Розробка математичних моделей процесів сорбції, конформаційних переходів, індукованих зміною вмісту води в зразках нуклеїнових кислот. Отримання гравіметрією ізотерм сорбції й десорбції зразків ДНК у повному та обмежених циклах зміни відносної вологості.
Аннотация к работе
Моделювання конформаційної динаміки в зволожених зразках нуклеїнових кислот (НК), а також вивчення молекулярних механізмів або природи гістерезисних явищ, які виникають при зміні ступеня гідратації НК, мають загальнобіологічне значення й належать до актуальних задач зясування механізмів функціонування НК в біологічних системах. Це здається тим більш необхідним, що зміна вмісту води в зразку ДНК призводить до зворотніх конформаційних переходів, серед яких має місце й біологічно вагомий А«В перехід. Тому, побудова моделі, яка одночасно описувала би конформаційну динаміку зволожених зразків НК і їх сорбційні ізотерми є актуальною задачею, яка природно витікає з сучасних уявлень про систему НК - вода. Крім того, пояснення гістерезисних явищ само по собі становить інтерес як для розуміння біофізичної природи функціонування таких важливих макромолекул як НК, так і для практичного застосування, при розвязуванні таких задач як збереження генетичного матеріалу в зволожених зразках ДНК при низьких температурах і ліофілізації, розробка молекулярних логічних систем, тощо. Дисертація виконувалась у відповідності з планом науково-дослідних робіт кафедри молекулярної та прикладної біофізики за проектом Державного фонду фундаментальних досліджень №2.4/764 (договір №Ф4/280-27) «Дослідження молекулярних механізмів дії гамма-опромінення на ДНК, фібриноген та міжклітинні взаємодії», та за програмою Міносвіти «Здоровя людини» за коорд. планом «Взаємодія електромагнітного випромінювання та потоків заряджених частинок з речовиною» (тема «Дослідження гідратації макромолекул і механізмів їх взаємодії з іонізуючим випромінюванням» № держреєстрації 01970016740).Процеси сорбції і структурних переходів схематично можуть бути представлені таким чином: ; , (1) де - константи, які характеризують імовірності того, що відповідний процес відбудеться за одиницю часу, Хе - «концентрація» молекул води в експериментальному обємі, q - доля мономірних ланок в упорядкованому стані, U - доля мономірних ланок у неупорядкованому стані, X - доля зайнятих місць звязування для молекул води, F - доля вільних місць звязування. У рамках моделі, яка розглядається, при рівновазі процес сорбції молекул води може бути охарактеризований константою, яка має вигляд: , (2) де DFW - зміна вільної енергії при сорбції моля води, bq - вільна енергія за рахунок створення водних місточків у процесі впорядкування мономірних ланок звязаними молекулами води, GX - вільна енергія за рахунок кооперативності процесу сорбції. Константа рівноваги для процесу переходу мономірних ланок із одного стану до іншого може бути представлена як: , (3) де DFP - зміна вільної енергії при переході моля мономірних одиниць біополімеру з неупорядкованого стану до упорядкованого, АХ - вільна енергія за рахунок стабілізуючої дії водневих звязків сорбованих молекул води на упорядковану форму біополімеру, mq-вільна енергія за рахунок кооперативності конформаційних переходів. Зміну вільної енергії при конформаційному переході також представлено у вигляді суми трьох членів: зміна вільної енергії полімерного ланцюга, вільна енергія за рахунок кооперативності переходу й зміна вільної енергії гідратної оболонки НК. В першому інтервалі відбуваються два зворотних конформаційних переходи: неупорядкований стан - А-форма й А-В конформаційний перехід; в другому - тільки перехід неупорядкований стан - А-форма, а в третьому - конформаційних переходів не відбувається зовсім.Запропоновані математичні моделі, яки описують конформаційну динаміку й ізотерми сорбції нуклеїнових кислот, а також гістерезисний характер сорбції та структурних перебудов при зміні відносної вологості середовища. Розповсюджені моделі можуть описувати як гомо-, так і гетерогенні за первінною структурою зразки нуклеїнових кислот. За допомогою методу стохастичного аналізу показана можливість існування в системі нуклеїнова кислота-вода метастабільних конформаційних станів, що призводить до виникнення гістерезису в циклі гідратація-дегідратація.
План
Основний зміст роботи
Вывод
Запропоновані математичні моделі, яки описують конформаційну динаміку й ізотерми сорбції нуклеїнових кислот, а також гістерезисний характер сорбції та структурних перебудов при зміні відносної вологості середовища. Розповсюджені моделі можуть описувати як гомо-, так і гетерогенні за первінною структурою зразки нуклеїнових кислот.
За допомогою методу стохастичного аналізу показана можливість існування в системі нуклеїнова кислота-вода метастабільних конформаційних станів, що призводить до виникнення гістерезису в циклі гідратація-дегідратація.
Методом гравіметрії експериментально отримані сорбційні й десорбційні ізотерми для волокон ДНК з тимусу теляти у повному та обмежених циклах гідратація-дегідратація. Визначено час існування гістерезису у цих зразках, який складає кілька місяців.
На основі співставлення теоретичних та експериментальних даних як отриманих у роботі, так і літературних стверджуються що гістерезисні явища в системі нуклеїнова кислота-вода повязані з кооперативними конформаційними перебудовами молекули біополімеру.
Показано, що розповсюдження нової конформації при структурному переході в молекулі нуклеїнової кислоти представляє собою автохвильовий процес типу біжучого фронту.
Встановлено, що поведінка системи при виникненні в ній конформаційного збудження залежить від відносної стабільності конформаційних станів, що, в свою чергу, відзначається вмістом води у зразках.
Розроблені методи та створенні програми, за допомогою яких отримані кількісні характеристики існування різних стаціонарних станів у зволожених зразках нуклеїнових кислот, яки задовільно узгоджуються з експериментальними даними.
Список литературы
Толсторуков М.Е., Гасан А.И., Гаташ С.В., Малеев В.Я. Молекулярные механизмы сорбционного гистерезиса в системе ДНК-вода // Биофизика. - 1997. - Т.42. - вып. 4. - С. 844-854.
Толсторуков М.Є., Гаташ С.В., Малєєв В.Я. Математическая модель конформационной динамики нуклеиновых кислот в увлажненных образцах // Весн. Проблем биол. и.мед. - 1998. - №16. - С. 6-12.
Tolstorukov M. Ye. Virnik K.M. Mathematical Model of the Nucleic Acids Conformational Transitions with Hysteresis over Hydration-Dehydration Cycle // Lecture Notes in Computational Science and Engineering. - V.4. Computational Molecular Dynamics: Challenges, Methods, Ideas. - Berlin-Heidelberg: Springer-Verlag. - 1998. - P.116-128.
Толсторуков М.Е., Вирник К.М. Экспериментальное изучение явления гистерезиса в процессе гидратации-дегидратации NAДНК // Биополимеры и клетка. - 1998. - Т.14. - №6. - С. 524-528.
Tolstorukov M. Ye., Gatash S.V. Self-organization and nonlinear dynamics of nucleic acid-water system // Proc. International Conf. on Nonlinearty, Bifurcation, Chaos: The Doors to the Future (ICNBC" 96). - Lodz-Dbieszkow (Poland). - 1996. - P.231-234.
Толсторуков М.Е., Гаташ С.В., Малеев В.Я. Конформационные переходы с гистерезисом в системе нуклеиновая кислота-вода // Труды III Междунар. Конф. «Физические явления в твердых телах». - Харьков: Изд-во ХГУ. - 1997. - С. 115.
Tolstorukov M. Ye. Mathematical model of the conformational transitions and nonlinear dynamics of the nucleic acid - water system // Proc. 2nd International Symp. «Algorithms for macromolecular modelling» (MMM" 97). - Berlin (Germany). - 1997. - P.25-26.
Толсторуков М.Є., Гаташ С.В., Малєєв В.Я. Модель конформаційних переходів нуклеїнових кислот при зміні відносної вологості зразка // Тези доповідей ІІ Зїзду Укр. біофіз. тов. (УБФТ-98). - Харків. - 1998 - С. 23.
Tolstorukov M. Ye., Gatash S.V., Maleev V. Ya. Effect of hydration on conformational dynamics of nucleic acid molecule. Spatially distributed model // Conf on Physics of Biological Systems (PBS 98). - Kyev (Ukraine). - 1998. - P.25.