Визначення основних механізмів перетворення біологічно-важливих пар
основ є глобально-важливим завданням для встановлення механізму та природи
точкових мутацій. Першопричиною виникнення спонтанних точкових мутацій є
утворення неправильних пар основ ДНК у кишені впізнавання ДНК-полімерази.
Тривалий час існувала думка, що мутації в організмі людини відбуваються тільки
внаслідок зовнішніх чинників, таких як УФ-випромінювання, іонізація,
радіоактивні впливи тощо. Але дослідження природи структури ДНК показало,
що всередині молекули відбуваються самостійні перетворення, зумовлені
перенесенням протону через водневі зв’язки. Однією з теорій виникнення мутацій
є таутомерна теорія, запропонована ще у 1963 році Льовдіним. Його
припущення витікало зі здатності основ нуклеотидів до таутомеризації, а саме
переходу пар основ у протонований стан G*·C* (зірочкою позначається
протонована основа. Пара протонованих основ називається Льовдінівською). За
його теорією, протонована основа призводить до утворення мінорної пари основ
під час реплікації. Така гіпотеза дала поштовх дослідженням існування мінорних3
таутомерних форм пар основ. На сьогодні вже показано велику кількість не ВотсонКриківських механізмів спарювання основ інструментальними методами.
Наразі вважається, що мутагенний ефект властивий лише для тих пар основ,
час життя яких відповідає проміжку часу між реплікаціями, що становить близько
10-10 с. Визначено, що А·Т пари основ дисоціюють раніше, ніж починається
наступний процес реплікації, а G·C пари основ здатні перетворюватися у
Льовдінівські і призводити до мінорних пар основ під час наступного циклу
реплікації.
Встановити факт перенесення протону в одній конкретній парі основ, що
входить до складу нуклеїнової кислоти емпіричними методами дуже важко. Тому
для моделювання глибинних механізмів таутомерних переходів широко
застосовують неемпіричні (ab initio) квантово-хімічні розрахункові методи.
Ця дисертаційна робота має на меті дослідити механізми таутомерної і
конформаційної мінливості канонічних пар основ G·C за допомогою квантовохімічних розрахунків та встановити нові таутомерні структури пар основ G·C.
За допомогою квантово-хімічних підходів було змодельовано понад 50
механізмів таутомерних і конформаційних переходів пар основ, виявлено перехідні
стани їх взаємного перетворення, а також встановлено понад 80 нових таутомерних
і конформаційних варіацій пари основ G·C. Усі розглянуті механізми слід
розглядати як процеси, що відбуваються у гідрофобній кані полімерази.
Геометрії всіх досліджених пар основ ДНК та перехідних станів були
оптимізовані за допомогою пакета Gaussian’09.
За допомогою квантово-хімічних розрахунків були досліджені різноманітні
форми пар основ G·C та шляхи їх перетворення. Об’єкти дослідження були
оптимізовані за допомогою теорії функціоналу густини (DFT) за нормальних умов
(ε=1, T=298,15 K), на рівні теорії B3LYP/6-311++G(d,p). Врахування кореляційних
ефектів проводилися розрахунками енергій в одній точці, на рівні теорії MP2/6-
311++G(2df,pd).
Вільна енергія Гіббса реакції G розраховувалася на рівні теорії, на якому
відбувалася оптимізація. Для усіх досліджених структур, на рівні теорії B3LYP був
застосований коефіцієнт корегування 0,9668, а на рівні МР2 – 0,9531.
Перехідні стани таутомерних перетворень пар основ G·C ідентифікували
методом синхронного квазіньютонівського направленого перенесення STQN
(Synchronous Transit-guided Quasi-Newton). Відповідність стаціонарних точок
перехідному стану (TS) на гіперповерхні потенціальної енергії (PES)
встановлювали за наявності уявних частот (νi) у їх коливальних спектрах.
Шлях перебігу реакції таутомеризації визначали, розраховуючи зміни
системи від перехідного стану у прямому та зворотному напрямках вздовж
внутрішньої координати реакції (IRC) за інтеграційним алгоритмом HPC (Hessianbased predictor-corrector integration algorithm). Енергію взаємодії (Eint) в парах основ
визначали як різницю між енергією димера основ та енергій, розрахованих окремо
для кожної основи. Для аналізу розподілу електронної густини застосовано
квантову теорію Бейдера «Атомів у молекулах» (QTAIM), використовуючи
пакет AIMAll [13] з врахуванням хвильових функцій, отриманих на рівні теорії
MP2/6-311++G(2df,pd)//B3LYP/6-311++G(d,p). Для оцінки бар'єрів активації та
зворотних бар’єрів реакцій таутомеризації застосовували стандартну теорію
перехідних станів.
Нуклеотидні пари основ G·C були досліджені за участі мономерів у рідкісних,
частково мутагенних, таутомерних формах. Усі нові таутомерні трансформації
(воблізація або зсув основ у парах) зумовлені внутрішніми властивостями G·C
нуклеотидних пар основ, усі конформаційні перебудови пов’язані з обертанням пар
основ відносно одна одної без перенесення протону.
