Анотація до роботи:

Горб Л.Г. Неемпіричне квантово-хімічне моделювання біологічно суттєвих фізико-хімічних властивостей ізольованих та гідратованих молекулярних компонентів ДНК. -Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора хімічних наук за спеціальністю 02.00.04 - фізична хімія. – Харківський національний університет іменi В.Н. Каразіна, Харків, 2008.

З використанням неемпіричних методів і наближень квантової хімії, що враховують кореляцію електронів, розраховані біологічно важливі фізико-хімічні властивості молекулярних компонентів ДНК – основ, 2'-дезоксирибонуклеотидів і водневозв’язаних пар основ у ізольованому стані, а також при взаємодії з обмеженою і необмеженою кількістю молекул води. Окреслено методи, наближення квантової хімії і базисні набори, які найкраще поєднують зручності у роботі з потрібною точністю обчислень.

Показано, що взаємодія фрагментів ДНК з молекулами води суттєво змінює низку їхніх біологічно важливих фізико-хімічних властивостей порівняно з ізольованим станом. Зроблено висновок, що адекватні квантово-хімічні моделі механізмів функціонування ДНК в біологічних системах вимагають акуратного врахування ступеню їхньої гідратації.

З використанням сучасних неемпіричних методів і наближень квантової хімії, що враховують кореляцію електронів, розраховано біологічно важливі фізико-хімічні властивості молекулярних компонентів ДНК – основ , 2'-дезоксирибонуклеотидів і водневозв’язаних пар основ у ізольованому стані, а також при взаємодії з обмеженою і необмеженою кількістю молекул води. Виокремлено методи, наближення квантової хімії і базисні набори, які найкраще поєднують зручності у роботі з потрібною точністю обчислень. Встановлено що, взаємодія компонентів ДНК з молекулами води істотно змінює низку їхніх біологічно важливих фізико-хімічних властивостей у порівнянні з ізольованим станом.

1. Встановлено факт сильної поляризації електронної структури основ ДНК водним оточенням, який може бути представлено як значний внесок цвітер-іонної резонансної форми. На прикладі гідратних комплексів, що містять не менше 12 зв’язаних молекул води, показано, що найбільшою мірою до цього ефекту схильний цитозин, а найменше – аденін; гуанін, тимін і урацил займають проміжне положення. На прикладі гуаніну виявлений ефект додатково підтверджено методом неемпіричної молекулярної динаміки. Показано, що структурні параметри моно- і дигідратованих оксо-аміно-форм гуаніну змінюються (відносно негідратованої молекули) тільки в областях утворення водневих зв'язків.

2. Проведено комплексний аналіз структурної нежорсткості ізольованих основ ДНК і нуклеотидів. За кімнатної температури усі ізольовані основи ДНК утворюють непласкі конформації попри те, що структурі локального мінімуму відповідає пласка конфігурація гетероциклу. Аналіз 2'-дезоксирибонуклеотидів показав, що основи ДНК, вбудовані в структуру мононуклеотидфосфата, залишаються нежорсткими, причому у ряді випадків навіть рівноважні конфігурації ядер приймають непласкі конформації. Структурна нежорсткість ізольованих основ ДНК у складі нуклеотидів підтверджена також методом неемпіричної молекулярної динаміки.

3. Доведено, що наближення МР2, яке використовує техніку спінової анігіляції для видалення спінового «забруднення» хвильової функції, отриманої методом HF, необмеженого за спіном (РМР2), гарантує практично експериментальну точність передбачення вертикальних потенціалів іонізації основ ДНК, включаючи відтворення експериментально спостережуваного ряду G < A < C T. Взаємодія основ з однією молекулою води призводить до максимального зниження потенціалу іонізації на 0,15 еВ, взаємодія з наступними другою і третьою молекулами знижує потенціал іонізації на 0,1 еВ. Зниження іонізаційних потенціалів макрогідратацією складає 3,48 – 4,05 еВ, що знаходиться у хорошій відповідності із середньою величиною, представленою у літературі (3,5 eВ).

4. Показано, що кількісне співпадіння розрахованих і експериментальних даних спорідненості ізольованих основ ДНК до протону досягається вже на рівні теорії збурень Мюллера-Плессета другого порядку, якщо взяти до уваги, що гуанін і цитозин існують в ізольованому стані як суміш таутомерів.

5. З метою інтерпретації експериментальних даних резонансної двохфотонної іонізаційної спектроскопії проведено неемпіричні квантово-хімічні розрахунки коливальних ІЧ-спектрів ізольованих і моногідратованих таутомерів гуаніну і N9(метил)-гуаніну. Зроблено висновок про те, що, на відміну від експериментів з гелієвими краплями, у цьому випадку спостерігаються високоенергетичні таутомери гуаніну. Ідентифіковано структуру моногідрату N9(метил)-гуаніну, яка фіксується експериментально.

6. При мікрогідратації гуаніну знайдено, що істотні зміни, які призводять до стабілізації його канонічної форми, настають при взаємодії з другою молекулою води. Відносний порядок стабільності його ізольованих таутомерів, підтверджений експериментальними даними: 7G 9G 9G* >> 7G*, зберігається й при моногідратації. Таутомерні властивості негідратованих 2'-дезоксирибонуклеотидів в anti- конформаціях практично такі ж самі, як й ізольованих основ, і не залежать від величини нескомпенсованого негативного заряду.

7. За кімнатної температури Уотсон-Криківська взаємодія водневими зв’зками гуаніну з цитозином призводить до хімічної рівноваги з утворенням незначної кількості їхніх рідкісних таутомерів, причому ця рівновага досягається практично миттєво. Уотсон-Криківська пара A*T*, утворена рідкісними таутомерами, не є стабільним інтермедіатом, тобто водневе зв’язування канонічних форм аденіну і тиміну у Уотсон-Криківську пару не сприяє таутомеризації основ.

8. Розраховано кінетичні параметри (висоти потенційних бар’єрів і константи швидкості), що характеризують швидкість внутрішньомолекулярного перенесення протону в гуаніні і цитозині. Показано, що швидкістю таутомеризації можна хімічно знехтувати у випадку ізольованих молекул. Взаємодія ж основ з молекулами води прискорює реакцію на 11 – 13 порядків і переводить її у розряд біологічно значущих. Показано, що таутомеризація ізольованих гуаніну і цитозину є нерівноважним, а моногідратованих основ – рівноважним процесом.

9. Оцінено можливий внесок таутомерії гуаніну і цитозину в частоту спонтанних точкових мутацій бактерій Е.coli. Результати розрахунків свідчать, що концентрація мутагенних таутомерних форм гуаніну вже через одну секунду після початку синтезу ДНК перевищує частоту спонтанних GCAT мутацій і, таким чином, може бути джерелом останніх.

10. Розраховано співвідношення амінних та імінних- таутомерів у водному розчині N-метил-Р, мутагенного синтетичного аналога цитозину. Показано, що розраховані таутомерні властивості практично не відрізняються від експериментальних. Таким чином незалежно підтверджено експериментальні данні та одержано їх фізико-хімічне тлумачення.

Публікації автора:

1. Gorb L. Current Trends in Modeling Interactions of DNA Fragments With Polar Solvents / L. Gorb, J. Leszczynski // ‘’Computational Molecular Biology” of Theoretical and Computational Chemistry Book Series. – 1999. – V. 8. – P. 167-209. (Узагальнення літературних даних з квантово-хімічного моделювання взаємодії фрагментів ДНК з водою).

2. Gorb L. Chemistry of the Liquid State: Current Trends in Quantum-Chemical Modeling / L. Gorb, J. Leszczynski // Computational Chemistry: Reviews of Current Trends. – 1999. – V. 3. – p. 179-213. (Узагальнення літературних даних з квантово-хімічного моделювання впливу розчинника на фізичні і хімічні властивості розчинених молекул).

3. Are Isolated Nucleic Acid Bases Really Planar? A Car-Parrinello Molecular Dynamics Study / O. Isayev, A. Furmanchuk, O.V. Shishkin [et al.] // J. Phys. Chem. B. – 2007. – V. 111, N 13. – P. 3476-3481. (Планування досліджень та участь в інтерпретації результатів і написанні статті).

4. Near-UV Resonant Two-Photon Ionization Spectroscopy of Gas Phase Guanine: Evidence for the Observation of Three Rare Tautomers / M. Mons, F. Piuzzi, I. Dimicoli [et al.] // J. Phys. Chem. A. – 2006. – V. 110, N 38. – P. 10921-10924. (Виконання квантово-хімічних розрахунків та участь в інтерпретації результатів і написанні статті).

5. Influence of Microhydration on the Ionization Energy Thresholds of Thymine: Comparisons of Theoretical Calculations with Experimental Values / D.M. Close, C.E. Crespo-Hernandez, L. Gorb, J. Leszczynski // J. Phys. Chem. A. – 2006. – V. 110, N 23. – P. 7485-7490. (Ідея дослідження, постановка завдання, проведення обчислень, участь в обговоренні результатів і написання статті).

6. Podolyan Y. Rare Tautomer Hypothesis Supported by Theoretical Studies: Ab Initio Investigations of Prototropic Tautomerism in the N-Methyl-P Base / Y. Podolyan, L. Gorb, J. Leszczynski // J. Phys. Chem. A. – 2005. – V. 109, N 45. – P. 10445-10450. (Ідея та планування досліджень, виконання квантово-хімічних розрахунків, участь в інтерпретації результатів та написанні статті).

7. The Influence of Microhydration on the Ionization Energy Thresholds of Uracil and Thymine / D.M. Close, C.E. Crespo-Hernandez, L. Gorb, J. Leszczynski // J. Phys. Chem. A. – 2005. – V. 109, N 41. – P. 9279-9283. (Проведення квантово-хімічних обчислень, участь у обговоренні результатів і написанні статті).

8. Gorb L. Charges of Phosphate Groups. A Role in Stabilization of 2-deoxyribonucleotides. A DFT Investigation / L. Gorb, O. Shishkin, J. Leszczynski // J. Biomol. Struct. Dyn. – 2005. – V. 22, N 4. – P. 441-454. (Планування досліджень, проведення квантово-хімічних розрахунків, участь в інтерпретації результатів та в написанні статті).

9. Gas Phase Rotamers of the Nucleobase 9-Methylguanine Enol and Its Monohydrate: Optical Spectroscopy and Quantum Mechanical Calculations / W. Chin, M. Mons, F. Piuzzi [et al.] // J. Phys. Chem. A. –2004. – V. 108, N 40. – P. 8237-8243. (Виконання квантово-хімічних розрахунків, участь в інтерпретації результатів та в написанні статті).

10. Conformational Analysis of Canonical 2-Deoxyribonucleotides. 2. Purine Nucleotides / O.V. Shishkin, L. Gorb, O.A. Zhikol, J. Leszczynski // J. Biomol. Struct. Dyn. – 2004. – V. 22, N 2. – P. 227-244. (Планування досліджень, проведення квантово-хімічних розрахунків, участь в інтерпретації результатів та в написанні статті).

11. Double-Proton Transfer in Adenine-Thymine and Guanine-Cytosine Base Pairs. A Post-Hartree-Fock ab Initio Study / L. Gorb, Y. Podolyan, P. Dziekonski [et al.] // J. Am. Chem. Soc. – 2004 . – V. 126, N 32. – P. 10119-10129. (Ідея та планування досліджень, виконання розрахунків, участь в інтерпретації результатів та в написанні статті).

12. Ab Initio Ionization Energy Thresholds of DNA and RNA Bases in Gas Phase and in Aqueous Solution / C.E. Crespo-Hernandez, R. Arce, Y. Ishikawa [et al.] // J. Phys. Chem. A. – 2004. – V. 108, N 30. – P. 6373-6377. (Провіведення квантово-хімічних обчислень, участь у написанні статті та обговоренні результатів).

13. Conformational Analysis of Canonical 2-Deoxyribonucleotides. 1. Pyrimidine Nucleotides / O. Shishkin, L. Gorb, O.A. Zhikol, J. Leszczynski // J. Biomol. Struct. Dyn. – 2004. – V. 21, N 4. – P. 537-553. (Планування досліджень, виконання квантово-хімічних розрахунків, участь в інтерпретації результатів та в написанні статті).

14. Podolyan Y. Ab Initio Study of the Prototropic Tautomerism of Cytosine and Guanine and Their Contribution to Spontaneous Point Mutations / Y. Podolyan, L. Gorb, J. Leszczynski // Int. J. Mol. Sci. – 2003. – V. 4, N 2. – P. 410-421. (Ідея та планування досліджень, виконання квантово-хімічних розрахунків, участь в інтерпретації результатів та в написанні статті).

15. Molecular Structure and Hydrogen Bonding in Polyhydrated Complexes of Adenine: A DFT Study / O.S. Sukhanov, O.V. Shishkin, L. Gorb [et al.] // J. Phys. Chem. B. – 2003. – V. 107, N 12. – P. 2846-2852. (Участь у плануванні досліджень, інтерпретації результатів та в написанні статті).

16. Podolyan Y. Double-Proton Transfer in the Formamidine-Formamide Dimer. Post-Hartree-Fock Gas-Phase and Aqueous Solution Study / Y. Podolyan, L. Gorb, J. Leszczynski // J. Phys. Chem. A. – 2002. – V. 106, N 50. – P. 12103-12109. (Ідея досліджень, участь в інтерпретації результатів та в написанні статті).

17. The Interaction of the Most Stable Guanine Tautomers with Water. The Structure and Properties of Monohydrates / O.V. Shishkin, O.S. Sukhanov, L. Gorb, and J. Leszczynski // Phys. Chem. Chem. Phys. – 2002. – V. 4, N 21. – P. 5359-5365. (Планування досліджень, участь у інтерпретації результатів та в написанні статті).

18. A Quantum-Dynamics Study of the Prototropic Tautomerism of Guanine and Its Contribution to Spontaneous Point Mutations in Escherichia Coli / L. Gorb, Y. Podolyan, J. Leszczynski [et al.] // Biopol. (Nuc. Acid Sci.). – 2002. – V. 61, N1. – P. 77-83. (Ідея досліджень, виконання розрахунків, участь в інтерпретації результатів).

19. A Theoretical Investigation of Tautomeric Equilibria and Proton Transfer in Isolated and Hydrated Thiocytosine / Y. Podolyan, L. Gorb, A. Blue, J. Leszczynski // J. Mol. Struct.-Theochem. – 2001. – V. 549, N 1-2. – P. 101-109. (Планування досліджень, участь в інтерпретації результатів та в написанні статті).

20. Shishkin O.V. Modeling of the Hydration Shell of Uracil and Thymine / O.V. Shishkin, L. Gorb, and J. Leszczynski // Int. J. Mol. Sci. – 2000. – V. 1, N 1. – P. 17-27. (Участь у плануванні досліджень, виконанні квантово-хімічних розрахунків, інтерпретації результатів та в написанні статті).

21. Structural Nonrigidity of Nucleic Acid Bases. Post-Hartree-Fock ab initio Study / O.V. Shishkin, L. Gorb, P. Hobza, J. Leszczynski // Int. J. Quantum Chem. – 2000. – V. 80, N 4-5. – P. 1116-1125. (Проведення квантово-хімічних обчислень, участь у написанні статті та обговоренні результатів).

22. A Direct-Dynamics Study of Proton Transfer through Water Bridges in Guanine and 7-Azaindole / Z. Smedarchina, W. Siebrand, A. Fernandez-Ramos [et al.] // J. Chem. Phys. – 2000. – V. 112, N 2. – P. 566-573. (Проведення обчислень, участь в інтерпретації результатів та в написанні статті).

23. Podolyan Y. Protonation of Nucleic Acid Bases. A Comprehensive Post-Hartree-Fock Study of the Energetics and Proton Affinities / Y. Podolyan, L. Gorb, J. Leszczynski // J. Phys. Chem. A. – 2000. – V. 104, N 31. – P. 7346-7352. (Планування досліджень, участь в інтерпретації результатів та в написанні статті).

24. Shishkin O.V. Does the Hydrated Cytosine Molecule Retain the Canonical Structure? A DFT Study / O.V. Shishkin, L.Gorb, J.Leszczynski // J. Phys. Chem. B. – 2000. – V. 104, N 22. – P. 5357-5361. (Планування досліджень, участь в інтерпретації результатів та в написанні статті).

25. Hovorun D.M. From the Nonplanarity of the Amino Group to the Structural Nonrigidity of the Molecule: A Post-Hartree—Fock Ab Initio Study of 2-Aminoimidazole / D.M. Hovorun, L. Gorb, J. Leszczynski // Int. J. Quantum Chem. – 1999. – V. 75, N 3. – P. 245-253. (Виконання квантово-хімічних розрахунків, участь в інтерпретації результатів та в написанні статті).

26. Gorb L. A Theoretical Investigation of Tautomeric Equilibria and Proton Transfer in Isolated and Monohydrated Cytosine and Isocytosine Molecules / L. Gorb, Y. Podolyan, J. Leszczynski // J. Mol. Struct.-Theochem. – 1999. – V. 487, N 1-2. – P. 47-55. (Планування досліджень, виконання розрахунків, участь в інтерпретації результатів та в написанні статті).

27. Gorb L. Intramolecular Proton Transfer in Monohydrated Tautomers of Cytosine: An Ab initio Post-Hartree—Fock Study / L. Gorb, J. Leszczynski // Int. J. Quantum Chem. - 1998.– V. 70, N 4-5. – P. 855-862. (Планування досліджень, виконання розрахунків, участь в інтерпретації результатів та в написанні статті).

28. Gorb L. Intramolecular Proton Transfer in Mono- and Dihydrated Tautomers of Guanine: An ab Initio Post Hartree—Fock Study / L. Gorb, J. Leszczynski // J. Am. Chem. Soc. – 1998. – V. 120, N 20. – p. 5024-5032. (Планування досліджень, виконання квантово-хімічних розрахунків, участь в інтерпретації результатів та написанні статті).

29. Gorb L. Ab Initio Prediction of the Geometry and IR Frequencies of the Mono- and Dihydrated Complexes of the Oxo-Amino-Tautomers of Guanine / L. Gorb, J. Leszczynski // Int. J. Quantum Chem. – 1997. – V. 65, N 5. – P. 759-765. (Планування досліджень, проведення квантово-хімічних розрахунків, участь в інтерпретації результатів та написанні статті).

30. Combined ab Initio Molecular Dynamics and Quantum-Chemical Study of Selected Chemical Processes of Biological Importance / L. Gorb, O. S. Suhanov, O. Isaev, A. Furmanchuk, I. Tunon, M. F. Ruiz-Lopes, O.V. Shishkin, J. Leszczynski // 4^th Southern School on Computational Chemistry: March 26-27, 2004. – Orange Beach, AL, 2004. – P.41. (Планування досліджень, виконання квантово-хімічних розрахунків, участь в інтерпретації результатів).

31. Ab Initio Ionization Energy Thresholds of DNA and RNA Bases in Gas Phase and in Aqueous Solution / C.E. Crespo-Hernndez, R. Arce, Y. Ishikawa, L. Gorb, J. Leszczynski, D. M. Close / 4^th Southern School on Computational Chemistry: March 26-27, 2004. – Orange Beach, AL, 2004. – P. 33. (Планування досліджень, виконання квантово-хімічних розрахунків, участь в інтерпретації результатів).

32. Rare (Hydroxo) Tautomers of Nucleotides / T.L. Robinson, L. Gorb, O. Shishkin, J. Leszczynski // 4^th Southern School on Computational Chemistry, Orange Beach: March 26-27, 2004. – Orange Beach, AL, 2004. – P. 99. (Планування досліджень, виконання квантово-хімічних розрахунків, участь в інтерпретації результатів).

33. Gorb L. The Influence of Water on the Double–Proton Transfer in Methylated Guanine–Cytosine Base Pair. An ab Initio Study / Y. Podolyan, L. Gorb, J. Leszczynski // 4^th Southern School on Computational Chemistry: March 26-27, 2004. – Orange Beach, AL, 2004. – P. 87. (Планування досліджень, виконання квантово-хімічних розрахунків, участь в інтерпретації результатів).

34. Theoretical ab Initio Study of the Effects of Methylation on Structure and Stability of Watson–Crick Base Pairs / A. Flood, G. Forde, C. Hubbard, L. Salter, G. Hill, L. Gorb, J. Leszczynski [et al.] // Third Southern School on Computational Chemistry: March 28-29, 2003. – Orange Beach, AL, 2003. – P. 20. (Планування досліджень, виконання квантово-хімічних розрахунків, участь в інтерпретації результатів)

35. Comprehensive Study of the Effects of Methylation on Tautomeric Equilibria of Nucleic Acid Bases / G. Forde, A. Flood, A. Fortner, L. Gorb, J. Leszczynski // 12th Conference on Current Trends in Computational Chemistry: October 31-November 1, 2003. – Jackson, MS, 2003. – P.54. (Планування досліджень, виконання квантово-хімічних розрахунків, участь в інтерпретації результатів).

36. Gorb L. Double Proton Transfer in DNA Base Pairs and Prototypic Complexes / L. Gorb, Y. Podolyan, J. Leszczynski // Third Southern School on Computational Chemistry: March 28-29, 2003. – Orange Beach, AL, 2003. –P. 23. (Планування досліджень, виконання квантово-хімічних розрахунків, участь в інтерпретації результатів).

37. Theoretical Investigation of 3-Methyl-Cytosine Hydration / A. Furmanchuk, O. Isayev, L. Gorb, J. Leszczynski // 12th Conference on Current Trends in Computational Chemistry: October 31-November 1, 2003. – Jackson, MS, 2003. – P.60. (Планування досліджень, виконання квантово-хімічних розрахунків, участь в інтерпретації результатів).

38. Structure and Property of Polyhydrated Complexes of Guanine: A Density Functional Study / O. S. Sukhanov, O. V. Shishkin, L. Gorb, J. Leszczynski // Third Southern School on Computational Chemistry: March 28-29, 2003. – Orange Beach, AL, 2003. –P. 73. (Планування досліджень, виконання квантово-хімічних розрахунків, участь в інтерпретації результатів).

39. Podolyan Y. Ab initio Post-Hartree–Fock Gas-Phase and Water Study on the Double Proton Transfer Phenomenon in the Formamidine–Formamide Dimer / Y. Podolyan, L. Gorb, J. Leszczynski // 10^th Conference on Current Trends in Computational Chemistry: November 1-3, 2001: – Jackson, MS, 2001. – P. 171. (Планування досліджень, виконання квантово-хімічних розрахунків, участь в інтерпретації результатів).

40. Hovorun D. Pronounced Structural Nonrigidity of the Canonical DNA Bases: A Post Hartree-Fock Quantum-Chemical Study / D. Hovorun, L. Gorb, J. Leszczynski // 10^th Conference on Current Trends in Computational Chemistry: November 1-3, 2001: – Jackson, MS, 2001. – P. 106. (Планування досліджень, виконання квантово-хімічних розрахунків, участь в інтерпретації результатів).

41. Gorb L. Tautomeric Properties of Guanine. Chemical and Biological Overview / L. Gorb, J. Leszczynski // 10^th Conference on Current Trends in Computational Chemistry: November 1-3, 2001: – Jackson, MS, 2001. – P. 88. (Планування досліджень, виконання квантово-хімічних розрахунків, участь в інтерпретації результатів).

42. Ab initio Study of Irradiated Species of 1-Methyl Thymine and 1-Methyl Uracil / G. Forde, L. Gorb, D. Close, J. Leszczynski // 10^th Conference on Current Trends in Computational Chemistry: November 1-3, 2001: – Jackson, MS, 2001. – P. 79. (Планування досліджень, виконання квантово-хімічних розрахунків, участь в інтерпретації результатів).