Анотація до роботи:

Андрусь О.А. Вплив іонів металів на стабільність і конформаційну рівновагу мультиланцюгових гомополінуклеотидів: polyApolyU, polyA2polyU і polyA2polyI. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 03.00.02 – біофізика. – Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, Харків, 2009.

Проведено експериментальне дослідження комплексів іонів металів (Na⁺, Mg²⁺, Ni²⁺ і Cd²⁺) з трьохланцюговою A2I та її складовими (polyI, polyA, AMP, IMP), а також іонів Cd²⁺ с мультиланцюговими гомополінуклеотидами AU і A2U та їх складовими (polyA і polyU) у водних розчинах. Одержані диференційні ультрафіолетові спектри металокомплексів, що дозволило визначити вплив іонів на конформацію полінуклеотидів, встановити місця зв’язування йонів, а також запропонувати структуру комплексів і механізм викликаного йонами руйнування спіралей AU, A2U і A2I. Отримані діаграми конформаційної рівноваги, які характеризують стан комплексів у широкому діапазоні температур і концентрацій іонів. Виконані розрахунки констант зв’язування йонів Mg²⁺ і Ni²⁺ з polyI і A2I. Визначено значення лінійної густини негативного заряду на одноланцюговій polyI, а також отримано аналітичний вираз, згідно з яким відношення констант зв’язування йонів Mg²⁺ з трьохланцюговими та одноланцюговими полінуклеотидами визначається різницею між значеннями лінійних густин зарядів на їх поверхні.

У дисертації експериментально досліджена конформація та стабільність дуплексів, триплексів та їх складових у присутності йонів металів, а також зроблений теоретичний аналіз їх структури та параметрів зв’язування. Результати і висновки роботи поглиблюють уявлення про взаємодію йонів металів з нуклеїновими кислотами і можуть бути використані у дослідженнях з молекулярної біофізики, а також при розробці препаратів ген-направленої дії.

Головні результати роботи можна сформулювати наступним чином:

1. Вперше отримані залежності термостабільності A2I від концентрації йонів Na⁺, Mg²⁺, Cd²⁺ і Ni²⁺. Показано, що при нагріванні A2I в присутності цих іонів має місце тільки конформаційний перехід A2IА+I+I (перехід 31). Можливою причиною цього є вирівнювання стабільностей Хугстинівської та Уотсон-Криківської пар основ за рахунок великої відстані між глікозидними зв’язками в Уотсон-Криківській парі.

2. Використовуючи теорію Манінга, вперше визначені відстань між зарядами та лінійна густина заряду на одноланцюговій polyI. Використовуючи теорію лігандів, вперше отримані залежності констант зв’язування йонів Mg²⁺ і Ni²⁺ з A2I від ступеня зв’язування.

3. Єдиним типом зв’язування йонів Mg²⁺ з A2I в усьому концентраційному діапазоні є кулонівська взаємодія з негативно зарядженими атомами кисню фосфатних груп. Ця взаємодія не змінює конформацію полінуклеотиду, але призводить до підвищення його термостабільності.

4. Отриманий аналітичний вираз, що встановлює зв’язок між макроскопічними параметрами, що характеризують електростатичну взаємодію йонів металів з фосфатними групами трьохланцюгових та одноланцюгових полінуклеотидів (константи зв’язування), і мікроскопічними параметрами, що характеризують структуру цих полінуклеотидів (лінійні густини зарядів на їх поверхні). Цей вираз дозволяє пояснити невеликі відмінності значень констант зв’язування йонів Mg²⁺ з фосфатами A2I і A2U близькістю структури цих полінуклеотидів.

5. При низьких концентраціях іони Ni²⁺, на відміну від іонів Cd²⁺, підвищують термостабільність A2I при взаємодії з негативно зарядженими атомами кисню фосфатних груп цього полінуклеотиду. При великих концентраціях іонів Ni²⁺ і Cd²⁺ знайдено утворення комплексу, що індукує руйнування потрійної спіралі A2I і пониження її термостабільності. Цей комплекс, імовірно, являє собою внутрішній хелат, що включає внутришньосферну взаємодію йонів Ni²⁺ з N7 і зовнішньосферну - з О6 поліінозинових ланцюгів потрійної спіралі. Утворення такого комплексу обумовлено більшою енергетичною вигідністю їх зв’язування з одноланцюговими полінуклеотидами, ніж з трьохланцюговою спіраллю.

6. Вперше отримана діаграма фазової рівноваги комплексу AU+Cd²⁺. Показано, що при низьких концентраціях Cd²⁺ перехід AUA+U (перехід 21) є однофазним. При концентраціях Cd²⁺, більших за критичну, відбувається формування потрійної спирали A2U, область існування якої розширюється при збільшенні [Cd²⁺].

7. Вперше виміряні фазові діаграми комплексів A2U+Cd²⁺. Ці діаграми змінюють характер конформаційного переходу з ростом концентрації йонів Cd²⁺ з двофазного A2UAU+U A+U+U (перехід 321) на однофазний A2UA+U+U (перехід 31).

Публікації автора:

1. Сорокин В.А., Валеев В.А., Гладченко Г.О., Андрусь Е.А., Благой Ю.П. Влияние ионов Na⁺ и Cd²⁺ на стабильность тройной спирали полиA-2полиI// Вісник ХНУ імені В.Н. Каразіна №568, Біофізичний вісник. – 2002. - Т. 11(2) - С. 30-35.

2. Sorokin V.A., Valeev V.A., Gladchenko G.O., Andrus E.A., Blagoi Yu.P. Na⁺ and Mg²⁺ ion effect on the stability of a polyI-polyA-polyI triple helix// Macromol. Biosci. – 2004 – Vol. 4 - P. 532-538.

3. Sorokin V.A., Valeev V.A., Gladchenko G.O., Degtyar M.V., Andrus E.A., Karachevtsev V.A., Blagoi Yu.P. Mg²⁺ and Ni²⁺ ion effect on stability and structure of triple poly(I)-poly(A)-poly(I) helix// International Journal of Biological Macromolecules. – 2005 – Vol. 35 - P. 201-210.

4. Гладченко Г.О., Благой Ю.П., Сорокин В.А., Валеев В.А., Андрусь Е.А., Карачевцев В.А. Влияние ионов кадмия на фазовое равновесие в двунитевой poly(rA)poly(rU) // Вісник ХНУ імені В.Н. Каразіна, Біофізичний вісник. – 2007. - Т. 18(1) - С. 14-22.

5. Gladchenko G.O., Sorokin V.A., Andrushchenko V.V., Valeev V.A., Andrus E.A., Van de Sande J.H., Wieser H., Blagoi Yu.P. UV and VCD spectroscopic study of heating and Me²⁺ ions-induced conformational transitions in poly(rA)-poly(rU) complexes// Book of abstracts 26 European Congress on Molecular Spectroscopy (EUCMOS). - Villeneuve d’Ascque. - 2002. – P. 111.

6. Sorokin V.A., Valeev V.A., Gladchenko G.O., Andrus E.A., Karachevtsev V.A., Blagoi Yu.P. Effect of structural organization level of homopolynucleotides containing adenine, uracile and hipoxantine on their interaction with Cd²⁺ and Ni²⁺ // III З'їзд Українського біофізичного товариства. – Львів.– 2002. - C. 4.

7. Andrus E.A., Sorokin V.A., Valeev V.A, Gladchenko G.O. Sodium ion effect on stability of triple helix poly I*poly A*poly I// In: XVI International School-Seminar "Spectroscopy of Molecules and Crystals". - Sebastopol, Ukraine. - 2003. - P. 191.

8. Valeev V.A., Sorokin V.A., Andrus E.A. Effects of divalent metal ions on long-wave absorption of nitrogen bases of heteropolynucleotides and their monomers// In: XVI International School-Seminar "Spectroscopy of Molecules and Crystals". - Sebastopol, Ukraine. - 2003. - P. 247.

9. Sorokin V.A., Valeev V.A., Andrus E.A., Blagoi Yu.P. Cadmium ion effect on stability and conformational of triple helix poly I*poly A*poly I// In: XVI International School-Seminar "Spectroscopy of Molecules and Crystals". - Sebastopol, Ukraine. - 2003. - P. 316.

10. Андрусь Е.А., Сорокин В.А., Валеев В.А., Гладченко Г.О., Благой Ю.П., Карачевцев В.А. Влияние ионов Ni ²⁺ на конформационное равновесие в растворах polyI-polyA-polyI// Конференция Молодых ученых «Физика низких температур». – Харьков. - 2004. – C. 20.

11. Gladchenko G.O., Blagoi Yu.P., Sorokin V.A., Valeev V.A., Andrus E.A., Karachevtsev V.A. Effect of divalent metal ions on phase equilibrium in poly(rA)-poly(rU) complexes// Book of Abstract 8^th EPS Conference on Atomic and Molecular Physics. – Rennes, France. – 2004. - V. 28F, Part II. - P. 13-8.

12. Sorokin V.A., Valeev V.A., Gladchenko G.O., Andrus E.A., Karachevtsev V.A., Blagoi Yu.P. Effect of structural pecularities of three-stranded polyI-polyA-polyI (A2I) on their stability in solutions containing Mg²⁺ and Ni²⁺ ions// Proceedings World Polymer Congress (MACRO). – Paris, France. – 2004. – P. I 841.

13. Gladchenko G.O., Blagoi Yu.P., Sorokin V.A., Valeev V.A., Andrus E.A., Karachevtsev V.A. Effect of Cd²⁺ ions on phase equilibrium in poly(rA)-poly(rU) complexes// Proceedings World Polymer Congress (MACRO). – Paris, France. – 2004. - P. I 951.

14. Sorokin V.A., Valeev V.A., Gladchenko G.O., Andrus E.A., Karachevtsev V.A., Blagoi Yu.P. Effect of magnesium and nickel ions on stability of triple helix polyI-polyA-polyI (A2I)// Book of Abstracts 5^th International Conference on Biological Physics. – Goteborg, Sweden. – 2004. - P.78.

15. Сорокин В.А., Валеев В.А., Гладченко Г.О., Андрусь Е.А., Карачевцев В.А., Благой Ю.П. Конформационное равновесие polyI-polyA-polyI в растворах, содержащих ионы Ni²⁺// Тезисы Докладов I Украинской научной конференции «Проблемы биологической и медицинской физики». – Харьков, Украина. - 2004. – P. 43.

16. Gladchenko G.O., Blagoi Yu., Sorokin V., Valeev V., Andrus E., Karachevtsev V. Conformation transitions in polyA-polyU complexes with Cd²⁺ ions, studied by UV-VIS spectroscopy// In: XVII International School-Seminar "Spectroscopy of Molecules and Crystals". - Beregove, Ukraine. - 2005. - P. 255-256.

17. Sorokin V., Andrus E., Valeev V., Gladchenko G.O., Blagoi Yu., Karachevtsev V. Comparative analysis of Ni²⁺ ion effect on conformational equilibrium of three-stranded helices A2U and A2I// In: XVII International School-Seminar "Spectroscopy of Molecules and Crystals". - Beregove, Ukraine. - 2005. - P. 258.