Подано огляд розвитку та реалізації ідей академіка Б. І. Вєркіна протягом минулого двадцятиріччя у відділі молекулярної біофізики ФТІНТ НАН України. Наведено основні результати вивчення фізико-хімічних властивостей фрагментів біополімерів та біологічно активних речовин, отримані за допомогою низькотемпературних методів електронно-коливальної спектроскопії, низькотемпературної вторинно-емісійної мас-спектрометрії, низькотемпературної люмінесцентної спектроскопії.

С помощью методов МР2 и DFT проведены расчеты длин связей, ИК спектров и электронной структуры канонических оснований нуклеиновых кислот, комплексов 5-азацитозин-гуанин, 5-азацитозин-гуанин с 8 молекулами воды, 5-азацитозина с 5 молекулами воды и комплексов таутомеров аденина с цинком. Показано, что современные методы расчета МР2 и DFT с базисом <$E roman 6-31G sup **> позволяют достаточно хорошо (с точностью до 1 %) рассчитывать длины связей в пиримидиновом кольце, длину карбонильной связи в компонентах нуклеиновых кислот и ее изменения при комплексообразовании. На основании экспериментальных и расчетных данных оценена длина карбонильной связи в зависимости от числа образованных водородных связей. Построена эмпирическая зависимость между длиной связи карбонильной группы и частотой ее колебания. При образовании комплексов таутомеров аденина с ионом <$E roman Zn sup 2+> происходит значительный перенос заряда, сопровождающийся перераспределением электронной плотности на молекуле аденина.

To study physical properties of fragments of metallic DNA (M-DNA), molecular and electronic structures and thermodynamic characteristics of the adenine-thymine pair with a <$E roman Zn sup 2+> ion (the ion was placed between nucleic acid bases) and of components forming this pair are calculated at the MP2/6-31+<$E roman G sup *> level of theory. As well, the calculations were performed for adenine-thymine-<$E roman Zn sup 2+>-hydroxyl. It was revealed that the following bond lengths changed in investigated complexes: on the N3-C2-N1-C6-N10 fragment in the adenine, on C2-N3-C4-C5-C6-N1 fragment on the pyrimidine ring, and on C4-O8 in thymine, in comparison with neutral molecules. Charges on atoms changed at the same fragments. In the complexes calculated, the interaction energies of base pairs with <$E roman Zn sup 2+> are significantly higher than that of imino-proton with the AT pair or that of <$E roman Zn sup 2+> with its hydrate shell (6 water molecules). The HOMO and LUMO analyses of the AT<$E roman Zn sup +> triple complex and the AT pair showed the increase of sizes of the triple complex LUMO, which points to a possibility of the electron delocalization over the whole complex.

ИК фурье-спектры изолированных молекул 5-йодурацила (5IU) и его дейтеропроизводных получены в низкотемпературных (T = 8 K) аргоновых матрицах в диапазоне частот 3800 - 200 см<^>-1 с разрешением 0,3 см<^>-1. Выполнена оценка заселенности таутомеров при температуре испарения 395 K с помощью квантово-механических методов DFT (функционалы B3LYP и B2PLYP) и MP2. Установлено, что заселенность основной таутомерной кето-формы 5IU превышает 99,8 %. Проведены расчеты колебательных спектров 5IU с использованием метода DFT/B3LYP и базиса 6-311++G(df,pd), а также коррекция расчетных частот с применением полинома второго порядка. Установлено, что в области валентных колебаний <$Enu>CO молекул 5IU проявляется тройной резонанс Ферми между фундаментальной модой <$Enu>C4O и комбинационными колебаниями с частотами 1745,3 и 1722,5 см<^>-1. Обнаружены 6 комбинационных мод в области валентных колебаний кольца и плоскостных деформационных колебаний 5IU. Отнесение полос колебательного спектра 1,3-дидейтеро-5-йодурацила (D5IU) демонстрирует присутствие шести комбинационных мод D5IU во всем спектральном диапазоне. Установлено, что резонанс Ферми вызывает расщепление полос валентных колебаний <$Enu>ND в спектрах пиримидиновых оснований.

В инфракрасном диапазоне 3800 - 400 см<^>-1 с разрешением 0,3 см<^>-1 получены ИК фурье-спектры молекул аденозина (Ado), изолированных в низкотемпературных матрицах Ar. Квантово-механическими методами MP2 и DFT/B3LYP проведены расчеты заселенности основных структурных изомеров Ado. Показано, что Ado выдерживает длительное испарение при температуре 465 K без термического разложения. Установлены структуры пяти основных конформеров, которые фиксируются в Ar матрицах при 6 K. Обнаружены антиконформеры Ado с внутримолекулярной водородной связью O2'H - N3. Заселенность этих антиконформеров более чем в полтора раза превышает заселенность синконформеров с внутримолекулярной водородной связью O5'H - N3. В низкотемпературных матрицах большинство доминантных конформеров фиксируется с C2'-эндо структурой рибозного кольца. Подобно 2'-дезокси-аденозину (dA), конформеры Ado с внутримолекулярными водородными связями O3'H - O5' или O5'H - O3' не были обнаружены.

В инфракрасном диапазоне 3800 - 200 см<^>-1 получены ИК фурье-спектры молекул 5-фторурацила (5FU), изолированных в низкотемпературных (T = 6 К) аргоновых матрицах. Впервые зарегистрированы ИК фурье-спектры пленок оксида графена (GO) на медном зеркале при температуре 6 К и спектры пленок 5FU, выращенных на пленках GO. Выполнены оценки заселенности таутомеров 5FU с помощью квантово-механических методов DFT/B3LYP и MP2, расчеты колебательных спектров методом DFT/B3LYP с базисом 6-311++G(df, pd) и коррекция расчетных частот полиномом третьего порядка. Установлено, что заселенность минорных таутомеров 5FU при температуре испарения 375 К не превышает 0,1 %. В спектральном диапазоне 1900 - 500 см<^>-1 зарегистрированы 10 комбинационных мод 5FU, усиленных резонансом Ферми. В области фундаментальных колебаний <$E nu>CO обнаружен тройной резонанс Ферми. Продемонстрировано, что низкие температуры оказывают незначительное влияние на спектральные характеристики пленок GO. Кроме того, многократное термоциклирование между 6 и 295 К не нарушает целостности пленок GO и их тепловой контакт с медным зеркалом. Выполнено сравнение ИК фурье-спектров 5FU матричных и пленочных образцов, выращенных на различных подложках. Зарегистрировано усиление полос поглощения тонкослойных пленок 5FU, выращенных на GO, по сравнению с выращенными на Cu подложке. Установлено, что при отжиге пленки 5FU на пленке GO происходят изменения в инфракрасном спектре. Обсуждена связь этих спектральных изменений с полиморфизмом кристаллической структуры пленок 5FU.

Проведено исследование структур и колебательных спектров биологически активных молекул 5-хлорурацила (5CU) в различных состояниях. В инфракрасном диапазоне 3800 - 500 см<^>-1 получены ИК фурье-спектры молекул 5CU, изолированных в низкотемпературных матрицах Ar и Ne. Выполнены оценки заселенности таутомеров 5СU и расчеты колебательных спектров методом DFT/B3LYP с базисом 6-311++G(df,pd). В Ar матрице в спектральном диапазоне 1900 - 500 см<^>-1 зарегистрированы 7 комбинационных мод 5CU, усиленных резонансом Ферми. В области фундаментальных колебаний <$E nu roman CO> и в области колебаний кольца обнаружены тройные резонансы Ферми. Выращены и исследованы при криогенных температурах тонкие пленки 5CU на поверхности оксида графена (GO) и композитные пленки 5CU/GO, полученные из водного раствора. Показано, что при повышении температуры от гелиевой до комнатной происходит кристаллизация пленки 5CU на поверхности GO. С помощью сравнения спектров полученных пленок 5CU идентифицированы колебания, полосы поглощения которых наиболее чувствительны к изменениям кристаллической структуры пленки. Большинство этих фундаментальных мод связано с колебаниями NH группы. При повышении концентрации 5CU в композитных пленках 5CU/GO наблюдается неравномерное распределение микрокристаллов 5CU по площади образца.