ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ И ДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГИДРАТНОГО ОКРУЖЕНИЯ ПРИРОДНЫХ ДНК И МОДЕЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Гасан А. И., Вирник К. М., Шестопалова А. В.
Институт радиофизики и электроники НАН Украины, 310085 Харьков, Украина
Гидратное окружение играет фундаментальную роль в определении устойчивости вторичной структуры ДНК и существовании многообразия ее конформационных состояний. Взаимосвязь структуры и свойств ДНК вызывает, несомненно, большой интерес к проблеме исследования системы ДНК-вода. В настоящей работе представлены результаты изучения энергетики дегидратации природных ДНК с различным AT/GC-составом и модельных соединений, а также динамических свойств молекул воды, связанных на данных матрицах. Методом дифференциальной сканирующей микрокалориметрии в изотермическом режиме получены значения энергии дегидратации (En) образцов природных ДНК (с содержанием GC-пар 72, 42 и 31%) и двуспиральных полинуклеотидных комплексов (GC- и AU-типа) в интервале относительной влажности (ОВ) 5-95%. Показано, что энергия дегидратации ДНК зависит от нуклеотидного состава и является характеристикой первичной структуры. Во всем интервале ОВ самые высокие значения En получены для двуспирального комплекса poly(G)Чpoly(C) (от 51,7 до 43,7 кДж/моль Н2О), а минимальные для poly(A)Чpoly(U) (от 49,5 до 40,7 кДж/моль Н2О). В рассматриваемом интервале ОВ обнаружена линейная зависимость энергии дегидратации природной ДНК от ее AT/GC-состава, что позволяет по экспериментально полученному энергетическому "спектру" установить нуклеотидный состав природной ДНК. С повышением содержания воды в образцах нуклеиновых кислот (независимо от их нуклеотидного состава) значения энергий дегидратации уменьшаются и стремятся к среднему значению энергии взаимодействия вода-вода в объемной фазе. Это свидетельствует о малой различимости энергетических свойств периферийной воды гидратного окружения нуклеиновой кислоты и объемной воды. Из экспериментальных данных рассчитаны динамические характеристики связанной воды в гидратных оболочках изучаемых биополимеров в зависимости от ОВ: время дипольной релаксации (td) и свободный объем (Vf), занимаемый молекулами воды в гидратном окружении полимерных матриц. На полученных зависимостях обнаружены как общие закономерности поведения связанной воды на различных матрицах, так и проявление индивидуальных свойств, обусловленных конкретной структурой биополимера. С помощью метода Монте-Карло получены энергетические характеристики взаимодействия некоторых динуклеотидов (АрА, ТрТ, UpU, ТрU, UрТ) с водным окружением для кластеров с различным количеством молекул воды (20, 40, 80, 100, 200 и 400 молекул), а также значения времени дипольной релаксации связанной воды. Результаты проведенного моделирования коррелируют с полученными калориметрическими данными. С увеличением содержания воды в исследованных системах нуклеиновая кислота-вода и динуклеотид-вода значения времен дипольной релаксации связанной воды, полученные с помощью обоих подходов, стремятся к значению для объемной воды (0,9 10-11с).