Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
На правах рукописи
Тен Галина Николаевна
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТАУТОМЕРНОГО СОСТАВА И ТАУТОМЕРНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ ОСНОВАНИЙ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ МЕТОДАМИ ОПТИЧЕСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ
01.04.05 - оптика
Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора физико-математических наук
Саратов - 2009
Работа выполнена на кафедре прикладной оптики и спектроскопии Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского
Научный консультант: Заслуженный работник высшей школы РФ, доктор физико-математических наук, профессор Березин Валентин Иванович доктор физико-математических наук,
Официальные оппоненты:
профессор Бабков Лев Михайлович доктор физико-математических наук, профессор Малыханов Юрий Борисович доктор физико-математических наук, профессор Уманский Игорь Маркович
Ведущая организация: Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН, г. Москва
Защита диссертации состоится _____________ 2009 г. в _____ часов в ауд. 34 III корпуса СГУ на заседании диссертационного совета Д 212.243.01 в Саратовском государственном университете по адресу: 410012, г. Саратов, ул. Астраханская,
С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке СГУ Автореферат разослан _________ _________________ 2009 г.
Учёный секретарь диссертационного совета Аникин В.М.
Общая характеристика работы
Актуальность темы. Многообразие проявлений таутомерии и необходимость учёта этого явления в практических приложениях ставит задачу исследования таутомерных превращений и связанную с ней разработку методов анализа таутомерного состава в разряд актуальных. Особый интерес представляет изучение прототропной таутомерии биологически активных соединений, например оснований нуклеиновых кислот (ОНК), что является важной задачей не только структурной химии и спектроскопии, но и молекулярной биологии, рассматривающей, в частности, спонтанное возникновение мутаций как результат существования ОНК в различных таутомерных формах.
Таутомерия молекулярных соединений исследуется различными экспериментальными и теоретическими методами, среди которых наиболее распространенными являются методы колебательной спектроскопии и квантовой химии [1-3]. При этом определение таутомерного состава вещества и идентификация таутомеров спектральными методами часто вызывают серьезные затруднения. Например, наложение спектров нескольких таутомерных форм значительно усложняет их интерпретацию, особенно в конденсированных состояниях. Недостаточная информативность экспериментальных спектров приводит к неоднозначности результатов по определению таутомерных структур. Один из возможных способов решения этой проблемы заключается в предварительной теоретической оценке таутомерного состава вещества теми или иными методами. Проблема анализа (и предсказания) таутомерного состава молекулярных соединений усложняется при учёте различных механизмов таутомерных превращений - внутри- и межмолекулярных.
Не в полной мере для определения таутомерного состава используются методы электронной спектроскопии, а также спектры РКР и высокого временного разрешения, позволяющие не только определять присутствие малого количества вещества, но и проводить анализ динамики переноса протона.
В связи с этим возникает задача развития уже имеющихся методов и поиска альтернативных подходов, позволяющих получать надёжные оценки таутомерного состава молекулярных соединений и анализировать механизмы таутомерных превращений.
Целью диссертационной работы является решение двух актуальных проблем - определения таутомерного состава молекулярных соединений в разных фазовых состояниях и комплексного исследования таутомерных превращений ОНК на основе использования современных оптических методов, в том числе и методов теоретической спектроскопии.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи.
1. Развить методику расчёта колебательных спектров как совокупность методов и приёмов, позволяющих достоверно определять таутомерный состав молекулярных соединений в разных фазовых состояниях.
2. Развить методику определения таутомерного состава вещества по электронноколебательным спектрам с учётом специфики проявления в них таутомерии.
3. Разработать полуэмпирический метод предсказания таутомерного состава вещества с учётом механизма переноса протона и структурных изменений в молекуле.
4. Оценить влияние водородных связей на колебательные и электронные спектры ОНК и комплементарных пар в разных фазовых состояниях.
5. На примере имидазола исследовать проявление внутримолекулярного механизма переноса протона в ОНК методами колебательной (ИК, КР и РКР) и электронной спектроскопии.
6. Установить особенности таутомерного равновесия комплементарных пар в водном растворе в зависимости от температуры и кислотно-основных свойств ОНК.
7. Выяснить возможность установления механизма переноса протона в ОНК при разных значениях рН по спектрам флуоресценции с высоким временным разрешением (на примере тимина (Thy) и 5-хлорурацила (5Cl-Ura)).
Научная новизна работы определяется оригинальностью подхода, основанного на использовании современных оптических методов в исследованиях прототропной таутомерии молекулярных соединений, определения таутомерного состава и механизма переноса протона.
1. Предложена оптимальная и эффективная методика расчёта колебательных спектров молекулярных соединений в конденсированных состояниях, позволяющая определять таутомерный состав вещества и анализировать влияние водородных связей на колебательные и электронные спектры молекулярных соединений.
2. Установлены особенности и предложена методика определения таутомерного состава вещества в электронно-возбуждённых состояниях.
3. Предложена новая методика прогнозирования таутомерного состава вещества по спектрам на основе полуэмпирического метода расчёта параметра таутомерного равновесия с учётом внутри- и межмолекулярного механизма переноса протона.
4. Предложен метод расчёта относительных констант диссоциации ОНК в водном растворе и их температурная зависимость от рН в интервале от 0 до 50 С. Вычисленные значения относительных констант кислотности и основности позволили дать общую характеристику влияния водного растворителя на таутомерное равновесие ОНК.
5. Определены спектральные проявления внутримолекулярного переноса протона в имидазоле с привлечением методов колебательной (ИК, КР, РКР) и электронной спектроскопии.
6. Установлено, что механизм переноса протона в димерах Thy и 5Cl-Ura при разных рН носит цвиттер-ионный характер.
7. Установлено влияние водородных связей на колебательные спектры комплементарных пар в зависимости от их структурного образования по Уотсону-Крику и Хугстину.
8. Дана полная интерпретация: а) полного ИК спектра изолированного Ura в ангармоническом приближении с учётом множественных резонансов Ферми; б) полных колебательных (ИК и КР) спектров поликристаллического аденина-N9H (Ade-N9H) на основе модели тетрамера.
Практическая значимость работы определяется общим характером развитых в ней методик оптического определения таутомеров в разных фазовых состояниях.
Эти методики могут быть использованы при исследовании таутомерных свойств широкого класса молекулярных соединений: гетероциклических структур, ОНК в водных растворах и т.д.
Разработанный в работе полуэмпирический метод расчёта параметров таутомерного равновесия и относительных констант диссоциации на мономолекулярном уровне может быть использован для прогнозирования таутомерного состава и кислотно-щелочных свойств сопряжённых таутомерных структур, что важно на практике при создании наносистем заданного назначения.
Полученные результаты внедрены в учебный процесс на кафедре прикладной оптики и спектроскопии СГУ:
используются в виде материала, используемого при чтении специальных курсов лекций Квантовая биохимия, Молекулярные спектры и химические превращения, Спектроскопия оснований нуклеиновых кислот;
изложены в учебных пособиях:
- Тен Г.Н., Нечаев В.В., Бабаян В.И., Березин В.И. (1997) Квантово-химическая теория строения и скоростей химических реакций. Саратов: Изд-во СГУ, 58 с.
- Тен Г.Н., Бурова Т.Г., Баранов В.И. (2004) Спектроскопическое исследование структуры оснований нуклеиновых кислот. Саратов: Изд-во Научная книга, 149 с.
- Тен Г.Н., Бурова Т.Г., Баранов В.И. (2008) Квантово-химическое исследование прототропной таутомерии оснований нуклеиновых кислот. Саратов: Изд-во Научная книга, 157 с.
Связь с государственными программами. Работа была поддержана грантами Президента РФ № НШ-1186.2003.3 и № НШ-5203.2006.3.
Достоверность результатов диссертации. Достоверность полученных результатов и выводов обеспечивается адекватностью используемых физических моделей и квантово-механических вычислительных методов, корректностью используемых приближений, а также количественным и качественным соответствием полученных в работе теоретических результатов экспериментальным данным и данным других авторов.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту.
1. Предложенная методика моделирования колебательных спектров таутомеров позволяет определять таутомерный состав вещества в разных фазовых состояниях.
Методика основана на решении прямой колебательной задачи (механической, электрооптической, ангармонической), использующей DFT-приближение для изолированной молекулы, и применении результатов этого расчёта для решения обратных спектральных задач в валентно-оптическом (ВО) приближении для конденсированных состояний с изменением в силовом и электрооптическом полях изолированной молекулы параметров структурного фрагмента, принимающего непосредственное участие в образовании водородной связи.
2. Предложенная методика определения изменений таутомерного состава вещества в электронно-возбуждённых состояниях позволяет исследовать механизм таутомерных превращений и определять таутомерные формы, образующиеся в результате электронного возбуждения. Методика основана на построении структурнодинамических моделей в комбинирующих электронных состояниях, расчёте электронно-колебательных спектров, определения таутомерного состава по вибронной структуре электронных спектров и сравнительного анализа таутомерного состава в основном и электронно-возбуждённых состояниях. Установлено, что анализ таутомерного состава для пиримидиновых ОНК возможен, начиная с первого возбуждённого состояния, а для пуриновых - со второго.
3. Разработанный полуэмпирический метод расчёта параметра таутомерного равновесия с учётом внутри- и межмолекулярного механизма переноса протона и структурных изменений в молекуле позволяет прогнозировать спектры и таутомерный состав вещества.
4. Механизм переноса протона в димерах 5-замещённых урацила и комплементарных пар в разных фазовых состояниях носит цвиттер-ионный характер. Протолитическое равновесие является одной из причин образования комплементарных пар как канонических, так и редких таутомерных форм ОНК.
5. Структурно-динамические модели таутомеров (всего 61) и таутомерный состав ОНК в разных фазовых и электронных состояниях. Модели обоснованы расчётом спектральных свойств веществ и находятся в полном согласии с экспериментальными данными.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях: II, III, IV Саратовская межвузовская конференция Спектроскопия и физика молекул. Проблемы преподавания физики (Саратов, 1997-1999); 1, 2, 3, 4, 5 и 6 Всероссийские конференции Молекулярное моделирование (Москва, 1998-2007); XXIV European Congress on Molecular Spectroscopy (Czech.
Republic, Prague, 1998); XXXI Colloquium Spectroscopy (Turkey, 1999); International Conference on Advanced Vibrational Spectroscopy (Finland, 2001); Международная молодёжная научная школа по оптике, лазерной физике и биофизике (Саратов, 2000, 2002); Proc. XVI International School-Seminar Spectroscopy of molecules and crystals (Sevastopol, Ukraine. 2003); II Российская школа-конференция Молекулярное моделирование в химии, биологии и медицине (Саратов, 2004); XXVII European Congress on Molecular spectroscopy (Krakow, Poland, 2004); III съезд фармакологов России Фармакология - практическому здравоохранению (Санкт-Петербург, 2007); Национальная конференция Информационно-вычислительные технологии в решении фундаментальных научных проблем и прикладных задач химии, биологии, фармацевтики и медицины (2007); European congress on molecular spectroscopy (Croatia, 2008); Proceedings of 21 International conference on Raman spectroscopy (London, Great Britain, 2008).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 77 работ, в том числе 34 статьи в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК, 3 учебных пособия, статей в тематических сборниках, материалах и трудах научных конференций.
ичный вклад соискателя. Все основные результаты получены лично автором. Методы решения рассматриваемых в диссертации задач и анализ полученных результатов обсуждались с научным консультантом д.ф.-м.н., проф. Березиным В.И.
Расчёты спектров РКР были выполнены совместно с д.ф.-м.н, проф. Буровой Т.Г.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы и приложения. Она содержит 317 страниц основного текста, включая 22 таблиц и 55 рисунков. Список используемых литературных источников содержит 376 наименований. Объём приложения - 110 страниц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность решаемой проблемы, сформулирована цель работы, её научная новизна и практическая ценность, приведены основные положения и результаты, выносимые на защиту.
В первой главе (обзор литературы) систематизированы и обобщены опубликованные данные по исследованию таутомерии ОНК, анализируются результаты исследований спектральными и квантово-химическими методами, формулируются основные проблемы, возникающие при исследовании таутомеров методами колебательной и электронной спектроскопии. Рассматриваются перспективы определения таутомерных форм с помощью расчёта и анализа электронно-колебательных спектров, спектров РКР и оптических спектров высокого временного разрешения. Выясняются особенности меж- и внутримолекулярного механизмов таутомерных преобразований ОНК с переносом протона, а также рассматриваются некоторые вопросы таутомерии комплементарных пар ОНК.
Анализ литературных данных показал, что при исследовании таутомерии спектральными методами возникают сложности интерпретации ИК и КР спектров, обусловленные необходимостью учёта водородных связей и одновременным присутствием нескольких таутомеров, что может привести к неоднозначности определения таутомерного состава ОНК в разных фазовых состояниях.
Наиболее плодотворным и эффективным способом решения этих проблем является сочетание экспериментальных спектральных исследований с квантовохимическими расчётами параметров потенциальных поверхностей (частот, силовых постоянных, интенсивностей колебательных полос) и термодинамических характеристик (энергии, энтальпии, потенциала Гиббса, дипольных моментов, энтропии, констант таутомерного равновесия и т.д.). Но и в этом случае при исследовании таутомерии возникает несоответствие результатов квантово-химических расчётов и эксперимента. Недостатки расчетов во многом обусловлены грубостью используемой модели - гармонической или, в достаточно редких случаях, ангармонической, но лодноминимумной для каждой таутомерной формы молекулы. Для таутомерных превращений весьма типична малая величина потенциального барьера, поэтому при определении уровней энергии таутомерной системы (и расчета констант химического равновесия) нужно сразу решать ангармоническую задачу в многоминимумном потенциале. Молекулярная модель еще более усложняется, если учитывать и анализировать различные механизмы таутомерных превращений - внутри- и межмолекулярный.
Точность определения таутомерного состава ОНК может быть значительно повышена привлечением динамических (временных) и РКР спектров. Преимуществами метода РКР является его чувствительность к крайне малым количеством вещества вплоть до мономолекулярных слоёв, что позволяет определять присутствие в смеси небольшого количества таутомеров, а также возможность проводить исследование водных растворов, т.е. изучать основания ДНК в естественной для них среде. Спектроскопия высокого временного разрешения позволяет косвенно (например, по спектрам флуоресценции) наблюдать и изучать динамику таутомеризации. Важным методом исследования таутомерии является электронная спектроскопия, возможности которой для целей определения таутомерного состава до конца не исследованы.
На основе проведённого анализа формулируется ряд важнейших проблем и задач спектрального и квантово-химического исследования ОНК, решению части из которых посвящены следующие главы.
Во второй главе разработана методика расчёта колебательных спектров в разных фазовых состояниях как совокупность методов и приёмов, позволяющих решить задачу определения таутомерного состава ОНК. Проанализированы результаты решения колебательных задач в разных фазовых состояниях полуэмпирическими методами, использующими ВО и B3LYP приближения [4-9] на примере Ura, имеющего только 2,4-оксо таутомерную форму в изолированном состоянии и твёрдой фазе, и Ade, протонированного по положению N9 в поликристаллическом состоянии. Выбор методов расчёта является наиболее оптимальным и обусловлен двумя причинами. Вопервых, приближение B3LYP позволяет наиболее точно из всех существующих в настоящее время методов рассчитывать колебательные (ИК и КР) спектры изолированных молекул. Во-вторых, для учёта межмолекулярного влияния на колебательные спектры ОНК в конденсированных состояниях наиболее целесообразно использовать метод молекулярного моделирования, позволяющий строить спектральные отображения молекулярных моделей и уточнять параметры этих моделей путем решения обратных задач. Это даёт возможность не только рассчитывать спектры ОНК в конденсированных состояниях, но и построить в дальнейшем теоретическую и вычислительную базу для исследования внутри- и межмолекулярных превращений, т.е. механизма таутомерии ОНК. Наиболее эффективным для этих целей в теории колебательных спектров является ВО приближение.
Проведенный анализ колебательных ИК спектров изолированного Ura методом DFT в гармоническом и ангармоническом приближениях с использованием разных базисов показал, что присутствие сильных резонансных возмущений не позволяет провести адекватную интерпретацию экспериментального спектра, особенно в области валентных колебаний n(С=О ) (рис. 1). Главной причиной такого несоответствия между экспериментом и теорией является наличие в спектре Ura колебательных полос, соответствующих обертонам и составным частотам, интенсивности которых сопоставимы с интенсивностями фундаментальных колебаний, что является следствием резонанса Ферми.
Рис. 1. Экспериментальный (вверху) и вычисленный (внизу) в приближении B3LYP/6-311+G(d,p) ИК спектр Ura. Звёздочками отмечены полосы поглощения, интерпретация которых вызывает затруднения Применение теории возмущений второго порядка для расчёта ангармонических частот и интенсивностей, учитывающей резонансы Ферми и основанной на построении матрицы взаимодействия между колебательными переходами разных типов, позволило провести интерпретацию полного ИК спектра изолированной молекулы Ura.
Полученное хорошее согласие вычисленного колебательного спектра с экспериментальным свидетельствует о корректности применяемой методики расчёта и даёт основание считать проведённый анализ адекватным (см., например рис. 2).
Учёт множественных резонансов приводит к заметному спектральному проявлению составных колебаний и обертонов, которые при решении в гармоническом приближении имеют значительно более низкую интенсивность, чем основные тона.
Наиболее множественное резонансное взаимодействие проявляется при взаимодействии составных тонов и обертонов с интенсивным основным тоном в области С=О колебаний. Как показал расчёт, из 30 фундаментальных колебаний Ura только восемь не участвуют во взаимодействии с другими колебаниями (семь неплоских и одно плоское колебание).
Рис. 2. Экспериментальный (вверху) и вычисленный (внизу) ИК спектр изолированного Ura с учётом множественных резонансов Ферми (область 9001500 см-1) Поскольку учесть резонанс Ферми в поликристаллическом состоянии, и, следовательно, провести адекватный расчёт конденсированных спектров Ura в приближении B3LYP практически невозможно, то в качестве объекта исследования был выбран поликристаллический Ade, протонированный по положению N9. Для учёта влияния водородных связей была рассмотрена модель тетрамера (рис. 3).
На рис. 4 приведены экспериментальный спектр поглощения поликристаллического Ade и вычисленный ИК спектр Ade-N9H(1), сравнение которых показывает их хорошее согласие за исключением интенсивностей нескольких линий (15, 27, 28).
Причины этого несоответствия обусловлены недостатками используемой модели тетрамера, выражающихся в расщеплении полос поглощения и краевых эффектах, а также выбранным базисом, не позволяющим воспроизвести интенсивности полос поглощения, относящихся к колебаниям аминной группы. Известно, что для аминной группы характерна малая величина потенциального барьера, поэтому для уточнения частот и интенсивностей колебаний этой группы нужно решать ангармоническую задачу в многоминимумном потенциале.
Рис. 3. Молекулярная модель тетрамера с обозначением молекул (1), (2), (3), (4) и нумерацией атомов для Ade-N9H (1) Рис. 4. ИК спектры: экспериментальный (вверху) для поликристаллического Ade и вычисленный (внизу) для Ade-N9H (1) Очевидно, что данный метод моделирования может быть использован для интерпретации колебательных спектров сложных молекулярных систем с учётом межмолекулярных водородных связей, однако при определении таутомерного состава ОНК, из которых три (Cyt, Gua, Ade) содержат аминную группу, отмеченные сложности расчёта в приближении B3LYP могут привести к ошибочному результату.
Влияние водородных связей на колебательные спектры обычно изучают по изменениям частот и интенсивностей валентных колебаний. Эти возмущения настолько характерны, что выработанные общепринятые критерии практически достоверно позволяют определить наличие водородной связи. Сложнее обстоит дело с изменениями частот и интенсивностей деформационных колебаний, также реагирующими на образование водородных связей. Образование водородной связи RAHЕB приводит к появлению дополнительной силы, препятствующей движению атома Н в направлении, перпендикулярном AH-связи в плоскости молекулы (плоские колебания). Этот эффект может быть смоделирован увеличением угловых силовых постоянных в молекулярном фрагменте, непосредственно прилегающем к области образования АН-связи.
Изменения этих силовых постоянных могут служить количественным критерием прочности АН-связи. Аналогичный подход может быть применён и к рассмотрению интенсивностей колебательных спектров, когда соответствующие изменения электрооптических параметров отражают изменения интенсивностей деформационных колебаний при образовании водородных связей.
Рис. 5. Экспериментальные (1) и рассчитанные (2) ИК спектры Ura и N1,N3дейтероурацила (Ura-Nd2) в поликристаллическом (а) и мономерном (б) состояниях Рис. 6. Экспериментальные (а) и вычисленные (б) спектры КР Аde, Аde-d1, Aded3 и Аde-dДанная методика учёта влияния водородных связей на колебательные спектры была применена для расчёта ИК и КР спектров поликристаллического Ura ВО методом. В качестве нулевого приближения были использованы результаты решения прямой колебательной задачи в приближении B3LYP для изолированной молекулы. Полученные таким образом силовые и электрооптические поля дают удовлетворительное согласие экспериментальных и вычисленных частот и интенсивностей (рис. 5), отличаясь значениями лишь для тех структурных элементов, которые участвуют в образовании водородной связи. В поликристаллическом состоянии Ura образует водородные связи двух типов: это связи с участием групп N-H (С4=О...HN1, С4=О...HN3) и группы С-Н, а именно С2О...HС5 (сетчатая структура).
Как показали результаты расчёта целого ряда молекулярных соединений, применение данной методики, позволяет проводить надёжную интерпретацию колебательных спектров в конденсированных состояниях. Несомненным преимуществом предлагаемой методики является простота модельного расчёта колебательных спектров в конденсированных состояниях, позволяющая не только определять таутомерный состав вещества, но и анализировать влияние водородных связей на колебательные спектры, что является самостоятельной задачей молекулярной спектроскопии.
Интерпретация колебательных спектров становится более надёжной, если привлекаются изотопозамещённые молекулы. В качестве примера на рис. 6 приведены экспериментальные и теоретические спектры КР поликристаллического Ade-N9H и его трёх дейтерозамещённых, вычисленные в ВО приближении (рис. 6).
В третьей главе была использована предложенная во второй главе методика расчёта колебательных спектров в конденсированных состояниях для анализа влияния водородных связей на колебательные спектры пиримидиновых оснований ОНК и комплементарных пар.
Влияние водородной связи на колебательный спектр было определено путём сравнения спектров изолированной молекулы и молекулы, находящейся в жидкой или твёрдой фазе, а также сравнением спектров изолированных молекул и изолированных димеров. Во всех этих случаях меняется положение полос в ИК спектрах и их интенсивность, что и является главным носителем информации о влиянии водородной связи на изменение структуры и свойств молекулы.
Были рассчитаны и проанализированы колебательные спектры Thy и Cyt в твёрдом состоянии и водном растворе (рис. 7). Силовые постоянные связей NH и С=О при переходе от мономера к конденсированному состоянию уменьшаются на ~1520%, а силовые постоянные внешних и внутренних деформационных углов, прилегающие к связи NH, напротив, увеличиваются на ~10 и ~25% соответственно.
Показано, что в твёрдой фазе Тhy образует водородные связи С2=О8...HN1 и С2=О8...HN3, а в водном растворе образование ассоциатов происходит через связи О8...НО и О...HN1. Для поликристаллического Cyt характерно образование двух типов водородных связей С2=О8...HN1 и С2=О8...HN10, причём в конденсированных средах Cyt существует только в лактамной форме.
Колебательные спектры комплементарных пар Gua-Cyt, Ade-Thy и Ade-Ura для конденсированных состояний являются практически суперпозицией спектров (за исключением некоторых колебаний) отдельных фрагментов (Gua, Cyt, Ade, Thy и Ura), вычисленных ранее для твёрдой и жидкой фазы в ВО приближении, т.е. в паре фрагменты выступают как мало связанные, почти независимые.
Анализ смещений ОНК вдоль водородных связей как целых молекулярных образований показал, что механизм переноса протона связан с образованием цвиттер-ионных таутомерных форм ОНК. Для пары Gua-Cyt характерен последовательный перенос двух протонов вдоль водородных связей O11ЕH и HЕO8 (рис. 8). Для пар Ade-Thy и Ade-Ura, образованных по Уотсону-Крику, также характерно наличие двух локальных центров для переноса протонов с образованием цвиттер-ионов. Для пары Ade-Ura, образованной по Хугстину, перенос протона осуществляется только вдоль одной водородной связи.
Рис. 7. Экспериментальные (1) и рассчитанные (2) ИК спектры Thy в поликристаллическом состоянии (а) и водном растворе (б) Таким образом, образование комплементрных пар по Уотсону-Крику уменьшает вероятность изомерного превращения, поскольку увеличение числа существенно изменяющихся естественных координат приводит к быстрому (экспоненциальному) уменьшению вероятности изомерного преобразования, что согласуется с экспериментальным фактом локальности химических превращений и наличия реакционных центров в молекулах [10].
Проведён анализ влияния водородных связей на положение частот и значение интенсивностей полос поглощения изолированной комплементарной пары Ade-Ura по cравнению с изолированными молекулами Ura, Ade, определён вклад водородных связей в распределение потенциальной энергии каждого нормального колебания димера и рассмотрено влияние каждой из двух водородных связей на характер смещения частот (приближение B3LYP). В результате влияния водородных связей в колебательном спектре пары появляются четыре новые полосы поглощения по сравнению со спектрами ОНК, что может служить критерием образования или разрыва определённого типа водородной связи в паре Ade-Ura. Остальные колебания, как и в случае конденсированных состояний, являются суперпозицией колебаний изолированных ОНК.
Определено, что частоты деформационных и валентных колебаний связей, участвующих в образовании водородных связей N3НЕN1 и O10ЕHN10, смещаются в область более высоких частот на ~100150 см-1, за исключением валентного колебания Q(C4=O10), частота которого в димере уменьшается на 42 см-1. Для неплоских -колебаний r(N3H) и r(C2H) аналогичные смещения составляют ~100300 см.
а б в Рис. 8. Молекулярные диаграммы комплементарных пар Ade-Ura (а), Gua-Cyt (б), образованных по Уотсону-Крику, и Ade-Ura (в), образованной по Хугстину Эти смещения являются причиной смешения колебаний Ura и Ade в колебательном спектре Ade-Ura (всего смешивается шестнадцать колебаний ОНК). Появ-ление или лисчезновение полос поглощения в области ~3001800 см может служить критерием образования или разрыва определённого типа водородной связи в паре Ade-Ura, так как колебания с частотами 1002, 1653 см-1 связаны с образованием водородной связи N3НЕN1, а колебания с частотами 300, 741, 1710 см-1 - с образованием другой водородной связи O10ЕHN10.
В четвёртой главе, используя результаты анализа колебательных спектров, определён таутомерный состав ОНК в разных фазовых состояниях. Впервые выполненный расчёт и анализ нормальных колебаний шести таутомеров цитозина и их ИК спектров позволил интерпретировать экспериментальный спектр поглощения и определить на этой основе таутомерный состав изолированного цитозина (рис. 9).
Анализ колебательных спектров Cyt, T1-T5 показал, что каждый из шести таутомеров имеет характерные полосы поглощения как среди плоских, так и неплоских колебаний, что позволяет однозначно определять их присутствие среди таутомерной смеси. В частности, изменение ориентации ОН и NH связей при цис-транс изомерии Т1, Т2 и Т3, Т4 приводит к существенному изменению интенсивности соответствующих спектральных полос.
Сравнение теоретических спектров Cyt, Т1-Т5 и экспериментального спектра смеси таутомеров цитозина позволило сделать однозначный вывод о присутствии в изолированном состоянии наряду с канонической амино-оксо таутомерной формой Cyt ещё трёх таутомеров, а именно: цис-, транс-амино-гидрокси (Т1, Т2) и цис-иминооксо (Т3) форм (рис. 10).
Рис. 9. Молекулярные диаграммы Cyt (амино-оксо) и его пяти таутомеров Т(цис-амино-гидрокси), Т2 (транс-амино-гидрокси), Т3 (цис-имино-оксо), Т(транс-имино-оксо), Т5 (амино-оксо) с нумерацией атомов Рис. 10. Экспериментальные (внизу) и вычисленные (вверху) спектры смеси таутомеров Cyt (С), Т1 (1), Т2 (2), Т3 (3) в области 7401640 см-Одной из наиболее сложных задач при определении таутомерного состава ОНК является установление таутомеров N9HлN7H имидазольного кольца пуриновых оснований. Для исследования влияния аминной группы на колебательные спектры Ade целесообразно рассматривать и сравнивать спектры таутомеров Pur-N9H, Pur-N7H и Ade-N9H, Ade-N7H (рис. 11).
Надо отметить, что теоретические спектры хорошо воспроизводят значения частот и распределение интенсивностей большинства полос поглощения экспериментальных ИК спектров Pur и Ade в предположении, что существует только одна таутомерная форма, а именно Pur-N9H (Ade-N9H) (рис. 12). В то же время, присутствие только одного таутомера, например Ade-N9H, не позволяет объяснить природу происхождения в спектре Ade двух сильных по интенсивности полос поглощения с частотами 583 и 591 см-1, а также провести интерпретацию целого ряда слабых по интенсивности полос поглощения в области 6001100 см-1.
а б Рис. 11. Молекулярные диаграммы таутомерных форм N9H () и N7H (----) Ade (а) и Pur (б) Предполагая, что присутствие таутомера, протонированного по положению N9H, в смеси таутомеров являются доминирующим, была проведена интерпретация колебательных спектров Pur и Ade с привлечением всех экспериментальных полос поглощения. Несомненно, такая оценка является лишь качественной, но она позволила провести интерпретацию всех полос поглощения и сделать вывод о таутомерном составе Pur и Ade в изолированном состоянии. При отнесении было учтено, что значения частот и интенсивностей аминной группы при расчёте в приближении B3LYP значительно завышены. На рис. 12 звёздочками отмечены колебания, соответствующие таутомеру Pur, протонированного по положению N7. Сравнение экспериментальных и теоретических спектров с учётом присутствия в изолированном состоянии обоих таутомеров показывает, что они находятся в лучшем согласии по сравнению с теоретическими спектрами, вычисленными только для таутомеров Pur-N9H и Ade-N9H.
Например, присутствие таутомера Pur-N7H в изолированном состоянии позволило провести интерпретацию ряда слабых полос поглощения экспериментального спектра с частотами 1625, 1577, 1401, 1256, 1221 см-1, а также уточнить интерпретацию полос поглощения с частотами 1378, 1333 см-1.
С учётом колебаний Ade-N7H стала возможной интерпретация слабых полос поглощения в спектре изолированного Ade с частотами 1005, 1017, 1127, 1246, 1334, 1358 см-1, а также сильной полосы поглощения с частотой 1625 см-1. Кроме того, было объяснено происхождение двух полос поглощения в области ~600 см-1.
Рис. 12. Спектры Pur в разных спектральных областях: экспериментальные (вверху) и рассчитанные с учетом присутствия таутомерных форм Pur-N9H и Pur-N7H (внизу). Линии, отвечающие таутомеру Pur-N7H, отмечены звёздочкой.
Используя комплексный подход были рассчитаны колебательные (ИК, КР, РКР) спектры таутомеров Pur (Рur-N7H, Рur-N9H) и их дейтерозамещённых (Рur-ND, Pur-NH,C8D и Pur-ND,C8D) для поликристаллического состояния и водного раствора.
Полная, надёжная и непротиворечивая интерпретация спектров позволила сделать выводы о таутомерном составе вещества в конденсированных состояниях, а именно: а) в твёрдом состоянии Pur существует лишь в одной таутомерной форме, а именно Рur-N7Н, и образует водородную связь N7Н...N9; б) в случае жидкой фазы наш расчёт показывает наличие обеих таутомерных форм, то есть Рur-N7Н и Рur-N9Н, причём приблизительно в равных количествах (рис. 13).
Был выполнен расчёт частот и интенсивностей спектров КР Gua и его трёх дейтерозамещённых (Gua-D1, Gua-D4, Gua-D5) в конденсированных состояниях, получены теоретические спектры, удовлетворительно согласующиеся с экспериментальными и уточнена интерпретация для дейтерозамещённых молекул. Это свидетельствует о корректности полученных моделей молекул, их адекватности реальной структуре и возможности на основе значений их параметров оценивать характер и величины внутри- и межмолекулярных взаимодействий в разных фазовых состояниях.
Рис. 13. Экспериментальные (1) и рассчитанные (2) спектры КР Pur-NH, Pur-ND и Pur-ND,C8D в водном растворе Было показано, что в поликристаллическом состоянии Gua образует водородные связи N7...HN14 и O12...HN1. На основе анализа силовых и электрооптических параметров сделан вывод об образовании в щелочной среде водородных связей типа N1(9,14)H...О и O12...НО, а также о присоединении Н(D) к атому N7. Кроме того, в водном растворе существует смесь таутомерных форм Gua с преобладанием в среде с pH<0 таутомера N9H, а в среде с pH=11 - таутомера N7H.
В пятой главе представлена методика, позволяющая эффективно использовать электронные спектры для определения изменения таутомерного состава молекулярных соединений в электронно-возбуждённых состояниях. Были рассчитаны и проанализированы электронно-колебательные спектры первых двух n-p* и p-p* переходов Ura, Thy, Cyt (амино-оксо и амино-гидрокси форм), Pur и Ade (Pur-N7Н, Pur-N9Н и Ade-N7Н, Ade-N9Н) в разных фазовых состояниях. Показано, что для определения таутомерных форм необходимо выбирать такие электронно-возбуждённые состояния, в которых структурно-динамические модели рассматриваемых таутомеров существенно различаются. Для пиримидиновых ОНК определение таутомерного состава возможно, начиная с первого возбуждённого состояния, а для пуриновых - со второго, в отличие от обычных изомеров, где существенные структурные изменения наблюдаются, как правило, начиная с четвёртого и выше электронных состояний.
Рис. 14. Теоретические спектры поглощения первого p-p* электронного перехода молекул Сyt-I (а) и Сyt-II (б)( Ч мономер, - - - поликристалл) Было рассмотрено влияние водородных связей на электронно-колебательные спектры ОНК. Для этого при расчёте вибронной структуры первых p-p* электронных переходов Ura, Тhy и Сyt в разных фазовых состояниях были использованы колебательные спектры, вычисленные по методике, предложенной в главе 2. Теоретические электронно-колебательные спектры в полной мере воспроизводят наблюдающиеся в эксперименте отличия спектров Ura, Тhy и Cyt для изолированного и конденсированных состояний, проявляющиеся в характерном размытии огибающих полос поглощения (рис. 14).
Выполненный расчёт электронно-колебательных спектров первых p-p* электронных переходов таутомерных форм Pur-N7Н и Pur-N9Н для газовой фазы подтверждает результаты определения таутомерного состава с помощью колебательных спектров и вывод об их одновременном присутствии в газовой фазе, поскольку теоретические спектры обоих таутомеров соответствуют эксперименту. Аналогичный вывод получен при анализе теоретических вибронных спектров первых p-p* переходов таутомеров Аde-N7Н и Аde-N9Н для поликристаллического состояния.
Сравнение экспериментального и теоретических электронно-колебательных спектров второго p-p* перехода, для которого структурно-динамические модели таутомеров Ade значительно отличаются, позволяет сделать однозначный вывод о присутствии в твёрдой фазе только таутомерной формы Аde-N9Н (рис. 15), что подтверждается результатами определения таутомерного состава с помощью колебательных спектров. Кроме того, по колебательной структуре электронных спектров первых np* переходов Cyt определено наличие лактамной и лактимной форм в изолированном состоянии (рис. 14).
Рис. 15. Теоретические спектры поглощения, отвечающие второму p-p* электронному переходу таутомеров Аde-N9H () и Аde-N7H (-----) Рис. 16. Молекулярные диаграммы таутомеров Im (I и II) и промежуточной структуры (III) Методом электронной спектроскопии было рассмотрено проявление внутримолекулярного механизма переноса протона в Im. Для этого были решены колебательные задачи и построены структурно-динамические модели Im (I и II) и промежуточной структуры (III, рис. 16).
Изменения длин связей при возбуждении определялись с помощью полуэмпирических корреляций, а вычисление изменений валентных углов молекул методом гибридных атомных орбиталей (ГАО), разработанного нами, сводилось к решению системы линейных уравнений вида i i i i x = 2 z dcr, AB i i ' r rr ' i x = dcr + dcr + z (ddr 's' + ddrs ), A r ss r i i i xAB =DQAB /QAB - относительные изменения зарядов на xA =DQA /QA i где, атоме А и связи АВ в i-м возбуждённом состоянии;
i i i i dcr = Dcr /cr, ddrs = Ddrs / drs - относительные изменения коэффициГАО АО jr = сrdrsjr, ентов в представлении r-ой ГАО через АО данного атома s A rr' АО АО 2 zss = drsdr's'sss / drsdr's'sss - относительные z = cr / cr, r r ss' вклады соответственно r-й ГАО в заряд на атоме А и перекрывания s-й и sТ-й АО в перекрывание ГАО r- й и rТ-й атомов А и В.
Рис. 17. Спектр поглощения первого p,p* -электронного перехода для имидазола I (______) и структуры III (- - - - ) Проведенный расчёт и теоретический анализ электронно-колебательных спектров Im (I) и промежуточной молекулярной структуры (III) показал, что существенные отличия в изменении геометрических параметров рассматриваемых молекул при их возбуждении в первое pp* электронное состояние приводят к появлению в спектре структуры III сильной по интенсивности полосы поглощения в области 1420 см-1 (рис.
17). Это делает возможным идентифицировать внутримолекулярный механизм переноса протона в Im с образованием промежуточной структуры III, т.е. как IлIIIлII.
Сравнение структурно-динамических моделей Im и Ade показывает, что в имидазольном кольце Ade изменения длин связей и углов в несколько раз меньше, чем в Im, что, в свою очередь, снижает возможность обнаружения внутримолекулярного механизма переноса протона методами электронно-колебательной спектроскопии.
Таким образом, проведенный анализ показал, что в соответствии с предложенной методикой определения изменения таутомерного состава вещества в электронновозбуждённых состояниях, сначала необходимо построить структурно-динамические модели в комбинирующих электронных состояниях. Определять таутомерный состав можно только для тех состояний, в которых структурно-динамические модели исследуемых таутомеров значительно отличаются. Сравнительный анализ таутомерного состава в основном и электронно-возбуждённых состояниях позволяет определять таутомерные формы, образующиеся в результате электронного возбуждения, а также исследовать механизм таутомерных превращений.
В шестой главе изложен новый полуэмпирический метод оценки таутомерного состава вещества на основе расчёта и анализа параметров таутомерного равновесия и стабильности, при вычислении которых учитывается механизм реакции и те структурные изменения, которые происходят в молекуле при переносе протона.
Для характеристики таутомерного равновесия A л B предлагается использовать параметр (назовем его параметр равновесия), определяемый как отношение сумм величин, характеризующих степень устойчивости связей, образуемых подвижным протоном и центрами его присоединения:
a i i B R = AB a j j A Суммирование проводится только по связям i и j таутомеров A и B, образующих структурный фрагмент, в котором происходит перенос протона. В качестве хаai = bi Ei рактеристик устойчивости связей предлагается использовать величины, где bi и Ei - индекс и энергия i-й связи. Кроме того, для связи X-H с мигрирующим при таутомерном превращении протоном учитывается электроотрицательность атома a = X b E X:.
X-H X X-H X-H Под индексом i-й связи (между атомами Y и Z) понимается величина bi = Pmn, где P m n - элементы матрицы плотности. Они инвариантны m Y n Z при поворотах систем координат, характеризуют прочность химической связи и вычисляются квантово-химическими методами. Между длинами и индексами связей могут быть построены полуэмпирические корреляции, что позволяет оценивать величины индексов связей по экспериментальным значениям длин связей анализируемых молекул.
Учитывая определение параметра равновесия RAB, можно ожидать, что оценка его величины даст информацию о направлении реакции таутомерного превращения RAB >1 процесс идет в направлении A о B, а при RAB < A л B : при - A м B.
Параметр равновесия можно рассчитывать с учётом как внутри-, так и межмолекулярного механизма переноса протона. При этом вычисление параметров будет определяться структурными фрагментами исходного и конечного продуктов реакции, где происходит перенос протона, и зависеть от стадийности процесса.
Второй важной характеристикой таутомерного состава является его стабильность, определяемая по значениям полных энергий молекулярных структур. По аналогии с параметром равновесия введем для оценки стабильности системы A л B относительно лисходного таутомера A (или конечного B ) параметр (назовем его S параметр стабильности) :
AB A a - aX-H A i aX-H iB SAB = = RAB a a.
jj jA jA Параметр стабильности может оказаться полезным при оценке относительной стабильности состояний A л B, A л C, A л D и т.д. в ряду возможных таутомерных превращений, причем при разных (внутри- и межмолекулярных) механизмах переноса протона, и позволит предсказывать, какое таутомерное превращение является наиболее вероятным и каков в этом случае его механизм.
Предложенный полуэмпирический параметрический метод, основанный на RAB S расчете параметров равновесия и стабильности с учетом внутри- и межAB молекулярного механизмов переноса протона был использован для анализа таутомерного состава лактам-лактимной и тион-тиольной таутомерии Ura, Thy и их тиозамещённых. Применение данного подхода к оценке относительной стабильности таутомеров Ura и Thy и их тиозамещенных показало хорошее согласие полученных результатов с экспериментальными данными и результатами расчетов неэмпирическими квантово-химическими методами.
Рис. 18. Молекулярные диаграммы 2S,4S-Ura (а) и таутомеров 121 (б) и 2141 (в) Метод был использован для анализа таутомерного состава лактам-лактимной и тион-тиольной таутомерии Ura, Thy и их тиозамещённых, а также амино-иминной таутомерии Ade, Pur, Cyt и Gua. Получено полное согласие с имеющимися экспериментальными данными, что свидетельствует о работоспособности параметрического метода и достоверности вычисленных параметров. Метод позволяет не только прогнозировать присутствие таутомеров, сложность экспериментального определения которых связана с их малым количеством, например, таутомеров Pur-N7Н и Ade-N7Н в изолированном состоянии, но и определять путь таутомерного превращения при внутри- и межмолекулярном механизме переноса протона. Например, для 2S,4S-Ura возможно попарное внутримолекулярное таутомерное превращение 2S,4SUraо121о2141, т.е. одновременное существование трёх молекулярных структур (рис. 18). Данный прогноз позволил провести интерпретацию колебательного спектра 2S,4S-Ura и был подтверждён расчётом интенсивностей спектров РКР.
Расчёт параметров равновесия подтвердил корректность ранее проведённой интерпретации ИК спектров Cyt и предсказал существование валентного таутомера амино-гидрокси формы.
Было показано, что более стабильной для Ade является таутомерная форма Аde-N9H. При этом возможен внутримолекулярный перенос протона и таутомерный переход в форму Аde-N7H. Кроме того, предсказано существование иминной формы таутомера Аde-N7H, что соответствует появлению в ИК спектре слабых по интенсивности полос поглощения для этого таутомера. Относительная стабильность таутомера Рur-N9H по сравнению с Рur-N7H несколько выше, а параметр таутомерного равновесия равен единице. Существование обоих таутомеров Рur-N9H и Рur-N7H в газовой фазе также подтверждается экспериментальными колебательными спектрами. Для изолированного Gua стабильность таутомера Gua-N7H выше, чем Gua-N9H. Кроме этого, наблюдается уменьшение степени стабильности в ряду таутомеров Gua-2a, Gua-2b, Gua-3a, Gua-3b, Gua-4, что совпадает с данными неэмпирических расчётов (рис. 19).
Рис. 19. Молекулярные диаграммы таутомеров Gua-N9H В седьмой главе на основе определения параметра равновесия выполнен модельный расчёт относительных констант диссоциации ОНК в водном растворе и определена температурная зависимость от рН в интервале от 0 до 50 С (табл. 1). Расчёты относительных констант кислотности и основности таутомеров ОНК позволили дать общую характеристику влияния водного растворителя на поведение ОНК, находящихся в состоянии таутомерного равновесия.
Расчёт относительных констант позволил объяснить одну из причин образования комплементарных пар Аde-Тhy и Gua-Cyt не только из канонических, но и из редких таутомерных форм (рис. 20). Установлено, что одной из причин образования комплементарных пар как канонических, так и редких таутомерных форм является протолитическое равновесие сопряжённых ОНК.
Таблица Вычисленные значения показателей кислотности (рKк), основности (рKо) для таутомеров ОНК при разных температурах (t, C) и рКи для экспериментально определённых констант ионизации (Kи) Таутомеры, рK T=0 10 20 25 30 40 50 рKи (X оY) а б в Аde(am) рKо 4.97 4.55 4.18 4.01 3.84 3.55 3.27 4.1 3.6 4.г рKк 10.93 10.51 10.14 9.97 9.80 9.51 9.23 9.оAde(im) рKк 10.03 9.60 9.23 9.06 8.89 8.60 8.33 9.5 9.25 9.Uraо3рKо 6.11 5.68 5.31 5.14 4.98 4.68 4.Уридин-5Т- рKк 9.34 9.18 9.01 8. д фосфат рKк 10.65 10.23 9.86 9.69 9.53 9.23 8.95 9.9 9.Тhyо3рKо 5.29 4.87 4.51 4.34 4.17 3.87 3.рKк 10.46 10.54 10.17 10.0 9.83 9.54 9.Тhyо1рKо 4.96 4.54 4.17 4.00 3.83 3.54 3.рKк 10.78 10.36 9.99 9.82 9.65 9.36 9.Тhyо1рKо 5.16 4.74 4.37 4.20 4.03 3.74 3.Сyt (ket-am рKо 3.89 3.48 3.11 2.93 2.77 2.47 2.рKк 12.02 11.59 11.22 11.05 10.89 10.59 10.32 11.оket-im) Сyt (ket-im рKо 5.54 5.12 4.75 4.58 4.42 4.11 3.85 4.46 4.1 4.рKк 10.34 9.92 9.55 9.38 9.22 8.92 8.оen-am) д Цитидин рKо 4.32 4.22 4.15 4.Gua (ket рKк 10.8 10.37 10.0 9.84 9.67 9.37 9.рKо 5.16 4.73 4.36 4.20 4.03 3.73 3.оen) Gua(ket-im рKо 5.61 5.19 4.82 4.66 4.48 4.19 3.рKк 10.33 9.90 9.54 9.38 9.20 8.91 9.64 9.оen-аm) Примечания: 1. Верхняя строчка относится к исходному таутомеру, нижняя - к коа б нечному. 2. Экспериментальные данные приведены - для основания; - для рибов г д нуклеозида; - в кислой среде; - в щелочной среде; - зависимость от температуры.
Был выполнен расчёт и анализ времени жизни молекулярных структур, образующихся при таутомерных превращениях 5-замещённых Ura по межмолекулярному механизму переноса протона для водных растворов с разным значением рН.
Влияние рН среды сказывается на относительном расположении колебательных уровней, для которых наблюдается туннельный эффект. В отличие от изолированных молекул перенос протона в водной среде, согласно полученным результатам расчёта времён жизни, происходит преимущественно через состояния, расположенных ниже середины потенциального барьера. Очевидно, это связано с существенно меньшим заселением этих уровней (по Больцману), поэтому такие туннельные переходы экспериментально не фиксируются.
Рис. 20. Температурная зависимость констант основности и кислотности Расчёт показал, что механизм переноса протона, который в свою очередь зависит от рН среды, может заключаться как в последовательном (образование цвиттерионных форм), так и одновременном переносе протонов вдоль водородных связей (рис. 21).
а б в г д Рис. 21. Межмолекулярный механизм переноса протона в димерах Ura с одновременным (аовод) и последовательным переносом протонов (бог) Основные результаты и выводы 1. Предложена и апробирована методика расчёта колебательных спектров молекулярных соединений (Ura, Thy, Cyt, Ade, Gua, Pur, Im, их дейтерозамещённых, галоген- и тиозамещённых) в разных фазовых состояниях. Дана полная теоретическая интерпретация (включая обертоны и составные тона) ИК спектра изолированного Ura и колебательных (ИК и КР) спектров поликристаллического Ade-N9H (модель тетрамера).
2. Предложена и апробирована методика определения изменений таутомерного состава в электронно-возбуждённых состояниях. Даны практические рекомендации построения структурно-динамических моделей молекул в электронновозбуждённых состояниях. Выполнены расчёты электронно-колебательных спектров первых двух n-p* и p-p* переходов Ura, Thy, Cyt (амино-оксо и аминогидрокси форм), Pur и Ade (Pur-N7Н, Pur-N9Н и Ade-N7Н, Ade-N9Н). Показано, что для пиримидиновых ОНК анализ таутомерного состава методами электронноколебательной спектроскопии возможен начиная с первого возбуждённого состояния, а для пуриновых - со второго.
3. Изучено влияние водородных связей на колебательные и электронные спектры пар ОНК в разных фазовых состояниях. Рассмотрено влияние водородных связей на колебательные спектры комплементарных пар Ade-Thy, Gua-Cyt, Ade-Ura в зависимости от их образования по Уотсону-Крику и Хугстину. Показано, что в разных фазовых состояниях колебательные спектры комплементрных пар являются практически суперпозицией спектров отдельных фрагментов (Gua, Cyt, Ade, Thy и Ura), т.е. в паре фрагменты выступают как мало связанные, почти независимые.
4. Установлено, что экспериментальный спектр изолированного цитозина является смесью спектров четырёх молекулярных структур - канонической амино-оксо таутомерной формой Cyt и его трёх таутомеров, а именно: цис-, транс-аминогидрокси и цис-имино-оксо форм. Установлено, что колебательные ИК спектры Pur и Ade являются суперпозицией спектров таутомеров Pur-N7H, Pur-N9H и AdeN7H, Ade-N9H с доминированием таутомерных форм, протонированных по положению N9. Устновлено, что в поликристаллическом состоянии существует только одна таутомерная форма Рur-N7H, а в водном растворе, так же как и в изолированном состоянии, - обе таутомерные формы Рur-N7H и Рur-N9H. Устновлено, что в водном растворе существует смесь таутомерных форм Gua с преобладанием в среде с pH<0 таутомера N9H, а в среде с pH=11 - таутомера N7H.
5. Установлено, что при электронном возбуждении происходит таутомерное превращение Uraо321 (цис изомер 2-гидрокси,4-оксо таутомерной формы). Показана (на примере имидазола) возможность исследования внутримолекулярного механизма переноса протона методами колебательной и электронной спектроскопии.
6. Установлено, что, перенос протона в комплементарных парах связан с образованием цвиттер-ионных таутомерных форм ОНК. Предпочтительность образования комплементарных пар по какой-либо модели (например, по Уотсону-Крику или Хугстину) связана с образованием в них только одного локального центра для переноса протона. Наличие двух локальных центров в парах Gua-Cyt и Ade-Thy значительно уменьшает вероятность образования редких таутомерных форм в основном состоянии.
7. Проанализированы динамические пикосекундные спектры Thy и Cl-Ura. Установлено, что в водном растворе существует несколько каналов туннелирования протона, зависящих от рН среды и отстоящих друг от друга на ~1 ккал. Механизм переноса протона, который в свою очередь зависит от рН среды, может происходить как с переносом одного протона (образование цвиттер-ионных форм), так и с одновременным переносом двух протонов вдоль водородных связей.
8. Разработан и апробирован новый полуэмпирический метод оценки таутомерного состава молекулярных соединений на основе расчёта и анализа параметров таутомерного равновесия и стабильности, при вычислении которых учитывается механизм реакции и те структурные изменения, которые происходят в молекуле при переносе протона. Метод позволяет прогнозировать таутомерный состав вещества и определять путь таутомерного превращения при внутри- и межмолекулярном механизме переноса протона. Установлено, что для 2S,4S-Ura возможно попарное внутримолекулярное таутомерное превращение 2S,4S-Uraо121о2141. Данный таутомерный состав подтверждён расчётами спектров ИК и РКР.
9. Предложен метод расчёта относительных констант диссоциации ОНК в водном растворе и определена температурная зависимость от рН в интервале от 0 до 50 С.
Установлено, что одной из причин образования комплементарных пар как канонических, так и редких таутомерных форм является протолитическое равновесие сопряжённых ОНК.
Список цитируемой литературы 1. Зенгер В. Принципы структурной организации нуклеиновых кислот. - М.: Мир.
1987. - 854 с.
2. Elguero J., Marzin C., Katritzky A.R., Linda P. The tautomerism of heterocycles. - New York: Academic Press. 1976. - 655 p.
3. Jeffrey G.A., Saenger W. Hydrogen Bonding in Biological Structures. - Berlin, Germany: Springer. 1991. - 569 p.
4. Волькенштейн М.В., Ельяшевич М.А., Степанов Б.И. Колебания молекул. Т. 1,2. - М.-Л.: ГИИТЛ. 1949. - 1200 с.
5. Свердлов Л.М., Ковнер М.А., Крайнов Е.П. Колебательные спектры многоатомных молекул. - Л.: Наука. 1970. - 559 с.
6. Gribov L.A., Orville-Thomas W.J. Theory and methods of calculation of molecular spectra. - Chrichester. N.Y.: Wiley. 1988. - 636 p.
7. Попл Дж. Квантово-химические модели. // УФН. 2002. Т. 172. № 3. С. 349-356.
8. Кон В. Электронная структура вещества - волновые функции и функционалы плотности. // УФН. 2002. Т. 172. № 3. С. 336-348.
9. Frisch M.J., Trucks G.W., Schlegel H.B. et al. Gaussian Inc., Pittsburgh PA (2003).
10. Грибов Л.А., Баранов В.И. Теория и методы расчёта молекулярных процессов:
спектры, химические превращения и молекулярная логика. - М.: КомКнига. 2006.
- 480 с.
Основные публикации по теме диссертации 1. Баранов В.И., Тен Г.Н. (1985) Расчёт нормальных колебаний пиридина. Известия ТСХА, Вып. 2, 168-172.
2. Баранов В.И., Тен Г.Н. (1985) Расчёт нормальных колебаний молекул пиразина и пиримидина. Известия ТСХА, Вып. 3, 183-188.
3. Баранов В.И., Тен Г.Н. (1986) Применение метода гибридных орбиталей для определения изменений валентных углов молекул при возбуждении. Известия ТСХА, Вып. 3, 180-185.
4. Тен Г.Н., Ковалёв И.Ф., Базов В.П., Харченко В.Г. (1986) Спектральнолюминесцентные свойства некоторых солей пирилия и тиопирилия. Журнал прикладной спектроскопии, 45, 949-953.
5. Баранов В.И., Тен Г.Н. (1990) Расчёт электронно-колебательных спектров молекул метилзамещённых глиоксаля и пиримидина. Журнал прикладной спектроскопии, 52, 76-81.
6. Тен Г.Н., Нечаев В.В., Березин В.И., Баранов В.И. (1997) Расчёт нормальных колебаний аденина и его дейтерозамещённых. Журнал структурной химии, 38, 324333.
7. Тен Г.Н., Нечаев В.В., Березин В.И., Баранов В.И. (1997) Расчёт электронноколебательных спектров молекулы аденина. Журнал структурной химии, 38, 334344.
8. Бурова Т.Г., Тен Г.Н., Березин В.И. (1999) Квантово-механический расчёт спектров резонансного комбинационного рассеяния аденина. Оптика и спектроскопия, 87, 397-407.
9. Bourova T., Ten G., Berezin V. (1999) Theoretical analysis of intensity distribution in Raman and resonance Raman spectra of biological molecules. Journal of molecular structure, 480-481, 253-261.
10. Bourova T., Ten G., Andreeva S., Berezin V. (2000) Theoretical analysis of Raman and resonance Raman spectra of simple bases of nucleic acids. Journal of Raman Spectroscopy, 31, 827-836.
11. Бурова Т.Г., Тен Г.Н., Андреева С.Е. (2000) Квантово-механический анализ спектров резонансного комбинационного рассеяния молекулы урацила. Оптика и спектроскопия, 89, 228-233.
12. Тен Г.Н., Баранов В.И. (2001) Колебательная структура спектров поглощения и модели молекул HNO и DNO в возбуждённом состоянии. Журнал прикладной спектроскопии, 68, 132-137.
13. Тен Г.Н., Бурова Т.Г., Баранов В.И. (2001) Анализ ИК спектров и водородных связей урацила и N1N3-дейтероурацила. Журнал структурной химии, 42, 666-676.
14. Тен Г.Н., Нечаев В.В., Баранов В.И. (2002) Структура молекулы биацетила в возбуждённом состоянии и анализ спектров поглощения и флуоресценции. Оптика и спектроскопия, 92, 418-425.
15. Бурова Т.Г., Тен Г.Н., Кучерова В.В. (2003) Квантово-механический расчёт распределения интенсивностей в спектрах резонансного комбинационного рассеяния молекулы тимина. Оптика и спектроскопия, 95, 29-33.
16. Бурова Т.Г., Тен Г.Н., Кучерова В.В. (2004) Квантово-механический расчёт распределения интенсивностей в спектрах резонансного комбинационного рассеяния молекулы цитозина. Оптика и спектроскопия, 97, 1-4.
17. Тен Г.Н., Бурова Т.Г., Баранов В.И. (2004) Исследование таутомерных форм пурина методами колебательной спектроскопии и резонансного комбинационного рассеяния. I. Определение таутомерных форм пурина в разных фазовых состояниях.
Известия вузов. Физика, №6, 47-59.
18. Бурова Т.Г., Тен Г.Н., Кучерова В.В. (2004) Исследование таутомерных форм пурина методами колебательной спектроскопии и резонансного комбинационного рассеяния. II. Квантово-механический расчёт спектров резонансного комбинационного рассеяния таутомеров пурина. Известия вузов. Физика, №7, 33-36.
19. Тен Г.Н., Баранов В.И. (2004) Исследование таутомерии нуклеиновых оснований методами электронно-колебательной спектроскопии. Журнал прикладной спектроскопии, 71, 703-711.
20. Тен Г.Н., Баранов В.И. (2004) Анализ электронно-колебательных спектров урацила, тимина и цитозина. Оптика и спектроскопия, 97, 1-9.
21. Бурова Т.Г., Тен Г.Н., Кучерова В.В. (2004) Квантово-механический расчёт распределения интенсивностей в спектрах резонансного комбинационного рассеяния молекулы гуанина. Оптика и спектроскопия, 97, 768-771.
22. Тен Г.Н., Бурова Т.Г., Баранов В.И. (2005) Анализ водородных связей по ИК спектрам тимина и N1N3-дейтеротимина. Журнал прикладной спектроскопии, 72, 99105.
23. Тен Г.Н., Баранов В.И. (2005) Расчёт и анализ ИК спектров цитозина в разных фазовых состояниях. Журнал прикладной спектроскопии, 72, 149-156.
24. Тен Г.Н., Бурова Т.Г., Баранов В.И. (2005) Расчёт спектров комбинационного рассеяния и определение структуры гуанина в поликристаллическом состоянии и водном растворе. Журнал структурной химии, 46, 1032-1040.
25. Бурова Т.Г., Тен Г.Н., Анашкин А.А. (2005) Квантово-механический расчет распределения интенсивностей в спектрах резонансного комбинационного рассеяния тиозамещенных урацила. Оптика и спектроскопия, 99, 737-741.
26. Тен Г.Н., Бурова Т.Г., Баранов В.И. (2006) Расчёт и интерпретация ИК и РКР спектров 5-галогензамещённых урацила. Журнал прикладной спектроскопии, 73, 437442.
27. Тен Г.Н., Бурова Т.Г., Баранов В.И. (2007) Определение таутомерных структур тиозамещённых урацила методами ИК и РКР спектроскопии. Журнал структурной химии, 48, 482-490.
28. Тен Г.Н., Бурова Т.Г., Баранов В.И. (2007) О механизме процесса переноса протона в имидазоле. Журнал структурной химии, 48, 674-685.
29. Тен Г.Н., Баранов В.И. (2007) Исследование таутомерного равновесия оснований нуклеиновых кислот в водном растворе. Журнал структурной химии, 48, 934-941.
30. Бурова Т.Г., Тен Г.Н., Анашкин А.А. (2008) Квантово-механический расчёт распределения интенсивностей в спектрах резонансного комбинационного рассеяния пары гуанин-цитозин. Оптика и спектроскопия, 104, 737-742.
31. Бурова Т.Г., Тен Г.Н., Анашкин А.А. (2008) Квантово-механический расчёт относительных интенсивностей линий в спектрах резонансного комбинационного рассеяния молекулярных пар аденин-тимин и аденин-урацил. Оптика и спектроскопия, 104, 731-736.
32. Тен Г.Н., Баранов В.И. (2008) Проявление внутримолекулярного переноса протона в имидазоле в электронно-колебательном спектре. Журнал прикладной спектроскопии, 75, 164-169.
33. Тен Г.Н., Баранов В.И. (2009) Анализ пикосекундных спектров флуоресценции таутомеров тимина и 5-хлорурацила - расчёт времени жизни в водных растворах с разными рН. Журнал структурной химии, 50, 96-102.
34. Тен Г.Н., Бурова Т.Г., Баранов В.И. (2009) Расчёт и анализ колебательных спектров комплементарных пар аденин-тимин, гуанин-цитозин и аденин-урацил в конденсированном состоянии. Журнал прикладной спектроскопии, 76, 84-92.
35. Тен Г.Н., Бурова Т.Г., Баранов В.И. (2006) Вибронные спектры и структура возбуждённых состояний многоатомных молекул. // Известия Саратовского университета. Серия Физика, 6, Вып. 1д2, 41-59.
36. Бурова Т.Г., Тен Г.Н. (2007) Исследование оснований нуклеиновых кислот методами спектроскопии комбинационного рассеяния. // Известия Саратовского университета. Серия Физика, 8, Вып 1д2, 3-29.
37. Тен Г.Н., Баранов В.И. (1985) Расчёт тонкоструктурных электронноколебательных спектров многоатомных молекул. Учёт изменений валентных углов. IX Всесоюзное совещание по квантовой химии. Иваново, с. 27.
38. Bourova T., Ten G., Berezin V. (1998) Theoretical analysis of intensity distribution in Raman and resonance Raman spectra of biological molecules XXIV European Congress on Molecular Spectroscopy. Czech Republic, Prague, p. 49.
39. Bourova T., Ten G., Andreeva S. (1999) Quantum-mechanical calculation of intensity distribution in resonance Raman spectrum of purene. Proc. Of XIV International SchoolSeminar "Spectroscopy of Molecules and crystals". Odessa, p.227.
40. Bourova T., Ten G. (2001) New mathematical aspects of quantum-mechanical analysis of Raman and resonance Raman spectra of polyatomic molecules. Application to biological molecules. I. Thymine. International Conference on Advanced Vibrational Spectroscopy. Turku, Finland, p.38.
41. Тен Г.Н., Бурова Т.Г. (2001) Спектроскопическое исследование структурной модели поликристаллического урацила. 2-я Всерос. конф. УМолекулярное моделированиеФ, 24-66 апреля. Москва, с. 110.
42. Тен Г.Н., Бурова Т.Г. (2001) Анализ колебательных спектров и водородных связей пурина. Проблемы оптической физики. Материалы 4-й Международной молодёжной научной школы по оптике, лазерной физике и биофизике, 3-6 октября. Саратов, с. 107-109.
43. Ten G., Kucherova V., Bourova T. (2003) Quantum-mechanical analysis of RRS of thymine and uracil molecules. Proc. XVI International School-Seminar "Spectroscopy of molecules and crystals. Sevastopol. Ukraine, p.219.
44. Burova T., Ten G., Kucherova V. (2004) Quantum-mechanical analysis of RRS of biological molecules. XXVII European Congress on Molecular spectroscopy. Krakow. Poland, p.359.
45. Тен Г.Н., Минор А.А., Баранов В.И. Определение таутомерных форм нуклеиновых оснований по вибронным спектрам высоковозбуждённых оснований. 4-я Всерос.
конф. УМолекулярное моделированиеФ, 12-15 апреля. Москва, с. 107.
46. Тен Г.Н., Бурова Т.Г., Баранов В.И. (2007) Исследование таутомерии оснований нуклеиновых кислот в разных фазовых состояниях методами электронноколебательной спектроскопии. Национальная конференция Информационновычислительные технологии в решении фундаментальных научных проблем и прикладных задач химии, биологии, фармацевтики и медицины. Сборник материалов ИВТН-2007. М., 2007, с.14; Тен Г.Н., Баранов В.И. (2007) Исследование таутомерии оснований нуклеиновых кислот в разных фазовых состояниях методами ИК и РКР спектроскопии. Национальная конференция "Информационно-вычислительные технологии в решении фундаментальных научных проблем и прикладных задач химии, биологии, фармацевтики и медицины". Сборник материалов ИВТН-2007. М., 2007, с.14;
/2007/biomedchem/enter/paper.php?p=648. Burova T.G., Ten G.N., Anashkin A.A. (2008) Quantum-mechanical calculation of the intensity distribution in resonance Raman spectra of derivativies of uracil. European congress on molecular spectroscopy. Croatia, p.190.
49. Burova T.G., Ten G.N., Anashkin A.A. (2008) Quantum-mechanical analysis of the intensity distribution in resonance Raman and two-photon absorption spectra of nucleic acid base pairs. European congress on molecular spectroscopy. Croatia, p.184.
50. Burova T.G., Ten G.N., Anashkin A.A. (2008) Quantum-mechanical calculation of the intensity distribution in resonance Raman spectra of nucleic acid duplex structures. Proceedings of 21 International conference on Raman spectroscopy. London, Great Britain, p.511-513.
Тен Галина Николаевна Теоретический анализ таутомерного состава и таутомерных превращений оснований нуклеиновых кислот методами оптической спектроскопии Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора физ.-мат. наук Подписано в печать.. 2009 г. Заказ № ________ Формат 60х90/16. Усл. печ. л. 2. Тираж 100 экз.
Типография Саратовского государственного университета
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике