Torsion Angle Dependence of 31 P NMR Parameters in a Nucleic Acid Backbone Studied by Density Functional Theory

Mgr. Jana Přecechtělová, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Tato práce se zabývá studiem vztahů mezi parametry nukleární magnetické rezonance (NMR) pro isotop P-31 a konformací páteře nukleových kyselin pomocí teorie funkcionálu hustoty (density functional theory, DFT). Studium bylo inspirováno nedostatkem experimentálních NMR dat, které mohou být použity jako okrajové podmínky při určování struktur nukleových kyselin. Přestože NMR experimenty prokázaly potenciál chemických posunů P-31 poskytnout strukturní informace, praktické použití NMR parametrů P-31 není ve strukturních studiích příliš časté. Konformaci páteře nukleových kyselin určuje šest torzních úhlů, jejichž vliv na chemické stínění fosforu nebyl dosud analyzován. Pro studium závislosti NMR parametrů P-31 na torzních úhlech alpha a zeta, které určují konformaci okolo P-O vazeb ve fosfátových skupinách nukleových kyselin, byly použity statické DFT výpočty v kombinaci s molekulovou dynamikou (MD). Fitováním statisticky zpracovaných MD/DFT dat byly získány jednoduché funkce, které popisují úhlové závislosti v B-DNA a které mohou být použity jako alternativa chybějících Karplusových rovnic. Zatímco se prokázalo, že hlavní vliv na chemické posuny mají právě úhly okolo vazeb P-O, úhly okolo vazeb C-O modulují trendy chemického posunu dané úhly alpha a zeta, čímž se spolupodílejí na určování výsledných závislostí. Zahrnutí rozpouštědla kvalitativně neovlivňuje trendy chemického posunu, avšak způsobuje jejich posun směrem k vyšším hodnotám magnetického pole v porovnání s výsledky získanými pro plynnou fázi. Modely a metodika použité v této práci byly validovány na základě srovnání vypočítaného rozdílu mezi chemickými posuny pro -gauche/-gauche a -gauche/trans konformace páteře s experimentálními odhady. Tenzory chemického posunu fosforu vypočítané pro řadu konformací páteře DNA a RNA byly použity ke zhodnocení dopadu konformační variability páteře na změny chemických posunů indukované částečným orientováním vzorku. Tyto změny lze též aplikovat při výpočtu struktur z NMR dat.

Abstract:

This thesis focuses on the study of the relationships between P-31 nuclear magnetic resonance (NMR) parameters and the conformation of a nucleic acid backbone using density functional theory (DFT) based methods. The work has been inspired by the lack of experimental NMR restraints that can be applied in the nucleic acid structure determination. Although NMR experiments revealed the potential of P-31 chemical shifts to provide structural information, the practical use of P-31 NMR parameters in structural studies is rare. The conformation of a nucleic acid backbone is defined by six torsion angles, the influence of which on the chemical shielding has not been analyzed so far. The dependence of P-31 NMR parameters on backbone torsion angles alpha and zeta, which define the conformation around P-O bonds of the phosphate groups in nucleic acids, has been studied via static DFT calculations combined with molecular dynamics (MD). By means of fitting the statistically analyzed MD/DFT data, simple functions have been obtained that describe the angular dependences in B-DNA and that can be used as an alternative to the missing Karplus equations. While the P-O torsion angles proved to introduce major effects on P-31 chemical shifts, C-O torsion angles modulate the chemical shift trends due to alpha and zeta, and therefore co-determine the resulting dependences. Explicit solvent does not change the chemical shift trends qualitatively but introduces their upfield shift with respect to gas-phase results. The methodology and models employed in the thesis were validated by comparing the calculated difference in the chemical shift of -gauche/-gauche and -gauche/trans backbone conformations with experimental estimates. P-31 chemical shift tensors calculated for a number of DNA and RNA backbone conformations were used to assess the impact of the backbone conformational variability on the chemical shift changes upon partial alignment. These changes can also be applied in the structure calculation using NMR data.

Keywords

DFT, P-31 NMR, chemický posun, nukleové kyseliny, molekulová dynamika, dimethylfosfát, vliv solventu DFT, chemical shift, nucleic acids, molecular dynamics, dimethyl phosphate, solvent effect

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 3. 8. 2010

Thesis defence

• Date of defence: 20. 9. 2010
• Supervisor: prof. RNDr. Vladimír Sklenář, DrSc.
• Reader: Dr. Vladimír G. Malkin, DrSc., RNDr. Miloš Buděšínský, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Chemistry (4-years) / Physical Chemistry