Внутрішньомолекулярна таутомеризація та конформаційна мінливість деяких класичних мутагенів – похідних цитозину: квантово-хімічне дослідження

Abstract

Мета. Визначити час життя мутагенних похідних цитозину, дослідивши фізико-хімічні механізми їхньої внутрішньомолекулярної таутомеризації. Методи. Неемпірична квантова хімія, аналіз топології електронної густини за Бейдером, методи фізико-хімічної кінетики. Результати. Показано, що в усіх вивчених сполуках, окрім DСyt, модифікація заважає спарюванню як у мутагенній, так і в канонічній таутомерній формах з основою – партнером по взаємодії. Цей ефект може інгібувати їхній мутагенний потенціал. Встановлено також, що на досліджені молекули формально поширюється таутомерна гіпотеза Вотсона-Крика, оскільки час життя їхніх мутагенних таутомерів набагато перевищує характерний час, який витрачає машинерія біосинтезу ДНК на інкорпорацію однієї пари нуклеотидів. Можна очікувати, що в рамках саме цієї гіпотези вдасться адекватно пояснити механізми мутагенної дії N4-аміноцитозину, N4-метоксицитозину, N4-гідроксицитозину і N4-дегідроцитозину, адже ці мутагени мають енергетично вигіднішу імінну таутомерну форму порівняно з амінною. Висновки. Вперше з використанням методів неемпіричної квантової хімії на рівні теорії MP2/6-311++G(2df,pd)// B3LYP/6-311++G(d,p) проведено вичерпний конформаційний аналіз низки класичних мутагенів – похідних цитозину. Ключові слова: точкові мутації ДНК, похідні цитозину, внутрішньомолекулярна таутомеризація, енергія активації Гіббса, структурна нежорсткість, аналіз топології електронної густини.

Aim. To determine the lifetime of the mutagenic cytosine derivatives through the investigation of the physicochemical mechanisms of their intramolecular proton transfer. Methods. Non-empirical quantum chemistry, the analysis of the electron density by means of Bader’s atoms in molecules (AIM) theory and physicochemical kinetics were used. Results. It is shown that the modification of all investigated compounds, except DСyt, prevents their pairing in both mutagenic and canonical tautomeric forms with a base which is an interacting partner. This effect can inhibit their mutagenic potential. It is also established that Watson-Crick tautomeric hypothesis can be formally expanded for the investigated molecules so far as a lifetime of the mutagenic tautomers much more exceeds characteristic time for the incorporation of one nucleotides pair by DNA biosynthesis machinery. Itseemsthat just within the frame of this hypothesisit will be possible to give an adequate explanation of the mechanisms of mutagenic action of N4-aminocytosine, N4-methoxycytosine, N4-hydroxycytosine and N4- dehydrocytosine, which have much more energy advantageous imino form in comparison with amino form. Conclusions. For the first time the comprehensive conformational analysis of a number of classical mutagens, namely cytosine derivatives, has been performed using the methods of non-empirical quantum chemistry at the MP2/6-311++G (2df,pd)//B3LYP/6-311++G(d,p) level of theory. Keywords: point mutations of DNA, derivatives of cytosine, intramolecular tautomerization, Gibbs energy of activation, structural non-rigidity, analysis of the electron density topology.

Цель. Определить время жизни мутагенных производных цито - зина, исследуя физико-химические механизмы их внутримолекулярной таутомеризации. Методы. Неэмпирическая квантовая химия, анализ топологии электронной плотности по Бейдэру, физико-химическая кинетика. Результаты. Показано, что у всех исследованных соединениях, кроме DСyt, модификация препятствует спариванию как в мутагенной, так и в канонической таутомерной формах с основанием – партнером по взаимодействию. Этот эффект может ингибировать их мутагенный потенциал. Установлено также, что на изученные молекулы формально распространяется таутомерная гипотеза Уотсона-Крика, поскольку время жизни их мутагенных таутомеров намного превышает характерное время, используемое машинерией биосинтеза ДНК на инкорпорацию одной пары нуклеотидов. Можно ожидать, что в рамках именно этой гипотезы удастся адекватно объяснить механизмы мутагенного действия N4-аминоцитозина, N4-метоксицитозина, N4-гидроксицитозина и N4-дегидроцитозина, так как эти мутагены имеют более энергетически выгодную иминную форму по сравнению с аминной. Выводы. Впервые с применением методов неэмпирической квантовой химии на уровне теории MP2/6-311++G(2df,pd)//B3LYP/6-311++G(d,p) проведен исчерпывающий конформационный анализ ряда классических мутагенов – производных цитозина. Ключевые слова: точечные мутации ДНК, производные цитозина, внутримолекулярная таутомеризация, энергия активации Гиббса, структурная нежесткость, анализ топологии электронной плотности.