Влияние органических растворителей и доксорубицина на кластеризацию воды, связанной ДНК

Показано, что вода в ДНК находится в нескольких кластерных состояниях, соответствующих сильноассоциированной (SAW), двум типам слабоассоциированной (WAW) и кристаллизационной воде, связанной с основными центрами. Слабополярная среда хлороформа стабилизирует слабоассоциированные формы воды, в то врем...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Хімія, фізика та технологія поверхні
Date:	2010
Main Authors:	Туров, В.В., Чехун, В.Ф., Гунько, В.М., Барвинченко, В.Н., Чехун, С.В., Туров, А.В.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України 2010
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/29031
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 органических растворителей и доксорубицина на кластеризацию воды, связанной ДНК / В.В. Туров, В.Ф. Чехун, В.М. Гунько, В.Н. Барвинченко, С.В. Чехун, А.В. Туров // Хімія, фізика та технологія поверхні. — 2010. — Т. 1, № 4. — С. 465-472. — Бібліогр.: 27 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-29031
record_format	dspace
spelling	Туров, В.В. Чехун, В.Ф. Гунько, В.М. Барвинченко, В.Н. Чехун, С.В. Туров, А.В. 2011-11-28T22:18:44Z 2011-11-28T22:18:44Z 2010 Влияние органических растворителей и доксорубицина на кластеризацию воды, связанной ДНК / В.В. Туров, В.Ф. Чехун, В.М. Гунько, В.Н. Барвинченко, С.В. Чехун, А.В. Туров // Хімія, фізика та технологія поверхні. — 2010. — Т. 1, № 4. — С. 465-472. — Бібліогр.: 27 назв. — рос. 2079-1704 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/29031 544.72 Показано, что вода в ДНК находится в нескольких кластерных состояниях, соответствующих сильноассоциированной (SAW), двум типам слабоассоциированной (WAW) и кристаллизационной воде, связанной с основными центрами. Слабополярная среда хлороформа стабилизирует слабоассоциированные формы воды, в то время как добавки полярного ДМСО препятствуют формированию одного из типов WAW. Интеркалирование гидратированных молекул ДНК доксорубицином уменьшает количество WAW и увеличивает количество SAW. Показано, що вода, зв’язана молекулами ДНК, перебуває у вигляді кластерів, які відповідають, сильноасоційованій воді (SAW), двом типам слабоасоційрованой (WAW) а також кристалізаційній воді, зв’язаної з основними центрами. Слабополярне середовище хлороформу стабілізує слабоасоційовані форми води, в той час як добавки полярного ДМСО перешкоджають формуванню одного з типів WAW. Інтеркалювання гідратованих молекул ДНК доксорубіцином зменшує кількість WAW і збільшує кількість SAW. Water bounded by DNA molecules is in several states corresponding to strongly associated water (SAW), two types of weakly associated water (WAW) and crystallizing water bound to basic sites. Weakly polar chloroform medium stabilizes the forms of weakly associated water but addition of polar DMSO inhibits the formation of one of WAWs. Intercalation of hydrated DNA molecules by doxorubicin diminishes the amounts of WAW and enhances of SAW contribution. ru Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України Хімія, фізика та технологія поверхні Влияние органических растворителей и доксорубицина на кластеризацию воды, связанной ДНК Вплив органічних розчинників і доксорубіцину на кластеризацію води, що зв’язана ДНК Effect of Organic Solvents and Doxorubicin on Clusterization of Water Bonded by DNA Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Влияние органических растворителей и доксорубицина на кластеризацию воды, связанной ДНК
spellingShingle	Влияние органических растворителей и доксорубицина на кластеризацию воды, связанной ДНК Туров, В.В. Чехун, В.Ф. Гунько, В.М. Барвинченко, В.Н. Чехун, С.В. Туров, А.В.
title_short	Влияние органических растворителей и доксорубицина на кластеризацию воды, связанной ДНК
title_full	Влияние органических растворителей и доксорубицина на кластеризацию воды, связанной ДНК
title_fullStr	Влияние органических растворителей и доксорубицина на кластеризацию воды, связанной ДНК
title_full_unstemmed	Влияние органических растворителей и доксорубицина на кластеризацию воды, связанной ДНК
title_sort	влияние органических растворителей и доксорубицина на кластеризацию воды, связанной днк
author	Туров, В.В. Чехун, В.Ф. Гунько, В.М. Барвинченко, В.Н. Чехун, С.В. Туров, А.В.
author_facet	Туров, В.В. Чехун, В.Ф. Гунько, В.М. Барвинченко, В.Н. Чехун, С.В. Туров, А.В.
publishDate	2010
language	Russian
container_title	Хімія, фізика та технологія поверхні
publisher	Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України
format	Article
title_alt	Вплив органічних розчинників і доксорубіцину на кластеризацію води, що зв’язана ДНК Effect of Organic Solvents and Doxorubicin on Clusterization of Water Bonded by DNA
description	Показано, что вода в ДНК находится в нескольких кластерных состояниях, соответствующих сильноассоциированной (SAW), двум типам слабоассоциированной (WAW) и кристаллизационной воде, связанной с основными центрами. Слабополярная среда хлороформа стабилизирует слабоассоциированные формы воды, в то время как добавки полярного ДМСО препятствуют формированию одного из типов WAW. Интеркалирование гидратированных молекул ДНК доксорубицином уменьшает количество WAW и увеличивает количество SAW. Показано, що вода, зв’язана молекулами ДНК, перебуває у вигляді кластерів, які відповідають, сильноасоційованій воді (SAW), двом типам слабоасоційрованой (WAW) а також кристалізаційній воді, зв’язаної з основними центрами. Слабополярне середовище хлороформу стабілізує слабоасоційовані форми води, в той час як добавки полярного ДМСО перешкоджають формуванню одного з типів WAW. Інтеркалювання гідратованих молекул ДНК доксорубіцином зменшує кількість WAW і збільшує кількість SAW. Water bounded by DNA molecules is in several states corresponding to strongly associated water (SAW), two types of weakly associated water (WAW) and crystallizing water bound to basic sites. Weakly polar chloroform medium stabilizes the forms of weakly associated water but addition of polar DMSO inhibits the formation of one of WAWs. Intercalation of hydrated DNA molecules by doxorubicin diminishes the amounts of WAW and enhances of SAW contribution.
issn	2079-1704
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/29031
citation_txt	Влияние органических растворителей и доксорубицина на кластеризацию воды, связанной ДНК / В.В. Туров, В.Ф. Чехун, В.М. Гунько, В.Н. Барвинченко, С.В. Чехун, А.В. Туров // Хімія, фізика та технологія поверхні. — 2010. — Т. 1, № 4. — С. 465-472. — Бібліогр.: 27 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT turovvv vliânieorganičeskihrastvoriteleiidoksorubicinanaklasterizaciûvodysvâzannoidnk AT čehunvf vliânieorganičeskihrastvoriteleiidoksorubicinanaklasterizaciûvodysvâzannoidnk AT gunʹkovm vliânieorganičeskihrastvoriteleiidoksorubicinanaklasterizaciûvodysvâzannoidnk AT barvinčenkovn vliânieorganičeskihrastvoriteleiidoksorubicinanaklasterizaciûvodysvâzannoidnk AT čehunsv vliânieorganičeskihrastvoriteleiidoksorubicinanaklasterizaciûvodysvâzannoidnk AT turovav vliânieorganičeskihrastvoriteleiidoksorubicinanaklasterizaciûvodysvâzannoidnk AT turovvv vplivorganíčnihrozčinnikívídoksorubícinunaklasterizacíûvodiŝozvâzanadnk AT čehunvf vplivorganíčnihrozčinnikívídoksorubícinunaklasterizacíûvodiŝozvâzanadnk AT gunʹkovm vplivorganíčnihrozčinnikívídoksorubícinunaklasterizacíûvodiŝozvâzanadnk AT barvinčenkovn vplivorganíčnihrozčinnikívídoksorubícinunaklasterizacíûvodiŝozvâzanadnk AT čehunsv vplivorganíčnihrozčinnikívídoksorubícinunaklasterizacíûvodiŝozvâzanadnk AT turovav vplivorganíčnihrozčinnikívídoksorubícinunaklasterizacíûvodiŝozvâzanadnk AT turovvv effectoforganicsolventsanddoxorubicinonclusterizationofwaterbondedbydna AT čehunvf effectoforganicsolventsanddoxorubicinonclusterizationofwaterbondedbydna AT gunʹkovm effectoforganicsolventsanddoxorubicinonclusterizationofwaterbondedbydna AT barvinčenkovn effectoforganicsolventsanddoxorubicinonclusterizationofwaterbondedbydna AT čehunsv effectoforganicsolventsanddoxorubicinonclusterizationofwaterbondedbydna AT turovav effectoforganicsolventsanddoxorubicinonclusterizationofwaterbondedbydna
first_indexed	2025-11-25T22:40:39Z
last_indexed	2025-11-25T22:40:39Z
_version_	1850568725333278720
fulltext	Хімія, фізика та технологія поверхні. 2010. Т. 1. № 4. С. 465–472 _____________________________________________________________________________________________ * "Контактный" автор v_turov@ukr.net ХФТП 2010. Т. 1. № 4 465 УДК 544.72 ВЛИЯНИЕ ОРГАНИЧЕСКИХ РАСТВОРИТЕЛЕЙ И ДОКСОРУБИЦИНА НА КЛАСТЕРИЗАЦИЮ ВОДЫ, СВЯЗАННОЙ ДНК В.В. Туров1*, В.Ф. Чехун2, В.М. Гунько1, В.Н. Барвинченко1, С.В. Чехун1, А.В. Туров3 1 Институт химии поверхности им. А.А. Чуйко Национальной академии наук Украины ул. Генерала Наумова 17, Киев 03164, Украина 2 Институт экспериментальной патологии, онкологии и радиобиологии им. Р.Е. Кавецкого Национальной академии наук Украины ул. Васильковская 45, Киев 03022, Украина 3 Киевский Национальный университет имени Тараса Шевченко ул. Владимирская 62а, Киев 01033, Украина Показано, что вода в ДНК находится в нескольких кластерных состояниях, соответствую- щих сильноассоциированной (SAW), двум типам слабоассоциированной (WAW) и кристаллизаци- онной воде, связанной с основными центрами. Слабополярная среда хлороформа стабилизирует слабоассоциированные формы воды, в то время как добавки полярного ДМСО препятствуют формированию одного из типов WAW. Интеркалирование гидратированных молекул ДНК доксо- рубицином уменьшает количество WAW и увеличивает количество SAW. ВВЕДЕНИЕ Вскоре после открытия Уотсоном и Кри- ком спиралевидной структуры ДНК [1] было обнаружено, что большую роль в стабилиза- ции ее структуры играет вода, образующая водородные связи с протоно- и электронодо- норными центрами биомакромолекул. Так, было показано, что ДНК может трансформи- роваться из А- в В-конформацию при увели- чении содержания воды. Позже были обнару- жены и другие конформации молекулы ДНК (С, D, Z), которые характеризуются разным взаимодействием между смежными цепочка- ми ДНК и зависят от гидратации ее молекул. ДНК в разных конформациях подробно изуча- лись методами дифракции рентгеновских лу- чей и рассеяния медленных нейтронов [2, 3]. Фосфатные и азотсодержащие группы ДНК ответственны за формирование Н-комплексов с молекулами воды, что является обязатель- ным условием стабильного состояния макро- молекул [4–6]. Эту воду можно считать кри- сталлизационной, т.е. принимающей участие в формировании кристаллической структуры ДНК [2, 3, 5]. Близко расположенные молеку- лы кристаллизационной воды могут участво- вать в самоассоциативных процессах, т.е. формировать самоассоциаты или небольшие кластеры. В биологических жидкостях и в жи- вых объектах молекулы ДНК способны связы- вать значительное количество воды, которая взаимодействует с полярными и заряженными группами, расположенными на внешней по- верхности биомакромолекул. Однако парные Н-связи между комплиментарными парами нуклеотидов довольно прочны, поэтому структура ДНК стабильна в воде до опреде- ленных температур [7–12]. Как было показано ранее [13–16], метод низкотемпературной 1 Н ЯМР-спектроскопии с вымораживанием жидкой фазы позволяет рас- считывать количество связанной воды, ее тер- модинамические характеристики, а также рас- пределение по размерам заполненных водой наноразмерных полостей в макромолекулах. Величина химического сдвига атомов водоро- да (δН) в связанной воде позволяет определить среднее число Н-связей на молекулу воды. Поскольку для неассоциированной воды (га- зовая фаза, раствор в слабополярном раство- рителе) δН = 1–1,5 м.д., а для льда δН = 7 м.д. [17], можно заключить, что формирование од- ной Н-связи для Н2О в качестве протонодоно- ра приводит к увеличению δН на 2,7 м.д. Ис- следования различных объектов [13, 14] пока- В.В. Туров, В.Ф. Чехун, В.М. Гунько и др. _____________________________________________________________________________________________ 466 ХФТП 2010. Т. 1. № 4 зали, что при определенном гидрофобно- гидрофильном балансе функциональных групп на поверхности вода может переходить в сла- боассоциированной состояние при δН = 1–2 м.д. В этом состоянии среднее число Н-связей, приходящихся на каждую молекулу воды, не превышает 2 (из 4 возможных) и/или строение Н-связей является сильно искаженным по сравнению с объемной водой, поскольку уменьшение угла О–Н...О приводит к увели- чению магнитного экранирования протонов [13, 14, 16]. Оказалось, что такая вода доволь- но широко распространена в природе. Она регистрируется в частично обезвоженных дрожжевых клетках, клетках костного мозга, семенах растений, губчатой составляющей костной ткани и других биообъектах [13, 14]. Поскольку именно через слой связанной воды осуществляется взаимодействие молекул ДНК с ферментами и другими участниками процесса транскрипции, а также с низкомоле- кулярными молекулами, в том числе токсина- ми и лекарственными веществами, влияющи- ми на этот процесс, большой интерес пред- ставляет изучение строения гидратной "шубы" молекул ДНК и того воздействия, которое оказывают соединения, способные проникать внутрь полинуклеотида по механизму интер- калирования [18, 19]. В качестве такого ин- теркалирующего агента нами был выбран док- сорубицин (Dox), являющийся эффективным препаратом при лечении ряда онкологических заболеваний вследствие его специфических взаимодействий с ДНК [20, 21]. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ Материалы. Для исследований был вы- бран препарат лиофилизированной ДНК, выде- ленной из молок лососевых рыб (Sigma). Для ЯМР исследований навеску ДНК (140–170 мг) помещали в емкость (10 см3), в которую добав- ляли требуемое количество дистиллированной воды. Препарат уравновешивали водой, после чего переносили в измерительную ЯМР ампулу диаметром 5 мм, в которой выдерживали не менее 30 мин для установления равновесия. При использовании органических сред в изме- рительную ампулу добавляли требуемое коли- чество дейтерохлороформа и/или дейтеродиме- тилсульфоксида (ДМСО). Интеркалирование ДНК доксорубицином (Sinbias Pharma Ltd.) проводили из смешанной среды CDCl3+ДМСО- d6 после растворения Dox в ДМСО. 1 Н ЯМР-спектроскопия. Спектры ЯМР снимали на ЯМР-спектрометре высокого раз- решения Varian Mercury 400 с рабочей часто- той 400 МГц. Температуру регулировали с точностью ±1 K, используя термоприставку Bruker VT-1000. Для предотвращения переох- лаждения суспензий спектры 1 Н ЯМР неза- мерзающей воды записывали при нагревании суспензий, предварительно охлажденных до температуры 210 К. Способ определения характеристик меж- фазных слоев воды с помощью 1 Н ЯМР-спек- троскопии подробно изложен в [13–16]. Он базируется на влиянии межфазной границы на температуру фазового перехода вода–лед. Благодаря адсорбционным взаимодействиям температура замерзания воды на границах раздела понижена. Cвободная энергия льда с понижением температуры изменяется по ли- нейному закону [22] ∆G = –0.036(273 – Т). (1) Для водных растворов органических со- единений формула (1) справедлива в предпо- ложение, что термодинамические параметры гексагонального льда не зависят от присутст- вия жидкой водно-органической фазы. Пло- щадь, ограниченная кривой ∆G(Сuw) (Сuw(Т) – температурная зависимость концентрации не- замерзшей воды), определяет величину меж- фазной энергии (γS), которая равна модулю суммарного понижения свободной энергии воды, обусловленного присутствием границы раздела фаз max uw uw uw 0 ( ) C S K G C dCγ = − ∆∫ , (2) где max uwC – общее количество незамерзающей воды при Т = 273 К. На зависимостях ∆G(Сuw) обычно могут быть выделены участки, относящиеся к слабосвязан- ной (WBW) и сильносвязанной (SBW) воде. При этом под WBW понимают ту часть незамерзаю- щей воды, свободная энергия которой лишь не- много понижена (−∆G ≤ 0,5–0,8 кДж/моль) в результате адсорбционных взаимодействий и замерзает она при Т > 250–260 К. SBW (−∆G > 0,8 кДж/моль) может не замерзать да- же при сильном охлаждении суспензии [14, 15]. Количественные (Сuw s и Сuw w для SBW и WBW, соответственно) и энергетические Влияние органических растворителей и доксорубицина на кластеризацию воды, связанной ДНК _____________________________________________________________________________________________ ХФТП 2010. Т. 1. № 4 467 (∆Gs и ∆Gw) характеристики слоев связанной воды могут быть получены экстраполяцией соответствующих участков зависимостей к осям абсцисс и ординат. По способности мо- лекул связанной воды образовывать водород- ные связи со своими соседями она подразде- ляется на сильно- (SAW при δН > 3 м.д. для 3D-структур) и слабоассоциированную (WAW при δН = 1–2 м.д. для низкоразмерных 1D- и 2D- структур воды). В случае, когда процесс перехо- да воды в слабоассоциированное состояние энер- гетически выгоден (−∆G > 0,8 кДж/моль), она является сильносвязанной и замерзает при очень низкой температуре. Процесс замерзания воды во внутрикле- точных полостях или карманах в макромоле- кулах может быть описан уравнением Гиббса- Томсона [13, 14] , , 2 ( ) sl m m m m f T k T T R T H R R σ ρ ∞ ∞∆ = − = = ∆ , (3) где Тm(R) – температура плавления льда, лока- лизированного в порах (пустотах) радиусом R, Тm,∞– температура плавления объемного льда, ρ – плотность твердой фазы, σs1 – энергия взаимодействия твердого тела с жидкостью (посредством водородных связей), ∆Нf – объемная энтальпия плавления и k – констан- та. Это уравнение может быть использовано для расчета распределений по размерам пор (заполненных связанной водой пустот) на ос- нове зависимостей Cuw(T). Зависимость ∆G(Сuw) может быть преобразована в распределение незамерзающей воды по изменениям свобод- ной энергии Гиббса ∆Сuw(∆G), где ∆Сuw – ин- крементальная функция температуры. Квантово-химические расчеты были прове- дены методом РМ6 [23]. Начальную геометрию систем рассчитывали методом молекулярной механики (ММ) с силовым полем CHARMM, используя программу VEGA ZZ 2.3.1.2 [24], а затем оптимизировали методом РМ6 (алгоритм MOZYME). ЯМР спектры рассчитывали, ис- пользуя корреляционное уравнение [16] δH,w = −27,97889+qH×87,56668 (м.д.), (4) где qH – заряд (РМ6) атомов Н, и уравнение для распределения 2 0.5 2 2( ) (2 ) exp[ ( ) / 2 ]H j H j f δ πσ δ δ σ−= − −∑ , (5) где j – номер атома H в системе, σ2 – дисперсия распределения, δj – химический сдвиг j-того ато- ма H в системе [14]. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ На рис. 1а приведены спектры 1 Н ЯМР воды, связанной в порошке кристаллической ДНК (СН2О = 5% мас.), при разных температу- рах. Связанная вода наблюдается в виде ши- рокого одиночного сигнала SAW (с вкладами как WBW, так и SBW) почти гауссовской формы, интенсивность которого уменьшается с понижением температуры так, что он прак- тически исчезает при 220 К. Большая ширина сигнала обусловлена как малой подвижно- стью связанных молекул воды, так и неодно- родным уширением спектров ЯМР, обуслов- ленным значительными отличиями в диамаг- нитных восприимчивостях ДНК и воздушной среды [25]. В водной среде (25% гель ДНК) ширина сигналов существенно уменьшается (рис. 1б) и появляются несколько сигналов незамерзающей воды. Сигналы с химическим сдвигом δН > 4 м.д. относятся к сильноассо- циированной воде; при δ < 2 м.д. – к слабоас- социированной воде, а при δ = 3–4 м.д. к воде (ASW), образующей Н-связи с электронодо- норными центрами молекул ДНК [16]. Сле- дует отметить, что в кластерных 2D- циклических структурах воды половина ато- мов Н не образует водородных связей, по- этому такие структуры характеризуются хи- мическим сдвигом, усредненным между сиг- налами, соответствующими WAW (атомы Н без Н-связей), так и SAW (атомы Н, участ- вующие в Н-связях). На рис. 2 показаны тем- пературные зависимости концентрации раз- ных форм незамерзающей воды в гидратиро- ванном порошке и геле ДНК. Регистрация нескольких сигналов воды свидетельствует о медленном (в шкале вре- мени ЯМР) молекулярном обмене [25] ме- жду молекулами воды, участвующими в формировании структур (кластеров) разных типов. Построенные на основе зависимо- стей концентрации разных типов межфаз- ной воды от температуры (рис. 1а), распре- деления незамерзающей воды по изменени- ям свободной энергии Гиббса (рис. 3а) и радиусам структур (рис. 3б) показывают, что значительная часть SAW соответствует структурам, размеры которых превосходят ширину двойной спирали ДНК (2,4 нм) [26]. Другими словами, преимущественно SAW не может быть отнесена к кристалли- зационной воде. В.В. Туров, В.Ф. Чехун, В.М. Гунько и др. _____________________________________________________________________________________________ 468 ХФТП 2010. Т. 1. № 4 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 -2 -4 -6 -8 -10 -12 -14 -16 -18 -20 δ (м .д .) 280 K 270 265 260 250 240 230 220 210 200 S A W 7 6 5 4 3 2 1 0 -1 δ (м .д .) 2 8 0 K 2 7 0 2 6 5 2 6 0 2 5 0 2 4 0 2 3 0 2 2 0 2 1 0 2 0 0 1 0 % H 2 O в ср едеC D C l 3 8 суто к S A W A S W W A W а г 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 δ (м.д.) 280 K 270 265 260 250 240 230 220 210 200 Гель ДНК в воде SAW ASW WAW 8 7 6 5 4 3 2 1 0 δ (м.д.) 280 K 270 265 260 250 240 230 220 230 210 200 10 % H 2 O в смеси 12:1 CDCl 3 +ДМСО-d6 ASW W AWCH3 б д 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 -1 δ (м.д.) 280 K 270 265 260 250 240 230 220 210 200 10 % H 2 O в среде CDCl 3 10 мин CHCl3 TМС SAW ASW WAW 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 -5 -10 -15 -20 -25 δ (м.д.) 280 K 270 265 260 250 240 230 220 210 200 10 % H 2 O в среде 9:1 СDCl 3 :ДМСО-d6 + 0.75 % Dox. SAW ASW CH3 WAW в е Рис. 1. 1Н ЯМР-спектры воды в системах, содержащих ДНК, записанные при разных температурах Напротив, WAW и ASW, наблюдаю- щиеся в геле ДНК, замерзают только при весьма низких температурах (т.е. относятся к SBW) и, вероятно, обусловлены одиноч- ными молекулами или небольшими класте- рами, связанными с активными центрами самих молекул ДНК (рис. 3). Ввиду мед- ленного молекулярного обмена эти типы воды следует относить к разным структур- ным элементами молекул ДНК. Значения межфазной энергии (γS) SAW (рис. 3а) за- висят не только от характера взаимодейст- вия воды с межфазными границами, но также и от количества SAW, поскольку γS определяли для образцов при разной вели- чине СН2О. SAW, в отличие от WAW или ASW, как в гидратированном порошке ДНК, так и в геле характеризуется значи- тельным вкладом слабосвязанной воды (для которой −∆G < 0,5 кДж/моль). Это соответ- ствует ее локализации преимущественно на внешней поверхности спирали ДНК. Влияние органических растворителей и доксорубицина на кластеризацию воды, связанной ДНК _____________________________________________________________________________________________ ХФТП 2010. Т. 1. № 4 469 200 220 240 260 280 10 100 1000 C uw ( м г/ г) Температура (K) SAW в геле ДНК ASW в геле ДНК WAW в геле ДНК SAW в порошке ДНК Рис. 2. Температурные зависимости концентрации разных форм межфазной воды в гидратиро- ванном порошке (СН2О = 5% мас.) и геле (СН2О = 25% мас.) ДНК а б Рис. 3. Интеркаляция одной (а) или двух (б) моле- кул доксорубицина в гидратированный фрагмент молекулы ДНК (геометрия опти- мизирована методом PM6/MOZYME) Наиболее вероятно, что сигнал воды с хи- мическим сдвигом δН = 3,5 м.д. (ASW) обуслов- лен кристаллизационной водой, связанной с электронодонорными группами нуклеотидов. WAW (δН = 1–1,5 м.д.) локализована в участках молекул ДНК, характеризующихся наличием полостей, из которых диффузия молекул воды ограничена. В частности, такие участки могут располагаться в желобке молекул ДНК. WAW является сильносвязанной (т.е. замерзает толь- ко при низких температурах) и характеризуется низким средним числом Н-связей на молекулу (одиночные молекулы и малые 1D- и 2D- кластеры) и значительными искажениями строения Н-связей по сравнению с объемной водой. В соответствии с данными рис. 2, СWAW почти вдвое превосходит СASW. С понижением температуры интенсивность сигналов (концентрации) ASW и WAW не- сколько уменьшается, что свидетельствует о сохранении способности этих типов воды к вымораживанию. При льдообразовании коор- динационное число молекул воды внутри кри- сталлитов равно четырем, поэтому для начала процесса нуклеации ASW и WAW необходимо формирование 3D-кластеров воды (без учета низкоразмерных кристаллитов льда). Форми- рование 3D-кристаллитов в узких зазорах за- труднено вследствие стерических факторов. До вымораживания у молекул ASW и WAW со- храняется определенная подвижность, которая способствует упорядочению структуры связан- ной воды от аморфной до кристаллической в результате вращательной и трансляционной диффузии молекул. Можно предположить, что кристаллиты льда, образованные из ASW и WAW, малы по размерам и имеют несколько искаженную структуру, т.е. их можно отнести к кластерным структурам воды, образующим как малые 3D-структуры, так и низкоразмерные 1D- и 2D-кристаллиты льда. На рис. 1в, г приведены спектры 1 Н ЯМР ДНК, содержащей 10% воды, в слабополярной среде CDCl3. Кроме сигналов воды в спектрах присутствуют сигнал непродейтерированной фракции хлороформа (δН = 7,3 м.д.) и добав- ленного в хлороформ в качестве стандарта тетраметилсилана (δН = 0 м.д.). Сигналы ASW и WAW оказались значительно более узкими, чем в гидрогеле ДНК (рис. 1б). Наблюдается две формы WAW. Интенсивность и химиче- ский сдвиг сигнала при δН = 1,2 м.д. практиче- ски не изменяется с температурой во всем доступном измерению диапазоне температур. В то же время, для сигнала WAW, располо- женного в более слабом поле (δН = 1,6 м.д. при 280 К), величина δН увеличивается с пониже- нием температуры. Этот эффект зависит от времени наблюдения. Так, через 10 мин после приготовления образца это смещение не пре- вышает 0,4 м.д., а для того же образца через В.В. Туров, В.Ф. Чехун, В.М. Гунько и др. _____________________________________________________________________________________________ 470 ХФТП 2010. Т. 1. № 4 8 суток достигает 1,8 м.д. Следовательно, во- да, отвечающая за этот сигнал, чувствительна к медленным изменениям состояния молеку- лярных кристаллов ДНК, которые происходят при длительном выдерживании образцов в среде хлороформа. Вследствие этих измене- ний молекулы воды могут несколько увеличи- вать свое координационное число с пониже- нием температуры (вероятно, за счет перехода WAW→ASW). В соответствии с данными рис. 1а и 1г, среда хлороформа стабилизирует слабоассоциированные формы воды и количе- ство WAW становится близко к количеству SAW. В среде хлороформа обе формы WAW практически не замерзают. Вероятно, это обу- словлено тем, что слабополярный хлороформ препятствует диффузии молекул WAW к структурам SAW, а также снижает вероят- ность формирования низкоразмерных нанок- ристаллитов льда из WAW. При добавлении к CDCl3 небольших коли- честв (≈ 8% мас.) ДМСО вид спектров изменяет- ся (рис. 1д). Исчезает сигнал WAW, располо- женный в более слабых магнитных полях, и по- является сигнал ASW при δН = 3,5–4 м.д., обу- словленный формированием Н-комплексов мо- лекулам воды и ДМСО (HO–H…O=S(CH3)2), растворенных в органической фазе. При этом практически полностью исчезает сигнал SAW. Кроме того, в спектрах фиксируется сигнал CHD2 групп ДМСО при δН = 2,8 м.д. При тем- пературе 220–230 К кроме широкого сигнала появляется узкий сигнал SAW, находящейся в среде смешанных органических растворителей [27]. Таким образом, в кластерной системе воды, связанной с ДНК и органической фазой существует равновесие І ІІ ІІІ (6) nH2O(SAWДНК)↔nH2O(SAWSolv)↔HO-H…O=S(CH3)2(ASW), которое в большей части доступного для из- мерения диапазона температур смещено в сторону формирования комплексов ІІІ. Интеркаляция молекул Dox в молекулу ДНК (рис. 1е, 3 и 4) обусловливает смещение равновесия (5) в сторону комплексов І и отно- сительное уменьшение вкладов кристаллиза- ционной SAW и WAW. Выбранная концентра- ция Dox обусловливает возможность взаимо- действия большого числа молекул Dox с каж- дой молекулой ДНК. Молекулы Dox локализо- ваны (рис. 3) в щелевидных зазорах между со- седними парами нуклеотидов. Поэтому, появ- ление значительного количества SAW, связан- ной с молекулами ДНК, может свидетельство- вать как о повышении гидрофильности ком- плексов ДНК-Dox по сравнению с исходной ДНК, так и вытеснении WAW из мест их свя- зывания молекулами ДНК. Гликозидный уча- сток молекул Dox при интенкалировании рас- полагается с внешней стороны молекулы ДНК, а гидрофобный – между парами комплемен- тарных нуклеотидов (рис. 3) [19]. Тогда воз- можность локализации молекул воды в области гидрофильного участка повышается вследствие высокой гидрофильности сахаридних фрагмен- тов, т.е. растет количества SAW, связанной с внешней поверхностью молекул ДНК. Теоретические расчеты показывают (рис. 4) присутствие в системе ДНК–вода и ДНК–вода–Dox значительного количества слабоассоциированной воды (ср. ординаты распределений в области δН = 1–2 м.д.), что хорошо согласуется с данными рис. 1. Рис. 4. Теоретически рассчитанные 1 Н ЯМР-спек- тры воды, связанной фрагментом молекулы ДНК без (1) и в присутствии одной (2) и двух (3) молекул доксорубицина (рис. 3), интеркалирующих ДНК, и нанодомена 2000Н2О (4) При относительно невысокой гидратиро- ванности в модельной системе происходит некоторое увеличение вклада слабоассоции- рованных форм воды при интеркалировании фрагмента ДНК одной и двумя молекулами доксорубицина (рис. 4). Этот эффект можно объяснить набуханием ДНК при интеркалиро- вании, но поскольку воды в системе относи- тельно мало, то рост вклада WAW компенси- руется относительным уменьшением ассоции- рованности воды. Поэтому пик f(δН) смещает- ся в область малых величин δН. Этот эффект Влияние органических растворителей и доксорубицина на кластеризацию воды, связанной ДНК _____________________________________________________________________________________________ ХФТП 2010. Т. 1. № 4 471 также может свидетельствовать о зависимости эффективности действия доксорубицина от гидратированности клеток (ДНК), которая может увеличиваться с ростом гидратации последних, поскольку снижается вероятность деинтеркалирования ДНК вследствие энерге- тической невыгодности взаимодействия про- тяженных гидрофобных фрагментов Dox с объемной водой. ВЫВОДЫ Вода, связанная с молекулами ДНК, ха- рактеризуется наличием в спектрах 1 Н ЯМР нескольких сигналов, которые можно отнести к слабоассоциированным (1D и 2D) и сильно- ассоциированным (3D) структурам. Эти струк- туры характеризуются различными энергиями взаимодействия молекул воды с ДНК, разной ассоциированностью молекул Н2О и способно- стью связанной воды к вымерзанию при низких температурах. Идентифицированы сигналы сильноассоциированной воды (с химическим сдвигом δН = 5 м.д.), а также воды, образующей прочные Н-комплексы с электронодонорными центрами (δН = 3,5 м.д.) (сильносвязанная кри- сталлизационная вода), и двух типов слабоас- социированной воды (δН = 1,2–1,8 м.д.). Слабополярная среда хлороформа стабили- зирует слабоассоциированные формы связан- ной воды, причем слабопольный сигнал WAW с понижением температуры может смещаться в слабые магнитные поля до δН = 3,2 м.д., т.е. происходит увеличение степени ассоциирован- ности этой воды. В присутствии добавок ДМСО этот сигнал исчезает. Интеркаляция мо- лекул ДНК доксорубицином сопровождается относительным ростом количества воды, кото- рая входит в состав кластеров SAW. Работа выполнена при поддержке УНТЦ, проект № 3832. ЛИТЕРАТУРА 1. Watson J., Crick F. Molecular structure of nucleic acids; a structure of deoxyrybose nu- cleic acid // Nature. – 1953. – V. 36, N 1. – P. 737–738. 2. Baston M., Castro V., Mrevlishvili G., Teix- era J. Hydration of ds-DNA and ss-DNA by neutron quasielastic scattering // Biophys. J. – 2004. – V. 86, N 6. – P. 3822–3827. 3. Parrot I.M., Laux V., Urban V. et al. X-rays and neutron for study of DNA structure, hy- dration, and transition // Physica B. – 2006. – V. 385–386, N 3. – P. 848–852. 4. Albiser G., Lamiri A., Premilat S. The A-B transition: temperature and base composition effect on hydration of DNA // Int. J. Biolog. Macromol. – 2001. – V. 28, N 3. – P. 199–203. 5. Schneider B., Patel K., Berman H.M. Hydra- tion of the phosphate group in double-helical DNA // Biophys. J. – 1998. – V. 75, N 5. – P. 2422–2434. 6. Зенгер В. Принципы структурной органи- зации нуклеиновых кислот. – Москва: Мир, 1987. – 584 с. 7. Clark G.R., Squire Ch.J., Baker L.J. et al. Intermolecular interactions and water struc- ture in a condensed phase B-DNA crystal // Nucleic Acids Res. – 2000. – V. 28, N 4. – P. 1259–1265. 8. Soler-Lopez M., Malinina L., Liu J. et al. Wa- ter and Ions in a High Resolution Structure of B-DNA // J. Biolog. Chem. – 1999. – V. 274, N 6. – P. 23683–23686. 9. Tao N. J., Lindsay S. M., Rupprecht A. Struc- ture of DNA hydration shells studied by Ra- man spectroscopy // Biopolymers. – 1998. – V. 28, N 6. – P. 1019–1030. 10. Castrignano T., Chillemi G., Desideri A. Structure and Hydration of BamHI DNA Recognition Site: A Molecular Dynamics In- vestigation // Biophys. J. – 2000. – V. 79, N 5. – P. 1263–1272. 11. Schneider B. Berman H. Hydration of DNA bases is local // Biophys. J. – 1995. – V. 69, N 6. – P. 2661–2669. 12. Lipscomb L.A., Peek M.E., Zhou F.X. et al. Water Ring Structure at DNA Interfaces: Hy- dration and Dynamics of DNA-Anthracycline Complexes // Biochemistry. – 1994. – V. 33, N 12. – P. 3649–3659 13. Gun’ko V.M., Turov V.V., Bogatyrev V.M. et al. Unusual properties of water at hydro- philic/hydrophobic Interfaces // Adv. Colloid. In- terf. Sci. − 2005 − V. 118, N 1–3. − P. 125 – 172. 14. Гунько В.М., Туров В.В., Горбик П.П. Вода на межфазной границе. – Киев: Наукова думка, 2009. – 694 с. 15. Turov V.V., Leboda R. Application of 1H NMR Spectroscopy Method for Determination of Characteristics of Thin Layers of Water Ad- sorbed on the Surface of Dispersed and Po- rous Adsorbens // Adv. Colloid Interface Sci. – 1999. – V. 79, N 2–3. – P. 173–211. В.В. Туров, В.Ф. Чехун, В.М. Гунько и др. _____________________________________________________________________________________________ 472 ХФТП 2010. Т. 1. № 4 16. Gun'ko V.M., Turov V.V. Structure of Hydro- gen Bonds and 1H NMR Spectra of Water at the Interface of Oxides // Langmuir. − 1999 − V. 15, N 19. − P. 6405−6415. 17. Kinney D.R., Chaung I.-S., Maciel G.E., Wa- ter and the Silica Surface As Studied by Vari- able Temperature High Resolution 1H NMR. // J. Am. Chem. Soc. – 1993. – V. 115, N 15. – P. 6786–6794. 18. Liao L.B., Zhou H.Y., Xiao X.M. Spectro- scopic and viscosity study of doxorubicin in- teraction with DNA // J. Molecular Struc- ture. – 2005. – V. 749, N 1–3. – P. 108–113. 19. Dunkern T.R., Wedemeyer I., Baumgart- ner M. et al. Resistance of p53 knockout cells to doxorubicin is related to reduced formation of DNA strand breaks rather than impaired apoptotic signaling // DNA Repair. – 2003. – V. 2, N 1. – P. 49–60. 20. Messori L., Temperini C., Piccioli F. et al. So- lution chemistry and DNA binding properties of MEN 10755, a novel disaccharide analogue of doxorubicin // Bioorganic & Medicinal Chem- istry. – 2001. – V. 9, N 7. – P. 1815–1825. 21. Tokarska-Schlattner M., Zaugg M., Zuppin- ger Ch. et al. New insights into doxorubicin- induced cardiotoxicity: the critical role of cel- lular energetics // J. Mol. Cell. Cardiol. – 2006. – V. 41, N 3. – P. 389–405. 22. Термодинамические свойства индивидуаль- ных веществ / Под ред. В.П. Глушкова. – Москва: Наука, 1978. – 495 c. 23. Stewart J.J.P. MOPAC2009, Stewart Compu- tational Chemistry [Electronic resource]. – URL: http://openmopac.net/. 24. Pedretti A., Villa L., Vistoli G. VEGA – an open platform to develop chemo-bio-informatics ap- plications, using plug-in architecture and script programming // J. Computer-Aided Mol. De- sign. – 2004. – V. 18, N 2. – Р. 167–173. 25. Abragam A. The Principles of Nuclear Mag- netism. – Oxford: Oxford University Press, 1961. – 599 p. 26. Mandelkern M., Elias J., Eden D., Crothers D. The dimentions of DNA in solutions // J. Mol. Biol. – 1981. – V. 152, N 1. – P. 153–161. 27. Turov V.V., Kerus S.V., Gun’ko V.M. Behaviour of water bound in bone marrow cells affected by organic solvents of different polarity // Cryobiol- ogy. – 2009. – V. 59, N 1. – P. 102–112. Поступила 03.06.2010, принята 16.07.2010 Вплив органічних розчинників і доксорубіцину на кластеризацію води, що зв’язана ДНК В.В. Туров, В.Ф. Чехун, В.М. Гунько, В.М. Барвінченко, С.В.Чехун, А.В. Туров Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України вул. Генерала Наумова 17, Київ 03164, Україна, v_turov@ukr.net Інститут експериментальної патології, онкології і радіобіології ім. Р.Є. Кавецького НАН України вул. Васильківська, 45, Київ 03022, Україна Київський національний університет імені Тараса Шевченка, вул. Володимирська 62а, Київ 01033, Україна Показано, що вода, зв’язана молекулами ДНК, перебуває у вигляді кластерів, які відповідають, сильно- асоційованій воді (SAW), двом типам слабоасоційрованой (WAW) а також кристалізаційній воді, зв’язаної з основними центрами. Слабополярне середовище хлороформу стабілізує слабоасоційовані форми води, в той час як добавки полярного ДМСО перешкоджають формуванню одного з типів WAW. Інтеркалювання гідра- тованих молекул ДНК доксорубіцином зменшує кількість WAW і збільшує кількість SAW. Effect of Organic Solvents and Doxorubicin on Clusterization of Water Bonded by DNA V.V. Turov, V.F. Chekhun, V.M. Gun’ko, V.N. Barvinchenko, S.V. Сhekhun, A.V. Turov Chuiko Institute of Surface Chemistry of National Academy of Sciences of Ukraine 17 General Naumov Street, Kyiv 03164, Ukraine, v_turov@ukr.net Kavetsky Institute of Experimental Pathology, Oncology, and Radiobiology of NAS of Ukraine 45 Vasilkovskaya Street, Kyiv 03022, Ukraine Taras Shevchenko National University of Kyiv, Department of Chemistry 62a Volodymyrs’ka Street, Kyiv 01033, Ukraine Water bounded by DNA molecules is in several states corresponding to strongly associated water (SAW), two types of weakly associated water (WAW) and crystallizing water bound to basic sites. Weakly polar chloroform medium stabi- lizes the forms of weakly associated water but addition of polar DMSO inhibits the formation of one of WAWs. Interca- lation of hydrated DNA molecules by doxorubicin diminishes the amounts of WAW and enhances of SAW contribution.

Влияние органических растворителей и доксорубицина на кластеризацию воды, связанной ДНК

Institution

Similar Items