Вивчення зонної структури цитозину

Abstract

Експериментальні дослідження збудження тиміну, гуаніну, цитозину, урацилу, які є основою біологічної структури ДНК та РНК, сприяють вивченню особливостей механізмів їх руйнування під впливом низькоенергетичного β-випромінювання та опромінювання ультрафіолетовими променями. Кристалохімічний аналіз структури цитозину показав, що вона існує у двох кристалічних формах, які кристалізуються в орторомбічній сингонії, але у різних просторових групах (форма Cyt(I) Pccn (56) та Cyt(II) P212121 (19)). Кристалічна структура цитозину (форма Cyt(I)) утворюється повторенням фрагментів, які складаються із двох паралельних ланцюгів, кожний із яких формують по три молекули цитозину. Паралельні ланцюги з’єднуються між собою водневими зв’язками, які утворюються між атомами N аміногрупи однієї молекули та N гетероциклічного кільця іншої молекули N–H…N (1.897 Å). Окремі фрагменти розташовані перпендикулярно один до одного (вздовж осі х та осі у) та з’єднуються між собою водневими зв’язками N аміногрупи та О карбонільної групи N–H…O (2.158 Å). Лінійні ланцюги з молекул цитозину (форма Cyt(ІI)) розташовуються вздовж осі у і з’єднуються між собою молекулами цитозину сусідніх ланцюгів водневими зв’язками N–H…O (2.127 Å). Ланцюги формуються з молекул цитозину, які з’єднані між собою водневими зв’язками N–H…O (2.153 Å) та N–H…N (1.898 Å). Ab initio квантово-хімічні розрахунки електронної структури з використанням програмного пакету Quantum Espresso (QE) на основі теорії функціоналу густини (DFT) показали, що Cyt(ІI) характеризується прямозонним типом провідності, ширина забороненої зони Eg = 3.52 еВ, енергія кристалічної комірки Eкр= –571.81 Ry, енергія на один атом E/ат= –142.95 Ry, енергія Фермі EФермі=2.67 еВ. Оптична заборонена зона (Eg) цитозину Cyt(ІI) формується переходами електронів N 2р(О 2p) → С 2р(N 2р).

Experimental studies of excitation of thymine, guanine, cytosine, uracil, which are the basis of the biological structure of DNA and RNA, contribute to the study of the mechanisms of their destruction under the influence of low-energy β-radiation and ultraviolet radiation. Crystal chemical analysis of the structure of the cytosine molecule showed that it exists in two crystalline forms that crystallize in orthorhombic syngony, but in different space groups (form Cyt (I) – Pccn (56) and Cyt (II) – P212121 (19)). The crystal structure of cytosine (form Cyt (I)) is formed by repeating fragments consisting of two parallel chains, each of which forms three cytosine molecules. Parallel chains are connected by hydrogen bonds formed between the N atoms of the amino group of one molecule and the N heterocyclic ring of another N–H…N molecule (1,897 Å). The individual fragments are perpendicular to each other (along the x-axis and the y-axis) and are connected by hydrogen bonds of the N amino group and the O carbonyl group of the N–H…O (2.158 Å). Linear chains of cytosine molecules (form Cyt (II)) are located along the y-axis and are connected by single cytosine molecules of adjacent chains by hydrogen bonds N–H…O (2,127 Å). Chains are formed from cytosine molecules that are connected by hydrogen bonds N–H…O (2.153 Å) and N–H…N (1.898 Å). Ab initio quantum chemical calculations of the electronic structure using the Quantum Espresso (QE) software package based on density functional theory (DFT) showed that Cyt (II) is characterized by a direct conductivity type, band gap Eg=3.52 eV, crystal cell energy Ecrys= –571.81 Ry, energy per atom E/at= –142.95 Ry, Fermi energy EFermi=2.67 eV. The optical band gap (Eg) of cytosine Cyt (II) is formed by electron transitions N 2p(O 2p) → C 2p(N 2p).