Комплекси пероксиду водню і фосфатної групи ДНК в квантово-хімічних розрахунках

  • D. V. Piatnytskyi Інститут теоретичної фізики ім. М.М. Боголюбова НАН України http://orcid.org/0000-0002-8809-005X
  • S. N. Volkov Інститут теоретичної фізики ім. М.М. Боголюбова НАН України
Ключові слова: пероксид водню, фосфатна група ДНК, стабільні комплекси, квантово-хімічні розрахунки

Анотація

Актуальність. Молекули пероксиду водню (Н2О2) можуть утворюватись в процесі радіолізу в водному середовищі після опромінення. Висунута гіпотеза [1] про можливу роль пероксиду водню в блокуванні процесів неспецифічного впізнавання ДНК білками. Як один з найбільш довго живучих продуктів, молекули Н2О2 можуть дифундувати на значні відстані у внутрішньоклітинному середовищі, досягати ДНК в ядрі клітини і утворювати комплекси з фосфатними групами ДНК. Для підтвердження гіпотези в роботі виконано квантово-хімічні розрахунки структури комплексів молекули пероксиду водню з атомними групами остову ДНК.

Мета роботи. Визначення оптимальної геометрії та енергії утворення стабільних комплексів пероксиду водню з фосфатною групою ДНК. Провести порівняльний аналіз зв’язування пероксиду водню та молекули води з фосфатною групою на основі квантово-хімічних розрахунків.

Матеріали і методи. Розглядаються комплекси, що складаються з фосфатної групи, молекул пероксиду водню та води, протиіонів натрію. Виконано оптимізацію просторових геометрій комплексів та розрахунок енергій з використанням методів квантової хімії в рамках пакету Gaussian 03: HF/6-31+G(d,p), MP2/6-31+G(d,p), B3LYP/6-31+G(d,p).

Результати. Показано, що молекула пероксиду водню може утворювати комплекси з фосфатною групою не гірше за молекулу води, особливо в присутності протиіону натрію Na+. Підтверджені результати розрахунків комплексоутворення з використанням методу атом-атомних потенціальних функцій. Показано, що присутність протиіону натрію суттєво впливає на геометрію комплексу пероксиду водню з фосфатною групою. Проведені розрахунки вказують на можливість зміни геометрії молекули пероксиду водню у процесі комплексоутворення.

Висновки. Отримані результати підтверджують можливість утворення стабільних комплексів пероксиду водню з фосфатною групою ДНК. Тривале знаходження молекули Н2О2 поряд з остовом ДНК може блокувати процеси нуклеїново-білкового впізнавання, а також призвести до пошкодження макромолекули внаслідок розпаду пероксиду на ОН-радикали безпосередньо біля подвійної спіралі.

Завантаження

Дані завантаження ще не доступні.

Біографії авторів

D. V. Piatnytskyi, Інститут теоретичної фізики ім. М.М. Боголюбова НАН України

 вул. Метрологічна, 14 б, Київ, 03143, Україна

S. N. Volkov, Інститут теоретичної фізики ім. М.М. Боголюбова НАН України

вул. Метрологічна, 14 б, Київ, 03143, Україна

Посилання

Piatnytskyi, D. V., Zdorevskyi, O. O., Perepelytsya, S. M., & Volkov, S. N. (2015). Understanding the mechanism of DNA deactivation in ion therapy of cancer cells: hydrogen peroxide action. Eur. Phys. J. D, 69, 255. doi: 10.1140/epjd/e2015-60210-9.

Le Caer, S. (2011). Water Radiolysis: Influence of oxide surfaces on H2 production under ionizing radiation. Water, 3, 235–253. doi: 10.3390/w3010235.

Kreipl, M. S., Friedland, W., & Paretzke, H. G. (2009). Time- and space-resolved Monte Carlo study of water radiolysis for photon, electron and ion irradiation. Radiat. Environ. Biophys, 48, 11–20. doi: 10.1007/s00411-008-0194-8.

Uehara, S., & Nikjoo, H. (2006). Monte Carlo simulation of water radiolysis for low-energy charged particles. J. Radiat. Res, 47, 69–81. doi: 10.1269/jrr.47.69.

Manda, G., Nechifor, M. T., & Neagu, T.-M. (2009). Reactive oxygen species, cancer and anti-cancer therapies. Current Chemical Biology, 3, 22–46. doi: 10.2174/2212796810903010022.

Timofeev-Ressovsky, N. W., Savich, A. V., & Shal’nov, M. I. (1981). Vvedenie v molekulyarnuyu radiobiologiyu: fiziko-himicheskie osnovyi. Moskva: Meditsina. (in Russian).

Fenton, H. J. H. Oxidation of tartaric acid in presence of iron. (1894). J. Chem. Soc., Trans, 65, 899–911. doi: 10.1039/CT8946500899.

Kraft, G. Tumor therapy with heavy charged particles. (2000). Progress in Particle and Nuclear Physics, 45, S473–S544. doi: 10.1016/S0146-6410(00)00112-5.

Solov’yov, A. V., Surdutovich, E., Scifoni, E., Mishustin, I., & Greiner, W. (2009). Physics of ion beam cancer therapy: A multiscale approach. Phys. Rev. E. 79, 011909. doi: 10.1103/PhysRevE.79.011909.

Surdutovich, E., Yakubovich, A. V., & Solov’yov, A. V. Biodamage via shock waves initiated by irradiation with ions. (2013). Sci. Rep, 3, 1289. doi: 10.1038/srep01289.

Krämer, M., & Durante, M. Ion beam transport calculations and treatment plans in particle therapy. (2010). Eur. Phys. J. D, 60, 195–202. doi: 10.1140/epjd/e2010-00077-8.

Parrow, N. L., Leshin, J. A., & Levine, M. Parenteral ascorbate as a cancer therapeutic: a reassessment based on pharmacokinetics. (2013). Antioxidants & Redox Signaling, 19(17), 2141–2156. doi: 10.1089/ars.2013.5372.

Chen, Q., Espey, M. G., Krishna, M. C., Mitchell, J. B., Corpe, C. P., Buettner, G. R., ... Levine, M. Pharmacologic ascorbic acid concentrations selectively kill cancer cells: action as a pro-drug to deliver hydrogen peroxide to tissues. (2005). PNAS, 102(38), 13604–13609. doi: 10.1073/pnas.0506390102.

Gaussian 03, Revision C.02. Frisch, M. J., Trucks, G. W., Schlegel, H. B., Scuseria, G. E., Robb, M. A., Cheeseman, J. R., Montgomery, Jr. J. A., Vreven, T., Kudin, K. N., Burant, J. C., Millam, J. M., Iyengar, S. S., Tomasi, J., Barone, V., Mennucci, B., Cossi, M., Scalmani, G., Rega, N., Petersson, G. A., Nakatsuji, H., Hada, M., Ehara, M., Toyota, K., Fukuda, R., Hasegawa, J., Ishida, M., Nakajima, T., Honda, Y., Kitao, O., Nakai, H., Klene, M., Li, X., Knox, J. E., Hratchian, H. P., Cross, J. B., Bakken, V., Adamo, C., Jaramillo, J., Gomperts, R., Stratmann, R. E., Yazyev, O., Austin, A. J., Cammi, R., Pomelli, C., Ochterski, J. W., Ayala, P. Y., Morokuma, K., Voth, G. A., Salvador, P., Dannenberg, J. J., Zakrzewski, V. G., Dapprich, S., Daniels, A. D., Strain, M. C., Farkas, O., Malick, D. K., Rabuck, A. D., Raghavachari, K., Foresman, J. B., Ortiz, J. V., Cui, Q., Baboul, A. G., Clifford, S., Cioslowski, J., Stefanov, B. B., Liu, G., Liashenko, A., Piskorz, P., Komaromi, I., Martin, R. L., Fox, D. J., Keith, T., Al-Laham, M. A., Peng, C. Y., Nanayakkara, A., Challacombe, M., Gill, P. M. W., Johnson, B., Chen, W., Wong, M. W., Gonzalez, C., and Pople, J. A., Gaussian Inc., Wallingford CT, 2004.

Suenaga, M. Facio: new computational chemistry environment for PC GAMESS. (2005). Journal of Computer Chemistry, Japan, 4(1), 25–32. doi: 10.2477/jccj.4.25.

Boys, S. F., & Bernardi, F. The calculation of small molecular interactions by the differences of separate total energies. Some procedures with reduced errors. (1970). Mol. Phys, 19(4), 553–566. doi: 10.1080/00268977000101561.

Gonzalez, L., Mo, O., & Yanez, M. High-level ab initio versus DFT calculations on (H2O2)2 and H2O2-H2O complexes as prototypes of multiple hydrogen bond systems. (1997). J. Comput. Chem, 18, 1124–1135. doi: 10.1002/(SICI)1096-987X(19970715)18:9<1124::AID-JCC2>3.0.CO;2-T.

Опубліковано
2018-05-15
Цитовано
0 статей
Як цитувати
Piatnytskyi, D., & Volkov, S. (2018). Комплекси пероксиду водню і фосфатної групи ДНК в квантово-хімічних розрахунках. Біофізичний вісник, 1(39), 5-14. https://doi.org/10.26565/2075-3810-2018-39-01
Розділ
Молекулярна біофізика