Intramolecular hydrogen bonds and structural nonrigidity of pyrimidine nucleosides

Optimal structures and intramolecular web of H-bonds of cytidinc, undine, thymidine, 1heir deoxyribo-analogues and some O5'-, O3'-deutero derivatives were studied by means of MNDOl H semiempirical quantum-chemical method. Effect of the intramolecular H-bonda on the slereochemical structure of nucleosides (particularly, on the stabilization of anti conformation), on the physico-chemical characteristics of nucleoside molecules (heat of formation, dipolc moment, first adiabatic ionization potential and the charge distribution), and on the dynamical characteristics of pyrimidine nucieosides (barriers of the interconvertion, frequencies of the torsional vibrations) was elucidated. The intramolecular 11-bonds in polynudeolides and their influence on the nucleic acid architecture, and nonlinear dynamic properties arc discussed.Оптимізовані структури цитидину, уридину і тимідину, їхніх дезоксирибо-аналогів та деяких О5', О3'-депротонованих похідних отримані за допомогою напівемпіричного квантовохімічного методу MNDO/H. Виявлено сітки внутрішньомолекулярних водневих зв'язків піримідинових нуклеозидів та вивчено їхній вплив на. стереохімічну структуру молекул (зокрема, на стабільність anti-конформації), фізико-хімічіні параметри /теплоту утворення, дипольний момент, потенціал, іонізації та розподіл зарядів), а також на динамічні характеристики піримідинових нуклеозидів (бар'єри інтер конверсії, частоти торсійних коливань). Обговорюється присутність внушріишьомолекулярних водневих зв'язків у полі нуклеоіпидах та їхнє значения у формуванні, структури та нелінійної динаміки нуклеїнових кислот.Оптимизированные структуры цитидина, уридина и тимидина, их дезоксирибо аналогов и некоторых О5'-, О3’ -депротонированных производных получены с помощью полуэмпирического квантовохиминеского метода. MNDO/H. Обнаружены сетки внутримолекулярных водородных связей пиримидиновых нуклеозидов и исследовано их влияние на стереохимическую структуру молекул с в частности, на стабильность anti-конформации), физико-химические параметры (теплоту образования, дипольный момент, потенциал ионизации и распределение зарядов), а также на. динамические характеристики пиримидииовых пуклеозидов (барьеры интерконверсии, частоты торсионых колебании). Обсуждается наличие внутримолекулярных водородных связей в полинуклеотидах и их значение в формировании структуры и нелинейной динамики нуклеиновых кислот

The molecular mechanism of the spontaneous substitution mutations caused by tautomerism of bases: Post Hartree-Fock study of the DNA rare base pairs

Gas-phase gradient optimization of the DNA rare base pairs containing lactam-lactim and amino-imino tautomers was carried oat using the Hartree-Fock (HF), Density Functional Theory (DFT) and the second-order Moller-Plesset perturbation (MP2) methods at the 6-31G(d, p) basis set. It is shown that full geometry optimization at the MP2 level leads to an intrinsically nonplanar propeller-twisted and buckled geometry of G*-T and G-T* base pairs. The nonplanarity of the pairs is caused by pyramidalization of the amino nitrogen atoms, which is underestimated by the HF and DFT methods. This justifies the importance of geometry optimization at the MP2 level for obtaining reliable prediction of the charge distribution, molecular dipole moments and geometrical structure of the base pairs. The comparison of the formation energies for the rare base pairs shows the energetical preference of the G*-T and A-C* base pairs as compared with the G-T* and A*-C ones, respectively. It is detected that the stabilization energies of the G-T* and A*-C base pairs describing the interaction between monomers are essentially larger than those of the G*-T and A-C* base pairs, respectively. An analysis of the decomposition members for molecular HF interaction energies by Morokuma-Kitaura (MK) and the Reduced Variational Space (RVS) methods showed that the nature of a larger stability of the G-T* and A*-C base pairs as compared to the G*-T and A-C* ones is due to the electrostatic interactions by 60–65 % and the polarization and charge transfer interactions by 35–40 %.Здійснено газофазну градієнтну оптимізацію рідкісних пар основ ДНК, які включають у себе лактам-лактимні і аміно-імінні таутомери, за допомогою методу Хартрі-Фока (ХФ), теорії функціонала густини (ТФГ) та другого порядку теорії збурень Моллера-Плессета (МП2) у базисі 6-31G(d, р). Пока­зано, що повна оптимізація геометрії на рівні МП2 веде до внутрішньо неплоскої пропелер-обертальної і вигнутої гео­метрії пар основ G*-T і G-T*. Неплощинність пар обумовлена пірамідалізацією атомів азоту аміногрупи, яка недооціню­ється методами ХФ і ТФГ. Це виправдовує важливість оптимізації геометрії на рівні МП2 для отримання помірко­ ваного передбачення розподілу зарядів, молекулярних диполь­них моментів і геометричної структури пар основ. Порів­няння енергій формування рідкісних пар основ демонструє енергетичну перевагу пар основ G*-T і А-С* стосовно пар G-T* і А*-С. Виявлено, що величини енергій стабілізації пар основ G-T* і А*-С, які описують взаємодію між мономерами, значно більші за аналогічні значення пар основ G*-T і А-С* відповідно. Використовуючи аналіз членів розкладання ХФ енергій молеку­лярної взаємодії методами Морокуми-Кітаури і зменшеного варіаційного простору, знайдено, що природа більшої стабіль­ності пар основ G-T* і А*-С порівняно з парами G*-T і А-С* на 60–65 % обумовлена електростатичними взаємодіями і на 35–40 % — поляризаційними взаємодіями і взаємодіями з перенесенням заряду відповідно.Gas-phase gradient optimization of the DNA rare base pairs containing lactam-lactim and amino-imino tautomers was carried oat using the Hartree-Fock (HF), Density Functional Theory (DFT) and the second-order Moller-Plesset perturbation (MP2) methods at the 6-31G(d, p) basis set. It is shown that full geometry optimization at the MP2 level leads to an intrinsically nonplanar propeller-twisted and buckled geometry of G*-T and G-T* base pairs. The nonplanarity of the pairs is caused by pyramidalization of the amino nitrogen atoms, which is underestimated by the HF and DFT methods. This justifies the importance of geometry optimization at the MP2 level for obtaining reliable prediction of the charge distribution, molecular dipole moments and geometrical structure of the base pairs. The comparison of the formation energies for the rare base pairs shows the energetical preference of the G*-T and A-C* base pairs as compared with the G-T* and A*-C ones, respectively. It is detected that the stabilization energies of the G-T* and A*-C base pairs describing the interaction between monomers are essentially larger than those of the G*-T and A-C* base pairs, respectively. An analysis of the decomposition members for molecular HF interaction energies by Morokuma-Kitaura (MK) and the Reduced Variational Space (RVS) methods showed that the nature of a larger stability of the G-T* and A*-C base pairs as compared to the G*-T and A-C* ones is due to the electrostatic interactions by 60–65 % and the polarization and charge transfer interactions by 35–40 %

Dependence of DNA persistence length on ionic conditions

DNA functioning requires both compaction for packaging into chromatin or virus particles and accessibility for looping to control gene expression. The persistence length (P), closely related to the bending rigidity of double-stranded DNA, is highly relevant to these processes. In spite of numerous experimental and theoretical studies, a general agreement on the dependence of DNA persistence length on salt concentration has not been established and clear understanding about the fundamental forces responsible for DNA stiffness is still lacking. Here we describe a dependence of P vs Na⁺ concentration based on several studies and discuss the impact of different factors, including DNA G- and A-tracts, on DNA persistence length.Функціонування ДНК включає як значне стиснення при утворенні хроматину або пакуванні у вірусні частинки, так і утворення петель при контролі генної експресії. Персистентна довжина (Р), що характеризує жорсткість дволанцюгової ДНК на вигинання, має безпосереднє відношення до цих процесів. Незважаючи на численні експериментальні та теоретичні дослідження персистентної довжини, загальна думка про характер її залежності від концентрації солі нині так і не визріла – немає чіткого розуміння природи фундаментальних сил, які обумовлюють жорсткість ДНК. В даному короткому огляді ми наводимо на основі літературних даних узагальнену залежність персистентної довжини ДНК від концентрації солі і обговорюємо вплив на неї різних факторів. Зокрема, ми обговорюємо структурні особливості G- та А-трактів ДНК.Функционирование ДНК включает как значительное сжатие при образовании хроматина или упаковке в вирусные частицы, так и образование петель при контроле генной экспрессии. Персистентная длина (Р), характеризующая жесткость двухцепочечной ДНК на изгиб, имеет непосредственное отношение к этим процессам. Несмотря на многочисленные экспериментальные и теоретические исследования персистентной длины, общее мнение о характере ее зависимости от концентрации соли в настоящее время не установлено и нет ясного понимания природы фундаментальных сил, обуславливающих жесткость ДНК. В данном коротком обзоре мы приводим на основании литературных данных обобщенную зависимость персистентной длины ДНК от концентрации соли и обсуждаем влияние на нее разных факторов. В частности, мы обсуждаем структурные особенности G- и A-трактов ДН

Phylogenetic study on structural elements of HIV-1 poly(A) region. 2. USE domain and TAR hairpin

Aim Phylogenetic study on structural elements in the poly(A) region of human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1), in particular the major upstream sequence element (USE), which stimulates polyadenylation of HIV-1 transcript, and the TAR (trans-activation response) hairpin, which juxtaposes spatially the AAUAAA and USE signals. Methods. The secondary structure of these elements has been predicted by UNA Fold program. Results. The structure of USE domain and TAR hairpin has been analysed in 1679 HIV-1 genomes and 17 genomes of simian immunodeficiency virus SIVcpzPtt. We found 376 and 588 different sequences for these elements, respectively, and revealed the most frequent base changes and subtypeand country-specific mutations. Only 43 % of HIV-1 isolates contain variants of the USE domain which occur with a frequency 5 % (the main variants) and 35 % of isolates contain main variants of the TAR hairpin. We found that the SIV USE domain and TAR hairpin most closely resemble those found in HIV-1 genomes of A/G-containing subtypes. Conclusions. The results of our large-scale phylogenetic study support a hypothesis on the interaction between tRNA3Lys and the 3' end of HIV-1 genomic RNA and a controversial supposition of HIV-1 genome dimerization by the TAR-TAR kissing mechanism. Since the TAR hairpin is a target for developing antiviral drugs based on the inhibition of signal elements, the data on specific structural features of this hairpin may be useful for new antivirals design.Мета. Провести філогенетичний аналіз структурних елементів області полі(А) у про-мРНК ВІЛ-1, зокрема, основного «верхнього» елемента (USE), який стимулює поліаденілювання транскрипту ВІЛ-1, і шпильки TAR, що просторово зближує сигнали AAUAAA і USE. Методи. Передбачення вторинної структури цих елементів здійснювали за допомогою програми UNAfold. Результати. Структуру домену USE і шпильки TAR проаналізовано для 1679 геномів ВІЛ-1 групи M та 17 геномів вірусу мавп SIVcpzPtt. У геномі ВІЛ-1 ми виявили 376 і 588 різних послідовностей для домену USE і шпильки TAR відповідно, а також найчастіші мутації і мутації, специфічні для певного субтипу або країни. Лише 43 % усіх досліджених геномів ВІЛ-1 містять варіанти домену USE, які зустрічаються з частотою 5 % (основні варіанти), і 35 % геномів включають основні варіанти TAR. Встановлено також, що домен USE і шпилька TAR з геному SIVcpzPtt дуже схожі на відповідні елементи з геному ВІЛ-1 A/G-вмісних субтипів. Висновки. Результати наших широкомасштабних досліджень підтримують гіпотезу щодо взаємодії між tRNA3Lys та 3'-кінцем геномної РНК ВІЛ-1, а також спірну гіпотезу димеризації шпильки TAR через взаємодію паліндромів. Оскільки шпилька TAR є об’єктом антивірусної терапії, спрямованої на пригнічення сигнальних елементів, дані стосовно специфічних особливостей цієї шпильки можуть бути корисними для створення нових лікарських препаратів.Цель. Провести филогенетический анализ структурных элементов области поли(А) ВИЧ-1, в частности, основного «верхнего» элемента (USE), стимулирующего полиаденилирование транскрипта ВИЧ-1, и шпильки TAR, пространственно совмещающей сигналы AAUAAA и USE. Методы. Вторичная структура этих элементов предсказана программой UNAfold. Результаты. Структуры домена USE и шпильки TAR проанализированы в 1679 геномах ВИЧ-1 и 17 геномах вируса обезьян SIVcpzPtt. В геноме ВИЛ-1 мы выявили соответственно 376 и 588 различных последовательностей для домена USE и шпильки TAR, а также наиболее частые мутации и мутации, специфические для определенного субтипа или страны. Только 43 % всех исследованных геномов ВИЧ1 содержат варианты домена USE, встречающиеся с частотой 5 % (основные варианты), и 35 % геномов включают основные варианты TAR. Мы обнаружили, что домен USE и шпилька TAR в геноме SIVcpz Ptt наиболее близки по структуре к соответствующим элементам в геномах ВИЧ-1 A/G-содержащих субтипов. Выводы. Результаты наших широкомасштабных исследований свидетельствуют в пользу гипотезы взаимодействия между tRNA3Lys и 3'-концом генома ВИЧ-1, а также спорной гипотезы димеризации шпильки TAR через взаимодействие палиндромов. Поскольку шпилька TAR является объектом антивирусной терапии, направленной на подавление сигнальных элементов, данные о специфических особенностях этой шпильки могут быть полезными для создания новых лекарственных препаратов

Auxiliary elements of mammalian pre-mRNAs polyadenylation signals

Polyadenylation is one of the levels at which eukaryotic gene expression is regulated. The auxiliary elements of mammalian polyadenylation (poly(A)) signals are known to influence positively or negatively the efficiency of 3'-end processing. In this paper, we surveyed the literature on auxiliary elements of mammalian poly(A) signals. We also compiled the database of human poly(A) signals and searched it for auxiliary elements. This database contains 244 pre-mRNA sequences covering the cleavage region. Literature data and our database screen demonstrated that auxiliary elements, particularly, sequences binding Ul snRNP-specific UJ A protein, are widely presented in cellular pre-mRNAs. Besides, we analyzed our database for the availability of the polynucleotide sequences with a potential to form G-quadruplexes or i-motifs which we consider as possible auxiliary elements. Based on published experimental findings on formation of quadruplexes, the schematic structures of possible quadruplexes are proposed for several human pre-mRNAs. The structures of putative quadruplexes are oho represented for G-rich auxiliary downstream element of SV40 L poly(A) signalПоліаденілування – один з клітинних процесів, на рівні яких відбувається регуляція експресії генів. Допоміжні елементи полі(А)-сигналів про-мРНК ссавців стимулюють або при­гнічують реакцію поліаденілування, що спрямовується кор-елементами сигналів. У цій роботі ми обговорюємо структуpy і функції відомих в літературі допоміжних елементів та проводимо їхній пошук у створеній нами базі даних полі(А)-сигналів про-мРНК людини, яка містить 244 послідовності про-мРНК в області місця розщеплення. Аналіз літератури і створеної бази даних свідчить про широку поширеність у клітинних про-мРНК допоміжних елементів, зокрема послі­довностей, що зв'язують VI мяРНП-специфічний VIA білок. Окрім того, в створеній базі даних здійснено пошук послідо­вностей про-мРНК, які можуть утворювати чотирьохланцюгові структури (G-квадруплекси або і-мотиви). Ми припусти­ли, що такі структури здатні виконувати деякі функції допоміжних елементів. У роботі наведено моделі квадруплексів для фрагментів деяких про-мРНК людини, які грунту­ються на аналізі літератури, присвяченій чотирьохспіральним структурам, а також моделі G-квадруплексів для допоміж­ного G-багатого елемента полі(А)-сигналу про-мРНК SV40 L.Полиаденилирование – один из клеточных процессов, на уровне которых происходит регулирование экспрессии генов. Дополни­тельные элементы поли(А)-сигналов про-мРНК млекопитаю­щих стимулируют или ингибируют реакцию полиаденилирования, направляемую кор-элементами. В этой работе мы обсуж­даем структуру и функции известных в литературе дополни­тельных элементов и проводим их поиск в созданной нами базе данных поли(А)-сигналов про-мРНК человека, содержащей 244 последовательности про-мРНК в области места расщеп­ления. Анализ литературы и созданной базы данных указывает на широкое распространение в клеточных про-мРНК дополни­тельных элементов, в частности последовательностей, связывающих VI мяРНП-специфичный VIA белок. Кроме того, в созданной базе данных проведен поиск последовательностей про-мРНК, способных образовывать четырехцепочечные стру­ктуры (G-квадруплексы или i-мотивы). Мы предположили, что такие структуры могут выполнять некоторые функции дополнительных элементов. В работе приведены модели квад­руплексов для фрагментов некоторых про-мРНК человека, основанные на анализе литературы, посвященной четырехспиральным структурам, а также модели G-квадруплексов для дополнительного G-богатого элемента поли(А)-сигнала промРНК SV40 L

Interaction of 2'-deoxyguanosine with cis-2-butene-1,4-dial: Computational approach to analysis of multistep chemical reactions

cis-2-Butene-1,4-dial represents a microsomal metabolite of furan, an industrially important chemical found in cigarette smoke, air pollution, and also in canned or jarred food. It is expected to be a human carcinogen. Aim. Investigation an effect of cis-2-butene-1,4-dial on the 2'-deoxyguanine which is a model of DNA site. Methods. Optimization of reaction species molecular structures, spectral parameters and Gibbs free energy calculations were performed using Gaussian09 program. Systems of differential equations for kinetics generation were solved using Mathcad15 program. Results. The predicted mechanism of the reaction of cis-2-butene-1,4-dial with 2'-deoxyguanine consists of four-step process formation of four diastereomeric primary adducts and further base-mediated five-step transformation of the primary adducts to the secondary one. The reaction kinetics, which allows defining theconcentration change of any reaction species was calculated. Conclusions. Under physiological conditions the interaction between cis-2-butene-1,4-dial and 2'-deoxyguanine leads to the formation of a stable adduct which could be responsible for the furan genotoxicity.цис-2-Бутен-1,4-діаль є мікросомним метаболітом фурану – промислово важливого хімікату, виявленого в сигаретному димі, забрудненому повітрі, а також, іноді, в консервованих або банкових продуктах. Його вважають потенційним канцерогеном для людини. Мета. Дослідити вплив цис-2-бутен-1,4-діалю на 2'-де- зоксигуанозин – модельний фрагмент ДНК. Методи. Оптимізацію структури учасників реакції, розрахунки спектральних параметрів і вільної енергії Гіббса виконано в програмі Gaussian09. Системи диференційних рівнянь для отримання кінетичних даних вирішували з використанням програми Mathcad15. Результати. Прогнозований механізм реакції цис-2-бутен-1,4-діалю з 2'-дезок- сигуанозином реалізується у чотири стадії, протягом яких утворюються чотири діастереоізомерних первинних адукти, та наступної п’ятистадійної трансформації, каталізованої основами, первинних адуктів у вторинні. Розраховано кінетику реакції, що дозволяє визначати зміни концентрації будь-якого учасника реакції. Висновки. За фізіологічних умов взаємодія між цис-2-бутен-1,4-діалем і 2'-дезоксигуанозином призводить до утворення стабільного адукта, який може відповідати за генотоксичність фурану.цис-2-Бутен-1,4-диаль является микросомным метаболитом фурана – промышленно важного химиката, обнаруженного в сигаретном дыме, загрязненном воздухе, а также, иногда, в консервированных или баночных продуктах. Его считают потенциальным канцерогеном для человека. Цель. Исследовать влияние цис-2- бутен-1,4-диаля на 2'-дезоксигуанозин – модельный фрагмент ДНК. Методы. Оптимизацию структуры участников реакции, расчеты спектральных параметров и свободной энергии Гиббса выполняли в программе Gaussian09. Системы дифференциальных уравнений для получения кинетических данных решали с помощью программы Mathcad15. Результаты. Реакция цис-2-бутен-1,4- диаля c 2'-дезоксигуанозином проходит в четыре стадии с формированием четырех диастереоизомерных первичных аддуктов и последующей, катализируемой основаниями, пятистадийной трансформации первичных аддуктов во вторичные. Рассчитана кинетика реакции, что позволяет определять изменения концентрации любого участника реакции. Выводы. При физиологических условиях взаимодействие между цис-2-бутен-1,4-диалем и 2'-дезоксигуанозином приводит к образованию стабильного аддукта, который может отвечать за генотоксичность фурана

Phylogenetic study on structural elements of HIV-1 poly(A) region. 1. PolyA and DSE hairpins

Genome of human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) is highly heterogeneous. The aim of this work was a phylogenetic study on structural elements of the HIV-1 poly(A) region, in particular polyA and DSE hairpins which compose a core poly(A) site. Methods. The secondary structure of the HIV-1 core poly(A) site has been predicted by the UNAFold program. Results. The structure of the polyA and DSE hairpins has been analysed in 1679 HIV-1 genomes of group M and 18 genomes of simian immunodeficiency virus SIVcpzPtt. We found 244 and 171 different sequences for the HIV-1 polyA and DSE hairpins, respectively. However 70 % of the HIV-1 isolates studied contain one of 7 variants of the polyA hairpin which occur with a frequency 5 % (main variants) and 79 % of the isolates contain one of 7 main variants of the DSE hairpin. We also revealed subtype and country specific mutations in these hairpins. We found that the SIV polyA hairpin most closely resembles that found in HIV-1 genomes of B/C subtypes. Conclusions. The results of our large-scale phylogenetic study support some structural models of the HIV-1 5' UTR, in particular the tertiary interaction between the polyA hairpin and the matrix region in HIV-1 gRNA. Possibly, the DSE hairpin appeared in the course of viral evolution of the HIV-1 group M. An exposure of the U/GU-rich element in the apical loop of DSE hairpin could significantly increase the efficiency of pre-mRNA polyadenylation in this HIV-1 group.Геном вірусу імунодефіциту людини (ВІЛ-1) надзвичайно гетерогенний. Мета. Провести філогенетичний аналіз структурних елементів області полі(А) ВІЛ-1, зокрема, шпильок поліA і DSE, які складають основний сайт полі(А). Методи. Передбачення вторинної структури основного полі(А)-сайта здійснювали за допомогою програми UNAFold. Результати. Структуру шпильок поліA і DSE проаналізовано для 1679 геномів ВІЛ-1 групи M та 18 геномів вірусу імунодефіциту мавп SIVcpzPtt: у геномах ВІЛ-1 виявлено 244 і 171 різна послідовність шпильок поліA і DSE відповідно. Однак 70 % вивчених геномів містили один із семи варіантів шпильки поліA, які зустрічалися з частотою 5 % (основні варіанти), і 79 % ізолятів вміщують один із семи основних варіантів шпильки DSE. Виявлено також специфічні для певного субтипу або країни мутації зазначених шпильок. Встановлено, що шпилька поліA з геному SIVcpzPtt дуже схожа на таку з геному ВІЛ-1 субтипів B і C. Висновки. Результати наших широкомасштабних досліджень підтримують деякі структурні моделі 5' нетрансльованої ділянки геному ВІЛ-1, зокрема, третинну взаємодію між шпилькою поліA і областю гена матриксного білка. Шпилька DSE, можливо, утворилася у процесі еволюції ВІЛ-1 групи М. Експонування U/GU-збагаченого елемента в апікальній петлі цієї шпильки могло значно підвищити ефективність поліаденілювання про-мРНК у ВІЛ-1 цієї групи.Геном ВИЧ-1 чрезвычайно гетерогенен. Цель. Провести филогенетический анализ структурных элементов области (поли)А ВИЧ-1, в частности, шпилек полиА и DSE, составляющих основной поли(А)-сайт. Методы. Вторичная структура основного поли(А)-сайта предсказана с помощью программы UNA Fold. Результаты. Структура шпилек полиА и DSE проанализирована в 1679 геномах ВИЧ-1 группы M и 18 геномах вируса иммунодефицита обезьян SIVcpzPtt: в геномах ВИЧ-1 выявлены соответственно 244 и 171 различная последовательность шпилек полиА и DSE. Однако 70 % изученных геномов содержат один из семи вариантов шпильки полиА, встречающихся с частотой 5 % (основные варианты) и 79 % изолятов содержат один из семи основных вариантов шпильки DSE. Обнаружены также варианты шпилек, специфические для определенного субтипа или страны. Выявлено, что шпилька полиА в геноме SIVcpzPtt наиболее близка по структуре таковой в геноме ВИЧ-1 субтипов В и С. Выводы. Результаты наших широкомасштабных исследований свидетельствуют в пользу некоторых структурных моделей 5' нетранслируемой области генома ВИЧ-1, в частности, наличия третичного взаимодействия между шпилькой полиА и участком в гене матриксного белка. Шпилька DSE, возможно, образовалась в процессе эволюции ВИЧ-1 группы М. Экспонирование U/GU- богатого элемента в апикальной петле шпильки DSE могло значи- тельно повысить эффективность полиаденилирования про- мРНК в ВИЧ-1 данной группы

Prototropic molecular-zwitterionic tautomerism of xanthine and hypoxanthine: unexpected biological view

The prototropic molecular-zwitterionic tautomerism of xanthine and hypoxanthine has been investigated by the semi-empirical quantum-chemical AMI method. Geometric, energetic and other physico-chemical features of their complete molecular-zwitterionic families of tautomers have been established. The influence of the environment with universal solvatation mechanism on the tautomeric equilibrium has been evaluated at Otizager approximation. The comparison of the calculations with the ¹H NMR data favours the N7H Xan and the N9H Hyp tautomers in DMSO solutions. A possible biochemical role of tautomeric (especially zwitterionic) forms of Xan and Hyp is discussed. The stabilizing influences of both environment and specific interactions with proteins on rare tautomeric forms are considered. The biological significance of high energy tautomers is discussed.Напівемпіричним квантово механічним методом AMI дослід­жено прототропну таутомерію ксантину та гіпоксантину. Були встановлені геометричні, енергетичні та інші фізикохімічні характеристики їхніх повних молекулярно-цвітеріонних сімейств таутомерів. Вплив оточення з універсальним механізмом сольватації на таутомерну рівновагу оціненої в наближенні Онзагера. Зіставлення розрахунків з даними ¹Н ЯМР свідчить на користь таутомерів N7H та N9H для ксантину та гіпоксантину відповідно в ДМСО. Обговорю­ється можлива біологічна роль таутомерних форм (особливо цвітеріонних) ксантину та гіпоксантину. Розглянуто ста­білізуючий вплив оточення та специфічні взаємодії з білками на рідкісні таутомерні форми. Обговорюється біологічне зна­чення високоенергетичних таутомерів.Полуэмпирическим квантовомеханическим методом AMI ис­следована прототропная таутомерия ксантина и гипоксан­тина Были установлены геометрические, энергетические и другие физико-химические характеристики их полных молекулярно-цвиттерионных семейств таутомеров. Влияние окру­жения с универсальным механизмом сольватации на таутомерное равновесие оценено в приближении Онзагера- Сопостав­ление расчетов с данными ¹Н ЯМР свидетельствует в пользу таутомеров N7H и N9H для ксантина и гипоксантина соот­ветственно в ДМСО. Обсуждается возможная биологическая роль таутомерных форм (особенно цвиттерионных) ксанти­на и гипоксантина. Рассмотрено стабилизирующее влияние окружения и специфические взаимодействия с белками на редкие таутомерные формы. Обсуждается биологическое зна­чение высокоэнергетических таутомеров

Ò7 Evaluation of antibacterial and antiviral activity of N-arylamides of 9-methyl- and 9-methoxyphenazine-1-carboxylic acids – inhibitors of the phage T7 model transctiption

Aim. Search for compounds with antibacterial and antiviral properties among N-arylamides of 9-substituted phenazine-1-carboxylic acids (PCA), inhibitors of the RNA synthesis. Methods. Influence of N-aryl-amides on the RNA synthesis was tested in vitro in the model system of the DNA-dependent RNA polymerase of phage T7 (T7 RNAP). Antimicrobial activities of the N-arylamides against bacteria Erysipelothrix rhusiopathiae VR-2 var. IVM, Klebsiella spp. and Escherichia coli ATCC25922 were investigated by the method of two-fold dilution in a liquid medium. Antiviral effects against Bovine Viral Diarrhea Virus (BVDV) and cytotoxicity of the N-arylamides were evaluated using Madin-Darby bovine kidney (MDBK) cells. Results. Twenty N-arylamides appeared to be efficacious inhibitors of the RNA synthesis at concentrations of 0.48–61 µM. The compound 16 proved to be the most effective inhibitor of T7 RNAP with the IC50 value being 0.48 µM. Fourteen N-arylamides demonstrated antibacterial properties against gram positive and gram negative bacteria at the 0.1–10 µg/ml concentrations. A number of the N-arylamides revealed a multiplicity of their antimicrobial actions: 7 compounds against two bacteria and two compounds, 2 and 3, against three bacteria investigated. N-arylamides 16 and 26 showed high inhibitory activity as to BVDV with the IC50 values 0.43 and 0.88 µg/ml and SI values 160 and 10 correspondingly. Conclusions. The obtained data evidence that the most likely targets of the N-arylamides 9-substituted PCA in bacteria and viruses are their RNA synthesizing complexes. Keywords: N-arylamides 9-substituted PCA, model system of the DNA-dependent RNA-polymerase of phage T7, antibacterial activity, antiviral activity.Мета. Пошук серед N-ариламідів 9-заміщених феназин-1-карбонових кислот (ФКК-1) – інгібіторів синтезу РНК – сполук з антибактерійними та антивірусними властивостями. Методи. Вплив N-ариламідів на синтез РНК in vitro визначали із застосуванням модельної системи ДНК-залежної РНК-полімерази бактеріофага Т7; антимікробну активність N-ариламідів – методом дворазових розведень у рідкому середовищі проти бактерій Erysipelothrix rhusiopathiae VR-2 var. IVM, Klebsiella spp. та Escherichia coli ATCC25922. Антивірусну дію щодо вірусу бичачої вірусної діареї (ВБВД) і цитотоксичність N-арил-амідів оцінювали на перещеплюваній лінії культури клітин нирки теляти. Результати. Двадцять N-ариламідів виявилися ефективними інгібіторами синтезу РНК у межах концентрацій 0,48–63 мкМ. Найвищу активність продемонструвала сполука 16, ІС50 якої становить 0,48 мкМ. Антибактерійні властивості стосовно грампозитивних і грамнегативних бактерій проявили 14 N-ариламідів при концентраціях 0,1– 10 мкг/мл. Для низки N-ариламідів встановлено множинний характер антибактерійної дії: сім сполук проти двох і дві (2 і 3) – проти трьох досліджуваних бактерій. N-ариламіди 16 і 26 виявили високу інгібіторну здатність проти ВБВД з показниками ІС50 0,43 і 0,88 мкМ і SІ > 160 і 10 відповідно. Висновки. Отримані результати дають підставу вважати, що вірогідними мішенями для N-ариламідів 9-заміщених ФКК-1 у бактерій і вірусіможуть бути є їхні РНК-синтезувальні комплекси. Ключові слова: N-ариламіди 9-заміщених ФКК-1, модельна система транскрипції фага Т7, антибактерійна активність, антивірусна активність.Цель. Поиск среди 9-замещенных N-ариламидов феназин-1-карбоновой кислоты (ФКК-1) – ингибиторов синтеза РНК – соединений с антибактериальными и антивирусными свойствами. Методы. Влияние N-ариламидов на синтез РНК in vitro определяли с использованием модельной системы ДНК-зависимой РНК-полимеразы бактериофага Т7; антимикробную активность N-арил- амидов – методом двукратных розведений в жидкой среде против бактерий Erysipelothrix rhusiopathiae VR-2 var. IVM, Klebsiella spp. и Escherichia coli ATCC25922. Антивирусное действие по отношению к вирусу бычьей вирусной диареи (ВБВД) и цитотоксичность N-ариламидов оценивали на перевиваемой линии культуры клеток почки теленка. Результаты. Двадцать N-ариламидов оказались эффективными ингибиторами синтеза РНК в диапазоне концентраций 0,48–63 мкМ. Наивысшую активность продемонстрировало соединение 16, ІС50 которого составляет 0,48 мкМ. Антибактериальные свойства относительно грампозитивных и грамнегативных бактерий проявили 14 N-ариламидов в концентрациях 0,1–10 мкг/мл. Для ряда N-ариламидов установлен множественный характер антибактериального действия: семь соединений против двух, а два (2 и 3) – против трех исследуемых бактерий. N-ариламиды 16 и 26 выявили высокий ингибиторный потенциал против ВБВД с показателями ІС50 0,43 и 0,88 мкМ и SІ > 160 и 10 соответственно. Выводы. Полученные результаты дают основание полагать, что возможными мишенями для N-арил-амидов 9-замещенных ФКК-1 у бактерий и вирусов могут быть их РНК-синтезирующие комплексы. Ключевые слова: N-ариламиды 9-замещенных ФКК-1, модельная система транскрипции фага Т7, антибактериальная активность, антивирусная активность

Intramolecular hydrogen bonds and structural nonrigidity of pyrimidine nucleosides

Optimal structures and intramolecular web of H-bonds of cytidinc, undine, thymidine, 1heir deoxyribo-analogues and some O5'-, O3'-deutero derivatives were studied by means of MNDOl H semiempirical quantum-chemical method. Effect of the intramolecular H-bonda on the slereochemical structure of nucleosides (particularly, on the stabilization of anti conformation), on the physico-chemical characteristics of nucleoside molecules (heat of formation, dipolc moment, first adiabatic ionization potential and the charge distribution), and on the dynamical characteristics of pyrimidine nucieosides (barriers of the interconvertion, frequencies of the torsional vibrations) was elucidated. The intramolecular 11-bonds in polynudeolides and their influence on the nucleic acid architecture, and nonlinear dynamic properties arc discussed.Оптимізовані структури цитидину, уридину і тимідину, їхніх дезоксирибо-аналогів та деяких О5', О3'-депротонованих похідних отримані за допомогою напівемпіричного квантовохімічного методу MNDO/H. Виявлено сітки внутрішньомолекулярних водневих зв'язків піримідинових нуклеозидів та вивчено їхній вплив на. стереохімічну структуру молекул (зокрема, на стабільність anti-конформації), фізико-хімічіні параметри /теплоту утворення, дипольний момент, потенціал, іонізації та розподіл зарядів), а також на динамічні характеристики піримідинових нуклеозидів (бар'єри інтер конверсії, частоти торсійних коливань). Обговорюється присутність внушріишьомолекулярних водневих зв'язків у полі нуклеоіпидах та їхнє значения у формуванні, структури та нелінійної динаміки нуклеїнових кислот.Оптимизированные структуры цитидина, уридина и тимидина, их дезоксирибо аналогов и некоторых О5'-, О3’ -депротонированных производных получены с помощью полуэмпирического квантовохиминеского метода. MNDO/H. Обнаружены сетки внутримолекулярных водородных связей пиримидиновых нуклеозидов и исследовано их влияние на стереохимическую структуру молекул с в частности, на стабильность anti-конформации), физико-химические параметры (теплоту образования, дипольный момент, потенциал ионизации и распределение зарядов), а также на. динамические характеристики пиримидииовых пуклеозидов (барьеры интерконверсии, частоты торсионых колебании). Обсуждается наличие внутримолекулярных водородных связей в полинуклеотидах и их значение в формировании структуры и нелинейной динамики нуклеиновых кислот