Вивчення особливостей взаємодії іонів перехідних металів з нуклеїновими кислотами, що знаходяться на різних рівнях структурної організації - Автореферат

Цей інтерес зумовлений, у всякому разі, такими основними біологічними ефектами: участю іонів двовалентних металів в біологічних процесах, які утягують НК (наприклад, переносі генетичної інформації); негативним впливом іонів металів на функціонування живих організмів; антипухлинною активністю деяких сполук металів, що інгібірують синтез ДНК; використанням металів як зондів для координаційної хімії нуклеїнових кислот. Незважаючи на те, що існує значна кількість експериментальних та теоретичних робіт, присвячених металокомплексам НК, молекулярні механізми зумовлених іонами біологічних процесів все ще не встановлені, що робить необхідним вивчення взіємодії іонів з НК, які знаходяться на різних рівнях структурної організації. Дисертация виконувалась у відповідності з планом науково-дослідних робіт відділу молекулярної біофізики ФТІНТ НАН України по темі “Дослідження структурних та фізико-хімічних властивостей комплексів нуклеїнових кислот з білками та біологічно активними речовинами” (шифр теми 1.4.10.18.2), а також в рамках виконання проекту Державного фонду фундаментальних досліджень “Кооперативні явища, конформаційні та фазові переходи в низьковимірних макромолекулах біологічного походження” (номер проекту 2.2/159), проектів Міжнародного наукового фонду, грант U 23000-U 23200 “Divalent Metal Ions Interaction with Nucleic Acids. Метою даної роботи було встановлення природи відмінностей у звязуванні іонів перехідних металів з НК, зясування причини різного впливу іонів цих металів на конформаційний стан ДНК, а також виявлення впливу різних рівней структурної організації НК на звязування з іонами перехідних металів. В звязку з вказаною вище метою було поставлено такі задачі: 1 Визначити атоми, які координують іони Cu2 , Co2 і Zn2 в GMP, а також іони Ni2 , Cd2 і Ag в рібо-і дезоксирібонуклеотидах усіх канонічних основ (r,DGMP; r,DAMP; r,DCMP; UMP і DTMP) та природної ДНК.Наводяться способи теоретичного опису взаємодії нуклеїнових кислот з низькомолекулярними лігандами, які в подальшому використовувались в роботі при визначенні параметрів звязування іонів з ДНК і нуклеотидами, а також підходи, які дозволяють теоретично описувати експериментальні дані з плавлення комплексів ДНК з іонами металів. Метод ДУФС має високу чутливість до зміни поглинання (10-4 о.е./мм при використанні спектрофотометра Specord M 40, Carl Zeiss Jena (Німеччина)), що дозволяє використовувати розведені розчини, зводячи до мінімуму спотворюючу дію агрегації, а також збільшити діапазон вивчаємих концентрацій іонів. Подібна форма ДУФС є характерною також для комплексів ДНК з іонами Cd2 в діапазоні 3Ч10-5е10-3 М та іонами Ag (більш розмита) в області r=[Ag ]/РЈ0,1 (мал.3), що свідчить про ідентичність структури цих металокомплексів в зазначенному діапазоні концентрацій. Поворот навколо глікозидного звязку може бути характерним і для комплексів ДНК с іонами Ni2 і Cd2 , проте утворення “слабкого” комплексу при цьому не відбувається із-за дуже слабкого звязування цих іонів з N3 DCMP (див. табл.2). Одержані дані дозволили зробити такі висновки 1) константа звязування іонів з похідними гуаніну максимальна, 2) при переході від нуклеотидів до двохспіральної ДНК константи звязування іонів зростають на 1-2 порядки, що зумовлено, певно, суперпозицією силових полів в регулярній структурі полімеру.1 Згідно з відомими експериментальними даними, одержаними головним чином в системах із зниженою активністю води, основними атомами основ пуринових нуклеотидів, що координують вивчені іони у водних розчинах, є N7. Крім того, на диференційних спектрах виявлено особливості, що дозволяють припустити взаємодію іонів з карбонільними киснями похідних гуаніну, яка найбільш сильно виявляється у іонів Ag , Cu2 та Со<2 .>2 Іони Ag координують з N3 і, можливо, з О2 похідних цитозину. 5 Різниця в вільній енергії звязування іонів перехідних металів 3d-групи з GMP в основному визначається різницею іонних радіусів и, як наслідок, поверхневої густини заряду іонів. 6 Встановлено вплив рівня структурної організації нуклеїнових кислот на характер їх звязування з іонами Ni2 , Cd<2 і Ag :>а) при переході від нуклеотида до двоспіральної ДНК константа звязування іонів зростає на 1-2 порядки; Перша характерна для іонів Ni2 та Cd2 і зумовлена дальнодією кулонівского відштовхування між іонами, які звязані з полімером, та іонами, які адсорбуються ним із розчину.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

1 Згідно з відомими експериментальними даними, одержаними головним чином в системах із зниженою активністю води, основними атомами основ пуринових нуклеотидів, що координують вивчені іони у водних розчинах, є N7. Крім того, на диференційних спектрах виявлено особливості, що дозволяють припустити взаємодію іонів з карбонільними киснями похідних гуаніну, яка найбільш сильно виявляється у іонів Ag , Cu2 та Со<2 .>2 Іони Ag координують з N3 і, можливо, з О2 похідних цитозину. Навпаки, взаємодія іонів Ni2 і Cd2 з N3C є дуже слабкою або зовсім відсутня не тільки на мономерному рівні, але й у випадку полі С.

3 Основним звязуючим вивчені іони атомом природної ДНК є N7G, взаємодія з яким викликає перенос протону від N1G до N3C в G-С-парах. При утворенні цього (“сильного”) комплексу конформація ДНК суттєво не змінюється. Іони Ag утворюють також “слабкий” комплекс, в котрому замість містка N1G-Ag-N3C, що припускався раніше, більш переважним є хелат N7G-Ag-N3C, здатний утворюватися в результаті переходу гуанозину із анти- в сін-конформацію. В присутності іонів Ni2 та Cd2 подібний комплекс не утворюється із-за відсутності звязування цих іонів з N3C.

4 Відміна у звязуванні іонів Ag , Cd2 і Ni2 з основами різної природи визначається різницею величини модуля молекулярного електростатичного потенціалу (МЕП) на відповідному гетероатомі.

5 Різниця в вільній енергії звязування іонів перехідних металів 3d-групи з GMP в основному визначається різницею іонних радіусів и, як наслідок, поверхневої густини заряду іонів.

6 Встановлено вплив рівня структурної організації нуклеїнових кислот на характер їх звязування з іонами Ni2 , Cd<2 і Ag :>а) при переході від нуклеотида до двоспіральної ДНК константа звязування іонів зростає на 1-2 порядки;

б) на відміну від некооперативної взаємодії іонів з нуклеотидами, їх звязування з основами ДНК має негативну або позитивну кооперативність. Перша характерна для іонів Ni2 та Cd2 і зумовлена дальнодією кулонівского відштовхування між іонами, які звязані з полімером, та іонами, які адсорбуються ним із розчину. Позитивна кооперативність утворення іонами Ag “слабкого” комплексу - кооперативністю переходу ДНК в нову двоспіральну конформацію.

7 Визначені параметри переходу спіраль-клубок ДНК в присутності іонів Ag . Вперше виявлено аномальну форму концентраційної залежності її температури і інтервалу плавлення, яка підтверджує наявність “слабкого” і “сильного” типів звязування срібла з ДНК. Утворення останнього описується теорією скріпок. Поведінка параметрів переходу спіраль-клубок ДНК визначається перерозподілом іонів між спіральною та клубкоподібною фазами ДНК в процесі плавлення.

1 Sorokin V.A., Valeev V.A., Gladchenko G.O., Sysa I.V., Blagoi Yu.P., Volchok I.V.. Interaction of bivalent Cu2 , Ni2 , Mn2 ions with native DNA and its monomers // J. Inorg. Biochem. - 1996. - V. 63, N 2. - P. 79-98.

2 Sorokin V.A., Sysa I.V., Valeev V.A., Gladchenko G.O., Degtyar M.V. and Blagoi Yu.P.. Differential UV-Spectroscopic Studies of Transition Metal Ion Interaction with DNA and Its Monomers // J. of Mol. Struct. - 1996. - N 408-409. - P. 233-236.

4 Сорокин В.А., Валеев В.А., Гладченко Г.О., Сыса И.В. Изучение взаимодействия ионов двухвалентного кадмия с нуклеотидами и природной ДНК // Биофизика. - 1997. - T. 42, вып. 1. - С. 105-116.

1 V.A. Sorokin, V.A. Valeev, I.V. Sysa, G.O. Gladchenko, M. Degtyar, Yu.P. Blagoi. Nature of differences in binding of transition metal ions with bases of nucleic acids // Proc. of VII Eur. Conf. on Spectroscopy of Biol. Mol. (ECSBM-7). - Madrid, Spain. - Publ. Kluwer, Ac. Press, Dordrecht, Boston, London. - 1997. - P. 35-36.

2 Sysa I.V., Sorokin V.A., Valeev V.A., Gladchenko G.O., Degtyar M.V. and Blagoi Yu.P. Cd2 and Ag ion interaction with nucleotides and natural DNA // Book of Abstr. of 7th Internat. Symp. On Macromol. Metal Complexes (MMC-7). - Noordwijkerhout, The Netherlands. - 1997. - P100.

3 Сиса І.В., Сорокін В.О., Валєєв В.О., Гладченко Г.О., Дегтяр М.В., Благой Ю.П. Взаємодія іонів Ag з ПРИРОДНОЮДНК і нуклеотидами // Тези доповідей ІІ зїзду Укр. Біоф. Тов. (УБФТ-98). - Харків, Україна. - 1998. - С. 31.

4 Sysa I.V., Sorokin V.A., Valeev V.A., Gladchenko G.O., Degtyar M.V., Blagoi Yu.P. Effects of ionic radius on formation of coordination bonds in metal complexes of GMP // Book of Abstr. of XXXIII Internat. Conf. On Coordination Chemistry (ICCC XXXIII). - Florence, Italy. - 1998. - P. 651.

Размещено на .ru