Вплив іонів металів на структурні переходи ДНК у водних розчинах спиртів та сечовини - Автореферат

Вивчення взаємодії ДНК з іонами металів має велике значення з точки зору важливої ролі, котру відіграють іони металів в процесі функціонування генетичного апарату in vivo. Значення дослідження дії іонів металів на структуру ДНК особливо зростає у звязку з екологічним та радіаційним забрудненням довкілля. Крім того, комплекси ДНК з іонами металів можуть правити за модельну систему при вивченні дії цілого ряду лікарських речовин, що сполучаються з нуклеїновими кислотами за катіоним механізмом, на структуру ДНК. Крім того, in vivo ДНК знаходиться в умовах зниженої активності води, які in vitro можуть моделюватися шляхом додавання до розчину ДНК менш полярних, ніж вода, розчинників. Мета роботи - вивчення структурних переходів ДНК, які відбуваються при взаємодії з іонами Cu2 та Са2 у розчинах, та встановлення впливу низки факторів (діелектричної проникності, структури розчину, температури) на структурні переходи ДНК.В роботі використовувались: метод ІЧ-спектроскопії, який дозволяє вивчати утворення комплексів ДНК з іонами металів у розчині та структурні переходи, що можуть відбуватися у макромолекулі в результаті взаємодії з іонами металів; метод світлорозсіювання, який дозволяє реєструвати утворення розсіюваних центрів у розчині та проводити оцінку їх розмірів; метод НВЧ-діелектрометрії, який дає інформацію про рухливість молекул води у змішаних розчинах, що містять домішки неелектролітів. Показано, що при взаємодії ДНК з іонами Tb3 , Cu2 , Mn2 та Ca2 , але не з іонами Na (до 1.2 М), у розчині відбувається різке збільшення інтенсивності смуг поглинання (СП) як фосфатних груп (мал.1,2), так і азотистих основ ДНК. На прикладі комплексів ДНК з іонами Tb3 , які викликають компактизацію ДНК (Tajmir-Riahi, 1993), показано, що причиною зростання інтенсивності смуг поглинання може служити перехід ДНК у компактний стан під дією іонів Mtn , оскільки зміни в ІЧ-спектрах комплексів ДНК з іонами Tb3 у водному розчині аналогічні змінам, що відбуваються в ІЧ-спектрах комплексів ДНК з дослідженими двовалентними іонами металів (мал.1). Утворення компактних розсіюваних часток у розчині при взаємодії ДНК з іонами Mt2 показано також методом світлорозсіювання - в міру збільшення концентрації іонів Cu2 оптична густина розчинів ДНК з іонами Cu2 в області 330-625 нм, в якій відсутні смуги поглинання ДНК, зростає (мал.3), що свідчить про утворення розсіюваних часток. В області концентрацій іонів Cu2 /Р ~ 0.2?0.8 відбувається утворення компактних розсіюваних часток ДНК з середнім радіусом ~ 40 нм; в цьому інтервалі концентрацій іонів Cu2 розміри часток залишаються постійними і збільшення розсіювання іде за рахунок росту кількості розсіюваних центрів.При взаємодії ДНК с іонами Cu2 , Mn2 та Са2 у водному розчині з високою концентрацією ДНК відбувається перехід ДНК у компактний стан. Ефективність досліджених іонів в індуциюванні компактизації ДНК зростає з їх валентністю та корелює із спорідненостю цих іонів до азотистих основ ДНК: Tb3 >> Cu2 >> Mn2 > Са2 . Таким чином, компактизація ДНК під дією іонів Mt2 у розчині залежить від звязування іонів металів з азотистими основами ДНК та полегшується при частковій дестабілізації структури макромолекули. Залежність Са2 -індукованої компактизації ДНК від концентрації етанолу та 1,2-пропандіолу у розчині носить немонотонний характер і при концентраціях неелектролітів, що стабілізують структуру води, необхідна для компактизації ДНК концентрація іонів Са2 підвищується. При переході ДНК у компактну форму у водному розчині при 450С у випадку дії іонів Cu2 , які мають більшу спорідненість до основ ДНК та значно знижують температуру плавлення ДНК, визначальними факторами є зростання констант звязування іонів Cu2 з денатурованими ділянками, що утворюються, на ДНК, та зменшення жорсткості макромолекули, у випадку іонів Са2 - зниження екраніруючої дії протиіонів при зростанні їх гідратації з температурою.

ОСНОВНИЙ Зміст РОБОТИ

При взаємодії ДНК с іонами Cu2 , Mn2 та Са2 у водному розчині з високою концентрацією ДНК відбувається перехід ДНК у компактний стан. При компактизації ДНК зростає інтенсивність смуг поглинання фосфатних груп та азотних основ ДНК в ІЧ спектрі. Одержана оцінка розмірів компактних часток ДНК, що утворюються при Cu2 /P ? 0.7?0.8, які суттєво менші за розміри агрегатів ДНК, які утворюються при більш високій концентрації іонів Cu2 .

Ефективність досліджених іонів в індуциюванні компактизації ДНК зростає з їх валентністю та корелює із спорідненостю цих іонів до азотистих основ ДНК: Tb3 >> Cu2 >> Mn2 > Са2 . Таким чином, компактизація ДНК під дією іонів Mt2 у розчині залежить від звязування іонів металів з азотистими основами ДНК та полегшується при частковій дестабілізації структури макромолекули.

Перехід ДНК у компактний стан має високу позитивну кооперативність, яка залежить від структури розчину та знижується в присутності речовин, що руйнують структуру води.

Запропонована модель компактизації ДНК під дією іонів Mt2 , яка включає як внутрішньомолекулярний, так і міжмолекулярний механізми.

В міру зростання обємної концентрації етанолу та 1,2-ПД у змішаному розчині монотонно зростає ступінь Cu2 -індукованої компактизації ДНК та зменшується концентрація іонів міді, необхідна для переводу ДНК у компактний стан, як при температурі 29, так і 450С. Залежність необхідної для компактизації ДНК концентрації іонів Cu2 від вмісту гліцерину у розчині має немонотонний характер як при 29, так і при 450С.

Компактизація ДНК під дією іонів Cu2 у змішаних розчинах, що містять етанол, 1,2-ПД та гліцерин, залежить не тільки від діелектричної проникності розчину, але й від структури розчину, що утворюється.

Залежність Са2 -індукованої компактизації ДНК від концентрації етанолу та 1,2-пропандіолу у розчині носить немонотонний характер і при концентраціях неелектролітів, що стабілізують структуру води, необхідна для компактизації ДНК концентрація іонів Са2 підвищується.

При переході ДНК у компактну форму у водному розчині при 450С у випадку дії іонів Cu2 , які мають більшу спорідненість до основ ДНК та значно знижують температуру плавлення ДНК, визначальними факторами є зростання констант звязування іонів Cu2 з денатурованими ділянками, що утворюються, на ДНК, та зменшення жорсткості макромолекули, у випадку іонів Са2 - зниження екраніруючої дії протиіонів при зростанні їх гідратації з температурою.

Ефективність іонів Cu2 та Са2 в індуциюванні компактизації ДНК залежить від їх гідратації: зростання гідратації призводить до зростання необхідної для компактизації ДНК концентрації іонів Mt2 , дегідратація іонів знижує необхідну концентрацію іонів. При невеликих змінах діелектричної проникності середовища ефекти сольватації можуть переважати.

Теорія конденсації протиіонів не адекватно описує перехід ДНК у компактну форму у змішаних розчинах, оскільки вона не враховує впливу структури розчину. Теорія рівноважного звязування задовільно описує компактизацію ДНК.

При взаємодії поліфосфатів з іонами Ca2 у водному розчині відбувається утворення впорядкованих структур, подібних до конденсатів ДНК. Цей процес має різко кооперативний характер. Етанол, 1,2-пропандіол та гліцерин в концентрації до 15 об. % зменшуюь концентрацію іонів Са2 , необхідну для конденсації поліфосфатів; вплив гліцерину, на відміну від етанолу та 1,2-пропандіолу, носить немонотонний характер. В присутності неелектролітів кооперативність конденсації поліфосфатів різко зменшується в ряду етанол > 1,2-пропандіол > гліцерин.

1. Hackl E. V., Kornilova S. V., Kapinos L. E., et. al. Study of Ca2 , Mn2 , Cu2 ion binding to DNA in solutions by means of IR-spectroscopy // J. Mol. Struct. - 1997. - v.408/409. - Р.229-232.

2. Andrushchenko V. V., Kornilova S. V., Kapinos L. E., Hackl E. V., et. al. IR-Spectroscopic studies of divalent metal ion effects on DNA hydration // J. Mol. Struct. - 1997. - v.408/409. - P.225-228.

3. Хакл Е.В., Корнилова С.В., Благой Ю.П. Компактизация ДНК в присутствии ионов Cu2 в водном и водно-спиртовых растворах // Вестник проблем биол. и мед. - 1998. - № 8. - С.41-51.

4. Kornilova S. V., Hackl E. V., Kapinos L. E. et. al. DNA interaction with biologicaly active metal ions. Cooperativity of metal ion binding at DNA compactization // Acta Biochimica Polonia. - 1998. - v.45, N 1. - P.107-117.

5. Хакл Е.В., Корнилова С.В., Благой Ю.П. Изучение влияния ионов Cu2 на ДНК в водных растворах, содержащих 1,2-пропандиол и глицерин, методом ИК-спектроскопии. // Вісн. ХДУ. - 1998. - № 410. Біофізичний вісн. Вип.1. - С.62-70.

6. Хакл Е.В., Корнилова С.В., Соловьева А.С., Зинченко А.В., Благой Ю.П. Переход ДНК в компактное состояние при связывании с ионами меди в растворах криопротекторов // Проблемы криобиологии. - 1998. - № 3. - С.67-69.

7. Hackl E. V., Kornilova S. V., Bezlepkina N. A., Blagoi Yu. P. Effect of glycerol and temperature on DNA interaction with Cu2 ions // Metal ions in biol. and med. - 1998. - v.5. - Р.104-108.

8. 15

9. Hackl E. V., Kornilova S. V., Blagoi Yu. P. Influence of water activity on DNA interaction with divalent metal ions // Metal ions in biol. and med. - 1998. - v.5. - Р.99-103.

10. Хакл Е.В., Корнилова С.В., Благой Ю.П. Влияние мочевиниы на взаимодействие ионов Cu2 с ДНК в растворе // Вісн. ХДУ. - 1998. - № 422. Біофізичний вісн. Вип.2. - С.62-70.

11. Hackl E. V., Kornilova S. V., Blagoi Yu. P. IR-spectroscopic study of Ca2 , Mn2 and Cu2 ions interaction with DNA in solutions with different water activity // Р. Carmona, R. Navarro and A. Hernanz (eds.) Spectroscopy of biological molecules: modern trends. - Kluwer, The Netherlands. - 1997. - Р.389-390.

12. Hackl Е., Kornilova S., Blagoi Yu. Ca2 , Mn2 and Cu2 ions interaction with DNA and polyphosphates in solutions with different water activity // Eur. Biophys. J. - 1997. - v.26, ? 1. - ?.50.

13. Hackl E., Kornilova S., Blagoi Yu. DNA condensation at divalent metal ion binding. Influence of temperature and water activity // Book of Abstracts of the 25th Silver FEBS Meeting. - (Kopenhavn) Denmark. - 1998. - Р.37.26.