключевые слова: 5'-дезоксигуаниловая кислота, конформационный анализ, ДНК, расчеты ab initio.