Шестопалова Ганна Вікторівна. Молекулярні механізми гідратації та комплексоутворення нуклеїнових кислот з біологічно активними речовинами : Дис... д-ра наук: 03.00.02 - 2007.
Анотація до роботи:
Шестопалова Г.В. Молекулярні механізми гідратації та комплексоутворення нуклеїнових кислот з біологічно активними речовинами. – Рукопис.
Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 03.00.02 – біофізика. - Харківський національний університет ім.В.Н.Каразіна, м. Харків, 2007.
Використовуючи комплексний підхід, що поєднує сучасні методи комп’ютерного моделювання та великий обсяг експериментальних даних, вперше проведено систематичне дослідження гідратації і комплексоутворення фрагментів нуклеїнових кислот різного рівня структурної організації з ароматичними біологічно активними речовинами, отримано та візуалізовано просторові структури, гідратні оболонки, обчислено різні складові енергій взаємодії для систем, що містять воду та (1) фрагменти НК різного нуклеотидного складу і структурної організації; (2) ароматичні БАР – аналоги протипухлинних антибіотиків та їх асоціати; (3) комплекси різних фрагментів НК з ароматичними БАР. За допомогою такого підходу встановлено молекулярні механізми формування гідратних оболонок динуклеозидмонофосфатів та олігонуклеотидів в залежності від їх нуклеотидного складу та конформації. На підставі сумісного аналізу результатів експериментальних досліджень та компютерного моделювання запропоновано найбільш ймовірні моделі комплексів фрагментів НК та досліджених ароматичних БАР і встановлено роль водного оточення (упорядкованих елементів гідратних оболонок – водних містків та ланцюжків) у стабілізації таких комплексів.
В дисертаційній роботі вперше використано комплексний підхід при дослідженнях молекулярних механізмів взаємодії у системах НК – вода та НК – БАР – вода, що поєднує сучасні компютерні методи моделювання і дані експериментальних методів. Таких підхід дозволяє запропонувати найбільш ймовірні моделі комплексів, оцінити внески різних видів міжмолекулярних взаємодій, урахувати у явному вигляді вплив розчинника на формування стабільних комплексів НК – ліганд. Він може бути використаний у біотехнології при створенні та тестуванні нових фармакологічних препаратів ген-спрямованної дії для відносно швидкого відбору сполук, що на молекулярному рівні проявляють максимальну спорідненість до молекул НК.
Основні результати дисертації сформульовано наступним чином:
У роботі за допомогою комплексного підходу (компютерне моделювання і використання експериментальних даних) вперше проведено систематичне комплексне дослідження гідратації та комплексоутворення фрагментів нуклеїнових кислот різного рівня структурної організації з ароматичними БАР, отримано і візуалізовано просторові структури, гідратні оболонки і різні складові енергій взаємодій для систем, що містять воду і (1) ДМФ різного нуклеотидного складу і конформацій; (2) фрагменти одно- і двоспіральних полірибонуклеотидів; (3) ароматичні БАР – аналоги протипухлинних антибіотиків; (4) само- і гетероасоціати ароматичних БАР; (5) комплекси різних фрагментів НК з ароматичними БАР.
Показано, що стабільність структури ДМФ в водному оточенні визначається кількома типами конкурентних взаємодій, величини яких і відносний внесок у повну енергію систем ДМФ-вода залежать від нуклеотидного складу та вмісту води у системах. Вперше на атомному рівні описано формування гідратного оточення ДМФ, що відрізняються нуклеотидним складом і конформацією. Показано, що формування гідратної оболонки ДМФ залежить від нуклеотидного складу і визначається особливостями структурних елементів, передусім, азотистих основ, які відрізняються здатністю звязувати різну кількість молекул води.
Вперше на основі енергетичних характеристик систем ДМФ-вода, отриманих методом Монте Карло, визначено надлишкові енергії гідратації ДМФ та часи дипольної релаксації молекул води у звязаному стані. Зафіксовано залежність цих параметрів від нуклеотидного складу ДМФ і вмісту води у системах.
Методами компютерного моделювання отримано детальний опис гідратного оточення одно- і двоспіральних форм poly(rС) і poly(rА). Показано, що при ускладненні структурних елементів цих полінуклеотидів, роль гідратного оточення у стабілизації спіральних форм зростає.
Методами компютерного моделювання отримано рівноважні молекулярні структури і гідратні оболонки похідних актиноцину, що відрізняються структурою бокових радикалів (ActII-V). Показано, що зростання розмірів бокових замісників приводить до руйнації структури розчинника і зростання гідратної оболонки усіх досліджених лігандів.
Методом Монте Карло отримано найбільш ймовірні молекулярні моделі двох типів комплексів фрагментів ДНК з похідними актиноцину ActII-V: інтеркаляція молекул ActII-V між GC-парами подвійної спіралі ДНК і звязування молекул ActII-V у малому жолобі ДНК. Встановлено, що додатково комплекси стабілізуються водними містками, які утворюються у сайтах звязування лігандів.
На основі аналізу результатів експериментальних досліджень (ІЧ-спектроскопія і пєзогравіметрія) і компютерного моделювання (метод Монте Карло) комплексів двох структурних форм poly(rА) з кофеїном показано, що кофеїн не змінює процес формування спіральних структур poly(rА). Запропоновано найбільш ймовірні молекулярні моделі комплексів. Показано, що для комплексу односпіральна poly(rА)-кофеїн можливі два типа звязування, а для комплексу двоспіральної polyr(AН-АН)-кофеїн - тільки один тип звязування. Комплекси стабілізуються ван-дер-Ваальсовими та електростатичними взаємодіями і утворенням водних містків та ланцюжків, що звязують донорно-акцепторні групи фрагментів полінуклеотидів і кофеїну.
Методами молекулярного докінгу і Монте Карло визначено структури найбільш ймовірних молекулярних моделей комплексів похідної актиноцину АctIII і фрагменту двоспіральної poly(rC) за типом зовнішнього звязувания. Показано, що комплекси додатково стабілізуються міжмолекулярними водневими звязками, гідрофобними взаємодіями та взаємодіями з молекулами розчинника.
Методом молекулярної динаміки детально вивчено процеси гомо- і гетероасоціації кофеїну та похідної актиноцину ActII у воді і водно-сольових розчинах та взаємодію їх мономерів і асоціатів з іон-гідратним оточенням. Показано, що гомо- і гетероасоціати стабілізуються ван-дер-Ваальсовими, гідрофобними взаємодіями і міжмолекулярними водневими звязками.
Методом молекулярної динаміки вперше отримано структурні та енергетичні характеристики комплексів фрагментів ДНК з похідною актиноцину ActII і кофеїном. Показано, що комплекси ActII-ДНК енергетично вигідніші, ніж комплекси кофеїн-ДНК, причому енергії взаємодії обох лігандів з фрагментами ДНК мають близькі значення. Це свідчить про можливість конкуренції кофеїну і похідної актиноцину ActII за місця звязувания на молекулі – мішені – ДНК. Показано, що ступінь руйнації моногідратного шару подвійної спіралі при утворенні комплексу ДНК-ліганд визначається способом звязувания ліганду та його можливістю утворювати водневі звязки з молекулами води.
За результатами молекулярно-динамічного моделювання процесів само- і гетероасоціації ActII та кофеїну у розчинах і комплексоутворення ActII та кофеїну з фрагментами ДНК, показано, що кофеїн може проявляти як інтерцепторний, так і протекторний механізми модифікації біологічної активності потенційного протипухлинного антибіотика - похідного актиноцину ActII.
Публікації автора:
Вирник К.М., Гасан А.И., Малеев В.Я., Шестопалова А.В. Энергетические и динамические свойства воды в гидратной оболочке ДНК // Вісник ХДУ № 410. - Біофізичний вісник. - 1998. - вип.1. - С.41-49.
Шестопалова А.В., Анищенко Д.Б., Малеев В.Я. Изучение гидратации различных структурных форм полирибоцитидиловой кислоты и ее компонентов методом Монте Карло. 1. Влияние протонирования на гидратацию цитозина // Вісник ХДУ № 450. - Біофізичний вісник. - 1999. - вип.4. - C.17-22.
Шестопалова А.В., Анищенко Д.Б., Малеев В.Я. Изучение гидратации различных структурных форм полирибоцитидиловой кислоты и ее компонентов методом Монте Карло. 2. Влияние протонирования на гидратацию ассоциатов цитозина. // Вісник ХДУ № 466. - Біофізичний вісник. – 1999. - вип.5. - C. 15-21.
Шестопалова А.В., Анищенко Д.Б., Малеев В.Я. Изучение гидратации различных структурных форм полирибоцитидиловой кислоты и ее компонентов методом Монте Карло. 3. Роль воды в стабилизации спиральных форм полирибоцитидиловой кислоты // Вісник ХДУ № 488. - Біофізичний вісник. - 2000. - вип.6. - C. 26-32.
Shestopalova A.V. Hydration of nucleic acids components in dependence of nucleotide composition and relative humidity: a Monte Carlo simulation // European Phys. J. D. – 2002. - Vol.20. - P.331-337
Анищенко Д.Б., Березняк Е.Г., Шестопалова А.В., Малеев В.Я. Изучение молекулярных механизмов взаимодействия кофеина и производных актиноцина с ДНК методом молекулярной динамики. 1. Исследование структуры мономерных и димерных форм производного актиноцина в ион-гидратном окружении. // Вісник ХДУ, №560. - Біофізичний вісник. - 2002. - вип.1(10). - С.36-41.
Maleev V.Ya., Semenov M.A., Kashpur V.A., Bolbukh T.V, Anischenko D.B., Shestopalova A.V. Structure and hydration of polyribocytidylic acid from the data of infrared spectrostroscopy, EHF dielectrometry and computer modeling // J. Mol. Structure. – 2002. - Vol.605. - P.51-61.
Анищенко Д.Б., Березняк Е.Г., Шестопалова А.В., Малеев В.Я. Физические механизмы взаимодействия производных актиноцина с ДНК. 8. Моделирование структуры и гидратации производных актиноцина с различной длиной аминоалкильных цепочек // Вісник ХДУ №568. - Біофізичний вісник. - 2002. - вип.2 (11). - С.25-29.
Березняк Е.Г., Семенов М.А., Больбух Т.В., Духопельников Е.В., Шестопалова А.В., Малеев В.Я. Исследование влияния воды на взаимодействие ДНК и производных актиноцина с различной длиной аминоалкильных цепочек методами ИК-спектроскопии и компьютерного моделирования // Биофизика. - 2002. - T.47. - C.1005-1014.
Maleev V.Ya., Semenov M.A., Kruglova E.B., Bolbukh T.V., Gasan A.I., Bereznyak E.G., Shestopalova A.V. Spectroscopic and calorimetric study of DNA interaction with a new series of actinocin derivatives // J. Mol. Struct. - 2003. - Vol.645. - P.145-158.
Анищенко Д.Б., Березняк Е.Г., Шестопалова А.В., Малеев В.Я. Изучение молекулярных механизмов взаимодействия кофеина и производных актиноцина с ДНК методом молекулярной динамики. II. Роль различных факторов при образовании комплекса ДНК-лиганд // Вісник ХДУ №593. - Біофізичний вісник. - 2003. - вип.1 (12). - С. 13-19.
Miroshnychenko K.V., Shestopalova A.V. Flexible docking of DNA fragments and actinocin derivatives // J. Mol. Simulation. – 2005. - Vol. 31. - N. 8. - P. 567–574.
Малеев В.Я., Шестопалова А.В. Физические принципы молекулярной организации биополимеров // Радиофизика и электроника. - 2005. – Т.10. - С.677-699.
Shestopalova A.V. The investigation of the association of caffeine and actinocin derivatives in aqueous solution: A molecular dynamics simulation // J.Mol. Liquids. - 2006. - Vol.137. - Р.113-117.
Шестопалова А.В. Компьютерное моделирование ассоциации кофеина и произ-водных актиноцина в водных растворах // Биофизика. - 2006. - T.51. - С.389-401.
Шестопалова А.В., Больбух Т.В., Семенов М.А. Молекулярные механизмы взаимодействия кофеина с различными структурными формами полирибоадениловой кислоты: эксперимент и компьютерное моделирование // Вісник ХНУ. - Біофізичний вісник. - 2006. - Вып.1(17). - С.24-35.
Шестопалова А.В. Связывание производного актиноцина c фрагментами ДНК: моделирование методом Монте Карло // Биополимеры и клетка. - 2007. - Т.23. - С.35-44.
Гасан А.І., Малєєв В.Я., Шестопалова А.В. Енергетика зв’язування та динамічна рухливість води у гідратній оболонці ДНК // Тези доп. І з’їзду Українського біофізичного товариства, 1994, с.60-61.
Shestopalova A.V., Gasan A.I. Energetic characteristics and dynamical properties of the bond water on the DNA hydration shell XVI Int.Cong. Biochem Mol.Biol.. India,New Dethy, 19-22 September 1994, A.6004.
Вирник К.М., Гасан А.И., Малеев В.Я., Шестопалова А.В. Динамические свойства молекул воды гидратной оболочки биспиральных полинуклеотидных комплексов и ДНК // 3 Международная конф. «Физические явления в твердых телах», Харьков, 1997,сб.трудов, С.119.
Вірник К.М., Гасан А. І., Малєєв В.Я., Шестопалова А.В. Енергетичні та динамічні характеристики води в гідратних оболонках природних ДНК// ІІ з’їзд Українського біофізичного товариства, Харків, 1998, тези доповідей, С.17.
Шестопалова А.В., Данилов В.І. Вивчення взаємодії динуклеотидів з водним оточенням за допомогою методу Монте Карло // ІІ з’їзд Українського біофізичного товариства, Харків, 1998, тези доповідей, С.36.
Вирник К.М., Гасан А.И., Малеев В.Я., Шестопалова А.В. Энергетика гидратации нуклеиновых кислот и динамика связанной воды. // Int.Conf.on Physics of biological systems, Kiyv,1998,Abs.,P.42.
Шестопалова А.В. Гидратация динуклеотидов в водных кластерах различных размеров: моделирование методом Монте Карло // Int. Conf. on Physics of biological systems, Kiyv,1998,Abs.,P.131
Bolbukh T.V., Kashpur V.A., Semenov M.A., Shestopalova A.V. Hydration and structure transisions of polyribocytidilic acid // Int.Conf.on Physics of biological systems, Kiyv,1998,Abs.,P.97.
Maleev V.Ya., Semenov M.A., Kashpur V.A., Bolbukh T.V., Shestopalova A.V. Hydration and conformations of polycytidylic acid from the data of infrared spectroscopy, EHF dielectrometry and Monte Carlo simulation // Spectroscopy of biological molecules: new diractions: 8th Europ. Conf. on the Spectr. Biol.Mol., 29 Aug. - 2 Sep 1999, Enschenede, The Netherlands, Books of abs., P.227-228.
Шестопалова А.В. Взаимодействие динуклеотидов с водным окружением: моделирование методом Монте Карло // II съезд биофизиков России, 23-27 авг. уста 1999г, Москва, Россия, Тезисы, T.1. - C. 984-985
Вирник К.М., Гасан А.И., Малеев В.Я., Шестопалова А.В. Энергетические и динамические свойства гидратного окружения природных ДНК и модельных соединений // II съезд биофизиков России, 23-27 августа 1999г, Москва, Россия, Тезисы, T.1. - C. 104-105.
Shestopalova A.V., Anischenko D.B. Theoretical analysis of influence the cytosine protonation on hydration of polycytidilic acids in different structural forms: a Monte Carlo simulation. // Physics of the alive (Abs. Symp. “Theoretical Physics and biology”, Kiev, 1999). - 1999. - V.7. - Р.95.
Shestopalova A.V., Anischenko D.B., Maleev V.Ya. Hydration of different structural forms of polyrC: a Monte Carlo simulation // European Biophys.J. - 2000. - V.29. - N.5-6. - P. 253, abs. of the 3d Europ. Biophys.Congress, Munchen, 9-13 Sept. 2000.
Maleev V.Ya., Semenov M.A., Kashpur V.A., Bolbukh T.V, Anischenko D.B., Shestopalova A.V. Structure and hydration of polyribocytidylic acid from the data of infrared spectrosopy, EHF dielectrometry and computer modeling // XXV European Congress on Molecular Spectroscopy, 27 Aug.-1 Sept. 2000, Coimbra, Portugal, Abs., P.66.
Bolbukh T.V., Shestopalova A.V., Anischenko D.B. Spectroscopic investigation of hydration complexes of polyriboadenylic acids with caffeine in films // IX ECSBM, Prague, Czech Republic, September 8-13, 2001, Book of Abstracts, P.120.
Семенов М.А., Малеев В.Я., Глибин Е.Н., Круглова Е.Б., Гасан А.И., Больбух Т.В., Березняк Е.Г., Шестопалова А.В. Влияние воды на взаимодействие ДНК с производными актиноцина // 5 Международная конф. «Физические явления в твердых телах», Харьков, 2001,сб.трудов, С.74.
Anischenko D.B., Bolbukh T.V., Shestopalova A.V. Hydration of polyriboadenylic acid - caffeine complexes in films // Тези доповідей III з'їзду Українського біофізичного товариства, Львів, 8-11 жовтня 2002, С.24.
Березняк К.Г., Шестопалова А.В. Комп'ютерне моделювання гідратованих комплексів похідних актиноцину та фрагментів ДНК // Тези доповідей III з'їзду Українського біофізичного товариства, Львів, 8-11 жовтня 2002, С.25.
Аніщенко Д.Б., Березняк К.Г., Малєєв В.Я., Шестопалова А.В. Вивчення молекулярних механізмів взаємодії похідного актиноцину з кофеїном методом молекулярної динаміки. // Тези доповідей III з'їзду Українського біофізичного товариства, Львів, 8-11 жовтня 2002, С.34.
Анищенко Д.Б., Березняк Е.Г., Шестопалова А.В. Компьютерное моделирование процессов комплексообразования противоопухолевых антибиотиков и фрагментов ДНК // Сучасні технології органиічного синтезу та медичної хімії. // Тези доповідей всеукраїнської науково-практичної конференції, Харків. - 2003. - С.115.
Anischenko D.B., Bereznyak E.G., Shestopalova A.V., Maleev V.Ya. Molecular mechanism of caffeine and actinocin derivatives interaction with DNA fragments // Proceedings of the XVI Intern. School-Seminar "Spectroscopy of molecules and crystals", Sevastopol, Ukraine, 25.05-1.06.2003. Р.192.
Shestopalova A.V. The investigation of the molecular mechanisms of the association of actinocin derivative and caffeine in aqueous solution: the molecular dynamics simulation // III Int.Conf. “Physics of Liquid Matter: Modern Problems”, May 27-31, 2005, Kyiv, Ukraine, Р.178.
Шестопалова А.В. О двух возможных механизмах влияния кофеина на биологическую активность производных актиноцина – аналогов противоопухолевых антибиотиков // Тези доповідей IV з'їзду Українського біофізичного товариства, Донецьк, 19-21 грудня 2006, С.332-333.
