Вісник НАН України. 2014. №1. С. 89-95.
https://doi.org/10.15407/visn2014.01.089
ПЕРЕПЕЛИЦЯ СЕРГІЙ МИКОЛАЙОВИЧ - кандидат фізико-математичних наук,
учений секретар Інституту теоретичної фізики ім. М.М. Боголюбова НАН України
ДИНАМІЧНЕ ВПОРЯДКУВАННЯ ІОНІВ МЕТАЛІВ НАВКОЛО ПОДВІЙНОЇ СПІРАЛІ ДНК
За матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України
2 жовтня 2013 року
Досліджено систему подвійної спіралі ДНК з іонами металів, що нейтралізують негативно заряджені фосфатні групи остова макромолекули. Показано, що іони металів можуть формувати динамічну впорядковану структуру вздовж остова ДНК, подібну до ґратки іонного кристала (іон-фосфатну ґратку). Знайдено специфічні моди коливань іон-фосфатної ґратки і показано, що вони знаходяться в низькочастотному діапазоні коливального спектра ДНК (< 200 см-1). У рамках підходу динамічного впорядкування іонів навколо ДНК пояснено роль іонів солі у формуванні фрактальних структур, що спостерігаються на поверхні після висушування водних розчинів ДНК з солями хлоридів лужних металів.
Ключові слова: ДНК, протиіони, ґратка, конформаційні коливання, низькочастотний спектр, текстура.
Як відомо, молекула ДНК є носієм генетичної інформації, що кодується за допомогою послідовності структурних елементів – азотистих основ. Азотисті основи бувають чотирьох типів: аденін (А), тимін (Т), гуанін (G) і цитозин (С). У молекулі ДНК азотисті основи сполучаються між собою водневими зв’язками згідно з правилом комплементарності: аденін завжди з’єднується з тиміном (А–Т), а гуанін – з цитозином (G–C). Всередині макромолекули розміщені пари азотистих основ, а зовні – цукро-фосфатний остов, що складається з фосфатних груп (PO4) і молекул дезоксирибози (цукрів). Азотисті основ разом із цукрами та фосфатними групами складають нуклеотиди, з яких формується подвійна спіраль ДНК (рис. 1). У 1953 р. біолог Джеймс Уотсон і фізик Френсіс Крік запропонували модель двоспіральної структури молекули ДНК, ґрунтуючись на блискучих експериментальних дослідженнях Моріса Уілкінса і Розалінди Франклін [1–3]. Відкриття подвійної спіралі ДНК у 1963 р. було удостоєне Нобелівської премії з фізіології й медицини та ознаменувало початок нової епохи в науці. У природних умовах фосфатні групи несуть на собі електростатичний заряд, який дорівнює приблизно заряду електрона (-е). У зв’язку з тим, що відстань між фосфатними групами в ДНК мала (близько 1 нм), за законом Кулона вони відштовхуються зі значною силою. Енергія електростатичного відштовхування для такої системи вдвічі перевищує енергію водневих зв’язків, тому для стабілізації подвійної спіралі ДНК необхідно, щоб фосфатні групи були нейтралізовані. У природі фосфатні групи нейтралізуються позитивно зарядженими іонами, які називають протиіонами. Як правило, роль протиіонів відіграють іони металів, що завжди містяться в клітині в достатній кількості, наприклад натрій, калій та ін. (рис. 2). Нейтралізація зарядів фосфатних груп остова макромолекули ДНК іонами металів була одним із ключових положень у моделі подвійної спіралі Уотсона і Кріка, яке повністю підтвердилося подальшими експериментами. У природних умовах протиіони разом з молекулами води формують іон-гідратну оболонку, всередині якої вони перебувають у стані динамічної рівноваги і можуть приєднуватися і відщеплюватися від фосфатних груп ДНК. У зв’язку з тим, що фосфатні групи періодично повторюються вздовж гомогенного остова макромолекули, протиіони, відтворюючи структуру подвійної спіралі, розташовуються регулярно навколо ДНК. Таким чином формується динамічна впорядкована структура з протиіонів і фосфатних груп (рис. 3), яка в наших роботах [4–9] розглядається як динамічна ґратка іонного типу (іон-фосфатна ґратка). За своїми властивостями така ґратка має бути подібною до ґратки іонних кристалів, наприклад NaCl. Як відомо, однією з типових властивостей іонних кристалів є коливання зарядів відносно положення рівноваги у вузлах кристалічної ґратки. Такі коливання виявляються в коливальних спектрах у низькочастотному діапазоні < 200 см-1 [10]. Слід очікувати, що динаміка іон-фосфатної ґратки також характеризуватиметься специфічними коливаннями протиіонів відносно фосфатних груп остова ДНК (іон-фосфатними коливаннями). Визначення іон-фосфатних коливань у спектрі ДНК є важливим для розуміння взаємозв’язку між структурною організацією протиіонів і стабільністю подвійної спіралі в умовах живого організму. Іон-фосфатні коливання мають знаходитися в низькочастотному діапазоні спектра, так само, як і внутрішньомолекулярні коливання ДНК [11–17]. Низькочастотні коливання ДНК характеризуються зміщеннями цілих атомних груп подвійної спіралі, таких як нуклеотиди, фосфатні групи тощо. Коливання такого типу називають конформаційними [11–13]. Найнижчою модою конформаційних коливань ДНК є мода 20 см-1, яка пов’язана зі зміщеннями азотистих основ разом із цукрами відносно остова макромолекули в площині, ортогональній до осі повідної спіралі. У діапазоні від 60 до 120 см-1 знаходяться коливальні моди, що характеризують рухи структурних елементів ДНК, пов’язані з розтягненням водневих зв’язків у парах азотистих основ та деформацією цукрів. Інтерпретацію низькочастотного коливального спектра ДНК було надано в рамках теорії конформаційних коливань Волкова–Косевича [11–13], яку далі було взято за основу для визначення іон-фосфатних коливань ДНК.
Ґрунтуючись на теорії конформаційних коливань Волкова–Косевича і теорії іонних кристалів, побудовано модель динаміки іон-фосфатної ґратки [4, 5]. У рамках моделі молекулу ДНК представлено у вигляді ланцюжка мономерних ланок. У мономерній ланці азотисті основи та цукри ДНК моделюються як фізичні маятники, сполучені між собою водневими зв’язками. Фізичні маятники можуть здійснювати коливання відносно остова ДНК у площині, ортогональній до осі подвійної спіралі (рис. 4). Довжини фізичних маятників можуть змінюватися внаслідок конформаційної гнучкості кільця дезоксирибози. Протиіони приєднуються до фосфатних груп у вигляді окремих зарядів. Положення протиіонів відносно фосфатних груп може бути різним залежно від конформації ДНК та типу іона, тому для різних випадків розташування протиіонів було побудовано різні модифікації моделі динаміки іон-фосфатної ґратки [6–9]. Результати розрахунків частот коливань молекули ДНК з різними іонами лужних металів (Na+, K+, Rb+ та Cs+) показали, що мода іон-фосфатних коливань знаходиться в діапазоні від 90 до 180 см-1 і зменшується зі збільшенням маси іона (рис. 5). Порівняння одержаних результатів з експериментальними даними [14–17] показало, що в коливальних спектрах ДНК з іонами лужних металів наявна мода, яка має таку саму залежність частоти від маси іона. Слід зазначити, що подібна залежність частот іонних коливань спостерігається і для іонних кристалів галогенідів лужних металів [10]. Це свідчить про те, що структура, яка утворюється з протиіонів і фосфатних груп, має властивості іонної ґратки, що підтверджує нашу ідею про існування іон-фосфатної ґратки ДНК. Повний текст