Енергетичні і динамічні характеристики системи ДНК-вода - Автореферат

У наш час розуміння біологічного значення нуклеїнових кислот (НК) у функціонуванні організмів стимулює інтенсивні експериментальні та теоретичні дослідження з метою виявлення впливу різних факторів (іон-гідратного оточення, випромінювання тощо) на структуру, стабільність, конформаційну рухливість і фізико-хімічні властивості НК. Той факт, що гідратація відіграє суттєву роль у процесах конформаційної рухливості НК, викликає необхідність вивчення впливу водного оточення на енергетику і динаміку НК, зокрема ДНК. Дослідження, результати яких представлені в дисертації, є частиною науково-дослідної роботи, яка виконується у відділі біофізики Інституту радіофізики та електроніки НАН України в межах держбюджетних тем “Дослідження фізичних особливостей гідратованих біополімерів з урахуванням впливу іонізуючої радіації” (шифр “Гран”, № 01.96U006110, виконується за постановою Бюро ВФА НАН України від 19 грудня 1995р., протокол №9), “Експериментальні та теоретичні дослідження гідратно-залежних процесів стабілізації структури природних та модельних нуклеїнових кислот” (№2.4/759, виконується за проектом Державного фонду фундаментальних досліджень). Метою дисертаційної роботи є зясування впливу гідратації на енергетику і динамічні властивості системи ДНК-вода, а також на стабільність цієї системи, що знаходиться в умовах дії g-радіації. Для досягнення цієї мети вирішувались такі задачі: Експериментальне одержання залежностей енергії дегідратації природних ДНК різного AT/GC-складу і модельних двоспіральних полірибонуклеотидів при різних рівнях вмісту води в системі.На рис.1а представлені залежності енергії дегідратації E від вмісту води в зразку n (кількість молекул води, які припадають на один нуклеотид, тобто МН2О/МН) або так звані “енергетичні спектри” води (енергетичні ізотерми дегідратації), яка звязана на матрицях poly(A)?poly(U), poly(G)?poly(C) і природних ДНК з різним нуклеотидним складом. Залежності E(n) для різних біологічних матриць мають схожу якісну поведінку (за виключенням poly(G)?poly(C)) - зі збільшенням вмісту води в системах спостерігається монотонне зменшення енергії дегідратації. При цьому, порівняння одержаних розрахункових даних для полінуклеотидів poly(DA)?poly(DT) та poly(DG)?poly(DC) з експериментальними даними для полірибонуклеотидів poly(A)?poly(U) та poly(G)?poly(C) показали, що природа мономірних ланок (рибонуклеотид або дезоксирибонуклеотид), які входять до структури НК, практично не впливає на енергію дегідратації НК. Можна виділити дві області різної поведінки залежності ¶E/¶X (n) - область убування, де при збільшенні вмісту води в системі НК-вода приблизно до n=6 ухил прямих Е(Х) зменшується практично лінійно та область, де значення ¶E/¶X майже не змінюються (n>6). A(n), B(n), U(n) - частки А-, В-конформацій і неупорядкованого стану у вторинній структурі ДНК відповідно; XL(n), XH (n), XML(n) - частки молекул води, звязані з ленгмюрівськими, генрієвськими центрами і в мультишаровій частині гідратної оболонки ДНК відповідно; - шукані величини енергетичного вкладу в стабілізацію m-ої конформації з боку молекул води, які беруть участь в гідратації k-го типу (k=L, H, ML; m=A, B, U).Виявлено, що зі збільшенням відносного вмісту GC-пар у складі НК взаємодія молекул води з гідратно-активними центрами посилюється. Спостерігається також зменшення динамічної рухливості молекул води в гідратному оточенні нуклеїнових кислот (параметри td, Vf). З підвищенням вмісту води в зразках НК значення енергетичних і динамічних параметрів гідратної оболонки наближаються до значень цих параметрів для обємної води. Показано, що енергія дегідратації природної ДНК лінійно залежить від нуклеотидного складу і представляється у вигляді суми молярних вкладів енергій дегідратації полінуклеотидів АТ-і GC-типу. Спільний аналіз результатів, одержаних методами мікрокалориметрії та термогравіметрії, а також даних ІЧ-спектроскопії, показав можливість виділення в гідратному оточенні ДНК трьох підсистем, які помітно відрізняються за енергетичними властивостями молекул води (області вмісту води nd6МН2О/МН, 6dnd12МН2О/МН, 12dnd22МН2О/МН).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Виявлено, що зі збільшенням відносного вмісту GC-пар у складі НК взаємодія молекул води з гідратно-активними центрами посилюється. Це проявляється у збільшенні енергії дегідратації біополімерних матриць. При цьому зміна вмісту GC-пар від 0 до 100% призводить до збільшення надлишкової енергії гідратації приблизно на 50%. Спостерігається також зменшення динамічної рухливості молекул води в гідратному оточенні нуклеїнових кислот (параметри td, Vf). З підвищенням вмісту води в зразках НК значення енергетичних і динамічних параметрів гідратної оболонки наближаються до значень цих параметрів для обємної води.

Встановлено, що одержані енергетичні параметри можуть служити кількісною характеристикою первинної структури ДНК. Показано, що енергія дегідратації природної ДНК лінійно залежить від нуклеотидного складу і представляється у вигляді суми молярних вкладів енергій дегідратації полінуклеотидів АТ- і GC-типу. Продемонстровано можливість знаходження нуклеотидного складу даної ДНК і її енергій дегідратації за відомим набором значень даних параметрів для двох інших ДНК.

Спільний аналіз результатів, одержаних методами мікрокалориметрії та термогравіметрії, а також даних ІЧ-спектроскопії, показав можливість виділення в гідратному оточенні ДНК трьох підсистем, які помітно відрізняються за енергетичними властивостями молекул води (області вмісту води nd6МН2О/МН, 6dnd12МН2О/МН, 12dnd22МН2О/МН).

Одержано значення парціальних енергій звязування для різних центрів гідратації, які свідчать про те, що молекули води, сорбовані за різним типом, беруть участь у стабілізації можливих конформації ДНК різною мірою. Таким чином, встановлено, що властивості гідратного оточення відбивають структуру НК на різних рівнях її організації.

Побудовано гратчасту модель поверхневої дифузії води в гідратному оточенні ДНК. На основі даної моделі одержано оціночні значення коефіцієнта дифузії звязаної води в широкому діапазоні вмісту води в ДНК. Із збільшенням рівня гідратації ДНК коефіцієнт дифузії зростає, при цьому максимальні і мінімальні значення відрізняються майже на три порядки.

Знайдене значення фрактальної розмірності для А- і В-конформацій ДНК, які дорівнюють відповідно 3,0 і 2,5. Даний параметр відображає зміну конформаційного стану ДНК і є характеристикою вторинної структури ДНК.

При вивченні стабільності системи ДНК-вода в умовах дії g-радіації виявлено, що зразки ДНК, опромінені при помірному вмісті води (56% і 65% ВВ), демонструють найбільшу радіаційну стійкість. Встановлено, що в процесі опромінення водне оточення молекули ДНК відіграє різну роль в залежності від вмісту води в зразку, виступаючи на першому етапі (до 66-76% ВВ) як стабілізатор структури ДНК, а при подальшому збільшені вмісту води в системі, сприяючи підсиленню її деструкції. нуклеїнова кислота радіація гідратний

Вирник К.М., Гасан А.И., Шестопалова А.В., Малеев В.Я. Энергетические и динамические свойства воды в гидратной оболочке ДНК // Вісн. Харк. ун-ту. - 1998. - №410.Біофізичний вісн. Вип.1. - С.41-49.

Вирник К.М., Толсторуков М.Е. Расчет фрактальных размерностей для различных конформаций ДНК // Вест. проблем биол. и мед. - 1998. - №2. - С.5-15.

Красницька А.А., Гасан А.І., Вірник К.М. Вплив g-радіації на структурний стан ДНК, що була опромінена при різних ступенях вологості // Вісн. Харк. ун-ту. - 1998. - №410.Біофізичний вісн. Вип.1. - С.116-123.

Virnik K. M., Tolstorukov M. Ye., Maleev V.Ya. Surface diffusion of bound water in hydrate surroundings of DNA // Вісн. Харк. ун-ту. - 1998. - №422. Біофізичний вісн. Вип.2. - С.23-28.

Вирник К.М., Паникарская В.Д., Лисецкий Л.Н., Корзовская О.В. Термогравиметрический анализ водных дисперсий яичного лецитина и Na-ДНК // Укр. биохим. журнал. - 1998. - Т.70. -С.85-90.

Virnik K. M., Tolstorukov M. Ye. Binding energy differentiation of water molecules in DNA hydration shell // Вісн. Харк. ун-ту. - 1998. - №422. Біофізичний вісн. Вип.2. - С.35-38.

Вирник К.М., Гасан А.И., Малеев В.Я., Шестопалова А.В. Динамические свойства молекул воды гидратной оболочки биспиральных полинуклеотидных комплексов и ДНК // Труды 3-й Межд. конф. “Физические явления в твердых телах”. - Харьков. - 1997. - С.119.

Virnik K.M., Tolstorukov M.Ye., Maleev V.Ya. Estimation of the diffusion coefficients of water bound to the DNA surface // Proc. 17th Discussion Conf. “Surface and Interfacial Phenomena in Macromolecular Systems”. - Prague (Czech Republic). - 1997. -P5.

Virnik K., Tolstorukov M., Hackl E. Physical properties of water molecules bound to DNA. Theoretical study // NATO School on “Hydration Processes in Biology: Theoretical and Experimental Approaches”. - Les Houches (France). - 1998. - P1(15).

Гасан А.І., Вірник К.М., Малєєв В.Я., Шестопалова А.В. Енергетичні та динамічні характеристики води в гідратних оболонках природніх ДНК // Тези доповідей II Зїзду Українського біофізичного товариства (УБФТ-98). - Харків. - 1998. - C.17.

Гасан А.И., Вирник К.М., Малеев В.Я., Шестопалова А.В. Энергетика гидратации нуклеиновых кислот и динамика связанной воды // Proc. Conf on "Physics of Biological Systems" (PBS 98). - Kyiv. - 1998. - P.42.