Intermolecular Hydrogen Bonds Studied by NMR Spectroscopy

Abstract

N-methylace nukleových kyselin je jeden z nejdůležitějších epigenetických mechanismů v genomech organismů a virů. N-methylované nukleobáze jsou v lidském genomu registrovány ve spojitosti s fyziologickými i patologickými procesy. Například methylace adeninu vedoucí ke vzniku N6 -methyladeninu je spojována s rozvojem Alzheimerovy nemoci či obezity. Tyto systémy mohou být snadno studovány pomocí nízkoteplotní NMR spektroskopie, protože řád vazby mezi purinovým kruhem a jeho substituentem má částečně charakter násobné vazby. Díky omezené rotaci kolem této vazby lze jednotlivé rotamery odlišit v nízkoteplotních NMR spektrech jako dvě sady signálů. Tato diplomová práce je zaměřena na výzkum rotamerních rovnováh N- methylovaných nukleobází a na výzkum změn volné Gibbsovy energie spojené se vznikem jejich páru s komplementárním partnerem za pomoci jednoduché a přímé metody NMR spektroskopie. Touto metodou jsme prokázali, že rotamerní rovnováhy N-methylovaných derivátů adeninu jsou závislé na teplotě, rozpouštědle a na koncentraci komplementárního partnera. S pomocí námi nově vyvinuté metodiky založené na pozorování změn chemických posunů závislých na koncentraci vazebného partnera jsme získali nejen geometrie vznikajících párů komplementárních derivátů adeninu s thyminem, ale i změny Gibbsovy energie...

N-methylation of nucleic acids is one of the most important epigenetic mechanisms in organisms and viruses and it is observed in connection with physiological or pathological processes in human body. For example, the N- methylation of adenine to give N6 -methyladenine is associated with development of obesity or Alzheimer disease. These systems can be successfully studied by low- temperature NMR spectroscopy because the bond between a purine ring and its substituent has a significant double-bond character and, due to restricted rotation around this bond, two sets of signals are observed in low-temperature NMR spectra. This diploma thesis is focused on research of N-methylated nucleobases' rotamer equilibria and the free-energy changes associated with the hydrogen-bonded base pair formation via simple and straightforward method based on NMR spectroscopy monitoring. We proved that the rotamer equilibria of N-methylated adenine derivatives are dependent on temperature, solvent and bonding partner concentration. We also obtained the geometry of formed intermolecular complexes of N-methylated adenine derivatives with thymine and the free-energy changes associated with their formations via newly developed method based on chemical shift changes dependent on bonding partner concentration. All obtained data...