Фазовая диаграмма цинкового комплекса ДНК в щелочном растворе
Методом диференційної УФ-спектроскопії вивчені особливості впливу концентрації іонів Zn^2+ на перехід B-ДНК у металізовану форму у всій області температур існування подвійної спіралі (від 25 до 70 °С) у розчинах, які вміщують 0,01 М трис-буферу (pH 8,5), 0,005 М NaCl і перемінні концентрації ZnCl^2....
Збережено в:
| Дата: | 2011 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2011
|
| Назва видання: | Доповіді НАН України |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/38560 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Фазовая диаграмма цинкового комплекса ДНК в щелочном растворе / В.А. Сорокин, В.А. Валеев, Е.Л. Усенко // Доп. НАН України. — 2011. — № 8. — С. 170-176. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-38560 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-385602012-11-13T12:11:02Z Фазовая диаграмма цинкового комплекса ДНК в щелочном растворе Сорокин, В.А. Валеев, В.А. Усенко, Е.Л. Біофізика Методом диференційної УФ-спектроскопії вивчені особливості впливу концентрації іонів Zn^2+ на перехід B-ДНК у металізовану форму у всій області температур існування подвійної спіралі (від 25 до 70 °С) у розчинах, які вміщують 0,01 М трис-буферу (pH 8,5), 0,005 М NaCl і перемінні концентрації ZnCl^2. Виявлено, що іони Zn^2+ індукують гіпохромізм всього спектра поглинання ДНК, найбільша величина якого у максимумі поглинання ДНК досягає 24%, що відповідає ступеню металізації [m]=100%. Остання реалізується тільки при нагріванні розчинів, які мають концентрацію [Zn^2+]≥2·10^−4 М. Вперше отримана фазова діаграма цинкового комплексу ДНК, що складається із областей з різним характером залежності [m] від температури і концентрації іонів Zn^2+. The method of differential UV-spectroscopy is applied to study peculiarities of the effects of Zn^2+ ion concentration on the B-DNA transition into the metallized form in the whole range of temperatures of the double helix existence (from 25 °С to 70 °С) in solutions containing 0.01 М Tris-buffer (pH 8.5), 0.005 М NaCl, and variable concentrations of ZnCl^2. It is revealed that Zn^2+ ions induce hypochromicity of the whole absorption spectrum of DNA the limit value of which in the DNA absorption maximum runs up to 24%, which corresponds to the metallization degree [m]=100%. The last is realized at the heating of solutions being of [Zn^2+]≥2·10^−4 М concentration. For the first time, the phase diagram has been obtained for the DNA-zinc complex, being composed of regions with different characters of the [m] dependence on the temperature and the Zn^2+ ion concentration. 2011 Article Фазовая диаграмма цинкового комплекса ДНК в щелочном растворе / В.А. Сорокин, В.А. Валеев, Е.Л. Усенко // Доп. НАН України. — 2011. — № 8. — С. 170-176. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. 1025-6415 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/38560 535.343.3.577.323 ru Доповіді НАН України Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Біофізика Біофізика |
| spellingShingle |
Біофізика Біофізика Сорокин, В.А. Валеев, В.А. Усенко, Е.Л. Фазовая диаграмма цинкового комплекса ДНК в щелочном растворе Доповіді НАН України |
| description |
Методом диференційної УФ-спектроскопії вивчені особливості впливу концентрації іонів Zn^2+ на перехід B-ДНК у металізовану форму у всій області температур існування подвійної спіралі (від 25 до 70 °С) у розчинах, які вміщують 0,01 М трис-буферу (pH 8,5), 0,005 М NaCl і перемінні концентрації ZnCl^2. Виявлено, що іони Zn^2+ індукують гіпохромізм всього спектра поглинання ДНК, найбільша величина якого у максимумі поглинання ДНК досягає 24%, що відповідає ступеню металізації [m]=100%. Остання реалізується тільки при нагріванні розчинів, які мають концентрацію [Zn^2+]≥2·10^−4 М. Вперше отримана фазова діаграма цинкового комплексу ДНК, що складається із областей з різним характером залежності [m] від температури і концентрації іонів Zn^2+. |
| format |
Article |
| author |
Сорокин, В.А. Валеев, В.А. Усенко, Е.Л. |
| author_facet |
Сорокин, В.А. Валеев, В.А. Усенко, Е.Л. |
| author_sort |
Сорокин, В.А. |
| title |
Фазовая диаграмма цинкового комплекса ДНК в щелочном растворе |
| title_short |
Фазовая диаграмма цинкового комплекса ДНК в щелочном растворе |
| title_full |
Фазовая диаграмма цинкового комплекса ДНК в щелочном растворе |
| title_fullStr |
Фазовая диаграмма цинкового комплекса ДНК в щелочном растворе |
| title_full_unstemmed |
Фазовая диаграмма цинкового комплекса ДНК в щелочном растворе |
| title_sort |
фазовая диаграмма цинкового комплекса днк в щелочном растворе |
| publisher |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| publishDate |
2011 |
| topic_facet |
Біофізика |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/38560 |
| citation_txt |
Фазовая диаграмма цинкового комплекса ДНК в щелочном растворе / В.А. Сорокин, В.А. Валеев, Е.Л. Усенко // Доп. НАН України. — 2011. — № 8. — С. 170-176. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
| series |
Доповіді НАН України |
| work_keys_str_mv |
AT sorokinva fazovaâdiagrammacinkovogokompleksadnkvŝeločnomrastvore AT valeevva fazovaâdiagrammacinkovogokompleksadnkvŝeločnomrastvore AT usenkoel fazovaâdiagrammacinkovogokompleksadnkvŝeločnomrastvore |
| first_indexed |
2025-07-03T20:31:07Z |
| last_indexed |
2025-07-03T20:31:07Z |
| _version_ |
1836659158946938880 |
| fulltext |
УДК 535.343.3.577.323
© 2011
В.А. Сорокин, В.А. Валеев, Е. Л. Усенко
Фазовая диаграмма цинкового комплекса ДНК
в щелочном растворе
(Представлено членом-корреспондентом НАН Украины Д. Н. Говоруном)
Методом диференцiйної УФ-спектроскопiї вивченi особливостi впливу концентрацiї iонiв
Zn2+ на перехiд B-ДНК у металiзовану форму у всiй областi температур iснування по-
двiйної спiралi (вiд 25 до 70 ◦С) у розчинах, якi вмiщують 0,01 М трис-буферу (pH 8,5),
0,005 М NaCl i перемiннi концентрацiї ZnCl2. Виявлено, що iони Zn2+ iндукують гiпо-
хромiзм всього спектра поглинання ДНК, найбiльша величина якого у максимумi погли-
нання ДНК досягає 24%, що вiдповiдає ступеню металiзацiї [m] = 100%. Остання реа-
лiзується тiльки при нагрiваннi розчинiв, якi мають концентрацiю [Zn2+] > 2 · 10−4 М.
Вперше отримана фазова дiаграма цинкового комплексу ДНК, що складається iз облас-
тей з рiзним характером залежностi [m] вiд температури i концентрацiї iонiв Zn2+.
В 1993 г. Ли с соавт. [1] обнаружили в щелочных растворах, содержавших хлориды цинка,
никеля и кобальта, переход B-формы природных и синтетических ДНК разного нуклео-
тидного состава в новое, металлизированное (m) состояние, обладающее рядом необычных
свойств. Таких, например, как быстрый перенос электронов вдоль макромолекулы, харак-
терный для металлической проводимости [2–4]. В дальнейшем ее наличие в жгутах молекул
ДНК длиной 15 мкм было зарегистрировано в работе [5].
В сочетании со способностью природных и синтетических полинуклеотидов к самос-
борке, основанной на фундаментальном принципе комплементарности, данные этих работ
позволяют предполагать возможность использования металлокомплексов многоцепочечных
полинуклеотидов для создания наноэлектронных устройств и биосенсоров [1, 3, 6–9]. Имен-
но это обстоятельство стимулировало значительное количество экспериментальных и тео-
ретических работ [1–10], посвященных исследованию различных (в том числе и термодина-
мических: термостабильности [1, 4], теплоты [10] B → m-перехода) свойств металлизиро-
ванных полинуклеотидов и особенностей переходов B-, A- ↔ m.
Существенно важным параметром, влияющим на эффективность B → m-перехода,
является температура раствора, поскольку, согласно существующим моделям, m-форма
образуется путем замещения ионами Mt2+ иминопротонов AT - и GC-пар двойной спира-
ли [1, 2, 9], требующего локальных раскрытий последних. В работах [1, 4, 10] получены
определяющие долю металлизированных звеньев ДНК изотермы тушения флуоресценции
этидиума, которые показали, что повышение температуры понижает необходимую для фор-
мирования m-ДНК концентрацию ионов Mt2+ [10]. Этот результат естественен для предло-
женной в [1, 2] модели образования m-ДНК, которая, по существу, является флуктуацион-
ной. Однако в работах [1, 10] рассмотрен узкий интервал низких температур (0–37 ◦С).
В связи с этим целью настоящей работы является получение фазовой диаграммы комп-
лекса ДНК+Zn2+, т. е. измерение зависимости температур конформационных переходов от
концентрации цинка во всей температурной области существования двойной спирали.
Материалы. Натриевая соль ДНК спермы лосося ([GC] = 41%, молекулярный вес
Mw = (4 ÷ 6) · 106 Да) (Serva, Germany); химически чистые соли ZnCl2 · 6H2O и NaCl (Ре-
170 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2011, №8
ахим., Россия). Буферы: какодилат натрия (pH 6,5) и трис (pH 8,5) (оба Serva, Germany).
Все растворы ДНК содержали 0,01 М буфера и 0,005 М NaCl. Чтобы избежать образования
гидроокисей при pH 8,5 (в том числе и нерастворимых), в качестве базового использовали
раствор ZnCl2 в трижды дистиллированной воде (pH 6,65). Концентрацию ZnCl2 ([Zn2+])
определяли по весу и контролировали методом трилонометрического титрования. Разли-
чие в значениях [Zn2+], определенных обоими методами, не превышало 2%. Необходимую
концентрацию ZnCl2 получали добавлением в кювету с раствором ДНК в какодилатном
или трис-буферах соответствующего количества базового раствора, имевшего концентра-
цию 0,03 М Zn2+. При этом кислотность растворов ДНК в трисе сохраняла свое значение
в пределах 0,025 ед. pH вплоть до 6 ·10−4 М Zn2+. Ошибка определения [Zn2+] при всех ука-
занных процедурах не превышала 0,5 %. Концентрацию фосфора ДНК (Р), составлявшую
(2±0,1)·10−5 М, определяли по коэффициенту молярной экстинкции (εm = 6600 М−1 ·см−1)
в максимуме ее поглощения (νm = 38500 см−1). Ошибка определения кислотности растворов
pH-метром “pH-340” (Россия) составляла ±0,025 ед. pH.
Методы. Дифференциальная УФ-спектроскопия. Дифференциальные УФ-спе-
ктры ∆A(ν) измеряли при комнатной температуре T0 = 25 ± 2 ◦С на спектрофотометре
UV VIS (Carl Zeiss Jena — Germany), используя четырехкюветную схему [11, 12]. ДУФ-спе-
ктры нормировали на концентрацию ДНК: ∆εT0(ν) = ∆AT0(ν)/P . При больших концент-
рациях цинка ((2 ÷ 3) · 10−4 М) ДУФ-спектры показывали довольно сильную зависимость
от времени инкубации, достигая равновесных формы и интенсивности через 30 мин пос-
ле введения ZnCl2 в раствор ДНК. При дальнейшей инкубации в течение 150 мин изме-
нение ∆εT0
не превышало 100 М−1 · см−1. Приведенные в работе ДУФ-спектры и значе-
ния ∆εT0
при различных концентрациях ZnCl2 соответствуют инкубации растворов при
T = T0 в течение 180 мин. Можно отметить, что в изученном диапазоне концентраций цин-
ка ([Zn2+] 6 3 ·10−4 М) изменение оптической плотности растворов ДНК в длинноволновой
части спектра (ν < 30000 см−1) не наблюдалось. Это свидетельствует об отсутствии обра-
зования рассеивающих свет нерастворимых гидроокисей Zn(OH)2, так что концентрация
ионов Zn2+ была близка к концентрации ZnCl2.
Термическая денатурация. Температурные зависимости изменения поглощения ра-
створов ДНК в отсутствие и присутствии ZnCl2 регистрировали на том же спектрофото-
метре, что и ДУФ-спектры, при ν = νm = 38500 см−1. Эта регистрация осуществлялась по
двухкюветной схеме [11]. После 180 мин предварительной выдержки при T = T0 эталон-
ную кювету термостатировали при T = T0 ± 0,5 ◦С, а рабочую — медленно нагревали со
скоростью 0,25 град/мин для того, чтобы максимальным образом обеспечить термодинами-
ческое равновесие. Температуру растворов определяли с ошибкой, не превышающей 0,5 ◦С.
Регистрация ДУФ-спектров, а также зависимостей ∆A(T ) в форме h(T ) и дифференци-
рование последних по температуре осуществлялись присоединенным к спектрофотометру
персональным компьютером, который рассчитывал температурную зависимость
h(T ) = hT0
+∆h(T ) =
{
[∆εT0
+∆ε(T )]
εm
}
νm
,
где hT0
= h при T = T0 (∆ε(T ) — изменение поглощения ДНК при нагревании).
Результаты и обсуждение. Дифференциальные УФ-спектры. В В-форме наи-
более стерически доступными и обладающими максимальным молекулярным электроста-
тическим потенциалом являются атомы N7 пуриновых оснований, взаимодействие с кото-
рыми катионов (в том числе и ионов Mt2+, имеющих d-электроны на внешних орбиталях)
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2011, №8 171
Рис. 1. Дифференциальные УФ-спектры ДНК, индуцированные ионами Zn2+ при комнатной температуре
(T0 = 25 ± 2 ◦С): а — 9,9 · 10−5 М Zn2+; 1 — pH 6,5; 2 — pH 8,5; 3 — GMP + 6 · 10−3 М Ni2+ [13]; 4 —
AMP + 2,5 · 10−3 М Ni2+ [11] (интенсивности этих спектров уменьшены в соответствии с относительным
содержанием нуклеотидов в ДНК: [G] = 0,2; [A] = 0,3); б — 2 ·10−4 М Zn2+; 1 и 2 — то же, что и на рис. 1, а
надежно зарегистрировано самыми различными методами [11–13]. Это взаимодействие при-
водит к изменению энергии электронных переходов в азотистых основаниях и, как следст-
вие, к сдвигу их полос поглощения, индуцирующему дифференциальные спектры, форма
которых определяется не столько электронной структурой катионов, сколько природой свя-
зывающих их атомов азотистых оснований [11–13].
Как видно из рис. 1, при pH 6,5 интенсивности ДУФ-спектров ДНК, индуцированных
ионами Zn2+, очень малы и превышают ошибку измерения ∆ε (100 М−1 · см−1) только
при 2 · 10−4 М Zn2+. Тем не менее, наблюдаемые положительная и отрицательная состав-
ляющие на спектре 1 рис. 1, б свидетельствует о наличии, хотя и слабого, внутрисферного
взаимодействия ионов Zn2+ с азотистыми основаниями ДНК.
Можно сравнить ДУФ-спектр, индуцированный 9,9 · 10−5 М Zn2+ при pH 8,5 (рис. 1, а)
с полученными ранее в нейтральных растворах комплексов GMP и АМР с ионами Ni2+,
поскольку таковые в присутствии ионов Zn2+ в литературе отсутствуют. Однако взаимо-
действие ионов Zn2+ и Ni2+ с ДНК должно быть подобным, так как основное отличие
между этими ионами — разное число электронов на внешних d-орбиталях. Во всяком слу-
чае оба иона координируют N7 пуриновых мономеров [14]. Таким образом, несмотря на
малую интенсивность ДУФ-спектров металлокомплексов, согласие между спектрами 3, 4
и спектром 2 (рис. 1, а) позволяет предположить взаимодействие ионов Zn2+ с теми же
атомами оснований и при pH 8,5. Однако повышение концентрации цинка индуцирует ги-
похромизм всего спектра поглощения ДНК (рис. 1, б ). При этом наиболее интенсивный
минимум на спектре 2 расположен при ν = 39400 см−1, т. е. вблизи положения максимума
поглощения ДНК.
Как видно из рис. 2, концентрационные зависимости ∆εT0
, полученные при pH 6,5 (a-b)
и pH 8,5 (a-c-d), резко отличаются. Поскольку зависимость a-b обусловлена координацией
ионов Zn2+ с N7 пуринов ДНК, наиболее вероятной причиной дополнительного гипохромиз-
ма ее поглощения в растворе, содержащем ZnCl2, при изменении pH от 6,5 до 8,5 является
переход полинуклеотида из B- в m-форму, обнаруженный в присутствии ионов Zn2+ в мно-
гочисленных работах [1–4, 5, 7, 10]. В этом случае общая для кривых a-b и а-с точка a
172 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2011, №8
Рис. 2. Концентрационная зависимость изменения поглощения ДНК при T = T0 и ν = 38500 см−1: а-b —
pH 6,5; a-c-d — pH 8,5; [Zn2+]кр = (9,4± 0,2) · 10−5 М; [m] — доля звеньев B-ДНК, перешедших в m-форму
определяет критическую концентрацию ионов Zn2+ ([Zn2+]кр), меньше которой в изучен-
ных ионных условиях и времени инкубации m-форма не образуется. На участке c-d (рис. 2)
|∆εT0
| сохраняет свое максимальное значение (∼800 М−1 ·см−1), что свидетельствует о дос-
тижении равновесного уровня степени металлизации ДНК ([m]). С другой стороны, согла-
сно данным флуоресцентного анализа, в сопоставимых ионных условиях, при комнатной
температуре и pH 8,4–8,5 в диапазоне концентраций (2÷ 3) · 10−4 М Zn2+ в m-форму пере-
ходит 50% звеньев ДНК различного нуклеотидного состава, включая ДНК тимуса теленка
([GC] = 42%) [4].
Таким образом, можно считать, что гипохромизм ∆εT0
= − 800 М−1 · см−1 (hT0
=−0,12)
соответствует [m] = 50%, а кривая a-c-d представляет собой зависимость [m] от концент-
рации ионов Zn2+.
Температурные зависимости поглощения ДНК. Зависимости h(T ) при pH 8,5
(рис. 3, a) в отсутствие цинка и при концентрациях [Zn2+] < [Zn2+]кр = 9,4 · 10−5 М имеют
обычную форму, характерную для таковых в нейтральных растворах. В этом случае при
нагревании наблюдается только гиперхромизм поглощения (h > 0), обусловленный разру-
шением двойной спирали ДНК. Однако температурные зависимости h и их производных
по температуре при [Zn2+] > [Zn2+]кр имеют совершенно иную форму. Различие между за-
висимостями h(T ), наблюдаемыми при pH 6,5 и pH 8,5, особенно четко видно при больших
концентрациях цинка. Так, при 3·10−4 М Zn2+ вместо единственного кооперативного возра-
стания h при pH 6,5, наблюдаемого при T > 60 ◦C, в случае pH 8,5 нагревание индуцирует
в диапазоне температур от T0 до Ts2 гипохромизм поглощения ДНК (h < 0), дополнитель-
ный по отношению к наблюдаемому при T = T0 (рис. 3, а). В рамках сделанного выше
предположения этот гипохромизм обусловлен возрастанием степени металлизации ДНК
при повышении температуры, что вполне согласуется с существующими моделями образо-
вания m-формы [1, 2, 9]. Из полученных данных следует, что нагревание приводит к тому,
что отношение hm/hT0
= 2±0,3 при всех значениях [Zn2+] > [Zn2+]кр (hm — максимальный
гипохромизм, достигаемый при нагревании). Этот результат отлично согласуется со сде-
ланным выше предположением о том, что значение h = −0,12 (∆ε = −800 М−1 · см−1) соот-
ветствует переходу в m-форму 50% звеньев ДНК и, таким образом, при [Zn2+] > 2 · 10−4 М
нагревание приводит к полному переходу B-ДНК в металлизированную форму.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2011, №8 173
Рис. 3. Температурные зависимости изменения поглощения ДНК (а) и их производных по температуре (б )
при pH 8,5 и ν = 38500 см−1: AT0
— оптическое поглощение ДНК при T = T0; 0 — [Zn2+] = 0; 1 —
6,5 · 10−5 М; 2 — 1,5 · 10−4 М; 3 — 3 · 10−4 М Zn2+; 4 — кривая плавления ДНК в какодилатном буфере
(pH 6,5) в присутствии 3 · 10−4 М Zn2+; Ts1 — температура, при которой происходит резкое увеличение
скорости металлизации ДНК; Tf1 — температура окончания перехода в m-форму; Ts2 и Tf2 — соответственно
температура начала и окончания разрушения двойной спирали ДНК; [m] — то же, что и на рис. 2
Интенсивность перехода B → m зависит не только от концентрации цинка, но и от
температуры. Так, при нагревании от T = T0 до T = Ts1 (точки n на кривых 2, 3 и 4
рис. 3, а) величина производной β(T ) = d[m]/dT составляет 0,4–0,8%/град (рис. 3, б ).
Однако при T > Ts1 происходит резкое возрастание этой производной, максимальное зна-
чение которой увеличивается на порядок (рис. 3, б ). Последнее позволяет предположить,
что при T > Ts1 меняется характер металлизации ДНК: от флуктуационного к коопера-
тивному, обусловленному появлением притяжения между металлизированными звеньями
ДНК [1].
И, наконец, последнее замечание. Хотя условием металлизации ДНК является повыше-
ние pH, необходимое для того, чтобы приблизить кислотность раствора к рKa депро-
тонирования иминопротонов, принадлежащих N1 гуанина и N3 тимина соответственно
в GC- и АТ-парах, значения рKa для этих атомов нуклеотидов (9,9–10 для ТМР и 9,5–9,7
для dGMP) существенно больше pHm 8,4–8,5 (pHm = pH, при которой в m-форму пере-
ходит 50% звеньев ДНК) [4]. Причина такого различия, по-видимому, состоит в том, что,
как показано методом ПМР-спектроскопии [15], ионы Mt2+, образующие координационные
связи с атомами N7 пуринов, понижают константу ионизации N1: связывание ионов Zn2+
и Cu2+ с N7 нуклеозидов Ado, Ino и Guo уменьшает рKa атома N1 на 0,7–1,1 ед., так что
наблюдаемые значения pHm действительно оказываются близкими к величинам рKa депро-
174 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2011, №8
Рис. 4. Фазовая диаграмма комплекса ДНК с ионами Zn2+ при pH 8,5: B и m — области существования
двухспиральной ДНК, соответственно, только в B- и m-формах; С — область существования однонитевых
ДНК; γ — область, в которой нагревание сдвигает равновесие между B- и m-формами в сторону увеличения
доли последней. В заштрихованной ее части (γ′) происходит резкое увеличение скорости металлизации
(рис. 3, б ); ρ — область, в которой нагревание не изменяет соотношения между B- и m-фазами
тонирования пуринов. Таким образом, не только повышение pH, но и взаимодействие ионов
Mt2+ с N7 пуринов способствует реализации B → m-перехода в природной ДНК при pH 8–9.
Форма зависимостей h(T ) при pH 8,5 позволяет построить диграмму фазового равнове-
сия между B- и m-формами ДНК (рис. 4). Из нее следует, что двойная спираль сохраня-
ется во всей изученной области концентраций цинка ниже кривой n-e-L-a, а выше кривой
v-i-k-t ДНК находится в однонитевой конформации. Слева от прямой e-f существует только
B-форма, а в области, ограниченной линиями a-L, L-r и r-s — только m-форма. В остальной
части фазовой диаграммы (области γ и ρ) B- и m-формы двухспиральной ДНК находятся
в термодинамическом равновесии друг с другом. В области γ при заданной концентрации
цинка и повышении температуры доля звеньев ДНК, находящихся в m-форме, возрастает,
достигая максимального значения при температурах, соответствующих кривой e-r-s (Tf1 на
рис. 3, a). При повышении концентрации ZnCl2 эта температура быстро понижается и со-
ставляет при 3 · 10−4 М Zn2+ всего 35 ◦С, тогда как при 10−4 М Zn2+ Tf1 ∼ 68 ◦С. Однако
в этом случае изменение [m] при нагревании находится в пределах ошибки ее определе-
ния. В области γ существует участок, ограниченный кривыми e-r-s и e-x (Ts1 на рис. 3, a),
в котором процесс металлизации ДНК идет гораздо быстрее, чем при T < Ts1. Как уже
отмечалось выше, эта область соответствует, предположительно, изменению характера ме-
таллизации ДНК. В отличие от области γ, в области ρ (рис. 4) нагревание не изменяет
соотношения между количеством звеньев, находящихся в обеих формах, вплоть до дости-
жения температур, при которых начинается разрушение двойной спирали (кривая e-L-a,
соответствующая Ts2 на рис. 3, a), заканчивающееся на кривой i-k-t, соответствующей Tf2
на рис. 3, a.
Основные результаты. 1. Образование m-формы сопровождается гипохромизмом спе-
ктра поглощения ДНК. Установлена количественная связь между его величиной и степенью
металлизации двойной спирали ([m]). 2. Существует температура, выше которой скорость
металлизации ДНК увеличивается в несколько раз, однако дальнейшее нагревание приво-
дит к равновесному для каждой концентрации значению [m], которое достигает 100% лишь
при [Zn2+] > 2 · 10−4 М.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2011, №8 175
1. Lee J. S., Latimer L. J. P., Reid R. S. A cooperative conformational change in duplex DNA induced by
Zn2+ and other divalent metal ions // Biochem. Cell Biol. – 1993. – 71. – P. 162–168.
2. Aich P., Labiuk S. L., Tari L.W. et al. M-DNA: A complex between divalent metal ions and DNA which
behaves as a molecular wire // J. Mol. Biol. – 1999. – 294. – P. 477–485.
3. Wettig Sh. D., Li C.-Z., Long Y.-T. et al. M-DNA: A self-assembling molecular wire nanoelectronics and
biosensing // Analytical Sciences. – 2003. – 19. – P. 23–26.
4. Wood D.O., Dinsmore M. J., Bare G.A., Lee J. S. M-DNA is stabilized in GC tracts or by incorporation
of 5-fluorouracil // Nucl. Acids Res. – 2002. – 30. – P. 2244–2250.
5. Rakitin A., Aich P., Papadoupoulos C. et al. Metallic conduction through engineered DNA: DNA nano-
electronic building blocks // Phys. Rev. Let. – 2001. – 86, No 6. – P. 3670–3673.
6. Delaney S.., Barton J.K. Long-range DNA charge transport // J. Org. Chem. – 2003. – 68, No 17. –
P. 6475–6483.
7. Lindegaard D., Wood D.O., Wengel J., Lee J. S. Electron injection from the side of an M-DNA duplex //
J. Biol. Inorg. Chem. – 2006. – 11, No 1. – P. 82–87.
8. Bhalla V., Bajpai R. P., Bharadwaj L.M. DNA electronics // Europ. Molec. Biol. Organ. Rep. – 2003. –
4, No 5. – P. 442–445.
9. Sanz Miguel P. J., Amo-Ochoa P., Castillo O. et al. Supermolecular chemistry of Metal-Nucleobase comp-
lexes // Metal Complex-DNA Interactions. Eds. N. Hadjiliadis and E. Sletten. – New York: Wiley, 2009. –
Ch. 4. – P. 95–132.
10. Wettig Sh. D., Wood D.O., Lee J. S. Thermodynamic investigation of M-DNA: a novel metal ion-DNA
complex // J. Inorg. Biochem. – 2003. – 94. – P. 94–99.
11. Sorokin V.A., Valeev V.A., Gladchenko G.O. et al. Ni2+ ion effect on conformations of single-, double-
and three-stranded homopolynucleotides containing adenine and uracil // Macromol. Biosci. – 2001. – 1. –
P. 191–203.
12. Sorokin V.A., Valeev V.A., Gladchenko G.O. et al. Interaction of divalent metal ions with four-stranded
polyriboinosinic acid // Biophysics. – 2000. – 45. – P. 749–755.
13. Sorokin V.A., Valeev V.A., Gladchenko G.O. et al. The nature of differences in binding of 3d transition
metal ions to guanosine – 5′-monophosphate // Ibid. – 1999. – 44. – P. 38–44.
14. Aoki K. Nucleosides, nucleotides and metal ions // Metalloproteins: Chemical properties and biological
effects. Eds. S. Otsuka, T. Yamanaka. – Amsterdam; Oxford; New York; Tokio: Elsevier, 1988. – Vol. 8,
ch. 13. – P. 457–490.
15. Kim S.-H., Martin R.B. Binding sites and stabilities of transition metal ions with nucleosides and related
ligands // Inorg. Chim. Acta. – 1984. – 91. – P. 19–24.
Поступило в редакцию 29.11.2010Физико-технический институт низких температур
им. Б.И. Веркина НАН Украины, Харьков
V.A. Sorokin, V. A. Valeev, E. L. Usenko
Phase diagram of a DNA-zinc complex in alkaline solution
The method of differential UV-spectroscopy is applied to study peculiarities of the effects of Zn2+ ion
concentration on the B-DNA transition into the metallized form in the whole range of temperatures
of the double helix existence (from 25 ◦С to 70 ◦С) in solutions containing 0.01 М Tris-buffer
(pH 8.5), 0.005 М NaCl, and variable concentrations of ZnCl2. It is revealed that Zn2+ ions induce
hypochromicity of the whole absorption spectrum of DNA the limit value of which in the DNA
absorption maximum runs up to 24%, which corresponds to the metallization degree [m] = 100%.
The last is realized at the heating of solutions being of [Zn2+] > 2 · 10−4 М concentration. For the
first time, the phase diagram has been obtained for the DNA-zinc complex, being composed of regions
with different characters of the [m] dependence on the temperature and the Zn2+ ion concentration.
176 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2011, №8
|