مطالعه مقايسه اي اربيتال هاي مولكولي B-DNA و Z-DNA با استفاده از روش تابع نماي دانسيته (DFT)

A comparative study of B and Z-DNA molecular orbitals with density functional theory (DFT)

در اين پژوهش ساختار الكتروني جفت نوكليوتيدهاي كومه شده AT و GC در دو ايزوفرم B-DNA و Z-DNA با استفاده از روش تابع نماي دانسيته (Density functional theory) مورد بررسي قرار گرفته است. پايه تابع نماي (basis functional) B3PW91 همراه با مجموعه پايه (basis set) 6-31G** جهت مطالعه توزيع اربيتال هاي مولكولي و سطوح انرژي دي نوكليوتيد هاي كومه شده در B-DNA و Z-DNA به كار گرفته شده است. مشخص شد كه توزيع اربيتال هاي مولكولي در دي نوكليوتيد GC در فرم B در مقايسه با فرم Z متفاوت مي باشد. در حالي كه بالاترين اربيتال مولكولي اشغال شده (HOMO) در B-DNA بر روي باز گوانين قرار گرفته، اين اربيتال در Z-DNA از باز دور شده و بر روي ستون پراكنده شده است. علاوه بر اين سطوح انرژي اربيتال ها نيز با هم متفاوت مي باشند. در مورد دي نوكليوتيد هاي كومه شده AT، مشخص گرديد كه HOMO در B-DNA بر روي ستون قند فسفات قرار گرفته، در حالي كه در Z-DNA بر روي باز تيمين قرار گرفته است. در كل نيز مشخص گرديد كه سطح انرژي اربيتال هاي مولكولي كه بر روي ستون DNA قرار گرفته اند در حدود 8/0 الكترون ولت كمتر از سطح انرژي HOMO مي باشد كه اين امر بيانگر مشاركت فعال ستون قند فسفات فرمهاي B و Z در برهمكنشهاي شيميايي مي باشد.

The electronic structure of GC and AT stacked dinucleotides, in two different forms of DNA (B and Z) is studied, using density functional theory. B3PW91 basis functional with 6-31G** basis set is applied to investigate molecular orbital distributions and energy levels of stacked dinucleotides in B-DNA and Z-DNA. It is demonstrated that the distribution of molecular orbitals in GC dinucleotide, in B form of DNA, is different from those in Z form. While HOMO in B-DNA is localized on guanine base, in Z-DNA, it is dragged away from the base and spreads over DNA backbone as well. Moreover, the energy levels of orbitals are also different. For AT stacked dinucleotide, it is shown that HOMO in B-DNA is localized on phosphate-sugar backbone whereas in Z-DNA it is localized on thymine base. It is also noted that energy levels of molecular orbitals being localized on DNA backbone, are 0.8 eV less than that of HOMO energy level, indicating the active participation of phosphate-sugar backbone of B- and Z-DNA in chemical reactions.