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 полинуклеотидных цепей и внутринуклеозидная подвижность. Выполнен анализ...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	1989
Автори:	Волков, С.Н., Косевич, А.М., Вайнреб, Г.Е.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут молекулярної біології і генетики НАН України 1989
Назва видання:	Биополимеры и клетка
Теми:	Структура и функции биополимеров
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/155410
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Теоретическое изучение низкочастотных колебаний макромолекул ДНК / С.Н. Волков, А.М. Косевич, Г.Е. Вайнреб // Биополимеры и клетка. — 1989. — Т. 5, № 6. — С. 32-39. — Бібліогр.: 17 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-155410
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1554102025-02-09T14:04:56Z Теоретическое изучение низкочастотных колебаний макромолекул ДНК Теоретичне вивчення низькочастотних коливань макромолекул ДНК Theoretical studies in low-frequency vibrations of DNA macromolecules Волков, С.Н. Косевич, А.М. Вайнреб, Г.Е. Структура и функции биополимеров Исследованы колебания структурных элементов полинуклеотидной цепи относительно равновесной конформации двутяжевых ДНК. В рассмотрение включены относительные движения нуклеотидов, связанных попарно водородными связями, изгибания полинуклеотидных цепей и внутринуклеозидная подвижность. Выполнен анализ нормальных колебаний двутяжевой цепи и определена структура низкочастотного спектра колебаний ДНК. Используя теоретические результаты и их согласие с данными спектроскопии комбинационного рассеяния (КР), предложена интерпретация наблюдаемых особенностей в спектрах низкочастотных колебаний ДНК. Досліджено коливання структурних елементів полінуклеотидного ланцюга щодо рівноважної конформації двотяжової ДНК. У розгляд включено відносні рухи нуклеотидів, попарно зв’язаних водневими зв’язками, згинання полінуклеотідних ланцюгів і внутрішньонуклеозидна рухливість. Виконано аналіз нормальних коливань двотяжового ланцюга і визначено структуру низькочастотного спектра коливань ДНК. Використовуючи теоретичні результати та їхнє узгодження з даними спектроскопії комбінаційного розсіювання (КР), запропоновано інтерпретацію спостережуваних особливостей у спектрах низькочастотних коливань ДНК. The theoretical investigation of low-frequency dynamics of DNA macromolecules is theoretically studied taking into account the hydrogen bond stretching in base pairs, the backbone flexibility and intranucleoside mobility. The structure of low-frequency macro-molecule vibration spectrum is determined. Using the theoretical results obtained and their correlation with DNA Raman spectra the interpretation of the set of experimental data is presented. 1989 Article Теоретическое изучение низкочастотных колебаний макромолекул ДНК / С.Н. Волков, А.М. Косевич, Г.Е. Вайнреб // Биополимеры и клетка. — 1989. — Т. 5, № 6. — С. 32-39. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. 0233-7657 DOI: http://dx.doi.org/10.7124/bc.0000F4 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/155410 577.963.32;539.199 ru Биополимеры и клетка application/pdf Інститут молекулярної біології і генетики НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Структура и функции биополимеров Структура и функции биополимеров
spellingShingle	Структура и функции биополимеров Структура и функции биополимеров Волков, С.Н. Косевич, А.М. Вайнреб, Г.Е. Теоретическое изучение низкочастотных колебаний макромолекул ДНК Биополимеры и клетка
description	Исследованы колебания структурных элементов полинуклеотидной цепи относительно равновесной конформации двутяжевых ДНК. В рассмотрение включены относительные движения нуклеотидов, связанных попарно водородными связями, изгибания полинуклеотидных цепей и внутринуклеозидная подвижность. Выполнен анализ нормальных колебаний двутяжевой цепи и определена структура низкочастотного спектра колебаний ДНК. Используя теоретические результаты и их согласие с данными спектроскопии комбинационного рассеяния (КР), предложена интерпретация наблюдаемых особенностей в спектрах низкочастотных колебаний ДНК.
format	Article
author	Волков, С.Н. Косевич, А.М. Вайнреб, Г.Е.
author_facet	Волков, С.Н. Косевич, А.М. Вайнреб, Г.Е.
author_sort	Волков, С.Н.
title	Теоретическое изучение низкочастотных колебаний макромолекул ДНК
title_short	Теоретическое изучение низкочастотных колебаний макромолекул ДНК
title_full	Теоретическое изучение низкочастотных колебаний макромолекул ДНК
title_fullStr	Теоретическое изучение низкочастотных колебаний макромолекул ДНК
title_full_unstemmed	Теоретическое изучение низкочастотных колебаний макромолекул ДНК
title_sort	теоретическое изучение низкочастотных колебаний макромолекул днк
publisher	Інститут молекулярної біології і генетики НАН України
publishDate	1989
topic_facet	Структура и функции биополимеров
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/155410
citation_txt	Теоретическое изучение низкочастотных колебаний макромолекул ДНК / С.Н. Волков, А.М. Косевич, Г.Е. Вайнреб // Биополимеры и клетка. — 1989. — Т. 5, № 6. — С. 32-39. — Бібліогр.: 17 назв. — рос.
series	Биополимеры и клетка
work_keys_str_mv	AT volkovsn teoretičeskoeizučenienizkočastotnyhkolebanijmakromolekuldnk AT kosevičam teoretičeskoeizučenienizkočastotnyhkolebanijmakromolekuldnk AT vajnrebge teoretičeskoeizučenienizkočastotnyhkolebanijmakromolekuldnk AT volkovsn teoretičnevivčennânizʹkočastotnihkolivanʹmakromolekuldnk AT kosevičam teoretičnevivčennânizʹkočastotnihkolivanʹmakromolekuldnk AT vajnrebge teoretičnevivčennânizʹkočastotnihkolivanʹmakromolekuldnk AT volkovsn theoreticalstudiesinlowfrequencyvibrationsofdnamacromolecules AT kosevičam theoreticalstudiesinlowfrequencyvibrationsofdnamacromolecules AT vajnrebge theoreticalstudiesinlowfrequencyvibrationsofdnamacromolecules
first_indexed	2025-11-26T15:29:40Z
last_indexed	2025-11-26T15:29:40Z
_version_	1849867352854757376
fulltext	СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Благой Ю. П., Корнилова С. В., Сохан В. И. Изучение изменения характеристи- ческой вязкости Д Н К при взаимодействии с ионами Cu2+ и M n 2 + / / М о л е к у л я р . 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. Shkorbatov, 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 N A / / W a t e r and ions in biol. syst.—New- York: Plenum press, 1986.—-856· p. 5. Исследование влияния ионов Mn2+ и Mg 2+ 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 Mg 2 + and Mn2+ / / B i o p o l y m e r s . - 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 P. I. Investigation of the flexibility of DNA using transient electric bi- re f r igence / /B iopo lymersT- 1983,— 20, N 4 .—P. 1503—1535. 9. Франк-Каменецкий Μ. Д. Флуктуационная подвижность Д Н К / / 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 Д Н К 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 Д Н К с ионами магния и кальция / / Молекуляр. биология.— 1980.—14, № 3.— С. 595—605. 13. Zimmer Ch. Binding von Divalent Metallionen un Nucleinsauren 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 poly-electrolyte 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 poly-electrolyte DNA / / 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. 32 ISSN 0233-7657. БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА. 1989, т. 5, № б 3 — 9-589 32 Исследование низкочастотных колебаний (со<200 см - 1 ) биологических макромолекул представляет значительный интерес. В низкочастотном диапазоне проявляются движения структурных элементов макромоле- кулы, связанных межмолекулярными взаимодействиями в рамках опре- деленной конформации биополимера. Как правило, низкочастотные ко- лебания охватывают всю структуру макромолекулы и характеризуют ее конформадионное состояние в целом. Имея относительно большую амплитуду смещений и являясь предшественниками конформационных переходов, эти колебания могут играть важную роль в актах биологи- ческого функционирования макромолекул. Настоящая работа посвящена изучению низкочастотных колебаний макромолекул Д Н К . На важность исследования колебаний Д Н К в низкочастотном диапазоне впервые обращено внимание в работе Мале- ева [1]. Систематическое изучение низкочастотных колебаний Д Н К на- чалось с 1981 г. с помощью КР-спектроскопии [2, 3] . В настоящее вре- мя получены результаты для растворов, пленок и волокон Д Н К в раз- личных условиях среды [2—9]. Характерные колебания обнаружены также в ряде биологических объектов, в состав которых входит Д Н К [7]. Существуют экспериментальные доказательства того, что наблю- даемые колебания носят внутриспиральный характер [8, 9] . Несмотря на значительное количество полученных результатов, од- нозначной трактовки низкочастотных спектров KP Д Н К еще не дано. Имевшиеся к началу экспериментальных работ расчеты колебательных спектров Д Н К , выполненные с помощью валентно-оптического метода, указывали на присутствие в низкочастотном диапазоне колебаний с растяжением водородных связей в парах оснований [10, 11]. Однако эти расчеты дают на порядок величины большее наблюдаемых число колебательных полос для низкочастотного спектра Д Н К , которые к то- му же из-за неоднозначности выбора силовых постоянных [11] трудно соотнести с экспериментальными данными. С другой стороны, развитые в работах [12, 13] упрощенные модели динамики Д Н К не позволили достичь уровня, достаточного для интерпретации эксперимента. В работах [14, 15] для описания низкочастотной подвижности мак- ромолекул Д Н К предложен подход, базирующийся на представлениях динамики кристаллической решетки. Макромолекула рассматривалась как двутяжевая цепь жестких нуклеозидов, связанных попарно водо- родными связями. Принимая во внимание конфигурационные особен- ности Д Н К , в модели учитывали качания нуклеозидов вокруг цепей остова и совместные смещения нуклеозидов и масс остова. Параметры модели были рассчитаны по рентгеноструктурным данным двуспираль- ных Д Н К , а силовые постоянные определены по результатам конфор- мационных расчетов. Полученные результаты [14, 15] воспроизводят основные черты экспериментального спектра Д Н К , однако ввиду ис- пользования приближения жесткого нуклеозида носят предварительный характер. Д л я интерпретации эксперимента необходимо выяснить роль и место впутринуклеозидной подвижности тем более, что, согласно [1] , внутринуклеозидные колебания могут лежать в изучаемом частот- ном диапазоне. В настоящей работе развита модель конформационной динамики Д Н К , учитывающая, что нуклеозид не является жестким, т. е., кроме растяжения водородных связей в парах оснований и изгибания остова, рассматривается также внутринуклеозидная подвижность (рисунок). Как известно, нуклеозид может менять свою конформацию за счет из- менения формы сахара и торсионного угла гликозидной связи. Эти из- менения происходят коррелирован© [16] и, следовательно, могут быть описаны одной независимой переменной. Учитывая, что в рамках раз- виваемого подхода при изменении конформации сахара наиболее су- щественно меняется приведенная длина нуклеозида /• [14, 15], примем за переменную, определяющую внутринуклеозидную подвижность, ве- личину: pi = l—li. Здесь l — равновесная для данной конформации двой- ной спирали приведенная длина нуклеозида. Д л я полноты рассмотре- ISSN 0233-7657. Б И О П О Л И М Е Р Ы И КЛЕТКА. 1989, т. 5, № б 3 — 9-589 33 ния поперечных степеней свободы наряду со смещениями нуклеозида и; остова по X и качаниями нуклеозида вокруг цепей остова (Θ) учтем т а к ж е подвижность нуклеозида и остова по У-компоненте (рисунок). Включение смещений по Y не вносит по сравнению с моделью [14, 15] качественных особенностей в спектр колебаний макромолекулы, но представляет интерес для возможных приложений. Ограничение в теории поперечными смещениями достаточно для описания коле- баний Д Н К в низкочастотном диапазоне, что следует из результатов поляризационных измерений спектров KP ориентированных образ- цов [4]. Запишем энергию малых смещений двутяжевой макромолекулы в соответствии с описанной моделью конформационной подвижности. Модель низкочастотной подвижности макромолекулы ДНК: а — общий вид; б — рас- положение масс нуклеозидов (т) и остова (т0) в плоскости пар оснований; стрелками указаны смещения Model of low-frequency mobility of DNA macromolecule: a — general view; б — position of nucleoside masses (m) and backbone masses (m0) in base pair plane; the arrows in- dicate displacements Здесь α, β, ε, /, g -—силовые постоянные взаимодействий, соотнесенные с соответствующими переменными; б — изменение расстояния между нуклеозидами в комплементарных парах (длины водородных связей); XY', Θ', р ' — производные по г. 34 ISSN 0233-7657. БИОПОЛИ.МЕРЫ И КЛЕТКА. 1989, т. 5, № 6 Сделаем это в континуальном приближении, дающем возможность сравнить результаты теории и эксперимента. Кинетическая энергия си- стемы может быть представлена в виде: где расстояние меж- ( і ) (2 ду соседними звеньями двойной цепи, индекс і нумерует цепи двутяже- вой макромолекулы, Xy Y9 Q9 ρ — производные по времени соответству- ющих переменных. Потенциальная энергия системы для малых смещений выглядит следующим образом: В рассматриваемом приближении малых смещений выражение для δ может быть записано в виде Введем для упрощения записи переменные (3) (4) Используя выражения для энергии (1) и (2) с помощью формализма Л а г р а н ж а — Эйлера, приходим к двум системам линейных дифферен- циальных уравнений для переменных (4): (5) (6) Как видно из (5) и (6), первая система переходит во вторую при a—^O либо 6 — П о э т о м у фактически достаточно изучить решения первой си- стемы, а затем, приравнивая а к нулю, получим соответствующие ре- зультаты для второй. Найдем нормальные колебания системы. Будем искать решения уравнений (5) и (6) в виде плоских волн: r=r ехр;[7(со^—kz)], где г — амплитуда соответствующей переменной, ω — циклическая частота, k — волновой вектор. В этом случае из условия совместимости решений си- стем уравнений следуют дисперсионные отношения, определяющие спектр колебаний макромолекулы. В длинноволновом приближении для системы (5) имеем дисперсионное соотношение вида: а из системы уравнений (6) соответственно: (7) (8) изучаемой модели содержатся пять оптических и три акустические моды. Выясним взаимное расположение оптических мод в спектре при /е-^0. Принимая во внимание соотношения между структурными пара- ISSN 0233-7057. Б И О П О Л И М Е Р Ы И КЛЕТКА. 1989, т. 5, № б 3* 35 Здесь обозначено: Из выражений (7) и (8) видно, что в Существенно, что в предположении абсолютной жесткости нуклео- зидов (&—>~оо) дисперсионные уравнения (7) и (8) с точностью до по- стоянных переходят в результаты, полученные ранее для модели жест- ких нуклеозидов. Так же, как в [14, 15], наиболее н и з к о л е ж а щ а я час- тота из-за структурных особенностей оказывается двукратно вырож- денной. Отметим, что при учете внутринуклеозидной подвижности более высокочастотная (в модели жестких нуклеозидов) ветвь колебаний пре- вращается в полосу (ωι, 0)4, 0)2). Д л я анализа конформационных колебаний макромолекулы Д Н К в а ж н о знать соотношения амплитуд колебаний. Их можно получить из систем (5) и (6) после подстановки решений в виде плоских волн. В ре- зультате имеем: (13) четвертой ветви происходят практически без качаний по ξ, т ак как при значении частоты колебаний, равном со4, величина W стремится к бес- конечности. А при ω ~ ο ) 3 или сс-5 W^O. Следовательно, в третьей и пя- той ветвях колебания происходят без участия внутринуклеозидных сте- пеней свободы ( ρ ^ η ^ Ο ) . В некоторых ветвях колебания происходят без существенного растяжения водородных связей. Д л я ветвей 0)4 и С05 это очевидно; для ветви соз — вытекает из рассмотрения соотношений (3), (9) и (12) при учете W & 0 и р ^ О . Становится понятной граница использования приближения жест- кого нуклеозида. Так, из приведенных данных видно, что при описании нижайших ветвей колебаний (со3 и ω 5 ) макромолекулы такое приближе- ние вполне оправданно и не требует учета более высокоэнергетичных движений и, в частности, внутринуклеозидной подвижности. Д л я сравнения теории с экспериментом вычислим значения частот оптических ветвей колебаний макромолекулы при k = 0. Рассмотрим результаты д л я В-формы Д Н К . При расчете воспользуемся полученны- ми ранее параметрами модели ( / « 0 , 4 9 нм, Θ ο ~ 2 8 ° , m = 1 9 9 а. е. м., M=308 а. е. м.), а т а к ж е значениями силовых постоянных, оцененных 36 ISSN 0233-7657. БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА. 1989, т. 5, № 6 где Из соотношений (13) видно, что колебания в Зная , что в рассматриваемых макромолекулах обычно βο<^α0 , во и а о ~ ~ 8 о , получаем для спектра длинноволновых колебаний изучаемой си- стемы: метрами модели [14, 15], можно показать, что для макромолекул типа Д Н К выполняется Учитывая (9), из уравнения (7) находим: Из уравнения (8) следует: ( И ) (12) (9) (10) нами по данным конформационных расчетов ( о с ^ 8 0 к к а л / ( м о л ь · А 2 ) , β ~ 4 0 ккал /моль) [14, 15]. Существенной трудностью является выбор постоянной ε, характеризующей мягкость нуклеозида, связанную с воз- можностью конформационной перестройки сахара и изменением тор- сионного угла гликозидной связи. Оценка ε может быть произведена, исходя из величины барьера перехода между двумя возможными со- стояниями нуклеозида в В- и Α-формах Д Н К [17]. Более точное значе- ние можно получить из соотнесения теории и эксперимента, поскольку из выражения (11) следует є = с о 2 4 ( т т 0 / М ) . Учитывая, что ω 2 < ω 4 < ω ι , отнесем колебание с ω4 к центру наблюдаемой в спектрах В - Д Н К по- лосы около 85 см - 1 [3—6], т. е. будем считать, что ω 4 ~ 8 5 см - 1 , откуда получаем: ε ~ 4 3 к к а л / ( м о л ь · А 2 ) . Это значение хорошо соответствует теоретической оценке [17]. Результаты расчетов спектра низкочастотных колебаний В-формы Д Н К приведены в табл. 1, содержащей также экспериментальные дан- ные [2—8]. Сравнение результатов, приведенных в табл. 1, показывает достаточно хорошее согласие теории и эксперимента. Действительно, выполненный расчет в соответствии с экспериментом свидетельствует о наличии в низкочастотном спектре KP В - Д Н К двух областей колеба- ний: довольно узкого пика и более высокочастотной широкой полосы. При сравнении теории с экспериментом следует учитывать, что в дан- ных расчетах не принималась во внимание гетерогенность силовых по- стоянных α и ε. Учет этого фактора должен привести к уширению вет- вей о)ь 032, ω4 и их перекрыванию в спектре, что объясняет сравнительно большую ширину полосы 85 см - 1 . Фактор гетерогенности практически не проявляется для наблюдае- мого пика при 16 см"1. Здесь сказывается то обстоятельство, что при- рода этого пика определяется достаточно однородным силовым полем остова при относительно малой величине постоянной качания β. Суще- ственной особенностью пика является его чувствительность к конфор- мационному состоянию Д Н К [4—8]. В рамках развитой модели видно, что частота пика фактически отражает напряжение остова и может служить индикатором его состояния. По-видимому, колебания, обуслов- ливающие пик при 16 см - 1 , являются нижайшими внутримолекулярны- ми колебаниями оптического типа для макромолекулы Д Н К . Развитые представления могут быть использованы для количе- ственного характеризования низкочастотной динамики макромолекулы. В настоящей работе рассчитаны амплитуды нормальных колебаний Д Н К в В-форме. Результаты расчетов представлены в табл. 2. Здесь же указаны вычисленные нами амплитуды растяжения водородных связей в парах оснований (δ). Приведенные результаты подтверждают наши качественные выводы о характере колебаний в низкочастотных ветвях Д Н К . Как видно из табл. 2, внутринуклеозидные степени свободы су- щественны при описании колебаний, образующих полосу (сої, со2, ω4). Т а б л и ц а 1 Сравнение экспериментальных значений частот колебаний (см~1) с рассчитанными для В-формы ДНК Comparison of experimental values of vibration frequencies (cm~l) with those calculated for DNA B-fortn Эксперимент [3] И ] [5] [6] [7 ,8] І Іаши расчеты ( 1 14 Полоса 8 5 ± 3 0 9 0 + 2 5 90 85 ± 3 0 85 ' 62 Пик 14 1С 16 12 ί 17 I 16 П р и м е ч а н и е . Экспериментальные результаты приведены для Na-соли ДНК тиму- са теленка. ISSN 0233-7657. Б И О П О Л И М Е Р Ы И КЛЕТКА. 1989, т. 5, № б 3 — 9-589 3 7 В ветвях ωι и (02 колебания происходят с растяжением водородных свя- зей, что соответствует наблюдаемым эффектам [3, 4]. Колебания соз и (о5 осуществляются без значительного участия внутринуклеозидной по- движности. Отметим, ЧТО движения В ветвях СОз И (05 имеют наибольшую амплитуду и могут играть важную роль в процессах взаимодействия макромолекулы с другими биополимерами, в частности, в нуклеиново- белковом узнавании. Обладая также возможностью подстраивать частоту к конформационному состоянию макромолекулы, колебания нижайших ветвей могут служить одним из каналов непосредственной передачи воздействия на Д Н К . Т а б л и ц а 2 Результаты расчета амплитуд нормальных колебаний в низкочастотном диапазоне для макромолекулы ДНК в В-форме (в скобках указана фаза колебания) Calculation of amplitudes of optical type normal vibrations for DNA-macromolecule in B-form (in brackets the vibration phase is pointed out) Амплитуда ω» (Т=300 К) ω2 ω3 ω4 ω» X, нм (—) 0,005 Ж 0,020 (—) 0,057 0 0 Y, нм (—>0,002 (—>0,011 (—) 0,068 0 0 Θ, рад ( -H 0,07 (+ )0 ,02 (+)0 ,24 0 0 ρ, HM ( + ) 0,014 (—>0,019 (Η-)Ο,ΟΟΙ 0 0 X, HM 0 0 0 (—)σ,οΐ3 (—) 0,036 U, HM 0 0 0 ( + ) 0,007 (—) 0,067 \|> рад 0 0 0 0 (Η-) 0,24 η, нм 0 0 0 ( + ) 0,023 0 δ, нм 0,009 0,007 0 0 0 Таким образом, развитая модель позволяет качественно и количе- ственно описать особенности низкочастотных колебаний и определить природу низкочастотных спектров KP макромолекул ДНК. THEORiETICAL STUDIES IN LOW-FREQUENCY VIBRATIONS OF DNA MACROMOLECULES S. N. Volkov, A. M. Kosevich, G. E. Wainreb Institute for Theoretical Physics, Academy of Sciences of the Ukrainian SSR, Kiev; Institute for Low Temperature 'Physics and Engineering, Academy of Sciences of the Ukrainian SSR, Kharkov; Temporary Scientific Group «Otklik», Kiev S u m m a rу The theoretical investigation of low-frequency dynamics of DNA macromolecules is theoretically studied taking into account the hydrogen bond stretching in base pairs, the backbone flexibility and intranucleoside mobility. The structure of low-frequency macro- molecule vibration spectrum is determined. Using the theoretical results obtained and their correlation witih DNA Raman spectra the interpretation of the set of experimental data is presented. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Малеев В. Я. Крутильные колебания оснований в нуклеиновой кислоте//Биофи- зика,— 19,65.-10, № 5.—С. 7291—734. 2. Painter Р. С., Mosher L., Rhoads С. Low-frequency modes in the Raman spectrum of DNA / / Biopolymers.— 1981,—20, N 1,— P. 24-3—247. 3. Urabe H., Tominaga Y. Low-frequency Raman spectra of D N A / / J . Phys. Soc Ja- pan — 1981.—50, N M .— P. 3643—.3644. 38 ISSN 0233-7657. Б И О П О Л И М Е Р Ы И КЛЕТКА. 1989, т. 5, № б 3 — 9-589 38 4. Urabe H., Totninaga Y. Low-lying collective modes of DNA double helix by Raman spectroscopy / / B i o p o I y m e r s . - 1982—21, N Li.—P. 2477—2481. 5. Urabe H., Tominaga Y., Kubota K. Experimental evidence of collective vibrations· in DNA , molecule / / J . Chem. Phys.— 19<83.—78, N TO.— P. 5937—59139. 6. Collective vibrational modes in molecular assembly of DNA and its application to biological systems. Low-frequency Raman spectroscopy / H. Urabe, H. Hayashi, Y. Tominaga et a l . / / J . Chem. Phys.— 1984.—82, N 1.—P. 53il—<53'5. 7. Lindsay S. M., Powell J. W., Rupprecht A. Observation of low-lying Raman bands in DNA by tandem interferometry / / Phys. Rev. Lett.— 1984.—53, N 19,—P. 1853— T86!5. 8. Interhelical effects on the low-frequency modes and phase transitions of Li- and N a - D N A / C . Demarco, S. M. Lindsay, M. Pokorny et a l . / /Biopolymers .— 1985.—24, N J l . - P . 2036—2040. 9. Raman spectroscopic study on low-frequency collective modes in self-associates of guanosine monophosphates / H. Urabe, Y. Sugawara, M. Tsukakosihi et a l . / / I b i d . — .1987.-26, N 6 .—P. 963—971. 10. Breathing models and induced resonant melting of the double helix / E. W. Pro- hofsky, K. C. Lu, L. L. van Zandt, B. F. P u t n a m / / P h y s . Lett. Α.— 1979.—70, N 5, 6.— P. 492—494. 11. Acoustic modes and nonbounded interactions of the double h e l i x / W . N. Mei, M. Koh- li, E. W. Pirohofsky, L. L. van Zandt / / Biopolymers.— ,1981 .—20, N 4.—P. 833l_ 862. 12. Far-infrared spectroscopy on oriented films of dry and hydrated DNA / A. Wittlin, L. Genzel, F. Kremer et al. / / Phys. Rev. Α.— 1986.—34, N 1.— P. 493—500. 13. Chou K. C. Low-frequency collective motion in biomacromolecuLes and its biologi- cal funct ions / /Biophys . Chem.— 19818.—30, >N 1.—P. Э—48. 14. Волков C. H., Косевич A. Μ. Конформационные колебания двутяжевой ДНК.— Ки- ев, 1986.—25 е.— (Препринт/АН УССР. Ин-т теор. физики; N° 86-119Р). 15. Волков С. H., Косевич А. М. О конформационных колебаниях Д Н К / / Молекуляр. биология,— 1987.—21, № 3.— С. 797—806. 16. Зенгер В. Принципы структурной организации нуклеиновых кислот.— М. : Мир, 1987.—584 с. 17. Volkov S. NKosevich A. M., Weinreb G. Е. Spectrum of low-frequency vibrations of DNA macromolecules.— Kiev, 1988.—19 p.— (-Preprint / Acad. Sci. of Ukr. S .S .R . , Inst. Theor. Phys; .Ν 88-177E). Ин-т теор. физики АН УССР, Киев Получено 01.06.89 Физ.-техн. ин-т низких температур АН УССР, Харьков Врем. науч. коллектив «Отклик», Киев УДК 517.150.6 Η. Н. Береговская, А. В. Савич ГОМОЛОГИЧНОСТЬ АМИНОКИСЛОТНЫХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ СУПЕРОКСИД-ДИСМУТАЗ И БЕЛКОВ, КОДИРУЕМЫХ НА МИТОХОНДРИАЛЬНОМ ГЕНОМЕ Оценена степень гомологичности между аминокислотными последовательностями су- пероксид-дисмутаз (СОД), субъединиц NADH-дегидрогеназ, кодируемых на митохонд- риальном геноме (ИД), и бактериальной ΝΑΌΗ-дегидрогеназы. При сопоставлении в противоположных направлениях карбоксильные участки NADH-дегидрогеназ наиболее гомологичны митохондриальной Mn-СОД. Некоторые выводы подкрепляются сопостав- лением нуклеотидных последовательностей. С О Д различаются металлом, входящим в их активные центры [1]. Бактериальные СОД состоят из двух одинаковых субъединид, имеющих около 200 аминокислотных остатков, между которыми расположен атом металла —Fe либо Cu. У эукариот имеется митохондриальная Mn- СОД, состоящая из четырех субъединид, и цитоплазменная C u / Z n - С О Д , содержащая одну белковую цепь из примерно 150 остатков, с присо- единенными к ней атомами Cu и Zn. C u / Z n - С О Д обнаружена и у Pho- iobacterium Ieignathi [2]. Предполагают, что она приобретена от хозяи- на паразитирующей бактерии — сребробрюшковой рыбы. ISSN 0233-7657. БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА. 1989, т. 5, № б 3 — 9-589 3 9

Теоретическое изучение низкочастотных колебаний макромолекул ДНК

Репозитарії

Схожі ресурси