Комплекси пероксиду водню і фосфатної групи ДНК в квантово-хімічних розрахунках
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
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.
Цитування
The Possibility of Blocking the Process of DNA Base Pairs Opening by Hydrogen Peroxide
Zdorevskyi O. O. & Volkov S. N. (2019) Ukrainian Journal of Physics
Crossref
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
