Simulación de la hidratación de los pares de bases adenina

1¡-":\,[STI(jAClÓN
REVISTA MEXICANA
DE fíSICA ~~ (51473-47:'1
OCTUBRE
19lJH
Simulación de la hidratación de los pares de bases adenina-timina por el método
de Monte CarIo
E. (iolll.<Ílez, 1. Castro. E. LúpL'l, and VI. Polle\'
Colegio de F(sic{/, Faculllld de Cienci{/s Fúico Marcf/uític{/s. l/"il'l'rsid(/d
Ap{/rtado I)()st{/l //52, 720()() ¡'l/eh/o, PI/c .. A/cxico.
AII/(JnOm{/ de Puebla
S.V Filipptlv
/nstitllto
/nstitllto
Teórico y Erl'crimc11to/ de Rio/úic{/, Auuiemia tic Cienefa,\" dc Rusia
/-12292 Pus!le!lino, Rexián tic ¡\/o.\'c/Í, Rusia
¡\.Y. TcpluklJill
Matcmático de PmhlclIlIls Uio/ágic().\", Ac{/t/cllliu tle CiCIlCftlS de RUJia,
/-12292 Pus!lc!lillo, Regiáll de Mosc/Í, RI/sia
Recihido el IXde lllaYllde It)l)X: ,Kcptadtl el 11 de junitl de I{)t)X
Se utilila el método de Monte CarIo para simular la hidratación de moléculas individuales de los :Íl:idos lluc1eicos: mJenina. timina y cuatro
de sus posihles pares unidos con enlaces de hidrógeno (enlaces-II l. Fueron determinad,ls las energías y las característic.ls de hidratación para
eslas hases. Se utiliza un lluevo método par.l estimar los cambios en la hidratación después de la I"mmaciún de un par de bases a partir del
dlculo dd volumen accesible de enlaces-H. Los cálculos dellluestran cambios en los \'ollÍmenes de accesibilidad dc los ;hornos involucrados
en los enlaccs-II entre las hase s de Ull par. Hay una huena eorrc1aci6n entre los vo!tímenes de accesibilidad y los índices de hidratación de los
(Ilomos Ilidrofílicos de las hases. Esta correlación st'rá usada para c1ahorar l1llt'VOSmétodos simpliticldos para la estimación de los camhios
dc la cnergía de hidratación de complej{ls hiollloleclllarcs o transiciones nllll"lll'lnacionall's.
A'l'\'lI'lm!s: DNA: hydration: ~1ontt::Cario
A t\lo11te CarIo melhod was llseu lo simulatc (he hydratioll 01"separate IllO!cCll!cSand I"our possihle hydrog:ell~honded (H-bonded) pair nf
Ilucleic acid hases. adcnine and thyminc. Hydration cncrgics amI hydralion shell characteristics Cm st'parale bases and base pairs have bcen
determincd The new IlIcthod. the computatian 01"the \'olume accessible for J{.hond formation. is used to estimate the hydration changcs aftcr
hase P:lIl' forlllatioll. 'rile computations dcmollstratc changes in :lccessih!c volul1les 01"atoms involved in H-honding het\ •...
een hases. Good
C(llTclatloll exists he(ween accessihlc volumes and hydration indices of hydrophi lic atol1ls of !)ílses. 'I'his cmrclation will he lIscd to elí1borate
He\\' simplifieo method 01"estimation 01"hydration energy change on hiomolcnilar complning or collformationaltransitions.
/)l',\t-ril'fllrt'S:
ADN: hidratación: ~ltlnte Cario
I'¡\es: X7.15.K: ~5,20,(i; 02.50.l\'
l. Introducción
El descuhrimiento
individuales de los AN, Estas hases constituyen
derivadas dc
la purina y pirilllidina siendo éstas: adenina A, guanina G y
de la estructura
de la dohle hélice (kl ;Ícido
desoxirrihonucleico
(ADN) Y las implicaciones
se derivan de ésta [11. han propiciado amplios
Ic6ricos como experimentales
para determinar
genéticas que
estudios tanlo
las interaccio~
Iles que cxislen entre las componentes
de los ácidos nucleicos (¡\N). cntre fragmentos
de ADN y el solvente que los
rodea. Un conocimienlo
de estas inleracciones
y las propiedades físico-químicas
de los ácidos Ilucleicos ayudaría ellormemente a entender el papel que juegan los ~kidos nucleicos
en el funcionamiento
de los seres vivos.
Es conocido que la informaciún genética se encuentra codificada en la secuencia de bases y en la estructura dcl ADN,
pero hoy cn día una interpretación
más actual incluye a las
moléculas de agua que forman la capa de hidratación alrededor de los <Ícidos nucleicos [21, Por otro lado las propiedades
C(ldi licad()ras se expresan através de la estructura de las hases
timina T (o uracilo U para el :ícido ribonucleico).
Por la composki6n de sus ;ílornos. las hases son rígidas y sus átomos
se encuentran
aproximadamente
en el plano. Las hases nucle6tidas contienen varios centros hidrof11icos (átomos con la
capacidad de f(lrmar enlaces de hidrógeno con otros átomos).
Esta propiedad de las hases las posihilita a la formación
varios tipos dc pares de bases unidas a Iravés de enlaces de
dr6geno knlaces-H).
Los enlaces de hidrógeno entre las
ses contri huyen ¡¡ la estahilidad de la dohle hélice y proveen
de
hi~
hala
~specifkidad
para la transferencia de la informaci6n genética.
pero tamhién la geometría del par es un factor que influye en
esta estahilidad, Considerando
estas características
se pueden
formar solamente 29 diferentes pares de hases [3, ,tj si se toma en cuenta que los enlaces-H entre las hases no ocurren a
Irav!5s de los ¡üomos N~-II en purinas y N I-H en pirimidinas
(sitios donde se une el al.lÍl'ar). Una,comparación
de las ener-
E. GONZALEZ ¡'Ial
Y'
){:
..
,\'1'1
AT2
XI.j
'\T3
FltiUR ..\ 1. I.o~ pares dc hases adl"nina.timina con dos cnbel's de
Ilidn1gl"llo: :\Tl par de W;ltS(ln y Crick. :\1'2 par de HilUgstl"CIl.
¡\TJ P,lf antlsimelrico de Wmson y Crick. "'1'4 par antísimctrico de
Ihltlg~tl't'll.
gías de estabilización
de los pares dc bases utilizandt> dife-
rentes métodos. con potenciales empíricos,
oh ¡/litio sc puede \'er en la Ref. 5.
semi-empíricos
y
De cntre los diferentes pares de hase s, aquellos que OL'lIITen en el ADN (G:C y A:T) son los de mayor importancia.
c\isliendo
tres estructuras G:C y cuatro estructuras A:T (ver
Fig. 1), El par GC de \Vatson-Crick (\V-C) con tres en1<lces-11
es el mas estable a difcrcncia de el grupo de pares AT donde
l'l par de Iloogsteen es elll'rgéticamentc
Ill;ís estahle respl'cto
a los tklll;ís.
2. Las fllucinul's de pnteucial
Una c()lIlpleta dl.:..;nipción de las intl'raccioncs
entre las com-
pOlll'ntc~ de lo" AN y '>us caraL'lel"Í..;ticls de hidrataciún
es
posihk con la utili/,ación de fUllcioncs de pOlclll"iall.:lllpíricas
especialmente
elahoradas para estos sislemas: dentro de es~
te marco..;c reali/ll ulla cOlllparacilín dCIaIl;\(..1ade los c;íklllos
de las propiedade ...de hidrataciún dc las bases individuales Jc
los AN respecto <ldatos experimentales
disponihles,
Para un
grup(1 de funciones de pOlencial1711(ls resultatil)s dieron una
ventaja de las fUllciollcs de potencial Poltev ~ l\la!cnkov lS]
sohre l'l campo de fueuas de \Vciner .\: Kollman [91, con el
modelo del agua TIPJP y de los "potenciales optimi/ados
para la simulación dc líquidos" (OPLS) [101 con e!lIlodelo del
agua TI P4P. así luisll10 con potellL'ia!es 1Il,is recicntes COIIIO
l'S la ""L'gunda ~elll'l"al'i(ín dc l'aIl1Jl0"; dc lücr/as"
111]. Por
lo tanlo l•...lo da (ollli;¡hilidad
a los rl'sultados de los c<ikulos
de la hidr.ltJción de pares de bases que sc rcali/.aran
mudelo de Poltev y J\1alcnkov ISI.
con el
La energía dl' illtlT:lcción intcrTJlo!ccular entre las hases
nucll'otídicas y las Illok(culas de agua se calculan como la suma de las interaccioncs
par entre todos los átomos que constituyen las hases J. los ;lIomos de las moléculas de agua. Las
funciolles de potencial SOIl del tipo 1.10-12 para calcular la
encrgía de inleraccj¡Ín dc los átolTlos de hidrógeno capaces de
formar cnlaces-H C(III hls ;Í(OIlHl";pnllón~acept()r
lEc. (1 )1. y
de los potenciales
l-ú-12 pam el c~iklllo de la energía con los
;íhllllO'> ["e",tantes I EL', (.2)].
inL'1uyen<io al par AT de \V-C [.1].
La !"orJn;ll'ión de las cuatro estructuras AT son igualmente
probahk ....ya que la estabilidad interna para los cuatro pan:s
es 1lIUYSl'lllL'janle: Clll110 mencionamos.
el par de Iloo~sICen es li~L'l"alllente m;ís l"a\'(l!"ahle (ellergéticamente
habland())
¡)¡,:urriendo L'1lcristales
(I)
[7(,.,,) =
tk 1l10números,
Una l'IlIllparaciól1 de los datos cxperimentales
con los
\.';ílculos dL' ~u eSlahilidad intcrna, mueslra que la relativa prohabilidad de la formación de diferentes pares estii principalIHente dL'lcnnillada por la energía de interaccilÍn de las ba ...cs
Cllll el ekl"to tlL'l sol\"elllc 1:2. -1]. Para algunas comhinaciolles
dl' pare.s tk ba..;es. los pucntes dc agua pueden estahililar es((1', parc\. por ejemplo
en las estructuras cristalinas del dúplex
dl' oli.\!onuck'(ílidos que l:onticnen el par incorreclo Ci:T. las
moléculas L1L'agua tienden a formar clímulos de agua alrede-
Cilla fUllción L'ollsiste de lllllermino
clectrosl.ílico
POllL'lltl'S de van dL'l' Waals. fU es la distancia
•
y COIll-
interatolllica.
(10)
q,
(JO)
Y q.l son las cargas de Ins at01l10s y A,} Y BI} (Al)
Y Bi} )
..;on los p¡¡r.hnelm.s que dependcn dd tipo de ;Í1oIlHls, de sus
eswdos dt: \.alencia (L'1lalgunos casos) y de los <Ítomos vecinos. Los par;ímet["os de estas expresiones se eligieron después
de ulla serie de c;ílculos sobre sistemas prueha tales como
cristales y asociados moleculares.
l"l'aliz:indose la comparaciún cOlllos datos experimcntales
los diferentes
laron por métodos de Huckel y Del Re con parametril.aciún
de Ikrlhod y Pu1l11lallll. cstas cargas reproducen los momentos dipulares cX]1L'rilllclll<lks de la", l110léculas ti :2]. Las geollletrías de las hascs de la adcnina y timina se ohlienen del
promcdio dc resultados de cálculos ah ¡,,¡tio y re~ultados experimelltales.
Las gcolllelrías de lus pares AT L'on.siderados
(OITL'sponden a los 111ínilllus de energía de interacción ohte-
pares de hases.
En estl.: articulo reportamos
los resultados de la silllllla~
l'ilÍn de hidr;¡taci(lIl para los pares dc bases AT (el par de
\\'alsol1-Crid,
y tres pares ;ll..1icionales). Ulilizamos un nllenl
método par;\ obtener cl nlÍmero de enlaces.1I formados por
I;L'"lllo1L'nllas de agua en cada UIlOde los l.:enlros hidrofílicos
de las basc.\ (indiccs de hidratación)
a través del d.klllo de
los \"oltíllll'nl'S de accesihilidad
en estos ;íIOIllOS.
disponihles
l8].
dur de estos pares [2. fil. Por lo tanto es necesario un estudio
del efeclo dcl medio acuoso sohre la relativa estahilidad de
Las cargas de los ,Ílomos de lo..;<Ícidos nuc!cicos
nidos Cll el trahajo
[ 11.
se c3lcu-
SI.\llIL\CH
),", DE LA HIDR.AT..\C1Ú:\ DE LOS I'ARES DE BASES Al )E~I~A.TI.\lI~:\
J. El método dc Montc Cario y la sinmlaciún dc
la hidnltaciún
L\l' promcdios t:rh..'rgético-" y las car;:íctcrisli-.:as d~ la capa dc
l1idrataci6n fllc calculada de la l'kcci6n estadística de las conliguracioncs del sistellla ue acuerdo a su signilicancia.
acorde
;d proccdimiento
de l\klro¡mlis
('/ 01. [U[ para un l'nsall1~
hit' NVT. El .,isl~lIla con si SIL'de un par dc bast:s de ADN y
un conjunlo de lIloknllas
de agua cn ulla caja i.1c dimcn,io1\1." apropiada..; ¡¡ una tempcratura
T. Las Ilwlénil,l\ dc agua
IUl'I'OIl dcsplaladas
sucesivamcnte
por Ull vcclor arbitrario y
mIada..; por un <Íngulo arbitrario alrcdedor dc Ull eje elegido
arhilrariallll'll1l' quc pasa a través del <ÍtOIllOdc oxígeno dc la
IlIok-.:ula de ;.gua. El camhio arhilrario dc la posicit'lll i.k la
11Hlk'nlla de agua causa un camhio cn la encrgía tlcl sistellla
de el a El.. 1.;\ 1l1lL'\'aconfiguraci(ln
cs aceptada si I;l. < El
si l'Xp[(f~'1 - 1':~J/kTl > ,..;dondc J•. cs la cOllstante dL'
Boltllllallll y s CS Ull númcro arbitrario dclinido L'n UIl ran-
<1
go [0.1 l. Si b l'onliguración
lIlodilicada no fuc al.cplaua L'nhlnn:~s la prc\'ia C<Hlliguraciún sc l(lIna en cllcnt;¡ nucvamcntc
~ '1..' rL'pi(c cl proCt.'dimicll!O.
La clcceión dd máximo despla/alllicnto
y la rolación m:í.xima se elige tic acucrdo a quc
l'l ntimero lk L"onliguraciollcs rcchazada no sca mayor que
eI5(){/(. De nucslra experiencia
[1-11 las cadenas de i\larkll\'
qUl' se ohtiencll dehen de ser de mas de un millóll de pasos
dl' i\lollte CarIo por molécula de agua y csto dcspués que l'l
si,lcllla haya sido cquilihrado
(se elimina la inl1uencia de la
l'onllguracilÍn
inicial), así los valores promedio de la energía
110 camhia
durantc los últimos miles ue pasos dc i\lontc CarIo.
I'ara C<lllsiderar Jos cnlaccs de hidrógcno pal a hlS cülculos
de lo ..•índices i.k hidrataciún sc utiliza un criterio gcométrico:
[Jll enlacc dl' lJidnígcno se forma si las distancias H-O (H:'\) Y () () lO -N) s(ln simull •.ínc,lIl1l'IlIC menorcs quc 2A A y
~.~ ..\. rL'spl'l.ti\':Ill1cnte. y sin alglín requerimiento
cncrgético
o ;lIlguJar ¡SI, La L'struclura lilla tic la capa dI..' hidrataciün
de lo, i\1\: L'st<ÍUlIlIPUCSI;:l dcl Illímero de enlal'l's-II y UL'los
[)IIL'lItL'Sdc agua que se forman en las bascs dL' los AN. La
10I11Iaciónlk lo..; pUL'ntes de agua sc rc:l1ila cuando una. dos
\1 tre,
1l1Ok;l'ula ..•de agua forman clllaccs-II con dos centros
l1idrofílicos de una h,ISC o cntre dos bases vecinas. La formal'itín dc estos pucntes dc agua pucden
UII importante
faclor que contrihuye
disl;niOs pares lk hases.
ser considerados
a la cstahilidad
corno
de los
Para ulla ohtcllción tle resultados más realistas. como se
\ lli en la RL'r. 7. sc impusieron
condiciones
peri6dicas a la
1I0lltera .,úlo a la, moléculas dc agua. ya que las inter;:ll'l'ionl....enlre la ha."icSde estudio y 1;:lshases con las moléculas de
;1~lIa L'll las ccldas unilarias n'cinas pucden scr despreciables
(l"l'.'pl'ctn a los \'alorl's calculados).
1.;1, dimClhitlllL'S de la cl'lda unitaria para Ilucsiros siskma..; (..J.OOIlloléculas dc ;:¡gua + compollerlll's
dc los AN)
'011 calculada ..• para reproducir
la densidad
dcl
O.t)l)5 gr/clll':, El valor del volulIlcn por molécula
agua de
dc agua
el promcdio por molécula del bulto de agua pura a 30n° K.
1.0'" \'alores del volulllen para las hascs son tomados de sus
l',
1'(11{EL .\IE"I'( ID{) I H: .\10;-':TE ('ARLO
-175
Vollílllcncs L'IIcristal cs. siendo para la 9-tllctiladenina
oe I (lX
Xl y 1-llletiltilllina de 1hl) XI [ l;j. IG] estos valores son muy
'clllcjantL's para \~lri(ls lipo ...dL' cristales incluyendo mezclas.
Las energía..; de hidratación para las hascs individuales A
y T Y los pares de bases sc calculan a partir de la relación
E"['olal Ew il'llt:rgfa t01a1 dc inleraccii.Ír. del sistcma menos
la energ(a de inll'racciún 10lal en el sistema "agua pura").
-l. Yohímcncs dc aCl'csihilidad
Adcrn;ís dl' !t", c;ilculos dL' las componentcs
dI.' la energía de
intcracci(in intcrmolccular
y la estructura dc la capa de hidratación dl' las ha..;L" y pares lk ha"ies por l'I IIlL'todo de ~vlol1tc
Cario. SL'rl';lIi/[" el dlculll de 1(", \'ollÍmcncs dc :lCcesihilidad
de los ~Í101110";.1.;1 accesihilidad
se considcra a la parte del
volu11\en de ulla c ....rl'ra L'<1IlCL'lllro en los (¡tolllOS hidrofílicos
quc 110 es ocupado por los ;í\llllltlS dc las hases y con rauio
igual a la m~Í\ima diSlancia L'1lla cual aún es posible formar
cnlaces H (tk' acuerdo a el mbl110 critcrio utiliwdo para la
fonnal'iún tk' cnlaces-H cn el método de l'vlollle CarIo). Suponemos qUl' los ;ílomos de las bases ocupan esferas con radios igual a la mínima distancia Cll [a cual puede acceder a
ellos una l11olécul;:: dc agua. ESlas distancias de nuestra expcricncia en la lllodclación de las interacciones
agua-bases,
se
eligieron igual a 2.lJ A, 2.7 " Y 2.65 Á para los ,íWIllOS de C.
N y O. rcspccti\'~llIlentc. Los útolllOS de hidrógeno capaces de
panicipar Cll L'nlaces-H suponcmos que no ocupan volulllclI.
llO así los restarlles ;:ítOlllos de hidrógeno los cualcs tiellc un
radio dl' 2.2 A.
Los \'ollílllencs
de accesibilidad
incluycn
aquellos
\"llllílllCllCS ocupados por los ,ÍlOIllOS vccillos de las hases co1110cs cl C:I.'Odel grupo ¡¡mino cn la adcnina.
Considcrall1os
aquí
J;¡
rclaci6n
del índice de hidralaciún
dc cada tino dL' los :itOlllos de la basc con los volúmcnes
acccsihles para formar l~lllaces-H. que pcrlllitir;:í en lo succ..;i\'o clahorar un lIIéloJo simplificado
para valorar los camhios en la hidrataciún durante la fonnaciún dc los complejos
IIH)lcculal"cS y las tranSf(ll"llladolles
con!"ornwci(lnales
dc las
nH)léculas,
5. Resultados y discusilín
La Tabla I Illuestra los resultados
dratación para hases individuales
de las caracleríslicas
ue hiaucnina y limina y cuatro
dc SU:-ipares de bascs unidos con dos enlaccs-H.
Los parcs
dc hascs ;\1' corrcspondcll
al par de \V~C (ATI l. el par dc
lIoogstcen (I\T2). el par dc \V-C inverso (ATJ) y cl par de
lIogsteen invLTso (1\'1'4) COIllO sc puede ver en la Fig. l.
Adem<Ís dc las cllergí:l lotal de los sistemas "hase (o par
dL' hases) + -lOO moléculas de agua" se prcsentan los valores de la L'lll'l'gía de interacción
de las moléculas de agua
entre sí (Rl\') Y con cada una de las hase s y parcs de bases (E\I ...\. I~,:l\"l" y £..
1"1").l." ellcrgía de hidralacil.Ín (fj.E
E']'o/¡t1 - E"'I'.ll<l) también es rcportada para hascs individua!l:s
y parcs tic ha ..•cs. la cnergía de intcracción E¡\v;ult para el agua
=
E. G(lNZALEZ
1'1
al.
T¡\UtA I Cara<..'lerísticas de la cstructura de hidratación y \"oltímcncs (k ;lCccsihilidad de los sistemas "hases IltJclcicas (A. T ó sus pares A:T)
+ ..too
Illoleculas de agua" a 300 K.
A
-.380i.u
T
ATI
Af2
-:3802.0
-:1820.;)
-:3818.:3
AT3
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-:\8l!J.a
-:3818.,
£,1/
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;)7.G
07.9
./1.1
.12.1
.1.1.;)
.12,.1
:-\o(a: ETotal. E ..\T. EWA. EWT y Ew corrcsponden a las cllcrgias de interacción (Kcal/mol). lot;tl del sislema. agua-par A:T. agua-adenina.
dgU;I-limina yagua-agua reslxx:lí\"amelltc: 2l.E es la entalpía de hidrala<:jún (Kcal/mol): H.\ Y Ilr SC)11 l'l pn)lllcdio total de enlaces- ¡I «;{ )para
l;lSbases;
AAT.
AA
Y AT son los \-"olul1lcncsaccesibles
{Á(3)
a la form:lI.:ion dc enlaces-H.
pura fue calculada ohteniéndose el valor de 3782.5 Kcal/mol.
I,;' l~lH;,rgíade hidratación se diferencia significativamente de
la energía de interacción de las hase s (o pares de hases) con
moléculas de agua. debido a que con el alojamiento de la hase en el agua. sucede un camoio en la energía de interacción
de las moléculas de agua que en parle es compensada con la
energía tk interacción hase-agua. El valor de la energía de hidratación para las hase s individuales A y T casi no se diferencian dc las ya puhlicadas por nosotros con anterioridad 171.
los resultados muestran pdcticamcntc iguales índices dI.' hidratacit'lIl. la diferencia tiene que ver con los camhios que
hicimos en el radio que suma la interacción intenno1ecular.
(\)lIHI.,eílalamos antes los datos reproducen satisfactorialIll'1l1clos datos experimentales de la entalpia de hidratación
de la l)-lTletilatlenina y I-mclillimina a 298 K. ootenidas por
métodos de espcclfOmetría de masas que reportan los valores
de -2:111 Kcallmol [1,J y de -23.4 [181. respectivamcnlc.
Durante la formación de cada uno tic los cuatro pares de hases Al'. las componentes energéticas de interacción son hasI;mll' scmejanles entre sí, como ocurre con las estahilidades
internas de los pares calculadas por diferentes métodos Pí J.
Tamhién se observa que hay una disminución del número tle
cnlaces de hidrógeno respecto a las hases individuales. Es[o es originado por la formación de cnlaces-H entre las hases pues sucede un apantallamiento (completo o parcial) de
los centros hidrofílicos de las hases. protón-donOf y protÓIl¡¡(,:epIO!'
ante las interacciones. Este mismo efecto aparece en
el cúlculo de la accesihilidad total de los átomos hidrofílicos
de las hases que forman enlaces-H con agua.
Los rcsultados de los cálculos del promcdio dc enlaccs11 con moléculas de agua para cada uno tic los centros hidr(lfílic(ls se presentan en la Tahla 11.En esta tahla tamhién
Re\~ Me.\". F{<j.
.u (5)
11. Número promedio de enlaces de hidrógeno H (%) Y
volúmenes tle accesihilidad A (kl) par;¡ los cenlros hidrofíliros dc
las bases.
TABl.A
A
T
,\TI
AT2
AT3
1.7
l.':;
II(~ 1)
1.8
1.1
1.7
1.1
IHN3)
1.5
1.0
L::'
lG
AH
II(N7)
1.8
18
1.1
la
1.3
11(1161)
O.S
(JI)
0.8
011
0.8
().7
os
0.0
0.8
11.o
l(j.:.!
(l ..')
16.1
G,G
1G.1
11(11(,2)
A(~I)
A(N3)
14.0
140
14.11
I.3.a
1.10
A(N7)
17.0
17.0
G.a
16.a
G.8
A(116)
29.7
200
20.4
20.3
20.6
16
1.3
1.2
11(02)
la
1.7
11(04)
:2.2
16
lG
2.0
1.9
(J.O
(l.iJ
11.0
II(N3)
0.8
00
A(02)
28.7
:!O,1
laG
lG.7
Ud
A(04)
:28.0
17.7
16.3
21.2
20.7
A(N3)
1,1.7
G.;)
GG
G.;)
G.;)
si,;'tia el valor de los volúmenes accesibles para la formación de enlaces-H de cada lIllO tle los centros hidrot1licos.
Los datos de la Tahla Illlluestran cómo disminuye el número
de enlaces-H de moléculas de agua con aquellos centros hit1rofílicos que participan con enlaces-H entre las hases. Para
los :ílomos de hidr6geJlo que participan en la formaci6n de
cnlaccs-H entre las hase s l1\uestran pr;:ícticamcntc una COIllplela ausencia de enlaces-JI con moléculas de agua.
(IY9X)
413--47:-1
SIMULACIÓN DE LA HIDRATACiÓN DE LOS PARES DE BASES ADENINA-Tl~1JNA 1'01<EL MÉTODO DE MONTE CAI<LO
~77
TABLA 111. Puentes de agua entre los centros hidrofílicos de la~
lO
hasc~, formados por una molécula de agua (tipo B 1) Y por dos
•
moléculas de agua (tipo U2 ).
25
~~20
:::.
o
~ 15
•
E
o
•
CCJl1ros hidrofíli •...
m
•
•• •
•
• :•
•
PUl'llleS
•
5
Indlces
1
de hidratación
1.5
(Numero
2
2.5
de enlaces-H, %)
FrmJRA 2.
Correlación de los índices de hidratación con los
de accesibilidad para los (:entros hidrnfílicos protónde las hascs A y T
\ohílllCllCS
;ICl'plOf
23
Puentes de agua de tipo 132
•
O
0.5
AH
7
;-..13-0.t
O
AT3
de agua de tipo B I
lI"i-~1
> 10
AT::!
25
Ilh2-N7
"
ATI
1,;1disminución del volumen tic los átomos hidrofílicos
al'l'c~ihlcs a la formación oc cnlaces-H, se correlacionan
con el mímcro dc cnlaccs.H formados en estos átomos con
1I1OIéculasde agua. En la Fig. 2 se presenta la dependencia
entre estas cantidades para los ~ít0Il10Saccptorcs dc protones de los enlaces-H. Los coeficientes de correlación son de
(l.X2J para todos los átomos accptorcs de protones, O.X61 para la adenina (en esta hase los átomos aceptorcs de enlaces-H
consisten solo de álOI1l0Snitrógeno) y de lUD-l para la limina
(csta hase tiellc solamentc átomos de oxígcno).
La capa dc hidratación de las hases y sus pares, se caracteril.a por l<lparticularidad de los pucntcs de agua formados
. l'1I11"í..~
los centros hidrofílicos. En la Tahla 111 se presentan la
prohahilidad dc la formación de puentes de agua con ulla (tipo B 1) Ydos (tipo B2) moléculas de agua. Se ohserva que los
pucntcs del tipo B I se forman solo entre ütomos de la misma
hase (entre el grupo ami no y el átomo N7 ó NI de la adcnina) ya que puentes con una molécula de agua entre dos hases 110 existen dehido a las considerahles distancias entre los
,ilomos hidrofílicos dc las hases. Los puentes de tipo B2 que
enlal.an dos ccntros hidrofJ1icos entre las hases se encuentran
Illas frccuentemente en el par de Hoogs(een y el inverso de
Hoogstecn, es decir, en pares en los cuales se forman enlaces N7 ... H-N l. Los puentes de tipo B2 entre la misma hase
se forman entre N7 de la adenina y los hidrógenos del grupo
amino los cuales no participan en enlaces-H entre las hases.
Hay un número no muy grande de puentes del tipo B2 entre
~Í1()ITlOS
oe una misma hase (04 ... 04 Y 02 ... 02).
Los cükulos de los volúmenes de los átomos hidrofílicos de las bases que son accesibles a formar enlacesH con las moléculas de agua, muestran que durante la
formación de cada uno de los cuatro pares de hases sucede una disminución del volumen de los átomos dehido a que intervienen en la formación de enlaces de hidr6geno entre las hases. Para los ,\tomos de nitrógeno
esta disminución es m:lS pronunciada para los ;llomos
l'xm:íclicos que para los <Ítomos del grupo ¡¡millO.
4
NI-O.t
H
15
NI-O::!
K
111
1162.04
le
N~-02
4
1.1
1162-02
N7-04
15
111
N7-02
12
12
.12
1161-02
1162-N7
1161-NI
19
.17
35
26
26
La disminución de los volúmenes de accesibilidad se correlacionan con la disminuci6n de los índices de hidratación
calculados con el método de f\..lonteCario (Tabla 11).Para poder establecer la correspondencia cuantitativa entre el volumen de accesibilidad y los índices de hidratación son necesarios datos complementarios, los cuales pueden ser obtenidos
al reali/.ar los dlculos de los demás pares de bases .
6. Conclusiones
De los c~¡lculos de las características energéticas y estruclUrales de las hases indivio~alcs adcnina. timina y sus pares de
hases se ohtiene que durante la formación de un par de hases
con cnlaces-H. ocurre ulla disminuci6n en valor absoluto de
la energía dc hidratación tic las bases. es decir la hidratación
de alglín par de bases es mcnos favorahle que de las hases
separadas. Esta disminuci6n es mayor que la energía de in.
teracción de las bases. por ello estos pares no se forman en
cantidades cOllsiderahles en soluci6n acuosa (yen el medio
intracelular).
Una comparación de los índices de hidratación con los
volúmenes de accesibilidad para los útomos protón-aceptor
de las hascs reporta una buena correlación que se puede ver
cn el efecto de apantallamiento que ocurre sobre los centros
hidrofíl icos de las hases cuando forman enlaces-H entre ellas.
Esta correlación entre los índices de hidrataci6n y volúmenes
acccsihlcs estahlece un nuevo mélUdo úlil para el estudio de
la hidratación de fragmelllos de los ¡kidos nuclcicos y para
investigar los camhios cn la energía de hidrataci6n cuando
(lClIlTentransiciones conformacionalcs del ADN.
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del proYl'l'lO 2523X-E CONACYT (i\k\ico).
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1,1lS :tUtorl'S ap.r:ldl'Cl'll ti el Dr. Arturo Cervantes, Dircctor dd
Ikpto. de BioltlP.b Humana de la lJl'i\I~P, por la valiosa ayu-
J. D. \\',11"011 :lnd F,II.C. Crick.
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P.A. Kollmall,
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JI. \\'.I).{'llflldlr'¡ol..I'\III,
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