У вступі обґрунтовано актуальність теми, зв'язок дисертації з науковими програмами і темами, сформульовано мету і задачі дослідження, показано новизну і практичну значимість отриманих результатів, вказано особистий внесок здобувача у опублікованих із співавторами роботах.

Розділ 1 присвячено аналізу результатів дослідження гідратації НК і їх комплексів з БАР. Особливу увагу приділено постановці задачі дослідження і можливості методів комп'ютерного моделювання при вивченні таких систем

Аналіз літературних даних дозволяє зробити висновок про значну роль водного оточення різних форм подвійної спіралі НК, оскільки зв'язана вода формує специфічне гідратне оточення НК (водні містки, водні ланцюжки, водні “хребти” тощо) і вносить суттєвий енергетичний внесок у стабілізацію їх спіральної структури та конформаційну рухливість. У той же час аналіз результатів різних експериментальних методів показує, що отримати пряму інформацію стосовно структурних та енергетичних параметрів систем НК-вода-іони, описати на атомному рівні формування гідратного оточення НК, візуалізувати моделі їх гідратних оболонок і визначити енергетичні внески внутрішньо- та міжмолекулярних взаємодій водночас у межах одного-двох методів неможливо. Аналогічний висновок можна зробити при розгляді сучасних уяв щодо молекулярних механізмів комплексоутворення НК і різних лігандів. Безсумнівним є висновок про суттєву, якщо не вирішальну, роль гідратного оточення у формуванні стабільних комплексів та специфічності зв'язування. Але, як правило, такі висновки роблять на основі непрямих даних, і у межах одного дослідження не завжди вдається отримати надійну інформацію про структурні та енергетичні параметри комплексів, що утворюються, та їх гідратне оточення. Водночас підкреслюється, що такі параметри можуть бути фізичними критеріями прояву біологічної активності багатьох лігандів, у тому числі і лікарських препаратів, мішенню для яких є молекули НК. На основі аналізу літературних даних показано, що структурні модифікації лігандів призводять як до зміни біологічної активності лігандів на клітинному рівні, так і до зміни стабільності комплексів з молекулами НК, тобто фізичні параметри комплексоутворення та біологічна активність in vitro, як правило, корелюють. За підсумками аналізу літератури зроблено висновок про те, що, не дивлячись на величезний об'єм інформації, отриманої за попередні роки при дослідженні молекулярних механізмів структурної організації і функціонування НК, багато важливих питань залишилися нез'ясованими. До таких проблем відноситься взаємозв'язок між формуванням стабільних форм просторових структур НК, комплексів НК з БАР і утворенням їх специфічного гідратного оточення, а також з енергетичними і динамічними параметрами цих процесів. Аналіз результатів експериментальних досліджень і комп'ютерного моделювання свідчить про необхідність використовувати як найбільш ефективний комплексний підхід при вивченні молекулярних принципів організації і функціонування НК, тобто поєднання експериментальних та комп'ютерних методів дослідження. Саме такий підхід використано в даній роботі для дослідження молекулярних механізмів взаємодії фрагментів НК різного рівня структурної організації з водним оточенням і молекулами ароматичних біологічно активних речовин.

У розділі 2 коротко розглянуто основи використаних у роботі комп'ютерних методів моделювання. Це методи Монте Карло, молекулярної динаміки і молекулярного докінгу. Описано фізичні основи методу Монте Карло: представлено схему алгоритму Метрополіса, стисло проаналізовано потенціали взаємодії, вибір граничних умов, засоби оцінки похибок обчислень, що використовуються у роботі. Наведено загальний протокол моделювання і параметри атом-атомних потенціальних функцій для розрахунку міжмолекулярних взаємодій. Вказано, що для кожної певної системи уточнення протоколу моделювання надано у відповідних розділах.

У розділі також наведено фізичні основи методу молекулярної динаміки (МД). Суть методу полягає у побудові траєкторії руху атомів, що взаємодіють, у силовому полі емпіричного атом-атомного потенціалу на основі класичних рівнянь руху Ньютона. Для чисельного інтегрування рівнянь руху у роботі використовується алгоритм Верлє. Алгоритм грунтується на тому, що відстані, швидкості та прискорення можуть бути знайдені розкладанням у ряд Тейлора. Якщо координати атому у момент часу t відомі, можна виразити стани атомів у момент часу t + t розкладанням у ряд Тейлора за ступенем t. При цьому повинні зберігатися енергія і момент системи з припущенням достатньо великих кроків інтегрування t. Основна ідея алгоритму Верлє - записати два ряди Тейлора для двох моментів часу: (t - t) і (t + t):

r(t + t) = r(t) + v(t)t + 1/2a(t)t, r(t - t) = r(t) - v(t)t + 1/2a(t)t (1)

Далі виконують додавання двох рядів і отримують основну формулу алгоритму Верлє:

r(t + t) = 2r(t) + r(t-t) + a(t)t². (2)

Сили, які діють на атом, знаходять як похідні потенціальної енергії:

_. (3)

Далі розраховують нові координати атомів, з яких визначають сили рівнодії:

r_i(t+t) = r_i(t) + v_i(t)t + Ѕ a_i(t) t², (4)

де a - прискорення, a(t + t) = F(t + t)/m.

Потім визначають швидкості атомів:

v(t+t) = v(t) + (a(t+t)+ Ѕ a(t)) t. (5)

У алгоритмі Верлє оптимальним вважається крок інтегрування t = 1-2^.10^-15с, що становить приблизно десяту частину періоду найшвидших молекулярних коливань. Моделювання проводилося з використанням періодичних граничних умов.

Розрахунки енергії взаємодії виконуються за допомогою емпіричної функції потенціальної енергії (силового поля), яка залежить тільки від координат ядер атомів, що входять до системи.

Потенціальна енергія молекули задається у вигляді:

U(r) = U_b + U +U_tor +U_W +U_el , (6)

де доданки відповідають величинам U_b - енергія деформації хімічних зв'язків і U - валентних кутів, U_tor - енергія обертання навколо зв'язків, U_W - ван-дер-Ваальсовим взаємодії, U_el - електростатичним взаємодії, U_hb - водневі зв'язки.

Енергію деформації валентних зв'язків і кутів розраховують у гармонійному наближенні:

U_b = Ѕ K_b (r - b₀)² , U = Ѕ K ( - ₀)² , (7)

де b₀ - рівноважні значення довжин валентних зв'язків, r - поточні довжини зв'язків, ₀ - рівноважні значення кутів, - їх поточні значення, K_b і K - відповідні силові константи. Додавання ведеться за усіма валентними зв'язками і кутами.

Енергію торсійних взаємодій задають у вигляді періодичної функції (зрізаного розкладання у ряд Фур'є):

U_tor = K_Ф[cos(nФ-) +1] , (8)

де n - кратність торсійного бар'єру, - зсув фази, K - константи, що визначають висоти потенціальних бар'єрів двогранних кутів .

Ван-дер-Ваальсові взаємодії атомів, розділених трьома і більше валентними зв'язками, описують за допомогою потенціалу Леннард-Джонса:

U_W = [A/ r_ij¹² - B/ r_ij⁶]. (9)

Параметри потенціалу А і В залежать від типу атомів i і j, що беруть участь у взаємодії; r_ij - відстань між цими атомами.

Електростатичні взаємодії задаються кулонівським потенціалом

U_el = q_iq_j /r_ij, (10)

де q_i, q_j - парціальні заряди на атомах, - діелектрична проникність середовища.

Надано загальний протокол виконання молекулярно-динамічного моделювання і вказано, що конкретні умови виконання комп'ютерного експерименту методом МД описано у відповідних розділах.

У розділі наведено моделі молекул води, використані у розрахунках: у методі Монте Карло - модель Малєнкова-Полтєва, у методі МД - модель TIP3P.

Коротко представлено фізичну суть методу молекулярного докінгу. Він полягає у побудові такого комплексу ліганду з біомолекулою-мішенню, у якому ліганд стерично відповідає передбачуваному місцю зв'язування на макромолекулі з максимальною енергією міжмолекулярних взаємодій. Для отримання коректного результату при моделюванні необхідно дотримуватися двох умов: мати ефективний алгоритм, здатний побудувати комплекс, близький за структурою до реального, та надійну функцію оцінки енергії, яка може виділити цей комплекс як найбільш ймовірний. У нашому моделюванні використовувався програмний пакет AutoDock 3.05. Результатом розрахунків є найімовірніші з енергетичної та стеричної точок зору структури комплексів макромолекула-мішень і ліганд.

У розділі також наведено стислі характеристики методів ІЧ-спектроскопії та п'єзогравіметрії, якими користувалася авторка для вивчення взаємодій двох структурних форм poly(rA) з Cf.

У розділі 3 представлено результати дослідження гідратації ДМФ різного нуклеотидного складу, виконані методом Монте Карло. У комп'ютерному експерименті досліджуються модельні системи, що містять ДМФ (шість дезокси-ДМФ та чотири рибо-ДМФ) і водні кластери різних розмірів. Така постановка задачі дозволяє відтворити взаємодію ДМФ з водою при різних рівнях відносної вологості (ВВ) і порівняти результати моделювання з даними експериментальних досліджень. При вивченні гідратації необхідно коректно враховувати взаємодію між розчиненою речовиною - ДМФ - і молекулами води та обчислювати взаємодію вода-вода, вода-розчинена речовина, а також конформаційні взаємодії у молекулі розчиненої речовини. Для ДМФ розрахунок конформаційних взаємодій базувався на декількох наближеннях. В результаті число зв'язків, навколо яких можливі обертання у ДМФ, зменшилося до 10. Довжини валентних зв'язків і валентних кутів ДМФ у процесі розрахунків не змінювалися. Урахування протиіонів проводилося у неявному вигляді. Заряди на фосфатних групах обчислювалися так, щоб забезпечити електронейтральність ДМФ.

Для моделювання систем ДМФ-вода необхідно вибрати розміри водних кластерів, які б відповідали зразкам НК-вода з різною ВВ, раніше дослідженим експериментально. Тому спочатку було змодельовано водні кластери таких розмірів, щоб число молекул води у них узгоджувалося з уявленнями про формування декількох шарів гідратного оточення НК. За результатами було обрано кластери, що містять 20, 40, 80, 100 молекул води, які відповідають системам НК-вода з різними значеннями ВВ, та 200, 400 і 800 молекул води, структура води у яких близька до стану рідкої води або розчинів.

Результатами моделювання систем ДМФ-вода є їх найбільш ймовірні стани, для яких розраховано середні значення повної потенціальної енергії систем U_TOT; енергії конформаційних взаємодій U_CONF; енергії взаємодії вода-ДМФ U_WD; енергії взаємодії вода-вода U_WW та структурні характеристики: середнє число молекул води, що утворюють водневі зв'язки вода-вода; число водневих зв'язків, що припадають на 1 молекулу води; число молекул води, які утворюють водневі зв'язки з ДМФ.

На основі аналізу енергетичних параметрів було зроблено висновок про енергетичну перевагу систем, що містять ДМФ, до складу яких входять гуанін та/чи цитозин. Така перевага найбільш виражена у кластерах з малою кількістю молекул води. З ростом розміру водних кластерів (чи ВВ систем) до значень, що відповідають стану розчину (водні кластери з 200 і 400 молекул води), відмінності між ДМФ, що містять G,C та/чи А,Т (U), практично зникають. Ці результати узгоджуються з даними про стабільність НК, що мають різний нуклеотидний склад у плівках чи концентрованих розчинах, отриманими експериментально.

Результати розрахунків дозволяють розглянути внески кожного з трьох видів взаємодій до повної енергії систем ДМФ-вода у залежності від вмісту води і типу ДМФ та зробити висновок: енергетичну стабільність ДМФ, що містять GC, визначають конформаційні взаємодії і взаємодії ДМФ-вода, тоді як для ДМФ, що містять АТ, більший енергетичний внесок вносять взаємодії вода-вода. Для детальнішого опису ролі різних взаємодій розглянуто відносні внески у повну потенціальну енергію U_TOT систем ДМФ-вода кожного з трьох типів взаємодій U_CONF, U_WD, U_WW і показано, що стабільність компонентів НК у водному оточенні визначається декількома типами конкурентних взаємодій (конформаційні, ДМФ-вода, вода-вода), значення яких та відносний внесок у повну потенціальну енергію залежать від нуклеотидного складу та вмісту води у системах. Отримані результати узгоджуються з експериментальними даними з вивчення зразків НК, що відрізняються за нуклеотидним складом і вмістом води.

У розділі також подано результати аналізу залежності енергетичних параметрів гідратації від нуклеотидного складу. Експериментально така залежність вивчалася за допомогою надлишкової енергії гідратації. За результатами моделювання було обчислено надлишкову енергію гідратації з використанням енергетичних характеристик систем ДМФ-вода:

U_hyd = U_SUM/1-U_{WW/1(pure water)}, (11)

де U_SUM/1=U_WW/1+U_WD/1, а U_{WW/1(pure water)} - це середні енергії взаємодії вода-вода (на 1 молекулу води) для водних кластерів різних розмірів. Аналіз розрахованих U_hyd показав, що GC-послідовності звязують молекули води з більшими енергіями, особливо в системах з малим вмістом води. В системах, що модулюють розчини, взаємодія усіх вивчених ДМФ з водою відрізняється несуттєво.

Надлишкова енергія гідратації дозволяє оцінити динамічні характеристики системи ДНК-вода - час дипольної релаксації гідратної води _d. Залежність _d від вмісту води у зразках (n) отримано з рівняння, що звязує _d з надлишковою енергією гідратації ? U_hyd (n):

_d = _d⁰exp[U_hyd (n)/RT], (12)

де _d⁰ = 0,9^.10^-11с - значння часу релаксації для обємної води; R - універсальна газова константа; Т - абсолютна температура.

Як видно з наведених залежностей, для кожного типу ДМФ криві _d(n) мають якісно подібний вигляд. На початкових стадіях гідратації значення _d зменшуються на порядок (і більше для ДМФ GрG). З ростом числа молекул води в системі рухливість молекул води зростає для усіх досліджених систем.

Отримані результати узгоджуються з експериментальними даними про залежність енергетики гідратації НК та динамічних властивостей їх гідратних оболонок від нуклеотидного складу.

Результати моделювання дозволяють докладно уявити розподіл молекул води біля різних структурних блоків ДМФ, використовуючи значення енергії взаємодії молекул води з окремими атомними групами. Найменша різниця спостерігається для гідратації фосфатних груп усіх ДМФ у кластерах, що відповідають стану розчина, а найбільша різниця зафіксована для гідратації основ. Проаналізовано миттєві конфігурації усіх досліджених ДМФ та візуалізовано структури ДМФ у водних кластерах з розподілом молекул води між різними гідратно-активними центрами ДМФ. Аналіз змін структури водного оточення докладно наведено на прикладі ДМФ ТрТ.

При малому вмісті води 6 молекул води утворюють водневі звязки з фосфатною групою (W1 і W2), з вільними O3'-H3' та O5'-H5' групами кістяка (W3 и W4), з атомом О4' (W5) і з атомною групою N3H тиміну (W6). При зростанні вмісту води (стан розчину) заповнюються усі можливі центри гідратації ТрТ. При цьому частина молекул води займає місткові положення між двома гідратно-активними центрами та формують сітку молекул, які звязані водневими звязками як з ТрТ, так і між собою.

Аналогічний аналіз було проведено для усіх досліджених систем ДМФ-вода і зроблено висновок про те, що залежності гідратації НК від їх нуклеотидного складу, які спостерігаються в експериментальних та компютерних дослідженнях, визначаються фізико-хімічними особливостями структурних елементів НК, і, передусім, здатністю азотистих основ утворювати різну кількість водневих звязків з молекулами води.

У розділі також наведено результати моделювання ДМФ різного нуклеотидного складу, структура яких відповідає А-, В- та Z- конформаціям ДНК. Аналіз енергетичних і структурних характеристик цих систем показав, що при будь-якому вмісті води для ДМФ GрC А-форма енергетично більш вигідна, ніж В-форма. Ця перевага визначається конформаційними взаємодіями і взаємодіями вода-вода в системах, а в системах з більшим вмістом води і взаємодіями ДМФ-вода. Для ДМФ АрТ при більшому вмісті води енергетично переважною є В-конформація, вигідність якої визначається структурою розчинника (взаємодія вода-вода). Отримані результати узгоджуються з уявленнями про більшу А-фільність GC-фрагментів порівняно до В-фільності АТ-послідовностей НК.

У розділі проаналізовано миттєві конфігурації усіх досліджених систем: це також дозволило визначити місткові положення молекул води, які є основними структурними елементами при формуванні впорядкованної структури гідратного оточення НК. Відносний внесок водних містків у енергію взаємодії вода-ДМФ достатньо великий, і в системах, що відповідають стану розчину, сягає 35%, у середньому дорівнюючи 20%.

У розділі 4 наведено результати моделювання методом Монте Карло гідратації різних структурних форм poly(rC) і poly(rА) та їх компонентів. Відомо, що впорядковані спіральні форми poly(rC) і poly(rА) утворюють: односпіральні форми у нейтральних та слаболужних розчинах, двоспіральні - в області 3.7 рН 5.5. Стабілізація таких спіральних структур згідно експериментальним даним визначається міжмолекулярними взаємодіями (стекінг та водневі звязки) і, можливо, водним оточенням. Для уточнення ролі води в стабілізації спіральних структур poly(rC) і poly(rА) методом Монте Карло досліджено гідратацію усіх структурних компонентів poly(rC) і poly(rA) при зростанні їх складності: від основ до олігонуклеотидів одно- і двоспіральної форм. Їх стартові конформації побудовано на основі даних рентгеноструктурного аналізу.

В таблиці 1 наведено середні значення: повної енергії систем U_TOT, енергії взаємодії вода-вода U_WW, енергії взаємодії вода-фрагменти полінуклеотидів U_WB, та структурні характеристики: N_Hb - число молекул води, що утворюють водневі звязки з дослідженими молекулами. N_Wbr - число водних містків в системах; в дужках наведено енергії взаємодії молекул води в місткових положеннях.

Таблиця 1

Енергетичні та структурні характеристики односпірального тетрануклео-тиду poly(rC), двоспірального тетрануклеотиду polyr(C-C⁺), односпірального гексануклеотиду poly(rA) і двоспірального гексануклеотиду polyr(АН-АН) у кластері з 800 молекул води та кластеру чистої води (дані надано у ккал/моль: * - на одну молекулу води, ** - в цілому на систему).

Енергії взаємодії між ланцюгами дуплексів U_BB дорівнюють: U_BB [polyr (C-C⁺)] = -79.6 ккал/моль; U_BB [polyr (АН-АН)] ₌ -44.6 ккал/моль. Аналіз даних таблиці 1 та вивчення миттєвих конфігурацій систем дозволили визначити найбільш вигідні місця звязування молекул води з фрагментом односпіральної poly(rC) та знайти 10 молекул води, що займають місткові положення між двома гідрофільними центрами poly(rС). Всього з фрагментом водневі звязки утворюють до 40 молекул води, або, 10 молекул води на нуклеотид. Стабільність системи, що містить тетрануклеотид polyr(C-C⁺), визначається як взаємодіями між ланцюгами у подвійній спіралі (U_BB -20 ккал/моль на пару основ), так і взаємодією з розчинником. Найбільший внесок у взаємодію polyr(C-C⁺) з водою дають 65 молекули води, з яких 8 молекул є спільними для обох ланцюгів. Вони утворюють водні містки та ланцюжки. Тобто, на один нуклеотид припадає близько 8 молекул води.

Аналогічні дослідження виконано для poly(rА) (таблиця 1). Аналіз миттєвих конфігурацій дозволяє встановити, що з односпіральним фрагментом водневі звязки утворюють 70 молекул води, або 11-12 молекул води на нуклеотид (рис.6а), що узгоджується з експериментальними даними. Можна виділити 48 молекул води, які утворюють систему водних містків і ланцюжків між донорно-акцепторними групами гексануклеотиду.

Стабільність системи polyr(АН-АН)-вода визначається як взаємодіями між ланцюгами у подвійній спіралі (U_BB -7 ккал/моль на пару основ), так і взаємодією з розчинником. Найбільший внесок у взаємодію polyr(АН-АН) з водою вносять 98 молекул води, з кожним з ланцюгів водневі звязки утворє приблизно однакове число молекул води: 48 молекул води або 8 молекул води на нуклеотид.

Аналіз миттєвих конфігурацій гексануклеотиду двоспіральної polyr(АН-АН) у водному кластері (рис.6б) дозволив визначити три типи впорядкованих фрагментів молекул води, які можуть давати додатковий внесок у стабілізацію подвійної спіралі polyr(АН-АН). Це водні містки, молекули води W1 і W2, та водні ланцюжки, молекули води W3.

Таким чином, результати моделювання узгоджуються з експериментальними даними для усіх досліджених систем, суттєво уточнюючи та доповнюючи їх. Показано, що додаткова стабільність одно- і двоспіральних олігонуклеотидів poly(rC) и poly(rА) визначаєтьтся (разом з стекінгом основ вздовж спіралі і водневими звязками у двоспіральних фрагментах) формуванням специфічної структури води - водних містків і ланцюжків.

У розділі 5 викладено результати дослідження гідратації похідних актиноцину з різною довжиною бокових радикалів, їх комплексоутворення з фрагментами ДНК за двома типами звязування та гідратації таких комплексів. Першим етапом було компютерне моделювання методом Монте Карло гідратації похідних актиноцину ActII - V, які мають різні розміри бокових замісників - аміноалкильних ланцюжків.

У результаті було отримано дані, що свідчать про залежність гідратних властивостей похідних актиноцину від числа метиленових груп у бокових ланцюжках. Показано, що зростання довжини бокових замісників призводить до руйнації структури розчинника та зростання гідратної оболонки усіх вивчених лігандів. При цьому гідратна оболонка, або число молекул води, що утворюють водневі звязки з молекулами лігандів, зростає з зростанням числа метиленових групп у бокових радикалах з 2 до 3 та несуттєво змінюється для ActIII - V.

Методом Монте Карло проведено компютерне моделювання взаємодії фрагментів ДНК та ActII - V з урахуванням водного оточення. Розглянуто два типа комплексів, які можуть утворювати похідні актиноцину за отриманими експериментальними даними. Перший тип комплексу - інтеркаляція ліганду між площинами GC-пар подвійної спіралі ДНК; другий тип - зовнішнє звязування молекули ліганду у малому жолобі подвійної спіралі. Стартові конфігурації для комплексів побудовано за допомогою даних рентгеноструктурного дослідження кристалів комплексів фрагментів ДНК.

У таблиці 2 наведено результати моделювання комплексоутворення фрагменту ДНК (5'-d(GAAGCTTC)-3')₂, (Оліг.1) з ActII - V за типом інтеркаляції та при вбудові у малий жолоб фрагменту (5'-d(CGCGTTAACGCG)-3')₂, (Оліг.2). Використано такі позначення: U_TOT/1 ( 0.005) - повна енергія взаємодії у системах, U_WW/1 - енергія взаємодії вода-вода (величини надані у перерахунку на молекулу води), U_WО - енергія взаємодії олігонуклеотид-вода, U_WL - енергія взаємодії вода-ліганд, U_OL - енергия взаємодії олігонуклеотид-ліганд. Останні три величини надано для повної системи.

Таблиця 2

Енергетичні (у ккал/моль) та структурні характеристики систем ДНК - вода, ДНК - ліганд - вода.

N_Hbо - число молекул води, що утворюють водневі звязки з олігонуклеотидами; у дужках наведено число молекул води, що займають місткові положення між олігонуклеотидом та лігандом. N_HbL - число молекул води, що утворюють водневі звязки тільки з лігандами; у дужках наведено число молекул води, що утворюють водневі звязки з ізольованим лігандом. Порівняння величин повних енергій взаємодії (U_TOT/1) та енергій взаємодії олігонуклеотид - ліганд (U_OL) дозволяє зробити висновок про те, що вбудова ліганду ActII енергетично найбільш вигідна. Аналіз миттєвих конфігурацій усіх комплексів дає можливість описати їх структуру та гідратне оточення більш детально.

У випадку інтеркаляційних комплексів олігонуклеотиду з ActII і ActIII хромофорні кільця вбудовуються між GC-парами, а метиленові ланцюжки розташовуються вздовж цукровофосфатного кістяка.

У комплексі фрагменту ДНК з ActIV і ActV хромофорні кільця лігандів "виштовхуються" з подвійної спіралі олігонуклеотиду, довгі метиленові ланцюжки відштовхуються від цукровофосфатного кістяка. Комплекс олігонуклеотид-ActII додатково стабілізується утворенням двох водневих звязків між атомами O4' дезоксирибоз обох ланцюжків олігонуклеотиду з NH₂-групою хромофорного кільця ліганду і NH-групою одного з аміноалкильних ланцюжків.

Гідратація комплексу олігонуклеотид-ActII (141 молекула води) нижче сумарної гідратації ізольованих олігонуклеотиду (148 молекул води) і ліганду (10 молекул води). Тобто при утворенні комплексу має місце суттєва перебудова гідратного оточення фрагменту ДНК і ліганду. Шість молекул води займають місткові положення між гідратно-активними групами олігонуклеотиду і ліганду та додатково стабілізують комплекс. Для комплексів з ActIII - V міжмолекулярних водневих звязків між групами лігандів і цукровофосфатним кістяком олігонуклеотиду не знайдено. Утворення водневих звязків між метиленовими ланцюжками бокових замісників ActII, що інтеркалює у GC-сайт, та цукровофосфатним кістяком фрагменту ДНК може пояснити вищу термостабільність комплексу ActII-ДНК, яка зафіксована у калориметричних та спектрофотометричних дослідженнях.

Моделювання виконано для другого можливого типу комплексу ActII - V з ДНК - при звязуванні ActII - V у малому жолобі. Аналіз результатів моделювання цих комплексів (таблиця 2, U_OL) дозволяє зробити висновок про енергетичну вигідність комплексу фрагменту ДНК з лігандом ActII. Практично однакові значення повної енергії усіх вивчених систем визначаються конкуренцією між декількома типами взаємодій, що мають місце у системах: більшими (за абсолютними величинами) енергіями взаємодії олігонуклеотид-вода (U_WО) і ліганд-вода (U_WL) для комплексів з ActIII - V при більш низьких (за абсолютною величиною) значеннях енергії олігонуклеотид-ліганд U_OL. Порівняння величин енергій взаємодії U_WО, U_WL та числа молекул води, що утворюють водневі звязки з олігонуклеотидом і лігандами для комплексів фрагменту ДНК з ActII - V, дозволяє зробити висновок, що ActII, який має найменші геометричні розміри з чотирьох досліджених лігандів, викликає найбільше зміщення води, яка звязана з фрагментом ДНК. Аналіз миттєвих конфігурацій (рис.9) вказує, що молекула ActII “занурена” у малий жолоб глибше, ніж молекули трьох інших лігандів.

Таким чином, аналіз наданих у розділі 5 результатів не тільки підтверджує експериментальні дані щодо утворення комплексів ActII - V і фрагментів ДНК за двома типами звязування, але й суттєвоо доповнює їх.

Показано, що утворення кожного комплексу супроводжується перебудовою гідратного оточення лігандів і фрагментів ДНК, а формування водних містків між гідратно-активними центрами ДНК та інтеркальованими лігандами додатково стабілізує цей тип комплексів.

У розділі 6 наведено результати дослідження комплексів модельних НК з ароматичними БАР. Експериментально процес комплексоутворення кофеїну (Cf) і різних структурних форм рoly(rA) з урахуванням гідратного оточення досліджено методами п'єзогравіметрії та ІЧ-спектроскопії. За аналізом ізотерм гідратації і ІЧ-спектрів плівок комплексів одно- та двоспіральної рoly(rA) з Cf при зростанні вологості зразків пропонуються такі механізми взаємодії. Присутність Cf у системі не змінює процес формування обох впорядкованих спіральних структур poly(rА). Cf та односпіральна рoly(rA) утворюють комплекс в результаті зовнішнього звязування молекул Cf, що призводить до зменшення гідратації фосфатних груп. Не виключена можливість утворення водневих звязків між карбонільними групами Cf і NH₂-групами аденину. Порівняльний аналіз гідратації вільної протонованої двоспіральної polyr(АН-АН) та її комплексу з Cf дозволяє зробити висновок, що polyr(АН-АН) - достатньо стабільна і компактна структура, тому Cf звязується з нею тільки на зовнішній поверхні полінуклеотидної матриці. Молекули води у комплексах можуть безпосередньо звязуватися з гідратно-активними групами Cf та полінуклеотидною матрицею і/або утворювати містки між донорно-акцепторними групами poly(rА) і Cf.

Уточнення цих припущень зроблено за допомогою компютерного моделювання методом Монте Карло. Для комплексу односпіральної форми poly(rА) з Cf можливі два типу звязування - зовнішнє звязування молекули Cf (комплекси 1, 2) і часткова інтеркаляція (припущення, що висловлювалося в літературі) молекули Cf між площинами сусідніх аденинів (комплекс 3).

Для комплексу двоспіральної структури polyr(AН-АН) и Cf можливо тільки зовнішнє звязування молекули Cf біля цукровофосфатного кістяка полінуклеотидної матриці (рис.11). Навколо комплексів утворюються водні містки і ланцюжки, які формують безперервну сітку молекул води і додатково стабілізують обидва комплекси.

З комплексом гексануклеотиду рoly(rA) 6rA і Cf звязуються 9 молекул води на нуклеотид, з них з фрагментом односпіральної poly(rА) - 7-8 молекул води на нуклеотид, а з молекулою Cf - 3-4 молекули води. З фрагментом 6r(AН-АН) водневі звязки утворюють 76-78 молекул води, або 6-7 молекул води на нуклеотид, а з молекулою Cf звязуються 3-4 молекули води. Таким чином, усі отримані результати узгоджуються з експериментальними даними і суттєво їх доповнюють.

У розділі 6 наведено молекулярні моделі комплексів двоспіральної poly(rC) і АctIII. Утворення такого комплексу зареєстровано у розчинах методами УФ- і ВО-спектрофотометрії, Раман спектроскопії, мікрокалориметрії і у плівках методами ІЧ-спектроскопії та пєзогравіметрії. У експериментах було показано, що феноксазоновий хромофор ліганду не вбудовується між площинами сусідніх пар основ poly(rC). Комплекс двоспіральної poly(rC) с АctIII, можливо, утворюється за типом зовнішнього звязування та стабілізується кількома міжмолекулярними водневими звязками. Аналізуючи ІЧ-спектроскопічні дані зроблено висновок, що при звязуванні АctIII з двоспіральною poly(rC) можуть утворюватися водневі звязки між донорно-акцепторними групами АctIII і фосфатними групами двоспіральної poly(rC). За даними Раман спектроскопії можливо утворення водневих звязків між NH₂-групою феноксазонового хромофору АctIII і матрицею двоспіральної poly(rC).

Ймовірні моделі комплексу двоспіральна poly(rC)-ActIII побудовано на основі експериментальних даних за допомогою двох методів - молекулярного докінгу і Монте Карло. За результатами моделювання методом молекулярного докінгу було відібрано пять найбільш ймовірних комплексів, які задовольняють експериментальним даним і критеріям відбору за значеннями енергій, які отримано у молекулярному докінгу. Ці структури є стартовими конфігураціями для моделювання методом Монте Карло у кластері з 800 молекул води. Результати моделювання наведено у таблиці 3. Це середні повні потенціальні енергії систем (U_TOT 4.0), що представляють суму енергій взаємодії молекул води (U_WW), енергій взаємодії молекул води з poly(rC) (U_WrC) і АctIII (U_WAct), енергій взаємодії у комплексі АctIII-poly(rC) (U_Act-rC). Процес комплексоутворення оцінювали і за гідрофобними взаємодіями, для розрахунків яких застосовували лінійну залежність енергії E_ph від зміни площі поверхні, що доступна розчиннику, SAS_ph, Е²: