Взаємодія ціанінових барвників з нуклеїновими кислотами. Механізм взаємодії монометинового ціанінового барвника Cyan 40 з двоспіральною ДНК: дослідження методами комп'ютерного моделювання

Механізм взаємодії ціанінового барвника Cyan 40 з молекулами ДНК вивчено методами комп'ютерного моделювання. Оцінено енергію взаємодії термінальних частин ππ-електронних хмар гетероциклічних кілець нуклеотидних основ ДНК та барвника Cyan 40 методами ab initio. Запропоновано механізм взаємодії...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2003
Hauptverfasser:	Яковенко, О.Я., Голуб, А.Г., Лосицький, М.Ю., Бджола, В.Г., Ярмолюк, С.М.
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainian
Veröffentlicht:	Інститут молекулярної біології і генетики НАН України 2003
Schriftenreihe:	Біополімери і клітина
Schlagworte:	Біоорганічна хімія
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/156384
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:	Взаємодія ціанінових барвників з нуклеїновими кислотами. Механізм взаємодії монометинового ціанінового барвника Cyan 40 з двоспіральною ДНК: дослідження методами комп'ютерного моделювання / О.Я. Яковенко, А.Г. Голуб, М.Ю. Лосицький, В.Г. Бджола, С.М. Ярмолюк // Вiopolymers and Cell. — 2003. — Т. 19, № 1. — С. 93-98. — Бібліогр.: 6 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-156384
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1563842019-06-19T01:28:40Z Взаємодія ціанінових барвників з нуклеїновими кислотами. Механізм взаємодії монометинового ціанінового барвника Cyan 40 з двоспіральною ДНК: дослідження методами комп'ютерного моделювання Яковенко, О.Я. Голуб, А.Г. Лосицький, М.Ю. Бджола, В.Г. Ярмолюк, С.М. Біоорганічна хімія Механізм взаємодії ціанінового барвника Cyan 40 з молекулами ДНК вивчено методами комп'ютерного моделювання. Оцінено енергію взаємодії термінальних частин ππ-електронних хмар гетероциклічних кілець нуклеотидних основ ДНК та барвника Cyan 40 методами ab initio. Запропоновано механізм взаємодії Cyan 40 з молекулами ДНК відповідно до моделі повної інтеркаляції. На основі комбінованих розрахунків методами Amber, ММ+, AM J, РМЗ та ab initio доведено енергетичну вигідність зв'язування Cyan 40 з ДНК за механізмом повної інтеркаляції порівняно з механізмом напівінтеркаляції. Знайдено ряд метастанів, що ілюструють гіпотезу послідовної взаємодії Cyan 40 з ДНК в три етапи: асоціація з ДНК у малій борозенці, взаємодія з ДНК за типом напівінтеркаляції бензотіазоловим кільцем та остаточна фіксація Cyan 40 між парами основ ДНК за механізмом повної інтеркаляції. Механизм взаимодействия цианинового красителя Cyan 40 с молекулами ДНК изучен методами компьютерного моделирования. Оценена энергия взаимодействия терминальных тетей π-электронных облаков гетероциклических колец нуклеотидных оснований ДИК и красителя Cyan 40 методами ab initio. Предложен механизм взаимодействия Cyan 40 с молекулами ДНК согласно модели полной интеркаляции. На основании комбинированных расчетов методами Amber, ММ+, AMU РМЗ и ab initio доказана энергетическая выгодность связывания Cyan 40 с ДНК по механизму полной интеркаляции по сравнению с механизмом полу интеркаляции. Найден ряд метасостояний, иллюстрирующих гипотезу последовательного взаимодействия Cyan 40 с ДНК в три этапа: ассоциация с ДНК в малой бороздке, взаимодействие с ДНК по типу полуинтеркаляции бензотиазоловым кольцом и окончательная фиксация Cyan 40 между парами оснований ДНК по механизму полной интеркаляции. The mechanism of interaction of cyanine dye Cyan 40 and DNA was studied by molecular modelling methods. The energy of interaction of the terminal parts of π-electrons clouds of aromatic heterocycles of DNA bases with Cyan 40 molecule was calculated by ab initio methods. We supposed that Cyan 40 interacted with dsDNA according to full-intercalation binding mode. Using combination of Amber, MM+, AMI, PM3 and ab initio calculation methods, the full-intercalation interaction of Cyan 40 with DNA was proved to be more favourable energetically than half-intercalation one. The series of the dye-DNA complex metastates were found, illustrating the hypothesis of three consequent stages of Cyan 40 interaction with DNA: (1) association of Cyan 40 with DNA minor groove, (2) interaction by half-intercalation mechanism, and (3) fixation of Cyan 40 between DNA bases pairs by the mechanism of full-intercalation. 2003 Article Взаємодія ціанінових барвників з нуклеїновими кислотами. Механізм взаємодії монометинового ціанінового барвника Cyan 40 з двоспіральною ДНК: дослідження методами комп'ютерного моделювання / О.Я. Яковенко, А.Г. Голуб, М.Ю. Лосицький, В.Г. Бджола, С.М. Ярмолюк // Вiopolymers and Cell. — 2003. — Т. 19, № 1. — С. 93-98. — Бібліогр.: 6 назв. — укр. 0233-7657 DOI:http://dx.doi.org/10.7124/bc.000641 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/156384 577.366 + 577.113.7 uk Біополімери і клітина Інститут молекулярної біології і генетики НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	Біоорганічна хімія Біоорганічна хімія
spellingShingle	Біоорганічна хімія Біоорганічна хімія Яковенко, О.Я. Голуб, А.Г. Лосицький, М.Ю. Бджола, В.Г. Ярмолюк, С.М. Взаємодія ціанінових барвників з нуклеїновими кислотами. Механізм взаємодії монометинового ціанінового барвника Cyan 40 з двоспіральною ДНК: дослідження методами комп'ютерного моделювання Біополімери і клітина
description	Механізм взаємодії ціанінового барвника Cyan 40 з молекулами ДНК вивчено методами комп'ютерного моделювання. Оцінено енергію взаємодії термінальних частин ππ-електронних хмар гетероциклічних кілець нуклеотидних основ ДНК та барвника Cyan 40 методами ab initio. Запропоновано механізм взаємодії Cyan 40 з молекулами ДНК відповідно до моделі повної інтеркаляції. На основі комбінованих розрахунків методами Amber, ММ+, AM J, РМЗ та ab initio доведено енергетичну вигідність зв'язування Cyan 40 з ДНК за механізмом повної інтеркаляції порівняно з механізмом напівінтеркаляції. Знайдено ряд метастанів, що ілюструють гіпотезу послідовної взаємодії Cyan 40 з ДНК в три етапи: асоціація з ДНК у малій борозенці, взаємодія з ДНК за типом напівінтеркаляції бензотіазоловим кільцем та остаточна фіксація Cyan 40 між парами основ ДНК за механізмом повної інтеркаляції.
format	Article
author	Яковенко, О.Я. Голуб, А.Г. Лосицький, М.Ю. Бджола, В.Г. Ярмолюк, С.М.
author_facet	Яковенко, О.Я. Голуб, А.Г. Лосицький, М.Ю. Бджола, В.Г. Ярмолюк, С.М.
author_sort	Яковенко, О.Я.
title	Взаємодія ціанінових барвників з нуклеїновими кислотами. Механізм взаємодії монометинового ціанінового барвника Cyan 40 з двоспіральною ДНК: дослідження методами комп'ютерного моделювання
title_short	Взаємодія ціанінових барвників з нуклеїновими кислотами. Механізм взаємодії монометинового ціанінового барвника Cyan 40 з двоспіральною ДНК: дослідження методами комп'ютерного моделювання
title_full	Взаємодія ціанінових барвників з нуклеїновими кислотами. Механізм взаємодії монометинового ціанінового барвника Cyan 40 з двоспіральною ДНК: дослідження методами комп'ютерного моделювання
title_fullStr	Взаємодія ціанінових барвників з нуклеїновими кислотами. Механізм взаємодії монометинового ціанінового барвника Cyan 40 з двоспіральною ДНК: дослідження методами комп'ютерного моделювання
title_full_unstemmed	Взаємодія ціанінових барвників з нуклеїновими кислотами. Механізм взаємодії монометинового ціанінового барвника Cyan 40 з двоспіральною ДНК: дослідження методами комп'ютерного моделювання
title_sort	взаємодія ціанінових барвників з нуклеїновими кислотами. механізм взаємодії монометинового ціанінового барвника cyan 40 з двоспіральною днк: дослідження методами комп'ютерного моделювання
publisher	Інститут молекулярної біології і генетики НАН України
publishDate	2003
topic_facet	Біоорганічна хімія
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/156384
citation_txt	Взаємодія ціанінових барвників з нуклеїновими кислотами. Механізм взаємодії монометинового ціанінового барвника Cyan 40 з двоспіральною ДНК: дослідження методами комп'ютерного моделювання / О.Я. Яковенко, А.Г. Голуб, М.Ю. Лосицький, В.Г. Бджола, С.М. Ярмолюк // Вiopolymers and Cell. — 2003. — Т. 19, № 1. — С. 93-98. — Бібліогр.: 6 назв. — укр.
series	Біополімери і клітина
work_keys_str_mv	AT âkovenkooâ vzaêmodíâcíanínovihbarvnikívznukleínovimikislotamimehanízmvzaêmodíímonometinovogocíanínovogobarvnikacyan40zdvospíralʹnoûdnkdoslídžennâmetodamikompûternogomodelûvannâ AT golubag vzaêmodíâcíanínovihbarvnikívznukleínovimikislotamimehanízmvzaêmodíímonometinovogocíanínovogobarvnikacyan40zdvospíralʹnoûdnkdoslídžennâmetodamikompûternogomodelûvannâ AT losicʹkijmû vzaêmodíâcíanínovihbarvnikívznukleínovimikislotamimehanízmvzaêmodíímonometinovogocíanínovogobarvnikacyan40zdvospíralʹnoûdnkdoslídžennâmetodamikompûternogomodelûvannâ AT bdžolavg vzaêmodíâcíanínovihbarvnikívznukleínovimikislotamimehanízmvzaêmodíímonometinovogocíanínovogobarvnikacyan40zdvospíralʹnoûdnkdoslídžennâmetodamikompûternogomodelûvannâ AT ârmolûksm vzaêmodíâcíanínovihbarvnikívznukleínovimikislotamimehanízmvzaêmodíímonometinovogocíanínovogobarvnikacyan40zdvospíralʹnoûdnkdoslídžennâmetodamikompûternogomodelûvannâ
first_indexed	2025-07-14T08:47:07Z
last_indexed	2025-07-14T08:47:07Z
_version_	1837611433247899648
fulltext	ISSN 0233-7657. Біополімери і клітина. 2003. Т. 19, № 1 БІООРГАНІЧНА ХІМІЯ Взаємодія ціанінових барвників з нуклеїновими кислотами. Механізм взаємодії монометинового ціанінового барвника Cyan 40 з двоспіральною ДНК: дослідження методами комп'ютерного моделювання О. Я. Яковенко, А. Г. Голуб, М. Ю. Лосицький 1, В. Г. Бджола, С. М. Ярмолюк Інститут молекулярної біології і генетики НАН України Вул. Академіка Заболотного, 150, Київ, 03143, Україна 1 Київський національний університет імені Тараса Шевченка Просп. Глушкова, 6, Київ, 03022, Україна E-mail: sergiy@yarmoluk.org.ua Механізм взаємодії ціанінового барвника Cyan 40 з молекулами ДНК вивчено методами комп'ю терного моделювання. Оцінено енергію взаємодії термінальних частин ж-електронних хмар гетероциклічних кілець нуклеотидних основ ДНК та барвника Cyan 40 методами аЬ initio. Запропоновано механізм взаємодії Cyan 40 з молекулами ДНК відповідно до моделі повної інтеркаляції. На основі комбінованих розрахунків методами Amber, ММ+, AM J, РМЗ та ab initio доведено енергетичну вигідність зв'язування Cyan 40 з ДНК за механізмом повної інтеркаляції порівняно з механізмом напівінтеркаляції. Знайдено ряд метастанів, що ілюструють гіпотезу послідовної взаємодії Cyan 40 з ДНК в три етапи: асоціація з ДНК у малій борозенці, взаємодія з ДНК за типом напівінтеркаляції бензотіазоловим кільцем та остаточна фіксація Cyan 40 між парами основ ДНК за механізмом повної інтеркаляції. Вступ. Детекція нуклеїнових кислот у гелях, роз чинах та біологічних системах є широковживаним методом для вирішення різноманітних завдань су часної біології та медицини. Представники класу ціанінових барвників є найчутливішими зондами для специфічної детекції ДНК. Такі зонди взає модіють з ДНК за кулонівськими, ван-дер-ваальсо- вими та гідрофобними механізмами і при цьому значно підвищують інтенсивність флуоресценції. Для глибшого розуміння процесів взаємодії ціанінових барвників з ДНК важливо знати ме ханізм зв'язування зондів з ДНК. В літературі описано три основних механізми взаємодії ціанінів з ДНК: борозенкове зв'язування, коли барвник розташований в борозенці ДНК [1 ], © О. Я- ЯКОВЕНКО, А. Г. ГОЛУБ, М. Ю. ЛОСИЦЬКИЙ, В. Г. БДЖОЛА, С. М. ЯРМОЛЮК, 2003 інтеркаляція, за якої плоска молекула ціаніну роз ташована між парами нуклеотидних основ ДНК [2] , та напівінтеркаляція, коли один з гетеро циклічних залишків ціаніну інтеркалює між пара ми основ, тоді як інший гетероцикл міститься в борозенці [3 ] . В одній з наших попередніх робіт для детекції ДНК запроновано монометиновий ціаніновий барв ник Cyan 40 (рис. 1) [4] та вивчено його спект рально-люмінесцентні характеристики у водному розчині та в присутності ДНК [3 ] . Зроблено при пущення стосовно напівінтеркаляційного характеру взаємодії Cyan 40 з ДНК [5, 6 ]. Проте, оскільки ці дані отримано непрямим шляхом, то висновок про саме напівінтеркаляційну взаємодію Cyan 40 з ДНК не можна вважати остаточним. Останніми роками одним з потужних методів дослідження міжмолекулярних взаємодій стало 93 mailto:sergiy@yarmoluk.org.ua ЯКОВЕНКО О Я. ТА IH. Рис. 1. Структурна формула барвника Cyan 40 комп'ютерне моделювання. За допомогою кванто- вохімічних методів розрахунку, що моделюють ку- лонівські, ван-дер-ваальсові та гідрофобні взаємо дії, можна в певному наближенні відтворити про цеси, що дійсно мають місце на молекулярному рівні. Завданням роботи було проведення пошуку сайта та механізму зв'язування барвника Cyan 40 з ДНК. Матеріали і методи. Для пошуку первинних сайтів зв'язування Cyan 40 з ДНК використано програму AutoDock v3.5 (http://w3.to/autodock), за допомогою якої здійснено аналіз методом гнучкого молекулярного докінгу (вбудовування однієї моле кули — Cyan 40 — з системою гнучких торсійних кутів в іншу — Д Н К ) . Для пошуку взаємних сте- ричних модифікацій ДНК та Cyan 40 застосовано оптимізацію геометрії силовим полем GROMACS програми GROMACS v3.0 (www.gromacs.org) та си ловим полем AMBER програми HyperChem v5.1 (http://www.hyper.com). Оптимізацію внутрішньо- молекулярної енергії ниток ДНК та Cyan 40 здій снено напівемпіричними методами AMI та РМЗ програм ArgusLabs v l .2 (http://www.planaria-soft- ware.com) та HyperChem v5.1. Для розрахунку сайта зв'язування та конформації барвника в ком плексі з ДНК, а також для оптимізації та оцінки енергії міжмолекулярної взаємодії використано програмний пакет для квантовомеханічних обчис лень G A M E S S ( h t t p : / / w w w . m s g . a m e s l a b . - gov/GAMESS//GAMESS.html). Всі розрахунки про водили на комп'ютері Intel Pentium (700 MHz, 390MB RAM, 10GB HDD). Результати і обговорення. Однією з важливих складових завдання визначення механізму взає модії між ДНК та барвником є питання щодо можливого ступеня інтеркаляції молекули барвни ка в ДНК. Серед сучасних напівемпіричних під ходів не існує жодного методу, який міг би в достатній мірі відобразити ефект стекінг-взаємо- дій — взаємодії термінальних частин я-електрон- них хмар гетероциклів, зближених на відстань 0,34 нм. Тому було вибрано метод квантовохімічних розрахунків ah initio як єдиний адекватний метод для теоретичної оцінки енергетичної стабільності комплексів ДНК—барвник. На першому етапі здійснено пошук та по рівняння можливих сайтів борозенкового зв'язу вання Cyan 40 (рис. 1) з ДНК. За допомогою програми AutoDock v3.5 проведено глобальний ана ліз ланцюга ДНК довжиною 40 н. п., взятих довільно з бази данних програми HyperChem v5.1. При цьому методом Lamarcian Genetic Algorithm послідовно перебирали можливі значення двогран ного кута між площинами бензотіазолового та пі ридинового кілець Cyan 40 з дискретністю в один градус. У результаті програмою AutoDock було знайдено ряд можливих сайтів зв'язування Cyan 40 з борозенкою ДНК та показано, що енергетично найвигіднішим є зв'язування з послідовністю АСС- GGT по малій борозенці ДНК. В той же час комплексів з локалізацією молекули Cyan 40 у великій борозенці молекули ДНК знайдено не бу ло. Ймовірно, що основна причина неможливості взаємодії молекул по великій борозенці ДНК поля гає у низькій стеричній відповідності молекули Cyan 40 та згаданої ділянки ДНК. Не отримавши в експерименті з випадково зібраною ДНК значного домінування певного сайта зв'язування над іншими, було вирішено провести глобальний пошук енергетично найвигіднішого сай та. Для цього послідовно було проаналізовано ком плекси, утворені зв'язуванням Cyan 40 з малою борозенкою усіх можливих динуклеотидних послі довностей ДНК. Останні як мінімальний сайт були обрані для аналізу з огляду на геометричні пара метри ліганду, оскільки довжина Cyan 40 складає 1,23 нм, а довжина динуклеотиду по малій боро зенці становить 1,28 нм. Значення енергії взаємодії Cyan 40 з різними динуклеотидними ділянками ДНК по малій борозенці наведено в табл. 1. Таким чином, показано, що утворення комп лексів Cyan 40 з борозенкою ДНК відбувається лише в малій борозенці, причому всі сайти мають близькі значення енергії утворення комплексів з Cyan 40. На другомі етапі було порівняно енергії комп- лексоутворення Cyan 40 з ДНК за механізмом інтеркаляції та зв'язування по малій борозенці. Сумарна енергія електростатичних, ван-дер- ваальсових та гідрофобних взаємодій, розрахована 94 http://w3.to/autodock http://www.gromacs.org http://www.hyper.com http://www.planaria-soft- http://ware.com http://www.msg.ameslab.- ВЗАЄМОДІЯ ЦІАНІНОВИХ БАРВНИКІВ З НУКЛЕЇНОВИМИ КИСЛОТАМИ Таблиця J Потенціальна енергія (кДж/моль) взаємодії барвника Cyan 40 з різними послідовностями ДНК за механізмом локалізації барвника в малій борозенці ДНК Нуклеотидна поспідовність Енергія зв'язування, кДж/моль Енергія міжмолекулярної взаємодії, кДж/моль Енергія напруження конформації, кДж/моль - 9 , 3 8 - 9 , 1 7 - 9 , 4 2 - 9 , 8 1 - 8 , 6 4 - 6 , 2 2 програмою AutoDock, значно відрізнялася для боро- зенкового та інтеркаляційного комплексів (-10,2 та -14 ,4 кДж/моль відповідно). Враховуючи додатко ву стабілізуючу дію стекінг-взаємодій на інтер- каляційні комплекси, яку програма AutoDock не могла коректно відобразити, зроблено висновок щодо низької вірогідності зупинки процесу асо ціації ДНК та Cyan 40 на етапі локалізації барвни ка в борозенці ДНК. Разом з цим висока до ступність борозенки ДНК та відносно глибока по тенціальна яма згаданого положення свідчать про високу ймовірність утворення комплексу Cyan 40 з борозенкою ДНК як перший етап багатостадійного процесу асоціації молекул ДНК та Cyan 40. Далі було здійснено пошук можливих позицій для інтеркаляції чи напівінтеркаляції Cyan 40 в ДНК. Для цього застосовували послідовні сеанси оптимізації геометрії 16 штучно утворених комп лексів ДНК—Cyan 40 методами AMBER, ММ+ та AMI. Було перевірено всі чотири можливі нуклео- тидні системи для В-форми. В результаті оптимі зації отримано як повністю інтеркальовані, так і напівінтеркаляційні комплекси трьох основних ти пів. Останні (рис. 2) додатково оптимізували напів- емпіричним методом AMI. Головна відмінність трьох отриманих нами на- півінтеркаляційних комплексів полягала в конфор мації ланцюга ДНК навколо Cyan 40. При напів інтеркаляції за типом «стопки монет» ароматичне кільце Cyan 40 вбудовується паралельно до двох ароматичних кілець одного ланцюга ДНК, а комп лементарний йому ланцюг «розрихлюється», щоб заповнити утворену порожнину в спіралі ДНК. При напівінтеркаляції за типом «перехресту лан цюгів» ароматичне кільце Cyan 40 орієнтується паралельно основам ДНК сусідніх ланцюгів, утво рюючи структуру на зразок Z-форми ДНК з Cyan 40 в зоні перехресту. При взаємодії за типом інтеркаляції в два ланцюги без перехресту — тип «коробки» — ароматичне кільце Cyan 40 розташо вується між двома основами різних ланцюгів, які орієнтуються паралельно плоскому гетероциклу барвника (рис. 2). Оскільки значна частка штучно утворених на- півінтеркаляційних комплексів після оптимізації ставала комплексами з повною інтеркаляцією, було зроблено припущення щодо проходження процесу зв'язування Cyan 40 з ДНК у дві стадії: напівін- теркаляцію та подальшу повну інтеркаляцію Cyan 40. На наступному етапі аналізу проводили оп тимізацію геометрії структур квантовомеханічними методами ah initio за допомогою програмного паке ту GAMESS. Для дослідження енергії інтеркаляції барвника в ДНК здійснено повний скринінг усіх можливих варіантів тг-електронної взаємодії між кільцями Cyan 40 та нуклеотидними основами. Для взаємодії чотирьох нуклеотидних основ ДНК з різними гете- роциклами барвника розраховано одноелектронну енергію, що характеризує взаємодію електронів з ядрами атомів, двоелектронну енергію, яка є мірою взаємодії двох електронів між собою, енергію від штовхування ядер, що описує взаємодію ядер в молекулі, а також суму цих енергій. Для розра хунків використано базисний набір N21-G з NGUASS = 6. Дані розрахунків подані в табл. 2. З даних цієї таблиці видно, що взаємодія термінальних частин я-електронних хмар гетеро- циклів збільшує енергію електронного відштов хування, тобто електронні орбіталі змінюють свою форму, внаслідок чого енергія міжатомних взає модій зменшується, що позитивно впливає на ком- плексоутворення за механізмом повної інтерка ляції. Однак енергетичні параметри такої взаємодії досить малі, що, на нашу думку, дозволяє моделю вати системи ДНК—барвник, подібний до Cyan 40, простішими методами за типом молекулярної ме- 95 ЯКОВЕНКО О. Я. ТА IH. а Перехрест ланцюгів-» «Стопка монет» « Коробка» «Повна інтеркаляція» Рис. 2. Варіації позицій повної та напівінтеркаляції Cyan 40 у молекулу ДНК ханіки, силових полів AMBER, GROMOS, СНА- RMM тощо з похибкою в межах ±16 Дж/моль та обов'язковим врахуванням л-електронної взаємодії. Ці розрахунки дозволяють зробити висновок стосовно перебігу процесу утворення комплексу між ДНК та барвником Cyan 40, який полягає в тому, що такий процес має протікати в три етапи: асоціація з ДНК в малій борозенці, взаємодія з ДНК за типом напівінтеркаляції бензотіазоловим кільцем та остаточна фіксація Cyan 40 між парами основ ДНК за механізмом повної інтеркаляції. Ця гіпотеза була перевірена шляхом порів няння енергій двох однакових фрагментів ДНК, занурених у водяні бокси однакових розмірів, що містять однакову кількість молекул води для повної інтеркаляції та напівінтеркаляції молекули Cyan 40. Було сконструйовано оптимальну послідовність для напівінтеркаляції барвника в ДНК — З'-ХХТ- Cyan 40-АХХ-5'—З'-XXA-Cyan 40-ТХХ-5' у вод ному оточенні, де X — довільна основа, яка була вибрана випадково. Для розрахунку обрано систе му З'-dC-dT-dA-Cyan 40-dT-dT-dC-5' — 5'-dG- dA-dT-Cyan 40-dA-dA-dG-5' у водяному боксі з 759 молекулами води. Методами молекулярної ме ханіки ММ+ з урахуванням даних квантовоме- ханічних методів ab initio оцінено вищезазначену структуру у випадку повної інтеркаляції та напів інтеркаляції Cyan 40 до вказаного сайта. Викори стано наступні параметри для процесу моделюван ня: electrostatic — bond dipoles, cutoff — none, gra dient — 0.3, algorithm — Block Diagonal. Енергії інтеркаляційного та напівінтеркаляційного комп лексів виявилися рівними відповідно -1755,52 та -1744,04 Дж/моль, що відповідає вірогідній взає модії за механізмом повної інтеркаляції. З цього випливає, що інтеркаляція Cyan 40 відбувається внаслідок перекриття л:-електронних хмар гетеро циклічних компонентів молекул барвника та ДНК, а також гідрофобних взаємодій, і ці два фактори роблять приблизно однаковий внесок у сумарний енергетичний ефект інтеркаляції. Висновки. Таким чином, у даній роботі на основі комп'ютерних розрахунків зроблено висно вок про те, що енергетично найвигіднішою для Cyan 40 моделлю зв'язування з ДНК є повна інтеркаляція. Слід зазначити, що такий результат не суперечить отриманим раніше експерименталь ним результатам про напівінтеркаляційну взає- 96 ВЗАЄМОДІЯ ЦІАНІНОВИХ БАРВНИКІВ З НУКЛЕЇНОВИМИ КИСЛОТАМИ Таблиця 2 Енергія стейкінг-взаємодій основ ДНК з гетероциклами Cyan 40, розрахована програмою GAMESS П р и м і т к а . Еосн та Е^рв — енергії відповідно нуклеотидної основи та барвника; Е$Т та Епір—енергії системи барвник—основа, коли основа знаходиться біля бензотіазолового та піридинового гетероциклів відповідно на відстані 0,34 нм; АЕ$Т ж ^ б т ^ о с н + ^барв)> ^ ^п ір " ^п ір ^ о с н ^барв) модію Cyan 40 з ДНК. Адже, згідно з результатами даної роботи, повна інтеркаляція є не єдиним можливим, а лише найвигіднішим механізмом вза ємодії, що, ймовірно, реалізується при взаємодії окремої молекули Cyan 40 з ДНК. Проте у випадку існування ряду додаткових факторів, що мали міс це в досліді, як-то утворення агрегату між вільною та інтеркальованою молекулами Cyan 40 [5 ] , чи введення до молекули барвника^ об'ємних заміс ників [6 ], енергетична вигідність різних механізмів зв'язування може змінитися на користь напівін теркаляції, що й було показано у виконаних ра ніше експериментах. О. Ya. Yakovenko, A. G. Golub, М. Yu. Losytsky, К G. Bdzhola, S. M. Yarmoluk The mechanism of interaction of monomethine cyanine dye Cyan 40 with dsDNA: computer modelling. Summary The mechanism of interaction of cyanine dye Cyan 40 and DNA was studied by molecular modelling methods. The energy of interaction of the terminal parts of ж-electrons clouds of aromatic heterocycles of DNA bases with Cyan 40 molecule was calculated by ab initio methods. We supposed that Cyan 40 interacted with dsDNA according to full-intercalation binding mode. Using combination of Amber, MM+, AM J, PM3 and ab initio calculation methods, the full-intercalation interaction of Cyan 40 with DNA was proved to be more favourable energetically than half-intercalation one. The series of the dye-DNA complex metastates were found, illustrating the hypothesis of three consequent stages of Cyan 40 interaction with DNA: (1) association of Cyan 40 with DNA minor groove, (2) interaction by half-intercalation mechanism, and (3) fixation of Cyan 40 between DNA bases pairs by the mechanism of full- intercalation. А. Я. Яковенко, А. Г. Голуб, M. Ю. Лосицкий, В. Г. Бджола, С. Н. Ярмолюк Взаимодействие цианиновых красителей с нуклеиновыми кислотами. Механизм взаимодействия монометинового цианинового красителя Cyan 40 с двухспиральной ДНК: исследование методами компьютерного моделирования Резюме Механизм взаимодействия цианинового красителя Cyan 40 с молекулами ДНК изучен методами компьютерного моделиро- 97 ЯКОВЕНКО О. Я. ТА IH. вания. Оценена энергия взаимодействия терминальных тетей л-электронных облаков гетероциклических колец нуклеотид- ных оснований ДИК и красителя Cyan 40 методами ab initio. Предложен механизм взаимодействия Cyan 40 с молекулами ДНК согласно модели полной интеркаляции. На основании комбинированных расчетов методами Amber, ММ+, AMU РМЗ и ab initio доказана энергетическая выгодность связыва ния Cyan 40 с ДНК по механизму полной интеркаляции по сравнению с механизмом полу интеркаляции. Найден ряд ме- тасостояний, иллюстрирующих гипотезу последовательного взаимодействия Cyan 40 с ДНК в три этапа: ассоциация с ДНК в малой бороздке, взаимодействие с ДНК по типу полуинтеркаляции бензотиазоловым кольцом и окончательная фиксация Cyan 40 между парами оснований ДНК по механизму полной интеркаляции. ПЕРЕЛІК ЛІТЕРАТУРИ 1. О gut chans ky Т. Yu.t Losytskyy M. Yu., Kovalska V. В., Lukashov S. S., Yashchuk V. M., Yarmoluk S. M. Interaction of cyanine dyes with nucleic acids. XVIII. Formation of the carbocyanine dye J-aggregates in nucleic acid grooves / / Spectrochim. acta .—2001.—57.—P. 2705—2715. 2. Nygren J., Svanvik N., Kubista M. The interaction between the fluorescent dye thiazole orange and DNA / / Biopolymers.— 1998.—46.—P. 3 9 — 5 1 . 3. Yarmoluk S. M., Kovaiska V. В., Kovtun Yu. P. Interaction of cyanine dyes with nucleic acids. 5. Towards model of «half intercalation* of monomethyne cyanine dyes into double- Stranded nucleic acids / / Биополимеры и клетка.—1999.— 15, № 1.—P. 75—82. 4. Yarmoluk S. M., Kovalska V. В., Smirnova Т. К , Shandura M. P., Kovtun Yu. P., Matsuka G. Kh. Interaction of cyanine dyes with nucleic acids. II. Spectroscopic properties of methy- leneoxy analogues of Thiazole Orange / / Биополимеры и клетка.—1996.—12, № 6.—P. 74—81 . 5. Огульчанський Т. Ю., Я щук В. М., Ярмолюк С. М., Лосицький М. Ю. Взаємодія ціанінових барвників з нук леїновими кислотами. 14. Спектральні особливості деяких монометинових бензотіазолових ціанінових барвників та їхньої взаємодії з Д Н К / / Биополимеры и клетка.—2000.— 16, № 5.—С. 345—355. 6. Лукашов С. С, Лосицький М. Ю., Ярмолюк С. М., Сломінський Ю. Л. Взаємодія ціанінових барвників з нуклеїновими кислотами. 12. Нові монометинові ціаніни на основі 5,6-метилендіоксибензотіазолу та спектрально-люмі несцентні властивості їхніх комплексів з нуклеїновими кислотами / / Биополимеры и клетка.—2000. —16, № 6.— С. 562—572. УДК 577.366 + 577.113.7 Надійшла до редакції 27.12.01 98

Institution

Ähnliche Einträge