Введение к работе
Актуальность проблемы. ДНК, будучи сильно заряженным полімером, не может существовать без водно-ионного окружения. При этом конкретной конформации ДНК как в крттсталлическом состоянии, так и в растворе соответствует специфическая, стабилизирующая данную конформацию структура ионно-гидратной оболочки, изменения которой сопровождаются конформационными переходами. Структура ДНК во многих случаях успешно определяется в результате рентгеноструктурных исследований волокон и кристаллов олигонуклеотидов, однако сведения о структуре связанного растворителя и противоисов в большинстве случаев фрагментарны. Моделирование структуры связанных про-тивоионов вблизи ДНК может давать дополнительную информацию об адекватности конкретной рентгеноструктурной модели. Значительный интерес представляют также данные о распределении противоионов вокруг ДНК в растворе. Сведения о структуре ДНК и влиянии на нее водно-ионного окружения важны для понимания особенностей функционирования и взаимодействия ДНК с другими биологически важными моле кулами.
Цель диссертационной работы состояла в определении влияния водно-ионного окружения на структуру ДНК на примере B-D перехода и четырехспиральной С4-формы, в исследовании особенностей B-Z перехода в рамках теории полиэлектролитов, а также в определении структуры комплексов ДНК с ионом Na+ и молекулами воды на примере натриевой соли poly(dA):poly(dT).
Научная новизна и практическая ценность работы. На основе исследования стерической доступности атомных группировок, а также в результате моделирования структуры растворителя вблизи Б и D-форм 'ДНК предложено новое объяснение механизма B-D перехода. Моделирование встраивания ионно-гидратного комплекса в различные в и D структуры ДНК позволило оценить адекватность соответствующих рентгеноструктурных моделей.
На основе данных рентгеновской дифракции проведено уточнение структуры ДНК и ионно-гидратного окружения натриевой соли poly (dA):poly(dT), что привело к появлению принципиально новых структурных особенностей. Построена новая модель ионно-гидратных комплексов со стороны негликозидного желобка двойной спирали poly (dA):poly(dT), непротиворечивая стерически и соответствующая рент-геноструктурным данным. Полученная модель позволяет объяснить осо-
- г -
бенности упаковки волокон натриевой соли poly( Методами квантовой химии на основе дифракционных данных найдено распределение электростатического потенциала вблизи фрагмента структуры четырехспиральной модели 04-формы, что в совокупности с молекулярно-динамическими расчетами свидетельствует о притягательности для противоионов аксиального канала внутри структуры ДНК. Такое поведение протішоионов интересно с точки зрения стабилизации структуры 04-формы. В рамках теории полиэлектролитов на основании решения уравнения Пуассона-Больцмана исследована зависимость разности свободной энергии между D и Z формами ДНК в широком диапазоне ионных сил для различных моделей растворителя. Полученные результаты согласуются с наблюдениями B-z перехода в области низких ионных сил. В процессе работы разработаны модели и алгоритмы,- которые были реализованы в комплексе вычислительных программ, позволяющих оптимизировать структуру ДНК, проводить молекулярно-динамические расчеты с учетом полиэлектролитной природы ДНК, моделировать структуру растворителя вблизи ДНК. Апробация результатов работы. Результаты работы докладывались на xv конференции молодых ученых МФТИ (Долгопрудный, март 1990), на IV всесоюзном^совещании "Математические методы исследования полимеров и биополимеров" ( Пущино, 1985), на II Всесоюзной конференции "Математические вычислительные методы в биологии. Биомолекулярные системы" (Пущино, 1987), на рабочем совещании по кривизне и изгибам ДНК (Англия, Кембридж, сентябрь 1988), на 19 конгрессе febs (Италия, Рим, июль 1989г). Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 научных работ. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы по теме, трех глав с изложением проделанной работы, приложения и списка цитированной литературы. Материал диссертации изложен на странице машинописного текста, включая иллюстрацию, таблиц и список литературы, насчитывающий наименований.