Применение метода дифференциальной КВЧ диэлектрометрии в молекулярной биофизике
Представлен обзор результатов, полученных в отделе биофизики ИРЭ НАНУ с помощью оригинального дифференциального диэлектрометра при решении задач молекулярной биофизики. Главное внимание уделено демонстрации возможностей метода для исследования в миллиметровом диапазоне диэлектрических параметров, х...
Saved in:
| Date: | 2008 |
|---|---|
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
2008
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10759 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Применение метода дифференциальной КВЧ диэлектрометрии в молекулярной биофизике / В.А. Кашпур, В.Я. Малеев, О.В. Хорунжая // Радіофізика та електроніка. — 2008. — Т. 13, спец. випуск. — С. 446-454. — Бібліогр.: 27 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859905026147745792 |
|---|---|
| author | Кашпур, В.А. Малеев, В.Я. Хорунжая, О.В. |
| author_facet | Кашпур, В.А. Малеев, В.Я. Хорунжая, О.В. |
| citation_txt | Применение метода дифференциальной КВЧ диэлектрометрии в молекулярной биофизике / В.А. Кашпур, В.Я. Малеев, О.В. Хорунжая // Радіофізика та електроніка. — 2008. — Т. 13, спец. випуск. — С. 446-454. — Бібліогр.: 27 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| description | Представлен обзор результатов, полученных в отделе биофизики ИРЭ НАНУ с помощью оригинального дифференциального диэлектрометра при решении задач молекулярной биофизики. Главное внимание уделено демонстрации возможностей
метода для исследования в миллиметровом диапазоне диэлектрических параметров, характеризующих взаимодействие биомолекул
разного уровня сложности с водным растворителем. Приведены результаты соответствующих измерений для большого набора
мономерных и полимерных образцов нуклеиновых кислот разного типа, а также белков. Показано, что дифференциальный диэлектрометр наиболее эффективен для исследования небольших изменений во взаимодействии биомолекул с растворителем, вызванных действием внешних факторов (нагрев, ионизирующее излучение, образование комплексов с активными веществами и др.).
Выяснено, что поглощение СВЧ излучения биомолекулами очень мало и не может определять биологическое действие этого излучения. Главным компонентом раствора биомолекул, взаимодействующим с СВЧ волнами, является вода в области дебаевской дисперсии.
Подано огляд результатів, що отримані у відділі біофізики ІРЕ НАНУ за допомогою оригінального диференціального діелектрометра при рішенні задач молекулярної біофізики. Головна увага приділена демонстрації можливостей методу для дослідження в мм діапазоні діелектричних параметрів, які характеризують взаємодію біомолекул різного рівня складності з водним розчинником. Подано результати відповідних вимірів для великого набору мономерних і полімерних зразків нуклеїнових кислот різного типу, а також білків. Показано, що диференціальний діелектрометр найбільш ефективний для дослідження невеликих змін у взаємодії біомолекул з розчинником, що викликані дією зовнішніх факторів (нагрівання, іонізуюче випромінювання, утворення комплексів з активними речовинами та ін.). З'ясовано, що поглинання СВЧ випромінювання біомолекулами дуже мале і не може визначати біологічну дію цього випромінювання. Головним компонентом розчину біомолекул, що взаємодіє з НВЧ хвилями, є вода в області дебаєвської дисперсії.
The review of results obtained in Department of Biophysics (IRE of NASU) by an original differential dielectrometer for solving the problems of molecular biophysics is presented. The main attention is given to demonstration of opportunities of the method to study in the millimeter range the dielectric parameters describing the interaction of biomolecules having different levels of complexity with the water solvent. The results of corresponding measurements for the large set of monomeric and polymeric samples of nucleic acids of different type, and also proteins are given. It is shown that the differential dielectrometer is most effective for investigation of little changes in interaction of biomolecules with the solvent caused by action of the external factors (heating, ionizing radiation, formation of complexes with active substances and so on). It is found that the absorption of microwave emission by biomolecules is very little and it cannot determine the biological action of this radiation. In the solution of biomolecules the main component interacting with microwaves is water in the Debye dispersion range.
|
| first_indexed | 2025-12-07T15:59:22Z |
| format | Article |
| fulltext |
__________
ISSN 1028-821X Радиофизика и электроника, том 13, спец. вып., 2008, с. 446-454 ИРЭ НАН Украины, 2008
УДК 53.083.6+573
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ КВЧ ДИЭЛЕКТРОМЕТРИИ
В МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОФИЗИКЕ
В. А. Кашпур, В. Я. Малеев, О. В. Хорунжая
Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины
12, ул. Ак. Проскуры, Харьков, 61085, Украина
E-mail: kashpur@ire.kharkov.ua
Представлен обзор результатов, полученных в отделе биофизики ИРЭ НАНУ с помощью оригинального дифференци-
ального диэлектрометра при решении задач молекулярной биофизики. Главное внимание уделено демонстрации возможностей
метода для исследования в миллиметровом диапазоне диэлектрических параметров, характеризующих взаимодействие биомолекул
разного уровня сложности с водным растворителем. Приведены результаты соответствующих измерений для большого набора
мономерных и полимерных образцов нуклеиновых кислот разного типа, а также белков. Показано, что дифференциальный диэлек-
трометр наиболее эффективен для исследования небольших изменений во взаимодействии биомолекул с растворителем, вызван-
ных действием внешних факторов (нагрев, ионизирующее излучение, образование комплексов с активными веществами и др.).
Выяснено, что поглощение СВЧ излучения биомолекулами очень мало и не может определять биологическое действие этого излу-
чения. Главным компонентом раствора биомолекул, взаимодействующим с СВЧ волнами, является вода в области дебаевской дис-
персии. Ил. 5. Табл. 5. Библиогр.: 27 назв.
Ключевые слова: дифференциальная диэлектрометрия, миллиметровые волны, гидратация, нуклеиновые кислоты, био-
логически активные вещества.
В последние десятилетия резко возрос
интерес к исследованиям, выполненным с помо-
щью диэлектрической спектроскопии, что связа-
но с разработкой и усовершенствованием мето-
дов, позволяющих получить информацию о ди-
электрической проницаемости веществ в сущест-
венно расширенном частотном диапазоне (от 10
-6
до 10
12
Гц). Одним из наиболее распространен-
ных методов измерения диэлектрических свойств
в широком диапазоне частот является спектро-
скопия во временной области (Time domain spec-
troscopy). Метод основан на Фурье-преобра-
зовании короткого импульса, искаженного при
отражении от исследуемого образца [1, 2]. Полу-
чаемые при этом данные о дисперсии диэлектри-
ческих параметров, т. е. их зависимости от часто-
ты, очень важны, так как позволяют уточнять
электродинамические модели взаимодействия
электромагнитных полей с исследуемым вещест-
вом. Однако широкодиапазонные методы, как
правило, характеризуются худшей точностью
измерения диэлектрических параметров (2-3 %)
по сравнению с резонансными и волноводными
методами. Поэтому такие методы малоэффективны,
в частности, при анализе небольших изменений
диэлектрических характеристик биологических
молекул при их взаимодействии с окружающим
водным растворителем.
К настоящему времени убедительно по-
казано, что это взаимодействие («гидратация») в
большой степени определяет многие свойства
биомолекул – структуру, стабильность, динамику,
реакцию на воздействие внешних полей и т. д.
Вода, составляющая основную часть живых орга-
низмов, не является пассивной субстанцией, на
фоне которой разыгрываются процессы, обуслов-
ленные исключительно структурой биомолекул.
Взаимодействие воды со многими клеточными
компонентами (нуклеиновые кислоты, белки, са-
хара и др.) настолько сильно, что, с одной сторо-
ны, свойства этих веществ значительно изменя-
ются (и только в этом случае они оказываются
активными), а с другой – на поверхности биомо-
лекул образуется слой видоизмененной, так назы-
ваемой связанной воды, играющей ключевую
роль во многих биологических процессах [3].
Поскольку клетка или, тем более, орга-
низм являются слишком сложными объектами
для изучения в них на молекулярном уровне сис-
тем биомолекула – вода, то в качестве адекватных
моделей используются водные растворы. Но и в
растворе изучение взаимодействия между биомо-
лекулами и водным окружением затруднено как
известной нечеткостью определения самого поня-
тия «связанная вода» (имеется некоторый интер-
вал величин избыточной энергии взаимодействия
биомолекула – вода 0EEE по сравнению с
энергией взаимодействия вода – вода 0E ), так и
малой величиной эффекта. Лишь незначительная
часть растворителя сильно взаимодействует с
биомолекулами. Мало изучены даже такие инте-
гральные характеристики, как количество связан-
ной воды (степень гидратации) и величины изме-
нения этого количества в различных процессах,
хотя такие сведения позволили бы определить,
например, степень открытости поверхности био-
полимеров для их взаимодействия с лекарствами
или же оценить термодинамический выигрыш,
необходимый для такого комплексообразования.
Информативность КВЧ диэлектромет-
рии для изучения гидратации обусловлена тем,
что диэлектрическая проницаемость в мм диапа-
зоне системы биомолекула – вода состоит из
mailto:kashpur@ire.kharkov.ua
В. А. Кашпур и др. / Применение метода дифференциальной…
_________________________________________________________________________________________________________________
447
двух составляющих, частотные спектры которых
лишь слегка перекрываются. Основная компо-
нента s обусловлена релаксационными коле-
баниями молекулярных диполей свободной во-
ды. При T = 25 ºС время дипольной релаксации
составляет 0,9·10
-11
с, релаксационная длина
волны рел – 16,5 мм, а соответствующая часто-
та релf – 18 ГГц [1].
Времена дипольной релаксации ансамбля
молекул связанной воды различны, так как отли-
чаются величины избыточной энергии iE для
i -х центров гидратации. Однако эти времена
больше 10
-9
с, что соответствует частоте
~ 100 МГц [4]. Согласно уравнению Дебая
~ 1/(1 +
22
). Поэтому вклад в проницае-
мость в мм диапазоне за счет релаксации лю-
бых диполей связанной воды на несколько по-
рядков меньше, чем проницаемость воды, и им
можно пренебречь. Еще менее подвижны мак-
ромолекулы.
Вторая компонента диэлектрической
проницаемости раствора биомолекул опреде-
ляется внутримолекулярными процессами поля-
ризации в свободной и в связанной воде, а также
в макромолекулах; ее характерные частоты при-
надлежат оптической области. Величина мала
(~ 4 в КВЧ диапазоне) и практически неизменна
при обычных физиологических процессах. Отсю-
да следует, что проницаемость водного раствора
в мм диапазоне будет меньше проницаемости
растворителя на величину s . Измерив эту раз-
ность и зная величины , а также объем биомо-
лекул v , мы можем рассчитать количество свя-
занной воды w (граммов воды на 1 г растворен-
ного вещества) или его изменение [5, 6]. При ма-
лых концентрациях для вычислений справедливо
простое линейное уравнение (1), где k – коэф-
фициент пропорциональности, зависящий от
формы биомолекулы; c – концентрация:
))(( wvkc ss . (1)
Поскольку мм диапазон является частью
области дисперсии свободной воды, то для опре-
деления s образца необходимо измерить дейст-
вительную и мнимую части комплексной
диэлектрической проницаемости (КДП), а затем
воспользоваться уравнением Дебая, которое точ-
но описывает дисперсионные свойства воды
2
s . (2)
Таким образом, четко определяя на мо-
лекулярном уровне «связанную воду» как такую,
у которой дипольной релаксации соответствуют
частоты гораздо меньшие частот мм волн (в об-
щем случае она является ансамблем с несколько
отличающимися энергиями взаимодействия), мы
можем с помощью КВЧ измерений определить
всѐ количество связанной воды.
Целью настоящей публикации является
обзор результатов, полученных в отделе биофи-
зики ИРЭ при исследовании взаимодействия с
растворителем таких веществ, как нуклеиновые
кислоты, компоненты и аналоги нуклеиновых
кислот, белки. Большая часть приводимых дан-
ных была ранее опубликована. Мы хотим пока-
зать, какую информацию о состоянии воды в
биологических образцах можно получить с по-
мощью измерений в КВЧ области. Особенно
большое внимание обращено на возможности
дифференциального метода при изучении малых
изменений гидратации, вызванных внешними
факторами и происходящих одновременно со
структурными превращениями в биомолекулах.
1. Экспериментальный метод. При оп-
ределении степени гидратации биомолекул
большие трудности вызывает малая величина
разностей диэлектрических проницаемостей рас-
творителя и раствора биомолекул. Наиболее аде-
кватным методом измерения проницаемости
жидкостей с большими потерями, к которым от-
носятся водные растворы биомолекул, является,
по-видимому, метод переменной толщины. С его
помощью Грант и Шек определяли КДП воды
при =8,6 мм [7]. Использовалась ячейка, в кото-
рой длина пути, проходимого сигналом в жидко-
сти, могла изменяться. При этом толщина слоя
выбиралась такой, что ее изменение в процессе
измерения не влияло на величину отражения от
образца (эффективно бесконечный слой). Метод
основан на определении с помощью волноводно-
го моста изменения поглощения и фазы
сигнала, прошедшего через исследуемый образец
при изменении его длины. Затем из измеренных
величин авторы находили значения КДП. В тем-
пературном интервале 1-60 ºС были определены
параметры дебаевской дисперсии воды: и рел.
Точность метода – выше 1 % как для , так и
для .
Взяв в качестве прототипа диэлектрометр
Гранта и Шека, мы разработали дифференциаль-
ный метод, обеспечивающий нахождение разно-
стей диэлектрических параметров в мм диапазоне
с высокой точностью – до 0,1 % от значений са-
мих параметров [8]. Основной элемент устройст-
ва – ячейка – состоит из двух последовательно
расположенных кювет переменной толщины, в
одной из которых находится контрольный обра-
зец (с известной проницаемостью), а в другой –
исследуемый (рис. 1). Соединяет обе кюветы
подвижный волновод – «челнок». При перемеще-
В. А. Кашпур и др. / Применение метода дифференциальной…
_________________________________________________________________________________________________________________
448
нии челнока общая длина рабочего слоя сохраня-
ется, но меняются толщины слоев в каждой из
кювет. Поэтому изменение амплитуды и фазы
выходного сигнала является однозначной функ-
цией разности КДП контрольного и исследуемого
образцов. Разности и определяются с
помощью волноводного моста. Все измерения в
мм диапазоне проводились на длине волны
= 7,6 мм.
Значения и легко вычисляются при
помощи известных соотношений
222
2// кр ; (3)
2
2/2 , (4)
где кр – критическая длина волны в волноводе.
Рис. 1. Блок-схема дифференциального диэлектрометра: 1, 2 –
кюветы для раствора и растворителя; 3, 4 – входной и выход-
ной волноводы; 5 – диэлектрические пластинки; 6 – «челнок»;
7– микровинт; 8 – индикатор
При определении образцов мы учи-
тывали вклад электропроводности , который
измеряли с помощью моста переменного тока:
f/ , где f – частота. Величины ,
, , и s являются разностями ме-
жду соответствующими параметрами растворите-
ля (воды или водного солевого раствора) и изу-
чаемого образца. Необходимые для определения
, и s значения , , , , s
воды рассчитывались на основании диэлектриче-
ских параметров воды, приведенных в работе [7].
При 23 ºС, что соответствовало температуре про-
ведения эксперимента, использовались следую-
щие значения: = 2,835; = 5, 085; = 17,36;
= 28,84; s = 78,8.
Относительная погрешность определения
разностей и составляет несколько про-
центов, что соответствует абсолютным погреш-
ностям 0,005 (дБ/мм) 0 0003 (рад/мм); 0 005;
0 01 и 0 0 для величин , , , и
s соответственно. Для нуклеиновых кислот
степень гидратации обычно выражали числом n
молекул воды на нуклеотидное звено:
/Mwn 18, где M – молекулярный вес нуклео-
тида ( 327). Погрешность n при использовав-
шихся концентрациях составляет .
Для изучения гидратации возможно и
использование см диапазона, но измерения в мм
диапазоне имеют ряд преимуществ: а) отсутст-
вие коротковолновых участков дисперсии даже
для сравнительно коротких молекул растворен-
ных веществ; б) меньшее влияние электропро-
водности многих образцов на величину ,
так как вклад проводимости в обратно
пропорционален частоте: ~ f/ ;
в) необходимость гораздо меньшего количества
исследуемого вещества.
2. Компоненты нуклеиновых кислот.
Как известно, основным повторяющимся звеном
нуклеиновых кислот является нуклеотид. Он со-
стоит из сахара (рибоза в РНК и дезоксирибоза в
ДНК), соединенного с одного конца с каким-то
одним из четырех азотистых гетероциклических
оснований, а с другого – с фосфатной группой
H3PO4. Нами изучались: а) нуклеозиды аденозин,
уридин и цитидин, состоящие из рибозы и основа-
ний аденина, урацила и цитозина соответственно;
б) нуклеозид дезокситимидин, состоящий из де-
зоксирибозы и основания тимина; в) нуклеотиды
АМФ, дТМФ, УМФ, ЦМФ и ГМФ, состоящие из
фосфатной группы и нуклеозидов аденозина, де-
зокситимидина, уридина, цитидина и гуанозина
Аттенюатор
Фазовращатель
Направленный
ответвитель
Генератор
Направленный
ответвитель
Направленный
ответвитель
Детектор Усилитель
1
2
3
5
6
5
7
Аттенюатор
1
2
3
4
8
5
6
5
7
7
В. А. Кашпур и др. / Применение метода дифференциальной…
_________________________________________________________________________________________________________________
449
(основание гуанин, связанный с рибозой) соответ-
ственно. Пример нуклеотида приведен на рис. 2.
N
N
N
N
NH2
O
OHOH
HH
HH
OPHO
OH
O
Рис. 2. Структурная формула АМФ
На рис. 3 представлены результаты изу-
чения нуклеотидов и нуклеозидов.
а)
б)
Рис. 3. Диэлектрическая проницаемость (а) и гидратация (б)
нуклеозидов и нуклеотидов: 1 – аденозин; 2 – АМФ; 3 – ГМФ;
4 – итидин; 5 – ЦМФ; 6 – уридин; 7 – УМФ; 8 – дезокситими-
дин; 9 – дТМФ
Значения удельного объема v определе-
ны с помощью денситометра. Концентрация c
составляла 1 %. В этих и в последующих измере-
ниях k =1,58. Это значение является средним
значением коэффициентов, определенных теоре-
тически для двух крайних случаев – шара и ци-
линдра [5]. Оно соответствует также величине,
найденной путем численного решения для неко-
торых реальных биомолекул [9]. Так как цен-
тральная частота дисперсии нуклеозидов состав-
ляет 5·10
8
Гц, то вклад в КДП на частоте измере-
ния в 4·10
10
Гц за счет дипольной релаксации этих
биомолекул является пренебрежимо малым, и его
можно не учитывать. Сделанный вывод еще более
справедлив для нуклеотидов, имеющих область
дипольной дисперсии при еще более низких часто-
тах (вследствие большей молекулярной массы).
Хотя наши измерения позволяют непо-
средственно оценить лишь суммарную гидрата-
цию, но сравнение полученных данных позволяет
получить более детальную картину:
– декременты , , s для нук-
леотидов заметно больше, чем для нуклеозидов.
При этом их величины для пуринов (АМФ и
ГМФ) гораздо выше, чем для пиримидинов
(ЦМФ, УМФ и дТМФ). Эффект соответствует
большему числу n связанных молекул воды с
одной биомолекулой. Для первых гидратация
составляет 11 молекул воды, а для вторых –
лишь 8;
– вычисления, сделанные на основе по-
лученных значений и , показывают, что
нуклеотиды связывают 7-11 молекул воды, в то
время как нуклеозиды только 2-3. Следовательно,
вокруг фосфатных групп должно быть не менее
четырех молекул воды;
– основания связывают 1-2 водные моле-
кулы в случае АМФ и ГМФ и 4 молекулы в слу-
чае ЦМФ, УМФ и дТМФ. Очевидно, что сахарное
кольцо связывает лишь одну молекулу воды.
Особенно эффективным оказывается вы-
явление центров связывания воды при сопостав-
лении КВЧ данных с результатами некоторых
других исследований. Так, ИК спектроскопия не
позволяет выявить молекулы связанной воды, но
фиксирует те атомные группы, полосы которых
проявляют наибольшие изменения по частоте и
интенсивности. Сравнение с ИК спектрами нук-
леотидов, полученными в отделе биофизики ИРЭ,
позволило нам сделать вывод [10], что наиболее
вероятными гидратно-активными центрами в
случае АМФ и дТМФ являются фосфатная груп-
па, C=O группа рибозы и группы C=N (аденин) и
C2=O2 и C4=O4 (тимин).
3. Нуклеиновые кислоты. Результаты
диэлектрических измерений различных нуклеино-
вых кислот представлены в табл. 1. Для натриевой
1 2 3 4 5 6 7 8 9
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
s
рибозное кольцо
фосфатная
группа
основание
аденин
нуклеозид аденозин
нуклеотид
аденозин-5 -монофосфат
1 2 3 4 5 6 7 8 9
0
2
4
6
8
1
0
n
В. А. Кашпур и др. / Применение метода дифференциальной…
_________________________________________________________________________________________________________________
450
соли ДНК (фирма Serva) измерения КДП показали,
что при c = 0,6 % величина s заметно больше,
чем этот же параметр для эквимолярной смеси
нуклеотидов ( s = 1,3). Вычисления по уравне-
нию (1) показывают, что с каждым нуклеотидом
ДНК связано до 18 молекул воды, что согласуется
с данными ИК спектроскопии и рентгенострук-
турного анализа. Это значение в два раза больше
того, которое соответствует в среднем отдельному
нуклеотиду – 9 молекул, как это следует из рис. 3.
Таким образом, образование структуры ДНК из
нуклеотидов происходит одновременно с двукрат-
ным увеличением числа связанных молекул воды.
Таблица 1
Диэлектрические свойства и гидратация
нуклеиновых кислот
Вещество c, % s n
NaДНК 0,65 0,12 0,38 1,19 18
LiДНК 0,61 0,08 0,28 0,90 12
тРНК 1,23 0,16 0,56 1,81 12
КВЧ измерения помогают понять причину
различных свойств двух солей ДНК: NaДНК и
LiДНК [11]. Оптические спектры указывают на раз-
ное количество воды, контактирующей с этими
двумя видами ДНК. Однако поскольку такие спек-
тры регистрируются в специфических условиях
влажной пленки, то возникает вопрос: не могут ли
эти различия быть обусловлены структурой пленки,
а не особенностями ДНК? Результаты диэлектро-
метрии показывают, что для величин и
характерны существенные отличия. Особенно по-
казательно, что для NaДНК s =1,6. Это намного
больше, чем для LiДНК ( s =1,2). Эффект указы-
вает на гораздо меньшее количество связанной
воды в последнем случае. Действительно, расчет
по уравнению (1) свидетельствует, что только 12
молекул воды связаны с молекулой LiДНК. По-
этому следует предположить существование раз-
личных структур в водном окружении двух солей
ДНК. По-видимому, ионы Li
+
обладают бóльшим
сродством к гидратно-активным центрам.
В случае транспортной РНК с каждым
нуклеотидом оказались связанными 12 молекул
воды, что также гораздо больше средней гидрата-
ции свободного нуклеотида [12]. Однако возрас-
тание степени гидратации в этом случае явно
меньше по сравнению с NaДНК. Поскольку глав-
ное отличие ДНК от тРНК заключается в том, что
для последней только часть нуклеотидов ( 55 %)
находится в спиральной конформации, можно
заключить, что именно появление жесткой спи-
рали в нуклеиновых кислотах приводит к усиле-
нию взаимодействия с водой.
Подобным образом Умехара с сотрудни-
ками [13] для изучения различных типов ДНК
применил вариант метода временной спектроско-
пии. Прибор использовался в диапазоне
10
4
- 10
10
Гц при T = 20 ºС. Авторы зафиксирова-
ли при 100 МГц релаксационный пик, который
был отнесен ими к колебаниям молекул связан-
ной воды. Были также выполнены количествен-
ные оценки степени гидратации. Расчеты показа-
ли, что на один нуклеотид ДНК в B форме прихо-
дится 19 молекул связанной воды. В то же время
гидратация А формы составляет 13, а Z формы –
9 молекул воды на нуклеотид.
В связи с изучением диэлектрических
свойств ДНК следует остановиться на вопросе
поглощения этой молекулой электромагнитных
волн СВЧ диапазона. В 80-е гг. XX века появи-
лись статьи, в которых сообщалось о том, что в
ДНК наблюдается гигантское поглощение (до 400
раз большее, чем у воды) [14]. Такой эффект мог
бы оказаться решающим в решении проблемы
нетепловых эффектов в биообъектах. В то же
время другие работы не подтверждали наличия
заметного поглощения, однако точность этих
экспериментов была недостаточна.
Поэтому, используя метод переменной
толщины, мы изучили ряд образцов ДНК. Объек-
тами являлись как высокополимерные макромо-
лекулы, так и фрагменты, полученные расщепле-
нием ДНК с помощью облучения ультразвуком и
расщепления с использованием фермента дезок-
сирибонуклеазы I. Изучались образцы ДНК, вы-
деленные из эритроцитов цыплят и из E. coli. Раз-
новидности ДНК, условия дезинтеграции и час-
тотный диапазон были выбраны такими, чтобы
фрагменты оказались идентичными тем, в кото-
рых Эдвардс с соавторами наблюдали сильное
поглощение [14]. Проверка, проведенная с помо-
щью гель-электрофореза, показала, что длины
свыше 50 % фрагментов соответствовали требуе-
мому интервалу длин.
Исследования поглощения выполнялись
в см области диаграммы длин волн [15], их ре-
зультаты приведены в табл. 2.
Таблица 2
Поглощение растворов нативной
и разрушенной ДНК
f, ГГц PН1 PУЗ Рф1 Рф2 PН2 Рф3
8,81 0,990 0,980 1,01 1,01 1,015 0,995
9,41 0,985 1,000 1,00 1,01 1,985 0,985
9,81 0,990 1,000 1,00 1,01 1,985 1,000
10,08 - - 0,99 1,01 1,000 1,005
10,24 0,995 0,990 - - - 1,005
10,90 0,990 0,985 - - - 1,000
11,26 0,990 0,990 - - - 1,005
В. А. Кашпур и др. / Применение метода дифференциальной…
_________________________________________________________________________________________________________________
451
Все данные являются средними 5-10 из-
мерений относительных коэффициентов поглоще-
ния os PPP / , где sP является коэффициентом
поглощения образца, а oP – растворителя. Видно,
что относительный коэффициент поглощения рас-
твора нативной ДНК из эритроцитов ( н1P ) и ко-
эффициент поглощения той же ДНК, но фрагмен-
тированной ультразвуком ( у зP ), практически не
отличаются от единицы (концентрация 0,5 %). То
же можно сказать и о средних значениях коэффи-
циентов ф1Р и ф2Р для растворов ДНК из эритро-
цитов, но фрагментированной дезоксирибонуклеа-
зой (концентрация ДНК составляла 0,2 % и 0,6 %
соответственно). В случае раствора ДНК из E. coli
(концентрация 0,5 %) коэффициенты поглощения
для образцов как нативной ( н2Р ), так и фрагмен-
тированной ( ф3Р ) ДНК практически не отличают-
ся от единицы. Изучение зависимости поглощения
ДНК от времени действия дезоксирибонуклеазы
показало, что какие-либо изменения поглощения и
в этом случае отсутствуют. Таким образом, мы не
смогли обнаружить резонансного поглощения в
ДНК. Что касается частотно независимого эффекта
порядка 1 %, то он объясняется вышеупомянутым
явлением гидратации. Наш вывод был подтвер-
жден в работе [16].
4. Воздействие внешних факторов на
биомолекулы. Применение дифференциального
диэлектрометрического метода позволило иссле-
довать в ряде случаев изменения состояния вод-
ного окружения, произошедшие в результате воз-
действия внешних факторов.
Влияние рН. Мы исследовали изменения
КДП в зависимости от pH вещества, родственного
ДНК – полицитидиловой кислоты (поли Ц), со-
стоящей из повторяющегося нуклеотида ЦМФ. Из-
вестно, что поли Ц при нейтральных pH представ-
ляет собой упорядоченную одноцепочечную спи-
ральную структуру [17]. В области 3,7 < pH < 5,5
поли Ц образует спиральный двухцепочечный
комплекс, в котором к каждой паре оснований
присоединяется протон. При pH 3,5 вследствие
присоединения второго протона происходит раз-
деление комплекса на две неупорядоченные нук-
леотидные цепочки. Целью нашей работы было
проследить за изменениями гидратации при ука-
занных процессах [18]. Так как для получения низ-
ких значений pH в раствор необходимо добавлять
большое количество HCl, то при расчетах количе-
ства связанной воды мы учитывали влияние ионов
H
+
и Cl
–
[19] на диэлектрическую проницаемость.
Результаты, представленные в табл. 3,
показывают, что при pH 8 поли Ц имеет ту же
степень гидратации, что и соответствующий мо-
нонуклеотид.
Таблица 3
Диэлектрические параметры и гидратация
поли Ц при различных pH
Параметры
pH 8
c = 1,18 %
pH 4,5
c = 0,97 %
pH 3,3
c = 1,30 %
0,08 0,10 0,04
0,26 0,21 0,22
/ f
0,12 0,17 0,32
s 1,34 1,26 2,16
n 7-8 8-9 11
Понижение кислотности сопровождается
увеличением диэлектрического декремента и, сле-
довательно, количества связанной воды. При
pH 4,5, когда сформирована двойная спираль, гид-
ратация слегка увеличена – на одну молекулу во-
ды. При pH 3,3 общая гидратация нуклеотида и
иона H
+
составляет 11. Учитывая, что степень гид-
ратации иона H
+
составляет 11 молекул воды и что
с поли Ц при этом pH связано 65 % протонов H
+
,
мы можем прийти к выводу, что с нуклеотидом
связано 5 молекул воды. Итак, разрушение упоря-
доченного комплекса, существовавшего при более
высоких pH, приводит к разрушению гидратной
оболочки и, следовательно, к снижению энергии
стабилизации спиральной структуры, в которую
энергия взаимодействия между макромолекулой и
связанной водой вносит большой вклад [20].
Изменение степени гидратации при
структурном переходе, обусловленном варьиро-
ванием pH, было нами также обнаружено при
измерениях КДП сывороточного альбумина [21].
Увеличение количества связанной воды в 1,5 раза
соответствовало рассчитанному увеличению по-
верхности белка.
Влияние температуры. Другим приме-
ром изучения с помощью КВЧ диэлектрометрии
влияния внешнего воздействия на биомолекулы
является исследование изменений гидратации,
сопровождающих температурные превращения.
Цель та же – выяснение вклада водного окруже-
ния в общую энергию стабилизации белковой
структуры.
В связи с этим в отделе биофизики ИРЭ
были выполнены два параллельных эксперимента:
калориметрическое определение теплоемкости при
различных концентрациях и температурах и нахо-
ждение гидратации белка в тех же условиях при
использовании КВЧ диэлектрометрии [22, 23].
На рис. 4 показана зависимость декре-
мента s от температуры при концентрации
сывороточного альбумина 16,7 %. Видно, что
возрастание температуры от 20 до 50 °С вызывает
уменьшение декремента на 25 %, что соответст-
вует уменьшению степени гидратации от 0,17 при
20 °С до 0,1 г воды на 1 г белка при 50 ºС, т. е. на
0,07 г воды на 1 г белка.
В. А. Кашпур и др. / Применение метода дифференциальной…
_________________________________________________________________________________________________________________
452
0 10 20 30 40 50
20
24
28
32
8
12
16
20
w
x
1
0
2
,
г
Н
2
О
/
г
б
ел
к
а
T, oC
s
Рис. 4. Температурная зависимость декремента s и гидрата-
ции альбумина при концентрации 16,7 %
С другой стороны, согласно тепловым
измерениям теплоемкость в тех же условиях воз-
растает на pC = 0,015 Дж/г
·K (от 3,705 до
3,720 Дж/г
·K).
Из этих данных может быть рассчитана
теплоемкость связанной воды свС на поверхно-
сти белка. Действительно, так как в ИК спектре
альбумина нет изменений, которые указывали бы
на образование новых связей, можно полагать,
что обнаруженное увеличение теплоемкости рас-
твора может быть вызвано только переходом час-
ти воды из связанного состояния в свободное.
Таким образом, частичная дегидратация
белка, обнаруживаемая с помощью диэлектро-
метрии и происходящая в процессе нагревания,
дает (вследствие разницы теплоемкостей свобод-
ной и связанной воды) вклад в энергетику струк-
турного перехода.
Влияние радиации. КВЧ диэлектрометрия
позволяет также получить данные о состоянии
гидратной оболочки ДНК при воздействии иони-
зирующего излучения. Эти сведения необходимы,
поскольку ДНК является самой важной мишенью
в процессе облучения. Учитывая тесную связь
между гидратацией и структурой, можно предпо-
лагать, что радиационные эффекты зависят от
состояния гидратной оболочки. Известно, что
свободные радикалы, атакующие ДНК, возникают
в слоях связанной и свободной воды с различной
интенсивностью, так что радиационные поврежде-
ния зависят от степени гидратации [24]. В случае
влажных образцов выяснено также, что величина
воздействия в большой мере зависит от толщины
гидратного слоя и от близости молекул раствори-
теля к ДНК. Однако информация об индуцирован-
ных радиацией изменениях параметров водного
окружения, столь важного для функционирования
биообъектов, отсутствует.
В табл. 4 приведены данные, полученные
нами при измерениях КДП контрольного и облу-
ченных растворов NaДНК [25]. Концентрация
ДНК составляла 0,75 %, температура – +20 °С.
Видно, что количество связанной воды на нук-
леотид n уменьшается на 4 ( 20 %) для ДНК,
облученной в дозе 370 Гр (n = 14), по сравнению
со степенью гидратации нативной ДНК, опреде-
ленной нами в 18 молекул воды на нуклеотид.
Этот эффект обусловлен, очевидно, нарушениями
структуры водного хребта, происходящими
вследствие радиационной модификации ДНК.
Особо важную роль, как мы полагаем, играют
искажения параметров двойной спирали, возни-
кающие при радиационном поражении дезокси-
рибозила. В этом случае структура гидратной
оболочки ДНК, очевидно, также должна заметно
измениться. В частности, как показывает анализ,
нарушаются условия формирования водных мос-
тиков, стабилизирующих конформацию ДНК.
Таблица 4
Результаты диэлектрических измерений
облученной ДНК
Вещество s n
NaДНКк 0,14 0,44 1,37 18
ДНК (19 Гр) 0,13 0,44 1,40 18
ДНК (370 Гр) 0,11 0,37 1,18 14
ДНК (ЧАЭС) 0,09 0,31 1,00 13
Изменения комплексной диэлектриче-
ской проницаемости в мм диапазоне обнаруже-
ны и при изучении влияния слабого постоянного
облучения в зоне ЧАЭС на состояние ДНК из
печени крыс (с = 0,65 %) [26]. Найдено умень-
шение степени гидратации, которое свидетель-
ствует об уменьшении структурирующего влия-
ния на водное окружение для ДНК (ЧАЭС) по
сравнению с контрольной NaДНКк.
Из данных табл. 4 следует, что значения
, и s для ДНК из печени облученных
крыс заметно меньше, чем для нативной ДНК. Это
справедливо и для величин , и s . Рас-
чет показывает, что гидратация ДНК, выделенной
из печени облученных животных, составляет толь-
ко 13 молекул воды на нуклеотид (для контроль-
ной – 18). Обнаруженный эффект коррелирует с
полученными нами ИК спектрами [26], на которых
видно, что дегидратация сопровождается сущест-
венными послерадиационными нарушениями со-
стояния атомных группировок оснований и саха-
рофосфатной цепи ДНК. Таким образом, частич-
ное разрушение гидратной оболочки усиливает
деструкцию ДНК. Можно допустить вклад в на-
блюдаемые эффекты и биохимических процессов,
вызванных радиацией.
5. КВЧ диэлектрические свойства
комплекса ДНК – БАВ. Биологически активные
вещества (БАВ) способны как разрушать струк-
туру ДНК (например, у болезнетворных микроор-
1
0
2
,
г
Н
2
О
/г
,
б
ел
к
а
Т, С
s
0 10 20 30 40 50
20
16
12
8 20
24
28
32
В. А. Кашпур и др. / Применение метода дифференциальной…
_________________________________________________________________________________________________________________
453
ганизмов), так и служить лекарствами. Очевидна
необходимость выяснения условий, при которых
был бы возможен синтез БАВ, обладающих тре-
буемыми свойствами.
Конкурируя с водными молекулами, мо-
лекулы БАВ при контакте с ДНК значительно из-
меняют число молекул растворителя, доступных
для нуклеиновой кислоты. Изменение количества
связанной воды может быть основным парамет-
ром, вызывающим большое отрицательное изме-
нение теплоемкости, которое обеспечивает фор-
мирование устойчивого комплекса ДНК – БАВ.
Поэтому определение изменений гидратации по-
зволяет выяснить степень стабильности комплекса.
Мы исследовали несколько веществ, об-
разующих комплексы с ДНК. Приведем результа-
ты изучения диэлектрических свойств комплекса
ДНК с кофеином (рис. 5). Измерения водного
раствора комплекса выполняли при соотношении
числа нуклеотидов ДНК к числу молекул кофеина
(P/D), равном 1,5:1; облучение образцов прово-
дили в дозе 800 Гр [27].
N
N
N
N
O
O
CH3
CH3
H3C
1
2
3
4
5
6 7
8
9
10
11
12
13
14
Рис. 5. Структура молекулы кофеина (К)
Из табл. 5 следует, что диэлектрические
параметры комплекса не являются суммами значе-
ний компонент. Так, декремент s меньше, чем
сумма декрементов ДНК и кофеина. Вычисление
показало, что степень гидратации молекулы кофеи-
на составляет до 4 молекул воды, использовавшейся
ДНК – 15-16, а комплекса ДНК – кофеин – 14-15
(как в нативном, так и в облученном состоянии).
Учитывая значение P/D, следовало ожи-
дать, что при суммировании степень гидратации
будет на 3-4 молекулы больше, чем она оказалась
на самом деле. Наблюдаемый эффект дегидрата-
ции может быть объяснен образованием несколь-
ких водородных связей между ДНК и кофеином
вместо связей ДНК – вода. Из структуры кофеина
(рис. 5) видно, что активные группы О11, О13 и
N9 способны образовывать до 3-5 водородных
связей, с помощью которых кофеин оказывается
связанным с нуклеиновой кислотой (скорее всего,
через фосфатные группы ДНК). Соответствую-
щее изменение энергии должно приводить к ста-
билизации комплекса.
Таблица 5
Диэлектрические свойства раствора комплекса
ДНК – кофеин (К)
Пара-
метры
К ДНК ДНК – К
ДНК – К
(800 Гр)
c, % 0,8 0,63 0,63+0,24 0,63+0,24
0,13 0,04 0,06 0,07
0,36 0,18 0,32 0,34
s 1,05 1,09 1,24 1,27
n 4 15-16 14 15
Отсутствие послерадиационного умень-
шения гидратации, т. е. сохранение водного хребта
ДНК в комплексе указывает на неизменность
главных элементов структуры ДНК после облуче-
ния. Такой вывод хорошо коррелирует с отсутст-
вием изменений в целостности ДНК, как это было
показано раньше с помощью электрофореза [25],
т. е. имеется тесная взаимосвязь между радиаци-
онной устойчивостью и образованием стабильной
гидратной оболочки, наличие которой регистри-
руется с помощью диэлектрических измерений.
Выводы. Таким образом, краткий обзор
результатов исследований взаимодействия био-
молекул разного уровня сложности с водным рас-
творителем, выполненных с помощью дифферен-
циального диэлектрометрического метода в мм
диапазоне длин волн, показывает перспектив-
ность метода для решения многих задач молеку-
лярной биофизики, связанных с выяснением осо-
бенностей гидратации биомолекул в зависимости
от их структуры. Этот метод особенно эффекти-
вен для исследования небольших изменений во
взаимодействии биомолекул с окружающим рас-
творителем, вызванных действием внешних фак-
торов (температура, рН, ионизирующее облуче-
ние, образование комплексов с биологически ак-
тивными веществами и др.). С его помощью вы-
яснено также, что поглощение излучения мм и см
диапазонов длин волн биологическими молеку-
лами очень мало и поэтому не может быть основ-
ным физическим механизмом, определяющим
биологическое действие этого излучения. Глав-
ным компонентом раствора биомолекул, взаимо-
действующим с КВЧ волнами, является вода в
области дебаевской дисперсии.
Дальнейшее развитие метода предпола-
гает возможность получения диэлектрических
параметров в расширенном диапазоне частот с
сохранением высокой точности измерения коэф-
фициента поглощения и фазового сдвига.
1. Grant E. H., Sheppard R. J., South G. P. Dielectric Behaviour
of Biological Molecules in Solutions. – Oxford, 1978. – 238 p.
2. Feldman Y., Andrianov A., Polygalov E. et al. Time domain
dielectric spectroscopy: An advanced measuring system //
Rev. Sci. Instr. – 1996. – 67, No. 9. – P. 3208-3216.
3. Малеев В. Я., Семенов М. А., Гасан А. И., Кашпур В. А.
Физические свойства системы ДНК вода // Биофизика. –
1993. – 38, № 5. – С. 768-790.
В. А. Кашпур и др. / Применение метода дифференциальной…
_________________________________________________________________________________________________________________
454
4. Mashimo S., Kuwabara S., Yagihara S., Higasi K. Dielectric
relaxation time and structure of bound water in biological ma-
terials // J. Phys. Chem. – 1987. – 91, No. 25. – P. 6337-6338.
5. Buchanan T. J., Haggis G. H., Hasted J. B., Robinson B. G.
The dielectric estimation of protein hydration // Proc. Roy.
Soc. – 1952. – A213, No. 1114. – P. 379-391.
6. Кашпур В. А., Малеев В. Я., Щеголева Т. Ю. Исследования
гидратации глобулярных белков дифференциальным ди-
электромет-рическим методом // Мол. биология. – 1976. –
10, № 3. – С. 568-575.
7. Grant E. H., Shack R. Complex permittivity measurements at
8·6 mm wavelength over the temperature range 1-60 °C // Br.
J. Appl. Phys. – 1967. – 18, No. 12. – P. 1807-1814.
8. Кашпур В. А., Малеев В. Я. Дифференциальный метод из-
мерения в миллиметровом диапазоне длин волн диэлектри-
ческой проницаемости растворов с большими потерями //
Приборы и техн. эксперимента. – 1971. – № 3. – С. 140-142.
9. Горобченко О. А. Метод вычисления коэффициентов де-
поляризации геометрических объемов и биологических
структур произвольной формы // Вісн. ХДУ. Біофіз. вісн. –
2003. – № 2. – С. 92-96.
10. Семенов М. А., Кашпур В. А., Больбух Т. В., Малеев В. Я. Ис-
следование гидратации компонентов нуклеиновых кислот
методами ИК-спектроскопии и СВЧ-диэлектрометрии // Био-
полимеры и клетка. – 1987. – 3, № 1. – С. 18-22.
11. Семенов М. А., Кашпур В. А., Больбух Т. В., Малеев В. Я.
Гидратация и стабильность В-формы Li-ДНК // Биофизи-
ка. – 1994. – 39, № 1. – С. 50-57.
12. Больбух Т. В., Семенов М. А., Кашпур В. А., Малеев В. Я.
Исследование гидратации и структурных переходов в
транспортных РНК // Вісн. ХДУ. Біофіз. вісн. – 1999. –
№ 3(1). – С. 15-19.
13. Umehara T., Kuwabara S., Mashimo S., Yagiihara S. Study on
Hydration of B-, A-, and Z-DNA // Biopolymers. – 1990. –
30, No. 7-8. – P. 649–656.
14. Edwards G. S., Davis C. C., Saffer J. D., Swicord J. D. Reso-
nant microwave absorption of selected DNA molecules //
Phys. Rev. Lett. – 1984. – 53, No. 13. – P. 1284-1287.
15. Maleev V. Ya., Kashpur V. A., Glibitsky G. M. et al. Does
DNA Absorb Microwave Energy? // Biopolymers. – 1987. –
26, No. 11. – P. 1965-1970.
16. Foster K. P., Epstein B. R. Gealt M. A. "Resonances" in the
dielectric absorption of DNA? // Biophys. J. – 1987. – 52,
No. 3. – P. 421-425.
17. Chou C. H., Thomas G. J. Raman Spectra Studies of Nucleic
Acids // Biopolymers. – 1977. – 16, No. 4. – P. 768-789.
18. Kashpur V. A., Semenov M. A, Sagaidakova N. N. Relaxation
and spectroscopic manifestations of hydration of polyribocyti-
dylic acid // Bioph. Bull. – 1999. – No. 5. – P. 29-32.
19. Ахадов Я. А. Диэлектрические свойства бинарных раство-
ров. – М.: Наука, 1977. – 400 с.
20. Maleev V., Semenov M., Kashpur V., Bolbukh T. et al. Struc-
ture and hydration of polycytidylic acid from the data of infra-
red spectroscopy, EHF dielectrometry and computer modeling //
J. Mol. Structure. – 2002. – 605, No. 1. – P. 51-61.
21. Kashpur V. A., Maleev V. Ya., Shchegoleva T. Yu. Variation of
hydration with pH for serum albumin // Studia biophysica. –
1975. – 48, No. 2. – P. 97-108.
22. Глибицкий Г. М., Кашпур В. А. Метод измерения диэлектри-
ческой проницаемости в миллиметровом диапазоне раство-
ров биоматериалов в зависимости от температуры // В кн.:
Исследования взаимодействия электромагнитных волн мил-
лиметрового и субмиллиметрового диапазонов с биологиче-
скими объектами. – Киев: Наук. думка, 1989. – С. 10-14.
23. Гасан А. И., Кашпур В. А. Малеев В. Я. Термические пере-
стройки и гидратация сывороточного альбумина // Биофи-
зика. – 1994. – 39, № 4. – С. 588-593.
24. Swarts S. G., Sevilla M. D., Becker D. et al. Radiation-induced
DNA damage as a function of hydration I. Release of unaltered
bases // Radiat. Res. – 1992. – 129, No. 3. – P. 333-344.
25. Кашпур В. А., Дубовицкая О. В., Красницкая А. А., Мале-
ев В. Я. КВЧ диэлектрометрический метод исследования
-облученной ДНК // Радиофизика и электроника. – Харь-
ков: Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. – 1997. –
2, № 2. – С. 153-155.
26. Кашпур В. А., Хорунжая О. В., Малеев В. Я. и др. КВЧ ди-
электрическая проницаемость и структурные изменения
ДНК из печени крыс, облученных в Чернобыльской зоне //
Радиофизика и электроника. – Харьков: Ин-т радиофизики
и электрон. НАН Украины. – 2001. – 6, № 2-3. – С. 345-349.
27. Хорунжая О. В., Кашпур В. А., Красницкая А. А., Мале-
ев В. Я. Влияние гамма излучения на гидратацию и струк-
туру комплекса ДНК-кофеин // Вісн. ХДУ. Біофіз. вісн. –
2005. – № 3(1). – С. 15-19.
APPLICATION OF DIFFERENTIAL
METHOD OF EHF DIELECTROMETRY
IN MOLECULAR BIOPHYSICS
V. A. Kashpur, V. Ya. Maleev,
O. V. Khorunzhaya
The review of results obtained in Department of Bio-
physics (IRE of NASU) by an original differential dielectrometer for
solving the problems of molecular biophysics is presented. The main
attention is given to demonstration of opportunities of the method to
study in the millimeter range the dielectric parameters describing the
interaction of biomolecules having different levels of complexity
with the water solvent. The results of corresponding measurements
for the large set of monomeric and polymeric samples of nucleic
acids of different type, and also proteins are given. It is shown that
the differential dielectrometer is most effective for investigation of
little changes in interaction of biomolecules with the solvent caused
by action of the external factors (heating, ionizing radiation, forma-
tion of complexes with active substances and so on). It is found that
the absorption of microwave emission by biomolecules is very little
and it cannot determine the biological action of this radiation. In the
solution of biomolecules the main component interacting with mi-
crowaves is water in the Debye dispersion range.
Key words: differential dielectrometry, millimeter
waves, hydration, nucleic acids, biologically active substances.
ЗАСТОСУВАННЯ МЕТОДУ
ДИФЕРЕНЦІАЛЬНОЇ НВЧ ДІЕЛЕКТРОМЕТРІЇ
В МОЛЕКУЛЯРНІЙ БІОФІЗИЦІ
В. А. Кашпур, В. Я. Малєєв, О. В. Хорунжа
Подано огляд результатів, що отримані у відділі
біофізики ІРЕ НАНУ за допомогою оригінального диференці-
ального діелектрометра при рішенні задач молекулярної біо-
фізики. Головна увага приділена демонстрації можливостей
методу для дослідження в мм діапазоні діелектричних пара-
метрів, які характеризують взаємодію біомолекул різного
рівня складності з водним розчинником. Подано результати
відповідних вимірів для великого набору мономерних і полі-
мерних зразків нуклеїнових кислот різного типу, а також
білків. Показано, що диференціальний діелектрометр най-
більш ефективний для дослідження невеликих змін у взаємо-
дії біомолекул з розчинником, що викликані дією зовнішніх
факторів (нагрівання, іонізуюче випромінювання, утворення
комплексів з активними речовинами та ін.). З'ясовано, що
поглинання СВЧ випромінювання біомолекулами дуже мале і
не може визначати біологічну дію цього випромінювання.
Головним компонентом розчину біомолекул, що взаємодіє з
НВЧ хвилями, є вода в області дебаєвської дисперсії.
Ключові слова: диференціальна діелектрометрія,
міліметрові хвилі, гідратація, нуклеїнові кислоти, біологічно
активні речовини.
Рукопись поступила 12 июня 2008 г.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-10759 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1028-821X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T15:59:22Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Кашпур, В.А. Малеев, В.Я. Хорунжая, О.В. 2010-08-06T13:31:42Z 2010-08-06T13:31:42Z 2008 Применение метода дифференциальной КВЧ диэлектрометрии в молекулярной биофизике / В.А. Кашпур, В.Я. Малеев, О.В. Хорунжая // Радіофізика та електроніка. — 2008. — Т. 13, спец. випуск. — С. 446-454. — Бібліогр.: 27 назв. — рос. 1028-821X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10759 53.083.6+573 Представлен обзор результатов, полученных в отделе биофизики ИРЭ НАНУ с помощью оригинального дифференциального диэлектрометра при решении задач молекулярной биофизики. Главное внимание уделено демонстрации возможностей метода для исследования в миллиметровом диапазоне диэлектрических параметров, характеризующих взаимодействие биомолекул разного уровня сложности с водным растворителем. Приведены результаты соответствующих измерений для большого набора мономерных и полимерных образцов нуклеиновых кислот разного типа, а также белков. Показано, что дифференциальный диэлектрометр наиболее эффективен для исследования небольших изменений во взаимодействии биомолекул с растворителем, вызванных действием внешних факторов (нагрев, ионизирующее излучение, образование комплексов с активными веществами и др.). Выяснено, что поглощение СВЧ излучения биомолекулами очень мало и не может определять биологическое действие этого излучения. Главным компонентом раствора биомолекул, взаимодействующим с СВЧ волнами, является вода в области дебаевской дисперсии. Подано огляд результатів, що отримані у відділі біофізики ІРЕ НАНУ за допомогою оригінального диференціального діелектрометра при рішенні задач молекулярної біофізики. Головна увага приділена демонстрації можливостей методу для дослідження в мм діапазоні діелектричних параметрів, які характеризують взаємодію біомолекул різного рівня складності з водним розчинником. Подано результати відповідних вимірів для великого набору мономерних і полімерних зразків нуклеїнових кислот різного типу, а також білків. Показано, що диференціальний діелектрометр найбільш ефективний для дослідження невеликих змін у взаємодії біомолекул з розчинником, що викликані дією зовнішніх факторів (нагрівання, іонізуюче випромінювання, утворення комплексів з активними речовинами та ін.). З'ясовано, що поглинання СВЧ випромінювання біомолекулами дуже мале і не може визначати біологічну дію цього випромінювання. Головним компонентом розчину біомолекул, що взаємодіє з НВЧ хвилями, є вода в області дебаєвської дисперсії. The review of results obtained in Department of Biophysics (IRE of NASU) by an original differential dielectrometer for solving the problems of molecular biophysics is presented. The main attention is given to demonstration of opportunities of the method to study in the millimeter range the dielectric parameters describing the interaction of biomolecules having different levels of complexity with the water solvent. The results of corresponding measurements for the large set of monomeric and polymeric samples of nucleic acids of different type, and also proteins are given. It is shown that the differential dielectrometer is most effective for investigation of little changes in interaction of biomolecules with the solvent caused by action of the external factors (heating, ionizing radiation, formation of complexes with active substances and so on). It is found that the absorption of microwave emission by biomolecules is very little and it cannot determine the biological action of this radiation. In the solution of biomolecules the main component interacting with microwaves is water in the Debye dispersion range. ru Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України Применение метода дифференциальной КВЧ диэлектрометрии в молекулярной биофизике Застосування методу диференціальної НВЧ діелектрометрії в молекулярній біофізиці Application of differential method of EHF dielectrometry in molecular biophysics Article published earlier |
| spellingShingle | Применение метода дифференциальной КВЧ диэлектрометрии в молекулярной биофизике Кашпур, В.А. Малеев, В.Я. Хорунжая, О.В. |
| title | Применение метода дифференциальной КВЧ диэлектрометрии в молекулярной биофизике |
| title_alt | Застосування методу диференціальної НВЧ діелектрометрії в молекулярній біофізиці Application of differential method of EHF dielectrometry in molecular biophysics |
| title_full | Применение метода дифференциальной КВЧ диэлектрометрии в молекулярной биофизике |
| title_fullStr | Применение метода дифференциальной КВЧ диэлектрометрии в молекулярной биофизике |
| title_full_unstemmed | Применение метода дифференциальной КВЧ диэлектрометрии в молекулярной биофизике |
| title_short | Применение метода дифференциальной КВЧ диэлектрометрии в молекулярной биофизике |
| title_sort | применение метода дифференциальной квч диэлектрометрии в молекулярной биофизике |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10759 |
| work_keys_str_mv | AT kašpurva primeneniemetodadifferencialʹnoikvčdiélektrometriivmolekulârnoibiofizike AT maleevvâ primeneniemetodadifferencialʹnoikvčdiélektrometriivmolekulârnoibiofizike AT horunžaâov primeneniemetodadifferencialʹnoikvčdiélektrometriivmolekulârnoibiofizike AT kašpurva zastosuvannâmetodudiferencíalʹnoínvčdíelektrometríívmolekulârníibíofízicí AT maleevvâ zastosuvannâmetodudiferencíalʹnoínvčdíelektrometríívmolekulârníibíofízicí AT horunžaâov zastosuvannâmetodudiferencíalʹnoínvčdíelektrometríívmolekulârníibíofízicí AT kašpurva applicationofdifferentialmethodofehfdielectrometryinmolecularbiophysics AT maleevvâ applicationofdifferentialmethodofehfdielectrometryinmolecularbiophysics AT horunžaâov applicationofdifferentialmethodofehfdielectrometryinmolecularbiophysics |