Анотація до роботи:

Перепелиця С.М. Роль протиіонів лужних металів у конформаційній динаміці двоспіральних полінуклеотидів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.14 – теплофізика і молекулярна фізика. – Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2007

У дисертації молекула двоспірального полінуклеотиду з протиіонами лужних металів розглядається, у вигляді гратки іонного кристалу. Динаміка такої гратки досліджувалася в рамках підходу чотирьох мас Волкова і Косевича і теорії іонних кристалів. Для визначення електростатичних взаємодій між зарядами подвійної спіралі та протиіонами розроблено спеціальний підхід для оцінки діелектричної проникності іон-гідратного шару полінуклеотиду та константи Маделунга іон-фосфатної гратки. Отримані значення діелектричної проникності змінюються від 2,3 до 2,6, залежно від типу протиіона. Значення константа Маделунга виявилися близькими до значення одновимірного кристалу (1,386). В результаті показано, що в низькочастотному спектрі двоспіральних полінуклеотидів повинна існувати мода коливань протиіонів відносно фосфатних груп остова подвійної спіралі. Розраховані частоти іон-фосфатних коливань для полінуклеотидів у висушеному стані та для полінуклеотидів у В- та А-формах подвійної спіралі з протиіонами Li⁺, Na⁺, K⁺, Rb⁺ та Cs⁺. Показано, що при збільшенні маси протиіону частота іон-фосфатних коливань зменшується від 250 до 95 см^-1. Розрахунок амплітуд конформаційних коливань показав, що легкі протиіони (Li⁺, Na⁺ та K⁺), рухаючись відносно фосфатних груп остова макромолекули, не збурюють внутрішньої динаміки подвійної спіралі, а важкі протиіони (Rb⁺ та Cs⁺) примушують рухатися всі структурні елементи полінуклеотиду. Для спостереження моди іон-фосфатних коливань досліджувалися спектри комбінаційного розсіяння світла водних розчинів Na- та Cs-ДНК. Виявилося, що в обох спектрах спостерігається смуга 100 см^-1, інтенсивність якої в спектрі Cs-ДНК майже вдвічі більша, ніж в спектрі Na-ДНК. Підсилення цієї смуги в спектрі Cs-ДНК пояснюється тим, що в неї потрапляє мода іон-фосфатних коливань. Спостереження моди іон-фосфатних коливань підтверджує можливість існування динамічної іон-фосфатної гратки в розчинах двоспіральних полінуклеотидів з протиіонами лужних металів.

1. У водних розчинах протиіони і фосфатні групи остова подвійної спіралі полінуклеотиду можуть утворювати регулярну динамічну структуру, яка за своїми властивостями подібна до гратки іонних кристалів.

2. В низькочастотному спектрі двоспіральних полінуклеотидів існує дві моди іон-фосфатних коливань. У випадку легких протиіонів (Li⁺, Na⁺ та K⁺) моди іон-фосфатних коливань вироджуються в одну, а у випадку важких протиіонів (Rb⁺ та Cs⁺) вони розщеплюються на дві моди.

3. Діелектрична проникність іон-гідратного шару полінуклеотиду змінюється від 2,3 до 2,7 залежно від типу протиіонів та конформації подвійної спіралі. Значення константи Маделунга іон-фосфатної гратки близьке до значення одновимірної іонної гратки і змінюється від 1,15 до 1,46.

4. Значення частоти іон-фосфатних коливань перевищує значення частот внутрішніх коливань подвійної спіралі та зменшується від 250 до 95 см^-1 при збільшенні маси протиіону (Li⁺, Na⁺, K⁺, Rb⁺ чи Cs⁺).

5. Частота іон-фосфатних коливань у випадку А-форми подвійної спіралі з протиіонами Na⁺ та K⁺ вища, ніж у В-форми, а з протиіонами Rb⁺ та Cs⁺, навпаки, – нижча. У випадку висушених полінуклеотидів частота іон-фосфатних коливань нижча, ніж в В- та А-формах для всіх протиіонів.

6. Характер конформаційних коливань двоспіральних полінуклеотидів суттєво відрізняється у випадку легких та важких протиіонів. Легкі протиіони (Li⁺, Na⁺ та K⁺) не збурюють внутрішньої динаміки подвійної спіралі, а важкі протиіони (Rb⁺ та Cs⁺) безпосередньо впливають на її конфірмаційні коливання.

7. В низькочастотному спектрі комбінаційного розсіяння світла водних розчинів Cs-ДНК експериментально виявлена мода іон-фосфатних коливань, що підтверджує теоретичні розрахунки. Показано, що ця мода формує смугу 100 см^-1.

Публікації автора:

1. Булавін Л.А., Волков С.Н., Кутовий С.Ю., Перепелиця С.М. Спостереження моди іон-фосфатних коливань макромолекули ДНК //Доп. НАН України. – 2007. – № 10. – С. 69-73.

2. Перепелица С.Н., Волков С.Н. Ион-фосфатные колебания ДНК в В- и А-формах //Біофізичний вісник. – 2005. – Т. 1(15). – C. 5-10.

3. Perepelytsya S.M., Volkov S.N. Ion mode in the DNA low-frequency vibration spectra // Ukr. J. Phys. – 2004. Vol. 49, №11. – P. 1074-1080; Ion-phoshate mode in the DNA low-frequency spectra // e-print, arXiv/q-bio.BM/0412022, 2004.

4. Bulavin L.A., Perepelytsya S.M., Suprun A.D. Quasi-crystalline model of the DNA vibrational dynamics //Functional Materials. – 2003. – Vol. 10, № 4. – P. 599-606.

5. Волков С.Н., Перепелиця С.М. Іонні коливання у низькочастотному спектрі ДНК //Вісник Київ. ун-ту, серія: фіз.-мат. науки. – 2002 . – № 1. – С. 388-395.

6. Перепелиця С.М., Волков С.Н., Іон-фосфатні коливання ДНК. Кристалічний підхід //Сучасні проблеми молекулярної фізики: Зб. наук. праць. ВПЦ «Київський університет», 2006 р. – С. 265-271.

7. Perepelytsya S.M., Volkov S.N. Counterion influence on DNA conformational vibrations //Atomic and Cluster Collisions, structure and dynamics from the nuclear to the biological scale: II International Symposium. Darmstadt, Germany, 19-23 July 2007. - Darmstadt. – P. 117.

8. Перепелица С.Н., Волков С.Н. ДНК как ионный кристалл //Радіофізика та НВЧ електроніка: V Харківська конференція молодих науковців. Харків, 14-16 грудня 2005 р. - Харків, 2005. – С. 52.

9. Perepelytsya S.M., Volkov S.N. Ion-phosphate mode in the A- and B-DNA conformations //Physics of Liquid Matter Modern Problems: III International conference. Kyiv, 27-31 May, 2005. - Kyiv, 2005. – P. 179.

10. Biliy M.M., Kutovyi S.Yu., Perepelytsya S.M., Volkov S.N. The low-frequency Raman spectra of DNA water solutions //Physics of Liquid Matter Modern Problems: III International conference. Kyiv, 27-31 May, 2005. - Kyiv, 2005. – P. 209.

11. Перепелица С.Н., Волков С.Н. Конформационные колебания ДНК с противоионами //Проблеми біологічної і медичної фізики: І Українська наукова конференція. Xapків, 20-25 вересня 2004 р. - Харків, 2004. – С. 40.

12. Perepelytsya S.M., Volkov S.N. Ion-phosphate mode in the DNA low-frequency spectra //V International Conference on Biological Physics. Gothenburg, Sweden, 23-27 August. 2004. - Gothenburg, 2004. – P. 78.

13. Perepelytsya S.M., Volkov S.N. Ion vibration in the low-frequency spectra of DNA

//Радиофизика и СВЧ электроника: ІІІ Харьковская конференция молодых учених. Харьков, 12-15 января 2004 г. - Харьков, 2004. – C. 35.

14. Perepelytsya S.M., Volkov S.N. Low-frequency vibrational spectra of the DNA with ions of alkaline metals //Physics of Liquid Matter Modern Problems: II International conference. Kyiv, 15-17 September. 2003. - Kyiv, 2003. – P. 169.

15. Perepelytsya S.M., Volkov S.N. Ion modes in the DNA conformational vibrations //Spectroscopy of Biological Molecules: X European Conference. – Szeged, Hungary, 30 August - 4 September 2003. - Szeged; JATEPress, 2003. – P. 48.

16. Bulavin L.A., Perepelytsya S.M., Suprun A.D. Theoretical calculation of the vibrational spectra of double-stranded DNA //Spectroscopy in Special Applications: International scientific and practical conference. Kyiv 18-21 June 2003. - Kyiv, 2003. – P. 96.

17. Bulavin L.A., Perepelytsya S.M., Suprun A.D. Quasicrystal model of vibrational dynamics of double-stranded DNA //Spectroscopy of Molecules and Crystals: XVI International School-Seminar. Sevastopol, 25 May - 1 June 2003. – Kyiv, 2003. – P. 74.

18. Перепелиця С.М., Волков С.Н. Йонні моди у низькочастотному спектрі конформаційних коливань молекули ДНК //ІІІ з’їзд Українського біофізичного товариства. Львів, 8-11 жовтня 2002 р. - Львів, 2002. – С. 21.

19. Volkov S.N., Perepelytsya S.M. The conformation low-frequency vibrations of DNA macromolecules in a native state //Physics of Liquid Matter Modern Problems: І International conference. Kyiv, 11-19 September 2001. - Kyiv, 2001. – P. 182.