13
Мал. 5. Схеми утворення комплексів акриламіду з нуклеїновими основами у вакуумі.
а - з m1Ura, б - з m21,3Thy, в - з m9Ade, г - з m9Gua, д - з m1Cyt, е - з m21,4Cyt, ж - з m31,4,4Cyt. Атоми С повністю чорні, атоми N перехресно-заштриховані, атоми О сірі та атоми Н - білі круги
3. За допомогою неемпірічних розрахункових методів ТФЩ та ab initio визначено рівноважні структури комплексів акриламіду з метилпохідними різних основ та розраховано енергії взаємодії для усіх отриманих рівноважних структур. Встановлено, що димери акриламід-основа планарні та стабілізовані водневими зв'язками, що мають мостикову структуру.
14
4. На підставі порівняння експериментальних та теоретичних даних, одержаних
методом мас-спектрометрії та теоретичними методами ТФЩ, МР2 і атом-
атомних потенційних функцій, побудовано структурно-енергетичні схеми
утворення комплексів основ нуклеїнових кислот з акриламідом із зазначенням
найбільш вигідних місць зв'язування для усіх ассоціатів.
5. На підставі експериментальних та розрахункових даних встановлено, що для
односпіральної ДНК при взаємодії основ нуклеїнових кислот з амінокислотами
специфічними є взаємодії, при яких утворюються два водневі зв'язки за участю
амідної групи амінокислот. При цьому, вигідність взаємодії з тією або іншою
основою нуклеїнових кислот зумовлена, в основному, неоднорідністю зарядового
розподілу у молекулах основ та має універсальний характер, що не залежить від
оточення. Для двохспіральної ДНК починає проявлятися додаткова специфічність
при утворенні нуклеопротеідних комплексів з боку основ, що відбивається у
можливості дестабілізації А-Т -багатих дільниць ДНК при взаємодії з
амінокислотами глутамином та аспарагином у великому жолобі.
6. Показано, що врахування суперпозиційної поправки та поправки до енергії
нульових коливань при розрахунках структур та енергій взаємодії комплексів
акриламіду з метилпохідними основ нуклеїнових кислот у вакуумі методами ab
initio та ТФЩ значно покращує узгодження теоретичних розрахункових даних з
експериментальними результатами, отриманими у цій роботі.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
- Теплицкий А.Б., Галетич И.К., Суходуб Л.Ф.Энергетика образования комплексов аминокислота - основание в вакууме (глутамин, аспарагин - урацил, тимин) // Биофизика. - 1990. - Т. 35, № 5. - С. 709-710.
- Poltev V.I., Shuljupina N.V., Bruskov V.I., Teplitsky A.B., Sukhodub L.F., Galetich I.K. Experimental and theoretical study of energetics of complex formation between nucleic acids bases and the bases with amide group // J. Biomol. Struct. Dynam. - 1991. - V.9, № 1. - P. 1O1-111.
- Галетич И.К., Шелковский В.С., Косевич М.В., Благой Ю.П. Определение энергетических параметров межмолекулярных взаимодействий в комплексах метилпроизводных цитозина с аспарагином и глутамином // Вестн. проблем биол. и мед. - 1998. - №8.- С. 27-40.
15
4. Галетич И.К., Степаньян С.Г., Шелковский В.С., Косевич М.В., Благой Ю.П.,
Адамович Л. Экспериментальное и теоретическое изучение межмолекулярных
взаимодействий в узнающем комплексе метилурацила с акриламидом // Вісн.
Харк. ун-ту. - 1998. - № 410. Біофізичний вісн. Вип. 1. - С. 57-61.
5. Galetich I.K., Shelkovsky V.S., Kosevich M.V., Blagoy Yu.P., Shulyupina N.V., Poltev
V.I. Mass-spectrometric and computational study of complex formation of nucleic acid
bases with acrylamide as a surrogate for asparagine and glutamine residues // Rapid
Commun. in Mass Spectrom. - 1998. - V. 12, № 22. - P. 1761-1764.
6. Galetich I.K. Model Study of protein-nucleic acid base interactions involving amide
group by means of field ionization mass spectrometry // Proc. International 6th Beijing
Conf. on Instrum. Analysis.- Beijing (China). - 1995. - P. B87-B88.
7. Kosevich M.V., Galetich I.K., Shelkovsky V.S. Interpretation of some field ionization
mass spectra applying the ideas of field polymerization // 13-th International Mass
Spectrometry Conf. - Budapest (Hungary). - 1994. - P. 318.
8. Косевич М.В., , Пашинська В.А., Галетич I.К., Шелковський В.С. Конкурентні
процеси, що супроводжують гідратацію амідної групи амінокіслот // Тези
доповідей I З’їзду Укр. бiофiз. тов. - Київ. - 1994.- С. 129-130.
9. Шелковский В. С., Боряк О. А., Галетич И. К., Косевич М. В. Изучение
полимеризации биологически активных соединений, индуцируемой условиями
масс-спектрометрического эксперимента // Тезисы докладов VII Всесоюз. конф.
по спектроскопии биополимеров.- Харьков.- 1991. - С. 262-263.
10. Галетич I.К., Шелковський В.С., Пашинська В.А., Косевич М.В., Благий Ю.П.
Моделювання молекулярного розпiзнавання в умовах мас-спектрометричного
експерименту // Тези. Доповiд. II З’їзду Укр. бiофiз. тов. (УБФТ-98). - Харків.-
1998.- С. 35.
11. Галетич І.К., Шелковський В.С., Стєпанян С.Г., Косевич М.В., Благий Ю.П.
Експериментальне та теоретичне дослідження взаємодії між акриламідом та
метилпохідними урацилу та цитозину з точки зору молекулярного впізнавання //
Conf. on Physics of biological Systems (PBS 98).- Kyiv (Ukraine). - 1998.- P. 92.
АНОТАЦІЯ
Галетич І.К. Вивчення термодинамічних характеристик компонентів білково - нуклеїнових комплексів. - Рукопис.
16
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 03.00.02 - біофізика.- Харківський державний університет, Харків, 1999.
Методом температурно-залежної польової мас-спектрометрії визначені константи асоціації та ентальпії утворення воднево-зв’язаних комплексів акриламіду з метилпохідними основ нуклеїнових кислот у вакуумі, моделюючих процес білково- нуклеїнового впізнавання на рівні мономерів. На підставі отриманих констант асоціації та ентальпій встановлено ряд стабільности для комплексів акриламіду з різними основами. Зроблено висновок про переважність ентальпійного вкладу у свободну енергію утворення комплексів. За допомогою неемпірічних розрахункових методів ТФЩ та ab initio визначено рівноважні структури комплексів акриламіду з метилпохідними різних основ та обчислено енергії взаємодій для усіх отриманих рівноважних структур. Встановлено, що димери акриламід-основа планарні та стабілізовані, як правило, двома водневими зв’язками, які мають мостикову структуру. На основі експериментальних та теоретичних даних збудовано структурно-енергетичні схеми утворення комплексів основ нуклеінових кислот з акриламідом з зазначенням найбільш вигідних місць зв’язування для усіх асоціатів.
Ключові слова: білково-нуклеїнове впізнавання, польова мас-спектрометрія, воднево-зв’язаний комплекс, константа асоціації, ентальпія.
АННОТАЦИЯ
Галетич И.К. Изучение термодинамических характеристик компонентов белково - нуклеиновых комплексов.- Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 03.00.02 - биофизика.- Харьковский государственный университет, Харьков, 1999.
Методом температурно-зависимой полевой масс-спектрометрии определены константы ассоциации и энтальпии образования водородно-связанных комплексов акриламида с метилпроизводными оснований нуклеиновых кислот в вакууме, моделирующих процесс белково-нуклеинового узнавания на уровне мономеров. На основании полученных констант ассоциации и энтальпий установлен ряд стабильности для комплексов акриламида с различными основаниями. Сделан вывод о преимущественном энтальпийном вкладе в свободную энергию образования комплексов. Установлено, что взаимодействие происходит с образованием, как правило, двух водородных связей. С помощью неэмпирических
17
расчетных методов ТФП и ab initio определены равновесные структуры комплексов акриламида с метилпроизводными различных оснований и рассчитаны энергии взаимодействия для всех полученных равновесных структур. Установлено, что димеры акриламид - основание планарны и стабилизированы, как правило, двумя водородными связями, имеющими мостиковую структуру. На основании экспериментальных и теоретических данных построены структурно-энергетические схемы образования комплексов оснований нуклеиновых кислот с акриламидом с указанием наиболее выгодных мест связывания для всех ассоциатов.
Ключевые слова: белково-нуклеиновое узнавание, полевая масс-спектрометрия, водородно-связанный комплекс, константа ассоциации, энтальпия.
SUMMARY
Galetich I.K. Investigation of the thermodynamic parameters (characteristics) of the components of protein-nucleic acid complexes. - Manuscript.
Thesis for candidate’s degree by specialty 03.00.02 - biophysics. - Kharkov State University, Kharkov, 1999.
Interaction between proteins and nucleic acid bases occurs at all stages of replication and expression of DNA and in many processes of bio-regulation . Our knowledge about the mechanisms of such interactions is, however, very limited, which is caused mainly by the complexity of the system of large macromolecules. To simplify the study of such complex systems model experiments are conducted, the main aim of which is to establish the specificity of the recognition of nucleic acid bases by the side chains of amino acids. Study of interactions between the components of nucleic acids and proteins allows to estimate the yield of different atomic groups in formation of protein-nucleic acid complexes and to predict changes in their stability, caused by the changes in the primary structure of the biopolymers.
A method of temperature-dependent field ionization (TD FI) mass spetrometry provided to be efficient in experimental determination of the energy of formation of pair and triple compexes of biomolecules in vacuum. It should be stressed that this technique is nearly a single method, which experimental data can be directly compared with the theoretical data obtained by quantum chemical calculations of such systems in the so-called «vacuum approximation». In the frames of the problem of molecular recognition this work is aimed at the determination of the thermodynamic and structural characteristics of interactions between nucleic acid bases and amino acids in vacuum conditions, the
18
search of molecular specificity of these interactions and determination of the most favourable configurations of the model complexes on monomer level.
The interactions between the monomers of nucleic acids and proteins, were studied on the systems (consisting of methylderivatives of nitrogen bases Uracyl, Thymine, Cytosine, Adenine and Guanine and acrylamide) which are good models of interactions, involving specific aminoacid side chains of Glutamine and Asparagine. Thermodynamic parameters of interactions were obtained using a method of TD FI mass spectrometry. Under the mass spectrometric conditions the associates of molecules were formed in the gas phase; variation of the temperature allowed to obtain relative association constants and to calculate the enthalpies of associates formation (ΔH) using Vant-Hoff plots. These data permits us to construct the stability row for the complexes between the acrylamide and methylderivatives of nitrogen bases. Enthalpies of formation of nucleic acid base-acrylamide complexes, determined experimentally by means of TD FI mass spectrometry, were in good agreement with the interaction energies calculated theoretically using non-empirical methods ab initio and DFT. As a result of combined experimental and computational study, configurations of the most favourable complexes corresponding to interaction energy minima were constructed. The most favourable sites of interaction of acrylamide with the bases correspond to its hydrogen bonding to the same base atoms involved in Watson-Crick pairing.
Key words: protein-nucleic acid recognition, field ionization mass spectrometry, hydrogen-bonded complex, association constant, enthalpy.
Підписано до друку 23.03.1999 р. Формат 60x84 1/16.
Умовн.др.л. 1.0 Тираж 100 прим. Замовлення 18-99.
__________________________________________________________________
Ротапрінт ФТІНТ ім. Б.І.Вєркіна НАН України, Харків 310164, пр. Леніна 47,
тел. (0572) 30-03-64
| 
