Регуляція прототропної таутомерії основ ДНК протонуванням: результати квантово-хімічного дослідження

Abstract

Напівемпіричними квантово-хімічними розрахунками (AMI) вперше встановлено, що одноразове протонування основ ДНК, яке не заважає їхньому Вотсон-Криківському спарюванню, суттєво змінює в той чи інший бік (у залежності від його місця) прототропну таутомерну рівновагу останніх. Так, протонування атомів N3 Ade, О6 і N7 Gua, О2 Cyt і 04 Thy стабілізує канонічну таутомерну форму; високоенергетичні неканонічні таутомери – імінний Ade і енольні Gua і Thy – стабілізуються протонуванням атомів N7 Ade, N3 Gua і О2 Thy. Висловлено припущення, що фіксація канонічних таутомеріє основ ДНК вибірковим протонуванням бічними залишками лізину, аргініну і гістидину може використовуватися ДНК-полімеразою для мінімізації спонтан­них помилок біосинтезу ДНК, спричинених прототропною таутомерією основ, на стадії, що передує їхньому спарюванню в центрі розпізнавання правильних пар полімерази.

Полуэмпирическими квантово-химическими расчетами (AMI) впервые установлено, что одноразовое протонирование оснований ДНК, не мешающее их Уотсон-Криковскому спарива­нию, существенно изменяет в ту или иную сторону (в зависимости от его места) прототропное таутомерное рав­новесие последних. Так, протонирование атомов N3 Ade, О6 N7 Gua, О2 Cyt и О4 Thy стабилизирует каноническую таутомерную форму; высокоэнергетические неканонические таутомеры – иминный Ade и енольные Gua и Thy – стабили­зируются протонированием атомов N7 Ade, N3 Gua и О2 Thy. Высказано предположение, что стабилизация канонических таутомеров оснований ДНК адресным протонированием боко­выми остатками лизина, аргинина и гистидина используется ДНК-полимеразой для минимизации спонтанных ошибок биосинтеза ДНК, вызванных прототропной таутомерией основа­ний, на стадии, предшествующей их спариванию в центре узнавания правильных пар полимеразы.

By means of semi-empirical quantum chemical calculations (AMI) it was first established that a single profanation of DNA bases, that doesn't disrupt Watson-Crick base pairing, substantially changed their tautomeric equilibrium in both directions depending on a profanation site. The profanation of N3 Ade, O6 and N7 Gua, O2 Cyt and O4 Thy atoms stabilizes the canonical tautomeric form, while the high-energy non-canonical tautomers (iminic Ade and enolic Gua) are stabilized by the profanation of N7 Ade, N3 Gua and O2 Thy atoms. The stabilization of DNA base canonical tautomers by selected profanation with the Lys, Arg and His side chains was supposed to be used by DNA-polymerase in DNA synthesis to minimize spontaneous mismatches caused by prototropic tautomerism of the bases at the stage previous to their pairing in polymerase sites for matched pairs recognition.