Theoretical study of mechanisms for the hydrolytic deamination of cytosine via steered molecular dynamic simulations

Abstract

Se obtuvieron perfiles de energía libre de Gibbs de la deaminación de la citosina asistida por una molécula de agua en un medio acuoso discreto mediante la aplicación de simulaciones de la dinámica molecular dirigida (SMD). Se consideraron dos vías para explicar el mecanismo de este proceso, en el que la molécula de agua ataca el enlace C-N para dar un intermedio (una estructura amino-hidroxi-oxo en la vía A, y una hidroxi-oxo en la vía B) como paso determinante de la reacción. Las estructuras estacionarias a lo largo de ambos perfiles de energía se analizaron a nivel de la dinámica molecular, obteniendo estados con energías libres más altas que las de los cálculos electrónicos en la fase gaseosa y en la solución descrita como medio continuo. A partir de los resultados obtenidos, la vía A más compleja, con cinco pasos, fue cinéticamente la más favorable (con una energía de reacción endergónica de 7,41 kcal mol-1, una barrera alta de 67,53 kcal mol-1, y una pequeña constante de velocidad k2 = 1,80 × 10-37 s-1), concluyendo que la base uracilo puede participar en una mutación genética espontánea ya que el complejo uracilo-amónico tiene una larga vida útil de 6. 10 × 1027 s. Este proceso resulta exergónico y más rápido cuando se lleva a cabo en simulación de la fase gaseosa o en cálculo electrónico con un medio continuo, debido a la desaparición de las moléculas de agua explícitas que pueden competir con la molécula auxiliar.

Gibbs free energy profiles of the cytosine deamination assisted by a water molecule in a discrete aqueous medium were obtained by the application of Steered Molecular Dynamic (SMD) simulations. Two pathways were considered to explain the mechanism of this process, where the water molecule attacks the C–N bond to give an intermediate (an amino–hydroxy–oxo structure in the A-path, and a hydroxy–oxo in the B-path) as the determinant step of reaction. Stationary structures along both energy profiles were analyzed at molecular dynamics level, obtaining states with higher free energies than those from electronic calculations in the gas phase and in solution described as a continuous medium. From the results obtained, the more complex A-pathway, with five steps, was kinetically the most favorable (with an endergonic reaction energy of 7.41 kcal mol−1, a high barrier of 67.53 kcal mol−1, and a small velocity constant k2 = 1.80 × 10−37 s−1), concluding that the uracil base can participate in a spontaneous genetic mutation since the uracil–ammonia complex has a long lifetime of 6.10 × 1027 s. This process turns out exergonic and faster when carried out in gas phase simulation or electronic calculation with a continuous medium, due to the disappearance of explicit water molecules that can compete with the assistant molecule.