Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Полиморфизм водородного связывания нуклеотидов и структурная организация молекулы ДНК

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Полиморфизм водородного связывания нуклеотидов и структурная организация молекулы ДНК"

На правах рукописи

КОМАРОВ Владислав Михайлович

ПОЛИМОРФИЗМ ВОДОРОДНОГО СВЯЗЫВАНИЯ НУКЛЕОТИДОВ И СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ МОЛЕКУЛЫ ДНК

03.00.02 - биофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Пущнно 2004

Работа выполнена в Институте биофизики клетки РАН г. Пущино

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

доктор физико-математических наук доктор физико-математических наук доктор химических наук

Игорь Борисович ГОЛОВАНОВ Сергей Иванович АКСЕНОВ Александр Васильевич ЕФИМОВ

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

Институт математических проблем биологии РАН, г. Пущино.

Защита состоится $У г. в /Гч мин.

на заседании диссертационного Еойета Д-002.093.01 при Институте теоретической и экспериментальной биофизики РАН по адресу: 142290, г. Пущино, Московская обл., ул. Институтская 3, ИТЭБ РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в центральной библиотеке НЦБИ РАН по адресу: 142290, г. Пущино, Московская обл., ул. Институтская 3, ИТЭБ РАН.

Автореферат разослан 2004 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д-002.093.01 кандидат физико-математических наук Ленина Н. Ф.

Актуальность проблемы.

Исследование механизма структурообразования молекул нуклеиновых кислот, установление физических факторов инициирующих зависимость вторичной структуры двойной спирали от нуклеотидной последовательности, остается одной из важнейших проблем физико-химической биологии.

Собраны вполне убедительные свидетельства того, что генетические процессы регуляции транскрипции обуславливаются главным образом специфическими ДНК-белковыми взаимодействиями и контролируются конформацией молекулы ДНК. И процесс узнавания конкретным белком конкретных мест ДНК, и способность двойной спирали к изгибовым деформациям определяются локальной структурой последовательности нуклеотидов. В то же время имеющиеся экспериментальные структурные данные указывают на весьма нетривиальную природу происхождения уникальной геометрической гетерогенности нуклеотидных шагов в структуре ДНК.

Прежде всего, это касается наблюдаемого конформационного полиморфизма самой формы спирали ДНК. Согласно постулированному в 50-х годах прошлого века принципу строгого пространственного изоморфизма плоских канонических AT и GC пар, разные комплементарные нуклеотидные последовательности должны обладать, вообще говоря, однотипной, регулярной укладкой азотистых оснований в структуре двойной спирали. Однако в реальных условиях обнаруживается большое разнообразие устойчивых форм: А, А', В, сс-В\ Р-В', С, С', С", D, Е и Z (Leslie AG. W. et ей. 1980, Saenger W. (1984)). Все они различаются своими основными структурными параметрами спирали: числом пар оснований на виток, межплоскостными расстояниями между основаниями в стопках, межфосфорными расстояниями и др. При этом, А- и В- формы, а также С-, D- и Е-, образуют семейство правовинтовых спиралей. Тогда как Z- форма - это левая двойная спираль. Считается, что реализация конкретных форм ДНК (В-ДНК, А-ДНК или Z-ДНК) -это довольно сложный результат соотношения многих взаимодействий: водородного связывания плоских нуклеооснований, стэкинга (межплоскостного взаимодействия) пар оснований, взаимодействия между заряженными фосфорнокислыми группами, эффектов окружающей среды типа гидратации и наличия противоионов. Вместе с тем, по мнению многих авторов, определяющими здесь все же являются параметры окружающей среды и стэкинг оснований.

Выделяется также и не простое, внутреннее своеобразие зависимости вторичной структуры от нуклеотидной последовательности для каждой отдельной формы двойной спирали. Исходно плоские, уотсон-криковские AT и GC пары оказывается могут реализовывать разные неплоские укладки пар, но с доминированием деформаций типа «пропеллера», «ступеньки» или «излома» водородных связей оснований (Wilson С. С. et al (1987), (1985); Saenger W (1984), El Hassan M.A., Calladine C.R. (1996)). Весьма распространено представление, что такая гетерогенность геометрии в упаковке пар обусловлена различием вкладов стэкинговых возмущений в структуре разных последовательностей нуклеотидов (Saenger W. (1984)).

Однако, стэкинговая гипотеза о происхождении структурной неоднородности двойной спирали ДНК не позволяет, на наш взгляд, непротиворечивым образом согласовать накопленные экспериментальные данные. Во-первых, относительная малость энергии стэкинговых взаимодействий по сравнению с энергетикой водородного связывания пар не может удовлетворительно объяснить наблюдаемый довольно большой разброс угловых искажений водородных связей оснований, доходящий до ~ 39°, как в

РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ|

библиотека |

"пропеллероподобных", так и в других типах деформаций пар в структуре двойных спиралей олигонуклеотидов (Jursa J, Kypr J. (1993); Wilson C.C. et al 1987, 1988, 1990). Во-вторых, становится непонятным существование очень больших деформаций в одиночных парах оснований, достигающих подчас - 49°, в структуре монокристаллов нуклеозидов и нуклеотидов {Wilson C.C. et al 1987). В-третьих, в рамках стэкинговой гипотезы весьма трудно понять появление симметрии в распределении углов пропеллерового разворота плоскостей оснований во всем многообразии пар: водородное спаривание оснований реализуется не только с разными положительными, но и с разными отрицательными значениями угла пропеллера. (Wilson C.C. et al 1987). Указанные обстоятельства вынуждают некоторых экспериментаторов выдвигать предположение, что наблюдаемая некопланарность Н-спаривания оснований есть, вероятно, внутреннее свойство самих пар (Wilson C.C. etal 1990).

Все это дает основания заключить: для корректного описания структурно-функциональной организации молекул ДНК важно не только знание формального типа "буквенной" последовательности нуклеотидов, но и глубокое понимание лимитирующих физических факторов в определении устойчивости нуклеотидных цепочек и, прежде всего, в определении устойчивости простейших водородно-связанных нуклеотидных дуплексов.

Несколько лет тому назад нами, совместно с Полозовым Р.В. (Комаров В.М., Полозов Р. В. Биофизика, 35, 367, (1990)), впервые была выдвинута идея о возможности реализации неплоского, пропеллероподобного варианта Н-спаривания уотсон -криковских пар, исходя из учета малой, но устойчивой пирамидальности строения экзоциклических аминогрупп оснований, по которым происходит водородное связывание пар. Позднее, было также отмечено {Комаров В.М, Меех Н.Г. Ж.Физич.химиъи, 69, 1419 (1995)) что, устойчивый sp3-гибридный характер орбиталей валентных N-H связей аминогрупп, определяющий инверсионную бистабильность неплоской геометрии этих групп, может инициировать еще более фундаментальную особенность строения комплементарных пар, а именно - их внутренний структурный полиморфизм Н-спаривания. Для уотсон криковских AT и GC пар оказывается возможным существование не единственной плоской геометрия водородного связывания оснований, как это многие считают, а шести неплоских, зеркально-симметричных пропеллерообразных и ступенькоподобных структур. Такой скрытый полиморфизм спаривания оснований может играть важнейшую роль в определении формы двойных спиралей полинуклеотидов. Последующие простейшие выполненные нами квантово-химические оценки конформационных особенностей Н-связывания различных типов пар оснований показали плодотворность этого предположения.

Из литературы известны многочисленные примеры теоретических исследований как на основе эмпирических подходов, так и с применением самых новейших методов компьютерной химии, проблемы структурной организации молекул нуклеиновых кислот. Практически все они направлены на обоснование доминирующей, стэкинговой модели появления и стабилизации деформации пар оснований в структуре модельных комплексов ДНК. Известно, правда, несколько попыток использования неэмпирических, ab initio квантово-химических схем расчета (Leszczynski J. 1992; Sponer J. et al. 1994, 1996) и для проверки идеи возможного влияния непланарности строения азотистых оснований на структурные особенности водородного связывания пар.

Однако, как показывает анализ имеющихся данных, драматизм нынешнего общего состояния решения всей этой сложной и деликатной проблемы заключается в том, что очень часто анализируемые эффекты от вкладов тех или иных видов возмущений в энергетику нуклеотидных комплексов, оказываются весьма малыми по величине и взаимно противоположными по знаку. При этом, ошибки используемых теоретических методов нередко оказываются сравнимыми с величинами самих оцениваемых эффектов. Так, например, известно, что выигрыш в энергии при переходе от плоской структуры к неплоской в простейших ароматических аминопрои зводных (в том числе и в азотистых основаниях) имеет величину порядка одной ккал/моль. В то же время, погрешности, например, одного из самых популярных в последнее время неэмпирического, квантово-химического метода, такого как HF/6-31(d,p)//MP2/6-31(d,p), при оценке энергетики молекулярных структур и комплексов достигают по величине порядка ~ 2-4 ккал/моль (J.Florianet ей, (1996);http://www.GAUSSIAN.com; http://gaussian.icm.edu.pl/broc_eof.htm). По этим причинам, результаты и выводы многих работ оказывЛаются сильно зависящими не только от вида модельного комплекса и от вида сделанных допущений, но и от типа используемой методики расчета и потому весьма часто не согласуются друг с другом.

Прецизионных экспериментальных данных, типа данных газовой электронографии или микроволновой спектроскопии, по геометрии изолированных комплексов пар оснований, иуклеозидов или нуклеотидов, в силу слабой термостабилыюсти исходных нуклеиновых компонент, в настоящее время нет.

Поэтому, дальнейшие теоретические всесторонние исследования механизма структурообразования молекул дезоксирибонуклеиновых кислот, на базе учета особенностей электронного строения непланарных форм спаривания комплементарных AT и GC пар и с привлечением адекватных квантово-химических подходов, представляются крайне важными, носят приоритетный характер и тем самым определяют актуальность данной темы диссертации.

Цели и задачи исследования

Основная цель работы заключалась в обосновании ключевой роли скрытого полиморфизма водородного связывания уотсон -криковских пар оснований в определении физического механизма зависимости вторичной структуры двойной спирали ДНК от нуклеотидпой последовательности.

Поскольку гидратация является важнейшим, неотрывным элементом структурно -динамической организации молекул ДНК, то в работе, в тесном единстве с главным вопросом, теоретически был проанализирован и вопрос о влиянии молекул связанной воды на стабилизацию уникальной геометрии и на специфику свойств равновесной колебательной динамики пар оснований в структуре олигонуклеотидных двойных цепочек.

Для достижения сформулированных целей вырабатывался, прежде всего, единый квантово-химический подход в теоретическом описании конформационных, спектроскопических и термодинамических особенностей как одиночных компонент нуклеиновых кислот, так и их водородно-связанных комплексов. При этом были поставлены следующие задачи:

• исследование механизма появления неоднозначности водородного связывания азотистых оснований в структуре 28 известных типов пар с двумя или тремя Н-связями;

• анализ особенностей полиморфизма спаривания нуклеозидов и нуклеотидов;

• изучение влияния внутреннего полиморфизма уотсон -криковского спаривания оснований на формирование геометрической гетерогенности нуклеотидных шагов в структуре коротких двойных цепочек ДНК;

• оценка роли непланарного характера водородного связывания оснований

в инициировании коллективной природы низкочастотной колебательной динамики олигонуклеотидных двойных цепочек;

• исследование вклада связанной воды в стабилизацию уникальной, некопланарной упаковки уотсон-криковских пар, а также в организацию функциональной специфики распределения внутри- и межмолекулярных колебательных мод в структуре водородно-связанных нуклеотидных комплексов.

Научнаяновизна

• На основе использования современного полуэмпирического MND0/PM3 квантово-химического подхода впервые показано, что неплоский характер водородного связывания азотистых оснований в большинстве известных пар является изначальным, внутренним свойством самих пар. Это свойство определяет у 28 возможных типов пар в общем случае 81 вариант геометрий их спаривания.

• Получено, что:

а) для уотсон-криковских AT пар, как и для многих других пар, в водородном связывании которых принимает участие одна аминогруппа, характерно двукратное вырождение Н-спаривания, с реализацией двух зеркально-симметричных структур типа "пропеллера";

б) для уотсон-криковских GC и других пар, с двумя аминогруппами в водородных связях, характерно четырехкратное вырождение спаривания, с образованием попарно симметричных структур типа «пропеллера» и «ступеньки»;

в) диапазон углов пропеллера и излома в некопланарных конфигурациях пар -довольно широк и составляет +40 + -40 градусов.

• Продемонстрирована гетерогенность колебательно-вращательных и термодинамических характеристик полиморфизма спаривания оснований.

• Показано сохранение некопланарного полиморфизма уотсон-криковских пар в условиях структуры двойных спиралей олигонуклеотидов. Проиллюстрировано, как накопление геометрических отличий в укладке разных пар может инициировать зависимость формы спирали от нуклеотидной пос ледовательности.

• Установлена важная роль непланарности Н -связывания оснований в формировании коллективной природы низкочастотных мод колебательного спектра двойных цепочек олигонуклеотидов.

• Показано, что водное окружение не только стабилизирует структурную гетерогенность укладки водородно-связанных оснований, но и активно участвует в определении функционально важных свойств равновесной колебательной динамики олигонуклеотидных дуплексов.

Научно-практическоезначение

Полученные результаты имеют, прежде всего, важное методологическое значение. Они существенно расширяют и обобщают представления о физическом механизме структурно-динамической организации двойной спирали ДНК. Указывают на

лимитирующие факторы формирования фундаментальной функциональной зависимости вторичной структуры молекул нуклеиновых кислот от нуклеотидной последовательности.

Результаты работы могут быть использованы в построении новых технологий ДНК-расчетов, в создании современных учебно-методических курсов с углубленным описанием особенностей электронного строения и свойств биологических макромолекул, а также могут найти активное применение в биотехнологических разработках, в проектировании новых эффективных лекарственных препаратов на основе интеркаляторов в ДНК-структуры.

Апробацияработы.

Результаты работы докладывались на:

- X International Biophysics Congress, July 29 - August 3,1990, Vancouver, Canada;

- VIII Всесоюзном симпозиуме по межмолекулярному взаимодействию и конформациям молекул, 28 октября - 1 ноября, 1990, Новосибирск;

- XI семинаре по межмолекулярному взаимодействию и конформациям молекул, 26 -28 октября, 1993, Пущино;

- Российской научной конференции с участием зарубежных у ченых «Математические модели нелинейных возбуждений, переноса, динамики, управления в конденсированных системах и других средах», 28-30 июня, 1994, Тверь;

- II Международной конференции «Математические модели нелинейных возбуждений, переноса, динамики, управления в конденсированных системах и других средах», 2-5 июля, 1996, Тверь;

- ХШ семинаре по межмолекулярному взаимодействию и конформациям молекул, 1620 июня, 1997, Тверь;

- International Conference "Nonlinear Phenomena in Biology", June 23-28,1998, Pushchino;

- Ill Международной конференции «Математические модели нелинейных возбуждений, переноса, динамики, управления в конденсированных системах и других средах», 29 июня - 3 июля, 1998, Тверь;

- X Всесоюзном симпозиуме по межмолекулярному взаимодействию и конформациям молекул, 28 октября -1 ноября, 1999, Тверь;

- П съезде биофизиков Росси, 1999, Москва;

- «IV Международной конференции по математическому моделированию», 27 июня — 1 июля, 2000, г. Москва, МГТУ «СТАНКИН»;

- Школе-конференции "Горизонты физико-химической биологии", 28 мая - 2 июня, 2000, Пущино;

- II International Conference "Modern Trends in Computational Physics (MTCP'2000)", July 24-29. 2000, Dubna;

- V Путинской конференции молодых ученых "Биология - наука XXI века", 16-20 апреля, 2001, Пушино;

- II International Symposium "Computer Assistance to Chemical Research (CACR'2001)", May 22-23,2001, Moscow;

- VI Путинской школе-конференции молодых ученых "Биология - наука XXI века", 20 -24 мая, 2002, Пушино;

- Первой Национальной конференции "Информационно -вычислительные технологии в решении фундаментальных научных проблем и прикладных задач химии, биологии, фармацевтики, медицины (ИВТН-2002)» Май, 2002, Москва;

- Ш International Conference "Bioinformatics of Genome Regulation and Structure (BGRS'2002r, May, 2002, Novosibirsk;

- V, VI, VII, VIII, X и XI Международных конференциях. «Математика. Компьютер. Образование», 1998,1999,2000,2001,2003,2004 годов, Дубна, Пущине

Публикации.

По материалам диссертации опубликована 31 печатная работа, в том числе 15 статей в отечественных и зарубежных изданиях.

Структура и объем работы.

Диссертация представлена в стандартной форме и состоит из введения, обзора литературы, описания основного метода и подходов, резулвтатов исследования, ввшодов и списка цитируемой литературв1. Работа изложена на /1Й/ страницах, содержит jLd рисунков, таблиц, литературных ссылок.

Краткое содержание работы -

Метод и подходы

Теоретический анализ структуры, спектральнвж и термодинамических свойств молекулярнвж систем проводился на основе известного, хорошо зарекомендовавшего себя квантово-химического подхода. Использовалась современная полуэмпирическая методика MNDO в варианте РМЗ параметризации свободно распространяемого программного пакета МОР АС 7.01.

Выбор этого метода расчета определялся рядом важным обстоятельств. Во-первых, он весьма универсален и достаточно надежен. Позволяет единым образом, с достаточно хорошей точностью воспроизводить все основные структурные характеристики не только изолированных молекул, но и комплексов с водородными связями.

Во-вторых, в отличие от получивших широкое применение в последние годы неэмпирических, ab initio, квантово-химических схем расчета, эта полуэмпирическая техника обладает наилучшим соотношением точности расчета и требуемых вычислительных ресурсов. В наиболее актуальном для нас случае, случае задач, в которых размерности изучаемых молекулярных систем оказываются порядка нескольких сотен атомов, данная методика является, по сути, единственным действенным в настоящее время инструментарием для изучения особенностей электронного строения таких биологически важных комплексов.

В-третьих, высокая надежность MNDO/PM3 метода в описании колебательно-вращательных характеристик молекулярных систем позволяет эффективно использовать его, через формализм "статистических сумм", и в количественных оценках энтропийных факторов в термодинамике анализируемых структур.

Особенности применения этой техники в данной работе заключались в следующем: 1. Все оптимизационные конформационныж расчеты, в том числе и расчеты структур с большим числом степеней свободы, т.е. с заведомо большим количеством минимумов на гиперповерхности потенци&чьной энергии, проводились не только в стандартным

б

условиях достижения экстремальности значения теплоты образования системы, но и при дополнительных условиях отсутствия мнимых частот в колебательном спектре изучаемого соединения.

В случае гидратированных комплексов, в отличие от распространенной практики модельных квантово-химических расчетов нуклеиновых кислот, когда водное окружение рассматривается на основе континуального приближения диэлектрической среды, мы в своих исследованиях учитывали молекулы воды явным образом.

Использовался адекватный подход - приближение супермолекулы. Рассматривались реальные распределения молекул воды по гидратным слоям вокруг нуклеотидных пар и реальные концентрации воды, порядка 10 молекул на нуклеотид. При этом, для построения начального распределения молекул воды в гидратных оболочках исследуемых олигонуклеотидных комплексов, активно использовались техника Монте- Карло и оптимизационные конформационные расчеты на базе специально разработанной схемы атом-атомных потенциалов,

Хотя все это на порядок увеличило вычислительные затраты, но, учитывая сложность и деликатность затрагиваемых вопросов, это дало возможность с большой уверенностью говорить об устойчивости найденных глобальных минимумов энергии исследуемых нуклеотидных комплексов. Были отсе<чены многочисленные промежуточные, переходные формы и, таким образом, получено более надежное описание равновесной геометрии и колебательной динамики нуклеотидов как в структуре изолированных, так и в структуре гидратированных форм двойных спиралей олигонуклеотидов.

2. Энтальпия водородного связывания оснований, нуклеотидов и других нуклеокомпонент, вычислялись как разница между теплотой образования комплекса и суммой теплот образования его отдельных компонент. Для этого геометрия компонент "замораживались" в конфигурации полученной в результате оптимизации комплекса и затем оценивалась энергетика этих изолированных друг от друга компонент.

3. Дополнительный учет вклада дисперсионных взаимодействий в энергию водородных связей производился по формуле Лондона:

Здесв Гц - расстояние между атомами молекул А и В, сц - атомнвге поляризуемости, 1, - потенциалы ионизации валентнвж состояний атомов в молекулах.

4. Для оценки степени торсионной деформации плоской геометрии азотистых оснований и водородно-связаннвж пар исполвзовалисв величшш так назвшаемвж инерциалвнвж дефектов этих структур, - главные моменты инерции. Данные параметры оценивались по рассчитанным теоретическим значениям вращательный спектроскопических констант А, В, и С. Для молекулярнвж образований, представляющих собой асимметричный жесткий ротатор, параметр является весьма чувствительными индикатором их непланарного строения.

5. Начальные, затравочные геометрии дуплексов выбирались по кристаллографическим данным фрагментов классических В- и 2-форм ДНК из компьютерной базы данных нуклеиновых кислот- NDB: http://ndbserver.rutgers.edu/NDB/NDBATLAS/

Результаты и обсуждение

I. Особенности Н-спаривания одиночных оснований, нуклеозидов и нуклеотидов.

1. Как мы отмечали, постулированная модель строения двойной спирали ДНК, Рис.1 , на основе регулярной плоско-параллельной укладки уотсон-криковских пар азотистых оснований все больше и больше вступает в противоречие с накопленными экспериментальными структурными данными.

Рис 1. Идеальная и наблюдаемая экспериментально структуры ДНК

Стабильная и значительная деформация водородно-связанных пар, наблюдаемая в структуре кристаллов синтетических и нативных форм нуклеиновых кислота, а также в структуре монокристаллов нуклеотидов и нуклеозидов, трудно интерпретируется в рамках существующей стэкинговой природы неоднородностей в укладке оснований.

Отсутствие прецизионной экспериментальной информации по геометрии Н-связывания изолированных АТ и ОС пар с определением положений в молекулах атомов водорода выдвигает на передний план важность использования современных компьютерных, квантово-химических методов в поиске и обосновани и альтернативной модели появления устойчивой некопланарной структуры пар.

Ранее, нами на основе расчетов с использованием приближенной, полуэмпирической схемы РС1ЬО (Комаров В.М., Полозов Р.В. (1990)) удалось показать, что известная из данных микроволновой, колебательно-вращательной спектроскопии пирамидальность строения КНг-группы в простейших алифатических и сопряженных аминах сохраняется и в структуре аминозамещенных азотистых оснований, Рис.2. Именно устойчивый ер' гибридный характер орбиталей валентных связей пирамидальных аминогрупп может

инициировать непланарность уотсон-криковских пар и неоднозначность формы их водородного связывания по одним и тем же водородным связям.

Рис.2. ГеометрияРШг-группы в простейших амипозамещенных молекулах и в структуре азотистых оснований

В данной работе одной из первых задач было дальнейшее исследование, на базе использования современного полуэмпирического ММБО/РМЗ подхода, механизма неоднозначности формы водородного связывания оснований как в структуре уотсон -криковских, так и в структуре всех возможных типов хугстеновских пар (см. Рис 3.) с

Рис.3. 28 вариантов спаривания азотистых оспований 9

двумя или тремя водородными связями. (Обозначения из работы (P.Hobza, et ей. (1987)).

В результате проведенных расчетов удалось показать, что значительная деформация (непланарность) геометрии Н-связывания оснований оказывается специфическим, внутренним свойством практически всех типов спаривания. Бистабильность пирамидальной структуры аминогруппы, с ее инверсионной симметрией " down" и "up" ориентации N-H связей относительно плоскости основания (сокращенно - d и и), формирует своеобразный полиморфизм Н-спаривании.

Для случая уотсон-криковской AT(WC) пары, например, характерно двукратное вырождение «комплементарного» спаривания. Реализуются две устойчивые пропеллеровые формы - AT(WC)d и AT(WC)u. Они зеркально симметричны друг другу и отличаются только сигнатурой углов пропеллерерового разворота со и излома к плоскостей оснований в этих структурах (обозначения углов даются согласно номенклатуре ШРАС/ШВ).

Для уотсон-криковской GC(WC) пары, как показал расчет, характерным оказывается уже четырехкратное вырождение «комплементарности», из-за увеличения комбинаций взаимных ориентации N-H связей аминогрупп. Здесь, помимо пропеллеро-подобных GC(WC)dd и GC(WC)uu конфигураций, сходных с отмеченными выше AT(WC)d и AT(WC)u формами спаривания, возникают две дополнительные устойчивые сдвиговые конфигурации, типа "ступенька", GC(WC)du и GC(WC)ud. Они различаются направлением' относительного параллельного смещения плоскостей оснований на величину ДЬ.

Пример описания, в соответствующей системе координат, основных деформаций водородного связывания комплементарной GC пары можно видеть на Рис 4.

Рис 4. Реализация пропеллеровой GC(WC)dd и ступенькообразной GC(WC)du форм Нспарнвания оснований в уотсон-криковской GC паре.

В общем случае, для 28 типов водородного спаривания оснований реализуется 81 структура. Классификация пар по подобию геометрий водородного связывания приведена на Рис5.

I тип - "плоский" (3 пары1 3 структуры

ТТ(1) ТТ(П) ТТ(Ш) / / / 1 плоская конфигурация Н-связывания

IIтип -"гшопеллео" (11 паи! 22 структуры

TA(WC) TA(RWC) ТА(Н) TA(RH) GG(U1) GC(ll) GT(I) GT(ll) TCP) TC(I0 GG(II) П^гО 2-кратный полиморфизм Н-связывания

III тип - "пропеллер", "ступенька" (14 пар) 56 структур

AA(I) AC(I) CC(I) GA(TV) AA(I1) АС(П) GA(1I) GG(I> GCJWC) GAO) GA(11I) GC(T) AA(Ill) GGflV) )-/V . ,

ЦЕЛИЛ 4-кратный полиморфизм Н-связывания

ВСЕГО: 81 структура Н-связывания для 28 типов спаривания.

Рис 5. Классификация структурного полиморфизма 28 типов Н-связывания пар

оснований.

Общий диапазон изменений геометрических параметров, характеризующих основные деформации пар, оказался довольно широким. Углы пропеллера в изученных структурах варьировали от ± 20° до ±35°, а углы излома пар - от ± 20° до ±25°. Величина же иаратлельного сдвига плоскостей оснований в конформациях типа "ступенька" достигала

~1 А.

Полученные результаты хорошо коррелируют с большинством экспериментальных наблюдений, указанных нами выше.

2. Весьма емко выделяются структурные отличия полиморфных форм пар при сравнении рассчитанных величин инерциальных дефектов А' этих структур.

Оцененные нами по значениям полученных колебательно-вращательных спектроскопических констант А, В, С, эта дефекты Д* у разных водородно-связанных комплексов оказались изменяющимися в довольно больших пределах, от А' = -4.0 (иА2) до Д' =-185.0 (иА2). Так, для некоторых сравнительно слабо деформированных структур, типа "ступенек" или "пропеллероподобных" с малым углом пропеллера, эти величины лежат в пределах Д = -4.0 + -15.0 (иА2). В то время как для подавляющего большинства других, сильно изогнутых пропеллеровых конфигураций эта величина находится в диапазоне Д' = -20.0 * -70.0 (иА2). В уникальном случае, случае сильно деформированной пары ОО(П), с суммарной угловой деформацией порядка 60°, величина Д' равна -185.0 (иА2).

Таким образом, данный интегральный физический параметр непланарности молекулярных структур вполне может быть использован для идентификации форм внутреннего полиморфизма водородного спаривания оснований по одним и тем же водородным связям.

3. Степень стабильности спаренных комплексов обычно оценивают по велич/ине энтальпии их водородного связывания - важнейшему термодинамическому параметру пар. Эти величины, наряду с другими параметрами электронной структуры комплексов, также были оценены в нашей работе. Все они приводятся в Таблице 1.

Из данных Таблицы 1 видно, что использованный нами полуэмпирический подход с учетом вкладов дисперсионных взаимодействий позволяет вполне удовлетворительно описывать энергетику водородного связывания различных пар азотистых оснований. Получено, в соответствии с экспериментом, уменьшение энтальпии Н-спаривания комплементарных и хугстеновских пар оснований в ряду ОС, АТ, ТТ в газовой фазе (Б.И.Веркин и др. "Взаимодействия биомолекул ",Наукова думка, 1985).

Результаты по оценке других термодинамических характеристик комплексов дают возможность говорить, в частности, и о существенном влиянии энтропийного фактора на энергетику процесса Н-спаривания оснований. Вычисленные значения абсолютных энтропии, Б0, всех соединений оказывается значительными. Они заметно увеличивается при переходе, например, от наиболее прочного уотсон-криковского ОС вида спаривания к неустойчивому, хугстеновскому типу спаривания, ТТ, изменяясь со 131 (кал/К/моль) до 147 (кал/К/моль). Этот сравнимый с изменением энтальпии вклад энтропии в энергетику комплекса находит свое отражение и в величинах Гиббсовых энергий образования пар. Поэтому, обсуждая термодинамическую стабильность различных форм водородного связывания пар, следует учитывать, вообще говоря, и энтропийные параметры их равновесной колебательно-вращательной динамики.

Из этой же таблицы весьма четко выявляется, кроме всего прочего, гетерогенность термодинамических параметров внутри одного типа пар (например, ОО или ТТ типа и т.д). Она указывает на необходимость более внимательного отношения к интерпретации экспериментальных данных по относительной устойчивости одиночных пар. В особенности, когда используется такое упрощенное группирование, часто встречаемое в литературе, типов пар только по виду их составляющих оснований (как мы указал/и, например, ОО или ТТ), без учета поправок на многообразие видов и геометрий Н-спаривания. ОО пара, например, может формировать четыре вида хугстеновских образований: ОО(1), ОО(11), ОО(Ш) ОО(ТУ), РисЗ. По степени прочности водородного

ТАБЛИЦА 1. MNDO-PM3 РАССЧИТАННЫЕ II ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ЗЦАЧЕИШ ХАРАКТЕРИСТИК Н-СВЯЗАННЫХ ПАР АЗОТИСТЫХ ОСНОВАНИИ.

AEhf^- Хартри-Фоковское значение энергии Н-связей (ккал/моль); ДН°Д298°К) - теплота образования пары,

AEzpe - энергия нулевых колебаний оснований в парах (ккал/моль); р - дипольный момент (Деб.);

ДЕп - энергия дисперсионных взаимодействий (ккал/моль); S0 - абсолютная энтропия (в кал/К/моль)

ДНо (298 К) - энтальпия водородного связывания (ккал/моль); AG0 - изменение Гиббсовой энергии пар

(ккал/моль);

'- эксперимент [Б.И.Веркин и др. "Взаимодействия биомолекул", Наукова думка, 1985, стр. 62];

теория [J.Sponer et al., Chemical .Physics. 204, 365 (1996)]; 3- теория [I.KGould et al, IAm.Chem.Soc., 116,2493 (1994)];

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

Пара Тип -AEHF -AEd AEZPE -AH 0 0 All' И s" AG*

GC(WC) dd(uu) 11.86 10.20 1.25 20.81 (21.01)' 3I.71 26.0' -18.42 6.30 131.41 0.91

GC(WC) du(ud) 11.67 10.21 0.60 21.28 (21.01)' 31.71 26.0s -18.30 6.17 131.81 0.91

СС dd(uu) 9.40 10.10 0.42 19.08 (17.52)' 22.8* -37.24 1.25 126.92 1.64

СС du(ud) 9.32 9.99 0.31 19.00 (17.52)' 22.8' -37.16 0 127.30 1.71

GAm dd(uu) 7.77 9.86 1.20 16.43 56.16 4.75 136.68 4.33

GA(I) du(ud) 7.72 9.85 1.13 16.44 56.21 4.48 137.00 4.29

AC(I) ddfuu) 6.20 9.82 0.50 15.52 35.86 4.00 129.96 4.95

AC(I) duiud) 6.17 9.83 0.49 15.51 35.88 3.79 130.05 4.95

GC(I) ddfuu) 5.79 10.00 0.36 15.43 -12.35 9.95 136.64 5.42

GC(I) du(ud) 5.80 9.97 0.34 15.43 -12.37 9.87 136.71 5.38

GA(III) dd(uu) 7.00 9.42 1.12 15.30 56.93 4.75 136.91 5.04

GA(IIl) duiud) 6.93 9.37 1.01 15.24 57.00 4.53 137.36 4.97

AC(II) ddfuu) 6.01 9.70 0.59 15.12 36.04 8.37 129.64 5.23

AC(II) duiud) 5.82 9.70 0.45 15.07 36.23 8.32 130.19 5.26

GGm ddluu) 10.53 5.78 1.28 15.03 4.20 1.59 145.73 0.93

GG(I) du(ud) 10.50 5.76 1.24 15.02 4.23 0 145.85 0.93

GG(III) d(u) 8.00 7.54 1.01 14.53 6.73 9.26 145.91 3.40

TA(RH) d(u) 6.82 7.98 1.00 13.80 (13.01)' 16 O2 13.5' -27.32 4.69 138.04 4.66

TA(II) d(u) 6.68 7.97 0.95 13.70 (13.01)' 16 0J 13.S' -27.18 5.00 138.34 4.71

ТАБЛИЦА 1. (Продолжение.)

Пара СА(1У) СА(ГУ) СА(11) СА(Н) ААШ АА(1) TA(RWC) ААЩ) АА(Н)

ТА(\УС)

ссоу) сс(т

ТС(1П АА(Щ) АА(Н1) ТС(1) СС(11) СТ(И) СТО) сс(П)

ТТ(1) ТТ(1Г) ТТ(Ш)

Тип

"Зйпгат

dd(uu) ё(1{ии) <1иСис1) du(ud) dd(uu) ¿(и) dd(uu) аиМ

<1(и)

dd(uu) du(ud) ¿(и) dd(uu) dшud)

«4« с!(и1

-АЕ„р 4.20 4.13 3.87 3.73 4.06 4.05 5.84 3.97 3.77

5.22 2.36 2.52 4.01 2.44 2.47 4.27 5.15 6.20 6.19 4.55 4.26 4.61 4.15

-ДЕ„ Т7Г 9.79 9.85

9.79

9.64

9.65 8.00 9.59 9.56

8.02 9.90 9.84

7.66 9.23 9.23 7.66

6.80 5.31 5.37 6.73 5.05 5.05 5.07

АЕгрЕ 0.46 0.49 0.53 0.49 0.57 0.63 0.93 0.67 0.51

0.75 0.23 0.32 0.20 0.47 0.52 0.94 0.97 0.56 1.16 0.89 0.52 1.11 1.15

-АН!

ТШ" 13.49

13.19

13.06 13.13

13.07 12.91 12.89 12.82

12.49 12.04 12.03 11.47

11.20 11.18 10.99 10.98 10.95 10.40 10.39 8.79 8.55 8.07

(13.01)' 17.6' 12.5'

(13.01)' 17.61 12.5'

(9.01)1 (9.01)' (9.01)'

14.51 15.1* 12.6*

АН, 59.73 59.81 60.06 60.21 107.88 107.88 -26.34 107.97 108.18

-25.72 12.37 12.22 -94.40 109.51 109.47 -94.66 9.58 -75.32 -75.31 -11.11 -157.21 -157.55 -157.09

Ц

7.38 7.32

5.84 5.94

0

1.44 2.22 4.71 4.51

1.48 0 0.43 3.25 1.10 0.51

3.85 10.60 6.57 5.53 12.17 1.18

О 0.69

140.02

139.72 139.77 140.51

133.11 132.99 138.39 132.89 133.60

138.13 147.20 147.56 136.34

134.73

135.12 135.45 147.17 146.82 146.80 138.75 148.06 147.42 147.28

связывания они располагаются в разных местах Таблицы 1. В свою очередь, каждый из этих видов обладает внутренним, 4-х кратным вырождением формы водородного связывания оснований. И здесь, для «пропеллеровых» и «ступенькообразных» структур характерны разные термодинамические параметры.

Именно по этим причинам, имеющийся в литературе вывод экспериментальной работы (Dey M., Grotemeyer J., ZNaturforsch., 49а, 776 (1994)) о монотонно уменьшающейся стабильности газофазных нуклеозидных ассоциатов в ряду GC > СС > GG > АА > AT представляется нам в настоящее время весьма проблематичным.

4. Еще одним весьма чувствительным индикатором изменения свойств электронной структуры в ряду водородно-связанных комплексов оказывается, как показали наши исследования, величина электрического дипольного момента ц. Являясь, по сути, векторной величиной, этот дипольный момент весьма ярко характеризует физические отличия тех или иных форм полиморфизма спаривания оснований.

Было получено, что только для случая плоских структур пар оснований (это пары ТТ(1), ТТ(Н) и ТТ(Ш), Рис.5.), результирующий дипольный момент естественным образом располагается в плоскости пар. В остальных же типах пар, с «пропеллеровыми» и «изломовыми» структурами, дипольный момент весьма заметно ориентирован вне плоскостей оснований. При полиморфной перестройке геометрии внутри пары направление момента даже может менять знак, т.е. перейти, условно из ориентации "up" в направление "down" или обратно.

Наиболее интересны случаи пар с четырехкратным полиморфизмом спаривания. Здесь, "пропеллероподобные" и "ступенькообразные" формы могут заметно отличаться не только ориентациями, но и значениями моментов. Выделяется случай GG(I) и СС хугстеновских пар. Для них, дипольные моменты «пропеллероподобных» и «ступенькообразных» конформаций резко разнятся и соотносятся как 1.59D к 0.0D для первой пары и, соответственно, как 1.25D к 0.0D для второй.

Такая разница в величинах дипольных моментов разных конформаций также может рассматриваться в качестве физического критерия для идентификации внутреннего полиморфизма пар, особенно при организации и проведении соответствующих полярографических экспериментов.

5. Основными структурными единицами нуклеиновых кислот являются, как известно, не пары оснований, а их сахаро-фосфатные производные. Поэтому следующим этапом в наших исследованиях было последовательное изучение особенностей водородного связывания сначала во всех возможных типах пар нуклеозидов, а затем уже и во всех парах нуклеотидов.

Можно сразу отметить, что изложенные выше основные результаты по геометрическим особенностям Н -связывания пар азотистых оснований оказываются справедливыми и для нуклеозидных и нуклеотидных пар.

Одним из основных структурных отличий динуклеозидов и динуклеотидов от спаренных оснований является несохранение строгой зеркальной симметрии "пропеллеровых" или "ступенькообразных" пространственных форм их Н-спаривания при подбарьерных, инверсионных перестройках NH2-rpynn водородных связей. Причиной тому - наличие у нуклеозидов и нуклеотидов концевых, гетероатомных неплоских структур, соответственно, сахарного кольца и сахаро -фосфатной группы. Но хотя эти

формы не симметричны и разделены некоторым потенциальным барьером, по теплоте образования они оказываются все же почти вырожденными.

Вторым отличием этих пар от пар оснований является понижение общего числа возможных видов Н-связываний. Здесь, опять же, из-за стерических ограничений, накладываемых наличием фуранозных или сахаро-фосфатных групп, выпадают спаривания вида [dG.dA](IV), [pdG.pdA](IV), [dG.dA](II) и [pdG.pdA](II). Отсутствуют, также, две формы из четырех (это формы с du и ud ориентацией N-H связей аминогрупп оснований в водородных связях) в парах [ dG.dA](III) и [pdG.pdA](III).

Что касается отличий в энергетике водородного связывания, то появление в структуре Н-спаренных оснований сильных электроотрицательных сахаро-фосфатных групп приводит к уменьшению энтальпии Н-связывания таких пар и, соответственно, к возрастанию их Гиббсовой энергии. В целом, можно отметить, что стабильность канонических, уотсон-криковских динуклеотидов оказывается даже несколько пониженной по сравнению с аналогичными нуклеозидными парами.

6. Как и в случае изолированных пар оснований, весьма характерные отличия форм пар нуклеозидов и нуклеотидов обнаруживаются при сравнении их величин дипольных моментов ц. Особенно хорошо это просматривается на примере пар вида СС, АА(1) и АА(Ш). В динуклеозидных и динуклеотидных структурах этого вида при полиморфной перестройке водородных связей из одной формы в другую электрический дипольный момент скачком меняется

Таким образом, представленные в этом разделе результаты позволяют сделать общий вывод: структурный полиморфизм большинства типов Н-спаренных оснований, нуклеозидов и нуклеотидов, инициируемый бистабильностью пирамидальной геометрии их аминогрупп, является изначальным, внутренним свойством самих пар. Уотсон -криковские GC(WC) и AT(WC) пары оснований, нуклеозидов и нуклеотидов обладают шестикратным вырождением своей "комплементарности" спаривания.

II. Водородное связывание в антипараллельных коротких двойных цепочках

олигонуклеотидов.

Как показали недавние газофазные эксперименты (Klassen J.S. et al (1998)) структура двойной спирали оказывается вполне устойчивой даже в изолированных ДНК -олигонуклеотидных цепочках. Поэтому, следующим логичным шагом в представленной работе явился теоретический анализ изменения свойств электронного строения водородно-связанных нуклеотидов при переходе от структуры одиночных пар к структуре олигонуклетидных дуплексов. Исследовались конформационные, спектральные (колебательно-вращательные) и термодинамические особенности удлиняющихся двойных цепочек В-ДНК, состава: d(ApA)d(TpT), d(ApT)d(ApT), d(ApApA)d(TpTpT), d(TpApT)d(ApTpA), d(ApApApA)-d(TpTpTpT), d(ApTpApT)d(ApTpApT), d(GpG)d(CpC), d(GpC)d(GpC), d(GpGpG)d(CpCpC), d(GpCpG)d(CpGpC), d(GpGpGpG)d(CpCpCpC) и d(GpCpGpC)d(GpCpGpC).

Основной задачей данного этапа исследований, являлось разрешение вопроса: сохраняется ли обнаруженная ранее множественность непланарных форм Н -связывания канонических пар нуклеотидов в структуре изолированной двойной мини-спирали?

Анализировались в основном свойства нейтральных форм дуплексов. Нейтрализация отрицательного заряда сахаро-фосфатного остова достигалась помещением протона на один из кислородов в каждой фосфатной группе. Влияние же зарядового состояния на структуру комплекса рассматривалось на примере димерных образований [ё(АрАЖТрТ)]-2 и [ё(СрО)ё(СрО)]-2.

С целью оценки устойчивости лево-спиральной структуры одиночного дуплекса был также проведен оптимизационный расчет 2-формы альтернирующего нуклеотидного комплекса [ё(СрО)ё(СрО)]-2.

Некоторые основные результаты проведенных квантово-химических исследований приведены на Рис.6 и в Таблице 2. Из анализа полученных геометрических, термодинамических и спектроскопических данных вытекает следующее:

1. а) Теоретическая, газофазная модель коротких двойных цепочек олигонуклеотидов действительно указывает на устойчивый характер возникающей правовинтовой структуры В-формы спирали. При этом, у наиболее протяженных дуплексов -тетрануклеодидов, состоящих из четырех нуклеотидных пар - многие конформационные параметры спирали уже хорошо коррелирут (А. КаЬапоу, ККотагоу, IntJ.Quant.Chem., 88(5), 2002) с известными аналогичными усредненными параметрами для классической В-формы ДНК, полученными из рентгеноструктурных данных. Причем лимитирующим фактором в формировании правовинтовой закрутки двойной спирали выступает относительная жесткость структуры сахаро-фосфатного остова с С^епсСо конформацией фуранозных колец.

2-форма отрицательно заряженного короткого дуплекса [<С(СрО)(С(СрО)]-2 также обладает, как показал расчет, устойчивой структурой, и характеризуется своим отличительным набором торсионных параметров с конформацией фуранозного кольца близкой к Сз'-епс1о.

б) Некопланарные "пропеллеровые" и сдвиговые, типа "ступеньки", формы спаривания нуклеотидов, выявленные нами ранее для одиночных АТ и ОС пар, остаются основными формами Н-связывания пар нуклеотидов и в структуре рассмотренных изолированных двойных цепей. Причем углы пропеллера, со, и излома, к, пар в дуплексах могут иметь разные значения и достигать величины, как показано в Таблице 2, порядка 20° - 30°. Обнаруживается некоторая зависимость этих параметров от концов цепи (так называемые концевые эффекты). Заметно, также, Рис.4, что с увеличением длины двойной спирали происходит определенное ослабление этих эффектов и наблюдается значительное спараллеливание плоскостей соседних оснований в середине цепи.

в) Полученные разные значения межфосфорных расстояний в разных боковых цепях дуплексов, говорят о накапливающейся кривизне спирали с ростом ее длины. Некопланарная упаковка пар демонстрирует зависимость формы спирали от типа и размера нуклеотидной последовательности, а также указывает на появление неоднородности геометрии нуклеотидных шагов по длине спирали.

Рис 6. MND0-PM3 рассчитанные структуры изолированных коротких двойных цепочек олигонуклеотндов ро!у(дА)ро1у((1Т) и poIy(dG) poly(dC).

г) Представленные в Таблице 2 величины потенциалов ионизации иллюстрируют общее, закономерное изменение энергетики верхних заполненных электронных оболочек комплексов с изменением типа и размера дуплекса и с изменением зарядового состояния боковых цепей.

2. Обнаруживается весьма специфическое и интересное поведение одной важной характеристики электронной структуры двойных цепочек, а именно, - величины

ТАБЛИЦА2. MND0-PM3 рассчитанные характеристики олигонуклеотицныхдуплексов.

Дуплекс [ Тип дн"{ h 1 -АН", | Пары <a к Ah

d(ApA). d(TpT) В -844.80 5.48 8.43 13.32 A2d-T, А,в-Т2 15 9 12 -26 0 0

d(ApApA). dfTpTpT) В -1405.69 10.19 8.38 20.04 Аз'-Т, А2"-Т2 А,"-Т3 13 10 5 -21 -12 -31 0 0 0

d(TpApT). d(ApTpA) В -1402.94 10.06 8.32 18.80 Тз-А,"1 а2"-т2 T,-dA3 6 22 23 25 -26 -23 0 0 0

А/-Т, 20 6 0

d(ApApApA).. d(TpTpTpT) В -1965.37 15.11 8.36 26.09 Аз" -Т2 А2"-Т3 10 19 -14 -32 0 0

а,"-т4 14 -37 0

d(GpG). d(CpC) В -830.22 12.70 8.04 31.06 G/-C," Gid-C2" 14 13 31 -17 0 0

d(GpC). d(GpC) В -754.17 3.17 8.00 27.68 C2d-G," G,d-C2" 0 6 12 -8 0.45 -0.60

D(GpGpG). d(CpCpC) В -1381.56 20.27 7.89 50.12 G3d-C,d G2d-C2U 0,л-Сзи 14 9 13 26 3 -20 0 0.36 -0.35

G4d-C,d 12 19 0

d(GpGpGpG). d(CpCpCpC) В -1933.85 25.36 7.70 71.69 G3d-C2u G2d-C3B 10 10 4 -3 0.39 -0.10

G,d-CV 7 2 0.24

td(APA)r'. [d(TpT)] В -917.72 5.06 5.23 -13.32 a2d-t, a,°-t2 10 6 30 -40 0 0

[diGpC)]1. [d(GpC)] В -814.81 10.35 4.80 8.69 C2d-G," G,d-C2" 8 2 22 -21 0 0

(d(GpC)]"1. [d(GpC)!"1 Z -907.57 5.68 5.20 5.06 G2d-C]d 0 0 35 -30 0 0

а - "up", d - "down" ориентация N-H связей аминогруппы основания.

ДН®|(2980К) - теплота образования (kcal/mol); <а - "пропеллеровый" разворот пар (°)

ДН*о(2980К) - энтальпия Н-связывания (kcal/mol); к - излом пар (°)

ц - дипольный момент (D); ДЬ- сдвиг пар типа "ступенька" (А)

I, - потенциал ионизации (eV).

суммарного электрического дипольного момента спирали, ц. Надо сказать, что в литературе обсуждению вопроса о величине и направленности общего дипольного момента молекулы ДНК уделяется недостаточно внимания. И этому есть определенные основания.

Дело в том, что в случае общепринятого плоского варианта Н-связывания пар оснований в структуре двойной спирали дипольный момент каждой пары лежит в плоскости оснований. При спиральной укладке таких пар должна происходить взаимная компенсация этих моментов. Как следствие, полный электрический дипольный момент полинуклеотида должен быть близок к нулю. По-видимому, именно этим и объясняется пренебрежение в литературе экспериментальными данными о регистрации все же больших дипольных моментов в структуре молекулы ДНК.

Однако в нашей работе показано, что появление стабильной непланарной укладки уотсон-криковских пар оснований в структуре изолированных антипараллельных 3' - 5' (5' - З1) двойных цепочек всегда приводит к возникновению нескомпенсированной составляющей электрического дипольного момента олигонуклеотида, направленной вдоль оси спирали. Удлинение олигонуклеотидного дуплекса на каждую дополнительную нуклеотидную уотсон-криковскую пару сопровождается регулярным увеличением дипольного момента системы. В случае рассмотренных гомо-тетрамерных дуплексов, (!(АрАрАрА)11(ТрТрТрТ) и ё(ОрОрОрО)ё(СрСрСрС), теоретическое значение полного дипольного момента ц достигает значительной величины. Это указывает на то, что накапливающийся электрический дипольный момент вдоль оси спирали в длинных цепях ДНК действительно может быть гигантским. Физически, одним из вариантов компенсации таких больших возмущений в структуре двойной спирали может быть вынужденное искривление оси спирали, например, через «суперспирализацию» двойной последовательности или через образование "шпилек" в конформации молекулы ДНК. Что, собственно говоря, часто экспериментально и наблюдается.

Вполне вероятно, что именно данное нетривиальное следствие внутреннего непланарного полиморфизма уотсон-криковских пар играет важную роль в формировании уникальной структурно-функциональной организации двойных спиралей ДНК. В особенности для обеспечения эффективного процесса белок-нуклеинового узнавания при инициации процесса транскрипциии генетической информации.

3. Нейтральные незаряженные формы нуклеотидных дуплексов по своим значениям энтальпий водородного связывания комплементарных пар оказываются, как показал расчет, не сильно отличающимися от одиночных нуклеотидных пар. Оценки, выполненные нами в стандартном, хартри-фоковском МКБО/РМ3 приближении, показали только некоторое увеличение этих величин при удлинении двойной цепи. Вполне вероятно, что это есть вклад релаксационных эффектов структуры боковых, сахаро-фосфатных групп в энергетику стабилизации водородного связывания цепей. При этом, длины самих водородных связей, в целом, оказываются почти не изменяющимися по сравнению с таковыми в изолированных парах и лежат, согласно нашим расчетам, в пределах 2.81-2.83 А.

4. Значительным образом меняются термодинамические характеристики олигонуклеотидных комплексов с переходом их фосфатных групп в анионные формы.

Были рассмотрены два сравнительных примера: зарядо-нейтральные дуплексы ё(СрО)ё(СрО) и а(АрА)ё(ТрТ) и их анионные аналоги [а(СрО)ё(СрО)]*2 и [(1(АрА)(1(ТрТ)]*2. Моделировались, как бы, полная нейтрализация противоионами (в данном случае - протонами) отрицательных зарядов на сахаро-фосфатных остовах в первом случае и сохранение этого заряда во втором.

Прежде всего, было получено, что значения теплот образования, ДН^, анионных форм дуплексов, (см. Таблицу 2) имеют повышенные значения по сравнению с нейтральных форм. Это указывает на значительную роль устойчивости состояний фосфатных групп, с делокализованными отрицательными зарядами, в увеличении общего баланса энергии комплекса. Резко изменившиеся условия валентно-силового поля Н-связывания оснований привели к большим вкладам структурных релаксационных эффектов в общую энергетику дуплекса.

С другой стороны, и это самое важное, появление в системе отрицательных зарядов резко изменило общую картину соотношения энтальпий Н-связывания АТ и ОС пар, ДН°о, в дуплексе.

Так, в нейтральных формах дуплексов суммарные энтальпии водородного связывания цепей из разных типов уотсон-криковских пар хотя и различаются соответствующим образом, но лежат, согласно оценкам, в области отрицательных значений энергии. В случае же отрицательно заряженного комплекса [ё(СрО)ё(СрО)]*2 результирующая энтальпия Н-спаривания ОС пар, несколько уменьшается за счет кулоновских эффектов отталкивания фосфатов,но остается в отрицательной части спектра энергий. А вот в случае [ё(АрА)-ё(ТрТ)]'2 дуплекса, кулоновские эффекты отталкивания оказываются достаточными, чтобы перевести энтальпийную составляющую энергии связывания АТ пар из области отрицательных значений в область положительных значений энергий (см. Таблицу 2).

Используемый метод MNDO/РМЗ несколько занижает рассчитываемую энергетику водородных связей (пример тому данные, представленные в Таблице 1). Тем не менее, можно говорить о выявленной важной тенденции усиления термодинамических отличий локальных участков с АТ и ОС парами в двойных последовательностях олигонуклеотидов, если только в структуре сахарофосфатного остова отрицательные заряды оказываются не полностью скомпенсированными.

Полученный результат находится в качественном согласии с известными экспериментальными данными по исследованию влияния ионной силы растворителя на процесс расплетания нуклеиновых кислот. В данных экспериментах при снижении ионной силы растворителя, приводящей к меньшему экранированию отрицательных зарядов сахаро-фосфатного остова, наблюдалось резкое снижение термодинамической стабильности водородного связывания двойных цепочек ДНК.

Таким образом, проведенный квантово-химический расчет электронной структуры изолированных олигонуклеотидных дуплексов подтверждает гипотезу об устойчи/вости, в целом, полиморфизма водородного связывания нуклеотидов в условиях двойной спирали. Он показывает значительное влияние природы связывающихся олигонуклеотидов, а также влияние концевых эффектов на формирование отличительных энергетических и структурных характеристик двойных цепочек и, как следствие, на формирование формы спирали.

Ш. Особенности равновесной колебательной динамики структуры двойных

спиралей олигонуклеотидов

Равновесная колебательная динамика двойных последовательностей полинуклеотидов является круциальным фактором структурно-функциональной организации молекул нуклеиновых кислот.

Считается, что деформируемость структуры двойной спирали в целом, локальная торсионная подвижность сахаро-фосфатных боковых цепей в процессах белок-нуклеинового взаимодействия, эффективность спонтанных "раскрытий" водородно -связанных пар, скорости релаксационных процессов в гидратированных комплексах ДНК, а также особенности кинетики генетических процессов регуляции транскрипции - все это, в значительной мере, определяется характером спектра нормальных колебаний Н -связанных полинуклеотидов. При этом, согласно устоявшимся теоретическим представлениям Проховского Е.В. и других авторов' (Chen Y.Z, Prohofsky E. W. (1995); Urabe H. et al (1985); Lisy V. et al (1997); Cocco S. et al (2000); Chou K.C. et al (1989); Saxena V.K. et al (1992); Volkov, S.N. et al ( 1991)), развитым на основе использования моделей эмпирических силовых полей и подкрепленным данными инфракрасной спектроскопии, в качестве лимитирующей стадии большинства из указанных процессов выступают колебания самых нижних частот, формирующиеся в длинноволновой области ИК спектра поглощения ДНК, в районе 20-100 см-1. Это, так называемые, "дыхательные" колебания" Н-связанных нуклеотидов, вращательные движения цепей, "плазменные" колебания двойных цепочек полинуклеотидов и некоторые другие виды коллективных колебательных подвижек. Полагают, что для молекул большой массы, какими являются ДНК, широкий профиль их многомерной поверхности потенциальной энергии определяет такую низкую энергетику нуклеотидных колебаний коллективной природы.

Вместе с тем, в последнее время стали появляться новые экспериментальные данные, полученные с помощью быстро прогрессирующей методики - терагерцовой импульсной фурье-спектроскопии далекого ИК диапазона (Markelz A G. et al (2000); Woolard D.L. et al (2002); Globus T.H et al (2002); Fischer B.M. et al (2002)). Они вполне убедительно свидетельствуют, что в биомакромолекулярных структурах, в том числе и в молекулах нуклеиновых кислот, колебательный спектр, фактически, начинается с еще более далекой инфракрасной области, а именно, с области частот порядка 1 см-1.

Примеров тщательного теоретического анализа спектров нормальных колебаний больших нуклеотидных комплексов, с привлечением строгих, квантово-химических методов, в силу вычислительных сложностей в настоящее время в литературе практически нет. Известна одна работа (Kabelac M et al (1991)), где с помощью ab initio квантово-химического подхода, в приближении HF/MINI-1, проведена оценка низкочастотного колебательного спектра одиночных нуклеотидных AT и GT пар. Полученные результаты позволили этим авторам указать только на принципиальную возможность появления в далекой ИК области колебательного спектра таких пар низкочастотных гармонических мод, начиная с частоты около 5 см - , с доминированием колебаний боковых, сахаро-фосфатных групп нуклеотидов.

Так, что на момент начала наших исследований было не совсем ясно, какова, все же, детальная природа колебаний как в этой далекой, так и в некоторых других областях ИК спектра поглощения ДНК? Какова причина выборочной активности низкочастотных колебаний наблюдаемой в Рамановских спектрах нуклеиновых кислот? Не ясна общая

специфика распределения локальных и коллективных мод нуклеотидных пар в области их ИК поглощения.

В своей работе мы, опять же с использованием- техники М^БО/РМЗ расчетов, провели анализ поведения спектра нормальных колебаний компонентов нуклеиновых кислот, при переходе от одиночных азотистых оснований к структуре водородно -связанных пар нуклеотизидов и нуклеотидов и далее - при переходе к структуре коротких двойных цепей олигонуклеотидов. Единым образом, на основе установленного нами внутреннего, структурного полиморфизма процесса Н -спаривания уотсон-криковских пар, дали интерпретацию специфики распределения в ИК спектрах водородно-связанных дуплексов локальных и коллективных колебательных мод. Основное внимание уделили обсуждению природы колебаний в низкочастотной области спектра, поскольку эта область колебаний оказалась наиболее чувствительной как к общей конформации комплекса, так и к состоянию окружающей среды.

Были получены следующие результаты:

А) Низкочастотные колебательные моды нуклеооснований, ихсахаро -фосфатных

производных и водородно-связанныхпар.

В Таблицах 3 и 4 представлены некоторые результаты расчета эволюции спектра гармонических колебаний нуклеиновых компонент при постепенном усложнении их структуры. Поскольку главное внимание уделяется обсуждению низкочастотной колебательной динамики ДНК в этих таблицах приведено ограниченное число норматьных мод. Спецификация распределения локальных мод по основным структурным группам молекул нуклеотидов приведена в Таблице 5..

1. Из Таблицы 3 прежде всего видно, что переход от структуры азотистого основания к структуре дезоксирибонуклеотидмонофосфата сопровождается достаточно резким понижением энергетики колебательных мод молекулы. Длинноволновая граница колебательного спектра сдвигается из области частот порядка 100 см"1 в район - 10 см "'. Для нуклеотидов, имеющих массу более чем в два раза превышающую массу исходного нуклеооснования - это естественный результат. Видно, также, что спектр нижних колебаний нуклеотидов довольно заметно уплотняется по сравнению с незамещенными азотистыми основаниями.

Детальное представление характера колебаний в этих соединениях в Таблице 3 не приведено, из-за громоздкости материала. Отметим, однако, что активность колебаний в области частот до 100 см"1, определяемая через соответствующие величины переходных дипольных моментов, , не высока. Это известная особенность расположенных здесь деформационных колебаний экзоциклических амино- и метальных групп, а также сахаро-фосфатных заместителей. В отличие от большинства высокочастотных характеристических мод, обладающих довольно большими величинами переходных моментов, эти нижние деформационные колебания имеют значения .согласно

расчетам, не выше 0,4-Б/А.

С повышением частоты, в колебательном спектре нуклеотидов начинают проявлять свою активность торсионные колебания аминогрупп (в нуклеотидах рс1А, р<Ю, рс1С ) и различные комбинированные деформационные колебания с участием пуриновых и пиримидиновых частей молекулы. В средне- и высокочастотной области ИК спектра, в

ТАБЛИЦА 3. РМЗ рассчитанный низкочастотный спектр нормальных колебаний одиночных азотистых оснований, аденина (А), тимнна (Т), гуанпиа цитозина (С), а также иуклеозидных dA, dT, dG, dC и нуклеотидных pdA, pdT, pdG, pdC пропзводпых.

АН*(298"К) -теплота образования (кеа1/ин 0: М- номер нормального колебания; У-часгота нормального колебания (сш'1); ц - переходной дипольный момент (О/А).

ТАБЛИЦА 4. РМЗ рассчитанный спектр низкочастотных нормальных колебаний одиночных уотсон-крнковских пар оспований, иуклсозидов и нуклеотидов

AT GC d(AT) d(GC) pd(AT) pd(GC)

дн; -26.21 -18.42 -279.12 -271.61 -688.02 -681.87

N V fi,, v" vb v A, v1 V fi v К v fi Описание v Д, Описание

1 21 0.4 22 25 25 04 25 8 0.3 8 0.3 5 0.3 <PbosGr(dpA),PhosGr(pdT)) del 3 0.3 (PhosGr(dpG))dcf

2 26 0.1 30 37 48 0.4 34 13 0.1 17 0.1 8 0.1 (SugarJPur(dpA), Sugar,Pyr(dpT)) dcf 6 0.2 (PhosGr(dpG), PhosGr, C5Gr4>ar(dpC)) def

3 55 0.3 53 41 63 0.3 69 19 0.1 20 0.1 10 0.2 (PhosGr(dpA), PbosGr(dpT)) def 9 0.1 (Sugar,Pyr(dpC),Pur(dpG)) def

4 77 0.1 65 74 101 0.1 84 20 0.1 26 0.3 16 0.1 (Sugar,Por(dpA), Me,Pyr(dpT)) def 14 0.2 (PhosGr(dpG), PhosGr(dpC)) def

5 86 0.1 122 91 120 0.3 116 23 02 29 0.1 17 0.1 (PhosCr(dpA), Me,PhosGr(dpT)) def 17 0.1 (PhosGr, Sugar(dpC)) def

6 90 0.2 169 93 132 0.2 123 35 0.2 36 0.1 20 0.3 (PhosGr, Sugar(dpT)) def 23 0.1 (Sugar, Pyi<dpC)) def

7 101 0.1 145 0.2 45 0.2 48 0.1 25 0.1 (PbosGr,Sugar(dpT),Sugar(dpA))der 28 0.2 (PbosGr(dpC), SugarJPur(dpG)) def

8 119 0.2 171 0.3 48 0.1 57 0.4 33 0.2 (PhosGr, Sugar, Pur(dpA)) def 32 01 (Sugar, Pyr(dpC)) def

9 156 0.3 188 0.7 53 0.1 65 0.3 36 0.3 (Sugar, Pyi(dpT)) def 34 0.3 (PhosGr(dpC), Sugar,Pur(dpG)) def

10 177 0.2 194 0.7 63 0.2 72 0J2 38 0.1 (Sugar,Pur(dpA), Me,Pyr(dpT)) def 35 0.1 (Sugar,Pyr(dpC)) def

11 212 0.5 224 0.5 70 0.1 80 0.1 43 0.2 44 0.3 (PhosGr,C'sGr(dpG)) def

12 258 0.4 183 0.8 77 0.2 93 0.1 49 0.1 (Sugar,Pyr(dpT)) def 53 03 (Sugar,Pur(dpG), Pyr(dpC)) def

13 261 0.7 297 0.3 88 0 97 0.1 53 0.1 -//-- 61 0.4 (Sugar,PyKdpC)) def

14 305 0.9 342 0.4 92 0.2 128 0.3 59 0.2 (PhosGr, C'3Gr(dpT)) def 67 0.4 (C'sGr, Sugar,Pui(dpG)) def

15 337 0.8 354 0.6 96 0.1 130 0.1 61 0.2 (SugarPhosGr,Pur(dpA)) def 69 0.2 (C'sGr4^r(dpC), Sugar, Pur(dpG)) dcf

ДНУ298°К) - теплота образовании (кса!/то|); Ы- номер нормального колебания; V- частота нормального колебания (ст"'); ц'а—переходной дилольный момент (О/А). V* - НР/6-3 Ю** результаты расчета [Р.НоЬга е1 а! (1999)], V* -№/№N1-1 расчет с учетом ангармонических поправок р/.вр1гко е! а1 (1997)]

соответствии с экспериментом, получены высокие интенсивности характеристичных мод деформационных и валентных колебаний различных связей.

ТАБЛИЦА 5. Спецификация функциональных групп нуклеотидов, определяющих форму низкочастотных колебаний Н-связанных комплексов.

N Обозначение Локализация

1 Me Метальная группа Тимина

2 Pur Пуриновая часть Аденина или Гуанина

3 Руг Пиримидиновая часть Тимина или Цитозина

4 nh2 ЫНг-группа Аденина, Гуанина или Цитозина

5 C'jGr С'5 -группа

6 Sugar Рибозное кольцо (сахар)

7 PhosGr Фосфатная группа

2. Комплементарное Н-связывание пар, как видно из Таблицы 4, приводит к дальнейшему понижению длинноволновой границы спектра нормальных колебаний этих соединений. (В таблице представлены рассчитанные спектральные данные для наиболее часто встречаемого "пропеллероподобного" варианта водородного связывания оснований в структуре пар (см. Рис4)). В случае уотсон-криковских нуклеотидных пар pd(AT) и pd(GC) эта граница фактически приближается к нулевым значениям частот и лежит в области ~ 3-5 см-1.

Отличительной особенностью равновесной колебательной динамики Н -связанных пар является появление межмолекулярного характера у большинства из низкочастотных колебательных мод.

а) Так, для уотсон-криковской нуклеотидной пары, pd(AT), например, самый длинноволновый участок ее ИК спектра состоит, согласно Таблице 4, целиком из 5 межмолекулярных мод, где активны совместные деформационные колебания функциональных групп обоих нуклеотидов (колебания выделены жирным шрифтом). Вплотную к межмолекулярным модам примыкает группа внутримолекулярных мод, в области от 20 см-1 до 36 см-1, отвечающих деформационным колебаниям отдельных сахаро-фосфатных групп. С повышением частоты, начинают проявлять свою активность межмолекулярные моды, с участием деформационных колебаний как фуранозного кольца дезоксиаденозинмонофосфата, dpA, так и деформационных колебаний метальной группы dpT. В дальнейшем, в спектре частот водородно -связанного динуклеотида, доминирующими становятся внутримолекулярные моды, локализованные на том или другом нуклеотиде. Как показывает расчет, только несколько деформационных мод, а именно моды находящиеся в области 108, 178, 321, 362 и 562 см-1, можно, приписать к межмолекулярным колебаниям.

Интенсивности всех низкочастотных внутри- и межмолекулярных мод, исходя из деформационной природы этих колебаний и достаточно большой массы вовлекаемых в колебания групп, не высоки. Согласно расчетам, соответствующие значения их переходных дипольных моментов fi'b опять же не превышают величины 0,4- d/á.

б) Для нормальных колебаний уотсон-криковской ёр(ОС) пары, также характерно относительно плотное заполнение меж- и внутримолекулярными модами низкочастотной области ИК спектра. Интенсивности этих мод не высоки. Как и в случае пары ёр(ТА), значения их переходных дипольных моментов, по нашим оценкам, не превосходят величины (1\= 0,4- Э/А.

Начиная с области 100 см*1, межмолекулярные колебания все реже участвуют в формировании спектра нормальных мод Н-связанного комплекса. Эти колебания локализуются в основном в областях 155,189, 268,376,422 и 462 см-1. ,

в) Общей спецификой обоих типов колебаний как внутри-, так и межмолекулярных в уотсон-криковских парах является их значительный смешанный характер. Подчас, весьма сложно выделить преимущественную локализацию колебаний на тех или иных группах. Основной причиной этому является, во-первых, неплоское строение самих отдельных аминозамещенных азотистых осн ований и, во-вторых, неплоский характер их водородного связывания. В отличие от планарных образований, в этих комплексах всегда имеет место значительное «перепутывание» нормальных колебаний.

3. Полиморфизм Н-связывания оснований практически не сказывается на особенности длинноволновой части колебательного спектра пар. Как показали расчеты, спектральные отличия внутренних, полиморфных «ступенькообразных» и «пропеллероподобных» форм спаривания, свойственные в основном для ОС пары, проявляются главным образом в средне- и высокочастотных областях спектра нормальных колебаний. Сводятся они, преимущественно, к различиям в интенсивностях некоторых характеристических колебаний валентных связей.

В целом, можно сказать, что доминирующую роль в формировании самой низкочастотной области равновесной колебательной динамики водородно -связанных нуклеотидных пар играют смешанные межмолекулярные моды, с активным вкладом колебательных подвижек обоих сахаро -фосфатных групп.

Б) Особенности низкочастотного колебательного спектра олигонуклеотидных

дуплексов.

В качестве иллюстрации поведения колебательного спектра нуклеотидов в структуре дуплексов, в Таблице 6 представлены рассчитанные частотные характеристики коротких двойных цепочек олигонуклеотидов: с1(АрА)- ё(ТрТ), ё(АрАрА)ё(ТрТрТ), а(АрАрАрА)а(ТрТрТрТ), а(АрТрАрТ)а(АрТрАрТ), а(ОрОрОрО)а(СрСрСрС) и С(ОрСрОрС)ё(ОрСрОрС). Поскольку основное внимание мы уделяем описанию специфики спектра нижних колебательных мод в удлиняющихся водородно -связанных дуплексах, приведены данные только по 20 самым нижним нормальным колебаниям. Для краткости, соотнесение колебаний, дано только для примера димерного комплекса С(АрА)ё(ТрТ). Описание колебаний проведено в соответствии с Таблицей 5. Межмолекулярные моды, как и ранее, отмечены жирным шрифтом.

Из ранее приведенного Рисунка 6 хорошо видно, что водородное связывание азотистых оснований в газофазной структуре олигонуклеотидных дуплексов сохраняет свой некопланарный вид. Учитывая возникающую гетерогенность геометрических параметров нуклеотидных шагов в двойных спиралях олигонуклеотидов, естественно

ТАБЛИЦА 6. РМЗ рассчитанный спектр низкочастотных колебаний газофазных структур олигонуклеотидных дуплексов: d(ApA).d(TpT), d(ApAPA). d(TpTPT), d(ApApApA).d(TpTpTpT), d(ApTpApT).d(ApTpApT), d(GpGpGpG).d(CpCpCpQ и d(GpCpGpC).d(GpCpGpQ.

|ЦАрА).с1(ТрТ) 11(АрАрА) <1(ТрТрТ) d(ApApApA) а(ТрТрТрТ) а(АрТрАрТ) а(АрТрАрТ) d(CpCpGpC) d(CpCpCpC) а(СрСрСрС) а(СрСрСрС)

дн? -844.80 -1405.69 -1965.37 -1968.74 -1933.85 -1937.21

N V А- Описание V К V А- V Л, V М, V А

I 6 0.1 (Б^аг^рА),, Б|^аг(йрТ),) (!еГ 3 0.2 3 0.1 3 0.2 6 0.1 4 0.1

2 8 0.1 (Ме(с1рТ),С'зСг(<1рГ),РЬ05аг{<1рТ)2) с1сГ 6 0.1 5 0.1 4 0.1 7 0.2 5 0.2

3 10 0.1 8иг>г(ар1Э,ХРиг(арА),А1е,Руг(йрТ),,РНо$СК<1рТ)1,РЬо$Сг(йрА)2)<1еГ 8 0.0 7 0.1 5 0.1 8 0.1 6 0.1

4 11 0.1 (Ру^рТ)2, Рут^р-ПьС'^рТЫ «М 11 0.1 9 0 7 0.1 10 0.1 7 0.1

5 14 0.2 (РЬо$Сг(Р<1Л)2, РЬо.чСг(р<1Т)2,Ме(р<1Т)„ Ме(<1рТ)2) def 12 0.1 11 0.1 7 0.1 И 0.1 8 0.1

б 15 0.2 (Риг, Б^ат-УрА),) йеГ 12.5 0.1 12 0.1 9 0.1 12 0.1 9 0.2

7 18 0.1 (С'4Сг (арАЬ Р1ккСг(йрТ)2, Ме(арТЬ,С',Сг (арТ)2) йеГ 13 0 14 0.2 10 0.2 13 0.1 10 0.1

8 20 0.1 (вицаг^рТ),, Бигаг^рА),, Ме^рТ)2, С'5Сг, Биеаг^рТЬ) аеГ 14 0.2 14 0.1 11 0.1 14 0.1 11 0.1

9 22 0.1 (8ибаг(арТ)„ Ру^рТ)„С'5ОгС1рА)ь Кигаг<<1рТ)2, Риг(ЛрА),) аеГ 16 0 16 0.2 12 0.1 16 0.2 12 0.1

10 24 0.1 (5и8аг(арТ)„С,5Сг(ЛрА)2, РЬскСг^р'Ог) с!с{ 18 0.2 16 0.1 13 0.2 17 0.1 13 0.1

11 28 0.2 (Мс^рТЬМе^рТЬ, Р1ю5Сг(арА)2, Риг^рА),) ёеГ 19 0.1 17 0.1 14 0.1 18 0.1 13 0.2

12 30 0.1 (5иЕаг(арА),,С'5Сг(арТ)2) с!сГ 20 0.1 18 0.1 17 0.1 19 0.1 15 0.1

13 34 0 (Зи§аг(арА)2,Рш(арА)2) ёсГ 21 0.2 19 0.2 18 0.1 19 0.2 17 0.1

14 37 0.1 (С'5Сг(арА)„ РЬскСг^рАЬ^аКдрТ),, Sugar(dpA)1) аеГ 22 0.1 20 0.1 20 0.2 21 0.1 19 0.2

15 39 0.3 (РЛ05Сг,Риг<ирА)2,С,5Сг(арА)„ Ьигаг^рТ^Руг^рТ),) (1еГ 24 0.1 21 0.2 21 0.1 22 0.1 21 0.1

16 43 0.1 (С']Сг(ЛрТ)|, РЬ05Сг(йрТ)2,Руг(арТ),,Мс(арТ)2,Риг(арА)1) 26 0.2 24 0.2 23 0.1 23 0.1 22 0.1

17 47 0.3 (виеаг Риг(с1рА)„Риг(арА)|, Руг(арТ)2,С'5Сг(с1рТ)2) аеГ 28 0.3 24 0.3 24 0.1 24 0.3 23 0.3

18 48 0.1 (Б^аг^рА)» Ме(арТ),) асГ 29 0.4 25 0.3 25 0.2 25 0.2 24 0.2

19 54 0.2 (5и$аг(арТ)|, РЬо$С^рТ)2,С'5Сг(<1рТ),Зи8а^рА)2) <1еГ 30 0.2 26 0.2 26 0.3 26 0.3 25 0.3

20 56 0.3 (Ме<арТ),^иеа^рТ)„ 8иеаг(арТ)2, Ьицаг(арА)2) асГ 31 0.2 27 0.3 27 0.2 27 0.2 26 0.2

- теплота образования (кса1/то1); М- номер нормального колебания; У-частота нормального колебания (спГ1); (¡'а- - переходной дипольный моменге(И/А).

ожидать здесь весьма сложный, «перепутанный» характер колебаний во всех низкочастотных модах, как межмолекулярных (межцепочечных), так и внутримолекулярных (внутрицепочечных).

В простейшем случае - случае дуплекса С(АрА)ё(ТрТ), из полученных 20 нижайших мод, 16 мод оказываются межмолекулярными колебательными модами во дородно-связанных нуклеотидов. Большинство из них, в особенности моды в области 10, 14, 20, 22, 24, 28, 37, 39, 43, 47, 54 и 56 см-1, имеют, в свою очередь, коллективный характер. В их формировании принимают участие колебания разных функциональных групп обоих водородво-связанных нуклеотидных пар.

Внутримолекулярные низкочастотные моды, относящиеся к колебаниям групп в одной цепи, тоже оказываются весьма сложной, смешанной природы. Характеристичность колебаний одиночных групп начинает проявляться, как показывает расчет, только при относительно высоких частотах.

- В более протяженных, тримерных и тетрамерных дуплексах, спектр гармонических мод довольно сильно нивелируется. Возникающая здесь близость частот многих подобных колебаний, делает спектральное распределение мод более однородным и почти непрерывным. Колебательные частоты, начиная с области порядка 3 см *', весьма плотно, через 1 см-1, заполняют всю длинноволновую область ИК спектра поглощения. Такой квазиконтинуум сохраняется вплоть до границы частот в 400 см"'. Далее, колебательные моды, уже через интервалы в 3-10 см-1, заполняют оставшуюся часть ИК спектра, доходя до области частот в 3900 см-1, где находятся характеристические колебания гидроксильных, О-Н групп.

Как показывает расчет, интенсивности всех низкочастотных мод оказываются небольшими. Как и в одиночных парах оснований, нуклеоизидов и нуклеотидов, деформационный тип этих колебаний определяет и здесь небольшие величины переходных дипольных моментов, /1. Согласно Таблице 4, значения их не превышают величины 0,4* Б/А.

Представленные результаты хорошо согласуются с экспериментальными спектроскопическим данными и не противоречат теоретическим оценкам, сделанным другими авторами на основе метода молекулярной механики для колебательных мод в небольших дуплексах.

Таким образом, можно сказать, что основной причиной высокой чуствительноста низкочастотных колебательных мод нуклеотидов к структуре олигонуклеотидного дуплекса является некопланарная укладка Н-спаренных азотистых оснований в структуре спирали. Эффект значительного "перепутывания" нормальных мод в неплоских водородно-связанных парах обуславливает коллективный характер поведения низкочастотных внутримолекулярных (внутрицепочечных) и межмолекулярных (межцепочечных) колебаний в равновесной колебательной динамике двойных олигонуклеотидных последовательностей.

IV. Влияние связанной воды на структуру и низкочастотный колебательный спектр олигонуклеотидного дуплекса.

Как мы уже отмечали, гидратация нуклеотидов является важнейшим фактором структурной и динамической организации молекул нуклеиновых кислот (Зенгер В. 1984, Maleev et ей). Считается, что стабильность структуры двойной спирали, подвижность ее отдельных фрагментов, колебательные свойства ДНК в целом весьма сильно зависят от концентрации - воды в этих водных оболочках. Вместе с тем, физический механизм влияния водного окружения на формирование колебательной структуры нуклеиновых кислот остается не совсем ясным.

Теоретическое квантово-химическое рассмотрение роли связанной воды на структурообразование двойной спирали и на колебательные спектры компонентов ДНК является довольно трудоемкой задачей. Но это и понятно, поскольку проведение строгих теоретических расчетов таких комплексов с явным включением молекул воды, требует больших вычислительных ресурсов, в особенности с использованием наиболее популярных в последние годы ab initio схем. Поэтому, весьма распространено применение континуальных моделей среды в анализе гидратационных эффектов млолекул. Но даже в рамках этого приближения роль среды, например, в формировании спектров нормальных колебаний нуклеотидных комплексов обычно рассматривается на простейшем примере водородно-связаных пар азотистых оснований (Flormn, Gorb, Leszczynski (1996)).

В данной работе, для моделирования влияния связанной воды на структурные и колебательные свойства двойных последовательностей нуклеотидов, был выбран пример В-формы коротких дуплексов [d(ApA)d(TpT)]-2 и [d(CpG)d(CpG)]-2. Используя РМЗ полуэмпирическую технику, в рамках приближения "супермолекулы" был проведен конформационный анализ влияния двух разных распределений молекул окружающей воды (из 47 и 39 молекул НгО в первом случае и из 59 и 47 молекул во втором) на структуру дуплекса. Способ построения исходной модели этого комплекса, а также выбор числа молекул гидратного окружения подробно описаны в диссертации в разделе Метод и подходы. Здесь отметим только, что выбранное число молекул гидратной воды, порядка 10 молекул в пересчете на 1 нуклеотид, оказывается в пределах известных оценок по номинальной концентрации воды в реальной структуре ДНК (Зенгер В. 1984). Пример оптимизированных конформаций [d(ApA)-d(TpT)] гидратного комплекса приведен на Рисунке 7.

Был также проведен полный анализ спектра гармонических колебаний обоих гидратных комплексов, с наибольшим количеством связанной воды. В Таблице 7, в качестве примера, представлены результаты расчета одного из них. Весь спектр нормальных колебаний [d(ApA)d(TpT)]-2. 47 Н2О. включает в себя 783 моды, без учета трансляционных и вращательных мод. Поскольку мы обсуждаем низкочастотную колебательную динамику, в Таблице 7 приведены характеристики только 30 самых нижних нормальных колебаний. Коллективные, межмолекулярные моды выделены жирным шрифтом. Для сравнения, в этой же таблице, представлен спектр нижних колебательных частот отдельного водного кластера, состоящего из 47 молекул НгО, т.е. состоящего из того же числа молекул, что и в гидратной оболочке этого дуплекса. Это сделано для оценки энергетики колебаний самой воды. Были рассмотрены две формы водного кластера: шарообразная и вьнянутая элипсоидная структуры.

Изолированный дуплекс

Конфигурация воды 1

ТАБЛИЦА 7. РМЗ рассчитанный низкочастотный спектр нормальных колебаний гидратного дуплекса P(ApA).d(TpT)] -2.47 КЮ и водного кластера (47H2O).

[<1(АрА).с1(ТрТ)]'2.47 Н20 47Н20 (шар) 47Н20 (эллипсоид)

дн; -3569.331 -2837.981 -2824.062

N V А, Описание V V А,

1 7 0.1 (\¥2)<1еС 16 0.1 13 0.1

2 9 0.2 -//- 22 0.1 16 0.1

3 11 0.1 (\¥1) Ле! 23 0.1 18 0.2

4 12 0.05 (Ш, в1^г(с1рА)„81^аг(11рТ)1,) йеГ 25 0.1 19 0.1

5 13 0.2 (\У2) (1еГ 27 0.2 21 0.2

6 13.5 0.2 -//- 29 0.1 23 0

7 14 0.1 -//- 30 0.1 24 0.2

8 15 0.2 -//- 31 0.2 25 0

9 17 0.1 -//- 31.8 0.2 27 0.2

10 18 0.15 (\¥2, С'5Сг((1рТ)г, Ме((1рТ),) с!еГ 34 0.1 28 0.1

11 19 0.04 (\У2) аеГ 35 0 28.7 0.2

12 20 0.15 (\\'2, вигагМрТ),) <1еГ 38 0.1 30.6 0.2

13 21 0.25 (\¥2,Руг(арТ)1)<»еГ 38.4 0.1 32 0.1

14 21.2 0.3 (\¥2, С',Сг,Риг(с1рА)1) аег 41 0.1 34 0.1

15 23 0.15 (\У2) йеГ 42 0.2 35 0.1

16 24 0.0 -//- 43 0.1 37 0.3

17 24.2 0.1 (ЛУ2, Мс(арТ)2) аеГ 45 0.2 38 0.2

18 25 0.2 (\У2) <)еГ 46 0 39 0.1

19 26 0.3 (BW, С'5Сг,Ме(рс1Т)2) <1еГ 47 0 39.8 0.3

20 27 0.3 (BW, в^аг^аТ),) (1еГ 48 0.1 40.2 0.2

21 28 0.4 (В\У, 8ийаг(раТ),) <1еГ 50 0.3 42 0

22 28.6 0.1 (W1) йе( 52 0.1 43 0.1

23 29 0.5 52.5 0.2 44.8 0.25

24 30 0.2 -//- 54 0.2 45.5 0

25 31 0.25 -//- 55.8 0.1 46.6 0.1

26 32 0.1 (М, W2, в^аг^рА),) <1е{ 56.5 0.2 47.6 0.2

27 32.2 0.15 С№1, W2) аеГ 58.9 0.2 49.8 0.1

28 33 0.1 (\У1, №2, С'5Сг(арТ)1) (М 59.4 0.2 50.6 0.16

29 34 0.25 (В\У,8ищаг((1рА),)с1еГ 60.6 0.1 52.9 0.14

30 36 0.2 (Ш, \У2, 5иваг((1рТН. Ме(<1рТ,) <1е1 61 0.1 53.5 0.1

-теплота образования (кса!/то1); А'-номер нормального колебания; V- частота нормального колебаний (ст'); ц'ь—переходной дипольный момент (О/А).

Можно выделить следующие результаты.

А) Особенности структуры гидратныхнуклеотидных дуплексов

Как видно из Рисунка 7, разное распределение связанной воды вокруг нуклеотидов синициировало стабилизацию разных ориентации N-H связей пирамидальных аминогрупп оснований относительно плоскости молекулы основания. Иными словами - были синициированы разные формы Н-спаривания нуклеотидов. Если в первом водном окружении, с большим числом молекул воды, реализовалась синхронная, "up" ориентация N-H-связей амино-групп обоих оснований аденинов в стопке, то в другом водном окружении комплекса наиболее выгодной по энергии оказалась противоположная -"down" ориентация N-H-связей. В случае же структуры безводного, изолированного дуплекса наиболее устойчивой оказывается антибатная ориентация наклонов N-H-связей аминогрупп аденинов. У одного из них реализуется " up", а у другого - симметричная, "down" ориентация N-H связей группы -NH2.

Оказалось, также, что водное окружен/ие нейтрализует в определенной степени и влияние концевых эффектов цепочек. Из-за возникновения водных "сшивок" между плоскостями пар оснований в спирали, наблюдается компактизация комплекса и появляется стэкингоподобная укладка пар.

Следует отметить, что, как показал расчет, обнаруженный ранее эффект появления нескомпенсированного электрического дипольного момента вдоль оси вращения нуклеотидных пар (т.е. вдоль оси двойной спирали) в изолированных дуплексах сохраняется и в случае комплекса с водным о кружением. Включение связанной воды в дуплекс не убирает присущую парам оснований деформированность водородного связывания по неплоским аминогруппам и не компенсирует значительную составляющую дипольного момента вдоль оси спирали. Поэтому, сделанный нами ранее вывод о возможном влиянии возникающих больших электрических дипольных моментов в нуклеотидных двойных цепочках на процессы белково-нуклеинового взаимодействия остается, на наш взгляд, справедливым и при учете поправок на водное окружение в молекуле ДНК.

Таким образом, основной результат проведенных конформационных оценок заключается в том, что разные формы скрытого полиморфизма Н -спаривания уотсон-криковских пар в олигонуклеотидных дуплексах могут реализовываться при разной степени гидратации комплекса.

Б) Особенности низкочастотной колебательной динамики гидратного нуклеотидного дуплекса

Пример представленного на Рисунке 7 строения гидратного окружения дуплекса [d(ApA) d(TpT)]-2. 47 Н2О (Конфигурация!) позволяет выделить в его структуре не 2 вида структурированной воды, как это считается многими (Згнгер В. 1984), а 3 вида:

1-й вид, обозначаемый нами как BW (связанная вода), характеризует молекулы воды непосредственно водородно -связанные с нуклеотидом в активных местах связывания (с фосфатом, сахаром, основанием);

2-й вид, обозначаемый как W1 (вода первого гидратного слоя), характеризует воду, образующую мостики между молекулами связанной воды,£ мостики между связанной водой и молекулами внешнего слоя воды;

3f ОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА

СПетгрбггг „9Э У» >it i

3-й вид, обозначаемый W2 (вода второго гидратного слоя), обозначает структурную воду в оставшемся внешнем окружении.

Вода в разной степени концентрируется вокруг сахаро -фосфатных групп и азотистых оснований. По сути, полученное распределение воды отражает, в какой-то мере, общий характер распределения электростатического потенциала вокруг отрицательно заряженного нуклеотидного дуплекса, в поле которого и идет формирование гидратной оболочки. Мы отдаем себе отчет в некоторой приближенности введенной нами классификации по слоям водородно-связанных молекул воды. Но как показал расчет, разные слои воды по-разному участвуют в определении колебательных мод комплекса.

Что касается конкретных особенностей спектра нижних колебательных мод в гидратированном коплексе, то здесь можно выделить следующие важные моменты:

1. Сравнение частотных спектров, например, дуплекса d(ApA)-d(TpT) в изолированном состоянии (Таблица 6) и в гидратированной (Таблица 7) фазе указывает на их значительные качественные различия. Так, в изолированном дуплексе большинство нижних колебательных мод, как отмечалось выше, составляют межмолекулярные моды водородно-связанных нуклеотидов. В случае же гидратированного дуплекса основу спектра, как видно из Таблицы 7, составляют уже смешанные межмолекулярные колебания молекул воды и функциональных групп нуклеотидов. Причем разные молекулярные слои воды, BW, W1 и W2, могут участвовать в формировании разных колебательных мод. Полный спектр нормальных колебаний в таком относительно небольшом комплексе, оказывается практически квазинепрерывным в диапазоне от 7см до 3990 см. Многие моды здесь - это чистые межмолекулярные колебания водной сетки водородных связей.

2. Для установления причин такой специфики распределения колебательных мод был дополнительно рассчитан колебательный спектр отдельного водного кластера, состоящего из 47Н2О. Этот спектр сам по себе оказался довольно своеобразным.

Во-первых, его низкочастотная граница тоже оказалась лежащей в далекой инфракрасной области (Таблица 7, последние 4 колонки). Можно предполагать, что колебательный спектр более массивного водного образования должен появляться практически в начале ИК диапазона, т.е. начинаться с той же области частот порядка 1 см-1, что и у самой ДНК. Этот вывод хорошо согласуется с недавними экспериментальными данным по импульсной терагерцовой ИК спектроскопии воды.

Во-вторых, спектр водного кластера оказался весьма плотно заполненным вплоть до нескольких сотен см-1 межмолекулярными коллективными модами.

Обычно считается, что нижние колебательные частоты жидкой воды лежат в области 50 см-1 и определяются О...О....О изгибовыми модами. Несколько выше, в районе 200 см-1, концентрируются колебания растяжений цепочек воды. Наконец, в области частот порядка500 см-1 сосредоточены либрационные колебания О...О....О связей воды.

Наши результаты говорят о том, что такое разбиение спектра нижних мод, весьма условно. Согласно проведенным оценкам, низкочастотный спектр водного кластера, даже таких относительно небольших размефов, оказывается практически сплошным вплоть до 800 см-1, а все его нормальные колебания имеют сложную смешанную коллективную природу.

В-третьих, среднечастотный и высокочастотный диапазоны ИК спектра водного кластера также оказываются квазинепрерывными. Колебательные моды плотно заполняют область от 1680 см"1 до 1800 см , где сосредотачиваются изгибовые Н-О-Н подвижки молекул воды. Весьма плотно заполняется и высокочастотная область от 3690 см'1 до 4000 см"1 , где распределены наиболее активные колебательные моды симметричных и антисимметричных валентных колебаний О -Н связей молекул воды.

Уже только эти результаты позволяют утверждать, что колебания связанной воды сильно завязаны друг на друга, закоррелированы, и должны активно участвовать в формировании колебательного спектра всего нуклеотидного комплекса.

3. Как показал расчет, фактически вся равновесная колебательная динамика гидратированного олигонуклеотидного дуплекса оказывается залимитированной (даже больше чем ожидалось) колебаниями водного окружения.

С одной стороны, как видно из Таблицы 7, происходит вытеснение многих низкочастотных межмолекулярных и внутримолекулярных колебаний дуплекса коллективными колебаниями молекул воды. Так, самыми нижними колебательными модами в гидратированном дуплексе оказываются чистые колебательные моды воды! Это означает, что в релаксационных процессах диссипации избыточного колебательного возбуждения молекулы ДНК конечными акцептирующими колебательными модами всегда будут выступать моды связанной воды.

С другой стороны, наблюдается возрастание активности некоторых выборочных колебательных мод нуклеотидов. Особенно это заметно на примере межмолекулярных коллективных колебаний в области 20, 25-28 и 31-34 см. Если в одиночном дуплексе эти нуклеотидные моды по интенсивности были сравнимы с остальными модами, то после гидратации интенсивность их возросла (возросли значения их переходных моментов, Произошла перегруппировка мод и выделилась активность отдельных колебаний.

Такого типа улучшение разрешения и увеличение интенсивности колебательных полос в ИК спектрах поглощения нуклеиновых кислот при гидратации - давно наблюдаемый экспериментальный факт и он неоднократно отмечался в литературе (Б.И.Сухоруков u dp (1975), (1984)). Теперь, согласно нашим результатам, становиться понятным почему выделяемая во многих экспериментах область ИК спектра ДНК в районе 20 см"1 идентифицируется как самая низкочастотная область коллективной колебательной динамики двойных последовательностей полинуклеотидов.

В целом, проведенный анализ позволяет сделать заключение, что внутренние слои гидратной воды в структуре двойных цепочек ДНК выполняют роль универсальной матрицы с разными структурно-функциональными проявлениями.

Во-первых, они нивелируют упаковку некопланарных уотсон-криковских пар и таким образом стабилизируют уникальную структуру двойной спирали.

Во-вторых, они, по аналогии с "эффектом матриц Шпольского", приводят к "замораживанию11 многих низкочастотных де-формационных колебаний и обуславливают усиление активности некоторых специфических колебательных мод нуклеотидных цепей.

Выводы.

1. Показано, что непланарность водородного связывания пар азотистых оснований по неплоским аминогруппам является внутренним свойством самих пар.

2. В отличие от общепринятого мнения, комплементарные и многие хугстеновские пары характеризуются не одной, а несколькими формами спаривания. Структурный полиморфизм связывания оснований по одним и тем же водородным связям, с образованием "пропеллероподобных" и "ступенькообразных" форм, обладает широким диапазоном угловых деформаций. Углы пропеллера и излома пар могут доходить до ±40°. Сдвиги плоскостей оснований в парах могут достигать величины ~ 1А.

3. В структуре изолированных коротких двойных цепей олигонуклеотидов, уотсон -криковские пары сохраняют свой "пропеллеровый" или "ступенькообразный" характер Н-спаривания. В появлении зависимости формы двойной спирали от нуклеотидной последовательности определяющую роль играет накопление, по мере роста цепи, непланарностей в укладке AT и GC пар.

4. В равновесной колебательной динамике двойных спиралей олигонуклеотидов коллективный характер большинства низкочастотных мод инициируется, в значительной мере, эффективным «перепутыванием» колебаний за счет неплоского водородного связывания уотсон -криковских пар.

5. В структурно-динамической организации молекулы ДНК связанная вода выполняет роль универсальной матрицы.

С одной стороны, она стабилизирует уникальную непланарную укладку уотсон-криковских пар в структуре двойных последовательностей, нивелирует концевые эффекты, за счет водных сшивок улучшает стэкинг оснований. Разная концентрация связанной воды реализует разные полиморфные формы Н -спаривания оснований.

С другой стороны, наличие связанного водного окружения перераспределяет активность мод в низкочастотной колебательной динамике нуклеотидов. Появляются колебательные моды с защитными свойствами к тепловой денатурации структуры двойной спирали.

6. Важнейшим следствием некопланарной укладки уотсон-криковских пар в структуре антипараллельных двойных цепочек олигонуклеотидов является возникновение нескомпенсированной составляющей электрического дипольного момента вдоль оси спирали. Накопление этой составляющей в длинных полинуклеотидных последовательностях может являться физической причиной генерации наблюдаемых гигантских дипольных моментов в молекулах ДНК.

Публикации

1. В.М.Комаров, Р.В.Полозов. «О неплоском строении оснований нуклеиновых кислот». Депон. ВИНИТИ, № 12003-5214.1989.

2. В.М.Комаров, Р.В.Полозов, Г.Г.Коноплев. «Неплоское строение аминозамещенных азотистых оснований: PCILO конформационные исследования». Препринт НЦБИ, Пущино, 1989.

3. V.M.Komarov, R.V.Polozov. «On the Nonplanar Structure ofAminosubstituted Nitrous Bases». 10-th International Biophysics Congress, July 29 - August 3, Vancouver, Canada, Abstract, p. 189,1990.

4. В.М.Комаров, Р.В.Полозов. «Неплоское строение аминозамещенных а зотистых оснований и уотсон-криковских пар». Тезисы VIII Всесоюзного симпозиума по межмолекулярному взаимодействию и конформациям молекул, 28 октября -1 ноября, Новосибирск, с. 126,1990.

5. V.M.Komarov, R.V.Polozov. «On the Propeller Structure ofIsolated Watson-Crick Base Pairs». Z.Naturforsh. 45C, 1080,1990.

6. В.М.Комаров, Р.В.Полозов. «Неплоское строение аминозамещенных азотистых оснований». Биофизика, 35,367-368,1990.

7. VALKomarov, R.V.Polozov, G.G.Konoplev. «Non-planar Structure ofNitrous Bases and Non-coplanarity ofWatson-Crick Pairs». J.Theor.Biol., 155,281-294,1992.

8. В.М.Комаров, НХ.Мевх. «Проблема некопланарного спаривания азотистых оснований нуклеиновых кислот». Тезисы Российской научной конференции с участием зарубежных ученых «Математические модели нелинейных возбуждений, переноса, динамики, управления в конденсированных системах и других средах», 2830 июня, Тверь, с 78-79, 1994.

9. В .М.Комаров. "Некопланарное Н -связывание хугстеновских пар оснований. PCILO конформационные оценки. I Аденин-аденин и аденин-тимин пары". Биофизика, 39, 837-842,1994.

10. В.М.Комаров, Н.Г.Мевх. «Модель множественности форм уотсон-криковского спаривания оснований». Ж.Физич.химии., 69,1419-1421,1995.

11. В.МКомаров. «Полуэмпирическое РМЗ исследование полиморфизма пар азотистых оснований». Тезисы II Международной конференции «Математические модели нелинейных возбуждений, переноса, динамики, управления в конденсированных системах и других средах», 2-5 июля, Тверь, с.69,1996.

12. В.М.Комаров. «Моделирование микроволновых и ИК- спектроскопических проявлений скрытого полиморфизма пар азотистых оснований нуклеиновых кислот». Тезисы ГО Международная конференция «Математические модели нелинейных возбуждений, переноса, динамики, управления в конденсированных системах и других средах», 29 июня - 3 июля, Тверь, с.69,1998.

13. Л.В.Якушевич, В.М.Комаров. «О параметрах нелинейных математических уравнений, имитирующих внутреннюю подвижность молекулы ДНК». Математика. Компьютер. Образование», т.5. с. 310-311,1998.

14. В.М.Комаров. «Квантово-химическое полуэмпирическое исследование полиморфизма уотсон-криковского спаривания азотистых оснований». Биофизика 43,967-974,1998.

15. В.М.Комаров, А.В.Кабанов, Ю.А.Лазарев, А.В.Шаловалов. «Компьютерное моделирование скрытого полиморфизма водородного связывания азотистых оснований в структуре канонических и хугстеновских пар». Математика. Компьютер. Образование, т.б.(2) с. 405-411,1999.

16. BJMKoMapoB, A.B .Кабанов. «Скрытый полиморфизм Н -связывания азотистых оснований в структуре нуклеотидных пар». Тезисы II Съезда Биофизиков России, Москва, 23-27 августа, 1999, т.1. с. 123.

17. V.M.Komarov. «On Spectral Identification of DNA-Base Pairs Polymorphism». J.BioLPhys., 24,167-184,1999.

18. В.М.Комаров, АВ.Кабанов, Н.Н.Хечинашвили, А.В.Шаповалов. «Особенности энергетики водородного связывания оснований нуклеиновых кислот. Квантово -химические оценки термодинамических параметров». Тезисы VII Международной конференции Математика.Компьютер.Образование, Дубна, 31 января -4 февраля 2000 г.: М, Прогресс-Традиция, (2000) .т.7. с. 161.

19. В.М.Комаров, АВ.Кабанов, Н.Н.Хечинашвили, А.В.Шаповалов. «Особенности термодинамики водородного связывания оснований нуклеиновых кислот. Квантово-химические оценки». Математика-Компьютер.Образование, т.7.(2) с.658-662,2000.

20. В.М.Комаров, Л.В.Кабанов. «Скрьный полиморфизм уотсон-криковского спаривания нуклеозидов и нуклеотидов». Тезисы 4 Международной конференции по математическому моделированию, Москва, СТАНКИН, 27 июня -1 июля 2000 г, Москва, Изд. "СТАНКИН", 2000, с.60.

21. В.М.Комаров, А.В.Кабанов. «Неоднозначное Н-связывание канонических нуклеозидных и нуклеотидных пар». Труды 4 Международной конференции по математическому моделированию, Москва, СТАНКИН, 27 июня -1 июля, 2000 г, Москва, Изд. "СТАНКИН", 2001, т. П. с.209-222.

22. АЗ.Кабанов, В.М.Комаров. "Проблема внутреннего полиморфизма водородного связывания азотистых оснований в структурной организации нуклеиновых кислот". Тезисы Школы-Конференции "Горизонты физико-химической биологии, Пущино, 28 мая - 2 июня, 2000 г., Пущино, ОНТИ ПНЦ РАН, 2000, с.ЗО.

23. В.М.Комаров, А.В.Кабанов, Л.В.Шаповалов, А.А.Канапин. «Пропеллеровое» водородное связывание нуклеотидов в структуре двойных мини-спиралей. Квантово-химические результаты». Тезисы VIII Международной конференции "Математика. Компьютер. Образование", Пущино, 31 января - 4 февраля 2001 г.: М, Прогресс-Традиция, с. 292.

24. А В.Кабанов, В.М.Комаров. "Особенности водородного связывания ДНК-снований в структуре коротких двойных цепочек олигонукл еотидов. Полуэмпирическое квантово-химическое исследование". Тезисы V Пущинской конференции молодых ученых. "БИОЛОГИЯ - НАУКА 21 го ВЕКА", Пущино, 16 -20 апреля 2001 г., Тула, ЗАОТрифиК°",2001,с.28.

25. AVJCabanov, V.M.Komarov. "Polymorphism ofHydrogen Bonding in the Short Double Helixes of Oligonucleotides. Quantum-Chemical Semiempirical Study". Theses of International Symposium on Computer Assistance to Chemical Research (CACR'2001), May-22-23, Moscow, 2001, pp. 71-72 (2001).

26. В.М.Комаров, А.В.Кабанов, А.В.Шаповалов, А.А.Канапин. "Пропеллеровое" водородное связывание нуклеотидов в структуре двойных мини -спиралей. Квантово-химические результаты". Математика.Компьютер.Образование, т.8.(2)

614-617,2001.

27. A.V.Kabanov, V.M.Komarov. "Polymorphism offlydrogen Bonding in the Short Double Helixes of Oligonucleotides. Quantum-Chemical Semiempirical Study". Intern J.Quantum. Chem., 88,579-587 (2002).

28. A.VJCabanov, V.M. Komarov, L.V. Yakushevich, A.V. Teplukhin. "Large propeller deformations ofnucleotide steps in short DNA double helixes: Quantum-chemical MNDO/PM3 study". Proceedings ofШ International Conference on "Bioinformatics of Genome Regulation and Structure (BGRS'2002)", v I, p.p. 173-175. May, 2002, Novosibirsk.

29. В.М.Комаров, А.В.Кабанов. «Вычислительные технологии в исследовании фундаментальных биологических проблем в Институте биофизики клетки РАН». Тезисы докладов Первой Национальной конференции «Информационно-вычислительные технологии в решении фундаментальных научных проблем и прикладных задач химии, биологии, фармацевтики, медицины (ИВТН -2002)» Май, 2002, Москва, с. 192.

30. В.М.Комаров, А.В.Кабанов, ЛВЛкушевич, А.В.Тешгухин, М.С.Кондратьев. «Влияние связанной воды на низкочастотную колебательную динамику

олигонуклеотидных дуплексов. Квантово-химический анализ». Тезисы XI Международной конференции "МатематикаКомпьютер.Образование". 26 января - 3 февраля, 2004, Дубна, т. 11. с.203.

31. A.V.Kabanov, V.M.Komarov, L.V.Yakushevich, A.V.Teplukhin «Low-frequency Intra-and Intermolecular Vibration Modes ofH-bonded Nucleobases in Oligonucleotide Double Helixes and Hydrated Nucleotide Duplex: Application of the PM3 Method». InternJ. Quantum.Chem., 98 (2004).

Принято к исполнению 19/08/2004 Исполнено 20/08/2004

Заказ № 285 Тираж 90экз

ООО «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 Москва, Балаклавский пр-т, 20-2-93 (095)747-64-70 (095)318-40-68 www autoieferat iu

»15889

Содержание диссертации, доктора физико-математических наук, Комаров, Владислав Михайлович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. СОВРЕМЕННЫЕ АСПЕКТЫ ПРОБЛЕМЫ ЗАВИСИМОСТИ ВТОРИЧНОЙ СТРУКТУРЫ МОЛЕКУЛЫ ДНК ОТ НУКЛЕОТИДНОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ.

1.1. Конформационный полиморфизм двойной спирали молекулы

1.2. «Пропеллеровая» структура укладки пар азотистых оснований.

1.3. Роль связанной воды в организации структурных форм молекул нуклеиновых кислот.

1.4. Некоторые особенности колебательной динамики равновесной структуры молекулы ДНК.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

ГЛАВА П. МЕТОД И ПОДХОДЫ.

2.1. Возможности современных теоретических подходов в исследовании структуры и свойств биомолекулярных си стем.

2.2. Особенности применения полуэмпирического квантово-химического MNDO/PM3 метода.

ГЛАВА Ш. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОННОЙ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ОДИНОЧНЫХ ПАР ОСНОВАНИЙ, НУКЛЕОЗИДОВ И НУКЛЕОТИДОВ.

3.1. Неплоское строение аминозамещенных азотистых оснований и скрытый полиморфизм водородного связывания уотсон-криковских пар.

3.2. Общая классификация структурного полиморфизма во всех известных типах пар.

3.3. Структурные и термодинамические особенности пар нуклеозидов и нуклеотидов.

ГЛАВА IV. НЕПЛАНАРНОСТЬ ВОДОРОДНОГО СВЯЗЫВАНИ Я УОТСОН-КРИКОВСКИХ ПАР И СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ АНТИПАРАЛЛЕЛЬНЫХ КОРОТКИХ ДВОЙНЫХ ЦЕПОЧКЕК ОЛИГОНУКЛЕОТИДОВ.

4.1. Полиморфизм структуры канонических пар и формирование зависимости кривизны двойной спирали от нуклеотидной последовательности.

4.2. Влияние зарядового состояния комплементарных цепей на термодинамическую стабильность Н -связывания оснований в олигонуклеотидах.

ГЛАВА V. ОСОБЕННОСТИ РАВНОВЕСНОЙ КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ

ДИНАМИКИ ИЗОЛИРОВАННЫХ ДВОЙНЫХ СПИРАЛЕЙ ОЛИГОНУКЛЕОТИДОВ.

5.1. Неплоское строение аминозамещенных азотистых оснований и специфика колебательных мод нуклеотидов в водородно-связанных парах.

5.2. Формирование коллективной природы низкочастоного колебательного спектра двойных последовательностей олнгокуклеотидов.

ГЛАВА VI. ВЛИЯНИЕ СВЯЗАННОЙ ВОДЫ НА СТРУКТУРУ И

НИЗКОЧАСТОТНУЮ КОЛЕБАТЕЛЬНУЮ ДИНАМИКУ НУКЛЕОТИДНЫХ ДУПЛЕКСОВ.

6.1. Строение гидратного окружения нуклеотидного дуплекса и зависимость формы Н-спаривания оснований от распределения связанной воды.

6.2. Вклад гидратации в низкочастотную колебательную динамику олигонуклеотидного комплекса.

ВЫВОДЫ.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Полиморфизм водородного связывания нуклеотидов и структурная организация молекулы ДНК"

Актуальность проблемы. Исследование механизма структурообразования молекул нуклеиновых кислот, установление физических факторов инициирующих зависимость вторичной структуры двойных спиралей от нуклеотидной последовательности, остается одной из важнейших проблем физико -химической биологии.

Собраны вполне убедительные свидетельства того, что генетические процессы регуляции транскрипции обуславливаются главным образом специфическими ДНК-белковыми взаимодействиями и контролируются конформацией молекулы ДНК. И процесс узнавания конкретным белком конкретных мест ДНК, и способность двойной спирали к изгибовым деформациям определяются локальной структурой последовательности нуклеотидов [33,69-70]. В то же время имеющиеся экспериментальные структурные данные указывают на весьма н етривиальную природу происхождения уникальной геометрической гетерогенности нуклеотидных шагов в структуре ДНК.

Прежде всего, это касается наблюдаемого необычного многообразия форм самой спирали ДНК, т.е. ее конформационного полиморфизма. Вообще го воря, согласно постулированному в 50-х годах прошлого века принципу строгого пространственного изоморфизма плоских канонических AT и GC пар, любые комплементарные нуклеотидные последовательности должны обладать, однотипной, регулярной, плоско -параллельной укладкой азотистых оснований в структуре двойной спирали. Однако, в реальных условиях обнаруживается большое разнообразие спиральных форм: А , В, С, D и Z [32,33,71]. Все они оказываются различающимися своими основными структурными параметрами: числом пар оснований на виток, межплоскостными расстояниями между основаниями в стопках, межфосфорными расстояниями и др. При этом, А- и В- формы, а также С-, D-, образуют семейство правовинтовых спиралей. Тогда как Z- форма - это левая двойная спираль.

Считается, что реализация конкретной структуры полимофной формы ДНК (В-ДНК, А-ДНК или Z-ДНК) - это довольно сложный результат соотношения многих взаимодействий: водородного связывания плоских нуклеооснований, стэкинга (межплоскостного взаимодействия) пар оснований, взаимодействия между заряженными фосфорнокислыми группами, эффектов окружающей среды типа гидратации и наличия противоионов. Вместе с тем, по мнению многих авторов, определяющими здесь все же являются параметры окружающей среды и стэкинг оснований.

Наблюдается, также, и не простое, внутреннее своеобразие зависимости вторичной структуры от нуклеопгидной последовательности для каждой отдельной формы двойной спирали. Исходно плоские, уотсон-криковские AT и GC пары оказывается могут реализовывать разные неплоские укладки пар, с доминированием деформаций типа «пропеллера», «ступеньки» или «излома» водородных связей оснований [ 32 -43,71]. Весьма распространено представление, что такая гетерогенность геометрии в упаковке пар также определяется в значительной мере стэкинговыми возмущениями, которые различны в структуре разных последовательностей нуклеотидов [33].

Однако, стэкинговая гипотеза о происхождении структурной неоднородности двойной спирали ДНК не позволяет, на наш взгляд, непротиворечивым образом согласовать накопленные экспериментальные данные. Во -первых, относительная малость энергии стэкинговых взаимодействий по сравнению с энергетикой водородного связывания пар не может удовлетворительно объяснить наблюдаемый довольно большой разброс угловых искажений водородных связей оснований, доходящий до ~ 39°, как в "пропеллероподобных", так и в других видах деформаций пар в структуре двойных спиралей олигонуклеотидов [34-37, 42]. Во-вторых, становится непонятным существование очень больших деформаций в одиночных парах оснований, достигающих 49°, в структуре монокристаллов нуклеозидов и нуклеотидов [34]. В^ третьих, в рамках стэкинговой гипотезы весьма трудно понять появление симметрии в распределении углов пропеллерового разворота пл оскостей оснований во всем многообразии пар: водородное спаривание оснований реализуется не только с разными положительными, но и с разными отрицательными значениями угла пропеллера [34]. Указанные обстоятельства вынуждают некоторых экспериментаторов выдвигать предположение, что наблюдаемая некопланарность Н-спаривания оснований есть, вероятно, внутреннее свойство самих пар [36].

Все это дает основания заключить: для корректного описания структурно -функциональной организации молекул ДНК важно не только знание формального типа "буквенной" последовательности нуклеотидов, но и глубокое понимание лимитирующих физических факторов в определении устойчивости нуклеотидных цепочек и, прежде всего, в определении устойчивости простейших водородно -связанных нуклеотидных дуплексов.

Несколько лет тому назад нами, совместно с Полозовым Р.В. [1 -7] впервые была выдвинута идея о возможности реализации неплоского, пропеллероподобного варианта Н-спаривания уотсон-криковских пар, исходя из учета малой, но устойчивой исходной пирамидальности строения экзоциклических аминогрупп оснований, по которым происходит водородное связывание пар. Позднее, нами было также отмечено [8], что устойчивый зр3-гибридный характер орбиталей валентных N-H связей аминогрупп, определяющий инверсионную бистабильность неплоской геометрии этих групп, может инициировать еще более фундаментальную особенность строения комплементарных пар, а именно - их внутренний структурный полиморфизм Н-спаривания. Для уотсон криковских AT и GC пар оказывается возможным существование не единственной плоской геометрии водородного связывания оснований, как это многие считают, а шести неплоских, зеркально-симметричных пропеллерообразных и ступенькоподобных структур. Такой скрытый полиморфизм спаривания осн ований может играть важнейшую роль в определении формы двойных спиралей полинуклеотидов.

Последующие выполненные нами простейшие квантово -химические оценки конформационных особенностей Н-связывания различных типов пар оснований показали плодотворность этого предположения.

Из литературы известны многочисленные примеры теоретического исследования как на основе эмпирических подходов, так и с применением самых новейших методов компьютерной химии, проблемы структурной организации молекул нуклеиновых кислот. Практически все они направлены на обоснование доминирующей, стэкинговой модели появления и стабилизации деформации пар оснований в структуре модельных комплексов ДНК. Известно, правда, несколько попыток использования неэмпирических, ab initio квантово-химических схем расчета и для проверки идеи возможного влияния непланарности строения азотистых оснований на структурные особенности водородного связывания пар [44-48].

Однако, как показывает анализ имеющихся данных, драмати зм нынешнего общего состояния решения всей этой сложной и деликатной проблемы заключается в том, что очень часто анализируемые эффекты от вкладов тех или иных видов возмущений в энергетику нуклеотидных комплексов, оказываются весьма малыми по величине и взаимно противоположными по знаку. При этом, ошибки используемых теоретических методов нередко оказываются сравнимыми с величинами самих оцениваемых эффектов. Так, например, известно, что выигрыш в энергии при переходе от плоской структуры к неплоской в простейших ароматических аминопроизводных (в том числе и в азотистых основаниях) имеет величину порядка 1 ккал/моль. В то же время, погрешности, например, одного из самых популярных в последнее время неэмпирического, квантово-химического метода такого, как HF/6-31(d,p)//MP2/6-31(d,p), при оценке энергетики молекулярных структур и комплексов достигают величины порядка -2-4 ккал/моль [49-50]. По этим причинам, результаты и выводы многих работ оказываются сильно зависящими не только от вида модельного комплекса и от вида сделанных допущений, но также и от типа используемой методики расчета и потому весьма часто не согласуются друг с другом.

Прецизионных экспериментальных данных, типа данных газовой электронографии или микроволновой спектроскопии, по геометрии изолированных комплексов пар оснований, нуклеозидов или нуклеотидов, в силу слабой термостабильности исходных нуклеиновых компонент, в настоящее время нет.

Поэтому, дальнейшие теоретические всесторонние исследования механизма струюурообразования молекул дезоксирибонуклеиновых кислот, на базе учета особенностей электронного строения непланарных форм спаривания комплементарных AT и GC пар и с привлечением адекватных квантово -химических подходов, представляются крайне важными, носят приоритетный характер и тем самым определяют актуальность данной темы диссертации.

Дели исследования. Основная цель работы заключалась в обосновании ключевой роли скрытого полиморфизма водородного связывания уотсон-криковских пар оснований в определении физического механизма зависимости вторичной структуры двойной спирали ДНК от нуклеотидной последовательности.

Поскольку гидратация является важнейшим, неотрывным элементом структурно -динамической организации молекул ДНК, то в работе, в тесном единстве с главным вопросом, теоретически был проанализирован и вопрос о влиянии молекул связанной воды на стабилизацию уникальной геометрии и на формирование функциональной специфики равновесной колебательной динамики пар оснований в структуре олигонуклеотидных двойных цепочек.

Научная новизна работы. В процессе выполнения теоретических исследований был получен ряд новых научных результатов. Среди них:

• На основе использования современного полуэмпирического MNDO/PM3 квантово-химического подхода впервые показано, что неплоский характер водородного связывания азотистых оснований в большинстве известных пар с двумя или тремя водородными связями является изначальным, внутренним свойством самих пар. Это свойство определяет у 28 возможных типов пар не один, плоский вариант Н-связывания, а в общем случае 81 вариант геометрии спаривания оснований.

• Получено, что: а) для уотсон-криковских AT пар, как и для многих других пар, в водородном связывании которых принимает участие одна аминогруппа, характерно двукратное вырождение Н-спаривания, с реализацией двух зеркально-симметричных струюур типа "пропеллера"; б) для уотсон-криковских GC и других пар, с двумя аминогруппами в водородных связях, характерно четырехкратное вырождение спаривания, с образованием попарно симметричных структур «пропеллера» и «ступеньки»; в) диапазон углов пропеллера и излома в некопланарных конфигурациях пар -довольно широк и составляет +40 -s- -40 градусов.

• Продемонстрирована гетерогенность колебательно-вращательных и термодинамических характеристик полиморфизма спаривания оснований.

• Показано сохранение некопланарного полиморфизма уотсон-криковских пар в условиях структуры двойных спиралей олигонуклеотидов. Проиллюстрировано, как накопление геометрических отличий в укладке AT и GC пар может инициировать зависимость формы спирали от нуклеотидной последовательности.

• Установлена важная роль непланарности Н -связывания оснований в формировании коллективной природы низкочастотных мод колеба тельного спектра двойных цепочек олигонуклеотидов.

• Показано, что водное окружение не только стабилизирует структурную гетерогенность укладки во дородно-связанных оснований, но и активно участвует в определении функционально важных свойств равновесной колебательной динамики олигонуклеотидных дуплексов.

Научно-практическое значение работы. Полученные результаты имеют, прежде всего, важное методологическое значение. Они существенно расширяют и обобщают представления о физическом механизме структурно -динамической организации двойной спирали ДНК. Указывают на лимитирующие факторы формирования фундаментальной функциональной зависимости вторичной структуры молекул нуклеиновых кислот от нуклеотидной последовательности.

Результаты работы могут быть использованы в построении новых технологий ДНК -расчетов, в создании современных учебно -методических курсов с углубленным описанием особенностей электронного строения и свойств биологических макромолекул, а также могут найти активное применение в биотехнологических разработках, в проектировании новых эффективных лекарственных препаратов на основе интеркаляторов в ДНК -структуры.

Структура и объем работы. Диссертация представлена в стандартной форме и состоит из введения, обзора литературы (Глава I), описания используемого метода и подходов (Глава II), результатов исследования (Главы III -VI), выводов и списка литературы. Работа изложена на 181 страницах, содержит 20 рисунков, 35 таблиц, 250 литературных ссылок.

Заключение Диссертация по теме "Биофизика", Комаров, Владислав Михайлович

Таким образом, проведенное в работе комплексное квантово-химическое исследование структурных, спектральных и термодинамических особенностей процесса водородного связывания нуклеотидов в структуре коротких двойных цепочек ДНК позволяет сделать следующие ОБЩИЕ ВЫВОДЫ:

1. Показано, что непланарность водородного связывания пар азотистых оснований по неплоским аминогруппам является внутренним свойством самих пар.

2. В отличие от общепринятого мнения, комплементарные и многие хугстеновские пары характеризуются не одной, а несколькими формами спаривания.

Структурный полиморфизм связывания оснований по одним и тем же водородным связям, с образованием "пропеллероподобных" и "ступенькообразных" форм, обладает широким диапазоном угловых деформаций. Углы пропеллера и излома пар могут доходить до ±40°. Сдвиги плоскостей оснований в парах могут достигать величины ~ 1 А.

3. В структуре изолированных коротких двойных цепей олигонуклеотидов, уотсон-криковские пары сохраняют свой "пропеллеровый" или "ступенько-образный" характер Н-спаривания. В появлении зависимости формы двойной спирали от нуклеотидной последовательности определяющую роль играет накопление, по мере роста цепи, непланарностей в укладке AT и GC пар.

4. В равновесной колебательной динамике двойных спиралей олигонуклеотидов коллективный характер большинства низкочастотных мод инициируется, в значительной мере, эффективным «перепутыванием» колебаний за счет неплоского водородного связывания уотсон-криковских пар.

5. В структурно-динамической организации молекулы ДНК связанная вода выполняет роль универсальной матрицы.

С одной стороны, она стабилизирует уникальную непланарную укладку уотсон-криковских пар в струшуре двойных последовательностей, нивелирует концевые эффекты, за счет водных сшивок улучшает стэкинг оснований. Разная концентрация связанной воды реализует разные полиморфные формы Н-спаривания оснований.

С другой стороны, наличие связанного водного окружения перераспределяет активность мод в низкочастотной колебательной динамике нуклеотидов. Появляются колебательные моды с защитными свойствами к тепловой денатурации структуры двойной спирали.

6. Важнейшим следствием некопланарной укладки уотсон-криковских пар в струюуре антипараллельных двойных цепочек олигонуклеотидов является возникновение нескомпенсированной составляющей электрического дипольного момента вдоль оси спирали. Накопление этой составляющей в длинных полинуклеотидных последовательностях может являться физической причиной генерации наблюдаемых гигантских дипольных моментов в молекулах ДНК.

Библиография Диссертация по биологии, доктора физико-математических наук, Комаров, Владислав Михайлович, Пущино

1. Leslie A.G.W., Arnott S., Chandrasekaran R., Ratliff R.L. "Polymorphism of DNA double helices", J.Mol.Biol, 143,49-72 (1980).

2. Saenger, W. "Principles of Nucleic Acid Structure", Springer-Verlag, Berlin, 1984.

3. Wilson, C.C. "An analysis of conformational parameters in nucleic acid fragments". Nucleic Acid Res., 15, 8577-8591 (1987).

4. Wilson, C.C., Tollin P. "Propeller twisting in single crystals of nucleosides". Nuleosides &Nucleotides., 6, 643-653 (1987).164

5. Wilson, C.C. "The effect of exocyclic substituents on base-pair propeller twist". Nuleosides & Nucleotides., 9,479-488 (1990).

6. Wilson, C.C. "Analysis of conformational parameters in nucleic acid fragments. II. Co-crystal complexes of nucleic acid bases". Nucleic Acid Res., 16, 385-393 (1988).

7. Wilson,C.C. "Analysis of conformational parameters in nucleic acid fragments. III. Very short chain oligonucleotides. The effect of base stacking". Nucleic Acid Res., 16,4752-4759 (1988).

8. Dickerson, RE. "Base sequence and helix structure variation in В and A DNA". J.Mol.Biol., 166,419-441 (1983).

9. El Hassan M.A, Calladine C.R., "Propeller-Twisting of Base-pairs and the Conformational Mobility of Dinucleotite Steps in DNA". J.Mol.Biol., 259, 95-103 (1996).

10. Heineman U., Alings C., Hahn M. "Crystallographic studies of DNA helix structure", Biophys.Chem., 50, 157-167 (1994).

11. Jursa J., Kypr J. "Geometries and energies of watson-crick base pairs in oligonucleotide crystal structures". Gen.Physiol.Biophys., 12, 401-409 (1993).

12. Aymami J., Coll M., Frederick C.A., Wang A.H.-J., Rich.A." The Propeller DNA Conformation of Poly(dA).poly(dT)". Nucleic Acid Res. 17, 3229-3245 (1989).

13. Leszczynski, J. "Are the amino groups in the nucleic acid bases coplanar with the molecularrings? Ab initio HF/6-31G* and MP2/6-31G* studies". Int.J.Quant.Chem. Quant.Biol.Symp., 19,43-45 (1992).

14. Sponer, J., Hobza, P. "Nonplanar geometries of DNA bases: ab initio second-order MP study". J.Phys.Chem., 98, 3161-3164 (1994).

15. Sponer, J., Hobza, P. "DNA Base amino groups and their role in molecular interactions: Ab initio and preliminary density functional theory calculations". IntJ.Quant.Chem., 57, 959-970 (1996).

16. Sponer, J., Leszczynski, J., Hobza, P. "Structure and energy of hydrogen-bonded DNA- base pairs A nonempirical study with inclusion of electron correlation". J.Phys.Chem., 100,1965-1974 (1996),

17. Sponer, J., Florian, J., Hobza, P., Leszczynski, J. "Nonplanar DNA base pairs". J.Biomol.StructDynamics., 13, 827-833 (1996).

18. Florian J., Lezsczynski J. "Spontaneous DNA Mutations induced by proton transfer165in the Guanine.Cytosine base pairs: An Energetic perspective J.Am.Chem.Soc., 118, 3010-3017(1996)50. http://www.GAUSSIAN.com; http://gaussian.icm.edu.pl/broceof.htm).

19. Watson, J.D., Crick, F. H. C. "A Structure of Deoxyribose Nucleic Acid". Nature, 171,737-738 (1953).

20. Belmont P, Constant J.-F., Demeunynck M. "Nucleic acid conformation diversity: from structure to function and regulation". Chem. Soc. Rev., 30,70-81 (2001)

21. Dickerson R. E., Drew H. R., Conner B. N., Wing R. M.,. Fratini A.V., КоркаM. L. "The anatomy of A-, B-, and Z-DNA". Science 216: 475-485 (1982).

22. Forner W., Otto P., Ladik J.: «Energies of interactions between purine and pyrimidine bases in B- and Z-DNA». Chem. Phys., 86,49-56 (1984).

23. Hobza P., Sponer J. "Structure, energies and dunamics of nucleic acid base pairs: nonempirical ab initio calculations". Chem.Rev., 99,3247-3276 (1999).

24. Sponer, J., Leszczynski, J., Hobza, P. "Hydrogen bonding and stacking of DNA bases: A review of quantum-chemical ab initio studies". J.Biomol.StructDyn., 14,117-135 (1996).

25. Florian J, Sponer J, Warshel A. "Thermodynamic Parameters for Stacking and Hydrogen Bonding of Nucleic Acid Bases in Aqueous Solution: Ab initio/Langevin Dipols Study". J.Phys.Chem., B103, 884-893 (1999)

26. El Hassan M.A, Calladine C.R. "The Assessment of the Geometry of Dinucleotide Steps in Double-Helical DNA; a New Local Calculation Scheme", J.Mol.Biol., 251, 648-664 (1995).

27. Texter J. "Nucleic Acid-water interactions". Prog.Biophys.Mol.Biol., 33, 83-97 (1978).

28. Wolf В., Hanlon S. "Structural Transitions of Deoxyribonucleic Acid in Aqueous Electrolyte Solutions, II. The Role of Hydration", Biochemistry, 14,1661-1670 (1975).

29. Kennard O., Cruse W.B.T., Nachman J., Prange Т., Shakked Z., Rabinovich D. "Ordered Water Structure in an A-DNA Octamer at 1 .lA Resolution", J.Bomol.Struct.Dyn., 3,623- 647 (1986).

30. Lan Т., McLaughlin L.W. "Minor Groove Hydration Is Critical to the Stability of DNA Duplexes", J.Am.Chem.Soc., 122,6512-6513 (2000).

31. Saenger W. "Structure and dynamics of water surrounding biomolecules". Ann.166

32. Rev. Biophys. Biophys. Chem. 16, 93 114(1987).

33. Сухоруков Б.И. «Протоны среды h воды в пространственной организации и стабильности ДНК». Автореф. дисс. докт. хим. наук., М. Институт химической физики АН СССР, 1988.

34. Семенов М.А. «Гидратация и структурные переходы нуклеиновых кислот в конденсированном состоянии», Дисс. на соискание ученой ст. док.физ.-мат.наук., Москва, МГУ, (1989).

35. Букин В.А. «Экспериментальные исследования гидратации ДНК», Мол.биол., 21,615- 629(1987).

36. Веркин Б.И., Янсон И.К., Суходуб Л.Ф., Теплицкий А.Б. «Взаимодействия биомолекул. Новые экспериментальные подходы и методы», Киев, Наукова думка, 1985.

37. Благой Ю.П., Галкин В.Л., Гладченко Г.О., Корнилова С.В., Сорокин В.А., Шкорбатов А.Г. Металлокомплексы нуклеиновых кислот в растворах. Киев: Наукова думка. 1991 .-270с.

38. Perez-Martin J., De Lorenzo V. "Clues and Consequences of DNA bending in transcription". Annu. Rev. Microbiol. 51, 593-628 (1997).

39. Allemann R. K., Egli M. "DNA Recognition and Bending". Chem. Biol. 4,643-650 (1997).

40. Dickerson R. E. "DNA structure from A to Z". Methods Enzymol. 211, 67-111 (1992).

41. Falk M., Hartman K.A.,Jr., Lord R.C. "Hydration of Deoxyribonucleic Acid. II. An Infrared Study". J.Am.Chem.Soc., 85, 387-391 (1963).

42. Falk M., Hartman K.A.,Jr., Lord R.C. "Hydration of Deoxyribonucleic Acid. III. A Spectroscopic Study of the Effect of Hydration on the Structure of Deoxyribonucleic Acid". J.Am.Chem.Soc., 85, 391-394 (1963).

43. Falk M., Poole A.G., Goymour C.G. "Infrared Study of the State of Water in the Hydration Shell of DNA". Can.J.Chem., 48,1536-1542 (1970).

44. Jeffrey G.A., Saenger W. "Hydrogen bonding in biological structures." Springer Verlag, 1991, 569 p.

45. Sponer J., Kypr J. "Close mutual contacts of the amino groups in DNA" Int. J. Biol. Macromol., 16, 3-10 (1994)

46. Christen D., Minkwitz R., Nass R. "Microwave spectrum of inversion and molecular structure of FNH2".J.Am.Chem.Soc., 109, 7020-7024 (1987).

47. Brown R.D., Godfrey D.M., Kleibomer B. "The Inversion-Torsion Motion in Vinilamine". J.Mol.Spectrosc., 124,21-33 (1987).

48. Brown R.D., Godfrey D.M., Kleibomer B. " Microwave spectrum and structure of cyanamide: semirigid bender treatment". J.Mol.Spectrosc., 114,257-273 (1985).

49. Roussy, G., Nonat, A.: "Determination of the equilibrium molecular structure of inverting molecules by microwave spectroscopy: Application to aniline". J.Mol.Spectrosc., 118(1986), 180-188.

50. Brand J.C.D., Williams D.R., Cook T.J."Vibrational Analysis of the First Ultraviolet Band System of Aniline",J.Mol.Spectrosc. 20, 359-380 (1966).

51. Calapietro M., Dominicano A., Portalone G., Schultz G., Hargittai I." Molecular Structure of p-Aminobenzene in the Gaseous Phase and in the Crystal" J.Phys.Chem., 91, 1728-1737 (1987).

52. Brown R.D., Godfrey D.M., McNaughton D., Pierlot A.P. "Tautomers of cytosine by microwave spectroscopy". J.Am.Chem.Soc., Ill, 2308-2310 (1989).

53. Brown R.D., Godfrey D.M., McNaughton D., Pierlot A.P. "A study of the major gas-phase tautomer of adenine by microwave spectroscopy". Chem. Phys. Lett., 156,61-63(1989).

54. Calladine C.R. "Mechanics of sequence-dependent stacking of bases in B-DNA". J. Mol. Biol., 161,343-363 (1982).

55. Hunter C.A., Lu X.J. "DNA base-stacking interactions: a comparison of theoretical calculations with oligonucleotide X-ray crystal structures", J. Mol. Biol., 265,603619 (1997).

56. Maevsky A.A., Sukhorukov B.I. "IR study of base stacking interactions". Nucl. Acid. Res., 8, 3029-3045 (1980).

57. Аксенов С.И. «Состояние воды и ее роль в динамике биологических структур». Автореферат на соиск. уч. степени доктора физ.-мат. наук. Изд. Московского Университета, МГУ. 1979.

58. Saenger W., Hunter W.N., Kennard O. "DNA conformation is determined by economics in the hydration of phosphate groups". Nature, 324, 385-388 (1986).

59. Prohofsky E. W., Van Zandt L. L., Kohli M., Lu К. C., Mei M. N., Putnam B. "Phonons in the DNA Double Helix". J. Physique 42, 6-56 (1981).

60. Chen YZ, Prohofsky EW. "Sequence and temperature dependence of the interbase hydrogen-bond breathing modes in B-DNA polymers: comparison with low-frequency Raman peaks and their role in helix melting". Biopolymers 35, 573-582 (1995).

61. Chen Y.Z., Mohan V., Griffey R.H. "Principal Torsion Angles of Collective Motions in Biomolecules: A Study on Single Base Opening in DNA Duplexes". Phys.Rev. E58, 909-913 (1998).

62. Urabe H., Tominaga Y. "Low frequency spectra of DNA". J.Phys.Soc.Jap., 50, 3543-3544(1981).

63. Urabe H., .Hayashi H., Tominaga Y., Nishimura Y., Kubota K., Tsuboi M. "Collective Vibration Modes in Molecular Assembly of DNA and Its Application to Biological System. Low Frequency Raman Spectroscopy". J.Chem.Phys., 82, 531535 (185).

64. Sclavi В., Powell J.W., Kim J., Lee S.A. "Low frequency vibrational dynamics of polynucleotide DNA films." Bull. Am. Phys. 39, 885 (1994).

65. Chou K.C., Maggiora G.M., Mao.B. "Quasi-Continuum Models of Twist-Like and According-Like Low-Frequency motions in DNA". Biophys J. 35, 573 (1989).

66. Lisy V., Miskovsky P., Brutovsky В., Chinsky L.'Tnternal DNA Modes below 25 cm"1: A Resonance Raman Spectroscopy Observation". J. Biomol Struct Dynamics 14,517-523 (1997).

67. Volkov, S.N.; Kosevich, A.M. "Theory of low-frequency vibrations in DNA macromolecules". J. Biomol Struct Dynamics 8, 1069 (1991).

68. Cocco, S.; Monasson, R. "Theoretical study of collective modes in DNA at ambient temperature". J. Chem Phys 112, 10017-10033 (2000).

69. Saxena, V.K.; Van Zandt, L.L. "Plasmon interpretation of 25 cm"1 mode in DNA. J. Biomol. Struct. Dynamics. 10,227 (1992).

70. Van Zandt L.L., Saxena V.K. "Vibrational local modes in DNA polymer". J.Biomol. Struct Dynamics. 11, 1149 (1994).

71. Волков С.Н. "Конформационная зависимость низкочастотных колебаний макромолекулы ДНК". Киев, ИТФ, 1990

72. Stuart, A., Myers, L. С., Powell, J. W., and Peticolas, W. L. "Far-Infrared Vibrational Spectra of Intrinsic Bending Sequences and Dickerson Dodecamer Variants," Bull. Am. Phys. 36, 403 (1991).

73. Markelz, A.G.; Roitberg, A.; Heilwiel, E.F. "Pulsed Terahertz Spectroscopy of DNA, Bovine Serum Albumin and Collagen Between 0.1 and 2.0 THz". Chem. Phys.Lett., 320,42-48 (2000)

74. Woolard, D.L.; Globus, T.R.; Gelmont, B.L.; Bykovskaja, M.; Samuels, A.C.; Cookmeyer, D.; Hesler, J.L.; Crowe, T.W.; Jensen, J.O.; Jensen, J.L.; Loerop, W.R. "Submillimeter-wave phonon modes in DNA macromolecules". Phys.Rev. E65, 051903 (2002).

75. Globus, T.R.; Woolard, D.L.; Samuels, A.C.; Gelmont, B.L.; Hesler, J.L.; Crowe, T.W.; Bykovskaja, M. J. "Submillimeter-Wave FTIR Spectroscopy of DNA Macromolecules and Related Material," J.Appl. Phys 91, 6106-6113 (2002).

76. Markelz A., Whitmire S., Hillebrecht J., Birge R. "THz time domain spectroscopy of biomolecular conformational modes". Physics Med.Biol. 47, 3797-3805 (2002).

77. Хобза П., Заградник P. Межмолекулярные комплексы. Издательство «МИР», Москва, 1989.

78. Суходуб Л.Ф. «Взаимодействия и гидратация нуклеотидных оснований в вакууме. Экспериментальные исследования. II. Копланарные и стопочные димеры». Препринт Физико-технического института низких температур АН УССР, Харьков, 1987.

79. BetaI.A., Michalarias I., FordR.C., Li J.C., Bellisent-FunelM.-C. "Quasi-elastic Neutron Scattering Study ofHydrated DNA", Chem.Phys. 292, 451-454 (2003)

80. Foresman J.B., Frisch Eileen "Exploring Chemistry with Electronic Structure Methods", Second Edition. Pittsburgh: Gaussian Inc. 1996.

81. Буркерт У., Эллинджер Н.Л. Молекулярная механика. М, Мир, 1986.

82. Кларк Т. Компьютерная химия, М, Мир, 1990

83. Дашевский В.Г. Конформационный анализ макромолекул. М., Наука, 1987

84. Полозов Р.В. Метод полуэмпирического силового поля в конформационном анализе биополимеров. М., Наука. 1981

85. Китайгородский А.И. Молекулярные кристаллы.М., Наука, 1971.118. http://www.amber.ucsf.edu/amber119. http://www.accelrys.com/insight/charmm120. http://wwwigc.ethz.ch/gromos121. http://www.chemistry-software.eom/hyperchem/hyperchem7.5

86. Lavery R. "Modelling nucleic Acids: Fine Structure, Flexibility and Conformational Transitions", in Advances in Computational Biology. (Eds. Hugo O.V., Greenwich C.T.) JAI Press Inc; 69-145 (1994).

87. McCammon JA., S. C. Harvey S.C. "Dynamics of Proteins and Nucleic Acids", Cambridge University Press, Cambridge, 1987.

88. Calladine, C. R. & Drew, H. R. Understanding DNA. The Molecule andHow it Works. Second Edition. Academic Press, San Diego, С A. (1997).

89. Poland D., Scheraga H.A. "Phase transitions in one dimension and the helix-coil transition inpolyamino acids". J. Chem. Phys. 45, 1456-1463 (1966).

90. Poland D., Scheraga H.A. "Occurrence of a phase transition in nucleic acid models". J. Chem. Phys. 45:1464-1469 (1966).

91. Poltev V.I., Shulypina N.V. "Simulation of Interactions Betwee Nucleic Acid Bases by Refined Atom-Atom Potential Functions". J. Biomol. Struct. Dyn., 3, 739-765 (1986).

92. Lavery R, Hartmann B. "Modelling DNA Conformational Mechanics", Biopys.Chem., 50, 33-45 (1994).

93. Cheatham ТЕ 3rd, Kollman PA. "Observation of the A-DNA to B-DNA transition during unrestrained molecular dynamics in aqueous solution". J Mol Biol. 259,43444 (1996).

94. Kosikov К. M., Gorin A.A., Zhurkin V.B., Olson W.K. DNA stretching and compression: large-scale simulations of double helical structures. J.Mol.Biol., 289, 1301-1326. (1999),

95. Klenin K.V., Frank-Kamenetskii M.D., Langowski J. "Modulation of Intramolecular Interactions in Superhelical DNA by Curved Sequences: a Monte

96. Carlo Simulation Study". Biophys. J., 68, 81-88 (1995)

97. Louise-May S., Auffinger P., Westhoff E. "Calculations of Nucleic Acid Conformations". Cur.Opin.Struct.Biol., 6, 289-298 (1996).

98. Edelwirth M., Freund J., Sowerby S J., Heckl W.M. "Molecular Mechanics Study of Hydrogen Bobded Self-Assembled Adenine Monolayers on Graphite". Surface Sci., 417, 201-209 (1998).

99. Reddy S.Y., Leclerc F., Karplus M. "DNA Polymorpism. I. A Comparison of Force Fields for Nucleic Acids". Biophys J., 84,1421-1449 (2003).

100. Hartman В., Lavery R. "The Conformation and Stability of Ribonucleic Acids: Modelling Base Sequence Effects in Double Stranded Helixes". J.Biomol.Struct. Dyn., 7, 363-380 (1988).

101. Нестерова E.H., Чуприна В.П., Полтев В.И. «Возможные В-конформации фрагментов ДНК с чередующимися пурин-пиримидиновыми последовательностями». Мол.биол., 32,668-677 (1998).

102. Hartman В., Lavery R. "DNA Structure Forms". Quart.Rev.Biophys., 29, 309-368 (1996).

103. Bloomfield, V. A., Crothers, D. M. & Tinoco, I., Jr. Nucleic Acids: Structures, Properties, and Functions. University Science Press, New York, NY. (2000).

104. Auffinger P., Westhof E. "Water and Ion Binding Around r(UpA)12 and d(TpA),2 Oligomers Comparison with RNA and DNA (CpG)i2 Duplexes". J.Mol.Biol., 305, 1057-1072(2001).

105. Levitt M. "Computer Simulation of DNA Double Helix Dynamics". Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 47,251-261 (1983).

106. Sinden, R. R. DNA Structure and Function. Academic Press, San Diego, С A. (1994).

107. Sprous, D., Young, M. A. & Beveridge, D. L. "Molecular dynamics studies of axis bending in d(G5-(GA4T4C)2-C5) and d(G5-(GT4A4C)2-C5): Effects of sequence polarity on DNA curvature". J. Mol. Biol. 285, 1623-1632 (1999).

108. Lyubartsev A.P., LaaKsonen A. "Molecular Dynamics Simulations of DNA in Solution with Different Counter-ions". J.Biomol.Struc.Dyn., 16, 579-592 (1998).

109. Воробьев И.Н. «Метод конформационных расчетов больших фрагментов нуклеиновых кислот». Мол. Биол. 17, 181-270 (1983).

110. Olson W.K., Zurkin V.B. "Modelling DNA Deformations". Curr.Opin.Struc.Biol., 10, 286-297 (2000).

111. Tidor В., Irikura K.K., Brooks B.R., Karplus M. "Dynamics of DNA Oligomers". J.Biomol.Struc.Dyn., 1,231-252 (1983).

112. Eisenhaber F.,Tumanyan V.G. "Structure of the Hydration Shell of the Polydeoxyribonucleotides in B-form Poly(dA-dC).poly(dG-dT) and Poly(dA-dG). poly(dC-dT) Obtained by Monte Carlo Simulations" Biofizika, 33 422 429 (1988).

113. Eisenhaber F., Eisenmenger F., Tumanyan V.G., Gunia W. "Hydration of B-DNA: Comparison of the Water Network Around Poly(dG).poly(dC) and Poly(dG-dC).poly(dG-dC) on the Basis of Monte Carlo Computations" Biopolymers, 28, 741 -761 (1989).

114. Eisenhaber F., Mannik J.H., Tumanyan V.G. "Structural Principles of B-DNA Grooves Hydration in Fibres as Revealed by Monte Carlo Simulations and X-ray Diffraction" Biopolymers, 29 1453-1464 (1990).

115. Eisenhaber F., Tumanyan V.G., Abagyan R.A. "Structure of the Hydration Shells of 01igo(dA-dT).oligo(dA-dT) and OUgo(dA).oligo(dT) Tracts in B-type Conformation on the Basis of Monte Carlo Calculations" Biopolymers, 30, 563-581 (1990).

116. Singh S., Patel P.K., Hosur R.V. "Structural polymorphism and dynamism in the DNA segment GATCTTCCCCCCGGAA-NMR investigations of hairpin, dumblell, nicked duplex, parallel strands, and I-motif". Biochemistry 36, 13214-13222 (1997).

117. Foloppe N., MacKerell A.D. "All-atom empirical force field for nucleic acids: I. Parameters optimization based on small molecule and condensed phase macromolecular target data'. J.Comput.Chem., 21, 86-104 (2000).

118. Башаров M.A., Волькенштейн M.B., Голованов И.Б., Ермаков Г.А., Научитель В.В., Соболев В.М. "Связь-связевые взаимодействия. I. Простое соотношение для оценок энергии связь-связь взаимодействия". Ж.структ.химии. 25, 31-35 (1984).

119. Башаров М.А., Волькенштейн М.В., Голованов И.Б.,Соболев В.М. "Связь-связевые взаимодействия. II. Барьеры внутреннего вращения в насыщенных органических молекулах ". Ж.структ.химии. 25, 36-41 (1984).

120. Башаров М.А., Волыеенштейн М.В., Голованов И.Б.,Соболев В.М. "Связь-связевые взаимодействия. III. Барьеры внутреннего вращения в ненасыщенных органических молекулах ". Ж.структ.химии. 25, 3-8 (1984).

121. Голованов И.Б. Метод связь-связевых взаимодействий. Автореф. Дисс. Докг. Физ.-мат. Наук. Институт химической физики АН СССР. М. 1988.

122. Young D. Computational Chemistry: A Practical Guide for Applying Techniques to Real World Problems, John Wiley & Sons, New York 2001.

123. Hinchliffe, Modelling Molecular Structures, 2nd ed., John Wiley & Sons, Chichester. 2000.

124. Leach A.R. Molecular Modelling: Principles and Applications, Addison Wesley Longman, Harlow 1996

125. Reuter N., Dejaegere A., Maigret D., Karplus M. "Frontier bonds in QM/MM methods: A comparison of different approaches". J.Phys.Chem., A 104,1720-1735(2000).

126. Luque F.J., Reuter N., Cartier A., Ruiz-Lopez M.F. " Calibration of the quantum/classical hamiltonian in semi-empirical QM/MM AMI and PM3 methods". J.Phys.Chem., A 104, 10923-10931 (2000).

127. Elcock A.H., LyneP.D., Mulholland A.J., Nandra A., Richards W.G. "Combined Quantum and Molecular Mechanical Study of DNA Cross-linking by Nitrous Acid". J.Am.Chem.Soc., 117,4706-4707 (1995).

128. Laughton C.A., Luque F.J., Orozko M. "Counterion Distribution Around DNA Studied by Molecular Dynamics and Quantum Mechanical Simulations". J.Phys.Chem., 99.11591-11599 (1995).

129. Iurek J., Bowman A.L., Sokalski W.A., Mulholland A.J. "MM and QM/MM Modelling of Threonyl-tRNA Synthetase: Model Testing and Simulation, Struct.Chem., 15, 409-418 (2004)

130. Tongraar A., Rode B.M. "Dynamic properties of water molecules in the hydration shells of NA+ and K+: ab initio QM/MM molecular dynamics simulations". Chem.Phys.Lett., 385, 378-383 (2004).

131. Mohan S., Yathindra N. "Sequence effects on the propeller twist of base pairs in DNA helixes". J.Biomol.Struct.Dyn., 9, 1195-1211 (1992).

132. Alexandrescu A., Drendel W.B., Sundaralingam M. "A highly propeller twisted adenine-adenine base pair in 8-tert-butyladenine". Acta Crystallogr., C47. 1041-1044(1991).

133. Hobza P., Sandorfy C. "Nonempirical calculations on all 29 possible DNA base pairs" J.Am.Chem.Soc., 109, 1302-1307(1987)

134. Hroda, V., Florian, J., Hobza, P.: "Structure, energetics, and harmonic vibrational spectra of the adenine-thymine and adenine*-thymine* base pairs: Gradient nonempirical and semiempirical study". J.Phys.Chem., 97, 1542-1557. (1993),

135. Sponer J, Hobza P. "Sequence dependent intrinsic deformability of the DNA base amino groups. An ab initio quantum chemical analysis" J. Mol. Struct. (THEOCHEM) 304, 35-40 (1994)

136. Spirko V., Sponer J., Hobza P. "Anharmonic and harmonic intermolecularvibrational modes of the DNA base pairs" J. Chem. Phys. 106, 1472-1479 (1996).

137. Sponer, J., Hobza, P. "Nonempirical ab initio calculations on DNA Base pairs". Chem.Phys. 204, 365-372 (1996).

138. Hobza P., Sponer J. "Significant structural deformation of nucleic acid bases in stacked base pairs: an ab initio study beyond Hartree-Fock" Chem.Phys.Lett. 288, 7-14(1998).

139. Shishkin O.V., Sponer J., Hobza P. "Intramolecular flexibility of DNA bases in adenine-thymine and guanine-cytosine Watson-Crick base pairs" J. Mol. Struct. 477,15-21 (1999).

140. Sponer J., Hobza P. "Molecular interactions of nucleic acid bases. A review of quantum-chemical studies" Collect. Czech. Chem. Commun. 68,2231-2282 (2003)

141. Sponer J, Leszczynski J., Hobza P. "Hydrogen bonding, stacking and cation binding of DNA bases". J.Mol.Struct.(THEOCHEM). 573,43-53 (2001)

142. Dive, G., Dehareng, D., Ghuysen, J.M.: "Energy analysis on small to medium sized H-bonded complexes". Theor.Chim.Acta., 85,409-421(1993),.

143. Sukhanov O.S., Shishkin O.V., Gorb L., Podolyan E., Leszczynski J. "Molecular structure and hydrogen bonding in polyhydrated complexes of adenine: A DFT study". J.Phys.Chem., В107,2846-2852 (2003).

144. Guerra C.F., Bickelhaupt F.M., Snijders J.G., Baerends E.J. "Hydrogen bonding in DNA base pairs: Reconcilation of theory and experiment". J.Am.Chem.Soc., 122, 4117-4128 (2000).

145. Subramaniam V., Sivanesan D, Ramasami t. "The role of solvent on the base stacking properties of the stacked cytosine dimmer". Chem.Phys.Lett., 290,189-192(1998).

146. Nowak M.J., Lapinski L., Kwatkowski J.S., Leszczynsky J. "Infrared Matrix isolation and ab initio quantum mechanical studies of purine and adenine". Spectrochim. Acta. 47A , 87-103 (1991).

147. Kwatkowski J.S., Leszczynsky J. "Molecular structure and vibrational IR spectra of cytosine and its trio and seleno analogues by Density Functional Theory and conventional ab Initio calculations". J. Phys. Chem. 100,941-953 (1996).

148. Gould I.R., Vincent M.A., Hillier I.H. "A new theoretical prediction of the infrared spectra of cytosine tautomers". // Spectrochimica Acta. 48A, 811-818 (1992).

149. Stewart E.L, Foley C.K., Allinger N.L., Bowen J.P. "An initio calculations with electronic corrlelation (MP2) on the nucleic acid bases and their methyl derivatives". J.Am.Chem.Soc. 116,7282-7286 (1994)

150. Малеев В.Я., Семенов M.A., Гасан А.И., Кашпур В.А. «Физические свойства системы ДНК-вода». Биофизика 38, 768-790 (1993).

151. Brown, R.D., Godfrey, P.D., Kleybomer, B.K.: "The conformation of formamide J. Molec. Spectroscopy., 124, 34-35 (1987).

152. Wright G.M., Simmonds R.J., Parry D.E. "Ab initio studies of the ground-state potential energy surface of formamide". J.Comput.Chem., 9, 600-6003 (1988).

153. Kwiatkowski J.S., Leszczynski J. "Molecular structure and vibrational IR-spectrum of formamide revised ab initio post-Hartree-Fock study". J.Mol.Struct., 297, 277-284(1993).

154. Louwen J.N., Jenneskens L.W. "Comparison Between Some Semi-empirical and ab initio Hartree-Fock Models for Description of Amides (Formamide Revised)". J.Phys.Org.Chem., 3, 711-722 (1990).

155. Ventura O.N., Rama J.B., Turi L., Dannenberg J.J. "Gase-phase structure and acidity of formohydroxamic acid and formamide: A comparative ab initio study". J.Phys.Chem., 99, 131-136(1995).

156. Wong M.W., Wiberg K.B. "Structure of acetamide: planar or nonplanar?". J.Phys.Chem., 96, 668-671 (1995)

157. Suenram R.D., Fraser G.T., Lovas F.J., Gillies C.W., Zozom J. "Microwave spectrum, structure and electric dipole moment of argon-formamide van-der-waals complex". J.Chem.Phys., 89,6141 (1988)

158. Ellrna J., Goeta A.E., Howard J.A.K., Wilson C.C., Antino J.C., Punte G. "Experimental evidence for the amino-group non-planarity in nitroanilines: neutron diffraction study of 2-methyl-5-nitroaniline at 100°K". Acta Cryst., 55, 209-215 (1999)

159. Волков C.H., Косевич A.M. «О конформационных колебаниях ДНК». Мол.биол., 21,797-806 (1987).

160. Давыдов А.С. Квантовая механика. Гос. изд. Физ.-мат. литер., М.; 1963.

161. Никитин Е.Е. Теория элементарных атомно-молекулярных процессов в газах. «ХИМИЯ». М. 1970.

162. Н.Ф.Степанов, В.И.Пупышев. Квантовая механика молекул и квантовая химия, Изд.МГУ, 1991

163. Мак-Вини Р., Сатклиф Б. Квантовая механика молекул. «МИР». М.1972.

164. Слэтер Дж. Электронная структура молекул.»МИР». М. 1965.

165. Hartree D.R. "The wave-mechanics of an atom with a non-Coulomb central field. Parti. Theory and methods". Proc. Camb. Phil. Soc., 24, 89-132 (1928).177

166. Минкин В.И, Симкин Б .Я, Миняев P.M. Теория строения молекул, «Высшая школа»,М,1979.

167. М.Дьюар. «Теория молекулярных орбиталей в органической химии», Мир. М,1972

168. Дж.Сегал (Ред.). Полуэмпирические методы расчета электронной структуры, т. 1,2 «МИР», М,1980

169. Современная квантовая химия, т.1, т.2., Мир, М. 1968

170. Moller С., Plesset M.S. "Moller-Plesset perturbation theory of order n for electron correlation". Phys. Rev., 46,618-624 (1934).

171. Pople J., Beveridge D.L. "Approximate Molecular Orbital Theory". McGraw-Hill, New York- 1970.

172. Dewar M.J. "The Molecular Theory of Organic Chemistry". McGraw-Hill, New York-1969.

173. Dewar M.J., Thiel W. "Ground States of Molecules. The MNDO Method. Approximations and Parameters". J. Am. Chem. Soc., 99,4899 (1977).

174. Dewar M.J., Zoebisch E.G., Healy E.F., Stewart J.P. "AMI: A New General Purpose Quantum Mechanical Molecular Model". J. Am. Chem. Soc., 107,. 39023909 (1985).

175. Stewart J.P. "Optimization of Parameters for Semiempirical Methods. I. Method". J. Comput. Chem., 10,209-220 (1989).

176. Stewart J.P. "Optimization of Parameters for Semiempirical Methods. II. Applications". J. Comput. Chem., 10,221-264 (1989).

177. Stewart J.J.P. "Optimization of Parameters for Semiempirical Methods. III. Extension of PM3 to Be, Mg, Zn, Ga, Ge, As, Se, Cd, In, Sn, Sb, Те, Hg, Tl, Pb, and Bi". J. Comput. Chem., 12,320-341 (1991).

178. Stewart J.J.P. "MOPAC: A General Molecular Orbital Package". QuantChem. Progr.Exch.(QCPE), 10,. 86-97 (1990).

179. Thiel W., Voityuk A. "Extension of the MNDO Formalism to d orbitals: Integral Approximations and Preliminary Numerical Results ". Theor. Chim. Acta., 81, 391404 (1992).

180. Klamt A., Schumann G. "COSMO: A New Approach to Dielectric Screening in Solvents with Explicit Expressions for the Screening Energy and its Gradient". J. Chem. Soc. Perkin Trans., 2,799-805 (1993).

181. Cramer C.J, Truhlar D.G. "PM3-SM3: A General Parameterization for Including Aqueous Solvation Effects in the PM3 Molecular Orbital Model". J.Comput.Chem., 13,1089-1097 (1992).

182. Cramer C.J, Truhlar D.G. "AM1-SM2 and PM3-SM3 Parameterized SCF Solvation Models for Free Energies in Aqueous Solution". J.Comput.-Aid. Mol.Design 6, 629-666 (1992).

183. Stewart J.J.P. "Application of Localized Molecular Orbitals to the Solution of Semiempirical Self-Consistent Field Equations". Int. J. Quant. Chem., 58, 133-146 (1996).

184. Diner S., Malrieu J.P., Claverie P. et al. "PCILO: Perturbation Configuration Interaction Using Localized Orbital Method in the CNDO Hypothesis". Theor. Chim. Acta. 13, 1-45 (1969).

185. Bhaumik S.R., Saran A., Govil G. "PCILO investigations on the conformation of two-base hairpin loop in DNA". Chem.Phys., 204, 205-211 (1996).

186. Tewar R. "Conformational preferences of modified nucleic acid bases N*(A2-isopentenyl)-adenine and 2-methyl-N6(A2-isopentenyl)-adenine by the quantum chemical PCILO calculations". Int.J.QuantChem., 34,133-142 (1988).

187. Becke A.D. "Density-functional thermochemistry. III. The role of exact exchange" J. Chem. Phys. 98, 5648-5652 (1993).

188. Lee C., Yang W., Parr R.G. "Development of the Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron density". Phys. Rev., 37,. 785 В (1988).

189. Miehlich В., Savin A., Stoll H., Preuss H. "Results obtained with the correlation energy density fimctionals of Becke and Lee, Yang and Parr". Chem. Phys. Lett., 157,200 (1989).

190. Dos Santos H., De Almeida W.B. "MNDO/AM1 /РМЗ quantum mechanical semiempirical and molecular mechanics barriers to inertial rotation: a comparative study". J. Mol. Struct (Theochem). 335, 29-139 (1995).

191. Barone G, Ramusino M.C., Barbieri R., La Manna G. "Semiempirical calculations on the interaction between dimethyltin(IV) and DNA model system". J.Molec.Stmct.(THEOCHEM), 335,129-139 (1995)

192. Lively T.N., Jurema M.W., Shields G."Hydrogen bonding of nucleotide base pairs: Application of the PM3 method". Int.J.Quant.Chem.,Quant.Biol.Symp. 21, 951994)

193. Herzberg G.: Molecular spectra and molecular structure. Electronic spectra and electronic structure of polyatomic molecules, Toronto-New York-London, 1966,

194. Cox J.O., Pilcher G. Thermochemistry of Organic and Organometallic Compounds, N.Y.: Acad. Press, 1970.

195. Taylor R., Kennard O. "The molecular structures of nucleosides and nucleotides. I The influence of protonation on the geometries of nucleic acid constituents", J.Molec.Struct., 78, 1-28 (1982).

196. Ogata, Т., Sugimoto, K.: "Microwave spectrum, barrier to internal rotation and dipole moment of methoxuallene". J.Molec.Struct., 190, 61-67 (1988).

197. Donohue J., Trueblood K.M. "Base pairing in DNA". J.Mol.Biol., 2, 363-371 (1960).

198. Dey M., Grotemeyer J. "Pair formation of free nucleobases and mononucleosides in the gas phase". Z.Naturforsch., 49a, 776-784 (1994).

199. Klassen, J. S.; Schnier, P. D.; Williams, E. R. "Blackbody Infrared Radiative ssociation of Oligonucleotide Anion." J. Am. Soc. Mass Spectrom., 9, 1117-1124 (1998).

200. Schnier, P. D.; Klassen, J. S.; Strittmatter, E. F.; Williams, E. R. "Activation Energies for Dissociation of Double Strand Oligonucleotide Anions: Evidence for Watson-Crick Base Pairing in Vacuo." J. Am .Chem. Soc., 120, 9605-9613 (1998).

201. Porschke D. "Electric dichroism". Methods Mol. Biology, 90, 241-258 (1997)

202. Porschke D. "Macrodipoles: Unusual electric properties of biological macromolecules".Biophys.Chem., 66,241-257(1997)

203. Porschke D. "DNA double helixes with positive electric dichroism and permanent dipole moments: Non-symmetric charge distributions and frozen configurations". Biophys.Chem., 49, 127-139(1994)

204. Antosiewicz J. Porschke D. "An unusual electrooptical effect observed for DNA fragments and its apparent relation to a permanent electric moment associated with bent DNA". Biophys.Chem., 33,19-30 (1989)

205. Кабанов A.B. "Особенности водородного связывания оснований в струюуре коротких двойных цепочек олигонуклеотидов". Автореф. диссерт. на соиск. уч. степ, канд.физ.-мат.наук. Пущино, 2002.

206. Leach A.R., Kollman P. A.: «Theoretical investigations of novel nucleic acid bases».J.Am.Chem.Soc., 114(1992), 3675-3683.

207. El Hassan, M. A., Calladine, C. R. "Two distinct modes of protein-induced bending in DNA". J. Mol. Biol. 282, 331-343 (1998).

208. Lindsay S.M., Lee S.A, Weidlich Т., Demarco C, Lewen G.D, Tao N.J, Rupprecht A. "The Origin of the A to В Transition in DNA Fibers and Films", Biopolymers 27, 1015-1043 (1988).

209. Hester, R.E., Girling, R.B.: Spectroscopy of Biological Molecules. The Royal Society of Chemistry; Cambridge, 1991

210. Sheina, G.G., Radchenko, E.D., Plokhotnichenko, A.M., Blagoj, Yu.P.: "IR spectra of associated and hydrated pyrimidine bases of nucleic acids in Ar matrix". Biofizika, 33 (1988), 741-746, (In Russian)

211. Ivanov, A.Yu., Plokhotnichenko, A.M., Radchenko, E.D., Sheina, G.G., Blagoj, Yu.P.: "FTIR spectroscopy of uracil derivatives isolated in Kr, Ar and Ne matrices: Matrix effect and fermi resonance". J.Molec.Struct., 372, 91-100(1995).

212. Nowak, M.J.: "IR matrix-isolation studies of nucleic acid constituents The spectrum of monomelic thymine". J.Molec.Struct., 193, 35-49 (1989) .

213. Duguid, J.G., Bloomfield, V.A., Benevides, J.M., Thomas, G.J.Jr.: "DNA melting investigated by differential scanning calorimetry and Raman spectroscopy". Biophys.J., 71, 3350-3360 (1996).

214. Florian, J.: "Scaled quantum mechanical force fields and vibrational spectra of solid-state nucleic acid constituents. 6. Guanine and guanine residue". J.Phys.Chem., 97 , 10649-10658(1993).

215. MacPhail, R.A., Williams, L.D., Jones, D.A., Shaw, B.R.: "Variable temperature infrared-spectroscopy of cytosine-guanine base-pairs-tautomerism versus polarization". J.Biomol.Struct.Dynamics., 9, 881-898 (1992).

216. Kwiatkowski, J.S., Leszczynski, J.: "Molecular structure and vibrational IR spectra of cytosine and its Thio and Seleno analogues by density functional theory and conventional ab initio calculations". J.Phys.Chem., 100,941-953(1996).

217. Tsuboi, M.: "IR and Raman spectra", in O.P.Ts'o (ed.) Basic Principles in Nucleic Acid Chemistry, vl. AP, NY, London, 1974.

218. Florian, J., Leszczynski, J.: "What changes occur in vibrational spectra of guanine and cytosine when they form the Watson-Crick base pair? A quantum chemical SCRF/6-31G* study". Int.J.Quant.Chem.:Quant.Biol.Symp., 22, 207-225 (1995).

219. Santamaria R., Charro E., Zacarias A., Castro M. "Vibrational spectrs of nucleic acid bases and their Watson-crick pair complexes". J.Comput.Chem., 20, 511-530 (1999).

220. Gavira J.M., Canpos M., Diaz G., Hermanz A., Navarro R. "Vibrational analysis and spectra of cytidine-3'-monophosphate (З'-СМР)". Vibr.Spectrosc., 15, 1-16 (1997)

221. Gorb L., Leszczynsky J. "Current Trends in Modelling Interactions of DNA Fragments with Polar Solvents', in "Computational Molecular Biology" of Theoretical Chemistry Book Series, v.8, 167-209 (1999), Elsevier

222. Cramer C.J., Truhlar D.G. "Implicit Solvation Models: Equilibria, Structure, Spectra, and Dynamics". Chem. Rev. 99,2161-2200 (1999)

223. Florian J., Baumruk V., Leszczynski J. "IR and Raman Spectra, Tautomeric Stabilities, and Scaled Quantum Mechanical Force Fields of Protonated Cytosine" J.Phys.Chem, 100, 5578-5589 (1996)

224. Teplukhin, A.V., Malenkov G.G., Poltev V.I. "Monte Carlo simulation of DNA fragment hydration in the presence of alkaline cations using novel atom-atom potential functions". J.Biomol.Struct.Dyn. 16(2), 289-300 (1998)

225. Zurkin, V.B.; Ulyanov, N.B.; Gorin, A.A.; Jernigan, R.L. "Static and statistical bending of DNA evaluated by Monte Carlo simulations". Proc. Natl. Acad. Sci. USA 88, 7046-7050(1991).

226. Kindt J.T., Schmuttenmaer C.A. "Far-Infrared Dielectric Properties of Polar Liquids Probed by Femtosecond Terahertz Pulse Spectroscopy". J.Phys.Chem., 100, 10373-10379(1996)

227. Юхневич Г.В. Инфракрасная спектроскопия воды. М.: "Наука", 1973.

228. Цундель Г. Гидратация и межмолекулярное взаимодействие. М.: «Мир», 1972.

229. Семенов М.А, Сухоруков Б.И., Малеев В.Я. «Гидратируются ли азотистые основания в ДНК при низких влажностях». Биофизика. 26, 979-984 (1981).

230. Шпольский Э.В., Ильина А.А., Климова А.А. "Спектры флуоресценции коронена в замороженных растворах". Доклады Академии Наук СССР. 87, 935 (1952).