Modelling proton tunnelling in the adenine–thymine base pair

文献情報

出版日 2015-04-20
DOI 10.1039/C5CP00472A
インパクトファクター 3.676
著者

A. D. Godbeer, J. S. Al-Khalili, P. D. Stevenson


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要旨

The energies of the canonical (standard, amino-keto) and tautomeric (non-standard, imino-enol) charge-neutral forms of the adenine–thymine base pair (A–T and A*–T*, respectively) are calculated using density functional theory. The reaction pathway is then computed using a transition state search to provide the asymmetric double-well potential minima along with the barrier height and shape, which are combined to create the potential energy surface using a polynomial fit. The influence of quantum tunnelling on proton transfer within a base pair H-bond (modelled as the DFT deduced double-well potential) is then investigated by solving the time-dependent master equation for the density matrix. The effect on a quantum system by its surrounding water molecules is explored via the inclusion of a dissipative Lindblad term in the master equation, in which the environment is modelled as a heat bath of harmonic oscillators. It is found that quantum tunnelling, due to transitions to higher energy eigenstates with significant amplitudes in the shallow (tautomeric) side of the potential, is unlikely to be a significant mechanism for the creation of adenine–thymine tautomers within DNA, with thermally assisted coupling of the environment only able to boost the tunnelling probability to a maximum of 2 × 10−9. This is barely increased for different choices of the starting wave function or when the geometry of the potential energy surface is varied.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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