Influence of water and sodium on the energetics of dimethylphosphate and its implications for DNA structure

Department of Pharmaceutical Sciences, School of Pharmacy, University of Maryland at Baltimore, 20 N Pine Street, Baltimore, MD 21201, USA.

Abstract

Ab initio calculations, including electron correlation, were performed on dimethylphosphate (DMP) in the presence and absence of a single water molecule or sodium ion to study their influence on DMP conformational energetics. The presence of sodium had only minimal effect on the energetics of DMP. In the presence of a single water significant changes versus anhydrous DMP were calculated including a lowering of the energies of the g,t and t,t conformers relative to the g,g conformer. Analysis of results from surveys of DNA crystal structures indicate that the calculated differences in DMP energetics, when applied to the phosphodiester backbone in DNA, may contribute to experimentally observed structural differences between the A and B forms of duplex DNA. Molecular dynamics simulations using three phosphodiester backbone parameter sets further suggest that ab initio calculated changes in the conformational properties of DMP may indeed influence DNA structure. These results suggest that changes in the conformational energetics of the phosphodiester backbone due to interactions with water or counterions may contribute to experimentally observed changes in DNA structure associated with alterations in the DNA environment.

Résumé

L'énergie conformationelle du diméthylphosphate (DMP), seul ou complexé soit avec une molécule d'eau soit avec un ion sodium, a été étudiée par calculs ab initio incluant la corrélation electronique. En présence du sodium, le profil énergétique du DMP est peu affecté par rapport a celui du DMP seul. En présence de la molécule d'eau, les calculs conduisent à des changements significatifs par rapport au DMP seul, incluant une diminution des énergies des conformères g,t et t,t par rapport au conformère g,g. L'analyse des structures crystallographiques d'ADN indique que les différences en énergie calculées pour le DMP pourraient contribuer aux différences structurales observées expérimentalement pour les formes A et B des duplexes d'ADN. De plus, des simulations de dynamique moléculaire utilisant trois ensembles distincts de paramètres pour le squelette phosphodiester suggèrent que les différences calculées ab initio concernant les propriétés conformationelles du DMP peuvent effectivement influencer la structure de l'ADN. Ces résultats suggèrent que des variations d'énergie conformationelle du squelette phosphodiester dûes à des interactions avec l'eau ou des contre-ions pourraient contribuer aux changements de structure de l'ADN associés avec des modifications de son environement.