مطالعه ي نظري اثر كاتيون هاي فلزي قليايي و قليايي خاكي، گروه هاي استخلافي الكترون دهنده و الكترون كشنده و الگوهاي مختلف اتصال زنجيره ي جانبي اسيد آمينه ي آرژنين بر قدرت و ماهيت پيوندهاي هيدروژني منفرد در جفت باز گوانين-سيتوزين DNA

پيوندهاي هيدروژني نقش مهمي در حفظ پايداري ساختار دورشته‌اي و عملكرد DNA دارند و قدرت و ماهيت اين پيوندها تحت تأثير عوامل مختلف تغيير مي‌كند. در اين رساله، در پژوهش نخست، به‌منظور بررسي قدرت و ماهيت پيوندهاي هيدروژني منفرد (مشخص‌شده با حروف (O6⋯H–N4) a، (N1–H⋯N3) b و (N2–H⋯O2) c) و همچنين ارزيابي پايداري كمپلكس در جفت‌باز گوانين–سيتوزين در شكل واتسون–كريك (GC (WC))، به‌ترتيب از روش اتم‌هاي كوانتومي برهم‌كنش‌كننده (IQA) و روش قطعه‌هاي كوانتومي برهم‌كنش‌كننده (IQF) استفاده شد. در ادامه، تأثير افزودن كاتيون‌هاي فلزي قليايي و قليايي‌خاكي (پژوهش نخست)، تغيير شكل جفت‌باز از حالت واتسون–كريك به هوگستين خنثي (GC* (HG)) و هوگستين پروتونه‌شده (GC⁺ (HG)) و همچنين افزودن گروه‌هاي استخلافي (پژوهش دوم)، و الگوهاي مختلف اتصال زنجيره‌ي جانبي اسيدآمينه‌ي آرژنين (پژوهش سوم) بر ويژگي‌هاي پيوندهاي هيدروژني و پايداري جفت‌باز GC (WC) بررسي شد. نتايج تحليل IQA نشان مي‌دهد كه در جفت‌باز مرجع، قدرت پيوندهاي هيدروژني به‌ترتيب a ‎> b ‎> c بوده و ماهيت آن‌ها عمدتاً الكترواستاتيكي است، به‌طوري‌كه انتقال بار نقش كليدي در تقويت اين پيوندها ايفا مي‌كند. افزون‌براين، تحليل IQF نقش مهم اشتراك الكترون و مؤلفه‌هاي همبستگي–تبادلي ميان‌قطعه‌اي را در فرايند پايدارسازي جفت‌باز آشكار مي‌سازد. حضور كاتيون‌ها، گروه‌هاي استخلافي و الگوهاي مختلف اتصال آرژنين، اگرچه موجب تغيير در قدرت نسبي پيوندهاي هيدروژني مي‌شود، اما ماهيت كلي آن‌ها همچنان عمدتاً الكترواستاتيكي با سهم غالب انتقال بار باقي مي‌ماند و قطبش نقشي جزئي و ناپايداركننده دارد. بررسي‌هاي مبتني بر IQF و محاسبات انرژي ابرمولكولي نشان مي‌دهد كه كاتيون‌ها موجب افزايش پايداري كلي جفت‌باز مي‌شوند و شدت اين اثر به بار و شعاع يوني وابسته است، به‌گونه‌اي كه كاتيون‌هاي كوچك‌تر و با بار بيشتر بيشترين اثر پايداركننده را دارند. همچنين نتايج نشان مي‌دهد كه در ميان جفت‌بازهاي بررسي‌شده، GC⁺ (HG) پايدارترين و GC* (HG) ناپايدارترين ساختارها هستند. پايداري بيشتر GC⁺ (HG) ناشي از پروتون‌دار شدن سيتوزين در موقعيت N3 و تقويت پيوند هيدروژني b است، در حالي‌كه كاهش پايداري GC* (HG) به جايگزيني گروه آمينوي سيتوزين با شكل توتومري ايمينو در موقعيت الكترون‌دهي پيوند a نسبت داده مي‌شود كه موجب كاهش توان الكترون‌دهي و قطبيت پيوند N–H مي‌گردد. افزون بر اين، قرارگيري گروه‌هاي الكترون‌كشنده (EW) و الكترون‌دهنده (ED) به‌ترتيب بر روي نوكلئوبازهاي گوانين و سيتوزين موجب افزايش پايداري جفت‌باز GC (WC) مي‌شود، در حالي‌كه اين روند در جفت‌بازهاي هوگستين خنثي و پروتونه‌شده معكوس است. در نهايت، تحليل IQF نشان مي‌دهد كه هندسه و الگوي اتصال آرژنين نقش مهمي در بازتوزيع انرژي داخلي و تغيير برهم‌كنش‌هاي ميان‌قطعه‌اي و ميان‌اتمي ثانويه دارد. كاهش انرژي تغييرشكل نيز بيانگر كاهش تنش ساختاري و تقويت پايداري كلي كمپلكس‌ها، به‌ويژه در الگوهاي دودندانه‌اي است. به‌طور كلي، نتايج سه پژوهش نشان مي‌دهد كه اگرچه ماهيت پيوندهاي هيدروژني منفرد عمدتاً الكترواستاتيكي با سهم غالب انتقال بار است، پايداري كلي جفت‌بازها و مشتقات آن‌ها عمدتاً تحت كنترل اشتراك‌گذاري الكترون و مؤلفه‌هاي همبستگي–تبادلي ميان‌قطعه‌اي قرار دارد كه اين موضوع با مقدارهاي نسبتاً زياد شاخص عدم استقرار الكتروني كل تأييد مي‌شود.

Hydrogen bonds play a fundamental role in maintaining the structural stability an‎d biological function of double-stran‎ded DNA, an‎d both their strength an‎d nature are modulated by a variety of factors. In this dissertation, the first part focuses on investigating the strength an‎d nature of individual hydrogen bonds (O6⋯H–N4, a; N1–H⋯N3, b; N2–H⋯O2, c) as well as eva‎luating the overall stability of the guanine–cytosine base pair in the Watson–Crick configuration (GC (WC)). To this end, the Interacting Quantum Atoms (IQA) method an‎d the Interacting Quantum Fragments (IQF) approach were employed to analyze single hydrogen bonds an‎d overall complex stability, respectively. Subsequently, the effects of introducing alkali an‎d alkaline-earth metal cations (first study), altering the base-pair geometry from Watson–Crick to neutral Hoogsteen (GC* (HG)) an‎d protonated Hoogsteen (GC⁺ (HG)) forms, incorporating substituent groups (second study), an‎d considering different binding patterns of the arginine amino-acid side chain (third study) on the hydrogen-bond characteristics an‎d stability of the GC (WC) base pair were systematically examined. The IQA analysis reveals that, in the reference base pair, the hydrogen-bond strengths follow the order a ‎> b ‎> c, an‎d that their nature is predominantly electrostatic, with charge transfer playing a key role in bond reinforcement. Moreover, the IQF analysis highlights the significant contribution of electron sharing an‎d inter-fragment exchange–correlation components to base-pair stabilization. Although the presence of metal cations, substituent groups, an‎d different arginine binding patterns alters the relative strengths of the hydrogen bonds, their overall nature remains largely electrostatic with a dominant contribution from charge transfer, while polarization effects are minor an‎d generally destabilizing. IQF-based analyses an‎d supermolecular energy calculations demonstrate that metal cations enhance the overall stability of the base pair, with the magnitude of this effect depending on ionic charge an‎d radius, such that smaller an‎d more highly charged cations exert the strongest stabilizing influence. The results further indicate that, among the structures studied, GC⁺ (HG) is the most stable, whereas GC* (HG) is the least stable. The enhanced stability of GC⁺ (HG) arises from protonation of cytosine at the N3 position, which strengthens hydrogen bond b. In contrast, the reduced stability of GC* (HG) is attributed to the substitution of the cytosine amino group with its imino tautomeric form at the electron-donating site of hydrogen bond a, which leads to a decrease in electron-donating ability an‎d the polarity of the N H bond. Additionally, the placement of electron-withdrawing (EW) an‎d electron-donating (ED) substituents on guanine an‎d cytosine, respectively, increases the stability of the GC (WC) base pair, whereas this trend is reversed in the neutral an‎d protonated Hoogsteen base pairs. Finally, the IQF analysis shows that the geometry an‎d binding pattern of arginine play a crucial role in redistributing internal energies an‎d modulating inter-fragment an‎d secondary interatomic interactions. A reduction in deformation energy further indicates decreased structural strain an‎d enhanced overall stability of the complexes, particularly in bidentate binding motifs.

محمد ديناري , كيامرث اسكندري

سيامك نوري زاده

عزت كشاورزي , حسين توكل , زهرا جمشيدي