Supramolecular Switches Based on the Guanine–Cytosine (GC) Watson–Crick Pair: Effect of Neutral and Ionic Substituents

Authors


Abstract

We have theoretically analyzed Watson–Crick guanine–cytosine (GC) base pairs in which purine-C8 and/or pyrimidine-C6 positions carry a substituent X = NH, NH2, NH3+ (N series), O, OH, or OH2+ (O series), using the generalized gradient approximation (GGA) of density functional theory at the BP86/TZ2P level. The purpose is to study the effects on structure and hydrogen-bond strength if X= H is substituted by an anionic, neutral, or cationic substituent. We found that replacing X = H by a neutral substituent has relatively small effects. Introducing a charged substituent, on the other hand, led to substantial and characteristic changes in hydrogen-bond lengths, strengths, and hydrogen-bonding mechanism. In general, introducing an anionic substituent reduces the hydrogen-bond-donating and increases the hydrogen-bond-accepting capabilities of a DNA base, and vice versa for a cationic substituent. Thus, along both the N and O series of substituents, the geometric shape and bond strength of our DNA base pair can be chemically switched between three states, thus yielding a chemically controlled supramolecular switch. Interestingly, the orbital-interaction component in some of these hydrogen bonds was found to contribute to more than 49 % of the attractive interactions and is thus virtually equal in magnitude to the electrostatic component, which provides the other (somewhat less than) 51 % of the attraction.

Abstract

Foram analisados teoricamente os pares de bases GC de Watson e Crick, em cujas posições C8 da purina e/ou C6 da pirimidina se encontra o substituinte X = NH, NH2, NH3+(série de N), O, OH ou OH2+(série de O), utilizando a aproximação generalizada com gradientes (AGG) da teoria do funcional da densidade ao nível BP86/TZ2P. Este estudo tem como objectivo analisar os efeitos na estrutura e na força de ligação das pontes de hidrogénio, quando X = H é substituído por um substituinte aniónico, neutro ou catiónico. Foi observado que substituindo X = H por um substituinte neutro os efeitos são relativamente pequenos. Por outro lado, introduzindo um substituinte carregado induz mudanças substanciais e características no comprimento, na força e no mecanismo de ligação das pontes de hidrogénio. Em geral, introduzir um substituinte aniónico reduz, na base de ADN, a capacidade de doação e aumenta a capacidade de aceitação de pontes de hidrogénio, e vice versa no caso de um substituinte catiónico. Assim, ao longo de ambas as séries de substituintes de N e O, a estrutura e a força de ligação do nosso par de base de ADN podem ser quimicamente alternados entre três estados, obtendo-se assim um interruptor supramolecular controlado quimicamente. Foi observado que, curiosamente, em algumas destas pontes de hidrogénio, a componente de interacção das orbitais contribui mais de 49 % para as interacções atractivas, sendo, portanto, virtualmente igual em magnitude à componente electrostática que fornece os outros (um pouco menos de) 51 % da atracção.

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