Phối tử CO được chọn vỡ lý do: CO là phõn tử cấu tạo đơn giản, là chất khởi nguồn của cỏc chất khỏc, cú thể coi CO như chất trung chuyển liờn hệ
giữa cỏc chất vụ cơ và hữu cơ. Liờn kết giữa nguyờn tử C và O trong phõn tử
CO là liờn kết 3, bền vững. Cấu trỳc phõn tử CO gần giống với phõn tử N2, nờn khả năng hoạt động hoỏ học kộm. Theo dự đoỏn thỡ khả năng gắn kết của CO sẽ khụng tốt trờn phõn tử ADN nghiờn cứu [80].
KẾT QUẢ NGHIấN CỨU VÀ THẢO LUẬN
87
Quỏ trỡnh hồi phục bắt đầu bằng việc phõn tử CO được đặt trong một tế
bào của hộp mụ phỏng (Tõm phối tử CO trựng với tõm tế bào). Khi phõn tử
CO tiến lại gần một đỏm của ADN, nếu CO gắn kết được vào đỏm đú thỡ năng lượng hệ sẽ giảm dần theo số bước hồi phục và đạt đến giỏ trị khụng đổi khi số bước hồi phục tăng đến giỏ trị đủ lớn (Hỡnh 3.3.a). Đồng thời, khoảng cỏch rmin thay đổi rồi đạt giỏ trị khụng đổi khi số bước hồi phục tăng (hỡnh 3.3.b). Chứng tỏ phõn tử CO đó gắn lờn đỏm mà nú tiếp cận trong phõn tử ADN. (a) -63.96 -63.95 -63.94 -63.93 -63.92 1 101 201 301 401 501 601 701 801 901 Bước hồi phục E (b) 1.8 1.85 1.9 1.95 2 2.05 1 101 201 301 401 501 601 701 801 901 Bước hồi phục Rmin
KẾT QUẢ NGHIấN CỨU VÀ THẢO LUẬN 88 (c) 1.13 1.15 1.17 1.19 1.21 1 101 201 301 401 501 601 701 801 901 Bước hồi phục RC-O
Hỡnh 3.3. Biến thiờn năng lượng (a);
Khoảng cỏch gần nhất đến ADN (b);
Độ dài liờn kết CO (c): phụ thuộc vào số bước hồi phục
Trong quỏ trỡnh gắn kết CO lờn phõn tử ADN, dao động nội phõn tử
của CO thể hiện một cỏch rừ rệt (hỡnh 3.3.c), khi số bước hồi phục tăng, khoảng cỏch RC-O đạt giỏ trị khụng đổi. Chứng tỏ trạng thỏi “CO - ADN” đạt
đến cõn bằng.
Tiến hành quột trong toàn bộ khụng gian hộp mụ phỏng chứa phõn tử
ADN, chỳng tụi thấy chỉ cú 6 vị trớ đỏm nguyờn tử (bazơ nitơ) mà khi CO tiếp cận rồi gắn được lờn đỏm đú. Cỏc giỏ trị năng lượng, khoảng cỏch rmin, khoảng cỏch RC-O của cỏc đỏm được trỡnh bày trong bảng 3.1.
Bảng 3.1.Năng lượng, khoảng cỏch rmin, độ dài liờn kết RC-O khi CO gắn lờn cỏc đỏm củaADN
Cỏc đỏm E(a.u.) rmin(Å) RC-O(Å)
C(2) -63,9568 1,86655 1,16342 C(2) -63,9563 1,90683 1,16359 C(2) -63,9568 1,89926 1,16399 A(3) -69,4056 1,83261 1,16065 A(1) -69,4092 1,86079 1,15875 T(1) -73,7342 1,91209 1,16033
KẾT QUẢ NGHIấN CỨU VÀ THẢO LUẬN
89
Từ bảng 1 nhận thấy, khả năng gắn của CO lờn phõn tử ADN cú ưu thế
vào nhúm C(2). Cú thể giải thớch cho ưu thế đú vỡ: nhúm C(2) cú kớch thước (số nguyờn tử trong nhúm) nhỏ nhất và nằm giữa hai nhúm T(2) và nhúm G(2). Khi tiếp cận từ cỏc vị trớ khỏc nhau, năng lượng của hệ cũng như
khoảng cỏch rmin và RC-O khỏc nhau, tức là trạng thỏi “CO -ADN” khỏc nhau. Nhúm C(1) khụng gắn được do nằm giữa hai nhúm lớn G(1) và A(2). Ở đõy nhúm Guanine cú kớch thước lớn nhất nờn khụng cú khả năng gắn kết (hiệu
ứng khụng gian). Nhúm Adenine cú 14 nguyờn tử, nhưng do chỳng nằm phớa ngoài (A(1) và A(3)) nờn chỳng cú thể gắn CO, tuy vậy nhúm A(2) nằm ở giữa thỡ khụng thể là bến đỗ (docking) của phõn tử CO. Để cú cỏi nhỡn thực tế, và cũng thu được thờm thụng tin, ta xột đến cấu trỳc của cỏc đỏm tạo thành khi CO gắn lờn phõn tử ADN (Hỡnh 3.4).
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
Hỡnh 3.4. Cấu trỳc đỏm khi gắn CO vào cỏc nhúm bazơ nitơ của ADN C(2) -(a), (b), (c); A(3) -(d); A(1) -(e); T(1) -(f)
KẾT QUẢ NGHIấN CỨU VÀ THẢO LUẬN
90 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Từ cấu trỳc của cỏc đỏm hỡnh thành, nhận thấy: khi CO lại gần nhúm Cytosine của ADN nú đều gắn kết vào nhúm -NH2, đầu O của phõn tử CO hướng về đỏm (liờn kết hiđrụ đúng vai trũ quan trọng trong quỏ trỡnh gắn kết). Cũn lại, khi CO gắn kết vào cỏc nhúm bazơ nitơ khỏc thỡ chỉ là sự gắn kết vật lý (bằng lực Van der Waals), điều đú cú thể giải thớch do kớch thước của cỏc nhúm bazơ nitơ này lớn, khả năng tạo liờn kết hiđrụ là khú khăn.
Nhận xột
Khi khảo sỏt toàn bộ khụng gian chứa phõn tử ADN bằng phương phỏp tớnh hồi phục động lực phõn tử bỏn lượng tử để nghiờn cứu sự gắn của CO trờn ADN, nhận thấy:
• Phõn tử CO kộm hoạt động, khả năng gắn kết vào phõn tử ADN là khụng lớn.
• Khi CO gắn kết lờn ADN thỡ chỉ tập trung vào những vị trớ thuận lợi, khụng bị ỏn ngữ khụng gian [85] (ngược hướng với nguyờn tử hiđrụ thay thế).
• Quỏ trỡnh gắn kết tạo nờn một trạng thỏi cõn bằng “CO - ADN”. Độ dài liờn kết RC-O của phối tử CO đạt giỏ trị khụng đổi (thay đổi rất ớt so với liờn kết C-O trong phõn tử CO ở trạng thỏi tự do).
• Khi gắn kết vào nhúm Cytosine luụn tạo ra liờn kết hiđrụ, khi gắn kết vào cỏc nhúm khỏc thỡ chỉ là gắn thụng thường.
• Quỏ trỡnh gắn kết của CO lờn phõn tử ADN chỉ ra rằng: bazơ nitơ
Cytosine cú khả năng gắn kết tốt nhất, bazơ nitơ Guanine cú khả năng gắn kết kộm nhất.
Để cú cỏi nhỡn tổng thể [92], chỳng ta xem hỡnh 3.5, CO gắn lờn C(2) trờn
KẾT QUẢ NGHIấN CỨU VÀ THẢO LUẬN
91
Hỡnh 3.5. Cấu trỳc phõn tử ADN cú phõn tử CO gắn lờn C(2) 3.2.1.2. Formanđehit gắn kết trờn ADN
Để giảm tớnh chất “trơ” của phối tử CO, chỳng tụi chuyển sang nghiờn cứu với phối tử HCHO. Cú thể hỡnh dung, phõn tử HCHO cú cấu tạo gần giống với phõn tử CO, trong đú liờn kết 3 trong phõn tử CO bị phỏ vỡ, thay bằng 2 nguyờn tử H, nờn phõn tử HCHO sẽ hoạt động hoỏ học hơn phõn tử CO. Tiến hành cỏc nghiờn cứu tương tự như phối tử CO, ta xỏc định được cấu trỳc của cỏc đỏm gắn kết (dựa vào giỏ trị năng lượng hệđạt nhỏ nhất -Emin- và tại đú khoảng cỏch rmin cũng như độ dài liờn kết RC=O đạt giỏ trị khụng đổi - trạng thỏi cõn bằng).
Cytosine thứ 2 Phối tửCO Cascadeur
KẾT QUẢ NGHIấN CỨU VÀ THẢO LUẬN
92
Tiến hành quột trong toàn bộ khụng gian hộp mụ phỏng chứa phõn tử
ADN, thu được cấu trỳc cỏc đỏm được hỡnh thành khi phối tử HCHO gắn kết lờn ADN (hỡnh 3.6.).
(a) (b) (c)
(d) (e) (f) (g)
Hỡnh 3. 6. Cấu trỳc đỏm, khi HCHO gắn kết lờn cỏc bazơ nitơ của ADN
(a), (b), (c) ứng với nhúm A(1), A(2), A(3)
(d), (e) ứng với nhúm C(1), C(2)
(f), (g) ứng với nhúm T(1), T(2)
Phối tử HCHO chứa nguyờn tử O cú độ õm điện lớn nờn cú khả năng tạo liờn kết hiđrụ, bờn cạnh đú kớch thước phõn tử HCHO khụng lớn, nờn hy vọng là phõn tử HCHO sẽ gắn kết tốt trờn phõn tử ADN. Nhưng theo cấu trỳc
đỏm (hỡnh 3.6), HCHO khụng cú khả năng tạo ra liờn kết hiđrụ với cỏc nhúm bazơ nitơ trong chuỗi ADN. Thậm chớ, với nhúm Guanine thỡ HCHO khụng thể tạo gắn kết để hỡnh thành cấu trỳc đỏm. Điều đú chứng tỏ khả năng gắn kết HCHO lờn ADN khụng cao. Ta nhận thấy, khi HCHO tiến lại gần một
KẾT QUẢ NGHIấN CỨU VÀ THẢO LUẬN
93
nguyờn tử H thay thế (gần mạch của cỏc axit nucleic), tuy nhiờn chỳng đều bị (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
cản trở bởi cỏc nguyờn tử H khỏc hoặc nhúm -CH3 trong bazơ nitơ, rồi gắn kết lờn ADN bằng lực Van der Waals thụng thường (hỡnh 3.6), mà khụng tạo
được liờn kết hiđrụ bền chặt. Khoảng cỏch của phối tửđến nhúm bazơ nitơ mà nú tạo đỏm được trỡnh bày trong bảng 3.2.
Bảng 3.2. Khoảng cỏch của HCHO đến ADN trong cỏc nhúm gắn kết
Bazơ Nitơ Khoảng cỏch Độ dài (Å) A(1) H - HA1 HCHO 1.99989 A(2) H - HA2 HCHO 1.99987 A(3) H - HA3 HCHO 1.94351 C(1) O - HC1 HCHO 1.92705 C(2) H - HC2 HCHO 1.99782 T(1) H - HT1 HCHO 1.99720 T(2) H - HT2 HCHO 1.99917 Nhận xột
Sử dụng phối tử HCHO, hoạt động hoỏ học hơn phối tử CO, tiến hành nghiờn cứu tương tự như CO gắn kết trờn ADN, nhận thấy:
• Phõn tử HCHO cú khả năng gắn kết vào phõn tử ADN là khụng lớn.
• Quỏ trỡnh gắn kết tạo nờn một trạng thỏi cõn bằng “HCHO - ADN”. Liờn kết RC-O đạt giỏ trị khụng đổi (thay đổi rất ớt so với liờn kết C-O trong phõn tử HCHO ở trạng thỏi tự do).
• Cỏc đỏm gắn kết được hỡnh thành chỉ là gắn kết thụng thường, khụng tạo ra liờn kết hiđrụ bền chặt.
• Nghiờn cứu quỏ trỡnh gắn kết HCHO lờn phõn tử ADN chỉ ra rằng: bazơ nitơ Guanine khụng cú khả năng gắn kết phối tử HCHO.
KẾT QUẢ NGHIấN CỨU VÀ THẢO LUẬN
94
3.2.2. Gắn kết của cỏc phõn tử mang tớnh bazơ
3.2.2.1. Urờ gắn kết trờn ADN
Urờ được chọn là đối tượng nghiờn cứu vỡ urờ rất gần gũi với cuộc sống, hơn nữa urờ chứa 7 nguyờn tử (2N, 4H, 1O) trong phõn tử cú khả năng tạo liờn kết hiđrụ, nờn hy vọng urờ sẽ gắn kết tốt với phõn tử ADN. Cú thể
hỡnh dung, phõn tử urờ được tạo thành bằng việc thay thế 2 nguyờn tử H trong phõn tử H2C=O bằng 2 nhúm -NH2, vỡ thế nghiờn cứu khả năng gắn kết của urờ cho ta thụng tin về nhúm chức -NH2 trong cỏc hợp chất hữu cơ.
Tương tự cỏc nghiờn cứu với CO và HCHO, trong quỏ trỡnh hồi phục, khi trạng thỏi “(NH2)2CO - ADN” dần đạt đến cõn bằng, coi đú là cấu trỳc
đỏm được hỡnh thành của quỏ trỡnh gắn kết. Tiến hành quột trong toàn bộ
khụng gian hộp mụ phỏng chứa phõn tử ADN, thu được cỏc vị trớ trờn ADN mà urờ cú thể gắn kết. Cấu trỳc của cỏc đỏm được trỡnh bày trờn hỡnh 3.7.
(a) (b)
(c) (d)
KẾT QUẢ NGHIấN CỨU VÀ THẢO LUẬN
95
(g) (f)
(i) (j)
Hỡnh 3.7.Cấu trỳc đỏm, khi urờ gắn kết lờn cỏc bazơ nitơ của ADN
(a), (b), (c) ứng với nhúm A(1), A(2), A(3)
(d), (e) ứng với nhúm C(1), C(2)
(f), (g), (h) ứng với nhúm G(1), G(2), G(3)
(i), (j) ứng với nhúm T(1), T(2)
Phõn tử urờ ((NH2)2CO) tự do cú cấu trỳc phẳng, trong đú chứa 2 nhúm -NH2 (mang tớnh bazơ). Đỳng như kỳ vọng, urờ cú khả năng gắn kết tốt hơn HCHO và tốt hơn nhiều so với CO. Tất cả cỏc nhúm bazơ nitơ đều tạo đỏm gắn kết. Tuy vậy, khả năng gắn kết của urờ lờn ADN khụng cao (hỡnh 3.7.), khụng phải tất cả cỏc đỏm gắn kết đều tạo thành bởi liờn kết hiđrụ. Trong cỏc cấu trỳc đỏm (hỡnh 3.7) xuất hiện cỏc cặp liờn kết hiđrụ (hỡnh 3.7b, 3.7d, 3.7e), điều này hoàn toàn phự hợp vỡ khi ADN tạo chuỗi xoắn kộp bởi cỏc liờn kết hiđrụ thụng qua cỏc bazơ nitơ (A=T, G≡C, [25, 26]) trựng với chớnh cỏc vị (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
trớ mà cỏc bazơ nitơ tạo liờn kết hiđrụ với urờ. Nhận thấy, với phối tử urờ thỡ bazơ nitơ Cytosine vẫn là nhúm cú khả năng gắn kết tốt nhất, đỏm hỡnh thành
KẾT QUẢ NGHIấN CỨU VÀ THẢO LUẬN
96
là bền chặt nhất (liờn kết bằng "cặp" liờn kết hiđrụ). Thymine là nhúm cú kớch thước nhỏ, chỉ cú 1 vũng trong phõn tử (hỡnh 2.3a), tuy vậy Thymine tạo đỏm gắn kết kộm nhất với urờ. Cỏc cấu trỳc đỏm (hỡnh 3.7a, 3.7c, 3.7h) chỉ là sự
gắn kết thụng thường, khụng tạo liờn kết hiđrụ, trong cỏc đỏm này, cấu trỳc phõn tử urờ bị biến dạng (cỏc nguyờn tử trong phối tử urờ khụng cũn nằm trờn mặt phẳng), điều này cú thể giải thớch do đỏm hỡnh thành khụng bền, chỉ là cực tiểu năng lượng cục bộ. Với cỏc đỏm cú tạo liờn kết hiđrụ, phối tử urờ vẫn giữ được cấu trỳc phẳng, do điện tớch được giải toả, đỏm hỡnh thành cú năng lượng cực tiểu, cấu trỳc đỏm ở trạng thỏi bền.
Phối tử Urờ gắn kết với bazơ nitơ luụn ở phớa đối diện với nguyờn tử H thay thế (cascadeur), điều này cú thể giải thớch vỡ kớch thước của phõn tử urờ khỏ lớn (kớch thước phõn tử urờ so với kớch thước cỏc nhúm bazơ nitơ và so với khoảng cỏc giữa cỏc bazơ nitơ trong mạch ADN), khi phối tử Urờ tiếp cận với cỏc nguyờn tử lõn cận nhúm bazơ nitơ khảo sỏt, lực cổ điển MM sẽ tăng nhanh, đẩy phối tử urờ ra xa. Cũng vỡ kớch thước phõn tử urờ khỏ lớn, nờn khả
năng tạo liờn kết hiđrụ với ADN khụng cao do hiệu ứng khụng gian.
Độ dài liờn kết hiđrụ tớnh được trong bảng 3.3 cho cấu trỳc cỏc đỏm hỡnh thành sau quỏ trỡnh gắn kết hoàn toàn phự hợp thực nghiệm [26, 38].
Bảng 3.3. Độ dài liờn kết hiđrụ khi urờ gắn kết lờn cỏc nhúm bazơ nitơ
Bazơ Nitơ Liờn kết Độ dài (Å)
2 A Ure N - H 2,32556 A(2) 2 A Ure N -O 2,47201 1 C Ure N - H 2,11218 C(1) 1 C Ure H -O 2,38803 2 C Ure N - H 2,19569 C(2) 2 C Ure H -O 2,36065 G(1) H -OG1 Ure 2,31619 G(2) H -OG2 Ure 2,29444
KẾT QUẢ NGHIấN CỨU VÀ THẢO LUẬN
97
Nhận xột
Khảo sỏt sự gắn kết của urờ trờn ADN, đồng thời xem xột vai trũ của nhúm -NH2 trong hợp chất, chỳng tụi nhận thấy:
• Urờ gắn kết lờn ADN chịu ảnh hưởng nhiều của yếu tố khụng gian, phõn tử urờ luụn ở vị trớ xa so với nguyờn tử H thay thế.
• Xỏc định được cấu trỳc, sự định hướng của urờ trong đỏm hỡnh thành, tớnh được độ dài liờn kết hiđrụ trong đỏm.
• Khi thờm nhúm -NH2 trong phối tử, độ phõn cực của phối tử tăng lờn, khả năng gắn kết của phối tử lờn ADN tăng rừ rệt, đỏm gắn kết bền chặt hơn nhờ hỡnh thành liờn kết hiđrụ và “cặp” liờn kết hiđrụ.
• Quỏ trỡnh gắn kết tạo nờn một trạng thỏi cõn bằng “urờ - ADN”. Độ dài liờn kết RC=O trong phối tử urờ đạt giỏ trị khụng đổi (thay đổi rất ớt so với liờn kết C=O trong phõn tử urờ ở trạng thỏi tự do).
• Nghiờn cứu quỏ trỡnh gắn kết urờ lờn phõn tử ADN chỉ ra rằng: bazơ
nitơ Cytosine cú khả năng gắn kết phối tử urờ rất tốt, đỏm hỡnh thành sau gắn kết cú độ bền lớn nhờ tạo “cặp” liờn kết hiđrụ.
• Urờ cú khả năng tạo liờn kết hiđrụ cặp với bazơ nitơ của ADN, vị trớ cỏc nguyờn tử tạo liờn kết đú trựng với vị trớ tạo liờn kết hiđrụ trong chuỗi xoắn kộp của mạch ADN. Điều này khẳng định, phương phỏp tớnh cũng như cấu trỳc đỏm hỡnh thành là đỏng tin cậy.
3.2.2.2. Hyđrazin gắn kết trờn ADN
Lý do chọn phối tử hyđrazin: là hợp chất đơn giản nhất chứa 2 nhúm - NH2 liờn kết trực tiếp với nhau, tất cả cỏc nguyờn tử đều cú khả năng tạo liờn kết hiđrụ, so sỏnh nú với cụng thức của urờ, ta sẽ thấy nhúm chức C=O gõy
ảnh hưởng như thế nào trong quỏ trỡnh gắn kết (cú thể hỡnh dung phõn tử
hyđrazin được tạo thành do việc cắt đi nhúm C=O trong phõn tử urờ). Tương tự cỏch nghiờn cứu trờn, cấu trỳc đỏm được hỡnh thành khi trạng thỏi “(NH2)2- ADN” dần đạt đến cõn bằng tức là khi năng lượng hệ giảm dần, đạt đến giỏ trị
KẾT QUẢ NGHIấN CỨU VÀ THẢO LUẬN
98
khụng đổi, độ dài liờn kết RN-H dần đến giỏ trị ổn định, khoảng cỏch rmin (từ
hyđrazin đến ADN) đạt giỏ trị khụng đổi theo số bước hồi phục. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Tiến hành quột trong toàn bộ khụng gian hộp mụ phỏng chứa phõn tử
ADN, thu được cấu trỳc cỏc đỏm được hỡnh thành khi phõn tử hyđrazin gắn kết lờn ADN (hỡnh 3.8). (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h) (i) (j)
KẾT QUẢ NGHIấN CỨU VÀ THẢO LUẬN
99
(a), (b), (c) ứng với nhúm A(1), A(2), A(3)
(d), (e) ứng với nhúm C(1), C(2)
(f), (g), (h) ứng với nhúm G(1), G(2), G(3)
(i), (j) ứng với nhúm T(1), T(2)
Cấu trỳc đỏm “Hyđrazin-Adenine” chỉ cú A(1) và A(3) tạo liờn kết hiđrụ với hyđrazin (hỡnh 3.8a, 3.8c). Cấu trỳc đỏm “Hyđrazin-Cytosine” chỉ
cú trường hợp C(2) (hỡnh 3.8e) tạo được liờn kết hiđrụ. Cấu trỳc đỏm của “Hyđrazin-Guanine” đều tạo liờn kết hiđrụ (hỡnh 3.8f, 3.8g, 3.8h), đặc biệt ở
cấu trỳc đỏm của hyđrazin với G(2) xuất hiện liờn kết hiđrụ “cặp” (hỡnh 3.8g) tương tự trong nghiờn cứu với urờ. Cỏc cấu trỳc đỏm “Hyđrazin-Thymine” (hỡnh 3.8i, 3.8j) và cỏc cấu trỳc đỏm cũn lại (hỡnh 3.8b, 3.8e) chỉ là sự gắn kết thụng thường, khụng tạo liờn kết hiđrụ. Ta nhận thấy, khả năng gắn kết của hyđrazin lờn ADN kộm của urờ, khả năng gắn tốt nhất là vào nhúm Guanine, kộm nhất vào nhúm Thymine. Chỉ tạo được 1 đỏm tồn tại liờn kết "cặp" giữa phối tử và bazơ nitơ là “Hyđrazine-G(2)” (tương tự như cỏc liờn kết hiđrụ
được tạo ra khi hai chuỗi ADN tạo chuỗi xoắn kộp [25]).
Phõn tử hyđrazin gắn kết với bazơ nitơ luụn ở phớa đối diện với nguyờn tử H thay thế (cascadeur), điều này cú thể giải thớch vỡ kớch thước của phõn tử