Термодинамика взаимодействия ионов Zn²⁺ с природной ДНК в условиях B→m перехода
Методами видимой и дифференциальной УФ-спектроскопий изучена зависимость степени металлизации B-ДНК от ее концентрации при фиксированных концентрациях этидиума бромида (5 мкM) и ионов Zn²⁺ (0,2 мM) в тетраборатном буфере (pH 8,5), где имеет место ее переход ДНК в металлизированную (m) форму. Рассч...
Gespeichert in:
| Datum: | 2013 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2013
|
| Schriftenreihe: | Доповіді НАН України |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/85614 |
| 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: | Термодинамика взаимодействия ионов Zn²⁺ с природной ДНК в условиях B→m перехода / В.А. Сорокин, В.А. Валеев, Е.Л. Усенко // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2013. — № 3. — С. 172–179. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-85614 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-856142015-08-09T03:02:12Z Термодинамика взаимодействия ионов Zn²⁺ с природной ДНК в условиях B→m перехода Сорокин, В.А. Валеев, В.А. Усенко, Е.Л. Біофізика Методами видимой и дифференциальной УФ-спектроскопий изучена зависимость степени металлизации B-ДНК от ее концентрации при фиксированных концентрациях этидиума бромида (5 мкM) и ионов Zn²⁺ (0,2 мM) в тетраборатном буфере (pH 8,5), где имеет место ее переход ДНК в металлизированную (m) форму. Рассчитаны константы связывания ионов Zn²⁺ с двухнитевой ДНК, соответствующие формированию межнитевых металлических мостиков. Установлена причина повышения температуры перехода спираль–клубок ДНК (до 10 °С) при образовании m-формы, а также сильного (до 30 °С) кооперативного понижения температуры перехода B → m. Этидиум бромид уменьшает эффективность металлизации ДНК. Методами видимої та диференцiйної УФ-спектроскопiй вивчено залежнiсть ступеня ме- талiзацiї В-ДНК вiд її концентрацiї при фiксованих концентрацiях етидiуму бромiду (5 мкM) та iонiв Zn²⁺ (0,2 мM) в тетраборатному буферi (pH 8,5), де має мiсце її пере- хiд у металiзовану (m) форму. Розраховано константи зв’язування iонiв Zn²⁺ з двонитко- вою ДНК, що вiдповiдають формуванню мiжниткових металевих мiсткiв. Встановлено причину пiдвищення температури переходу спiраль–клубок ДНК (до 10 °С) при утвореннi m-форми, а також сильного (до 30 °С) кооперативного зниження температури переходу B → m. Етидiум бромiд зменшує ефективнiсть металiзацiї ДНК. Methods of visual and differential UV-spectroscopies are used to study the dependence of the metallization degree of B-DNA on its concentration under fixed ethidium bromide concentrations(5 μM) and Zn²⁺ ions (0.2 mM) in tetraborate buffer (pH 8.5), where the B-DNA transition into the metallized (m) form takes place. Constants of Zn²⁺ ion binding to double-stranded DNA are calculated, corresponding to the formation of interstrand metal bridges. The cause of an increase in the DNA helix-coil transition temperature (up to 10 °C) upon the m-form formation and that of the strong (up to 30 °C) cooperative decrease in the temperature of the B → m transition are ascertained. Ethidium bromide decreases the effectiveness of DNA metallization. 2013 Article Термодинамика взаимодействия ионов Zn²⁺ с природной ДНК в условиях B→m перехода / В.А. Сорокин, В.А. Валеев, Е.Л. Усенко // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2013. — № 3. — С. 172–179. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 1025-6415 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/85614 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. Термодинамика взаимодействия ионов Zn²⁺ с природной ДНК в условиях B→m перехода Доповіді НАН України |
| description |
Методами видимой и дифференциальной УФ-спектроскопий изучена зависимость степени металлизации B-ДНК от ее концентрации при фиксированных концентрациях
этидиума бромида (5 мкM) и ионов Zn²⁺ (0,2 мM) в тетраборатном буфере (pH 8,5),
где имеет место ее переход ДНК в металлизированную (m) форму. Рассчитаны константы связывания ионов Zn²⁺ с двухнитевой ДНК, соответствующие формированию межнитевых металлических мостиков. Установлена причина повышения температуры перехода спираль–клубок ДНК (до 10 °С) при образовании m-формы, а также сильного (до 30 °С) кооперативного понижения температуры перехода B → m. Этидиум бромид уменьшает эффективность металлизации ДНК. |
| 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 |
Термодинамика взаимодействия ионов Zn²⁺ с природной ДНК в условиях B→m перехода |
| title_short |
Термодинамика взаимодействия ионов Zn²⁺ с природной ДНК в условиях B→m перехода |
| title_full |
Термодинамика взаимодействия ионов Zn²⁺ с природной ДНК в условиях B→m перехода |
| title_fullStr |
Термодинамика взаимодействия ионов Zn²⁺ с природной ДНК в условиях B→m перехода |
| title_full_unstemmed |
Термодинамика взаимодействия ионов Zn²⁺ с природной ДНК в условиях B→m перехода |
| title_sort |
термодинамика взаимодействия ионов zn²⁺ с природной днк в условиях b→m перехода |
| publisher |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| publishDate |
2013 |
| topic_facet |
Біофізика |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/85614 |
| citation_txt |
Термодинамика взаимодействия ионов Zn²⁺ с природной ДНК в условиях B→m перехода / В.А. Сорокин, В.А. Валеев, Е.Л. Усенко // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2013. — № 3. — С. 172–179. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
| series |
Доповіді НАН України |
| work_keys_str_mv |
AT sorokinva termodinamikavzaimodejstviâionovzn2sprirodnojdnkvusloviâhbmperehoda AT valeevva termodinamikavzaimodejstviâionovzn2sprirodnojdnkvusloviâhbmperehoda AT usenkoel termodinamikavzaimodejstviâionovzn2sprirodnojdnkvusloviâhbmperehoda |
| first_indexed |
2025-07-06T12:53:27Z |
| last_indexed |
2025-07-06T12:53:27Z |
| _version_ |
1836902155777212416 |
| fulltext |
оповiдi
НАЦIОНАЛЬНОЇ
АКАДЕМIЇ НАУК
УКРАЇНИ
3 • 2013
БIОФIЗИКА
УДК 535.343.3.577.323
В.А. Сорокин, В.А. Валеев, Е. Л. Усенко
Термодинамика взаимодействия ионов Zn
2+
с природной ДНК в условиях B → m перехода
(Представлено академиком НАН Украины Н.Ф. Харченко)
Методами видимой и дифференциальной УФ-спектроскопий изучена зависимость сте-
пени металлизации B-ДНК от ее концентрации при фиксированных концентрациях
этидиума бромида (5 мкM) и ионов Zn2+ (0,2 мM) в тетраборатном буфере (pH 8,5),
где имеет место ее переход ДНК в металлизированную (m) форму. Рассчитаны кон-
станты связывания ионов Zn2+ с двухнитевой ДНК, соответствующие формированию
межнитевых металлических мостиков. Установлена причина повышения температу-
ры перехода спираль–клубок ДНК (до 10 ◦С) при образовании m-формы, а также сильного
(до 30 ◦С) кооперативного понижения температуры перехода B → m. Этидиум бромид
уменьшает эффективность металлизации ДНК.
Исследования последних лет показали, что в щелочных растворах (pH 8–9) ионы переход-
ных металлов (в частности, ионы Zn2+) индуцируют переход B-ДНК в новую двухспираль-
ную конформацию (m-форму), обладающую свойствами металлического проводника [1, 2]
и даже (при T < 1 K) сверхпроводника [3].
Наряду с технологическими задачами использования m-форм полинуклеотидов в ка-
честве элементов наноэлектроники [4], их особые свойства представляют интерес и для
биофизики. Так, согласно [5], наиболее легко переходят в m-форму последовательности,
состоящие из GC -пар. В то же время известно, что в теломерной ДНК, которой особенно
много в сперме (pH 8,2 [5]), содержатся последовательности длиной (10÷15) · 103 пар на
каждый хромосомный конец [6]. Поскольку репродуктивные клетки имеют повышенное со-
держание цинка (0,002 М в плазме спермы человека [7]), то переход B → m в этих условиях
вполне реален. Опубликованные в настоящее время экспериментальные данные [1–5, 8] не
позволяют ответить на вопросы о термодинамической природе индуцируемых ионами Zn2+:
а) повышения термостабильности B-ДНК при ее переходе в m-форму [1, 5, 9]; б) обнару-
женного нами ранее [9] кооперативного понижения температуры B → m перехода. Наконец,
неизвестно, какое влияние на эффективность металлизации ДНК может оказывать краси-
тель (этидиум бромид (EB)), используемый в большинстве работ для регистрации этого
© В. А. Сорокин, В.А. Валеев, Е.Л. Усенко, 2013
172 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2013, №3
перехода. Ответы на эти вопросы могут быть получены после составлявшего цель настоя-
щей работы определения констант связывания ионов Zn2+ с основаниями ДНК в условиях
образования m-формы.
Материалы. Натриевая соль ДНК спермы лосося ([GC] = 41%, молекулярный вес
Mw = (4÷6) ·106 Да); этидиум бромид (Serva, Germany); буфер тетраборат натрия (pH 8,5)
(Reanal, Hungary). Химически чистые соли NaCl и ZnCl2 · 6H2O (Реахим, Россия).
Ошибка определения концентрации ионов Zn2+ ([Zn2+]), фосфора ДНК (Р) и этидиума
бромида ([ЕВ]) не превышала 0,5%, а кислотности раствора pH-метром “pH-340” (Россия)
составляла ±0,03 ед. pH.
Методы. Видимая спектроскопия. Зависимость спектров поглощения ЕВ в 0,005 М
тетрабората + 0,005 М NaCl (в этих ионных условиях переход B → m зарегистрирован
методами флуоресцентной спектроскопии [5]) от отношения ρ = Р/[EB] ([EB] = 5 · 10−6 М),
в отсутствие и присутствии 2 · 10−4 М Zn2+, измеряли на спектрофотометре М40 (Carl
Zeiss Jena, Germany). Процесс металлизации зависит от времени инкубации [1], поэтому
каждый спектр ЕВ при различных Р измеряли после выдержки раствора, содержащего
ZnCl2, в течение 180 мин. Все измерения выполнены при комнатной температуре (T0 =
= 25 ± 2 ◦С).
Дифференциальная УФ (ДУФ)-спектроскопия. ДУФ-спектры однонитевой ДНК
(∆A(ν)), индуцированные ионами Zn2+, были получены с использованием четырехкюве-
тной схемы [10] также при T = T0 на спектрофотометре Specord UV VIS (Carl Zeiss Jena —
Germany), соединенном с персональным компьютером, который нормировал спектры ∆A(ν)
на концентрацию ДНК: ∆ε(ν) = ∆A(ν)/P. ДНК (Р = 2 · 10−5 M), находящуюся в конфор-
мации однонитевого полностью разупорядоченного клубка (ДНК1), получали нагреванием
раствора двухнитевой B-ДНК в буфере до T= 90 ◦С, превышающей температуру оконча-
ния перехода B-ДНК → ДНК1 на 18 ◦С [9] последующим охлаждением раствора до T = T0
со скоростью ∼25 град/мин. При этом поглощение ДНК при T = 90 ◦С и T = T0 отличалось
не более, чем на 1%. Сразу же после этого проводили измерения ДУФ-спектров в режиме
последовательного титрования (без предварительной выдержки), продолжительность кото-
рого не превышала 60 мин. В течение этого времени двойная спираль не восстанавливалась:
в отсутствие ионов Zn2+ спектр поглощения ДНК оставался постоянным в пределах чув-
ствительности спектрофотометра.
Результаты и обсуждение. Образование комплекса ЕВ с ДНК приводит к красному
сдвигу спектра поглощения красителя (рис. 1, а). Введение в раствор ионов Zn2+ приво-
дит к частичному его восстановлению (рис. 1, б ). Взаимодействие цинка с гетероатомами
азотистых оснований индуцирует красное смещение спектра поглощения ДНК1, регистри-
руемое по появлению ДУФ-спектров, интенсивность которых в экстремумах пропорцио-
нальна степени связывания ионов Zn2+ с основаниями однонитевой ДНК (C1N ), зависи-
мость которой от концентрации ионов представлена в табл. 1. Согласно табл. 2, ионы Zn2+
Таблица 1. Концентрационная зависимость изменения поглощения однонитевой ДНК (∆εa) и степени свя-
зывания ионов Zn2+ (C1N ) при νmin = 41000 см−1 ([EB] = 0; P = 2 · 10−5 М; 25 ◦С)
[Zn2+], M 3 · 10−5 8 · 10−5 10−4 1,7 · 10−4 5 · 10−4
∆εa, M−1 cм−1
−375 −990 −1415 −1370 −1785∗
C1N 0,21 0,55 0,79 0,77 1
∗ — максимальное значение; C1N = [∆εa/(∆εa)max]ν min.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2013, №3 173
Рис. 1. Спектры поглощения этидиума бромида (5 ·10−6 M) и его комплексов с ДНК в отсутствие (а) и при-
сутствии 2·10−4 M Zn2+ (б ) при различных значениях отношения ρ = Р/[ЕВ], а также дифференциальные
УФ-спектры однонитевой ДНК, индуцированные ионами Zn2+ в отсутствие ЕВ (в) (pH 8,5; 25 ◦С):
а, б — цифры возле кривых — значения ρ; в — 1 — 2 · 10−5 М Zn2+; 2 — 8 · 10−5 М; 3 — 5 · 10−4 М
уменьшают концентрацию связанных с ДНК молекул ЕВ на величину, равную степени за-
полнения цинком мест связывания на основаниях ДНК (CmN ) при образовании мостиков
AN1-Zn2+-N3T и/или GN1-Zn2+-N3C [1, 11] в структуре m-формы:
CmN =
[
AE −A0
(AE −A0)m
]
νm
−
[
AE −Ai
(AE −A0)m
]
νm
= (CE)0 − (CE)i =
Ai −A0
∆Am
, (1)
где AE = 0,029 см−1 — поглощение свободного этидиума бромида (рис. 1, а), A0 и Ai —
поглощение соответственно свободных молекул ЕВ и их комплексов с ДНК в отсутствие
(индекс 0) и присутствии (индекс i) ионов Zn2+. (AЕ − A0)m = ∆Am = 0, 016 см−1 —
максимальный гипохромизм поглощения ЕВ при νm = 20800 см−1 (табл. 2).
Данные табл. 2 позволяют рассчитать константы связывания ионов Zn2+, соответствую-
щие образованию этих комплексов в рамках модели связывания Скетчарда:
KmN =
CmN
(1− CmN )Af
=
CmN
(1− CmN )([Zn2+]− CmNnmNP )
, (2)
где [Zn2+] = 2 · 10−4 M; nmN = 0,5 — стехиометрия комплекса [1, 11].
Таблица 2. Зависимость от ρ степени металлизации B-ДНК ионами Zn2+, рассчитанная по формуле (1)
([EB] = 5 · 10−6 M; [Zn2+] = 2 · 10−4 М; 25 ◦С)
ρ 0 2 3 4 5 6 8 12 18 21
A0 · 10
3, cм−1 29 25 21 17 16 16 15 13 13 14
CE0 0 0,25 0,5 0,75 0,81 0,81 0,88 1,0 1,0 0,94
Ai · 10
3, cм−1 0 28 27 26 24 22 20 19
CEi 0 0,06 0,13 0,19 0,31 0,44 0,56 0,63
CmN 0 0,19 0,38 0,56 0,5 0,38 0,31 0,38
Пр и м е ч а н и е . Обозначения в тексте.
174 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2013, №3
Рис. 2. Зависимости констант (KmN ) (а и б ) и гиббсовской свободной энергии (∆GmN ) связывания от ρ (а)
и степени металлизации (б ). Условия: 1 ; 2 — 5 · 10−6 M ЕВ; 2 · 10−4 М Zn2+; P = variable; 3 ; 4 — [EB] = 0;
P = 2 · 10−5 М; [Zn2+] = variable
Форма зависимости KmN от ρ (рис. 2, а) или, что то же самое, от P при постоянных
концентрациях ЕВ и Zn2+ показывает, что наибольший выигрыш в гиббсовской свободной
энергии (∆GmN ) наблюдается при ρкр = 4 — ситуация, соответствующая полному заполне-
нию мест связывания на ДНК (в отсутствие цинка). В области ρ < ρкр повышение P при-
водит к возрастанию KmN (и, соответственно, CmN ), обусловленному, по-видимому, тем,
что в этом случае относительная концентрация ионов Mt2+ большая (например, при 10−5
MР отношение [Zn2+]/P = 20, а [ЕВ]/P = 0,5), что делает ионы сильным конкурентом
красителю. При ρ > ρкр величина KmN начинает уменьшаться, по-видимому, из-за сдви-
га равновесия в конкурентном связывании с ДНК ионов Zn2+ и ЕВ в сторону последнего
при уменьшении относительной концентрации цинка. При больших ρ степень металлизации
достигает своего предельного значения (рис. 2, а).
Сложная зависимость KmN от ρ превращается в линейную функцию от CmN (рис. 2,
б ), отражая тот факт, что величина ∆GmN прямо пропорциональна степени металлизации
ДНК (рис. 1, б ). Согласно этому рисунку, при концентрации ионов цинка, соответствующей
началу перехода B → m (CmN = 0), значения KmN и ∆GmN равны соответственно 625 М−1
и −3,8 ккал/моль · пар.
Ранее [9] нами были получены концентрационные зависимости изменения температуры
плавления (δTm)B- и m-ДНК, индуцированного взаимодействием ионов Zn2+ с ее азотис-
тыми основаниями.
В соответствии с теорией “лигандов” [12] при nm = 0,5 для переходов двойная спираль →
→ однонитевой клубок (переходов 2 → 1) должны быть справедливы выражения:
[(δTm)m→1]N = B ln
1 +KmNAf
1 +K1NAf
, (3)
[(δTm)B→1]N = B ln
1 +KBNAf
1 +K1NAf
, (4)
где B = RTm0
Tm/∆H2→1; Tmo и Tm — температуры перехода 2 → 1 соответственно в от-
сутствие и присутствии ионов Zn2+; Af — концентрация свободных ионов; ∆H2→1 — эн-
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2013, №3 175
Рис. 3. Концентрационные зависимости изменения температур перехода спираль–клубок ДНК, обусловлен-
ные взаимодействием ионов Zn2+ с основаниями B- и m-форм (а) [9] и соответствующих констант связыва-
ния (б ), рассчитанных по формулам (2)–(4):
1 — атомы N7 пуринов В- и, вероятно, m-ДНК (KBN ); 2 — гетероатомы азотистых оснований однонитевой
ДНК (K1N ); 3 — атомы азота в межнитевых хелатах в структуре m-формы; 4 — изменение температуры
начала кооперативного перехода B → m [9]. Условия: [EB] = 0; P = 2 · 10−5 М
тальпия перехода 2 → 1; KmN — константа связывания, соответствующая образованию
межнитевых хелатных мостиков [11]; KBN — константа связывания ионов с атомами N7
пуринов B- и m-ДНК. K1N — константы связывания ионов с гетероатомами азотистых
оснований ДНК1, находящейся в конформации полностью разупорядоченного клубка. Пос-
кольку [Zn2+], по меньшей мере, в 2,5 раза больше P , полагали, что Af = [Zn2+]. Соглас-
но [13], в изученных ионных условиях ∆H2→1 = 8 ккал/моль · пар осн.
Для определения KmN и KBN необходимо знать величину K1N , концентрационная за-
висимость которой была рассчитана по формуле (2) при замене KmN на K1N и CmN на C1N
(табл. 1). При расчете KmN и KBN по формулам (3) и (4) полагали, что (δTm)теор =
= (δTm)эксп во всей области концентраций ионов Zn2+, где (δTm)эксп — концентрационные
зависимости изменения термостабильности различных форм ДНК (рис. 3, а).
Данные рис. 3, б показывают, что образование хелатных цинковых мостиков в структуре
m-формы дает наибольший выигрыш в величине ∆GmN системы по сравнению с образо-
ванием комплексов цинка с азотистыми основаниями ДНК1 (KmN > K1N ). Именно это
обстоятельство, согласно формуле (3), обеспечивает дополнительное повышение термоста-
бильности ДНК при переходе из B- в m-форму. Взаимодействие ионов Zn2+ с основаниями
B-, m- и однонитевой ДНК характеризуется положительной кооперативностью (производ-
ная γ = dlgK/d[Zn2+] > 0) (рис. 2, б и 3, б ).
При переходе ДНК в m-форму ее спектры поглощения и кругового дихроизма почти не
меняются — свидетельство того, что структуры m- и B-форм отличаются незначительно [1].
Поэтому наиболее вероятной причиной положительной кооперативности связывания цин-
ка с обеими формами является, по-видимому, рост энтропии системы из-за дегидратации
ионов Zn2+ и азотистых оснований при образовании внутрисферных координационных свя-
зей, наблюдаемых и в случае ДНК1. Их количество в последней должно быть больше, чем
в В-форме: γ2 > γ1 (соответственно кривые 2 и 1, рис. 3, б ). При образовании m-ДНК про-
176 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2013, №3
исходит дополнительное освобождение иминопротонов, принадлежащих N3T и N1G [1, 11].
Соответственно γ3 имеет наибольшее значение (кривая 3 рис. 3, б ). Наконец, в присутствии
ЕВ дополнительным фактором возрастания положительной кооперативности должно быть
увеличение концентрации его свободных молекул при металлизации ДНК. Действительно,
для кривой 1 (рис. 2, б ) производная α = dlgKmN/dCmN = 1,9, а для кривой 3 (рис. 2, б )
α = 1,3. При этом значения KmN в присутствии и отсутствие ЕВ существенно отличаются
(примерно на порядок при 2 · 10−4 М Zn2+ — см. рис. 1, а и 3, б ).
Для проверки корректности полученных расчетных данных была определена энтальпия
перехода B → m по формуле, аналогичной формулам (3) и (4), записанной в удобной для
расчета ∆HB→m форме:
∆HB→m = R
(
T 2
B
δTB→m
+ TB
)
ln
1 +KBN [Zn2+]
1 +KmN [Zn2+]
, (5)
где TB — температура, соответствующая концентрации цинка, ниже которой переход B →
→ m отсутствует ([Zn]кр на рис. 3, а); δTB→m — понижение температуры начала перехода
B → m в диапазоне [Zn2+] = (0,8÷ 1,7) · 10−4 M (рис. 3, а и 3, б ). Рассчитанное по формуле
(5) значение ∆HB→m = (3± 1) ккал/моль · пар осн. в пределах ошибки удовлетворительно
согласуется с данными изотермической титрующей калориметрии (∆H), согласно которым
в том же диапазоне содержания цинка энтальпия B → m перехода для ДНК тимуса теленка
составляет 2,2±0,5 ккал/моль·пар [14]. Таким образом, ∆HB→m в 2–3 раза меньше ∆H2→1.
Из рис. 3, б видно, что KBN < KmN . Согласно формуле (5), это обстоятельство пони-
жает температуру перехода B → m при повышении концентрации цинка (рис. 3, а, [1, 9]).
Однако дополнительным фактором этого понижения является малая величина ∆HB→m.
Это обстоятельство является, по-видимому, причиной того, что флуктуационный переход
B-ДНК в m-форму наблюдался даже при температурах (0–4) ◦С [1, 14].
Определенная калориметрически [14] энтальпия перехода B → m является, по существу,
энтальпией образования металлических мостиков в m-форме. Таким образом, данные нас-
тоящей работы (рис. 2, б ) показывают, что основной вклад в свободную энергию перехода
(или образования комплекса) вносит ее энтропийный член.
Основные результаты. 1. Существует оптимальное для металлизации цинком соотно-
шение между концентрациями ДНК и этидиума бромида.
2. Причиной повышения термостабильности B-ДНК при ее переходе в m-форму являет-
ся бо́льшая величина константы образования межнитевых цинковых мостиков в комплемен-
тарных парах ДНК, по сравнению с таковой, характеризующей образование координацион-
ных связей с основаниями однонитевой ДНК.
3. Существенным фактором понижения температуры перехода B → m является малая
величина энтальпии этого перехода, так что основной вклад в его свободную энергию вносит
энтропийная составляющая.
4. Присутствие в растворе даже малого количества красителя (5 мкМ ЕВ) на порядок
уменьшает константу металлизации ДНК (при сопоставимой концентрации ионов цинка).
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. Rakitin A., Aich P., Papadoupoulos C., Kobzar Yu. et al. Metallic conduction through engi-
neered DNA: DNA nanoelectronic building blocks // Phys. Rev. Letters. – 2001. – 86, No 6. –
P. 3670–3673.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2013, №3 177
3. Kasumov A.Yu., Kociak M., Gueron S. et al. Proximity-induced superconductivity in DNA // Science. –
2001. – 291 (5502). – P. 280–282.
4. Bhalla V., Bajpai R. P., Bharadwaj L.M. DNA electronics // Europ. Molec. Biol. Organ. Rep. – 2003. –
4, No 5. – P. 442–445.
5. 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.
6. Ильичева И.А., Флорентьев В.Л. Четырехцепочечные комплексы олигонуклеотидов – квадрупле-
ксы // Мол. биол. – 1992. – 26, № 3. – С. 512–531.
7. Henkel R., Bittner J., Weber R. et al. Relevance of zinc in human sperm flagella and its relation to
motility // Fertility and Sterility. – 1999. – 71, No 6. – P. 1138–1143.
8. Sanz Miguel P. J., Amo-Ochoa P., Castillo O. et al. Supermolecular chemistry of Metal-Nucleobase comp-
lexes // in: Metal Complex-DNA interactions. Eds. Hadjiliadis and E. Sletten. – New York: Wiley, 2009. –
Ch. 4. – P. 95–132.
9. Sorokin V.A., Valeev V.A., Usenko E. L, Andrushchenko V.V. DNA conformational equilibrium in
the presence of Zn2+ ions in neutral and alkaline solutions // Int. J. Biol. Macromol. – 2012. – 50. –
P. 854–860.
10. Sorokin V.A., Valeev V.A., Usenko E. L., Andrushchenko V.V. Divalent metal ion effect on helix-coil
transition of high molecular weight DNA in neutral and alkaline solutions // Ibid. – 2011. – 48. –
P. 369–374.
11. 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.
12. Sorokin V.A., Valeev V.A., Gladchenko G.O. et al. Mg2+ ion effect on conformational equilibrium of
PolyA · 2PolyU and PolyAPolyU in aqueous solutions // Int. J. Biol. Macromol. – 2003. – 31. – P. 223–
233.
13. Sorokin V.A., Gladchenko G.O., Galkin V. L. et al. Theories of “condensation” and “ligands” on
describing the DNA helix-to-coil transition: comparative analysis // Biophysics. – 1996. – 41. –
P. 1233–1239.
14. Wettig S. D., Wood D.O., Lee J. S. Thermodynamic investigation of M-DNA: a novel metal-DNA complex //
J. Inorg. Biochem. – 2003. – 94. – P. 94–99.
Поступило в редакцию 24.07.2012Физико-технический институт низких
температур им. Б.И. Веркина
НАН Украины, Харьков
В.О. Сорокiн, В.О. Валєєв, Є.Л. Усенко
Термодинамiка взаємодiї iонiв Zn
2+ з природною ДНК за умов
B → m переходу
Методами видимої та диференцiйної УФ-спектроскопiй вивчено залежнiсть ступеня ме-
талiзацiї В-ДНК вiд її концентрацiї при фiксованих концентрацiях етидiуму бромiду
(5 мкM) та iонiв Zn2+ (0,2 мM) в тетраборатному буферi (pH 8,5), де має мiсце її пере-
хiд у металiзовану (m) форму. Розраховано константи зв’язування iонiв Zn2+ з двонитко-
вою ДНК, що вiдповiдають формуванню мiжниткових металевих мiсткiв. Встановлено
причину пiдвищення температури переходу спiраль–клубок ДНК (до 10 ◦С) при утвореннi
m-форми, а також сильного (до 30 ◦С) кооперативного зниження температури переходу
B → m. Етидiум бромiд зменшує ефективнiсть металiзацiї ДНК.
178 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2013, №3
V.A. Sorokin, V. A. Valeev, E. L. Usenko
Thermodynamics of Zn
2+ ion interaction with natural DNA under
conditions of the B → m transition
Methods of visual and differential UV-spectroscopies are used to study the dependence of the metalli-
zation degree of B-DNA on its concentration under fixed ethidium bromide concentrations(5 µM)
and Zn2+ ions (0.2 mM) in tetraborate buffer (pH 8.5), where the B-DNA transition into the
metallized (m) form takes place. Constants of Zn2+ ion binding to double-stranded DNA are
calculated, corresponding to the formation of interstrand metal bridges. The cause of an increase
in the DNA helix-coil transition temperature (up to 10 ◦C) upon the m-form formation and that
of the strong (up to 30 ◦C) cooperative decrease in the temperature of the B → m transition are
ascertained. Ethidium bromide decreases the effectiveness of DNA metallization.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2013, №3 179
|