ОСОБЕННОСТИ ТЕРМОДИНАМИКИ ВОДОРОДНОГО СВЯЗЫВАНИЯ

ОСНОВАНИЙ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ.

КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКИЕ ОЦЕНКИ[1]

 

Комаров В.М., Кабанов А.В., Хечинашвили Н.Н., Шаповалов А.В.

 

(Пущино)

 

 

Установление определяющих физических факторов зависимости вторичной структуры двухспиральных полинуклеотидов от первичной последовательности остается одной из ключевых проблем структурно-функциональной организации молекул ДНК. Крайне актуальным является теоретическое исследование влияния особенностей электронного строения компонентов нуклеиновых кислот на энергетику их ковалентного и водородного связывания.

В данном исследовании рассматриваются результаты дальнейшего теоретического развития модели нетривиального, некопланарного механизма Н-спаривания азотистых оснований в структуре нуклеиновых кислот. Решается задача о возможности идентификации и классификации разнообразных форм спаривания оснований по их термодинамическим характеристикам.

В своих предыдущих работах [1-4] мы показали, что наблюдаемое многообразие неплоских упаковок пар оснований в структуре двухспиральных полидинуклеотидов [5] может быть объяснено бистабильным характером строения пирамидальных амино групп оснований, вовлекаемых в процесс Н-связывания исходных, азотистых оснований. Основное состояние большинства известных типов спариваний оказывается вырожденным по отношению к внутренним перестройкам. Это вырождение инициирует у 28 возможных типов пар с двумя или тремя водородными связями в общей сложности 79 различных, преимущественно непланарных устойчивых геометрий спаривания.

Для уотсон-криковских AT(WC) и GC(WC) пар, например, характерным оказывается не один единственный вариант спаривания, как это считалось ранее, а шестикратное вырождение их комплементарности. В зависимости от ориентации N-H связей амино групп (“up” или “down” относительно плоскости основания) могут образовываться «пропеллероподобные» или «ступенькообразные», с зеркальной симметрией, конфигурации спаривания. Общий диапазон изменений геометрических параметров, характеризующих все деформированные структуры, оказывается довольно широким. Так, углы пропеллера в изученных структурах изменяются от ± 20 до ±350, а углы излома пар – от ± 20 до ±250. Величина же параллельного сдвига плоскостей оснований в конформациях типа «ступенька» может достигать ~ 1 A.

Наиболее четко отличия электронной структуры выявленных полиморфных форм пар проявляются, как показали наши спектроскопические оценки, через величины так называемых инерциальных дефектов D’ этих структур. Это наиболее чувствительный интегральный индикатор непланарности молекулярного образования. Рассчитанный по колебательно-вращательным характеристикам, он, для разных водородно-связанных комплексов, оказался изменяющимся в довольно больших пределах, от D’ = -4.0 (u·A2) до D’ = -185.0 (u·A2). Причем, если для сравнительно cлабо деформированнных (как правило “ступенькообразных” и “пропеллерододобных”, с малым углом пропеллера) структур эта величина лежит в пределах D’ = -4.0 ¸ -15.0 (u·A2), то для большинства довольно изогнутых пропеллеровых конфигураций она находится в диапазоне D’ = -20.0 ¸ -70.0 (u·A2). В уникальном случае сильно деформированной пары GG(II), с сумарной угловой деформацией порядка 600, величина D’ равна -185.0 (u·A2).

Таким образом, данный физический параметр вполне может быть использован для идентификации скрытого полиморфизма Н-связывания азотистых оснований.

Проявление в параметрах электронной структуры весьма значительных конформационных отличий разных типов спариваний должно определенным образом отразиться, на наш взгляд, и на особенностях их термодинамических свойств.

Для решения этой задачи мы использовали, как и ранеее, квантово-химическую полуэмпирическую технику MNDO-PM3, учитывая ее весьма высокую надежность в расчетах колебательно-вращательных характеристик рассматриваемых соединений. При этом, с учетом поправок на энергию нулевых колебаний молекул и комплексов, были оценены прежде всего энтальпии водородного связывания пар. Были также рассчитаны теплоты образования, удельные теплоемкости, абсолютные энтропии и измения Гиббсовых энергий всех 28 известных типов спариваний оснований. В данной методике, в приближении Лондона, были оценены вклады дисперсионных видов взаимодействий в энергетику водородного связывания оснований. Результаты оценок вместе с имеющимися литературными данными приведены в таблицах 1 и 2.

 

Таблица 1. MNDO-PM3 рассчитанные термодинамические параметры, DH0¦(2980K)(kcal/mol), СP0 (cal/K/mol), S00 (cal/K/mol), азотистых оснований.

 

Основание

DH0¦(2980K)

СP0

S00

G

7.37(~0.5)*

36.22

92.09

C

-13.92(-14±2)*

28.25

82.16

A

55.97(49±2)*

31.80

85.21

T

-76.47(-79±1)*

33.10

91.34

*– эксперимент (J.Phys.Chem.Ref.Data,(1988)17,Gas Phase In and Neutral Thermochemistry).

 

Прежде всего видно, что использованный нами подход позволяет вполне удовлетворительно описывает как экспериментальные данные по теплотам образования одиночных молекул азотистых оснований, так и по энтальпиям их водородного связывания. Величина энтальпии связывания является наиболее важным термодинамическим параметром, характеризующим стабильность рассматриваемых комплексов. При этом, в соответствии с экспериментом [6], получено уменьшение относительной устойчивости одиночных пар в ряду GC, CC, AT, TT в газовой фазе.

Вместе с тем, анализ полученных результатов дает возможность говорить и о значительном влиянии энтропийного фактора на процесс Н-спаривания оснований. Так, значение абсолютной энтропии заметно изменяется при переходе от наиболее прочного уотсон-криковского GC вида спаривания к неустойчивому, хугстеновскому типу спариванию, TT, увеличиваясь со 131 (cal/K/mol) до 147 (cal/K/mol). Кроме того, доминирование энтропии над изменением энтальпии связывания в ряду GC, CC, AT, TT хорошо прослеживается при сравнении полученных значений изменений Гиббсовых энергий образования пар.

Наиболее сильно термодинамические отличия разных типов пар проявляются, как следует из таблицы 2, через величины теплот образования. Но это и следовало ожидать, учитывая существенное различие энергетик образования исходных составляющих – аденина, тимина, гуанина и цитозина (таблица 1).

В тоже время из таблицы видно, что выявленный нами внутренний, структурный полиморфизм Н-спаривания изолированных оснований, по своим теплоемкостным и энтропийным параметрам, то есть по суммарным колебательным и вращательным характеристикам каждой из геометрических форм спаривания, оказывается практически слабо различимым.

Поэтому предложенный нами ранее спектроскопический параметр – инерциальный дефект, остается наиболее адекватным для физических задач идентификации различных непланарных структур в Н-спаренных комплексах пар.

Тем не менее, в целом, представленные результаты позволяют заключить, что отработка подобного рода оценок является крайне важным и плодотворным методическим моментом, особенно для комплексного, согласованного изучения роли различных факторов, в том числе и термодинамических, в структурной организации двухспиральных полидинуклеотидов.

Òàáëèöà 2. MNDO-PM3 ðàññ÷èòàííûå è ýêñïåðèìåíòàëüíûå çíà÷åíèÿ энергетических характеристик h-связанных пар  àçîòèñòûõ îñíîâàíèé.

 

DEHF -Хартри-Фоковское значение энергии Н-связей (kcal/mol);       DH0¦(2980K)- теплота образования пары, (kcal/mol);

DEZPE -энергия нулевых колебаний оснований в парах (kcal/mol);      Cp0 – удельная теплоемкость (в cal/K/mol);

DED - энергия дисперсионных взаимодействий (kcal/mol);                  S0 – абсолютная энтропия (в cal/K/mol)

DH00(2980K)- энтальпия водородного связывания (kcal/mol);              DG0  изменение Гиббсовой энергии пар (kcal/mol);

                            1- эксперимент [Б.И.Веркин и др. «Взаимодействия

                       биомолекул», Наукова думка, 1985, стр. 62];

                            2- теория [J.Sponer et al., Chemical .Physics. 204, 365 (1996)];

                   3- теория [I.R.Gould et al , J.Am.Chem.Soc., 116, 2493 (1994)];

u -означает “up”, d – означает “down”  ориентацию N-H связей амино группы относительно плоскости основания.

 

 


         Пара     Ориентация      -DEHF    -DED     DEZPE     -DH00                                     DH0¦      Cp0           S0          DG0

 


GC(WC)      du (ud)          11.67     10.21      0.60    21.28  (21.01)1 31.72 26.03    -  18.30    66.43    131.81     0.91

GC(WC)      dd (uu)          11.86     10.20     1.25     20.81  (21.01)   31.7  26.0        -18.42    66.28    131.41     0.91

CC                du (ud)            9.32      9.99      0.31     19.00  (17.52)  22.8                -37.16    59.52    127.30     1.71

CC                dd (uu)            9.40    10.10      0.42     19.08  (17.52)  22.8                -37.24    59.35    126.92     1.64

GA(I)           dd (uu)             7.77      9.86      1.20     16.43                                             56.16    70.09    136.68     4.33

GA(I)           du (ud)             7.72      9.85      1.13     16.44                                            56.21    70.20    137.00     4.29

AC(I)           dd (uu)             6.20      9.82      0.50      15.52                                       35.86    62.92    129.96     4.95

AC(I)           du (ud)             6.17      9.83      0.49      15.51                                       35.88    62.45    130.05     4.95

GC(I)           du (ud)             5.80      9.97      0.34      15.43                           -12.37    67.44    136.71     5.38

GC(I)           dd (uu)             5.79    10.00      0.36      15.43                                            -12.35    67.39    136.64     5.42

GA(III)        dd (uu)             7.00      9.42      1.12      15.30                                            56.93     70.21    136.91     5.04

GA(III)        du (ud)             6.93      9.37      1.06      15.24                                            57.00     70.30    137.36     4.97

AC(II)          dd (uu)            6.01      9.70       0.59      15.12                                            36.04     62.85    129.64     5.23

AC(II)          du (ud)            5.82      9.70       0.45      15.07                                            36.23     63.06    130.19     5.26

GG(I)           dd (uu)          10.53      5.78       1.28      15.03                              4.20     74.54    145.73     0.93

GG(I)           du (ud)          10.50      5.76       1.24      15.02                              4.23     74.60    145.85     0.93

 

 


         Пара     Ориентация      -DEHF   -DED    DEZPE     -DH00                                      DH¦       Cp0          S0         DG0

 


GG(III)          d   (u)            8.00      7.54       1.01      14.53                                     6.73     74.82    145.91     3.40

TA(RH)         d   (u)           6.82      7.98      1.00      13.80 (13.01) 16.0 13.5           -27.32    67.28    138.04    4.66

TA(H)            d   (u)           6.68      7.97      0.95      13.70 (13.01) 15.8 13.5          -27.18    67.36     138.34    4.71

GA(IV)        du (ud)           4.20      9.79      0.46       13.53                                      59.73    70.88    140.02     6.91

GA(IV)        dd (uu)           4.13      9.79      0.49       13.43                                      59.81    70.83    139.72     7.08

GA(II)         dd (uu)           3.87      9.85      0.53       13.19                                       60.06    70.78    139.77    7.01

GA(II)         du (ud)           3.73      9.79      0.46       13.06                                       60.21    70.90    140.51    7.24

AA(I)           du (ud)           4.06      9.64      0.57       13.13                                    107.88     66.42    133.11    7.06

AA(I)           dd (uu)           4.05      9.65      0.63       13.07                                    107.88     66.40    132.99    7.09

 

TA(RWC)     d   (u)           5.84      8.00      0.93       12.91 (13.01) 17.6 12.5        -26.34    67.33     138.39     5.53

AA(II)         dd (uu)           3.97      9.59      0.67       12.89                                    107.97    66.29    132.89     7.21

AA(II)         du (ud)           3.77      9.56      0.51       12.82                                      108.18    66.53    133.60     7.2

TA(WC)        d   (u)           5.22      8.02      0.75       12.49 (13.01) 17.3 12.5         -25.72    67.26    138.13     5.70

GG(IV)        du (ud)           2.52      9.84      0.32       12.04                                     12.22    75.40    147.56     8.40

GG(IV)        dd (uu)           2.36      9.90      0.23       12.03                                     12.37    75.40    147.20     8.65

TC(II)            d   (u)           4.01      7.66      0.20       11.47                                   -94.40    64.18     136.34    7.06

AA(III)        dd (uu)           2.44      9.23      0.47       11.20                                   109.51    66.56    134.73     8.21

AA(III)        du (ud)           2.47      9.23      0.52       11.18                                   109.47    66.49    135.12     7.99

TC(I)             d   (u)           4.27      7.66      0.94       10.99                                    -94.66    63.80    135.45     7.07

GG(II)           d   (u)           5.15      6.80      0.97       10.98                                       9.58    74.96    147.17     5.88

GT(II)           d   (u)           6.20       5.31     0.56       10.95                                    -75.32    71.90    146.82     4.70

GT(I)             d   (u)           6.19       5.37     1.16       10.40                                          -75.31   71.71     146.80     4.72

GC(II)           d   (u)           4.55       6.73     0.89       10.39                                    -11.11    67.08    138.75     6.03

TT(I)                                  4.26       5.05     0.52         8.79 (9.01)  14.5              -157.21    69.00    148.06     6.04

TT(III)                               4.61       5.05     1.11         8.55 (9.01)  15.1              -157.55    68.70    147.42     5.90

TT(II)                                 4.15       5.07    1.15         8.07 (9.01)  12.6              -157.09    68.66     147.28     6.40

Литература.

1.     Комаров В.М., Мевх Н.Г. Ж.Физич.химии. – 1995. 69, 1419.

2.     Комаров В.М. Биофизика. – 1998. 43, 967.

3.     Комаров В.М., Кабанов А.В., Лазарев Ю.А., Шаповалов А.В. // Сборник трудов “Математика, компьютер, образование”. М.: Прогресс-традиция, 1999. – Вып. 6. – С. 405.

4.     Komarov V.M. J.Biol.Phys. – 1999. 24, 167.

5.     Зенгер В. Принципы структурной организации нуклеиновых кислот. – М.: Мир, 1987.

6.     Веркин Б.И., Янсон И.К., Суходуб Л.Ф., Теплитский А.Б. Взаимодействия биомолекул. – Киев: Наукова думка, 1985. – С. 62.

 


[1] Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант № 99-04-48162.