Энтальпии гидратации нуклеотидных оснований и их алкилпроизводных тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Введение

Глава I. Экспериментальные и теоретические исследования гидратации нуклеотидных оснований (литературный обзор).

1.1. Экспериментальные подходы

1.1.1. Оптическая спектроскопия

1.1.2. Низкотемпературная калориметрия

1.1.3. Диэлектрометрия и ультразвуковая методика

1.2. Теоретические подходы 23 1.2Л. Квантовомеханические расчеты и метод атом-атомных потенциальных функций

1.2.2. Метод статистической механики и

Монте-Карло

1.3. Постановка задачи исследования

Глава П. Экспериментальные методики

2.1. Измерение энтальпий сублимаций

2.1.1. Метод низкотемпературного кварцевого резонатора

2.1.2. Масс-спектрометрический метод

2.2. Калориметрические измерения энтальпий растворения

2.3. Методы расчета воднодоступных молекулярных поверхностей и объемов биомолекул плава Ш. Энтальпии сублимации и растворения

3.1. Препараты, статистическая обработка результатов

3.2. Цитозин и его метилпроизводные

3.3. Метил и алкилпроизводные тимина и урацила

3.4. Производные аденина

3.5. Краткие выводы

Глава 1У. Энтальпии гидратации

4.1. Энтальпии взаимодействия молекул оснований 82 с водой

4.2. Влияние алкилирования на гидратацию урацила и тимина

4.3. Влияние л/ -метилирования на гидратацию аденина

4.4. Энтальпии взаимодействия с водой цитозина и его метилпроизводных

4.5. Краткие выводы 96 Заключение

В настоящее время установлено, что структурные свойства биополимеров ДНК, РНК-материальных носителей информации о наследственности - существенно зависят от контакта с ионно-водным окружением. Поэтому изучение гидратадионных особенностей нуклеиновых кислот и их компонент является одной из актуальных проблем биофизики и молекулярной физики.

В связи с этим особое значение приобретает исследование гидратации нуклеотидных оснований и их производных, т.к. взаимодействие их с водой играет важную роль в стабилизации и конформаци-онной подвижности двойной спирали ДНК. Определение основных термодинамических характеристик гидратации нуклеотидных оснований и их производных представляет существенный интерес для понимания структуры гидратных оболочек молекул нуклеиновых кислот.

В последние годы значительно возросло число теоретических работ, связанных с расчетами взаимодействий нуклеотидных оснований и их метилпроизводных с водой. Прямые квантовомеханические исследования таких систем возможны только для небольшого числа мо> лекул воды из-за чрезвычайной сложности математических расчетов и ограниченных возможностей существующих ЭВМ. В настоящее время наиболее эффективными являются различные методы машинного моделирования. Они позволяют расчитать гидратацию нуклеотидных оснований с довольно большими кластерами воды ( ~10 молекул). Однако корректность теоретических предсказаний нельзя было определить ввиду отсутствия соответствующих экспериментальных результатов.

Именно поэтому исключительную важность приобретают экспериментальные исследования термодинамических параметров гидратации нуклеотидных оснований и их производных.

Целью данной работы являлось получение величин энтальпий гидратации оснований нуклеиновых кислот и их метил- и алкилпро-изводных, анализ полученных значений. Для этого потребовалось решить целый ряд задач.

Для получения энтальпий гидратации необходимо было экспериментально определить энтальпии сублимации и растворения кристаллов нуклеотидных оснований. Была разработана экспериментальная установка, в основу которой лег метод низкотемпературного кварцевого резонатора. Этот метод позволил с высокой точностью определить энтальпии сублимации (дН^) большого ряда легколетучих производных кристаллов нуклеотидных оснований.

Для определения д некоторых производных урацила использовалась масс-спектрометрическая методика, позволившая, кроме всего, контролировать состав сублимированного пучка.

Определенные трудности представляли калориметрические измерения энтальпий растворения (дНрас) кристаллов оснований, которые из-за трудности синтеза имелись в очень ограниченном количестве и обладали низкой растворимостью в воде.

Для анализа полученных значений энтальпий гидратации (^Нр^р), определения влияния метилирования, вклада различных полярных и неполярных групп в общую энергию гидратации были расчитаны объемы исследуемых молекул и их воднодоступные молекулярные площади поверхности. Для этих целей были использованы различные подходы.

В результате проделанной работы на защиту выносятся следующие основные положения:

I. Создан прецизионный метод низкотемпературного кварцевого резонатора для измерения теплот сублимации органических кристаллов различной степени летучести.

2. Установлено, что взаимодействия молекул в кристаллах пу-риновых оснований превышают аналогичные взаимодействия в кристаллах пиримидиновых оснований, кроме цитозина, для которого характерно более сильное водородное связывание между молекулами в плоскости по сравнению с остальными видами взаимодействий.

3. Установлено, что энтальпии взаимодействия пиримидиновых молекул оснований с водой, в расчете на единицу площади, выше по сравнению с аденином. Полярные группы молекул пиримидиновых оснований гидратируются сильнее, чем у Acle. Вклад специфических взаимодействий в суммарную энергию гидратации исследованных оснований составляет величину ~15-20%.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Рисунков 18 , таблиц 16, библиография 152 наименования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Целью настоящей работы являлось получение значений энтальпий гидратации оснований нуклеиновых кислот, их метил- и алкилпроиз-водных с целью выявления гидратационных особенностей данных объектов в связи с проблемой гидратации ДНК. Для определения этих величин были измерены энтальпии сублимации этих соединений и их энтальпии растворения.

Определение энтальпий сублимации легколетучих метил- и алкил-производных нуклеотидных оснований потребовало создания высокочувствительного экспериментального метода низкотемпературного кварцевого резонатора, пригодного для измерения энтальпий сублимации веществ различной летучести.

С помощью методов микрокалориметрии определены энтальпии растворения исследуемых соединений, большинство из которых имеют очень низкую растворимость в воде.

Анализ значений энтальпий сублимации кристаллов нуклеотидных оснований и их производных позволил качественно оценить вклад специфических взаимодействий молекул в кристалле по сравнению с другими видами взаимодействий, показано влияние алкилирования на энергию решетки кристаллов в зависимости от места алкилирования.

Дальнейший анализ величин энтальпий гидратации оснований и их производных показал влияние алкилирования на энергетику гидрата-ционного взаимодействия молекул оснований.

Полученные в работе результаты углубляют представления о специфике гидратационных взаимодействий нуклеотидных оснований и являются необходимыми для понимания молекулярных механизмов действия водного окружения на стабилизацию структуры нуклеиновых кислот в целом.

Настоящая работа позволяет сделать следующие основные выводы:

1. Создан эффективный метод низкотемпературного кварцевого резонатора, позволяющий за короткое время и с высокой точностью измерять теплоты сублимации органических кристаллов различной степени летучести.

2. Методом низкотемпературного кварцевого резонатора и масс-спектрометрии определены энтальпии сублимации кристаллов нуклеотидных оснований, их метил- и алкилпроизводных. Установлено, что метилирование по местам, участвующим в образовании Н-связей в кристалле приводит к монотонному уменьшению л , тогда как метилирование по неполярным атомам молекул нуклеотидных оснований приводит к росту значений л Hcyg.

3. С помощью методов микрокалориметрии определены энтальпии растворения нуклеотидных оснований и их метил- и алкилпроизводных. Для пиримидиновых оснований дНрас изменяется от 20-30 кДж/моль~* до 8-0 кДж/моль~*, оставаясь положительной величиной, в то время как для Jldt дН становится отрицательной (-2,2 кДж/моль""* у рас

4. Для всего класса соединений расчитаны объемы исследуемых молекул и их молекулярные площади, доступные молекулам воды. Показано, что молекулярная площадь поверхности, приходящаяся на одну метильную группусД/е зависит от положения метилирования.

5. Получены значения дНГИдр, д Нпол идНвд для всех исследуемых молекул.

6. Анализ энтальпий взаимодействия с водой молекулы Me в модели Синаноглу показывает, что по атомам водорода /\/(6)-анти и //(9)-положениям происходит более сильное взаимодействие с водой, чем по атому водорода в /J (б)-син-положении. У G^L наиболее сильными местами гидратации является аминогруппа /J Hg и атом /J(I) дикетипиримидинового кольца.

7. Вклад в энергию взаимодействия с водой полярных групп пиримидиновых молекул выше, чем уМв, ,показано, что дикетипири-мидиновое кольцо гидратируется сильнее, чем б-аминопуриновое.

8. Вклад специфических взаимодействий в общую энергию взаимодействия с водой как пуриновых, так и пиримидиновых оснований невелик и составляет 15-20%.

Работы, составившие содержание диссертации, выполнены в соавторстве с научными руководителями И.К.Янсоном и Л.Ф.Суходубом.

Соавторами с польской стороны были представлены синтезированные производные нуклеотидных оснований, измерены энтальпии растворения алкилпроизводных Uzajky nJJe, по готовой программе проведены расчеты площади и объема молекулярных поверхностей некоторых оснований.

Автору настоящей работы принадлежит определяющая роль в разработке и изготовлении установки для определения энтальпий сублимации легколетучих оснований, использующей метод низкотемпературного кварцевого резонатора. Ею самостоятельно получены экспериментальные значения дН^^ всех приведенных соединений, проведен анализ измеренных величин, получены окончательные значения энтальпий гидратации исследуемых нуклеотидных оснований. Кроме того, ею проведены расчеты молекулярных объемов цитозина и его производных, сделан анализ гидратационных особенностей этих соединений.

Обсуждение полученных результатов, написание статей проведены совместно с научными руководителями.

В заключение хочу выразить глубокую благодарность моему научному руководителю члену-корреспонденту АН УССР Игорю Кондрать-евичу Янсону, в лаборатории которого была начата настоящая работа, за постановку задачи, руководство работой, поддержку на протяжении выполнения всей работы.

Постоянное внимание, действенное участие, глубокий научный интерес, ценные дискуссии с моим научным руководителем, кандидатом физ.-мат.наук, заведующим отделом Леонидом Федоровичем Суходубом сделали возможным завершение настоящей работы, за что я ему глубоко благодарна.

Считаю своим приятным долгом поблагодарить Александра Борисовича Теплицкого, оказывавшего существенную помощь на протяжении всей работы.

Я благодарна моим коллегам Олегу Игоревичу Шкляревскому, Александру Алексеевичу Лысых, Наталье Михайловне Архангеловой, Марие Григорьевне Яцюк и всем другим сотрудникам лабораторий моих научных руководителей за постоянную помощь и поддержку во время выполнения настоящей работы.

-ЮЗ

1. Кашпур В.А., Малеев В.Я., Щеголева Т.Ю. Тез.стенд.докл.III Междунар.конф. по квант.химии,биологии и фармакологии.Киев: Ин-т теор.физ. АН УССР,1978,с.72.

2. Wetzel R., Zirwer D., Becker M.Optical anisotropy of oriented desoxyribonucleic acid films of different water content Biopolymers, 1969,v.8, p.391-401.

3. Волков С.H.,Данилов В.И. К теории гипохромного эффекта в ДНК.-Биофизика, 1978,т.XXIII, №3, с.436-440.

4. Волков С.Н., Данилов В.И. Теоретическое изучение гипохромного эффекта в полинуклеотидах.-Мол.биол.,1975,т.9,№4,с.622-629.

5. Basu S., Gupta Spectrophotometry investigation of DMA in the ultraviolet.- Bioch.Bioph.Acta.,1969,v.174,N1, p.174-182.

6. Маевский A.A.,Сухоруков Б.И. Спектрофотометрический метод определения констант равновесия "стопчатой" ассоциации гетероциклических соединений.- Журн.физ.хим., 1976,т.50,с.261-264.

7. Мревлишвили Г.М.Зависимость гидратации производных ДНК от G-C содержаний.- Докл.АН СССР, 1981, т.260,№3, с.761-764.

8. Mrevlishvili G.M., Syrnikov 1.Р» Thermodynamic quantities of water-phase transition in biopolymer solutions of high concentrations.- Studia Bioph.,1974, v.3, p.155-170.

9. Jakobson B. On the interpretation of dielectric constant of aqueous macromolecules solutions. Hydration of macromolecules. J.Am-Chem.Soc»,1955 9 v.77, p.2919-2926.

10. Садыхова С.Х., Брагинская Ф.И. Изучение гидратации нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) и их производных ультразвуковым методом .-Биофизика, 1975,т.XX,с.20-25.

11. ЭльпинерИ.Е.,Биофизика ультразвука.М.Наука, 1973,с.173-10742» Shiio H., Qgawa Т., Yoshihashi Ы.Measurement of the amountof bond, water by ultrasonic interferometer.- J.Amer.Chem.Soc., 1955, v.77, p.4980.

12. Пасынский А.Г. Сжимаемость и сольватация растворов электролитов.- Журн.физ.хим.,1938, т.10,с.606-612.

13. Shiio H.Ultrasonic interferometer measurements of the amount of bound water. Saccharides.- J.Am.Chem.Soc., 1958, v.80, p.70-73.

14. Сарвазян А.П., ХаракозД.П.Акустические исследования конформа*? ционных состояний белков в водных растворах.-В кн.:Молекулярная и клеточная биофизика.М.:Наука, 1977, с.93-106.

15. Сарвазян А.П.,Барсегян В.О. Новый ультразвуковой метод исследования биологических систем.- В кн.:Вопросы методики и техники ультразвуковой спектроскопии.Каунас,1973,с.293-296.

16. Sarvazyan А.Р. Development of methods of precise ultrasonic measurements in small volume of liquids.- Ultrasonics, 1982, v.20, p.151-154*

17. Пасынский А.Г.Сольватация неэлектролитов и сжимаемость их растворов,- ИСФХ, 1946, т.20,с.982-994.

18. Sarvazyan А.Р., Kharakoz D.P., Hemmes P. Ultrasonic investigation of the pH-dependent solute-solvent interaction in aqueous solutions of amino acids and proteins.- J.Phys.Chem», 1979, v.83, p.1796-1799.

19. Richards W.G. Ab initio method and the study of molecular hydration.- In:Water. A comprehensive Treaties. Ed.by Pranks P.Cambridge, 1979, v.6, p.123-138.

20. Pullman A., Pullman B. lew paths in the molecular orbital approach to solvation of biological molecules.- Quart.Rev. Biophys., 1975, v.7, Ж 4, p.505-566.

21. Warshel A. Calculations of chemical processes in solutions,-J.Phys.Chem., 1979, v.B3, 1 12, p.1640-1652.

22. Китайгородский А.И. Молекулярные кристаллы.- М.: Наука, 1971, с.363-368.

23. Данилов В.И.,3акшевская К.М.,Желтовский Н.В. Проблема стабильности ДНК; вклад оснований.- Итоги науки и техники.Мол.биол., т.15, Москва, 1979,с.74-124.

24. Morokumo К» Molecular orbital studies of hydrogen bonds.III. CsO .** H-0 Hydrogen bond in H2C0***H20 and H2C0.**2H20*-J.Chem* Phys.,1971, v.55, N 3, p.1236-1244.

25. Umeyama H#, Morokuma K* The origin of hydrogen bonding. An energy decomposition study*- J*Am,Chem*Soc*,1977, v*99,p,1316-1332,68* Вигасин А.А. Структура и свойства ассоциатов воды.- Журн. структ.химии, 1984, т.21,с.П6-141.

26. Pullman В., MiertuB S,, Perahia D* Hydration scheme of purine and pyrimidine bases and base pairs of nucleic acids*

27. Theor.Chim.Acta, 1979, v.50,К 6, p.317-325.

28. Poltev V.I., Shulupina N.V., Dyakonova L.P., Malenkov G.G. Simulation of the interaction of water molecules with nucleic acid bases using atom-atom potential functions.- Studia Biophys., 1981, v.84, N 3, p.187-194.

29. Журкин В.Б., Полтев В.И., Флорентьев В.Л. Атом-атомные потенциальные функции для конформационных расчетов нуклеиновых кислот.-Мол.биол., 1980, 14,5,1116-1131.

30. Poltev V.I. Simulation of intermolecular and intramolecularinteractions of nucleic acid subunits by means of atom-atom potential functions.- Int.J.Quant.Chem.,1979, v.16, p.863-868.

31. Полтев В.И. Моделирование межмолекулярных взаимодействий оснований нуклеиновых кислот с помощью атом-атомных потенциальных функций .- Киев, 1974, 48 с.(Препринт/ИТФ АН УССР:74-158).

32. Glementi В., Corongiu G. A theoretical study of the water structure for nucleic acid bases and base-pair in solution of 1= 300 К,- J.Ghem.Phys., 1980, v.72, К 7, p.3979-3992,.

33. Port G.K.I., Pullman A. Quantum-mechanical studies of environmental effects on biomolecules.il. Hydration actes in purine and pyrimidines»— Pebs Lett., 1973, v.31, N 1, P.69-74.

34. Del Bene J.E. Molecular orbital theory of the hydrogen bond.

35. Ground-state water-uracil complexes.- J.Gomput.Ghem., 1981, v.2, N 2, p.188-189.

36. Del Bene J.E. Molecular orbital theory of the hydrogen bond.

37. Del Bene J,E# Molecular orbital theory of the hydrogen bond* 30, Water-cytosine complexes,- J.Comput, Chem,, 1983, v»4,1. N 2, p.226-233,

38. Del Bene J,E, Molecular orbital theory of the hydrogen, 31» Water with the purine bases adenine and guanine,- J.Molec, Struct., 1984, v.108, p.179-197.

39. Данилов В.И., Шестопалова А.В. Изучение комплексов нуклеотид-ных оснований и уотсон-криковских пар с молекулой воды: плоские и пространственные конфигурации,- Мол.генет.и биофиз., 1984, вып.9, с.47-54.

40. Metropolis N., Rosenbluth A,W., Rosenbluth M.W., Teller A.N., Teller E, Equation of state calculations by tast computing machines,- J.Chem.Phys,, 1953, v.11, N 21, p.1087-1095.

41. Фишер И.З. Статистическая теория жидкостей.- М., Физматгиз, 1961, 280с.

42. Методы Монте-Карло в статистической физике.-Под ред.К.Бинде-ра, М.,Мир,1982,400с.

43. Маленков Г.Г., Дьяконова Л.П. Машинное моделирование структуры жидкой воды.- В кн.: Молекулярная физика и биофизика водных систем, Л.,Наука, 1979, с.95-110.

44. Clementi E., Corongiu G. Interaction of water with ША single helix in the A-conformation.- Biopolymers, 1979, v.18, N 10, p.2431-2450.

45. Clementi E., Corongiw.; G. Interaction of water with ША single and double helix in the B-conformation.- Int.J.Quant.Chem., 1979, v.16, К 11, p.897-915.

46. Corongiu G., Clementi E. Simulation of the solvent structure for macromolecules.I. Solvation of В-ША double helix at T=300 K.- Biopolymers, 1981, v.20, Ж 31, p.551-571.

47. Corongiu G., Clementi E. Simulation of the solvent structure for macromolecules.il. Structure of water, solvating Na+ B--ША at 300 К and model for conformational transitions induced by solvent variations.- Biopolymers, 1981, v.20, И 11, p.2427-2483.

48. Ю1. Данилов В.И.,Шварцман А.З. Об одном эффективном методе определения точек гидратации молекул: нуклеотидные основания.-Мол.генетика и биофиз., 1981, №7, с.62-72.

49. Ю2. Шарафутдинов М.Р., Данилов В.И.,Полтев В.И. Теоретическое изучение точек гидратации метилированных производных аденина.-Докл.АН УССР,сер.Б, 1983,т.12,с.23-25.

50. Danilov V.I., Sharafutdinov M.R., Tolokh I.S. Theoretical study of the stability of nucleotide base associates.- Studia Bioph.,1983, v.93, N 3, p.193-196.

51. Danilov V.I., Tolokh I.S., Poltev J., Malencov G.G. Nature of the stacking interaction of nucleotide bases in water:a Monte-Carlo study of the hydration of uracil molecule associates.- FEBS Lett., 1984, v.167, N 2, p.245-248.

52. Danilov V.I., Tolokh I.S. Nature of the stacking of nucleic acid bases in water: a Monte-Carlo simulation.- J.Biom.Starct.-114and Dynam.,1984, v.2, N 1, p.119-130,

53. Лебедев Ю.А., Мирошниченко E.A. Термохимия парообразования органических веществ.- М.: Наука, 1981, 216с.

54. Суворов А.В. Термодинамическая химия парообразного состояния.-Л.: Химия, 1970, с.17-22.

55. Уэструм Э.,Мак-Каллаф Дж. В кн.: Физика и химия твердого состо' яния органического вещества. М.: Мир, 1976, с.105.

56. Colanine М., Jimenez Р*, Turrion С* Vapour pressures and enthalpies of sublimation of naphthalene and benzoic acid*

57. J.Chem.Thermodyn.,1982, v.14, p.779-784.122* Дж. Бейнон, Масс-спектрометрия и её применение.- М.: Мир, 1964, с.21.

58. Глухова О.Т., Киселев В.Д., Теплицкий А.Б., Устюгов А.Н.,Янсон И.К. Гидратация оснований нуклеиновых кислот. Цитозин и его метилпроизводные.- Биофизика, 1981, т.ХХУ1,в.2,с.351-352

59. Kvick A., Koetzle T*F*, Thomas R* Hydrogen bond studies.

60. A neutron diffraction study of hydrogen bonding in 1-methyl-thymine.- J.Chem.Phys,, 1974, v.61, IT 7, p.2711-2719. '

61. Banrdee A., Datagupta J.K#, Saenger W,, Rabezenko A, Investi1 3gations of the crystal structure of ш^* Ura,- Acta Cryst,, 1977, v,33, p,90-95.130,0zoki K,, Sakobe N,, Tanaka I. The crystal structure of thymine. Acta Cryst,, 1969, В 25,p.1038-1045.

62. McClure R,, Craven B, New investigations of Cytosine and its Monohydrate»- Acta Cryst,, 1973, v,B29, p,1234-1238.

63. Mathews S,, Rich A, Crystal and molecular structure of N-me-thyl cytosine,- Nature, 1964, v,201, p.179-180,

64. Finney J,L, Volume occupation, environment and accessibility in proteins. Environment and molecular area of phase-S,- J, Mol.Biol,,1978, v,119, N 3, p.415-441.

65. Voet D., Rich A. The crystal structures of purines, pyrimidi-bond formation between derivatives of nucleic acid bases and some analogues.- Can.J.Chem., 1966,v,44, N 9, p.1045-1050.

66. Barker D.L., Marsch R.E, The crystal structure of cytosine.-Acta Cryst,, 1964, v,17, N 12, p.1581-1587.

67. Stewart R.P., Jensen L.H. Crystal structure of 9-methylade-nine.-J.Chem.Phys.,1964, v.40, p.2071-2079.

68. Zielenkiewicz W., Sukhodub L.l1., Glukhova O.T., Teplitsky A.B., Wierzchowski K.L. Thermochemistry of aqueous solutions of alkylated nucleic acid bases.V.Enthalpies of hydration of N-methylated adenines.- J.Solution Ghem., 1984.

69. Clark I»«B., Perschel G.G., Tinoco I. Vapour Spectra and Heats of Vaporisation of Some Purine and Pyrimidine Bases.- J.Phys. Chem., 1965, v.69, N 10, p.3615-3619.

70. Романов B.C., Сухоруков Б.И., Мирошниченко E.A. Теплоты сублимации азотистых оснований нуклеиновых кислот.- В кн.: Материалы 1У Мевдунар. биофиз. конгресса (М.,август 1972г.): Тез.докл.: М.,АН СССР,1972, ЕУП а 4/7, с.228.

71. Sinanoglu 0. Solvent effects on molecular association.-In: Molecular association in biology,ed.by Pullman В., Academic Press, 1968, N 4, p.427-445.

72. Sukhodub L.P., Shelkovski Y.S., Wierzchowski K.L. Mass-spectrometric investigations on hydration of nucleic components in vacuum.II.N-methylated adenines.- Biophys.Chem., 1984, v.19, p.191-200.

73. Суходуб Л.Ф., Шелковский B.C., Вежховски К.Л. Масс-спектро-метрическое изучение гидратации компонентов нуклеиновых кислот в вакууме.II.Алкилированные аденины.- Харьков,1982,19с.

74. Препринт / ФТИНТ АН УССР, 23-82.).

75. Danilov Y.I., Tolokh I.S., Poltev V.I. Nature of the stacking interaction of nucleotide bases in water: a Monte-Carlo study of the hydration of thymine molecule associates.-PEBS Letters, 1984, v.171, N 2, p.325-328.