Interakce párů bazí nukleových kyselin v elektronově základním a excitovaném stavu

ZELENÝ, Tomáš

EN SKPřihlásit se Přihlásit se (EduID)

Theses hirud4

Interakce párů bazí nukleových kyselin v elektronově základním a excitovaném stavu – Mgr. Tomáš ZELENÝ

Mgr. Tomáš ZELENÝ

Disertační práce

Interakce párů bazí nukleových kyselin v elektronově základním a excitovaném stavu

Nucleic Acids in the Electronic Ground and Excited State

Abstract:

Microhydration of tautomers of guanine-cytosine base pairs The populations and potential energy surfaces of bare, monohydrated and dihydrated complexes of guanine-cytosine and their various tautomer combinations were explored. Using the molecular dynamics quenching method it was found that the most populated motifs are planar hydrogen bonded structures, followed by T-shaped and at the least stable stacked structures. The keto--keto tautomers produce more planar hydrogen bonded complexes than enol--enol combinations. The populations are affected by a presence of water molecules. Incresing of the number of water molecules results in a significant increase of stacked complexes. Based on the calculations of interaction energies it can be concluded, that stacked complexes can be better hydrated than planar hydrogen bonded complexes, regardless of the type of tautomer. The existence of T-shaped structures seems to be dependent on the presence of several water molecules. One can expect that a large number of water molecules will lead to preference of stacked structures. Water molecules can bind more strongly to stacked complexes. In some combinations (G19C2B, G91C1, G91C2A, G91C2B) the dihydrated stacked complexes are more stable than planar hydrogen bonded. The keto--keto (HB, ST, TS) complexes are more stable than other combinations. Influence of the surrounding on excited states of nucleic acids Very short lifetimes of excited states of all nucleobases observed in the gas phase allow for their relaxation to the ground state without changing their identity preventing any change to different species. This ultrafast relaxation dynamics (in the order of picoseconds or less) of DNA bases is suggested to be responsible for the photostability of the genetic code. The excited state behavior is well understood for the gas phase species. Much less is, however, known for nucleobases about their behavior when embedded in the DNA structure. It was the aim of the studies presented in this thesis to examine some effects of the DNA environment which would improve understanding of excited state behavior of DNA. To study these effects different models of DNA were used, including single- and double-strands modeled by methylated nucleobases (APY-S and APY-DS) or more realistic dodecamer fragment of DNA in water environment (GUA-DNA and CYT-DNA). The environment was described by empirical potentials. The description of dynamical behavior was based on the evaluation of PES, energy gradients and non-adiabatic couplings using multi-configurational wave-function-based methods. The excited state behavior was confined to nucleobase cytosine or guanine (CYT-DNA and GUA-DNA) or the 4-APY used as a model of adenine (4-APY-S and 4-APY-DS). It should be emphasized that the description used in our studies does not allow explaining processes such as charge-transfer excited states or excimer and exciplex formations. Our observations let to suggestion that the formation of the intra-strand hydrogen bonds tend to make the relaxation process more efficient. This is explained by a more effective relaxation in which the intra-strand hydrogen bonds help to preserve highly puckered structures necessary to reach the conical intersections. The effect of the inter-strand hydrogen bonds is more complicated and depends on the relaxation mechanism of a particular nucleobase. This is documented by comparison of photodynamics of CYT-DNA and GUA-DNA. In the former case the relaxation proceeds via semi-planar conical intersections and, thus, the resulting lifetime is similar to that found for isolated cytosine. On the contrary, the guanine relaxation requires strongly puckered structures with out-of-plane deformation of NH2 group. The inter-strand hydrogen bonds restrict formation of such structures, and consequently, significantly increase the excited state lifetime compared to gas phase species. …více

Abstract:

Mikrohydratace párů bazí guaninu-cytosinu a jejich tautomerů Byly studovány populace a povrchy potenciální energie komplexů tautomerů guaninu-cytosinu, jejich izolované, monohydratované a dihydratované formy. Za použití metod molekulové mechaniky spojené s quenchingem byly nalezeny jako nejvíce populované motivy vodíkově vázané struktury, následované strukturami tvaru T a patrovými strukturami. Vodíkově vázané struktury jsou četnější u keto--keto kombinací tautomerů než u enol--enol. Populace jsou rovněz ovlivněny počtem přítomných molekul vod. Se vzrůstajícím počtem molekul vod roste podíl patrových struktur. Na základě výpočtů interakčních energií lze říci, že patrové struktury mohou být lépe hydratovány než vodíkově vázané struktury nezávisle na typu tautomeru. Existence strutur tvaru T se zdá být podmíněna přítomností jen několika málo molekul vody. Lze předpokládat, že větší množství molekul vody povede k preferenci patrových struktur. U některých kombinací tautomerů (G19C2B, G91C1, G91C2A, G91C2B) byla pozorována vyšší stabilita u dihydratovaných komplexů patrové struktury než u vodíkově vázaných. Kombinace keto--keto tautomerů jsou stabilnější než ostatní kombinace. Vliv okolí na excitované stavy nukleových kyselin Velmi krátké doby života nukleových kyselin jim dovolují rychlou relaxaci do základního stavu bez interakce s dalšími molekulami a změny strutury. Tato velmi rychlá relaxace se odehrává v řádu pikosekund a je pravděpodobné, že přispívá k odolnosti DNA před UV zářením. Dobře jsou prostudovány excitované stavy izolovaných nukleových kyselin. Mnohem méně je však známo o jejich chování v přirozeném prostředí molekuly DNA. To je cíl studií prezentovaných v této práci pomoci porozumnět chování nukleových kyselin v molekule DNA. Pro studium výše zmíněných efektů byly vybrány systémy zahrnující model single- a double-strandu DNA vytvořené z methylovaných bazí nukleových kyselin (4-APY-S a 4-APY-DS) a více realistické modely zahrnující dodekamer DNA obklopený molekulami vody a iontů (GUA-DNA a CYT-DNA). Okolí obklopující excitovanou aminokyselinu bylo počítáno pomocí empirického potenciálu. Popis fotodynamiky byl založen na základě vyhodnocení klíčových částí povrchu potenciální energie (gradienty energie, neadiabatické couplingy vypočtené metodami založenými na multi-konfigurační vlnové funkci). Excitovaný stav byl omezen pouze na nukleovou kyselinu --- cytosin nebo guanin (GUA-DNA a CYT-DNA), nebo 4-aminopyrimidin použitý jako model adeninu (4-APY-S a 4-APY-DS). Je potřeba zdůraznit, že naše studie nezahrnují a nedokážou vysvětlit procesy jako přenos náboje v excitovaném stavu nebo vytvoření excimeru nebo exciplexu. Na základě našich pozorování můžeme říci, že tvorba vodíkových vazeb mezi molekulami v rámci jednoho řetězce DNA mohou pomoci molekule v excitovaném stavu efektivněji relaxovat do stavu základního. To lze vysvětlit u více efektivních relaxací tím, že vodíkové vazby pomáhají udrže více zkrabacenou strukturu, která je klíčová pro dosažení kónické intersekce. Vliv vodíkových vazeb vznikajících v rámci jednoho řetězce je mnohem komplikovanější a závisí na relaxačním mechanismu každé nukleové kyseliny. To bylo potvrzeno porovnáním fotodynamiky CYT-DNA a GUA-DNA. V prvním případě relaxace probíhá přes téměř rovinnou strukturu kónické intersekce, díky tomu není relaxační proces příliš ovlivňován okolím a výsledná doba života je stejná jako u samotného cytosinu. Narozdíl od cytosinu, guanin relaxuje přes výrazně zkrabacené struktury s NH2 skupinou deformovanou mimo rovinu heterocyklického kruhu. Vodíkové vazby vznikající mezi řetězci molekuly DNA naopak brzí proces relaxace do základního sta …více

Abstract:

vu a prodlužují tak dobu života excitovaného stavu.

Keywords

excitované stavy nukleové kyseliny DNA teoretická chemie mikrohydratace

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 31. 5. 2012

Zveřejnit od: 31. 5. 2012

Obhajoba závěrečné práce

Vedoucí: Prof. Ing. Pavel Hobza, DrSc.

Citační záznam

Citovat tuto práci

Citace dle ISO 690:

ZELENÝ, Tomáš. \textit{Interakce párů bazí nukleových kyselin v elektronově základním a excitovaném stavu}. Online. Disertační práce. Olomouc: Univerzita Palackého v Olomouci, Přírodovědecká fakulta. 2012. Dostupné z: https://theses.cz/id/hirud4/.

@PhdThesis{ZELENY2012thesis,
AUTHOR = "ZELENÝ, Tomáš",
TITLE = "Interakce párů bazí nukleových kyselin v elektronově základním a excitovaném stavu [online]",
YEAR = "2012 [cit. 2024-10-04]",
TYPE = "Disertační práce",
SCHOOL = "Univerzita Palackého v Olomouci, Přírodovědecká fakultaOlomouc",
NOTE = "SUPERVISOR: Prof. Ing. Pavel Hobza, DrSc.",
URL = "https://theses.cz/id/hirud4/",
}

@PhdThesis{ZELENY2012thesis,
AUTHOR = {ZELENÝ, Tomáš},
TITLE = {Interakce párů bazí nukleových kyselin v elektronově základním a excitovaném stavu},
YEAR = {2012},
TYPE = {Disertační práce},
INSTITUTION = {Univerzita Palackého v Olomouci, Přírodovědecká fakulta},
LOCATION = {Olomouc},
SUPERVISOR = {Prof. Ing. Pavel Hobza, DrSc.},
URL = {https://theses.cz/id/hirud4/},
URL_DATE = {2024-10-04},
}

{{Citace kvalifikační práce
 | příjmení = ZELENÝ
 | jméno = Tomáš
 | instituce = Univerzita Palackého v Olomouci, Přírodovědecká fakulta
 | titul = Interakce párů bazí nukleových kyselin v elektronově základním a excitovaném stavu
 | url = https://theses.cz/id/hirud4/
 | typ práce = Disertační práce
 | vedoucí = Prof. Ing. Pavel Hobza, DrSc.
 | rok = 2012
 | počet stran =
 | strany =
 | citace = 2024-10-04
 | poznámka =
 | jazyk = 
}}

Jak správně citovat práci

ZELENÝ, Tomáš. Interakce párů bazí nukleových kyselin v elektronově základním a excitovaném stavu. Olomouc, 2012. disertační práce (Ph.D.). UNIVERZITA PALACKÉHO V OLOMOUCI. Přírodovědecká fakulta

Plný text práce

Právo: Autor si přeje zpřístupnit práci veřejnosti od 31.5.2012

Obsah online archivu závěrečné práce

Zveřejněno v Theses:

Soubory jsou od 31. 5. 2012 dostupné: světu

Jak jinak získat přístup k textu

Instituce archivující a zpřístupňující práci: UNIVERZITA PALACKÉHO V OLOMOUCI, Přírodovědecká fakulta

UNIVERZITA PALACKÉHO V OLOMOUCI

Přírodovědecká fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Chemie / Fyzikální chemie

Práce na příbuzné téma

Studium fluorescenčních spekter substituovaných terthiofenů metodami kvantové chemie
Tomáš Kužela
Charakterizace interakcí 1-methylnaftalenu v základním a excitovaném stavu
David Mužík

Název

Vložil

Vloženo

Práva

Theses hirud4 hirud4/3

8. 6. 2012

Složky

Soubory

Zeleny_T-PhD_Thesis_anotation_A5-final.pdf

9. 6. 2012

Zeleny_T-PhD_Thesis_final.pdf

9. 6. 2012

Co je jinak přidání souboru

Soubor nebo složku lze nahrát pomocí tlačítka Přidat.
Co je jinak další operace se soubory

Podrobnosti lze zjistit označením příslušného řádku.
Co je jinak pohled pro experty

Pro častou práci je možné zvolit režim Více možností.
Co je nové vyhledávání souborů

Vyhledávaný výraz můžete zadat přímo do adresního řádku.
Co je nové rychlý přístup k souborům

Pomocí funkce Nedávné je možné se rychle vrátit k právě prohlíženým souborům. Oblíbené soubory je také možné označit Hvězdičkou.
Co se chystá

Připravujeme další vylepšení pro mobilní zařízení.

Interakce párů bazí nukleových kyselin v elektronově základním a excitovaném stavu – Mgr. Tomáš ZELENÝ

Mgr. Tomáš ZELENÝ

Disertační práce

Interakce párů bazí nukleových kyselin v elektronově základním a excitovaném stavu

Nucleic Acids in the Electronic Ground and Excited State

Abstract:

Abstract:

Abstract:

Keywords

Obhajoba závěrečné práce

Citační záznam

Citace dle ISO 690:

Jak správně citovat práci

Plný text práce

Obsah online archivu závěrečné práce

Jak jinak získat přístup k textu

UNIVERZITA PALACKÉHO V OLOMOUCI

Práce na příbuzné téma

Složky

Soubory

Co je jinak přidání souboru

Co je jinak další operace se soubory

Co je jinak pohled pro experty

Co je nové vyhledávání souborů

Co je nové rychlý přístup k souborům

Co se chystá