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.