Молекулярні механізми гідратації та комплексоутворення нуклеїнових кислот з біологічно активними речовинами

E_ph = SAS_ph x 0.024 ккал/мольЕ². (13)

Як видно з наведених у таблиці 3 результатів, середні значення повних потенціальних енергій усіх досліджених комплексів відрізняються несуттєво - менш, ніж на 1%.

Таблиця 3

Енергетичні (у ккал/моль) характеристики комплексів фрагменту двоспіральної poly(rC) з АctIII у кластері, що містить 800 молекул води.

У таблиці 4 наведено структурні характеристики систем: міжмолекулярні водневі звязки - НВ (АctIII - poly(rC)) з переліченням атомів, що беруть участь в утворенні таких звязків, та водні містки.

Вказано атоми АctIII та фрагменту poly(rC), з якими молекули води у місткових положеннях утворюють водневі звязки. Використовуючи усі дані, що отримано при моделюванні та з експериментальних досліджень, можна запропонувати структуру, яка відповідає комплексу 3 (рис.12), як найбільш ймовірну молекулярну модель комплексу АctIII і фрагменту двоспіральної poly(rC).

Таблиця 4

Структурні характеристики комплексів фрагменту двоспіральної poly(rC) з АctIII у кластері, що містить 800 молекул води.

Для цього комплексу виконується більшість критеріїв, необхідних для утворення стабільного комплексу. Молекула ліганду розташовується у жолобі двоспірального полінуклеотиду. Комплекс стабілізовано міжмолекулярними водневими звязками, гідрофобними взаємодіями і взаємодіями з молекулами розчинника. Разом з тим, у розчині можливо існування декількох типів комплексів, близьких за структурою до комплексів 1, 3, 5, що були отримані за допомогою компютерного моделювання методами молекулярного докінгу і Монте Карло. Стійкість цих комплексів у водному розчині визначається і формуванням міжмолекулярних водневих звязків, і специфічною взаємодією з молекулами розчинника. Утворення комплексів супроводжується перебудовою гідратного оточення фрагменту двоспіральної poly(rC) і АctIII, особливо у сайті звязування ліганду.

У розділі 7 наведено результати дослідження молекулярних механизмів впливу кофеїну (Cf) на біологічну активність ActII, який проявив максимум активності у ряду ActII-V. Методом молекулярної динаміки виконано (1) моделювання процесів само- і гетероасоціації Cf та похідних актиноцину ActII у водних розчинах і (2) комплексоутворення Cf і ActII з різними фрагментами ДНК. Дослідження цих двох процесів методом молекулярного моделювання дозволять детально описати здатність Cf впливати на взаємодію аналогу протипухлинного антибіотику з мішенню - молекулою ДНК за рахунок інтерцепторного (гетероасоціація) і протекторного (конкуренція) механизмів.

У сухому стані ліганд ActII - це сіль ActII(Cl)₂. Нами розглянуто катіон ActII з загальним зарядом +1 (ActII⁺) при звязуванні одного з іонів Cl^- і катіон з загальним зарядом +2 (ActII⁺⁺), який утворюється при повній дисоціації іонів Cl^- у безсольових розчинах.

Енергію асоціації (G) розраховували за формулою:

G = U + G_solv, (14)

де U - молекулярно-механічна енергія взаємодії, яка складається з ван-дер-Ваальсових (vdw) та електростатичних (elst) взаємодій; G_solv - зміна енергії гідратації при утворенні асоціату:

G_solv=G_dim - G_mon1 - G_mon2. (15)

Енергія гідратації обчислювалась за формулою:

G_solv = (w_i S_i), (16)

де S_i - площа поверхні i-го атому, w_i - ваговий коефіцієнт. Гідрофобні взаємодії при утворенні асоціатів розраховували за формулою 13.

Першим етапом було моделювання мономерів Cf і ActII у воді і у розчинах, які містили іони Na⁺ і Cl^-. Отримано: структури гідратних оболонок; радиальні функції розподілу; площі поверхні, що доступні розчиннику; різні види енергій взаємодії у системах. Ці параметри необхідні для подальшого вивчення процесів гомо- і гетероасоціації, а також для порівняння з результатами експериментів з вивчення агрегації та взаємодії досліджених сполук з водним оточенням.

Наступним етапом було моделювання стекінг-димерів гомо- та гетероасоціатів Cf і ActII у воді та у водно-сольових розчинах. Всього вивчено 14 різних асоціаітов. Аналізували структури асоціатів, їх гідратне оточення, можливість утворення внутрішньо- та міжмолекулярних водневих звязків у асоціатах, внески міжмолекулярних взаємодій у стабільність асоціатів. Показано, що усі вивчені асоціати (окрім одного з гетероасоціатів) - стабільні.

Це визначається, перш за все, внеском молекулярно-механічної енергії (рис.14, U) і, зокрема, її ван-дер-Ваальсовими компонентами (vdw), які відповідають дисперсійним взаємодіям. Гідрофобні взаємодії стабілізують усі асоціати. Аналіз значень енергії гідратації G_solv вказує, що у воді перебудова гідратної оболонки мономерів при їх асоціації енергетично невигідна і дестабілізує усі досліджені асоціати. У водно-сольових розчинах зміна гідратного оточення енергетично вигідна для систем, що містять асоціати ActII⁺ або гетеродимери Cf - ActII⁺, але невигідна для самоасоціатів Cf.

Зафіксовано утворення водних містків у самоасоціатах ActII⁺, які вносять додатковий внесок у їх стабілізацію. Утворення внутрішньо- та міжмолекулярних водневих звязків показано на прикладі самоасоціата ActII^{+ .} Розраховані значення енергії взаємодії молекул в асоціатах свідчать про те, що утворення димерів Cf-ActII енергетично вигідніше, ніж утворення самоасоціатів Cf. Тому Cf може зменшувати концентрацію ароматичного ліганду у розчині за рахунок утворення гетероасоціатів і, як наслідок, знижувати його біологічну активність (інтерцепторний механізм).

Другий механізм впливу Cf на біологічну активність ActII⁺ є протекторна дія, або конкуренція за місця звязування з ДНК. При моделюванні комплексів фрагменту ДНК з Cf або ActII⁺ енергію взаємодії ліганду (?G) з фрагментом ДНК розраховували за формулою:

?G = ?U + ?G_solv + ?G_c, (17)

де ?U - молекулярно-механична енергія взаємодії, яка складається з ван-дер-Ваальсових (vdw) та електростатичних (elst) взаємодій; ?G_solv - зміна енергії гідратації при утворенні комплексу, або сума змін енергії гідратації ліганду (lig) та подвійної спіралі (hel); ?G_c - енергія конформаційної перебудови подвійної спіралі при звязуванні ліганду, що дорівнює різниці між енергією недеформованої та деформованої спіралі та складається з зміни молекулярно-механічної енергії (mm) і енергії гідратації (формула 16). Також визначали гідрофобні взаємодії при комплексоутворенні лігандів і фрагментів ДНК у воді (формула 13), де SAS_ph розраховувалася як:

S = SAS_compl - (SAS_DNA+SAS_lig). (18)

Першим етапом було моделювання фрагментів ДНК, які обрані мішенями (5'-d(ApGpCpT)₂ і 5'-d(GpApTpApC)₂) для взаємодії з лігандами (ActII⁺ і Cf). Збереження структури подвійної спіралі оцінювалося за динамікою змін відстані і направленності водневих звязків у парах основ, за відстанями між атомами Р фосфатних груп кожного з ланцюжків фрагменту і конформаціями вуглеводних залишків. На основі аналізу молекулярно-динамічної траєкторії зроблено висновок, що обидва досліджених фрагмента ДНК залишаються стабільними та зберігають структури, які відносяться до В-форми подвійної спіралі ДНК.

Наступним етапом було моделювання чотирьох комплексів фрагментів ДНК з Cf і ActII⁺: за типом інтеркаляції у GC-сайт фрагменту та при звязуванні у малому жолобі. У таблиці 5 наведено повну енергію взаємодії ?G та її складові для вивчених комплексів.

Таблиця 5

Повна енергія взаємодії ?G, її складові та енергія гідрофобних взаємодій E_ph (у ккал/моль) для комплексів (C) за типом інтеркаляції: d(AGCT)₂+ActII⁺ - I1, d(AGCT)₂+Cf - I2; і за типом зовнішнього звязування у малому жолобі: (d(GATAC)₂) +ActII⁺ - G1; d(GATAC)₂+ Cf - G2.

Аналіз результатів моделювання свідчить, що всі комплекси стабільні. Енергетична вигідність комплексів за типом інтеркаляції зумовлена внесками молекулярно-механічної складової (?U): її ван-дер-Ваальсовими компонентами для обох лігандів та електростатичною - для ActII⁺, який має загальний позитивний заряд. Позитивні внески конформаційної складової ?G_c у загальне значення ?G пояснюються енергетичними витратами при утворенні інтеркаляційного сайту (розкручування подвійної спіралі, розтягнення її вздовж вісі, зміщення пар основ). Стабільність комплексу, що спостерігається при звязуванні ActII⁺ у малому жолобі, визначається негативними значеннями ?U і ?G_c. Тобто при вбудові ActII⁺ у малий жолоб не відбувається суттєвої деформації подвійної спіралі. Дестабілізуючий внесок має зміна енергії гідратації комплексу ДНК-ліганд. Гідрофобні взаємодії стабілізують усі досліджені комплекси, і їх внесок у стабільність комплексів фрагментів ДНК з ActII⁺ більший, ніж у стабільність комплексів фрагментів ДНК з Cf.

Утворення комплексу ДНК-ліганд супроводжується перебудовою гідратних оболонок ДНК і частковою або повною дегідратацією ліганду. Число молекул води, що утворюють водневі звязків з комплексами (n), та зміни у моногідратному шарі фрагменту ДНК при утворенні комплексів (n). Інтеркаляція ActII⁺ і Cf викликає однакове зменшення молекул води, що звязуються з ДНК, але по-різному змінє гідратацію основ и цукровофосфатного кістяка. Звязування ActII⁺ у малому жолобі викликає менше змін у гідратації фрагменту d(GATAC)₂, ніж звязування Cf. ActII⁺ більше впливає на гідратацію основ, тоді як Cf змінює гідратацію цукровофосфатного кістяка. У комплексі за типом інтеркаляції ліганд ActII⁺ фіксується у GC-сайті кількома водневими звязками, утворення яких може пояснити специфічність взаємодії ActII⁺ з GC-сайтом фрагменту ДНК. При вбудові лігандів у малий жолоб не було зафіксовано водневих звязків між атомними групами лігандів і фрагментів ДНК.

Таким чином, узагальнюючи результати молекулярно-динамічного моделювання процесів само- та гетероассоціації ActII і Cf у розчинах та комплексоутворення ActII і Cf з фрагментами ДНК, можна зробити висновок про те, що Cf здатен змінювати біологічну активність похідного актиноцину ActII на молекулярному рівні і як інтерцептор з утворенням стабільних гетероассоціатів, і як протектор за результатом конкуренції за місця звязування на ДНК.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі вперше використано комплексний підхід при дослідженнях молекулярних механізмів взаємодії у системах НК - вода та НК - БАР - вода, що поєднує сучасні компютерні методи моделювання і дані експериментальних методів. Таких підхід дозволяє запропонувати найбільш ймовірні моделі комплексів, оцінити внески різних видів міжмолекулярних взаємодій, урахувати у явному вигляді вплив розчинника на формування стабільних комплексів НК - ліганд. Він може бути використаний у біотехнології при створенні та тестуванні нових фармакологічних препаратів ген-спрямованної дії для відносно швидкого відбору сполук, що на молекулярному рівні проявляють максимальну спорідненість до молекул НК.

Основні результати дисертації сформульовано наступним чином:

1. У роботі за допомогою комплексного підходу (компютерне моделювання і використання експериментальних даних) вперше проведено систематичне комплексне дослідження гідратації та комплексоутворення фрагментів нуклеїнових кислот різного рівня структурної організації з ароматичними БАР, отримано і візуалізовано просторові структури, гідратні оболонки і різні складові енергій взаємодій для систем, що містять воду і (1) ДМФ різного нуклеотидного складу і конформацій; (2) фрагменти одно- і двоспіральних полірибонуклеотидів; (3) ароматичні БАР - аналоги протипухлинних антибіотиків; (4) само- і гетероасоціати ароматичних БАР; (5) комплекси різних фрагментів НК з ароматичними БАР.

2. Показано, що стабільність структури ДМФ в водному оточенні визначається кількома типами конкурентних взаємодій, величини яких і відносний внесок у повну енергію систем ДМФ-вода залежать від нуклеотидного складу та вмісту води у системах. Вперше на атомному рівні описано формування гідратного оточення ДМФ, що відрізняються нуклеотидним складом і конформацією. Показано, що формування гідратної оболонки ДМФ залежить від нуклеотидного складу і визначається особливостями структурних елементів, передусім, азотистих основ, які відрізняються здатністю звязувати різну кількість молекул води.

3. Вперше на основі енергетичних характеристик систем ДМФ-вода, отриманих методом Монте Карло, визначено надлишкові енергії гідратації ДМФ та часи дипольної релаксації молекул води у звязаному стані. Зафіксовано залежність цих параметрів від нуклеотидного складу ДМФ і вмісту води у системах.

4. Методами компютерного моделювання отримано детальний опис гідратного оточення одно- і двоспіральних форм poly(rС) і poly(rА). Показано, що при ускладненні структурних елементів цих полінуклеотидів, роль гідратного оточення у стабілизації спіральних форм зростає.

5. Методами компютерного моделювання отримано рівноважні молекулярні структури і гідратні оболонки похідних актиноцину, що відрізняються структурою бокових радикалів (ActII-V). Показано, що зростання розмірів бокових замісників приводить до руйнації структури розчинника і зростання гідратної оболонки усіх досліджених лігандів.

6. Методом Монте Карло отримано найбільш ймовірні молекулярні моделі двох типів комплексів фрагментів ДНК з похідними актиноцину ActII-V: інтеркаляція молекул ActII-V між GC-парами подвійної спіралі ДНК і звязування молекул ActII-V у малому жолобі ДНК. Встановлено, що додатково комплекси стабілізуються водними містками, які утворюються у сайтах звязування лігандів.

7. На основі аналізу результатів експериментальних досліджень (ІЧ-спектроскопія і пєзогравіметрія) і компютерного моделювання (метод Монте Карло) комплексів двох структурних форм poly(rА) з кофеїном показано, що кофеїн не змінює процес формування спіральних структур poly(rА). Запропоновано найбільш ймовірні молекулярні моделі комплексів. Показано, що для комплексу односпіральна poly(rА)-кофеїн можливі два типа звязування, а для комплексу двоспіральної polyr(AН-АН)-кофеїн - тільки один тип звязування. Комплекси стабілізуються ван-дер-Ваальсовими та електростатичними взаємодіями і утворенням водних містків та ланцюжків, що звязують донорно-акцепторні групи фрагментів полінуклеотидів і кофеїну.

8. Методами молекулярного докінгу і Монте Карло визначено структури найбільш ймовірних молекулярних моделей комплексів похідної актиноцину АctIII і фрагменту двоспіральної poly(rC) за типом зовнішнього звязувания. Показано, що комплекси додатково стабілізуються міжмолекулярними водневими звязками, гідрофобними взаємодіями та взаємодіями з молекулами розчинника.

9. Методом молекулярної динаміки детально вивчено процеси гомо- і гетероасоціації кофеїну та похідної актиноцину ActII у воді і водно-сольових розчинах та взаємодію їх мономерів і асоціатів з іон-гідратним оточенням. Показано, що гомо- і гетероасоціати стабілізуються ван-дер-Ваальсовими, гідрофобними взаємодіями і міжмолекулярними водневими звязками.

10. Методом молекулярної динаміки вперше отримано структурні та енергетичні характеристики комплексів фрагментів ДНК з похідною актиноцину ActII і кофеїном. Показано, що комплекси ActII-ДНК енергетично вигідніші, ніж комплекси кофеїн-ДНК, причому енергії взаємодії обох лігандів з фрагментами ДНК мають близькі значення. Це свідчить про можливість конкуренції кофеїну і похідної актиноцину ActII за місця звязувания на молекулі - мішені - ДНК. Показано, що ступінь руйнації моногідратного шару подвійної спіралі при утворенні комплексу ДНК-ліганд визначається способом звязувания ліганду та його можливістю утворювати водневі звязки з молекулами води.

11. За результатами молекулярно-динамічного моделювання процесів само- і гетероасоціації ActII та кофеїну у розчинах і комплексоутворення ActII та кофеїну з фрагментами ДНК, показано, що кофеїн може проявляти як інтерцепторний, так і протекторний механізми модифікації біологічної активності потенційного протипухлинного антибіотика - похідного актиноцину ActII.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАННИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Вирник К.М., Гасан А.И., Малеев В.Я., Шестопалова А.В. Энергетические и динамические свойства воды в гидратной оболочке ДНК // Вісник ХДУ № 410. - Біофізичний вісник. - 1998. - вип.1. - С.41-49.

2. Шестопалова А.В., Анищенко Д.Б., Малеев В.Я. Изучение гидратации различных структурных форм полирибоцитидиловой кислоты и ее компонентов методом Монте Карло. 1. Влияние протонирования на гидратацию цитозина // Вісник ХДУ № 450. - Біофізичний вісник. - 1999. - вип.4. - C.17-22.

3. Шестопалова А.В., Анищенко Д.Б., Малеев В.Я. Изучение гидратации различных структурных форм полирибоцитидиловой кислоты и ее компонентов методом Монте Карло. 2. Влияние протонирования на гидратацию ассоциатов цитозина. // Вісник ХДУ № 466. - Біофізичний вісник. - 1999. - вип.5. - C. 15-21.

4. Шестопалова А.В., Анищенко Д.Б., Малеев В.Я. Изучение гидратации различных структурных форм полирибоцитидиловой кислоты и ее компонентов методом Монте Карло. 3. Роль воды в стабилизации спиральных форм полирибоцитидиловой кислоты // Вісник ХДУ № 488. - Біофізичний вісник. - 2000. - вип.6. - C. 26-32.

5. Шестопалова А.В. Компьютерное моделирование гидратации динуклеозидмонофосфатов // Вісник ХДУ № 528. - Біофізичний вісник. - 2001. - вип.10. - C. 17-23.

6. Вирник К.М., Гасан А.И., Малеев В.Я., Шестопалова А.В. Динамические свойства воды, связанной на матрицах природной ДНК и модельных комплексов // Биофизика. - 2002. - T.47. - C.245-252

7. Вирник К.М., Гасан А.И., Малеев В.Я., Шестопалова А.В. Энергетика гидратации нуклеиновых кислот различного нуклеотидного состава // Биофизика. - 2002. - T.47. - C.420-426

8. Shestopalova A.V. Hydration of nucleic acids components in dependence of nucleotide composition and relative humidity: a Monte Carlo simulation // European Phys. J. D. - 2002. - Vol.20. - P.331-337

9. Анищенко Д.Б., Березняк Е.Г., Шестопалова А.В., Малеев В.Я. Изучение молекулярных механизмов взаимодействия кофеина и производных актиноцина с ДНК методом молекулярной динамики. 1. Исследование структуры мономерных и димерных форм производного актиноцина в ион-гидратном окружении. // Вісник ХДУ, №560. - Біофізичний вісник. - 2002. - вип.1(10). - С.36-41.

10. Maleev V.Ya., Semenov M.A., Kashpur V.A., Bolbukh T.V, Anischenko D.B., Shestopalova A.V. Structure and hydration of polyribocytidylic acid from the data of infrared spectrostroscopy, EHF dielectrometry and computer modeling // J. Mol. Structure. - 2002. - Vol.605. - P.51-61.

11. Анищенко Д.Б., Березняк Е.Г., Шестопалова А.В., Малеев В.Я. Физические механизмы взаимодействия производных актиноцина с ДНК. 8. Моделирование структуры и гидратации производных актиноцина с различной длиной аминоалкильных цепочек // Вісник ХДУ №568. - Біофізичний вісник. - 2002. - вип.2 (11). - С.25-29.

12. Березняк Е.Г., Семенов М.А., Больбух Т.В., Духопельников Е.В., Шестопалова А.В., Малеев В.Я. Исследование влияния воды на взаимодействие ДНК и производных актиноцина с различной длиной аминоалкильных цепочек методами ИК-спектроскопии и компьютерного моделирования // Биофизика. - 2002. - T.47. - C.1005-1014.

13. Maleev V.Ya., Semenov M.A., Kruglova E.B., Bolbukh T.V., Gasan A.I., Bereznyak E.G., Shestopalova A.V. Spectroscopic and calorimetric study of DNA interaction with a new series of actinocin derivatives // J. Mol. Struct. - 2003. - Vol.645. - P.145-158.

14. Анищенко Д.Б., Березняк Е.Г., Шестопалова А.В., Малеев В.Я. Изучение молекулярных механизмов взаимодействия кофеина и производных актиноцина с ДНК методом молекулярной динамики. II. Роль различных факторов при образовании комплекса ДНК-лиганд // Вісник ХДУ №593. - Біофізичний вісник. - 2003. - вип.1 (12). - С. 13-19.

15. Мирошниченко Е.В., Шестопалова А.В. Молекулярный докинг производных актиноцина и фрагментов ДНК // Вісник ХНУ № 637. - Біофізичний вісник. - 2004. - вип.1 (14). - С.48-55.

16. Miroshnychenko K.V., Shestopalova A.V. Flexible docking of DNA fragments and actinocin derivatives // J. Mol. Simulation. - 2005. - Vol. 31. - N. 8. - P. 567-574.

17. Мирошниченко Е.В., Шестопалова А.В. Компьютерное моделирование комплексообразования производной актиноцина и двуспиральной полирибоцитидиловой кислоты // Вісник ХНУ № 665. - Біофізичний вісник. - 2005. - вип.1(15). - С.62-67.

18. Малеев В.Я., Шестопалова А.В. Физические принципы молекулярной организации биополимеров // Радиофизика и электроника. - 2005. - Т.10. - С.677-699.

19. Shestopalova A.V. The investigation of the association of caffeine and actinocin derivatives in aqueous solution: A molecular dynamics simulation // J.Mol. Liquids. - 2006. - Vol.137. - Р.113-117.

20. Шестопалова А.В. Компьютерное моделирование ассоциации кофеина и произ-водных актиноцина в водных растворах // Биофизика. - 2006. - T.51. - С.389-401.

21. Шестопалова А.В. Компьютерное моделирование гидратации фрагментов различных структурных форм полирибоадениловой кислоты // Вісник ХНУ. - Біофізичний вісник. - 2006. - Вып.1(17). - С.5-14.

22. Шестопалова А.В., Больбух Т.В., Семенов М.А. Молекулярные механизмы взаимодействия кофеина с различными структурными формами полирибоадениловой кислоты: эксперимент и компьютерное моделирование // Вісник ХНУ. - Біофізичний вісник. - 2006. - Вып.1(17). - С.24-35.

23. Шестопалова А.В. Связывание производного актиноцина c фрагментами ДНК: моделирование методом Монте Карло // Биополимеры и клетка. - 2007. - Т.23. - С.35-44.

24. Гасан А.І., Малєєв В.Я., Шестопалова А.В. Енергетика зв'язування та динамічна рухливість води у гідратній оболонці ДНК // Тези доп. І з'їзду Українського біофізичного товариства, 1994, с.60-61.

25. Shestopalova A.V., Gasan A.I. Energetic characteristics and dynamical properties of the bond water on the DNA hydration shell XVI Int.Cong. Biochem Mol.Biol.. India,New Dethy, 19-22 September 1994, A.6004.

26. Вирник К.М., Гасан А.И., Малеев В.Я., Шестопалова А.В. Динамические свойства молекул воды гидратной оболочки биспиральных полинуклеотидных комплексов и ДНК // 3 Международная конф. “Физические явления в твердых телах”, Харьков, 1997,сб.трудов, С.119.

27. Вірник К.М., Гасан А. І., Малєєв В.Я., Шестопалова А.В. Енергетичні та динамічні характеристики води в гідратних оболонках природних ДНК// ІІ з'їзд Українського біофізичного товариства, Харків, 1998, тези доповідей, С.17.

28. Шестопалова А.В., Данилов В.І. Вивчення взаємодії динуклеотидів з водним оточенням за допомогою методу Монте Карло // ІІ з'їзд Українського біофізичного товариства, Харків, 1998, тези доповідей, С.36.

29. Вирник К.М., Гасан А.И., Малеев В.Я., Шестопалова А.В. Энергетика гидратации нуклеиновых кислот и динамика связанной воды. // Int.Conf.on Physics of biological systems, Kiyv,1998,Abs.,P.42.

30. Шестопалова А.В. Гидратация динуклеотидов в водных кластерах различных размеров: моделирование методом Монте Карло // Int. Conf. on Physics of biological systems, Kiyv,1998,Abs.,P.131

31. Bolbukh T.V., Kashpur V.A., Semenov M.A., Shestopalova A.V. Hydration and structure transisions of polyribocytidilic acid // Int.Conf.on Physics of biological systems, Kiyv,1998,Abs.,P.97.

32. Maleev V.Ya., Semenov M.A., Kashpur V.A., Bolbukh T.V., Shestopalova A.V. Hydration and conformations of polycytidylic acid from the data of infrared spectroscopy, EHF dielectrometry and Monte Carlo simulation // Spectroscopy of biological molecules: new diractions: 8^th Europ. Conf. on the Spectr. Biol.Mol., 29 Aug. - 2 Sep 1999, Enschenede, The Netherlands, Books of abs., P.227-228.

33. Шестопалова А.В. Взаимодействие динуклеотидов с водным окружением: моделирование методом Монте Карло // II съезд биофизиков России, 23-27 авг. уста 1999г, Москва, Россия, Тезисы, T.1. - C. 984-985

34. Вирник К.М., Гасан А.И., Малеев В.Я., Шестопалова А.В. Энергетические и динамические свойства гидратного окружения природных ДНК и модельных соединений // II съезд биофизиков России, 23-27 августа 1999г, Москва, Россия, Тезисы, T.1. - C. 104-105.

35. Shestopalova A.V., Anischenko D.B. Theoretical analysis of influence the cytosine protonation on hydration of polycytidilic acids in different structural forms: a Monte Carlo simulation. // Physics of the alive (Abs. Symp. “Theoretical Physics and biology”, Kiev, 1999). - 1999. - V.7. - Р.95.

36. Shestopalova A.V., Anischenko D.B., Maleev V.Ya. Hydration of different structural forms of polyrC: a Monte Carlo simulation // European Biophys.J. - 2000. - V.29. - N.5-6. - P. 253, abs. of the 3d Europ. Biophys.Congress, Munchen, 9-13 Sept. 2000.

37. Maleev V.Ya., Semenov M.A., Kashpur V.A., Bolbukh T.V, Anischenko D.B., Shestopalova A.V. Structure and hydration of polyribocytidylic acid from the data of infrared spectrosopy, EHF dielectrometry and computer modeling // XXV European Congress on Molecular Spectroscopy, 27 Aug.-1 Sept. 2000, Coimbra, Portugal, Abs., P.66.

38. Bolbukh T.V., Shestopalova A.V., Anischenko D.B. Spectroscopic investigation of hydration complexes of polyriboadenylic acids with caffeine in films // IX ECSBM, Prague, Czech Republic, September 8-13, 2001, Book of Abstracts, P.120.

39. Семенов М.А., Малеев В.Я., Глибин Е.Н., Круглова Е.Б., Гасан А.И., Больбух Т.В., Березняк Е.Г., Шестопалова А.В. Влияние воды на взаимодействие ДНК с производными актиноцина // 5 Международная конф. “Физические явления в твердых телах”, Харьков, 2001,сб.трудов, С.74.

40. Anischenko D.B., Bolbukh T.V., Shestopalova A.V. Hydration of polyriboadenylic acid - caffeine complexes in films // Тези доповідей III з'їзду Українського біофізичного товариства, Львів, 8-11 жовтня 2002, С.24.

41. Березняк К.Г., Шестопалова А.В. Комп'ютерне моделювання гідратованих комплексів похідних актиноцину та фрагментів ДНК // Тези доповідей III з'їзду Українського біофізичного товариства, Львів, 8-11 жовтня 2002, С.25.

42. Аніщенко Д.Б., Березняк К.Г., Малєєв В.Я., Шестопалова А.В. Вивчення молекулярних механізмів взаємодії похідного актиноцину з кофеїном методом молекулярної динаміки. // Тези доповідей III з'їзду Українського біофізичного товариства, Львів, 8-11 жовтня 2002, С.34.

43. Анищенко Д.Б., Березняк Е.Г., Шестопалова А.В. Компьютерное моделирование процессов комплексообразования противоопухолевых антибиотиков и фрагментов ДНК // Сучасні технології органиічного синтезу та медичної хімії. // Тези доповідей всеукраїнської науково-практичної конференції, Харків. - 2003. - С.115.

44. Anischenko D.B., Bereznyak E.G., Shestopalova A.V., Maleev V.Ya. Molecular mechanism of caffeine and actinocin derivatives interaction with DNA fragments // Proceedings of the XVI Intern. School-Seminar "Spectroscopy of molecules and crystals", Sevastopol, Ukraine, 25.05-1.06.2003. Р.192.

45. Shestopalova A.V. The investigation of the molecular mechanisms of the association of actinocin derivative and caffeine in aqueous solution: the molecular dynamics simulation // III Int.Conf. “Physics of Liquid Matter: Modern Problems”, May 27-31, 2005, Kyiv, Ukraine, Р.178.

46. Шестопалова А.В. О двух возможных механизмах влияния кофеина на биологическую активность производных актиноцина - аналогов противоопухолевых антибиотиков // Тези доповідей IV з'їзду Українського біофізичного товариства, Донецьк, 19-21 грудня 2006, С.332-333.

АНОТАЦІЯ

Шестопалова Г.В. Молекулярні механізми гідратації та комплексоутворення нуклеїнових кислот з біологічно активними речовинами. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 03.00.02 - біофізика. - Харківський національний університет ім.В.Н.Каразіна, м. Харків, 2007.

Використовуючи комплексний підхід, що поєднує сучасні методи комп'ютерного моделювання та великий обсяг експериментальних даних, вперше проведено систематичне дослідження гідратації і комплексоутворення фрагментів нуклеїнових кислот різного рівня структурної організації з ароматичними біологічно активними речовинами, отримано та візуалізовано просторові структури, гідратні оболонки, обчислено різні складові енергій взаємодії для систем, що містять воду та (1) фрагменти НК різного нуклеотидного складу і структурної організації; (2) ароматичні БАР - аналоги протипухлинних антибіотиків та їх асоціати; (3) комплекси різних фрагментів НК з ароматичними БАР. За допомогою такого підходу встановлено молекулярні механізми формування гідратних оболонок динуклеозидмонофосфатів та олігонуклеотидів в залежності від їх нуклеотидного складу та конформації. На підставі сумісного аналізу результатів експериментальних досліджень та компютерного моделювання запропоновано найбільш ймовірні моделі комплексів фрагментів НК та досліджених ароматичних БАР і встановлено роль водного оточення (упорядкованих елементів гідратних оболонок - водних містків та ланцюжків) у стабілізації таких комплексів.

Ключові слова: нуклеїнові кислоти, гідратація, комплексоутворення, біологічно активні речовини, компютерне моделювання.

АННОТАЦИЯ

Шестопалова А.В. Молекулярные механизмы гидратации и комплексо-образования нуклеиновых кислот и биологически активных веществ. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математичеких наук по специальности 03.00.02 - биофизика. - Харьковский национальный университет им.В.Н Каразина, Харьков, 2007.

C помощью комплексного подхода, который объединяет современные методы компьютерного моделирования и большой объем экспериментальных данных, впервые проведено систематическое исследование гидратации и комплексообразования фрагментов нуклеиновых кислот разного уровня структурной организации с ароматическими биологически активными веществами, получены и визуализированы пространственные структуры, гидратные оболочки, вычислены различные составляющие энергии взаимодействия для систем, содержащих воду и (1) фрагменты НК разного нуклеотидного состава и структурной организации; (2) ароматические БАВ - аналоги противоопухолевых антибиотиков и их ассоциаты; (3) комплексы различных фрагментов НК с ароматическими БАВ. С помощью такого подхода установлены молекулярные механизмы формирования гидратных оболочек динуклеозидмонофосфатов и олигонуклеотидов в зависимости от их нуклеотидного состава и конформации. На основе совместного анализа результатов экспериментальных исследований и компьютерного моделирования предложены наиболее вероятные модели комплексов фрагментов НК с исследованными ароматическими БАВ и определена роль водного окружения (упорядоченных элементов гидратных оболочек - водных мостиков и цепочек) в стабилизации таких комплексов.

Ключевые слова: нуклеиновые кислоты, гидратация, комплексообразование, биологически активные вещества, компьютерное моделирование.

SUMMARY

Shestopalova A.V. Molecular mechanisms of hydration and complex formation of nucleic acids with biological active compounds. - Manuscript.

Thesis for Doctor's degree of Physical and Mathematical Sciences in Biophysics - Speciality 03.00.02, Kharkiv National University, Kharkiv, 2007.

An extensive systematic investigation using complex approach (computer simulation methods: a Monte Carlo method, molecular dynamics, molecular docking) and the large value of experimental results of hydration and complexation of nucleic acid (NA) with aromatic biological active compounds (BAC) has been carried out. The structures and hydration shells of all investigated systems were obtained and visualizated. The energetic characteristics and contributions of different intermolecular interactions for systems containing water and NA fragments with different nucleotide composition and conformations; aromatic BAC (analogues of anticancer antibiotic actinomycin D - actinocyn derivatives, ActII-V and caffeine, Cf) in monomer and dimer forms; complexes of NA fragments with aromatic BAC were calculated.

The results of Monte Carlo simulations and their analysis demonstrate that deoxynucleoside monophosphates (DMP) containing guanine and/or cytosine hydrated more strongly because of formation of more numerous hydrogen bonds with water molecules in small water clusters, i.e. at low relative humidity. With increasing of number of water molecules the energetic preference of GC-containing DMP decreases, and for water clusters corresponding to a state of a dilute aqueous solution, the AT-sequences become energetically more preferable. The energetically more preferential forms of GC-containing DMP are A- or Z-form of DNA, and for AT- containing DMP is B-form of DNA.

The models of hydration of single-stranded and double-stranded forms of poly(rC) and poly(rA) based on the results of Monte Carlo simulations and experimental data have been proposed. The obtain results suggest that the stabilization of these helical forms of poly(rC) and poly(rA) occurs due to intra- and interchain water bridges together with hydrogen bonds between bases in pairs and stacking interactions along the chains.

The investigations of the interaction with DNA of a new series of biologically-active actinocin derivatives with side chains of different length ActII-V were carried out. Experimental data and results of Monte Carlo simulation confirm that two types of drug-DNA complexes may exist: (1) intercalation of the planar phenoxazone chromophore of the drugs into the GC-sites of DNA and (2) binding of the drugs in the minor groove of DNA. The results confirm that the intercalated complex is energetically more favourable than groove binding. Additional stabilization of the intercalation complex may be due both to specific interactions between the aminoalkyl side chains of ActII-V and the sugar-phosphate backbone of DNA and to formation of a specific water structure around these complexes. Water molecules occupying bridging positions between the hydration-active centers of the drugs and the DNA fragments provide additional stabilization of the intercalated complexes.

The investigation of interaction of Cf with neutral single-stranded poly(rA) and protonated double-helical form of рolyr(A) has been carried out by IR-spectroscopy, piezogravimetry and Monte Carlo methods. It was shown that Cf does not influence on formation of the ordered forms of poly(rA), but Cf changes the hydration properties of polynucleotide matrixes. The data obtained by computer modeling allows us to suggest the molecular models of investigated complexes. In Cf - single-helical poly(rA) complex two types of Cf binding are possible. The first type is the external binding of Cf molecules and the second type is the partial intercalation of Cf molecule between planes of adjacent adenines. In the complex of Cf with double-stranded helical poly(rA) only one type of Cf binding near sugar-phosphate backbone of polynucleotide matrix is realized. Water molecules make bridges and chaines and contribute the additional stabilizations of the all types of complexes.

Relying on the results of molecular docking and on the known experimental data regarding complexation of actinocin derivative АctIII and double-helical poly(rC), five most probable АctIII - poly(rC) complexes are obtained. In these complexes target-ligand interactions are minimal and intermolecular hydrogen bonds are formed between donor-acceptor groups of АctIII and poly(rC). The influence of water molecules on the structure of complexes obtained using molecular docking is determined by Monte Carlo method. It is shown, that water molecules can in addition stabilize АctIII - poly(rC) complexes forming bridges between their donor-acceptor groups. Based on the analysis of simulation and experimental results, one of the АctIII - poly(rC) complexes is selected as the most probable one.

The process of association of Cf and actinocin derivatives ActII was studied by molecular dynamics simulation. The information describing in detail the association of Cf and ActII in water and aqueous-salt solutions and interaction of monomers and dimers with water-ion environment was received. The hydration scheme of monomer and associated forms of Cf and ActII were determined. The calculated values of interaction energies of monomers in associates were shown that the self- and heteroassociates were stabilized by van-der-waals, electrostatic and hydrophobic interactions and also due to formation of intramolecular hydrogen bonds and water bridges. The formation of heterodimers Cf-ActII was energetically more favorable then formation of self-associates of Cf. Therefore Cf can decrease the concentration of ActII in solution by the way of formation of heteroassociates and hence lead to the decrease of the pharmacological activity of the analogues of anticancer antibiotic acting as interceptor. Two complexes formed between ligands (Cf, ActII) and DNA fragments: intercalation of the ligands into GC-sites of d(AGCT)₂ duplex and insertion of the ligands into minor groove of d(GATAC)₂ duplex have been studied by the molecular dynamics simulation. It was shown that all investigated complexes of Cf and ActII with DNA fragments are stable. Thus the modulated action of Cf on the ActII binding affinity to DNA may be realized due to protector action of Cf or its ability to form stable complexes with different DNA fragments. It is shown that the intercalation of ActII into GC-site is connected with forming of specific hydrogen bonds with polar groups of DNA fragment. Binding of both ligands in minor groove is determined by nonspecific and hydrophobic interactions. The changing of hydration both ligands and DNA fragments under complexation was described in detail. These data allows us to make conclusion about the essential role of water environment in the formation of stable DNA-ligand complexes.

Hence the complex approach allow to obtain the physical parameters of hydration of NA and binding of analogues of anticancer antibiotics to NA in order to predict on the molecular level the biological activity of a anticancer antibiotics and the role of water environment in stability of NA-drugs complexes.

Key words: nucleic acids, hydration, complexation, biological active compounds, computer simulation.

Размещено на Allbest.ru