Анотація
Толсторуков М.Є. Вплив гідратації на динамічні властивості нуклеїнових кислот. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 03.00.02-біофізика.- Харківський державний університет, м.Харків, 1998.
Проведено теоретичне дослідження конформаційних переходів індукованих зміною вмісту води в зволожених зразках нуклеїнових кислот. Запропоновані математичні моделі враховують взаємну залежність процесів конформаційних переходів молекули нуклеїнової кислоти й формування її гідратної оболонки. В рамках моделей пояснені явища сорбційного й конформаційного гістерезису, які виникають у циклі гідратація-дегідратація, як наслідок метастабільних станів у системі нуклеїнова кислота-вода. Експериментально, методом гравіметрії, отримані сорбційні ізотерми для волокон ДНК з тимусу теляти у повному та обмеженіх ціклах гідратація-дегідратація. Теоретичні й експериментальні результати добре узгоджуються. Встановлено, що розповсюдження нової конформації вдовж молекулі нуклеїнової кислоти при структурної перебудові є автохвильовим процесом типу біжучого фронту. Проведене дослідження часової еволюції конформаційного збудження в молекулі нуклеїнової кислоти при різних значення відносної вологості зразка.
Ключові слова: нуклеїнові кислоти, конформаційні переходи, ДНК, гідратація, динамічні моделі, бістабільність, гістерезис, автохвильові процеси, біжучі фронти
Аннотация
Толсторуков М.Е. Влияние гидратации на динамические свойства нуклеиновых кислот. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 03.00.02-биофизика.- Харьковский государственный университет, г. Харьков, 1998.
Проведено теоретическое исследование конформационных переходов, индуцированных изменением содержания воды в увлажненных образцах нуклеиновых кислот. Предложенные метематические модели учитывают взаимосвязь процессов конформационных переходов молекулы нуклеиновой кислоты и формирования ее гидратной оболочки. В рамках моделей объяснены явления сорбционного и конформационного гистерезиса, возникающие в цикле гидратация-дегидратация, как следствие метастабильных состояний в системе нуклеиновая кислота-вода. Экспериментально, методом гравиметрии, полученны сорбционные изотермы для волокон ДНК из тимуса теленка, в полном и ограниченных циклах гидратации-дегидратации. Теоретические и экспериментальные результаты хорошо согласуются. Установлено, что распространение новой конформации по молекуле нуклеиновой кислоты при структурной перестройке является автоволновим процессом типа бегущего фронта. Проведено исследование временной эволюции конформационного возмущения в молекуле нуклеиновой кислоты при различных значениях относительной влажности образца.
Ключевые слова: нуклеиновые кислоти, конформационные переходы, ДНК, гидратация, динамические модели, бистабильность, гистерзис, автоволноые процессы, бегущие фронты.
Summary
Tolstorukov M.Ye. Influence of hydration on dynamical properties of nucleic acids. – Manuscript.
Thesis for candidate's degree by specialty 03.00.02-biophysics.- Kharkov State University, Kharkov, 1998.
The interaction of water molecules and biopolymers such as nucleic acids is of great biological importance. The nucleic acid hydration shell is one of the main factors determining its conformation. Convenient samples to study nucleic acid – water system are wetted nucleic acid fibers and films. The hydration shell stabilizes the ordered forms of nucleic acids by means of forming of the regular structures due to H-bonds among sorbed water molecules, ''water backbones'', which are specific for every nucleic acid conformation. The hydration shell is formed with the increasing of the water content of the sample, and nucleic acid transits from unordered to A– and then to B– form, in the case of the DNA and DNA-like polynucleotides and salt contents similar to the in vivo conditions. The reverse process, dehydration of nucleic acids, results in the reverse conformational transitions but they take place at the values of relative humidity less then direct ones. Thus, there is a conformational hysteresis over the hydration–dehydration loop. The sorption isotherms of the nucleic acids also demonstrate the hysteresis phenomenon. These hysteresis phenomena are reproducible.
Possible explanation of the hysteresis could be the non-equilibrium of the nucleic acid hydration. In that case the value of hysteresis has to depend on the size of the experimental sample. However, such a dependence is not observed in the wide range of DNA film thicknesses (0.05 – 0.2 mkm). Thus, the hysteresis cannot be a macroscopic phenomenon and does reflect the molecular interaction of water and the biopolymer. Taking into account the hydration shell of the nucleic acid and the possibility of the water content changing we are forced to consider the water + nucleic acid as an open system.
In the present study a phenomenological model taking into account the mutual dependence of hydration and nucleic acid conformation transition processes and experimental study of water sorption ithotherms of DNA are offered.
We consider a finite space, which contains the nucleic acid sample and is in contact with a bath of water or water vapor. That allows one to support the relative humidity inside the experimental space at the constant level and change it when necessary. Such a scheme corresponds to the real experiments with wetted nucleic acid samples. A nucleic acid molecule is simulated by the sequence of monomer units. A unit corresponds to a nucleotide pair of a real nucleic acid. Every unit can be found in the unordered state or in one of the ordered conformations. Units can reversibly transit from one state to another. We consider three types of water sorption on biopolymer units: sorption with and without saturation and multilayered sorption. The temporal evolution of the system is described by set of the partial differential equations of diffusion type. To take into account the mutual dependence of the sorption and conformation transitions we assume that equilibrium constants of sorption depend exponentially on the conformational variable and equilibrium constants of conformational transitions depend exponentially on the sorption variables.
Both cooperative and non-cooperative conformational transitions of the nucleic acid can be described in framework of the model. The analysis of kinetic equations for the conformational transitions and water sorption process and analysis based on the nonlinear master equations show non-trivial bifurcation behaviour of the system, which leads to the multistability. This fact allows one to explain the hysteresis phenomena observed in the experiments, which are described in the thesis. The sorption isotherms have been obtained for fibers of calf thymus DNA by using the gravimetry technique over the whole (0-100-0% of relative humidity) and restricted (0-90-0%, 0-65-0%) hydration–dehydration cycles. The ithotherms demonstrate sorption hysteresis phenomenon, except ones for the 0-65-0% cycle. Theoretical and experimental data are in good agreement over every relative humidity interval considered. Results presented and their analysis allow us to conclude that the hysteresis phenomena are caused by the cooperative conformational transitions of a nucleic acid molecule. As it has been experimentally determined in this study, the hysteresis lifetime is about several months.
The spatially extended model allows one to describe possible autowave processes in the system, if diffusion of sorbed water molecules is taken into account. It has been established that propagation of a new conformation along the nucleic acid molecule during structural rebuilding is an autowave process of the travelling front type. The time evolution of the conformational perturbation of the nucleic acid molecule has been investigated under various relative humidity values. For the multistable region it has been shown that when a fluctuation appears in the system, growing, it can occupy the whole system or collapse for finite time. Which scenario will be realized depends on the relative stability of conformational states, which in its turn is determined by the water content of the samples. Also, the spatially extended model allows describing the conformational dynamics of the nucleic acids with inhomogeneous primary structures.
Key words: nucleic acids, conformational transitions, DNA, hydration, dynamical models, bistability, autowave processes, travelling fronts
| 
