• Українська
  • English
ISSN 2415-3400 (Online)
ISSN 1028-821X (Print)

Діелектрометрія гідратації флавінмононуклеотиду і ДНК

Рубрика: 
ПРИКЛАДНА РАДІОФІЗИКА
Кашпур, ВА, Хорунжа, ОВ, Песіна, ДО
Organization: 

Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України
12, вул. Акад. Проскури, м. Харків, 61085, Україна

E-mail: olgaxopyn@gmail.com
https://doi.org/10.15407/rej2021.03.046
Мова: українська
Анотація: 

Предмет і мета роботи. З’ясування молекулярних механізмів дії біомолекул необхіднедля розробки сучасних засобів діагностики захворювань та їх лікування. Для виявлення характеру взаємодії біомолекул з навколишнім водним розчинником ефективними є діелектричні дослідження в області міліметрових хвиль. Флавінмононуклеотид (ФМН), за допомогою якого можливе знищення мікроорганізмів і руйнування ракових клітин, викликає особливий інтерес. Мета роботи полягає у виявленні в розчинах ФМН гідратаційних ефектів (зміни стану молекул води).

Методи і методологія роботи. У діапазоні НВЧ виміряно комплексну діелектричну проникність (КДП). Зі знайденої різниці між КДП розчину ФМН і КДП води розраховано величину D es , яка є різницею ефективних діелектричних проникностей es в теорії Дебая полярних рідин. Оскільки час релаксації диполів зв’язаної води на один-два порядки більше, ніж цей час для вільної води, то значення D es характеризує гідратацію біомолекул; при малих концентраціях ця різниця пропорційна кількості зв’язаних молекул води.

Результати роботи. Показано, що з молекулою ФМН зв’язано близько 18 молекул води. Вказані групи атомів, які є найбільш ймовірними гідратними центрами (перш за все, завдяки водневим зв’язкам). При зниженні pH число молекул води, зв’язаних з ФМН, збільшується до 21. Дослідження розчину ФМН – ДНК показало, що сумарно на один нуклеотид припадає 25–26 зв’язаних молекул води, тоді як при складанні гідратаційних чисел компонентів було б менше 20. Припущено, що перевищення обумовлено кооперативним характером гідратації, який призводить до того, що частина тих молекул розчинника, які не контактують безпосередньо з гідратними центрами, також опиняються під впливом біомолекул.

Висновок. Надвисокочастотна діелектрометрія є ефективним методом вивчення взаємодії біомолекул з водно-йонним розчинником. Запропоновано модель гідратації ФМН, в якій вказані ймовірні центри гідратації і ступінь їх впливу на розчинник. Виявлено, що при взаємодії ФМН з ДНК відбувається збільшення кількості молекул зв’язаної води, які припадають на один нуклеотид ДНК. Отриманий результат зіставлено з існуючими моделями взаємодії ДНК з ФМН.
Ключові слова: гідратація, діелектрометрія, ДНК, флавінмононуклеотид

Стаття надійшла до редакції 16.06.2021
УДК 53.083.6 + 577.323
Radiofiz. elektron. 2021, 26(3): 46-53
Повний текст (PDF)

References: 
  1. Кашпур В.А., Хорунжая О.В., Песина Д.А., Шестопалова А.В., Малеев В.Я. Гидратационные эффекты при образовании комплексов ДНК с некоторыми лигандами. Биофизика. 2017. Т. 62, Вып. 1. С. 39–46.
  2. Mashimo S., Kuwabara S., Yagihara S., Higasi K. Dielectric relaxation time and structure of bound water in biological materials J. Phys. Chem. 1987. Vol. 91, Iss. 25. P. 6337–6338. DOI: https://doi.org/10.1021/j100309a005.
  3. Kaatze U., Uhlendorf V. The Dielectric Properties of Water at Microwave Frequencies. Z. Phys. Chem. 1981. Vol. 126. P. 151–165. DOI: https://doi.org/10.1524/zpch.1981.126.2.151.
  4. Wong T.W., Cheng Ch.W., Hsieh Z.J. Effects of blue or violet light on the inactivation of Staphylococcus aureus by riboflavin-5’-phosphate photolysis. J. Photochem. Photobiol. B. 2017. Vol. 173. P. 672–680. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.jphotobiol.2017.07.009.
  5. Jayapaul J., Arns S., Bunker M., Weiler M., Rutherford S., Comba P., Kiessling F. In vivo evaluation of riboflavin receptor targeted fluorescent USPIO in mice with prostate cancer xenografts. Nano Res. 2016. Vol. 9, Iss. 5. P. 1319–1333. DOI: https://doi.org/10.1007/s12274-016-1028-7.
  6. Akasov R.A., Sholina N.V., Khochenkov D.A., Alova A.V., Gorelkin P.V., Erofeev A.S., Generalova A.N., Khaydukov E.V. Photodynamic therapy of melanoma by blue-light photoactivation of flavin mononucleotide. Sci. Rep. 2019. Vol. 9. Article number: 9679. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-019-46115-w.
  7. Fogarty A.C., Duboué-Dijon E., Sterpone F., Hynes J.T., Laage D. Biomolecular hydration dynamics: a jump model perspective. Chem. Soc. Rev. 2013. Vol. 42, Iss. 13. P. 5672–5683. DOI: https://doi.org/10.1039/C3CS60091B.
  8. Зенгер В. Принципы структурной организации нуклеиновых кислот. Пер. с англ. Москва: Мир, 1987. 584 с.
  9. Кашпур В.А., Малеев В.Я., Хорунжая О.В. Применение метода дифференциальной КВЧ диэлектрометрии в молекулярной биофизике. Радиофизика и электрон.: сб. науч. тр. Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. Харьков, 2008. Т. 13, спец. вып. С. 446–454.
  10. Антропов Л.И. Теоретическая электрохимия. 4-е изд., перераб. и доп. Москва: Высшая школа,1984. 519 с.
  11. Ellison W.J., Lamkaouchi K., Moreau J.-M. Water: A dielectric reference. J. Mol. Liq. 1996. Vol. 68, Iss. 2–3. P. 171–279. DOI: https://doi.org/10.1016/0167-7322(96)00926-9.
  12. Хиппель А.Р. Диэлектрики и волны. Пер. с англ. под ред. Н.Г. Дроздова. Москва: Изд-во иностранной литературы, 1960. 439 с.
  13. Craig D.Q.M. Dielectric analysis of pharmaceutical systems. London, Bristol: Taylor & Francis, 1995. 246 p.
  14. Globus T.R., Woolard D.L., Khromova T., Crowe T.W., Bykhovskaia M., Gelmont B.L., Hesler J., Samuels A.C. THz-spectroscopy of biological molecules. J. Biol. Phys. 2003. Vol. 29, Iss. 2–3. P. 89–100. DOI: https://doi.org/10.1023/A:1024420104400.
  15. Grant E.H. The Dielectric Method of Estimating Protein Hydration. Phys. Med. Biol. 1957. Vol. 2, Iss. 1. P. 17–28. DOI: https://doi.org/10.1088/0031-9155/2/1/303.
  16. Ray S. and Behari J. Microwave absorption in lossy liquids. Phys. Med. Biol. 1986. Vol. 31, Iss. 9. P. 1031–1040. DOI: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0031-9155/31/9/008.
  17. Бреслер С.Е. Введение в молекулярную биологию. Москва: Наука, 1966. 524 с.
  18. Durchschlag H., Zipper P. Calculation of the partial volume of organic compounds and polymers. Lechner M.D. (eds). Ultracentrifugation. Progress in Colloid & Polymer Science. Vol. 94. Steinkopff Publ., 1994. DOI: https://doi.org/10.1007/BFb0115599.
  19. Привалов П.Л. Вода и ее роль в биологических системах Биофизика. 1968. Т. 13, Вып. 1. С. 163–177.
  20. Harmouchi M., Albiser G., Premilat S. Changes of hydration during conformational transitions of DNA. Eur. Biophys. J. 1990. Vol. 19, Iss 2. P. 87–92. DOI: https://doi.org/10.1007/BF00185091.
  21. Buchanan T.J., Haggis G.H., Hasted J.B. The dielectric estimation of protein hydration Proc. Roy. Soc. Ser. A. Math. Phys. Sci. 1952. Vol. 213, Iss. 1114. P. 379–391. DOI: https://www.jstor.org/stable/99075.
  22. Березняк Е.Г., Гладковская Н.А., Духопельников Е.В., Хребтова А.С., Зинченко А.В. Спектроскопическое и калориметрическое исследование системы флавин-мононуклеотид – ДНК. Бiофiзичний вiсник. 2010. Т. 24, Вип. 1. С. 14–19. DOI: https://periodicals.karazin.ua/biophysvisnyk/article/view/3865/3432.
  23. Schneider B., Ginell S.L., Berman H.M. Low temperature structures of dCpG-proflavine. Conformational and hydration effects. Biophys. J. 1992. Vol. 63, Iss. 6. 1572–1578. DOI: https://doi.org/10.1016/S0006-3495(92)81755-1.
  24. Korolev N., Lyubartsev A.P., Laaksonen A. Nordenskiöld L. On the competition between water, sodium ions, and spermine in binding to DNA: a molecular dynamics computer simulation study. Biophys. J. 2002. Vol. 82, Iss. 6. P. 2860–2875. DOI: https://doi.org/10.1016/S0006-3495(02)75628-2.