Потягайло А. Л. Протонна рухливість у модельних білково-нуклеїнових і нуклеїново-нуклеїнових комплексах та її можливе біологічне значення. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук зі спеціальності 03.00.03 – молекулярна біологія. – Інститут молекулярної біології і генетики НАН України, Київ, 2002.
Роботу присвячено теоретичному і експериментальному вивченню фізико-хімічних властивостей модельних білково-нуклеїнових і нуклеїново-нуклеїнових комплексів, пов'язаних з протонною рухливістю, та аналізу їх можливої біологічної значущості. Висвітлено елементарні молекулярні механізми управління таутомерним статусом нуклеотидних основ через протонування та специфічну взаємодію з карбоксилат-іоном. Отримано повне сімейство точкових контактів електронейтральної і депротонованої карбоксильної групи амінокислот з низкою канонічних і модифікованих нуклеотидних основ. Показано, що електронейтральна карбоксильна група, на відміну від карбоксилат-іону, не провокує у вакуумі перехід основ у рідкісну таутомерну чи протоновану форму. Встановлено природу структурних переходів полі(С) і полі(dС), спричинених протонуванням. Зафіксовано неканонічні внутрішньомолекулярні Н-зв'язки у 6azaCyd та в одноланцюгових полі(А), полі(С) і полі(dС). Досліджено кислотно-лужні властивості низки модифікованих нуклеотидних основ.
Усі перераховані закономірності та їхня біологічна інтерпретація отримані вперше.
Ключові слова: протонна рухливість, протонування та депротонування, білково-нуклеїнове та нуклеїново-нуклеїнове впізнавання, прототропна таутомерія нуклеотидних основ, молекулярне управління, квантова хімія, УФ та 1Н ЯМР-спектроскопія.
АННОТАЦИЯ
Потягайло А. Л. Протонная подвижность в модельных белково-нуклеиновых и нуклеиново-нуклеиновых комплексах и ее возможное биологическое значение. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук по специальности 03.00.03 – молекулярная биология. – Институт молекулярной биологии и генетики НАН Украины, Киев, 2002.
Работа посвящена теоретическому и экспериментальному изучению физико-химических свойств модельных белково-нуклеиновых и нуклеиново-нуклеиновых комплексов, связанных с протонной подвижностью, а также анализу их возможного биологического значения. Описаны элементарные молекулярные механизмы управления таутомерным статусом нуклеотидных оснований путем протонирования и специфического взаимодействия с карбоксилат-ионом. Получено полное семейство точечных контактов электронейтральной и депротонированной карбоксильной группы аминокислот с рядом канонических и модифицированных оснований. Показано, что электронейтральная карбоксильная группа, в отличие от карбоксилат-иона, не провоцирует в вакууме переход оснований в редкую таутомерную или протонированную форму. Установлена природа структурных переходов поли(С) и поли(dС), вызванных протонированием. Зафиксированы неканонические внутримолекулярные водородные связи в 6azaCyd и в одноцепочечных поли(А), поли(С) и поли(dС). Исследованы кислотно-щелочные свойства ряда модифицированных нуклеотидных оснований.
Все перечисленные закономерности и их биологическая интерпретация получены впервые.
Ключевые слова: протонная подвижность, протонирование и депротонирование, белково-нуклеиновое и нуклеиново-нуклеиновое узнавание, прототропная таутомерия нуклеотидных оснований, молекулярное управление, квантовая химия, УФ и 1Н ЯМР-спектроскопия.
SUMMARY
Potyahaylo A. L. Proton mobility in model protein - nucleic acid and nucleic acid - nucleic acid complexes and its possible biological significance. – Manuscript.
Thesis for a candidate's scientific degree of biological sciences by speciality 03.00.03 – molecular biology. – Institute of Molecular Biology and Genetics, National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2002.
Using the combination of non-empirical and semi-empirical quantum chemistry with UV and 1H NMR spectroscopy, we were the first to determine elementary molecular mechanisms for controlling of tautomeric status of nucleotide bases, i.e. protonation and specific interaction with carboxylate-ion.
It was first determined that a single protonation of DNA bases, which does not interfere Watson-Crick base pairing, substantially shifts their prototropic tautomeric equilibrium to either sides depending on the site of protonation. The protonation of N3 Ade, O6 or N7 Gua, O2 Cyt and O4 Thy stabilizes the canonical tautomeric form of base, while the high energy non-canonical tautomers (imino Ade, enolic Gua and enolic Thy) are stabilized by the protonation of N7 Ade, N3 Gua and O2 Thy.
It was also shown that a single protonation of Watson-Crick pairs of DNA bases at sites which are not involved in H-bonding increases their stability, a maximal effect are being observed under the protonation of O2 or O4 Thy in Ade:Thy base pair.
It was assumed that the protonation of DNA bases, which does not interfere Watson-Crick base pairing, is multifunctional physico-chemical mechanism which can be used both at the stage of genetic information storage and DNA replication.
By means of UV and 1H NMR spectroscopy in anhydrous DMSO and quantum chemical calculations (ab initio, MNDO/H) in vacuum, it was first found that specific interaction of deprotonated carboxylic group with such nucleotide bases as Ade, Ura, Thy, isoGua, 2-amino-Pur and Xan, converts them into the high energy tautomeric forms: Ade (N9H) ® Ade (N7H), Ura (Thy) (diketo) ® Ura (Thy) (keto-enol), isoGua (N9H) ® isoGua (N7H), 2-amino-Pur (N9H) ® 2-amino-Pur (N3H), Xan (N7H) ® Xan (N9H), the effect being slightly dependent on environment.
Of biological importance was the conclusion that even at the level of point contacts the protein-nucleic acid recognition can be realized not only according to classical conformational scenario, but also accompanied by changes in tautomeric status of nucleotide bases, i.e. it can affect their chemical structure.
By means of AM1 and MNDO/H methods, the full family of point contacts between neutral or deprotonated group of amino acids and a series of canonical and modified nucleotide bases was first described. Their geometric, electronic, and energetic structures were also presented. The obtained pool of point contacts may be used as a part of protein - nucleic acid recognition "alphabet".
It was first shown that in vacuum the neutral carboxylic group, in contrast to carboxylate-ion, does not induce the transition of a base into its high energy tautomeric or protonated form.
By means of proton buffer capacity and semi-empirical quantum chemistry, the nature of structural transitions of poly(C) and poly(dC) caused by protonation was first elucidated. It was shown that protonation of polynucleotides through proton trapping from environment may play both structure-forming and destabilizing roles. The mechanisms of helix association and dissociation in poly(C) and poly(dC) were described: double helix is formed through the protonation of N3 Cyd, which results in complementary pairing with non-protonated base. The dissociation of double helix is provoked by the protonation of O2 lone electron pair, that is not involved in base pair H-bonding, of electrically neutral Cyd. It was firstly assumed that under internal protonation poly(dC), in contrast to poly(C), can form i-motif with favorable energy.
By MNDO/H calculations, all four conformations of isolated 6-azaCyd (syn, anti, high anti and high syn) were first shown to be stabilized by three-dimensional net-web of interdependent intramolecular H-bonds with the energy of several kcal/mol, which are localized in the base (N4H'…N3), sugar residue (O3'H…O2' і O5'H…O4') and between the base and sugar residue (O5'H…N6, C1'H…O2, C2'H…N6 та C2'H…O2), with interstrengthening each other. This finding can be extended on wider range of nucleosides.
The effect of interdependent switching-over of H-bonds located between base and sugar residue and the essential structural deformation of sugar residue depending on angle ч upon syn “ anti transition was first determined. The anomeric effect with amino group participation was first discovered, which lies in the fact that its orientation and pyramidality greatly depends on nucleoside conformation.
In single-stranded polynucleotides (poly(A), poly(C), and poly(dC)), the longitudinal H-bonds were found to involve the adjacent amino groups NH…NH…NH…, each of them being proton donor and proton acceptor simultaneously. These H-bonds strengthen each other and have the energy of  1 kcal/mol.
By means of AM1 method, the acid-base properties of pool of 42 modified nucleotide bases was first investigated, which enabled to predict their ability of complex formation. The values of their protonation and deprotonation energies composed the most substantial database obtained within the framework of a single method. The obtained data have allowed to predict structures of the most efficient proton traps formed by homo- and hetero-associates of canonical and modified nucleotide bases.
Key words: proton mobility, protonation and deprotonation, protein - nucleic acid and nucleic acid - nucleic acid recognition, prototropic tautomerism of nucleotide bases, molecular driving, quantum chemistry, UV and 1H NMR spectroscopy.
| 
