Спостереження іон-фосфатних коливань макромолекули ДНК
It is shown that, in the low-frequency Raman spectra of Cs-DNA, the mode of ion-phosphate vibrations exists. Together with the modes of H-bond stretching in base pairs, it forms the band near 100 cm−1 with intensity about twice as much than that in the spectra of Na-DNA. The mode of Na-DNA ion-p...
Gespeichert in:
| Datum: | 2007 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainisch |
| Veröffentlicht: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2007
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/3174 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Спостереження іон-фосфатних коливань макромолекули ДНК / Л.А. Булавін, С.Н. Волков, С.Ю. Кутовий, С.М. Перепелиця // Доп. НАН України. — 2007. — № 10. — С. 69-73. — Бібліогр.: 12 назв. — укp. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859470929861541888 |
|---|---|
| author | Булавін, Л.А. Волков, С.Н. Кутовий, С.Ю. Перепелиця, С.М. |
| author_facet | Булавін, Л.А. Волков, С.Н. Кутовий, С.Ю. Перепелиця, С.М. |
| citation_txt | Спостереження іон-фосфатних коливань макромолекули ДНК / Л.А. Булавін, С.Н. Волков, С.Ю. Кутовий, С.М. Перепелиця // Доп. НАН України. — 2007. — № 10. — С. 69-73. — Бібліогр.: 12 назв. — укp. |
| collection | DSpace DC |
| description | It is shown that, in the low-frequency Raman spectra of Cs-DNA, the mode of ion-phosphate
vibrations exists. Together with the modes of H-bond stretching in base pairs, it forms the band
near 100 cm−1
with intensity about twice as much than that in the spectra of Na-DNA. The
mode of Na-DNA ion-phosphate vibrations is much lower in intensity and is located within a
broad band near 180 cm−1.
|
| first_indexed | 2025-11-24T09:38:17Z |
| format | Article |
| fulltext |
оповiдi
НАЦIОНАЛЬНОЇ
АКАДЕМIЇ НАУК
УКРАЇНИ
10 • 2007
ФIЗИКА
УДК 539.199
© 2007
Академiк НАН України Л.А. Булавiн, С. Н. Волков, С. Ю. Кутовий,
С.М. Перепелиця
Спостереження iон-фосфатних коливань
макромолекули ДНК
It is shown that, in the low-frequency Raman spectra of Cs-DNA, the mode of ion-phosphate
vibrations exists. Together with the modes of H-bond stretching in base pairs, it forms the band
near 100 cm−1 with intensity about twice as much than that in the spectra of Na-DNA. The
mode of Na-DNA ion-phosphate vibrations is much lower in intensity and is located within a
broad band near 180 cm−1.
Стабiльнiсть структури молекули ДНК в природному середовищi зумовлена нейтралiзацiєю
негативно заряджених фосфатних груп остова подвiйної спiралi протиiонами лужних мета-
лiв [1]. Протиiони разом з фосфатними групами утворюють уздовж остова ДНК регулярну
структуру, яку можна розглядати як iонну гратку. Утворення та iснування такої гратки
протиiонiв i фосфатiв остова повинно характеризуватися специфiчними iон-фосфатними
коливаннями. Метою даної роботи є експериментальне спостереження моди iон-фосфат-
них коливань в коливальних спектрах ДНК, що повинно бути пiдтвердженням iснування
iон-фосфатної гратки.
Проведенi ранiше розрахунки низькочастотних коливальних спектрiв [2–4] показали,
що частота iон-фосфатних коливань, залежно вiд маси протиiону, може змiнюватися в дi-
апазонi вiд 90 до 250 см−1. Наявнi експериментальнi данi свiдчать, що в цьому дiапазонi
коливального спектра нуклеїнових кислот iснують моди, частоти яких iстотно залежать
вiд протиiонiв, зокрема, мода, яка при збiльшеннi маси протиiонiв змiнюється вiд 150 до
95 см−1 [5] i мода 170 см−1, iнтенсивнiсть якої залежить вiд концентрацiї протиiонiв Na
+ [6].
Проте, окрiм цих мод, в низькочастотному дiапазонi спектра спостерiгаються також коли-
вання фосфатних груп та азотистих основ ДНК, пов’язанi з розтягом водневих зв’язкiв
та деформацiєю цукрового кiльця [6–10]. Для експериментального виявлення моди iон-фо-
сфатних коливань серед iнших коливальних мод ДНК може бути використана залежнiсть
частоти коливань вiд маси протиiонiв. В данiй роботi дослiджено спектри комбiнацiйного
розсiяння молекули ДНК з легкими (Na
+) та важкими (Cs
+) протиiонами i визначено мiсце
моди iон-фосфатних коливань в низькочастотному спектрi ДНК.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №10 69
Рис. 1. Низькочастотнi спектри молекули ДНК: а — Na-ДНК; б — Cs-ДНК
Для приготування зразкiв Na- та Cs-ДНК використовували натрiєву сiль ДНК з ти-
мусу теляти з молекулярною масою ∼107 а. о. м. Спочатку її розчиняли у дистильованiй
водi до концентрацiї 0,2% маси, а далi обробляли ультразвуком з частотою 22 кГц. Мето-
дом електрофорезу визначено, що пiсля такої обробки молекулярна маса ДНК зменшилася
до ∼ 10
5 a. o. м. Cs-ДНК ми отримували з Na-ДНК шляхом замiни протиiонiв Na
+ на Cs
+
за методикою [7]. Для замiни протиiонiв в розчин Na-ДНК з концентрацiєю 0,2% додава-
ли 0,5 моль CsCl i два об’єми етилового спирту. Зразки зберiгали при температурi −20
◦С
протягом трьох дiб. У спиртовому розчинi ДНК з сiллю CsCl вiдбувалася замiна протиiонiв
Na
+ на Cs
+, яка контролювалася за допомогою спектрiв електронних переходiв в iонах.
Для позбавлення надлишкової солi процедуру повторювали, але при набагато меншiй кон-
центрацiї солi CsCl (0,05 моль). Отриманий осад висушувався при кiмнатнiй температурi
протягом трьох дiб. Висушена Cs-ДНК розчинялася у водi до концентрацiї 4%, яка конт-
ролювалася по смузi поглинання 256 нм. У висококонцентрованi розчини Na- та Cs-ДНК
(4%) додавали 0,5 моль вiдповiдної солi (NaCl або CsCl).
Зразки збуджувалися випромiнюванням аргонового лазера з довжиною хвилi λ = 5145Å.
Реальна потужнiсть випромiнювання на зразку становить (∼ 60÷ 80) мВт. Промiнь лазера
потрапляв в кварцову кювету зi зразком так, що трек променя i вхiдна щiлина монохро-
матора (ДФС-24) були паралельними. Об’єм кювет становив ∼ 0,06 мл, висота ∼ 15 мм.
Дослiджуванi спектри комбiнацiйного розсiяння ДНК мали малу iнтенсивнiсть, тому для
покращення спiввiдношення сигнал/шум необхiдно було збiльшувати час експозицiї в точцi
до (∼ 4 ÷ 8) с. В результатi проведеного експерименту отримано спектри комбiнацiйного
розсiяння водних розчинiв Na- та Cs-ДНК в дiапазонi вiд 30 до 230 см−1 (рис. 1). Як видно
з рис. 1, спектри мають характерну для ДНК смугу 100 см−1, iнтенсивнiсть якої в Cs-ДНК
бiльша, нiж в Na-ДНК.
Для видiлення моди iон-фосфатних коливань ДНК проводилася детальна математична
обробка форми одержаних спектрiв. Обробка полягала в згладжуваннi спектрiв кривою
Лоренца. Пiсля вiднiмання вiд Лоренцевої кривої спектр розкладали на гауссовi кривi, в ре-
зультатi чого визначено положення мод з похибкою ±2 см−1. Iнтенсивностi коливальних мод
нормувалися на iнтенсивнiсть широкої смуги коливань води в областi 180 см−1, оскiльки
в обох спектрах вона має приблизно однакову величину. Нормованi спектри Na- i Cs-ДНК
70 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №10
Рис. 2. Низькочастотнi спектри молекули ДНК пiсля обробки: а — Na-ДНК; б — Cs-ДНК
наведено на рис. 2, звiдки видно, що в областi вiд 50 до 120 см−1 в спектрi Na-ДНК спосте-
рiгаються пiки 78 i 118 см−1, а також смуги 64 та 97 см−1. В спектрi Cs-ДНК в цiй областi
спостерiгаються моди 60, 79 i 118 см−1, а також iнтенсивна смуга 100 см−1. Смуга 100 см−1
в спектрi Cs-ДНК майже вдвiчi iнтенсивнiша, нiж вiдповiдна смуга в спектрi Na-ДНК, а мо-
ди 79 i 118 см−1 — навпаки, набагато слабшi. В отриманих спектрах Na-i Cs-ДНК в дiапазонi
вище 130 см−1 спостерiгається широка смуга коливань води бiля 180 см−1 [11]. Видiлення
з цiєї смуги коливань ДНК є предметом окремого дослiдження, тому в данiй роботi моди
вище 130 см−1 детально не обговорюються.
Для виявлення моди iон-фосфатних коливань ДНК проведене порiвняння отриманих
частот коливань з iснуючими експериментальними та розрахунковими даними [4–6, 8]. Зна-
чення частот коливань, а також характер структурних рухiв ДНК на кожнiй модi наведенi
в табл. 1. Як видно з таблицi, структура спектра розчину Na-ДНК така ж, як у висушених
плiвок полiнуклеотидiв i кристалiв ДНК [6, 8]. Спектри Cs-ДНК в даному дiапазонi експе-
риментально дослiдженi недостатньо, проте вiдомо, що бiля 95 см−1 спостерiгається мода,
частота якої iстотно залежить вiд типу протиiону [5].
Проведене порiвняння експерименту з розрахунковими даними [3, 4] показує, що сму-
га 64 см−1 в спектрi Na-ДНК характеризує коливання, пов’язанi зi змiщеннями азотистих
основ вiдносно фосфатних груп остова ДНК (ωH+S). При цьому вiдбувається деформацiя
цукрового кiльця i розтяг водневих зв’язкiв в парах азотистих основ. Смуга 97 см−1 ха-
рактеризує коливання азотистих основ, пов’язанi з розтягом водневих зв’язкiв (ωH). Пiк
Таблиця 1. Частоти коливань спектрiв Na- та Cs-ДНК (см−1) (n — плече; c — смуга)
Na-ДНК Наш експеримент (рис. 2, а) 57n; 64 78 88n; 97c; 110n 118 180c
Експеримент [6] 63 80 95; 106 — 170
Експеримент [8] 68 — 96 120 —
Теорiя [3] 58ωH+S 81ωS 112ωH — 251ωion
Теорiя [4] — — — — 173ωion
Cs-ДНК Наш експеримент (рис. 2, б ) — 60; 69n; 79 85n; 100c; 113n 118n 180c
Експеримент [5] — — 95 — —
Теорiя [3] 46ωH+S 63ωS 99ωH ; 108ωion — —
Теорiя [4] — — 104ωion — —
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №10 71
Рис. 3. Характер рухiв структурних елементiв пари нуклеотидiв на модi iон-фосфатних коливань Na- та
Cs-ДНК за даними роботи [3]
78 см−1 в спектрi Na-ДНК, згiдно з розрахунками [3], характеризує коливання азотистих
основ вiдносно фосфатних груп остова ДНК, якi пов’язанi з деформацiєю цукрового кiльця
(ωS). При цьому водневi зв’язки в парах нуклеотидiв не розтягуються. Iнтенсивнiсть моди
118 см−1, при замiнi протиiонiв Na
+ на Cs
+, змiнюється так само, як i 78 см−1, тому можна
припустити, що ця мода також пов’язана з деформацiєю цукру. Мода iон-фосфатних ко-
ливань Na-ДНК (ωion), згiдно з розрахунками [4], потрапляє в смугу коливань води бiля
180 см−1 або заходиться вище [3].
У випадку Cs-ДНК розрахунки [3, 4] показують, що пiк 60 см−1 характеризує коливання
азотистих основ вiдносно фосфатних груп остова ДНК, пов’язанi з деформацiєю цукрового
кiльця (ωS), а смуга бiля 100 см−1 формується коливаннями розтягу водневих зв’язкiв
в парах азотистих основ (ωH) та iон-фосфатними коливаннями (ωion). Мода Cs-ДНК, яка
характеризує коливання розтягу водневих зв’язкiв в парах азотистих основ та деформацiю
цукрового кiльця (ωH+S), згiдно з розрахунками [3], повинна знаходитися бiля 44 см−1,
тобто за межами дослiджуваного дiапазону. Моди 79 i 118 см−1 в спектрi Cs-ДНК мають
набагато меншу iнтенсивнiсть, нiж в Na-ДНК, i виникають за рахунок залишкових iонiв
Na
+ в зразку Cs-ДНК.
Таким чином, проведений аналiз показав, що iон-фосфатнi коливання Cs-ДНК разом
з модами розтягу водневих зв’язкiв в парах азотистих основ формують смугу 100 см−1.
При цьому iнтенсивнiсть смуги зростає майже вдвiчi порiвняно з спектром Na-ДНК
(див. рис. 2). Мода iон-фосфатних коливань Na-ДНК знаходиться в бiльш високочастотнiй
областi (170÷250 см−1) i не видiляється серед мод цього дiапазону спектра. Щоб визначити,
чому моди iон-фосфатних коливань Cs-ДНК проявляються, а Na-ДНК не проявляються,
слiд розглянути, як спiввiдносяться мiж собою iнтенсивностi мод iон-фосфатних коливань
Na- та Cs-ДНК.
Вiдомо, що iнтенсивнiсть коливальної моди, активної в спектрах комбiнацiйного роз-
сiяння, пропорцiйна квадрату похiдної вiд поляризовностi по нормальнiй координатi [12].
В роботi [3] показано, що мода iон-фосфатних коливань Na-ДНК характеризується лише ко-
ливаннями протиiонiв натрiю вiдносно фосфатних груп остова ДНК. Водночас, в Cs-ДНК
ця мода характеризується значними змiщеннями практично всiх структурних елементiв по-
двiйної спiралi (рис. 3). Змiщення структурних елементiв ДНК, у випадку протиiонiв Cs
+,
повиннi призводити до суттєвих змiн поляризовностi молекули, тому iнтенсивнiсть моди
iон-фосфатних коливань в спектрi Cs-ДНК повинна бути значно вищою, нiж в спектрi
Na-ДНК. Це пояснює бiльшу iнтенсивнiсть смуги 100 см−1 в спектрi Cs-ДНК порiвняно
з Na-ДНК.
Таким чином, в данiй роботi вперше експериментально спостерiгалася мода iон-фосфат-
них коливань в спектрi комбiнацiйного розсiяння Cs-ДНК. Показано, що ця мода знахо-
диться в смузi коливань 100 см−1 i пiдсилює її iнтенсивнiсть майже вдвiчi. Спостереження
моди коливань протиiонiв вiдносно фосфатних груп остова подвiйної спiралi пiдтверджує
72 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №10
iснування iон-фосфатної гратки ДНК, що є важливим для розумiння механiзмiв її бiоло-
гiчного функцiонування.
Автори роботи висловлюють подяку зав. вiддiлом молекулярної бiологiї вiрусiв Iнституту
мiкробiологiї i вiрусологiї iм. Д.К. Заболотного НАН України Ф. I. Товкачу за консультацiї в при-
готуваннi зразкiв ДНК.
1. Зенгер В. Принципы структурной организации нуклеинових кислот. – Москва: Мир, 1987. – 584 с.
2. Perepelytsya S.M., Volkov S.N. Ion mode in the DNA low-frequency vibration spectra // Ukr. J. Phys. –
2004. – 49, No 11. – P. 1072–1077.
3. Перепелица С.Н., Волков С.Н. Ион-фосфатные колебания ДНК в B- и A-формах // Бiофiз. вiсник. –
2005. – 1 (15). – С. 5–10.
4. Перепелиця С.М., Волков С.Н. Iон-фосфатнi коливання ДНК. Кристалiчний пiдхiд // Сучаснi про-
блеми молекулярної фiзики. – Київ: ВПЦ КУ, 2007. – С. 265–271.
5. Weidlich T., Powell J.W., Genzel L., Rupprecht A. Counterion effects on the Far-IR vibrational spectra
of Poly(rI) ·Poly(rC) // Biopolymers. – 1990. – 30. – P. 477–480.
6. Powell J.W., Edwards G. S., Genzel L. et al. Investigation of far-infrared vibrational modes in polynucleoti-
des // Phys. Rev. A. – 1987. – 35. – P. 3929–3939.
7. Weidlich T., Lindsay S.M., Rui Qi et al. A Raman study of low frequency interhelical modes in A-, B- and
C-DNA // J. Biomolec. Struct. Dyn. – 1990. – 8. – P. 139–171.
8. Lamba Om P., A. Wang H.-J., Thomas G. J. Low-frequency dynamics of crystals, of B-, A-, Z-DNA and
fibers of C-DNA // Biopolymers. – 1989. – 28. – P. 667–678.
9. Volkov S. N., Kosevich A.M. Theory of low-frequency vibrations in DNA macromolecules // J. Biomolec.
Struct. Dyn. – 1991. – 8. – P. 1069–1083.
10. Волков С.Н., Косевич А.М. Конформационная зависимость низкочастотных колебаний макромоле-
кулы ДНК // Биополимеры и клетка. – 1991. – 7. – С. 40–49.
11. Urabe H., Sugawara Y., Tsukakoshi M. et al. Raman spectroscopic study on low-frequency collective modes
in self-associates of guanosine monophosphates // Biopolymers. – 1987. – 26. – P. 963–971.
12. Применение спектров комбинационного рассеяния / Под ред. А. Андерсона. – Москва: Мир, 1977. –
588 с.
Надiйшло до редакцiї 03.04.2007Київський нацiональний унiверситет
iм. Тараса Шевченка
Iнститут теоретичної фiзики
iм. М.М. Боголюбова НАН України, Київ
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №10 73
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-3174 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1025-6415 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-11-24T09:38:17Z |
| publishDate | 2007 |
| publisher | Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Булавін, Л.А. Волков, С.Н. Кутовий, С.Ю. Перепелиця, С.М. 2009-07-02T13:00:20Z 2009-07-02T13:00:20Z 2007 Спостереження іон-фосфатних коливань макромолекули ДНК / Л.А. Булавін, С.Н. Волков, С.Ю. Кутовий, С.М. Перепелиця // Доп. НАН України. — 2007. — № 10. — С. 69-73. — Бібліогр.: 12 назв. — укp. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/3174 539.199 It is shown that, in the low-frequency Raman spectra of Cs-DNA, the mode of ion-phosphate vibrations exists. Together with the modes of H-bond stretching in base pairs, it forms the band near 100 cm−1 with intensity about twice as much than that in the spectra of Na-DNA. The mode of Na-DNA ion-phosphate vibrations is much lower in intensity and is located within a broad band near 180 cm−1. uk Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Фізика Спостереження іон-фосфатних коливань макромолекули ДНК Article published earlier |
| spellingShingle | Спостереження іон-фосфатних коливань макромолекули ДНК Булавін, Л.А. Волков, С.Н. Кутовий, С.Ю. Перепелиця, С.М. Фізика |
| title | Спостереження іон-фосфатних коливань макромолекули ДНК |
| title_full | Спостереження іон-фосфатних коливань макромолекули ДНК |
| title_fullStr | Спостереження іон-фосфатних коливань макромолекули ДНК |
| title_full_unstemmed | Спостереження іон-фосфатних коливань макромолекули ДНК |
| title_short | Спостереження іон-фосфатних коливань макромолекули ДНК |
| title_sort | спостереження іон-фосфатних коливань макромолекули днк |
| topic | Фізика |
| topic_facet | Фізика |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/3174 |
| work_keys_str_mv | AT bulavínla sposterežennâíonfosfatnihkolivanʹmakromolekulidnk AT volkovsn sposterežennâíonfosfatnihkolivanʹmakromolekulidnk AT kutoviisû sposterežennâíonfosfatnihkolivanʹmakromolekulidnk AT perepelicâsm sposterežennâíonfosfatnihkolivanʹmakromolekulidnk |