Терагерцовая динамика воды в гидратных оболочках ДНК Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

Терагерцовая динамика воды в гидратных оболочках ДНК

Н.В. Пеньков

Институт биофизики клетки РАН — обособленное подразделение ФИЦ ПНЦБИ РАН, 142290, Россия, Московская обл., г.Пущино, ул. Институтская, 3 nvpenkov@rambler. ru

Гидратация биомолекул необходима для формирования их нативной конформации и реализации биологических функций. Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), как одна из фундаментальных биомолекул, не является исключением. Хорошо известно, что изменение степени гидратации ДНК провоцирует её конформационные перестройки. W. Saenger даже сформулировал правило «гидратной экономии» [1], объясняющее это явление. Множество работ посвящено изучению гидратации ДНК, однако в основном они ограничивались 10-20 молекулами воды на нуклеотид, то есть слабо гидратированными образцами ДНК.

В настоящей работе проведено исследование гидратации ДНК в водных растворах (25 мг/мл) с помощью метода терагерцовой (ТГц) спектроскопии временного разрешения. Использовалась плазмидная ДНК (pET-11c) в релаксированной форме, при которой достигается наибольший контакт поверхности ДНК с водой и, соответственно, наиболее заметные экспериментально эффекты гидратации. Метод позволяет измерять спектры комплексной диэлектрической проницаемости в диапазоне 10-110 см-1. Из спектров растворов ДНК вычитался диэлектрический вклад самой ДНК, используя разработанную нами модель эффективной среды [2]. Полученные диэлектрические спектры водной фазы раствора раскладывались по трём известным в ТГц области составляющим спектральным полосам: 1) Дебаевской релаксации (относящейся к ориентационной релаксации связанных молекул воды), 2) высокочастотной релаксации (релаксация свободных молекул воды) и 3) продольных межмолекулярных колебаний. Рассчитанные параметры спектральных полос водной фазы растворов ДНК сравнивались с аналогичными параметрами невозмущённой водной фазы (тот же водный растворитель, без ДНК), и на основании сравнения делались выводы о гидратации.

Обнаружены следующие основные характеристики гидратации ДНК: уменьшение амплитуды полосы Дебаевской релаксации, увеличение амплитуды высокочастотной релаксационной полосы и увеличение амплитуды полосы межмолекулярных колебаний. Это интерпретировано как наличие трёх гидратных областей ДНК, отличающихся от невозмущённой водной фазы: более сильно связанные молекулы воды, область с большим количеством свободных молекул воды и область с большим количеством водородных связей. Сильно связанные молекулы, очевидно, содержатся в первичном гидратном слое фосфатных групп. Свободные молекулы, вероятно, расположены вдоль сахарофосфатного остова, за пределом первичного гидратного слоя, а молекулы с увеличенным количеством водородных связей - в желобках молекулы ДНК.

Проанализировано влияние солей на гидратацию ДНК. Наличие 40 MgCh почти не влияло, а наличие 150 мМ KCl существенно ослабляло проявление всех обнаруженных эффектов гидратации. Столь отличное влияние солей на гидратацию не может быть объяснено разницей в ионной силе растворов, а связано со спецификой ионов Mg2+ и K+. Ионы Mg2+ связываются с фосфатными группами ДНК и перезаряжают их с -1 на +1. Это приводит к изменению ориентации молекул воды в сильно связанном первичном гидратном слое фосфатов и не сказывается значимо на характеристиках трёх указанных областей гидратации. Ионы K+ не имеют выраженных сайтов связывания с ДНК и обладают хаотропным действием, поэтому приводят к частичному разрушению структуры воды, как в областях гидратации, так и за их пределами. То есть ионы K+ снижают структурный контраст между гидратной и не гидратной водой. Проводилось сравнение гидратации ДНК с гидратацией АТФ и Mg-АТФ. Были выявлены общие проявления гидратации по всем анализируемым параметрам, однако для ДНК они оказались намного сильнее выражены. Это позволяет сделать вывод о кооперативных эффектах гидратации ДНК, по сравнению с отдельными нуклеотидами.

[1] W. Saenger, W.N. Hunter, O. Kennard. DNA conformation is determined by economics in the hydration of ph osphate groups. Nature (1986), 324(6095): 385-388.

[2] N.V. Penkov, N.A. Penkova. Effective Medium Model Applied to Biopolymer Solutions. Appl. Spectrosc. (2021), 75(12): 1510-1515.