Влияние ионов щелочноземельных и переходных металлов на гидродинамические и макромолекулярные параметры ДНК
Изучено влияние ионов Me²⁺ щелочноземельных (Mg²⁺, Ca²⁺ ) и переходных металлов (Mn²⁺, Сu²⁺ ) на характеристическую вязкость [η] и величину параметра исключенного объема ДНК ε. Показано что ионы Mn²⁺ и Сu²⁺ оказывают больший эффект на величины [η] и ε, чем ионы Mg²⁺ и Ca²⁺, вследствие связывания с а...
Saved in:
| Published in: | Биополимеры и клетка |
|---|---|
| Date: | 1989 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут молекулярної біології і генетики НАН України
1989
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/155409 |
| 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: | Влияние ионов щелочноземельных и переходных металлов на гидродинамические и макромолекулярные параметры ДНК / С.В. Корнилова, А.Г. Шкорбатов, Ю.П. Благой // Биополимеры и клетка. — 1989. — Т. 5, № 6. — С. 25-32. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859595802145456128 |
|---|---|
| author | Корнилова, С.В. Шкорбатов, А.Г. Благой, Ю.П. |
| author_facet | Корнилова, С.В. Шкорбатов, А.Г. Благой, Ю.П. |
| citation_txt | Влияние ионов щелочноземельных и переходных металлов на гидродинамические и макромолекулярные параметры ДНК / С.В. Корнилова, А.Г. Шкорбатов, Ю.П. Благой // Биополимеры и клетка. — 1989. — Т. 5, № 6. — С. 25-32. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Биополимеры и клетка |
| description | Изучено влияние ионов Me²⁺ щелочноземельных (Mg²⁺, Ca²⁺ ) и переходных металлов (Mn²⁺, Сu²⁺ ) на характеристическую вязкость [η] и величину параметра исключенного объема ДНК ε. Показано что ионы Mn²⁺ и Сu²⁺ оказывают больший эффект на величины [η] и ε, чем ионы Mg²⁺ и Ca²⁺, вследствие связывания с азотистыми основаниями ДНК уже при малых концентрациях (5·10⁻⁶ М). Установлены универсальные зависимости величин [η] и ε от степени связывания Me²⁺.
Вивчено вплив іонів Me²⁺ лужноземельних (Mg²⁺, Ca²⁺) і перехідних (Mn²⁺, Сu²⁺) металів на характеристичну в’язкість [η] і величину параметра виключеного об’єму ДНК ε. Показано що іони Mn²⁺ і Сu²⁺ чинять більший ефект на величини [η] і ε, ніж іони Mg²⁺ і Ca²⁺, внаслідок зв’язування з азотистими основами ДНК вже за малих концентрацій (5·10⁻⁶ М). Встановлено універсальні залежності величин [η] і ε від ступеня зв’язування Me²⁺.
NA intrinsic viscosity [η] and the excluded volume parameter e iare stated to depend on the concentrations and the binding degrees of Mg²⁺, Mn²⁺, Ga²⁺, Cu²⁺ ions with different NaCl contents (2 ·10⁻⁴+10⁻¹ M). The substantial changes of the [η] value and the parameter e in the presence of small contents of bivalent metal ions are shown to be due to the ion binding to the phosphate 'groups and nitrogen bases of DNA. Bivalent ion (Me²⁺)-DNA binding results in the suppression of long-range effects in a macromolecule with concentrations by some orders of magnitude lower than those in the case of monovalent ions. The effect of transition metal ions (Mn²⁺, Cu²⁺) on the value and the excluded volume parameter is greater than that of the alkali-earth (Ca²⁺, Mg²⁺) ones due to their binding not only to DNA phosphate groups but also to the nitrogen bases even with small concentrations (5·10⁻⁶ M). The intrinsic viscosity and the excluded volume parameter are shown to depend universally on the binding degree of bivalent ions.
|
| first_indexed | 2025-11-27T20:22:47Z |
| format | Article |
| fulltext |
A STUDY OF COMPLEXES BETWEEN CYTOSINE
AND AMINO ACID CARBOXYLIC GROUP BY NMR SPECTROSCOPY
/. V. Konciratyukf I. N. Kolomiets, S. A. Samoilenko, Ν. V. Zheltovsky
Institute of Molecular Biology and Genetics,
Academy of Sciences of the Uknainian S'SR, Kiev
S u m т а г у
It has been shown by UV spectroscopy that of all the nucleotide bases only cytosine inte-
racts with undissociated ami.no acid carboxylic group in DMSO solution. Η-bonded comp-
lexes of cytosine with some amino acid N-acyl derivatives (N-formyl aspartic acid, N-
acetyl aspartic acid, α-methyl ester of N-acetyl aspartic acid, N-acetyl glutamic acid, N-
formyl glycine) were studied by the PMR spectroscopy. It has been determined by 13C NMR
spectroscopy that while complexing cytosine is protonated at N3 atom by carboxylic group
proton. It was shown that in triple complex N-formyl aspartic acid: cytosine: 9-methyl
guanine amino acid carboxylic group, binding to cytosine, loosens Η-bonds inside the
base pair.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Взаимодействие нуклеотидных оснований с карбоксильной группой аминокислот в
ДМСО: модель точечных белково-нуклеиновых контактов / Н. В. Желтовский,
C. А. Самойленко, И. Н. Коломиец, И. В. К о н д р а т ю к / / Д о к л . АН УССР. Сер. Б.—
1988.—№ 8,—С. 68—71.
2. Lancelot G., Helene С. Selective recognition of nucleic acids by proteins: The speci-
ficity of guanine interaction with ca rboxy la te - ion / /PNAS.— 1977.— 74, N 11.—
P. 4872—4875.
3. Брусков В. ИБушуев В. Η. Исследование методом протонного магнитного резо-
нанса комплексообразования между нуклеозидами и соединениями, моделирующи-
ми аминокислотные остатки белков, в диметилсульфоксиде//Биофизика.— 1977.—
22, № 1.—С. 26—31.
4. Carbon-13 magnetic resonance. 17. Pyrimidine and purine nucleosides / A. J. Jones,
D. M. Grant, M. W. Winkley, R. K- R o b i n s / / J . Amer. Ghem. S o c . - 1970.—92, N 13.—
P. 4079—4087.
5. Breitmaier E., Voelter W. Carbon-13 NMR spectroscopy.—Weinheim : VCH, 1987.
6. Job M. P. Etude spectrographique de la formation des complexes en solution et de
Ieur s t ab i l i t e / /Compt . Rend.— 1926.—180, N 12.— P. 92>8—930.
7. Comparative structural analysis of cytidine, ethenocytidine and their protonated salts
III. 1H, 13C and 15N NMR studies at normal isotope abundance / L. Kozerski, H. Sier-
z ρ u t о w s k a ̂ C г а с ζ, W. Krzyzosiak et a l . / / N u c l . Acids Res.— 1984.—12, N 4.—
P. 2205—21223.
8. Benoit R. L., Frechette M. 1H and 13C nuclear magnetic resonance an ultraviolet
studies of the protonation of cytosine, uracil, thymine, and related compounds / / Can.
J. C h e m . - 19'86.—64, N 12,—P. 2348—2362.
9. Колебательный спектр и структура комплекса цитозина с ιΝ-формилглицином а
твердой фазе / Н. В. Желто-вский, С. А. Самойленко, М. И. Губайдуллин, И. В. Кон-
д р а т ю к / / Д о к л . АН УССР. Сер. Б,— 1988.—№ 5,—С. 75—78.
10. Studies of virus structure by l»aser-ra*man spectroscopy. Turnip yellow mosaic virus
and c a p s i d s / K . A. Hartman, P. E. McDonald-Ordzie, J. M. Kaper et a l . / / B i o c h e -
mistry.— 1978.—17, N ,14.—P. 2118—2423.
Ин-т молекуляр. биологии и генетики Получено 23.06.89
АН УССР, Киев
УДК 577.3:547.963.3
С. В. Корнилова, А. Г. Шкорбатов, Ю. П. Благой
ВЛИЯНИЕ ИОНОВ ЩЕЛОЧНОЗЕМЕЛЬНЫХ
И ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ НА ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ
И МАКРОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ДНК
Изучено влияние ионов Me2+ щелочноземельных (Mg2+, Ca2 + ) и переходных металлов
(Mn2+, Си2 + ) на характеристическую вязкость [η] и величину параметра исключен-
ного объема ДНК г. Показано что ионы Mn2+ и Си2+ оказывают больший эффект на
величины [η] и г, чем ионы Mg2+ и Ca2+, вследствие связывания с азотистыми осно-
ваниями ДНК уже при малых концентрациях (5-10~6 М). Установлены универсаль-
ные зависимости величин [η] и ε от степени связывания Me2 +.
28 ISSN 0233-7657. БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА. 1989, т.. 5, № б
Введение. Активная биологическая роль ионов двухвалентных метал-
лов в процессах жизнедеятельности, в канцерогенезе и мутагенезе
определяет интерес к исследованию взаимодействия ионов с макромо-
лекулами Д Н К . Однако механизмы влияния катионов на структуру
и физические свойства Д Н К выяснены недостаточно полно. В настоя-
щей работе рассмотрены малоизученные вопросы, связанные с разли-
чием действия ионов щелочноземельных и переходных металлов на
конформацию Д Н К , молекулярные параметры и величину исключен-
ного объема. Изучено связывание ионов Mg2+, Ca2+, Mn2+ и Cu2+ с
Д Н К в широком диапазоне ионных сил (2· (10~4—Ю - 1) М) и выполнен
количественный анализ влияния степени связывания на конформаци-
онные параметры макромолекул.
Материалы и методы. Исследования проводили на препаратах ДНК, выделен-
ных из тимуса теленка и содержащих примеси двухвалентных ионов (Me2 +) в кон-
центрации не более 5 - Ю - 4 M Me2+ на моль фосфора. Содержание белка и РНК не
превышало 0,5 и 0,1 % соответственно. Препараты Д Н К обладали следующими харак-
теристиками, которые сохранялись на протяжении всей серии экспериментов:
A2G 0/230 = 2,3!9±0,0'1, А260/280 = 1,8'5'=Ь0,'02, величина гипохромного эффекта 39 %, коэф-
фициент молярной экстинкции 6600. Молекулярная масса (м. м.) Д Н К составляла
(1,3—1,9)-IO7 и определялась по значению характеристической вязкости [η]. Подробно
методика приготовления растворов и измерения [η] Д Н К на вискозиметре типа Зим-
ма — Крозерса описана в наших предыдущих работах [1, 2]. Исследования были вы-
полнены при температуре 24,0+0,05°С в растворах с рН 6,4+0,05. В условиях низкой
ионной силы (2·10~4 M Na+) измерения [η] Д Н К проводили при 16+0,05°С и гра-
диентах скорости g < 0 , 0 3 с - 1 . Концентрации двухвалентных ионов металлов, вводи-
мых в виде хлоридов, определяли по массе и контролировали методом трилонометри-
ческого титрования. Концентрации свободных ионов металлов и параметр связывания
г/ численно оценивали по уравнениям Скетчарда для системы ионов, учитывающих
конкуренцию при связывании [3, 4].
Результаты и обсуждение. Экспериментальные зависимости харак-
теристической вязкости Д Н К от концентрации ионов M g 2 + и Ca2+ при
различном содержании N a + в растворе (рис. 1) свидетельствуют о том,
Рис. 1. Зависимости характеристической
вязкости Д Н К от концентрации ионов
M g 2 + (а) и Ca2+ (б) при различном содер-
жании Na+: J - 10~3; 2— 10~2; 3 — IO-3;
4 — 2 - Ю - 4 M
Fig. 1. The DNA intrinsic viscosity depen-
dences on Mg2 b (a) and Ca2+ (6) "ion con-
centrations with different NaCl contents
/ - I O - 3 M 'Na + ; 2— I O - 2 M N a + ; 3 -
IO-3 M Na+, 4 — 2· IO"4 M (Na +
что уже малые концентрации ионов щелочноземельных металлов
( I O - 5 M C a 2 + ) вызывают существенное уменьшение величины [η] Д Н К
(в ~ 1 , 2 раза по сравнению со значением [η] в растворе 10~3 M Na+).
Сравнение относительных изменений [η] Д Н К , соответствующих оди-
наковым концентрациям двухвалентных ионов и ионов Na+ показывает,
что при IO^3M Na+ и концентрациях С а 2 + > 1 0 ~ 4 M ионы Ca2+ оказы-
вают большее влияние на [ηJ Д Н К . При высоком содержании Na+
28 ISSN 0233-7657. БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА. 1989, т.. 5, № б
( ^ 0 , 0 1 ) значения [η] Д Н К , соответствующие одинаковым концентра-
циям ионов Ca2+ и Mg2+, становятся близкими, что согласуется с ре-
зультатами работы [5]. Соответствующие величины [η] могут быть до-
стигнуты в растворах NaCl при [Na+] ~ 1 М.
Сравнивая действие ионов переходных и щелочноземельных метал-
лов на характеристическую вязкость, можно видеть (рис. 2), что при
одинаковых концентрациях N a + ионы Mn2+ и Cu2+ вызывают более зна-
чительное уменьшение [η] Д Н К , чем ионы Mg2+ и Ca2+, и что особен-
но сильным оказывается влияние ионов Cu2+. В настоящей работе обна-
ружены различия в действии Mg2+ и Mn 2 +на характеристическую вяз-
Рис. 2. Относительные изменения приведенных значений [η] Д Н К от концентрации
двухвалентных ионов при различном содержании N a + : 1—Mn2+, 2· 10 - 2 M Na+; 2 —
МіІ2+, Ca2+, IO-2 M Na+: J - M g 2 + , IO"3 M Na + ; 4 — Ca2+, 10~3 M Na+; 5 —Mn 2 +,
IO-3 M Na+; 6 — Cu2+, IO"3 M Na+; 7 — C a 2 + , 2 -Ю" 4 M Na+; 8 — Mn2+, 2·10~4 M Na+
Fig. 2. The relative changes of Γη] values of DNA due to the bivalent ion concentrations
with different NaCl contents: / — Mn2+, 2·10~ 2 M Na+; 2 —Mg 2 + , Ca2+, IO"2 Na + ;
Mg2+, IO - 3 M Na"'"; 4 — Ca2+, I O - 3 M N a + ; 5 — M n 2 + , I O - 3 M N a + ; 6— Cu 2 +,
IO - 3 M Na+; 7 — Ca2+, 2· I O - 4 M Na+; 8 — Mn 2+, 2 - I O - 4 M Na+
Рис. 3. Зависимости величины [η] от l~jII при взаимодействии с ионами Na+ и Ca2+. Na+ч
/ — м.м. 19-106; 2 — м . м . 13-Ю6; 3 — м. м. 21-Ю6 [17]; 4 — м. м. 13-Ю6 [18]; 5 — м. м.
13-Ю6 [17]; Ca2+: 6 — м.м. 13-Ю6, [Na+] = 2 · 10~4 Μ; 7 — м. м. 19 · IO6, [Na+] = 10~3 М;
8 — м.м. 19- IO6, [Na+] = I O - 2 М; 9 — м.м. 19-Ю6, [Na+] = IO"1 M
Fig. 3. The [η] value dependece on 1 /У/ during the binding to Na+ and Ca2+ ions. Na+:
І — m . w. 19· IO6; 2 — m. w. 13-Ю6; 3 — w. m. 2 Ы 0 6 [17]; 4 — m. w. 13-IO6 [18]; 5—
— m. w. 13. IO6 [17]; Ca2+; 6 — m. w. 13-Ю6, [Na]+ = 2 - IO- 4 M; 7 — m. w. 19- IO6;
{Na+] = IO - 3 M; 8 — m. w. 19-IO6, [Na+] = IO - 2 M; 9 — m. w. 19-IO6, [Na+] = IO - 1 M
кость Д Н К при концентрации Me2+ в растворе 10~6—IO -5 М, что соот-
ветствует степеням связывания r t ~ 0 , 2 при [Na+] = I O - 3 М. Метод диа-
лиза против низкой концентрации двухвалентных ионов, использован-
ный в работе [5], не позволил обнаружить различий между действием
Mn2+ и Mg2+, так как приводит к значительно большим значениям па-
раметра связывания rt~ 0,4, при которых влияние Me2+ на [η] Д Н К
осуществляется, в основном, по механизму дебай-хюккелевского экра-
нирования.
Сильная нелинейность зависимости [η] Д Н К от 1 /]// (/ — ионная
сила раствора) в присутствии Me2+ обусловлена связыванием двухва-
лентных ионов с Д Н К (рис. 3) . Двухвалентные ионы (Me2+) присут-
ствуют в растворе в соотношении [Me2+] <С [Na+] (10~6—10~5 M Me2+
и 2 · (10~4—10~3) M Na+). В таком случае частичное связывание двух-
валентных ионов с Д Н К практически не меняет ионной силы раствора,
и уменьшение [η] нельзя объяснить усилением дебай-хюккелевского
экранирования отрицательных зарядов Д Н К при повышении общей
ионной силы раствора. Вследствие высоких значений констант связыва-
ния Me2+ с Д Н К [3, 6] уже при малых их концентрациях число двух-
28 ISSN 0233-7657. БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА. 1989, т.. 5, № б
валентных ионов, связанных с макромолекулой, значительно. Это при-
водит к сильному уменьшению объема, занимаемого макромолекулой
Д Н К , что определяет уменьшение ее [η] в результате частичной ком-
пенсации отрицательного заряда при равновесном связывании ионов.
При больших концентрациях Me 2 + наряду со связыванием следует учи-
тывать и их экранирующее действие.
Изменение [η] Д Н К при взаимодействии с ионами металлов опре-
деляется изменением дальнодействия в макромолекуле, описываемого-
Рис. 4. Зависимости величины параметра ε от концентрации ионов Mg2+ (а) и Ca2+
(б) при разном содержании Nia + : 1 — 10~3; 2 — IO-2; 3 — IO"1 M
Fig. 4. The parameter ε dependences on the Mig2+ (α) and Ca2+ (6) concentrations with
different NaCI contents. / — IO-3; 2 — IQ-2; 3 — IO"1 M Na+
параметром исключенного объема ε, и близкодействия, которое от-
ветственно за величину персистентной длины а. Представляется инте-
ресным оценить вклад дальнодействия в изменение размеров Д Н К при
взаимодействии с двухвалентными ионами, так как предполагается, что
именно эти эффекты определяют поведение [η] Д Н К в области ионных
сил ~ 1 0 ~ 3 M и выше.
Чтобы рассчитать параметр исключенного объема Д Н К при раз-
личных концентрациях ионов металлов, мы использовали подход, опи-
санный нами ранее [4].
При вычислениях учитывали слабую зависимость персистентной
длины Д Н К от концентрации ионов N a + в области [ N a C l ] > 1 0 ~ 3 M
[7, 8] , а для двухвалентных ионов — в области [Mg2+] IO"5 М, что
соответствует 1 > 2 - Ю - 4 M [8]. В связи с этим допускали, что увеличе-
ние [Me2+] в растворе Ю - 3 M Na+ не вызывает изменений величины ау
и полагали а = 60 нм [7, 8]. При больших ионных силах, в соответствии
с данными работ [7—9], считали а = 5 0 нм. Значение [η] в точке θ
считали равным значению [η] в 1 M NaCl, так как известно, что при
увеличении концентрации противоионов свыше 1 M величина характе-
ристической вязкости остается практически постоянной вследствие пол-
ного подавления электростатических объемных эффектов [5, 7, 10].
Параметр исключенного объема Д Н К в Θ точке приняли равным 0, так
как имевшиеся в литературе данные о высоких значениях ε при боль-
ших ионных силах связаны, как показывает анализ, с сильным завы-
шением эффектов исключенного объема [9].
Сравнивая действие ионов переходных и щелочноземельных метал-
лов на эффекты дальнодействия в макромолекуле Д Н К , можно видеть
(рис. 4, 5), что связывание ионов Mn2+ и Cu2+ при концентрациях
M n 2 + ~ 1 0 - 3 M и C u 2 + ~ 1 0 ~ 4 M приводит к значительному уменьшению
параметра ε, в то время как для ионов Mg2+ и Ca2+ эти значения ε
достигаются при концентрациях ~ 1 0 - 2 M и выше.
Исследование, выполненное нами ранее [ И ] методами кругового
дихроизма (КД) и УФ-дифференциальной спектроскопии, показывает,
что значительное уменьшение величины [η] Д Н К и параметра ε при
добавлении малых количеств Me2+ ( ~ 1 0 - 5 М) сопровождается актив-
28 ISSN 0233-7657. БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА. 1989, т.. 5, № б
ным связыванием двухвалентных ионов с фосфатами и азотистыми ос-
нованиями макромолекул. Так, при концентрациях ионов Mn2+ и Cu2+
5·10~6 M в растворе IO -3 M Na+ можно наблюдать дифференциальный
УФ-спектр (ДУФС) комплексов Д Н К , свидетельствующий о связыва-
нии этих ионов с основаниями, а также изменение оптической активно-
сти положительной полосы спектра К Д Д Н К (рис. 6). В отличие от
ионов переходных металлов ионы Mg2+ не взаимодействуют с азотис-
тыми основаниями Д Н К [6, 12]. Только при 5·10~3 M Ca2+ в растворе,
содержащем IO -3 M Na+, можно
наблюдать ДУФС Д Н К в комп-
лексе с ионами Ca2+, а также
значительное уменьшение опти-
ческой активности положитель-
ной полосы спектра КД, свиде-
тельствующие о связывании Ca2+
с основаниями Д Н К .
Рис. 5. Зависимости параметра исключенного объема Д Н К от концентрации ионов
Mn2 '- и Cu2+ при разном содержании Na+: 1 — Mn2+, 2·10~2 M Na+; 2 — Mn2+; 3 —
Cu2+, IO-3 M Na+
Fig. 5. The D1NA excluded volume parameter dependences on Mn2+ and Cu2+ ion con-
centrations with different NaCl contents. / — Mn2+, 2 · Ί0~ 2 M Na+; 2 — Mn2+, 3 — Cu2+,
IO-3 M Na+
Рис. 6. Зависимости относительного изменения положительной амплитуды спектра К Д
(а) и положительной амплитуды ДУФ'С (б) в комплексе с ионами двухвалентных ме-
таллов от их концентрации в растворе при Ю - 3 M Na+: 1 — Cu2+; 2 — Mn2 + ; 3 —
Ca2 +
Fig. 6. Dependences of the rek t ive change of the CD spectrum positive amplitude (a)
and that of the UFD1S (6) of DNA in complex with bivalent metal ions on their con-
centrations in solution at IO"3 M ,Na+. / — Cu2+; 2 — Mn2 + ; 3 — Ca2+
Анализ экспериментальных результатов показал [11], что ионы Mg2+
и Ca2+ могут взаимодействовать с гуанином ДНК, образуя хелаты типа
N (T)-Me2+-O (6), а ионы Cu2+ — и с цитозином, формируя хелаты типа
N (3)-Си2+-0 (2). При связывании с ионами Ca2 + , Mg2 + , Mn 2 + конформа-
ция Д Н К изменяется в пределах В-семейства форм. Ионы Cu2+ вызывают
особенно сильное изменение конформации ДНК и при [Cu2 1СГ*4 M в
буферном и [Cu2+] >> IO - 4 M в солевом растворах разрушают двухспи-
ральное состояние биополимера при комнатных температурах. На ос-
новании полученных данных можно заключить, что уменьшение [η]
Д Н К и параметра исключенного объема ε при взаимодействии с иона-
ми Mg2+ и Ca2+ (при [Ca2+] < 5 · 1 0 ~ 3 Μ) происходит в результате экра-
нирования фосфатных групп макромолекулы при непосредственном свя-
зывании двухвалентных ионов. В случае, когда [Ca2+] ^ 5 · IO - 3 М, су-
щественное уменьшение характеристической вязкости [η], а т акже
параметра ε Д Н К обусловлено связыванием Ca2+ с азотистыми основа-
ниями, приводящими к более сильному подавлению внутримолекуляр-
ных взаимодействий и уменьшению объема макромолекулы.
Менее существенное уменьшение [η] Д Н К и параметра исключен-
ного объема ε при взаимодействии со щелочноземельными ионами Mg2+,
Ca2+ (по сравнению с действием переходных ионов Mn2+, Cu2+) вызва-
но их связыванием в основном с фосфатными группами, в то время
как ионы Mn2+ и Cu2+ взаимодействуют одновременно и с азотистыми
основаниями, что вызывает более сильное уменьшение характеристиче-
28 ISSN 0233-7657. БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА. 1989, т.. 5, № б
ской вязкости и дальних внутримолекулярных взаимодействий, опреде-
ляемых величиной параметра ε.
Таким образом, наблюдаемое в эксперименте уменьшение [η] Д Н К
при связывании ионов щелочноземельных и переходных металлов (при
/ > 1 ( Н М) сопровождается подавлением дальнодействия в макромоле-
куле в результате компенсации отрицательного заряда Д Н К при рав-
новесном связывании ионов, а при [Ме2+] > 5 · Ю - 5 M — также и вслед-
ствие их экранирующего действия. При рассмотрении эффектов исклю-
ченного объема в области / < 2 · 1 0 ~ 4 Μ и их вклада в изменение [η]
. Д Н К при связывании Me2+ необхо-
η/Jnh1ZMNa димо учитывать значительное воз-
растание изгибной жесткости мак-
ромолекул, а также влияние двух-
валентных ионов на ее величину.
Количественный анализ влия-
ния связывания двухвалентных ио-
нов на величину [η] Д Н К и пара-
метра ε можно провести при помо-
щи теории равновесного связыва-
ния ионов и экспериментальных данных о константах связывания. Изу-
чая действие степени связывания ионов Mg2+ и Ca2+ на \jr\] Д Н К , ис-
пользовали систему уравнений Скетчарда для случая конкуренции ио-
нов и учета антикооперативности связывания, примененную^ нами ра-
нее для ионов Mn2+ и Cu2+ [4]. При вычислении степени связывания
rt значение константы связывания для ионов Mg2+ и Ca2+ было заим-
28 ISSN 0233-7657. БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА. 1989, т.. 5, № б
Рис. 7. Зависимости характеристической вязкости Д Н К от величины (0,5—r t): 1 — Mn2+;
2 — Cu 2 + ([Na+] = I O - 3 M , м. м 19-IO6); 3 — Mn 2+ ([Na+] = 2 - I O - 2 М, м. м. 12 X
X IO6); 4 — Mn 2 + ([Na+] == 2· Ю - 4 М, м. м. 19* 106); 5 — Ca 2+ ([Na+] — 2-10" 4 M1 м.
м. 13. IO6); 6 — Mg 2 + ([Na+] = 10~ 3 М, м. м. 13-IO6); 7 — Mg2+ ([Na+] = Ю - 2 М, м.
м. 13-Ю6); 8 —"Mg2+ ([Na+] = 10~2 М, м. м. 13-Ю6); 9 — Ca 2 +J( [Na+] = 10~2 М, м.
м. 19-IO6); 10 — Ca 2 + ([Na+] = IO"1 М, м. м. 19-IO6); 11 — Ca2+ ([Na+] - 10 M i .
м. м. 19-IO6); 12— Cu 2 + ([Na+] = I O - 3 М, м. м. 2,6-105); 13 — Mn 2 + ([Na+]=-· 10~3
М, м. м. 2,6-10ъ)\*14, 15 — Mn2+ ([Na+] = 2· IO""4 М, м. м. 3,9-IO5 и 2, M O 5 соответ-
ственно)
Fig. 7. Dependences of the DiNA intrinsic viscosity on the (0.5 — rt) value: / — Mn2+;.
2— Cu 2 + ([Na+] = J l O - 3 M ; m. w. 19· Ю6); 3 — Mn 2 + ([Na+] = 2· IO - 2 M, m. w. 12 χ
X IO6); 4 — Mn 2+ ([Na+] = 2 . IO- 4M, m. w. 19- IO6); 5 — Ca2+ ([Na+] - 2 - I O - 4 M , m·
w. 13-Ю6); 6 — Mg2+ ([Na+] = IO - 3 M, m. w. 13-IO6); 7 — Mg2+ ( [Na + I = IO - 2 M,
m. w. 1 3 . 1 0 6 ) T ^ ^ M g 2 + ([Na+] = IO - 2 M, m. w. 13-IO6); 9 - Ca 2+ ([Na+] = IO - 2 M,
m. w. 19-IO6); 10 — Ca2+ ([Na+] - IO - 1 M, m. w. 19-IO6); 11- Ca 2+ ([Na+] = IO - 1 M,
m. w. 19· IO6); 12 — Cu 2+ ([Na+] = IO - 3 M, m. w. 2-6-IO5); 13 — Mn 2 + ([Na+] == IO" 3
M, m. w. 2 -6 . IO5); 14, 15 — Mn 2 + ([Na+] = 2· IO - 4 M, m. w. 3-9-IO5 and 2 - M O 5 , res-
pectively)
Рис. 8. Зависимость параметров исключенного объема Д Н К от величины (0,5 — rt)\
/ — Cu2 + ; 2 — Mn2 + ; J - C a 2 + , Ю~3 M Na+; 4 — Mg2+; 5 —Ca 2 +, IO"3 M Na+; 6 —
Mg2+; 7__ Ca2+, IO-1 M iNa+; 8 — Mn2+, 2·<10"2 M iNa+
Fig. '8. Dependences of the DNA excluded volume parameter on the (0.5-r*) value: / —
Cu2+; 2 — Mn2+; J - C a 2 + , 10~3 M Na+; 4 — Mg2 + ; 5 — Ca2+, 10~3 M Na+; 6 — Mg2+;
7 — Ca2+, ilO"1 M Na+; 8 — Μ·η2+, 2· I O - 2 M INa+
ствовано из работы [13], а значение параметра W9 характеризующего»
электростатическую энергию отталкивания связанных с Д Н К Me 2 + ,—
из [6]. Полученные зависимости [η] Д Н К и параметра исключен-
ного объема ε от степени связывания ионов щелочноземель-
ных металлов Mg2+ и Ca2+ представлены на рис. 7 и 8, где
они сравниваются с аналогичными зависимостями для ионов переход-
ных металлов Mn2+ и Cu2+. Величина ( η — r t ) (где η — число возмож-
ных мест связывания, приходящихся на нуклеотид и для Д Н К равное
0,5 [3, 6, 12, 13]) пропорциональна эффективному среднему заряду
сегмента. При значениях (0,5—г*) < 0 , 2 зависимость характеристиче-
ской вязкости имеет универсальный характер . Сильное возрастание [η]
Д Н К при 2 - Ю - 4 M Na+ обусловлено существенным увеличением ста-
тистического сегмента Д Н К в этой области / [7, 8] вследствие усиле-
ния ближних внутримолекулярных электростатических взаимодействий
заряженных групп макромолекул при малых степенях экранирования.
В возрастание величины [η] при rt<C0,2 т а к ж е вносит вклад и даль-
нодействие, характеризуемое параметром ε. Зависимость параметра ис-
ключенного объема Д Н К от величины (0,5—rt) является универсальной
для различных ионов и имеет линейный характер . Характер этой за-
висимости обусловлен пропорциональностью ε параметру г, линейно·
зависящему от з аряда мономерной единицы макромолекулы и харак-
теризующему средний эффективный потенциал взаимодействия сег-
ментов {14].
Вычисление степени связывания двухвалентных ионов в соответ-
ствии с теорией Мэннинга [15] привело в условиях [Na+] = 2 · IO - 4 M
к изменению величины rm
t от 0,40 при [Me2+] = 5 · Ю - 6 M до 0,44 при
Ме2+ = 5-10~3 М. Столь малое изменение степени связывания не может
объяснить значительного уменьшения характеристической вязкости
Д Н К , наблюдаемого в эксперименте. Как показано в работе [16], эта
теория имеет ограниченную область применимости и дает точные ре-
зультаты при низких ионных силах только при рассмотрении ситуации
вдали от полииона.
Универсальные зависимости характеристической вязкости Д Н К и
параметра исключенного объема от степени связывания различных ио-
нов металлов свидетельствуют в пользу того, что связанные с макро-
молекулой ионы, а не входящие в диффузное облако, определяют струк-
туру раствора вблизи биополимера и его конформационное состояние.
З а многочисленные и плодотворные обсуждения и стимулирующий
интерес к данной работе авторы в ы р а ж а ю т благодарность Э. В. Фрис-
ман, М. Д . Франк-Каменецкому и В. И. Иванову.
EFFECT OF ALKALI-EARTH AND TRANSITION METAL IONS ON HYDRODYNAMIC
AND MACROMOLECULAR PARAMETERS OF DNA
S. V. Kornilova, A. G. Shkorbatov, Yu. P. Blagoi
Institute for Low Temperaturre Physics and Engineering,
Academy of Sciences of the Ukrainiain SSR, Kharkov
S u m m a r y
DNA intrinsic viscosity [η] and the excluded volume parameter ε <are stated to depend
on the concentrations and the binding degrees of Mg2+, Mn2+, Ca2+, Cu2+ ions with
different NaCl contents ( 2 * 1 0 - 4 + 1 0 - 1 M). The substantial changes of the [η] value and
the parameter ε in the presence of small contents of bivalent metal· ions are shown to
be due to the ion binding to the phosphate groups and nitrogen bases of DNA. Bivalent
ion (Me2+)-DNA binding results in the suppression of -long-range effects in a macro-
molecuIe with concentrations by some orders of magnitude ,lower than those in the case
of monovalent ions. The effect of transition metal ions (Mn2+, Cu2+) on the value and
the excluded volume parameter is greater than that of the alkali-earth (Ca2+, Mg2+)
ones due to their binding not only to D1NA pihospbate groups but a<lso to the nitrogen
bases even with small concentrations (5-10-6 M). The intrinsic viscosity and the ex-
cluded volume parameter are shown to depend universally on the binding degree of bi-
valent ions.
28 ISSN 0233-7657. БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА. 1989, т.. 5, № б
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Благой Ю. П., Корнилова С. В., Сохан В. И. Изучение изменения характеристи-
ческой вязкости ДНК при взаимодействии с ионами Cu2+ и Mn 2 +/ /Молекуляр .
биология.— 1982.—16, JMb 1.—С. 210—216.
2. Bivalent metal ion effects on chain stiffness and excluded volume of DNA /
Yu. P. Bilagoi, S. V. Kornilova, A. G. .S'hkorbatov, S. A. Egupov / / Stud, biophys —
1986.-108, N 1.—P. ,17—24.
3. Reuben L, Gabbay E. Binding of manganese (II) to DNA and the competitive ef-
fects of metal ions and organic cations. An electron paramagnetic resonance stu-
dy//Biochemistry.—;1975.—14, iN 6.— -P. 1230—.1235.
4. Kornilova S. V., Blagoi Yu. P., Shkorbatov A. G. Metal ion effect on molecular si-
tes and intermolecular interaction in D 1 NA//Water and ions in biol. syst.—New-
York: Plenum press, 1986.—-856· p.
5. Исследование влияния ионов Mn2+ и Mg2+ на конформацию молекулы Д Н К /
Н. А. Косьяненко, Г. Сэльман-Хусейн Coca, В. Н. Уверский, Э. В. Фрисман / / Мо-
лекуляр. биология.— 1987.—21, № 1.— С. 140—144.
•6. Clement R. M., Strum I., Daune Μ. P. Interaction of metal-lie cations with DNA. 6.
Specific binding of Mg2+ and Mn2+ / / Biopolymers . - 1973.—12, N 2,—P. 405—421.
7. Фрисман Э. В. Оптическое и гидродинамическое поведение Д Н К и ее комплексов
с биологически активными молекулами / / IV Междунар. биофиз. конгр.: Тез. докл.—
Пущино, 1973.—Т. 1.—С. 301.
8. Hagerman Р. I. Investigation of the flexibility of DNA using transient electric bi-
re f r igence / /BiopolymersT- 1983 —20, N 4.—P. 1503—1535.
9. Франк-Каменецкий Μ. Д. Флуктуационная подвижность ДНК / / Молекуляр. био-
логия.— 1983.—17, № 3.—С. 539—652.
10. Ross P. DScruggs R. L. Viscosity study of DNA. II. The effect of simple salt con-
centration of the viscosity of high-molecula.r weight DiNA and application of visco-
metry to the study of DNA isolated1 from TH and TS bacteriophage m u t a n t s / / B i o -
polymers.—,1968.—6, N 4.—P. 1005—IOil 8.
.11 .Влияние ионов металлов на структуру ДНК разного молекулярного в е с а /
Ю. П. Благой, С. В. Корнилова, В. А. Сорокин, А. Г. Шкорбатов / / Stud, biophys.—
1986.—114, N 1/3,—С. 263—268.
12. Благой Ю. П., Сорокин В. А., Валеев В. А. Спектральное исследование связывания
оснований ДНК с ионами магния и кальция / / Молекуляр. биология.— 1980.—14,
№ 3.— С. 595—605.
13. Zimmer Ch. Binding von Divalent Metallionen un Nucleinsaiiren und Wirkungen auf
die Konformation der Deoxyribonucleinsaiire//Zeitshrift Chem.— 197il.—11, N 12.—
p. Ml—458.
14. Лифиіиц И. M., Гросберг А. Ю., Хохлов А. Р. Объемные взаимодействия в стати-
стической физике полимерных макромолекул//Успехи физ. наук.— 1979.—127,
№ 3,— С. 353—388.
15. Manning G. S. The molecular theory of polyelectrolyte solutions with applications
to the electrostatic properties of polynucleotides / / Quart. Rev. Biophys.— 1978.—11,
N 2,—P. 179!—246.
16. JIукашин А. ВАншелевич В. В., Франк-Каменецкий М. Д. Современное состоя-
ние теории сильно заряженных полиэлектролитов типа ДНК.— Пущино, 1985.—
29 с.
17. Расчет характеристической вязкости синтетических и биологических полиэлектроли-
тов различной жесткости / С. В. Слоницкий, Э. В. Фрисман, А. К- Валеев и др. / /
Молекуляр. биология,— 1980,—14, № 3.—С. 484—495.
18. Reinert К. E., Geller К. Interactions of different substances with polyelectrolyte
D N A / / S t u d , biophys.— 1968—30, N 10.—C. 65—73.
Физ.-техн. ин-т низких температур Получено 11.05.89
АН УССР, Харьков
УДК 577.963.32;539.199
С. Н. Волков, А. М. Косевич, Г. Е. Вайнреб
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИЗУЧЕНИЕ
НИЗКОЧАСТОТНЫХ КОЛЕБАНИЙ МАКРОМОЛЕКУЛ ДНК
Исследованы колебания структурных элементов полинуклеотидной цепи относительно
равновесной конформации двутяжевых ДНК. В рассмотрение включены относительные
движения нуклеотидов, связанных попарно водородными связями, изгибания поли-
нуклеотидных цепей и внутринуклеозидная подвижность. Выполнен анализ нормаль-
ных колебаний двутяжевой цепи и определена структура низкочастотного спектра ко-
лебаний ДНК. Используя теоретические результаты и их согласие с данными спектро-
скопии комбинационного рассеяния (КР), предложена интерпретация наблюдаемых
особенностей в спектрах низкочастотных колебаний ДНК.
28 ISSN 0233-7657. БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА. 1989, т.. 5, № б
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-155409 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0233-7657 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-27T20:22:47Z |
| publishDate | 1989 |
| publisher | Інститут молекулярної біології і генетики НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Корнилова, С.В. Шкорбатов, А.Г. Благой, Ю.П. 2019-06-16T19:39:33Z 2019-06-16T19:39:33Z 1989 Влияние ионов щелочноземельных и переходных металлов на гидродинамические и макромолекулярные параметры ДНК / С.В. Корнилова, А.Г. Шкорбатов, Ю.П. Благой // Биополимеры и клетка. — 1989. — Т. 5, № 6. — С. 25-32. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. 0233-7657 DOI: http://dx.doi.org/10.7124/bc.0000F3 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/155409 577.3:547.963.3 Изучено влияние ионов Me²⁺ щелочноземельных (Mg²⁺, Ca²⁺ ) и переходных металлов (Mn²⁺, Сu²⁺ ) на характеристическую вязкость [η] и величину параметра исключенного объема ДНК ε. Показано что ионы Mn²⁺ и Сu²⁺ оказывают больший эффект на величины [η] и ε, чем ионы Mg²⁺ и Ca²⁺, вследствие связывания с азотистыми основаниями ДНК уже при малых концентрациях (5·10⁻⁶ М). Установлены универсальные зависимости величин [η] и ε от степени связывания Me²⁺. Вивчено вплив іонів Me²⁺ лужноземельних (Mg²⁺, Ca²⁺) і перехідних (Mn²⁺, Сu²⁺) металів на характеристичну в’язкість [η] і величину параметра виключеного об’єму ДНК ε. Показано що іони Mn²⁺ і Сu²⁺ чинять більший ефект на величини [η] і ε, ніж іони Mg²⁺ і Ca²⁺, внаслідок зв’язування з азотистими основами ДНК вже за малих концентрацій (5·10⁻⁶ М). Встановлено універсальні залежності величин [η] і ε від ступеня зв’язування Me²⁺. NA intrinsic viscosity [η] and the excluded volume parameter e iare stated to depend on the concentrations and the binding degrees of Mg²⁺, Mn²⁺, Ga²⁺, Cu²⁺ ions with different NaCl contents (2 ·10⁻⁴+10⁻¹ M). The substantial changes of the [η] value and the parameter e in the presence of small contents of bivalent metal ions are shown to be due to the ion binding to the phosphate 'groups and nitrogen bases of DNA. Bivalent ion (Me²⁺)-DNA binding results in the suppression of long-range effects in a macromolecule with concentrations by some orders of magnitude lower than those in the case of monovalent ions. The effect of transition metal ions (Mn²⁺, Cu²⁺) on the value and the excluded volume parameter is greater than that of the alkali-earth (Ca²⁺, Mg²⁺) ones due to their binding not only to DNA phosphate groups but also to the nitrogen bases even with small concentrations (5·10⁻⁶ M). The intrinsic viscosity and the excluded volume parameter are shown to depend universally on the binding degree of bivalent ions. За многочисленные и плодотворные обсуждения и стимулирующий интерес к данной работе авторы выражают благодарность Э.В. Фрисман, М.Д. Франк-Каменецкому и В.И. Иванову. ru Інститут молекулярної біології і генетики НАН України Биополимеры и клетка Структура и функции биополимеров Влияние ионов щелочноземельных и переходных металлов на гидродинамические и макромолекулярные параметры ДНК Вплив іонів лужноземельних і перехідних металів на гідродинамічні і макромолекулярні параметри ДНК Effect of alkali-earth and transition metal ions on hydrodynamic and macromolecular parameters of DNA Article published earlier |
| spellingShingle | Влияние ионов щелочноземельных и переходных металлов на гидродинамические и макромолекулярные параметры ДНК Корнилова, С.В. Шкорбатов, А.Г. Благой, Ю.П. Структура и функции биополимеров |
| title | Влияние ионов щелочноземельных и переходных металлов на гидродинамические и макромолекулярные параметры ДНК |
| title_alt | Вплив іонів лужноземельних і перехідних металів на гідродинамічні і макромолекулярні параметри ДНК Effect of alkali-earth and transition metal ions on hydrodynamic and macromolecular parameters of DNA |
| title_full | Влияние ионов щелочноземельных и переходных металлов на гидродинамические и макромолекулярные параметры ДНК |
| title_fullStr | Влияние ионов щелочноземельных и переходных металлов на гидродинамические и макромолекулярные параметры ДНК |
| title_full_unstemmed | Влияние ионов щелочноземельных и переходных металлов на гидродинамические и макромолекулярные параметры ДНК |
| title_short | Влияние ионов щелочноземельных и переходных металлов на гидродинамические и макромолекулярные параметры ДНК |
| title_sort | влияние ионов щелочноземельных и переходных металлов на гидродинамические и макромолекулярные параметры днк |
| topic | Структура и функции биополимеров |
| topic_facet | Структура и функции биополимеров |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/155409 |
| work_keys_str_mv | AT kornilovasv vliânieionovŝeločnozemelʹnyhiperehodnyhmetallovnagidrodinamičeskieimakromolekulârnyeparametrydnk AT škorbatovag vliânieionovŝeločnozemelʹnyhiperehodnyhmetallovnagidrodinamičeskieimakromolekulârnyeparametrydnk AT blagoiûp vliânieionovŝeločnozemelʹnyhiperehodnyhmetallovnagidrodinamičeskieimakromolekulârnyeparametrydnk AT kornilovasv vplivíonívlužnozemelʹnihíperehídnihmetalívnagídrodinamíčníímakromolekulârníparametridnk AT škorbatovag vplivíonívlužnozemelʹnihíperehídnihmetalívnagídrodinamíčníímakromolekulârníparametridnk AT blagoiûp vplivíonívlužnozemelʹnihíperehídnihmetalívnagídrodinamíčníímakromolekulârníparametridnk AT kornilovasv effectofalkaliearthandtransitionmetalionsonhydrodynamicandmacromolecularparametersofdna AT škorbatovag effectofalkaliearthandtransitionmetalionsonhydrodynamicandmacromolecularparametersofdna AT blagoiûp effectofalkaliearthandtransitionmetalionsonhydrodynamicandmacromolecularparametersofdna |