Определение таутомерного состава аденина в различных фазовых состояниях методами ИК и УФ спектроскопии

Щербаков, Роман Сергеевич

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Определение таутомерного состава аденина в различных фазовых состояниях методами ИК и УФ спектроскопии
ВАК РФ 03.01.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Определение таутомерного состава аденина в различных фазовых состояниях методами ИК и УФ спектроскопии"

На правах рукописи

Щербаков Роман Сергеевич

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТАУТОМЕРНОГО СОСТАВА АДЕНИНА В РАЗЛИЧНЫХ ФАЗОВЫХ СОСТОЯНИЯХ МЕТОДАМИ ИК И УФ СПЕКТРОСКОПИИ

03.01.02 -Биофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Саратов-2013

11 СЕН 2013

005533057

Работа выполнена на кафедре физики и методико-информационных технологий Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

профессор, д.ф-м.н., Бурова Татьяна Геннадиевна

профессор, д.ф.-м.н. Кудряшова Надежда Степановна, ведущий научный сотрудник, Институт биофизики Сибирского отделения РАН;

профессор, д.ф.-м.нБабков Лев Михайлович, зав. кафедрой

теоретической физики, Саратовский государственный университет

Ведущая организация:

Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН

Защита диссертации состоится 23.09.2013 г. в 17:30 в ауд. 34 III корпуса СГУ на заседании диссертационного совета Д 212.243.01 в Саратовском государственном университете по адресу: 410012, г. Саратов, ул. Астраханская, 83

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной Научной библиотеке СГУ имени В.А. Артисевич

Автореферат разослан £ / ь-^б1 2013 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета В.Л.Дербов

д.ф.-м.н., профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из важнейших фундаментальных задач биофизики, медицины и молекулярной биологии является изучение структуры и свойств ДНК, в том числе - определение механизмов спонтанных мутаций. Согласно современным представлениям спонтанное возникновение мутаций является результатом таутомерии оснований нуклеиновых кислот (ОНК), что делает весьма актуальным исследование таутомерного состава и таутомерных превращений оснований нуклеиновых кислот в разных фазовых состояниях.

Применение методов оптической спектроскопии для определения таутомерного состава ОНК позволяет изучить структурно-динамические и таутомерные превращения молекул ОНК по их спектральным проявлениям, базируясь на использовании связи «структура-спектр», и предполагает описание биологических молекул как квантовых систем, сочетая теоретические квантово-механические методы исследования с экспериментальными методами. При этом наряду с традиционным использованием ИК спектров поглощения для исследования таутомерного состава в данной работе рассмотрены спектры комбинационного рассеяния (КР), резонансного комбинационного и гиперкомбинационного рассеяния (РКР и РГКР) и спектры двухфотонного поглощения (ДФП). Это позволило всесторонне исследовать взаимосвязь спектра и структуры, сопоставить выводы, полученные на основе анализа различных видов спектров, сделать их более обоснованными и достоверными.

Кроме того, следует учесть, что ранее почти не использовавшиеся для изучения таутомерии ОНК спектры РКР и РГКР обладают рядом преимуществ по сравнению с ИК спектрами поглощения, что делает их использование при анализе таутомерных свойств особенно целесообразным. Одним из достоинств является возможность исследования водных растворов, т.е. основания ДНК исследуются в естественной для них среде. Другим важным преимуществом является чувствительность спектров резонансного характера к крайне малым количествам вещества, что дает возможность определять таутомерный состав даже в тех случаях, когда равновесие незначительно смещено в сторону одного из таутомеров. Таким образом, привлечение теоретических и экспериментальных методов оптической спектроскопии для определения таутомерного состава и таутомерных превращений ОНК, как и само изучение таутомерии ОНК, является весьма актуальным.

Основной целью работы является определение таутомерного состава одного из простейших оснований нуклеиновых кислот - аденина- в газовой фазе и в водном растворе с помощью методов оптической спектроскопии.

Для этого необходимо решить следующие задачи:

1. Провести расчеты спектров ИК-поглощения, KP, РКР, резонансного гиперкомбинационного рассеяния и двухфотонного поглощения различных таутомерных форм аденина;

2. Получить экспериментальные спектры KP и РКР аденина в водном растворе и в газовой фазе при возбуждении лазерным излучением различных длин волн;

3. Определить таутомерный состав аденина в различных фазовых состояниях путем сравнения теоретических и экспериментальных данных по всем видам спектров.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Впервые экспериментально получены спектры РКР аденина в газовой фазе при длинах волн возбуждающего излучения 266, 218 и 200 нм. В спектрах РКР аденина в водном растворе исследованный диапазон частот колебаний расширен до области 600-1800 см"1 при длинах волн возбуждающего излучения 266,218 и 200 нм;

2. Впервые проведены квантово-механические расчеты спектров РКР, РГКР и двухфотонного поглощения таутомерных форм Ade-NjH (am), Ade-N7H (am) и Ade-N9H (im) в газовой фазе и Ade-N9H(am), Ade-N7H(am), Ade-Ni,N9H+, Ade-N7,NiH+ в водном растворе, а также квантово-химические расчеты спектров ИК поглощения и спектров KP названных таутомеров;

3. Установлентаутомерный состав аденина в газовой фазе и в водном растворе на основе анализа экспериментальных данных и результатов расчетов спектров ИК поглощения, KP, РКР, РГКР иДФП различных таутомерных форм;

4. Разработан программный продукт SSUSpectra, позволяющий усовершенствовать процесс обработки, передачи и преобразования данных при расчетах оптических спектров; дополнить результаты, полученные с помощью комплексов Gaussian и Grams, возможностями изменения полуширины линии с сохранением интегральной интенсивности, моделирования спектров смесей и растворов, наглядного представления результатов.

На защиту выносятся следующие положения и результаты:

1. В изолирующей матрице и газовой фазе одновременно существуют три таутомера - Ас1е-ЫдН(ат), Ас1е-Ы7Н(ат) и Аёе-№)Н (¡т) - с доминированием аминной формы Аае-^Щат);

2. В водном растворе (рН=3) существуют три структуры - Аск-^Щат), Аёе-Ы7Н(ат) и Аёв-Ыь^Н*, с доминированием последней; возможно наличие малого количества Ас1е-

3. Результаты квантово-механических расчетов и полная интерпретация ИК спектров поглощения, спектров КР и РКР, резонансного гиперкомбинационного рассеяния и двухфотонного поглощения трех таутомероваденина в газовой фазе и четырех таутомеров в водном растворе;

4. Результаты экспериментальных исследований спектров РКР аденина в газовой фазе и в водном растворе при длинах волн возбуждающего излучения 266, 218 и 200 нм, а также спектров КР водного раствора аденина при длине волны возбуждающего излучения 457 нм.

Апробация работы.

Результаты работы доложены на Международной конференции по спектроскопии комбинационного рассеяния 1С(Ж8-2010 (Бостон, США), Международной конференции «Актуальные вопросы биологической физики и химии. БФФХ-2013» (Севастополь, Украина) и Международной конференции «Информационно-вычислительные технологии в решении фундаментальных проблем и прикладных научных задач химии, биологии, фармацевтики и медицины» (http://www.ivtn.ru/2009/biomedchem'). Публикации

По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе - 1 статья в зарубежном журнале, 4 статьи в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК, 4 тезисов докладов на международных конференциях, свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Личный вклад автора

Все представленные в работе расчеты выполнены лично автором,результаты и выводы обсуждены с научным руководителем и соавторами по публикациям, экспериментальные исследования проведены в составе научной группы при непосредственном участии автора.

Достоверность результатов исследования подтверждена совпадением выводов, полученных при анализе различных видов спектров и использовании различных методов расчета, а также соответствием результатов расчетов экспериментальным данным, в том числе - данным других авторов.

Практическая значимость работы.

Результаты расчетов спектров КР, РКР, РГКР и ДФП различных таутомероваденина служат основой для изучения димеров и молекулярных пар, составленных молекулами оснований нуклеиновых кислот, а также используются при проведении дальнейших теоретических исследований структуры и свойств ОНК.

Полученные выводы о таутомерном составе аденина в различных фазовых состояниях могут использоваться при решении задач биофизики, химии, биологии и медицины, в частности - при исследовании механизмов мутаций ОНК, изучении хода химических реакций, в также в фармацевтике при создании новых лекарств.

Разработанный программный продукт SSUSpectra является универсальным средством обработки, передачи и преобразования данных, что позволяет использовать его при анализе всех видов оптических спектров, а дополнительные возможности, предоставляемые SSUSpectra по сравнению с распространенными программными комплексами, обеспечивают его перспективность и востребованность.

Результаты работы использованы при проведении научных исследований и в учебном процессе на кафедре физики и методико-информационных технологий Саратовского государственного университета.

Структура и объем диссертации. Диссертация содержит введение, четыре главы, выводы, список использованных источников и приложение, общий объем работы — 180 страниц печатного текста.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель, задачи, научная новизна работы, положения, выносимые на защиту.

В первой главеобсуждено явление таутомерии иего роль при исследовании ОНК; обоснована целесообразность использования методов оптической спектроскопии для изучения таутомерного состава, приведен краткий обзор современных методов расчета спектров биомолекул.

Вторая глава содержит результаты теоретических и экспериментальных исследований одного из оснований нуклеиновых кислот - аденина (Ade) - в газовой фазе.

Квантово-химическим методом DFT в приближении B3LYP/6-311++G(d,p) [1] рассчитаны колебательные ИК спектры поглощения таутомеровАбеаминной формы (am), протонированных по положениям N9 и N7, а также иминной формы (im) таутомера Ade-N9H. Молекулярные диаграммы указанных таутомеров с обозначением атомов приведены на рис.1.

Частоты и относительные интенсивности линий, соответствующие возбуждению

плоских одноквантовых колебаний в области до 3000 см"1, приведены в табл.1. Сравнение результатов расчётов ИК спектровАйе-ЫдЩат), Ade-N7H(am) и Ade-NgH (im) с данными экспериментальных исследований [2-3] показали несостоятельность предположения о присутствии в газовой фазе только одного таутомераАёе-ЫдН (am), т.к. в этом случае не удается объяснить природу происхождения в экспериментальном спектре Ade двух сильных по интенсивности полос поглощения с частотами 583 и 591 см"1, а также провести интерпретацию целого ряда слабых по интенсивности полос поглощения практически во всей рассматриваемой спектральной области.

1 2 3

Рис. 1. Молекулярные диаграммы Ade-N9H(am) (1), Ade-NvH(am) (2) и Ade-NsH(im) (3)

с обозначением атомов

Так, появление в экспериментальном ИК спектре Ade полос плоских колебаний с частотами 1032, 1078, 1127, 1334, 1358, 1389, 1599, 1645 и 1017, 1133, 1229, 1618, 1693 см"1 можно объяснить лишь присутствием в изолированном состоянии TayTOMepoBAde-NyH (am) и Ade-NgH (im), причём вычисленные относительные интенсивности рассматриваемых полос поглощения соответствуют экспериментальным. Полосывысокой интенсивности с частотами 583и 591 см"', согласно выполненному расчёту, интерпретированы как отвечающие неплоским колебаниям выхода связей СС и CN из плоскости пуринового кольца для Ade-N9H и Ade-N7H. Колебания в области 850—970 см"1 отвечают неплоским колебаниям связей CsH и СгН, причём предположение о присутствии в изолированном состоянии TayTOMepoBAde-NvH (am) и Ade-NgH (im) позволило провести интерпретацию всех низкочастотных полос поглощения экспериментального ИК спектра Ade. Т.о. проведенные расчеты позволяют утверждать о присутствии в газовой фазе трёх таутомерных структур Ade, а именно: Ade-N9H (am), Ade-N7H (am) и Ade-N9H (im).

Следующий этап, заключался в экспериментальном и квантово-механическом исследовании спектров РКР Ade в газовой фазе.

Экспериментальное исследование спектров РКР аденина проводилось на базе лаборатории спектроскопии и аналитической химии университета штата Нью-Йорк в Олбани. Аденин для экспериментов был получен от компании Sigma. Спектры РКР Ade в

Таблица 1. Экспериментальные и вычисленные значения частот (уэ, ур, см"1) и

интенсивностей ИК спектров (/р, км/моль) Аёе-^Щат), Ade-N7H(am) и Ade-N9H (¡т)

Ade Аае-ВД(шп) Аёе-^Щат) Отнесение Ade-N9H (¡ш)

^[3] V, [21 I, т I* /Р 4 Отнесение

270 т 276 12 277 11.1 287 0.4 Р(С6К10) 302 2.2 3(С6К,„)

515 520 4.5 524 2.0 }у 511 3.3 }у

532 1.8 535 49.2 529 20.7

600 vw 610 5 619 0.7 614 0.7 У 606 5.5 У

717 5 725 2.4 725 2.7 708 7.2 д

887 8 900 12.2 894 13.7 У 907 4.6 У

926 vw 927 13 944 14.5 947 2.3 У 952 3.9 У

1005 9 1008 АЛ }<3, р(мн2)

1018 т 1017 4 1018 75.7 Р(С6К,оН)

1053 ЛУ 1032 27 1032 30.6

1065 w 1061 13 1079 21.1 № Р(№>Н), Р(С8Н)

1078 1 1091 25.2 1080 19.9 д, Р(Н,Н),Р(С8Н)

1126 XV 1127 6 1124 9.3 }<3, Р№(7,Н), Р(С8Н)

1133 7 1143 23.2 1140 7.4 Р(М,Н)

1234 8 1229 13 }<3,Р(С8Н), Р№,7)Н) 1190 128.9 РОТН),Р(С8Н)

1240 28 1242 14.9 1234 10.1

1246 9 1267 27.1 }<3, р(с2н>, Р(С8Н) 1262 13.3 С}, Р0ЧшН),Р(С8Н)

1280з 1290 68 1327 75.4 1285 12.3 1301 7.5 д, Р№н), Р(С8Н), Р(К,„Н)

1326 5 1328 40 1356 40.8 1307 0.3

1334 7 1353 23.1 1359 3.8 Р(С2Н), Р(С8Н), Р(К,Н)

1346 т 1345 21 1364 25.6 }<3, Р(С8Н)

1358 2 1377 22.7

1389 45 1389 87.9 Р(с2н) 1396 28.5 0, Р№„Н)

1415 8 1419 49 1415 14.1 1418 173.9 }д, РО'9(7)н) 1404 16.8 0, Р(ВД, Р(С2Н)

1421 БЪ 1433 20.4 1444 20.6 д, Р(к,н), Р(С,Н)

1468з 1474 71 1501 85.3 1503 21.8 }<?, р(с2н) 1476 5.2 о, Р(м,н)

1482 11 1513 8.2 1527 38.9 Р(С8Н) 1519 14.3 0, Р(С8Н)

1599 49 1608 14.2 1588 134.5 }д, р(кн2) 1587 69.1 0, Р№Н)

1612 219 1634 118.6 1622 92.2 д, Р(С2Н)

1618 БЬ

1625 уз 1633 447 1641 37.2

1639 1657 654.3 Р(мн2)

1645 33 1663 398.0

1693 11 1719 598.3 д, р(м,н)

газовой фазе сняты на длинах волн возбуждающего излучения 266, 218 и 200 нм при температуре 300°С. Излучение на длине волны 266 нм представляло собой четвертую гармонику HaHoceKyflHoroNd:YAG лазера. Излучение на длинах волн 218 и 200 нм было получено за счет ВКР-преобразования четвертой гармоники Nd:YAG лазера во вторую и третью анти-Стоксовы компоненты в кювете со сжатым водородом. Для нагревания Ade и поддержания его температуры на постоянном уровне использовался специально изготовленный нагреватель. Ade помещался в кювету, сделанную из супразиловой ЯМР-трубки, которая затем откачивалась и запаивалась.Спектры РКР аденина в газовой фазе представлены на рис. 2.

Для теоретического описания распределения интенсивностей в спектрах РКРтаутомеровАёе был использован метод прямого квантово-

механического расчета спектров на основе адиабатической модели в приближении Герцберга-Теллера [4-5].При расчёте распределения интенсивностей в спектрах РКР таутомерных форм Ade-NjHiam), Ade-N7H(am) и Ade-N9H (im) рассматривались случаи резонанса частоты возбуждающего излучения с частотами трех длинноволновых синглет-синглетных переходов.

Вычисления проводились с учетом вклада пяти ближайших к «резонансному» возбужденных

электронных состояний (ВЭС) в величину компонент тензора рассеяния. Результаты расчета для наиболее интенсивных линий приведены в табл.2 вместе с данными эксперимента.

Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными позволило сделать выводы о таутомерном составе аденина в газовой фазе, полностью подтверждающие выводы, полученные в результате исследований ИК спектров поглощения, а именно: присутствие Ade-N7H(am) и Ade-NgH (im) таутомерных форм с доминированием Ade-КдНамипнойформы. Возможность присутствия Ade-N7H(am) в малой концентрации

600 80 О 1000 1200 1400 1600 1SÜ<

V, СМ"'

Рис.2. Спектры РКР паров аденина при температуре 300°С, записанные на длинах волн возбуждающего излучения 266, 218 и 200 нм.

обусловлена как общим характером распределения интенсивности, так и наличием характерных для Ade-N7H(am) линий с частотами 785 см"'и 1301 см'1 в спектре, возбуждаемом излучением с длиной волны 266 нм. О присутствии в газовой фазе иминнойформы Ade-N9H можно судить по превалирующей роли в спектре РКР, возбуждаемом излучением с длиной волны 218 нм, интенсивной линии с частотой 912 см"1., а также по наличию линий с частотами 694 и 618 см"1,относящихся к Ade-N9H (im).

Таблица 2. Рассчитанные и экспериментальные спектры РКР аденина в газовой фазе

Отнесение Частота (см"1) Относительная интенсивность

Расчет Ade- N9H(am) Расчет Ade- N9H(im) Эксперимент Расчет Ade- N9H(am) Расчет Ade- N9H(im) Экспери мент

218 нм

v8 1608 1587 1615 0.12 0.05 0.14

V9 1513 1519 1559 0.08 0.03 0.09

Vl3 1364 1396 1373 0.10 0 0.09

Vis 1327 1301 1281 0.15 0 0.12

V20 1008 1018 1010 0.10 0.02 0.07

V21 944 952 934 0.12 0.19 0.10

V22 900 907 912 1.0 1.0 1.0

V23 725 - 774 0.76 - 0.45

V23 - 708 694 - 0.18 0.12

V24 619 - 656 0.41 - 0.35

V24 - 606 618 - 0.11 0.23

266 нм

Отнесение Расчет Ade- N9H(am) Расчет Ade- N7H(am) Эксперимент Расчет Ade- N9H(am) Расчет Ade- N7H(am) Экспери мент

V15+ V23 2052 2032 2036 0.17 0.09 0.2

Vg 1608 1588 1610 0.11 0.05 0.1

vio 1501 1503 1490 0.39 0.12 0.5

2v23 1450 1450 1464 0.42 0.44 0.2

Vl3 1364 1377 1373 0.87 0.16 0.7

Vl4 1356 1353 1364 0.62 0.04 0.6

V23+ v24 1344 1339 0.42 0.14

Vis 1327 - 1327 0.66 0.5

Vis 1307 1301 0.11 0.1

Vl6 1267 1282 0.19 0.6

Vl7 1242 1234 0.23 0.65

2v24 1238 1228 1204 0.41 0.17 0.3

V20 1008 1032 1019 0.12 0.07 0.3

V26+ V27 797 811 785 0 0.12 0.3

V23 725 725 729 1.00 1.00 1.0

V24 619 614 601 0.64 0.27 0.8

Третья глава посвящена определению таутомерного состава аденина (Ас1е) в водном растворе (рН=3) путем экспериментального изучения КР и РКР спектров и теоретического исследования спектров таутомеровАёе-К9Н, Аск-^Н и их катионов АсЫ^Т^Н4", Ade-N7,N]H+.

Спектры нерезонансного КР на длине волны 457 нм записывались на микроскопе КР 1пУ1а от компании К.еш8Иа\¥. Для приготовления экспериментальных образцов порошок аденина растворялся в дистиллированной воде, затем рН раствора доводился до значения 3. Концентрация аденина составляла 15 мМ. Спектры РКР на длинах волн возбуждающего излучения 200, 218 и 266 нм(диапазон колебательных частот 600-1800 см"1) записывались на спектрографе КР, оптимизированном для работы в УФ и глубокой УФ области при концентрации аденина5 мМ.

Расчёт структуры и колебательных спектров КР тayтoмepoвAde-N9H, Ade-N7H и их катионов Ade- ^Т^Н'1", Ade- молекулярные диаграммы которых представлены на

рис. 3, проводился квантово-химическим методом ОБТ с помощью программ Оаи$81ап-О3 [1]. Гармонические колебания рассчитывались в приближении ВЗЬУР/6-ЗПН-Ю^.р),использующем диффузные функции. Для учёта влияния воды как растворителя на колебательные спектры рассматриваемых молекулярных структур использовалась модель

12 3 4

Рис. 3. Молекулярные диаграммы Ade-NgH (1), Ade-N7H (2) и катионов Ade- N9NiH+ (3), Ade- N7NiH+ (4) с обозначением атомов

реактивного поля (диэлектрическая проницаемость £=78.39, метод SCRF). Как показывает расчёт и сравнение полных энергий рассматриваемых молекул, наиболее стабильными являются структуры Ade, протонированные по положению N9, независимо от фазового состояния и ионной формы. При этом разность энергий таутомеровЫ9Н и N7H в водном растворе уменьшается в 3—5 раз по сравнению с изолированным состоянием, а величина дипольного момента для TayT0Mep0BAde-N7H и катиона Ade- N7NiH+, напротив, увеличивается по сравнению с Ade-N9H и Ade- NgNiH4" в 3 раза. Это свидетельствует о том, что в воде одновременно могут существовать TayTOMepbiAde-N9H и Ade-N7H.AHanH3 структурных изменений |показал, что в водном растворе происходит сближение

геометрических параметров Ade-NsH и Ade-NyH и их катионов, при этом длины связей пуриновых колец Ade-N9H и Ade-N7H, а также связей СН и NH увеличиваются по сравнению с изолированным состоянием.

Результаты расчетов спектров КР вместе с данными эксперимента показаны на рис.4. Анализ частот и интенсивностей экспериментального спектра показывает, что в областях, где имеются наиболее интенсивные линии спектров КР для TayTOMepoBAde-NciH, Ade-NyH и их KaTHOHOBAde-N9,NiH+, Ade-N7,NilT, а именно в области ~ 720, 1300,1420 и 1500 и 1600 см"1, наблюдается расщепление линий. Например, колебание 17 имеет три близко расположенных линии с частотами 720, 721 и 722 см"1. Это указывает на присутствие в колебательном спектре нескольких (не менее 3-х) молекулярных структур, а сам спектр является суперпозицией нескольких спектров.

Как показали расчёты, присутствие небольшого

(5—10 %) количества TayTOMepaAde-NvHn его

катиона Ade-N7,NiH+ позволяет выполнить отнесение целого ряда линий во всем спектральном диапазоне,

однако однозначное

определение их присутствия в водном растворе

целесообразно провести с

«whmaJVJ W

использованием резонансного комбинационного принимая во чувствительность

спектров

рассеяния, внимание спектров

Рис. 4. а) Экспериментальный КР спектр аденина в воде (рН=3, Хвозв =457 нм); б) Вычисленный спектр KPAde-N9H (20%) и Ade-N9,N]H+ (80%) в воде (расчёт ЭС^)

РКР к малейшим изменениям структуры молекулы.

Спектры РКР таутомероваденина, протонированных по положениям^ и N7, и их катионов рассчитаны с помощью квантово-механического метода аналогично расчетам в газовой фазе при длинах волн возбуждающего излучения 266, 218 и 200 нм.Полученны

АДе-Н-гН

км U, L

У'« ! ----

s m i im ms Hm

Рис.5. Рассчитанные спектры таутомеров Ade и экспериментальный спектр РКР Ade в йодном растворе при длине волны инициирующего излучения 266 нм

значения относительных интенсивностей линий удовлетворительно соответствуют экспериментальным данным (рис.5). Большинство линий высокой и средней интенсивности описывается возбуждением колебаний Ade-Nsfl и катиона Ade-N9,NiH+, при преобладании вклада катиона Ade-N9,NiH+. Присутствие в водном растворе Ade-N7H и катиона Ade-N7,^^проявляется в наличии характерных линий с частотами 1104 см"' (Ade-N7,NiH+), 1087 и 1134 см"1 (Ade-N?!!). При этом спектр катиона Ade-N7,NiH+ оказывается значительно слабее остальных спектров, что свидетельствует о крайне малом содержании этого катиона в водном растворе в условиях эксперимента.

На основе проведенного анализа выявлен таутомерный состав аденина в водном растворе (рН=3). Обосновано одновременное существование трех структур - Ade-N9H, Ade-N7H и Ade-Ni,N9H+, с доминированием последней; показана возможность наличия малого количества Ade-N7,NiH+. Выводы, основанные на результатах исследования спектров РКР, не противоречат результатам изучения спектров КР и дополняют последние обоснованием наличия Ade-N7H и возможности незначительного содержания катиона Ade-N7,NiH+ в водном растворе.

В четвертой главе приведены результаты квантово-механических расчетов спектров РГКР всех ранее рассмотренных таутомерных форм аденина как в газовой фазе, так и в водном растворе при длинах волн возбуждающего излучения 266, 218 и 200 нм. Рассчитаны также относительные интенсивности линий спектров ДФП всех изучаемых таутомеров в области второго, третьего и четвертого п-к* переходов. Использование квантово-механического метода [4-5] позволило описать спектры РКР, РГКР и ДФП с единых позиций на основе общего набора параметров. Получены значения относительных интенсивностей линий, соответствующих возбуждению

одноквантовыхполносимметричных колебаний, их обертонов и комбинаций.

Наиболее интенсивные линии спектра РГКР аденина в водном растворе, возбуждаемого лазерным излучением с длиной волны 266 нм, приведены в табл.3. Сравнение результатов расчетов с имеющимися в литературе экспериментальными данными [6], а также сопоставление распределения интенсивностей в спектрах РКР и РГКР подтверждают выводы о таутомерном составе аденина в газовой фазе и водном растворе, полученные при анализе спектров ИК-поглощения, КР и РКР.

В данной главе описан также авторский программный продукт SSUSpectraO, созданный в качестве инструмента для быстрой и удобной обработки результатов расчетов, полученных в рамках исследования таутомерного состава оснований нуклеиновых кислот, а также для удобства работы со спектрами при написании научных публикаций.

Основные возможности SSUSpectra состоят в следующем: 1) изменение полуширины линии с сохранением интегральной интенсивности; 2) моделирование спектров смесей и растворов в любых концентрациях посредством совершения простейших математических операций со спектрами; 3) получение и обработка спектров ИК-поглощения и KP из файлов листингов других программных продуктов (например,Gaussian 98, Gaussian 03, Gaussian 09); 4) сохранение данных как в графическом и текстовом формате, так и в виде XML таблицы (файл MicrosoftExcel),5) работа с полученными данными при помощи стороннего программного обеспечения, в частности -Matlab, MicrosoftOffice.

Таблица 3. Рассчитанные и экспериментальные спектры РГЬСР аденина в водном растворе при длине волны инициирующего излучения 266нм

Частоты, (см-1) Относительные интенсивности

Ade-N9,NIH+ Ade- n7,n,h+ Ade-N9H Ade-N7H Ade-Ng.Niif" Ade-N7,NIH+ Ade-N9H Ade-N7H Экспер. [6]

1608 1608 1613 1612 0.23 0.03 0.09 0.59 0.4

1565 1561 1587 1579 0.1 0.02 0.11 0.08 0.1

1513 1521 1505 1508 0.45 0.04 0.29 0.05 0.4

1463 1464 1478 1485 0.24 0.1 0.26 0.09 0.2

1422 1423 1409 1401 0.21 0.04 0.2 0.05 0.1

1422 (2x711) 1424 (2x712) 1378 (2x689) 1388 (2x694) 0.05 0.02 0.11 0.13 0.1

1358 1361 1352 1342 0.22 0.05 0.2 0.1 0.1

1311 1314 1324 1319 1 0.23 0.84 0.76 1

994 998 1003 1016 0.14 0.08 0.13 0.04 0.2

895 879 900 870 0.09 0.07 0.08 0.08

711 712 689 694 0.3 0.11 0.26 0.31 0.3

Отметим, что ЭЗиЗрес^апредставляет собой уникальный в своём роде программный продукт со значительными возможностями для развития, модернизации и увеличения функционален не является аналогом таких программных продуктов, как Ауо§аёго или Оаи55у1е\у, поскольку служит для работы со спектральными данными, а не с моделями молекул.

Основные результаты и выводы

1. Установлен таутомерный состав аденина в газовой фазе и в водном растворе на основе анализа экспериментальных данных и результатов расчетов спектров ИК поглощения, КР, РКР, РГКР и ДФП различных таутомерных форм

а) В изолирующей матрице и газовой фазе одновременно существуют три таутомера - Абе-^Щат), Аск-ЫуЩат) и Аёе-^Н (¡т) - с доминированием аминной формы Аёе-КяЩат);

б) В водном растворе (рН=3) существуют три структуры - А(1е-Ы9Н(ат), Аёе-^Н(ат) и Ade-Nl,N9H+, с доминированием последней; возможно наличие малого количества Айе-^.ЭДН^

2. Экспериментально получены спектры РКР аденина в газовой фазе и в водном растворе при длинах волн возбуждающего излучения 266, 218 и 200 нм для области 600-1800 см"1, а также спектр КР водного раствора аденина при длине волны возбуждающего излучения 457 нм.

3. Проведены квантово-химические расчеты спектров ИК поглощения и спектров КР различных таутомерных форм аденина; обосновано наличие Ade-N9H (ат), Ade-N7H (ат) и Ade-N9H (¡т) в газовой фазе и Ade-N9H(am), Ade-N7H(am), Ade-Nl,N9H+, Айе-^^Н-ь в водном растворе; достигнуто удовлетворительное соответствие результатов расчетов с экспериментальными данными.

4. Присутствием тayтoмepoвAde-N7H(am) и Ade-N9H (¡т) объяснено наличие ряда слабых полос поглощения в экспериментальном спектре аденина в газовой фазе, что позволило выполнить полную интерпретацию спектра поглощения.

5. Рассчитаны относительные интенсивности линий спектров РКР, РГКР и двухфотонного поглощения названных выше таутомеров в газовой фазе и в водном растворе квантово-механическим методом в приближении Герцберга-Теллера. Получено удовлетворительное соответствие результатов расчета имеющимся экспериментальным данным, проведена интерпретация спектров, объяснены основные закономерности распределения интенсивностей.

6. Возможность присутствия Ade-N7H(am) в газовой фазе в малой концентрации обусловлена как общим характером распределения интенсивности, так и наличием характерных для Ade-N7H(am) линий с частотами 785 см"'и 1301 см"1 в спектре, возбуждаемом излучением с длиной волны 266 нм. О присутствии в газовой фазе иминной формы Ade-N9H можно судить по превалирующей роли в спектре РКР, возбуждаемом излучением с длиной волны 218 нм, интенсивной линии с частотой

912 см"1., а также по наличию линий с частотами 694 и 618 см"'относящихся к Ade-N9H (im).

7. На основе сравнения результатов расчетов спектров РКР с экспериментальными данными обосновано одновременное существование в водном растворе аденина (рН=3) трех структур - Ade-N9H, Ade-N7H и Ade-Ni,N9H~, с доминированием последней; показана возможность наличия малого количества Ade-N7,NiH+. Выводы, основанные на результатах исследования спектров РКР, не противоречат результатам изучения спектров KP и подтверждают последние.

8. Впервые проведены квантово-механические расчеты спектров резонансного гиперкомбинационного рассеяния и двухфотонного поглощения трех таутомерных форм аденина в газовой фазе и четырех форм - в водном растворе в приближении Герцберга-Теллера. Реализован единый подход к описанию спектров поглощения, резонансного комбинационного и гиперкомбинационного рассеяния.

9. На основе сравнения полученных результатов по спектрам РГКР и ДФП с экспериментальными данными подтверждено присутствие таутомеров- Ade-N9,NiH+, Ade-N9H (am) и Ade-N7H(am)- в водном растворе аденина.

10. Разработан программный продукт SSUSpectra, позволяющий усовершенствовать процесс обработки, передачи и преобразования данных при расчетах оптических спектров; дополнить результаты, полученные с помощью комплексов Gaussiaim Grams, возможностями учета полуширины линии с сохранением интегральной интенсивности, моделирования спектров смесей и растворов, наглядного представления результатов.

Список цитированной литературы:

1. Frisch M.J., Trucks G.W., Schlegel H.B. et al. Gaussian 03. Gaussian Inc., Pittsburgh PA. 2003.

2. Nowak M. J., Lapinski L., Kwiatkowski J. S., Leszczynski J. Molecular Structure and Infrared Spectra of Adenine. Experimental Matrix Isolation and Density Functional Theory Study of Adenine 15N Isotopomers / M. J.Nowak // J. Phys. Chem. - 1996 - V. 100 - P. 3527.

3. Sheina G.G., Stepanian S.G., Radchenko E.D. and Blagoi Yu. P. IR spectra of guanine and hypoxanthine isolated molecules / G.G.Sheina // J. Mol. Struct - 1987. -V. 158 - P. 275- 292.

4. Приютов M.B., Бурова Т.Г. Эффект Герцберга-Теллера и распределение интенсивности в спектрах РКР многоатомных молекул / М.В. Приютов // Опт.и спектр. 1988. Т.64,В.1.С.182-185.

5. Бурова Т.Г. Влияние эффекта Герцберга-Теллера на распределение интенсивности в спектрах РКР и двухфотонного поглощения многоатомных молекул / Т.Г. Бурова // Хим. физика,- 1994. - Т.13,№3,- С.29-35.

6. Singh A. Resonant hyper Raman spectra of selected nucleic acid bases / A. Singh // PramanaJ.Phys. - 1994-V.42. -P.39.

Основные результаты диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Тен Г.Н., Щербаков P.C., Бурова Т.Г., Леднев И.К., Баранов В.И. Прототропнаятутомерия N7H<-»N9H пурина и аденина. - Информационно-вычислительные технологии в решении фундаментальных проблем и прикладных научных задач химии, биологии, фармацевтики и медицины». [Электронный ресур]/Г.Н.Тен// Сборник материалов ИВТН-2009. М., 200- Режим floCTKna:http://www.ivtn.ru/2009/biomedchem.

2. Тен Г.Н., Бурова Т.Г., Щербаков P.C. Определение таутомерного состава аденина в газовой фазе методами колебательной спектроскопии. 4.1. Спектры поглощения и КР / Г.Н.Тен // Опт. и спектр. - 2010.-Т.109, №6,- С.910-917.

3. Бурова Т.Г., Тен Г.Н., Ермоленко В.В., Щербаков P.C., Леднев И.К. Определение таутомерного состава аденина в газовой фазе методами колебательной спектроскопии. 4.II. Анализ спектров РКР / Т.Г. Бурова // Опт.и спектр. -2010. -Т. 109,№6 - С.918-925.

4. T.Burova, I.Lednev, G.Ten, V.Ermolenkov, R.Scherbakov Ultraviolet Resonance Raman spectroscopy as the instrument for determination of the tautomeric forms of adenine in the gas phase/ International conference on Raman spectroscopy ICORS-2010. Boston. USA. - P.137.

5. Burova T., Ermolenkov V., Ten G., Scherbakov R., Baranov V., LednevI.Raman spectroscopic study of tautomeric composition of adenine in water / T.Burova// J.Phys. Chem. A. -2011V. 115(3 8),- P. 10600-10609.

6. Т.Г.Бурова, Г.Н.Тен, Р.С.Щербаков Квантово-механический расчет распределения интенсивностей в спектрах таутомеров аденина. 4.1. Спектры резонансного гиперкомбинационного рассеяния / Т.Г.Бурова // Оптика и спектроскопия. - 2012. -Т.112,№6.-С.1-9.

7. Т.Г.Бурова, Г.Н.Тен, Р.С.Щербаков Квантово-механический расчет распределения интенсивностей в спектрах таутомероваденина. 4.2. Спектры двухфотонного поглощения /Т.Г.Бурова// Оптика и спектроскопия. -2012.-Т.113,№1- С.12-15.

8. Бурова Т.Г., Тен Г.Н., Щербаков Р.С.Исследование таутомерии аденина методами оптической спектроскопии . 1. Спектры резонансного гиперкомбинационного рассеяния//Актуальные вопросы биологической физики и химии. БФФХ-2013.

Мат.междунар.конф. Севастополь 2013.

9. Бурова Т.Г., Тен Г.Н., Щербаков Р.С.Исследование таутомерии аденина методами оптической спектроскопии . 2. Спектры двухфотонного поглощения. Актуальные вопросы биологической физики и химии. // БФФХ-2013. Мат.междунар.конф.Севастополь.2013.

10. А.с 2012610974Российская Федерация, МПК (нет), программы для ЭВМ / Щербаков P.C. -2011619071, заявлено 28.11.2011, опубл. 23.01.2012, 1 с.

Подписано к печати 13.08.2013 года. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура Тайме. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,5 Тираж 100 экз. Заказ № 170-Т

Отпечатано в типографии СГУ Саратов, Большая Казачья 112-а Тел. (8452) 27-33-85

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата физико-математических наук, Щербаков, Роман Сергеевич, Саратов

Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный университет

имени Н.Г.Чернышевского»

На правах рукописи

04201361302

Щербаков Роман Сергеевич

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТАУТОМЕРНОГО СОСТАВА АДЕНИНА В РАЗЛИЧНЫХ ФАЗОВЫХ СОСТОЯНИЯХ МЕТОДАМИ ИК И УФ СПЕКТРОСКОПИИ

03.01.02 -Биофизика

диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Бурова Татьяна Геннадиевна

Саратов - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 4

Глава 1. Таутомерия оснований нуклеявовы! кислот (онк), 9

ее спектральные проявления и оптические методы

исследования.

1.1 Таутомерия ОНК; аденин как объект исследования 9

1.2 Возможности и особенности использования спектров КР и РКР 11 при изучении таутомерии биомолекул

1.3 Методы расчета оптических спектров многоатомных молекул 19

1.3.1 Адиабатическое приближение 19

1.3.2 Метод Хартри — Фока 21

1.3.3 Неэмпирические методы (ab initio) 23

1.3.4 Методы расчета интенеивноетей линий спектров 30 комбинационного и резонансного комбинационного рассеяния

света

1.3.5 Методы расчета спектров двухфотонногопоглощения (ДФП) 36

1.3.6 Расчет относительных интенеивноетей линий в спектрах 40 резонансного гйперкомбинациоиного рассеяния (РГКР)

Выводы к главе 1 43

Глава 2. Теоретическое и экспериментальное определение 44

таутомерного состава аденина в газовой фазе методами колебательной спентроснонян

2.1 Таутомерия аденина и постановка задачи 44

2.2 Определение таутомерного состава Ade в газовой фазе методом 46 теоретической ИК спектроскопии

2.3 Определение таутомерного состава аденина в газовой фазе 63 методами спектроскопии резонансного комбинационного рассеяния

2.3.1 Экспериментальное исследование спектров РКР аденина в 64 газовой фазе

2.3.2 Теоретическое исследование спектров РКР аденина в газовой 69 фазе

Результаты а выводы к главе 2 81

)

Глава 3. Определение таутомерного состава аденина в 82

водном растворе методам® кр и ркр скектроекошш

3.1 Экспериментальное исследование таутомерного состава 82 аденина в водном растворе

3.2 Интерпретация KP спектра водного раствора Ade 83

3.3 Интерпретация спектров резонансного комбинационного 95 рассеяния водного раствора Ade

Результаты « выводы к главе 3 106

Глава 4. Применение спектроскопии резонансного 107

гййеркомбинацйонмого расеейкня м двужфотошшгв поглощения для определения таутомерного состава аденина в различных фазовых состояниях

4.1 Квантово-механический расчет распределения интенсивностей 108 в спектрах резонансного гиперкомбинационного рассеяния таутомеров аденина

4.2 Квантово-механический расчет распределения интенсивностей 119 в спектрах двухфотонного поглощения таутомеров аденина

4.3 Разработка дополнительного программного обеспечения (ПО) 125 для обработки спектральных данных. Программный продукт SSUSpectra

Результаты к выводы к главе 4 129

Основные результаты и выводы 131

Спневк литературы 134

Приложение 149

ВВЕДЕНИЕ

экспериментальными методами. При этом наряду с традиционным использованием ИК спектров поглощения для исследования таутомерного состава в данной работе рассмотрены спектры комбинационного рассеяния (КР), резонансного комбинационного и гштеркомбинационного рассеяния (РКР и РГКР) и спектры двухфотонного поглощения (ДФП). Это позволило всесторонне исследовать взаимосвязь спектра и структуры, сопоставить выводы, полученные на основе анализа различных видов спектров, сделать их более обоснованными и достоверными.

т.е. основания ДНК исследуются в естественной для них среде. Другим важным преимуществом является чувствительность спектров резонансного характера к крайне малым количествам вещества, что дает возможность определять таутомерный состав даже в тех случаях, когда равновесие незначительно смещено в сторону одного из таутомеров. Таким образом, привлечение теоретических и экспериментальных методов оптической спектроскопии для определения таутомерного состава и таутомерных превращений ОНК, как и само изучение таутомерии ОН К, является весьма актуальным.

Основной целью работы является определение таутомерного состава одного из простейших оснований нуклеиновых кислот — аденина- в газовой фазе и в водном растворе с помощью методов оптической спектроскопии.

Для этого необходимо решить следующие задачи:

1. Провести расчеты спектров ИК-поглощения, КР, РКР, резонансного гиперкомбннационног© рассеяния и двухфотонкого поглощения различных таутомерных форм аденина;

2. Получить экспериментальные спектры КР и РКР аденина в водном растворе и в газовой фазе при возбуждении лазерным излучением различных длин волн;

Научная новизна работы состоит в следующем: 1. Впервые экспериментально получены спектры РКР аденина в газовой фазе при длинах волн возбуждающего излучения 266, 218 и 200 нм. В спектрах РКР аденина в водном растворе исследованный диапазон частот колебаний расширен до области 600-1800 см"1 при длинах волн возбуждающего излучения 266, 218 и 200 нм;

2. Впервые проведены квантово-механические расчеты спектров РКР5 РГКР и двухфотонного поглощения таутомерных форм Ade-N9H (am), Ade-N7H (аш) и Ade-N9H (im) в газовой фазе и Ade-N9H(am), Ade-N7H(am), Ade-Nj,N9H+, Ade-N7,N}H+ в водном растворе, а также квантово-химические расчеты спектров ЙК поглощения и спектров КР названных таутомеров;

3. Установлен таутомерный состав адешша в газовой фазе и в водном растворе на основе анализа экспериментальных данных и результатов расчетов спектров ИК поглощения, КР, РКР, РГКР и ДФП различных таутомерных форм;

4. Разработан программный продукт SSUSpectra, позволяющий усовершенствовать процесс обработки, передачи и преобразования данных при расчетах оптических спектров; дополнить результаты, полученные с помощью комплексов Gaussian и Grams, возможностями моделирования спектров смесей и растворов, учета полуширины линии, наглядного представления результатов.

На защиту выносятся следующие положения и результаты:

1. В изолирующей матрице и газовой фазе одновременно существуют три таутомера - Ade-Nor 1 (аш), Ade-N7!! (am) и Ade-NoH (im) - с доминированием аминной формы Ade-N9H(am);

2. В водном растворе (рН=3) существуют три структуры - Ade-N9H(am), Ade-N7H(am) и Ade-NblS^H*, с доминированием последней; возможно наличие малого количества Ade-N^NjH*;

3. Результаты квантово-механических расчетов и полная интерпретация ЙК спектров поглощения, спектров КР и РКР, резонансного гиперкомбинационного рассеяния и двухфотонного поглощения трех таутомеров адештеа в газовой фазе и четырех таутомеров в водном растворе;

4. Результаты экспериментальных исследований спектров РКР аденина

в газовой фазе и в водном растворе при длинах волн возбуждающего

излучения 266, 218 и 200 им, а также спектров KP водного раствора

аденина при длине волны возбуждающего излучения 457 нм.

Апробация работы.

Результаты работы доложены на Международной конференции «Актуальные вопросы биологической физики и химии. БФФХ-2013» (Севастополь, Украина) и Международной интернет-конференции «Информационно-вычислительные технологии в решении фундаментальных проблем и прикладных научных задач химии, биологии, фармацевтики и медицины» ( http://www. ivtn.ru /2009/biomedehem ), Международной конференции по спектроскопии комбинационного рассеяния ICORS-201G (Бостон, США),.

Публикации

Личный вклад автора

Все представленные в работе расчеты выполнены лично автором, экспериментальные исследования проведены в составе научной группы при непосредственном участии автора. Тема, цели и задачи работы, а также результаты и выводы обсуждены с научным руке водителем и соавторами по публикациям.

результатов расчетов экспериментальным данным, в том числе - данным других авторов.

Практическая значимость работы.

Результаты расчетов спектров ИК-поглощения, КР, РКР, РГКР и ДФП различных таутомеров аденина служат основой для изучения димеров и молекулярных пар, составленных молекулами оснований нуклеиновых кислот, а также используются при проведении дальнейших теоретических исследований структуры и свойств ОНК,

им.Н.Г,Чернышевского,

Структура и объем диссертации. Диссертация содержит введение, четыре главы, выводы, список использованных источников и приложение, общий объем работы 180 страниц печатного текста.

ГЛАВА I. ТАУТОМЕРИЯ ОСНОВАНИЙ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ, ЕЕ СПЕКТРАЛЬНЫЕ ПРОЯВЛЕНИЯ И ОПТИЧЕСКИЕ

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Таутомерия оснований нуклеиновых кислот (ОНК); аденин

как объект исследования

Среди множества химических соединений, существующих в природе, имеются абсолютно одинаковые по молекулярной массе и составу атомов, но различные по строению или расположению атомов друг относительно друга. Как следствие, эти соединения могут значительно отличаться по своим химическим свойствам.

В случае структурной изомерии химические соединения отличаются друг от друга порядком присоединения атомов в молекуле и расположением одинарных, двойных и тройных связей между атомами. Если же два и более структурных изомера в ходе химических процессов переходят друг в друга, и между ними возникает подвижное равновесие, то такое явление носит название - таутомерия [1].

Это явление впервые было исследовано Александром Михайловичем Бутлеровым в 1877 году. В ходе своих экспериментов Бутлеров, наблюдая за поведением химических соединений, пришел к выводу, что некоторые из них могут вести себя как совокупность нескольких изомерных форм [2]. Название же этому явлению дал немецкий физик Лаар в 1885 году. Он предложил использовать термин "таутомерия", который применяется по сей день, для характеристики подвижной изомерии.

Простейшим и наиболее распространенным примером таутомерии служит прототрогшая таутомерия, при которой взаимное превращение структурных изомеров обусловлено миграцией протона (водорода). Примером же наиболее важных прототропных систем с точки зрения исследования жизненных процессов являются основания нуклеиновых

кислот, входящие в состав ДНК и РНК, которые могут иметь несколько таутомерных форм.

В пион мид и новых и имидазояьных кольцах ОНК могут происходить переносы протона со связанных атомов азота либо на свободные атомы азота, либо на атомы кислорода - оксо группы. Для пиримидиновьтх оснований это лактам-лактимная (кето-енольная) и амино-иминная таутомерия, кроме этого для аденина (Ade) и гуанина (Gua) в имидазольном кольце может происходить прототропная миграция от одного эндоциклического атома азота к другому, т.е. N7H<-*N9K. Как показали многолетние экспериментальные работы, доля оснований в оксо и аминоформах при физиологических условиях составляет < 99.99% {3}. Этот факт является определяющим в механизме воспроизведения ДНК с каноническими комплементарными парами, поскольку вероятность нарушения структуры ДНК и РНК из-за присутствия различных таутомеров ОНК в их составе сравнительно мала. Достаточно редко встречающиеся отклонения от этой закономерности - мутации, для функционирования живых организмов чрезвычайно важны. Современная теория спонтанного возникновения мутаций, предложенная Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком [4]. основана именно на возможности существования редких таутомеров ОНК в структуре нуклеиновых кислот. Стоит отметить, что такого рода мутации отдельных клеток могут привести к развитию онкологических заболеваний. Именно этот факт и явился основной причиной проявления особого внимания к таутомерии ОНК, однако эта причина не единственная.

Отдельного внимания заслуживает аденин, являющийся одним из двух пуриковых оснований нуклеиновых кислот (другом является гуанин), используемый для формирования нуклеотидов нуклеиновых кислот.

Как известно, в ДНК аденин образует комплементарную пару с тимином с помощью водородных связей, что способствует стабилизации структуры нуклеиновой кислоты. В РНК, используемой в белковом синтезе, аденин образует комплементарную пару с урацилом. Помимо этого, аденин

образует аденозин и дизоксиаденозин (присоединяясь к рибозе и дизоксирибозе соответственно). Также аденин участвует в формировании нуклеотида - аденозинтрифосфата (АТФ), который, в свою очередь, задействован в процессе метаболизма клеток. Кроме того, в фармакологии аденин применяется как самостоятельное активное вещество в лекарственных препаратах.

Настоящая работа посвящена комплексному изучению проблемы таутомерии на примере упомянутой выше молекулы аденина. Помимо самостоятельной значимости, данная молекула была выбрана для изучения как очень стабильное соединение, которое можно было исследовать практически во всех агрегатных состояниях - в виде водного раствора, поскольку аденин хорошо растворим в воде; в твердом, поскольку сам по себе аденин в чистом виде представляет из себя бесцветные кристаллы с температурой плавления — 360-365 °С [5]. Поэтому даже при нагревании до температуры свыше 300 °С, когда удалось получить газовую фазу данного соединения, сами молекулы аденина не разрушились. Здесь стоит отдельно отметить, несмотря на то, что основное количество теоретических квантово-механических расчетов для аденина делались как расчеты отдельных молекул, экспериментальные данные для отдельных молекул - фактически газовой фазы оснований нуклеиновых кислот- были получены впервые именно в рамках данной работы.

1.2. Возможности и особенности использования спектров КР и РКР при изучении таутомерии биомолекул

Среди методов исследования таутомерного состава ОНК одним из наиболее информативных является метод спектроскопии комбинационного и резонансного комбинационного рассеяния [6].

Комбинационное рассеяние (КР) представляет собой явление неупругого рассеяния света веществом с появлением новых линий в спектре

по сравнению с инициирующим излучением, количество и расположение которых в спектре зависят от молекулярного строения и состава вещества.

Для получения и записи спектров КР необходимо сконцентрировать достаточно интенсивный пучок света на исследуемом образце. В качестве источника иници�

Информация о работе

Щербаков, Роман Сергеевич
кандидата физико-математических наук
Саратов, 2013
ВАК 03.01.02

Диссертация

Определение таутомерного состава аденина в различных фазовых состояниях методами ИК и УФ спектроскопии - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы