СТАБИЛЬНОСТЬ СТРУКТУРЫ И ДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СИСТЕМЫ ДНК-ВОДА
Малеев В. Я.
Институт радиофизики и электроники Национальной академии наук Украины, 310085 Харьков, Украина
Доклад содержит краткий
обзор результатов исследований физических свойств системы ДНК-вода,
выполненных в последние годы в Отделе биофизики Института радиофизики
и электроники Национальной академии наук Украины с помощью ранее
разработанного методического подхода с использованием образцов
нуклеиновых кислот разного типа в виде увлажненных пленок с переменным
и строго контролируемым содержанием воды. Исследования таких систем,
проведенные методами инфракрасной спектроскопии, дифференциальной
сканирующей калориметрии и пьезогравиметрии, показали, что по
мере увеличения содержания воды в образцах (n) наблюдается
несколько стадий формирования вторичной структуры ДНК и ее гидратного
окружения. При этом оказалось, что вода вносит решающий вклад
в энергию стабилизации спиральной структуры биомакромолекулы,
а также определяет ее конформационную подвижность. Указанный методический
подход был использован нами для исследования влияния воды на стабильность
структуры и динамические свойства ДНК с различным содержанием
АТ- и GC-пар. В качестве образцов были взяты модельные двойные
спиральные комплексы АU(AT) и GC-типа, а также АТ- и GC-обогащенные
ДНК. Распределение молекул воды по энергиям связывания с ДНК,
т.е. зависимость избыточной энергии гидратации DE от n,
найдено из результатов прямых микрокалориметрических измерений
теплоты испарения воды из гидратированных образцов ДНК, а также
из ИК-спектроскопических данных о воде, сорбированной на ДНК.
Обнаружено заметное превышение избыточной энергии гидратации в
случае GC-пар по сравнению с АТ-парами, что может быть основной
причиной известного различия термостабильности этих пар. Динамические
свойства системы ДНК-вода охарактеризованы временами дипольной
релаксации и свободным объемом молекул воды в гидратном окружении
ДНК, а эти параметры определены из экспериментально найденных
значений DЕ(n) для ДНК с различным АТ/GC- составом.
В рамках простой модели диффузии связанной воды в системе ДНК-вода
с учетом полученных экспериментальных данных определены коэффициенты
диффузии воды для разных конформаций ДНК и найдены фрактальные
размерности А- и В-форм ДНК. Построены теоретические модели для
описания гистерезисных явлений, возникающих при изменении содержания
воды в системе ДНК-вода в цикле гидратация-дегидратация. Показано,
что причина гистерезиса - метастабильные состояния, возникающие
при конформационных переходах, вызываемых изменением взаимодействия
ДНК с водой.