|
О механизмах распределения энергии в ДНК Рязанская государственная сельскохозяйственная академия Научный руководитель: Пащенко Василий Михайлович, Д.б.н. (Агрофизика) Известен ряд исследований по сенсибилизированному лазерному фотомутагенезу. После создания лазеров было выяснено, что лазерное излучение (ЛИ) обладает мутагенным действием в районе длин волн (250 - 270) нм, но из-за низкой проникающей способности ЛИ в этом диапазоне волн и перекрыванием его спектрами белков, выявление мутагенного эффекта ЛИ на высшие организмы было очень затруднено. Эффективное воздействие лазерного излучения на молекулу ДНК стало возможным при совместном использовании ЛИ в сочетании с хромофорными группировками молекул - сенсибилизаторов в качестве посредника между ЛИ и биологической молекулой. При переносе энергии лазерного излучения с молекулы сенсибилизатора на ДНК возможно возникновение однонитевых (ОНР) и двунитевых (ДНР) разрывов молекул ДНК. В литературе рассматриваются два механизма образования ДНР:
рис.1 рис. 2 Большой интерес вызывают одноударные ДНР, так как их значение пока недостаточно изучено. Радиационный и химический мутагенез не позволяют в этом смысле избирательно индуцировать ОНР И ДНР, появление которых определяется множеством случайных факторов. В случае совместного действия ЛИ и сенсибилизаторов соотношение между числом однонитевых и двунитевых разрывов может изменяться в зависимости от применяемых сенсибилизаторов, а также от плотности мощности излучения в импульсе Рм. При Рм < 1010 Вт/м2,по энергетическим соображениям, образование одноударных ДНР не должно ожидаться, поэтому можно считать, что образование ДНР, в этом случае, идет по второму механизму.Было рассчитано соотношение ОНР/ДНР при различных вариантах распределения сенсибилизаторов. Для начального упрощения было принято считать распределение молекул сенсибилизаторов равновероятным для любых пар оснований ДНК. Во всех случаях предполагалось, что N < m (N- число пар оснований ДНК, m- число сенсибилизаторов). Рассмотрены следующие варианты распределения сенсибилизаторов, где L - расстояние между соседними молекулами сенсибилизатора в парах нуклеотидов:1) L = 0; 2) L ³ 2; 3) L = 1. Перебирались все возможные варианты образования ОНР и ДНР при произвольном значении m,что позволило вывести аналитические закономерности для всех трех вариантов заполнения. Для варианта 1 формула отношения ОНР/ДНР имеет вид:
Для второго случая распределения, очевидно, образование ДНР невозможно. Для третьего распределения отношение ОНР/ДНР имеет вид:
Это показывает, что отношение ОНР/ДНР зависит также от числа m и от их распределения в ДНК. Термодинамически более выгодным является распределение сенсибилизаторов по второму и третьему варианту, во-первых, деспирализация и изменение пространственной конформации ДНК в результате внедрения сенсибилизаторов делает маловероятным непрерывное заполнение, во-вторых, однородное заполнение является энтропийно более выгодным. Такое заполнение возможно до r = ½. В этом случае теоретически рассчитанное по выведенным формулам соотношение ОНР/ДНР для фага l (m=12× 103) составляет » 1500. Но в экспериментах было установлено, что при соотношении молекул сенсибилизатора к числу пар нуклеотидов (r) в пределах (1:90) - (1:1) отношение ОНР/ДНР сохраняется. Проведенные эксперименты с ДНК фага l , имеющей 47 тыс. пар нуклеотидов, показывают, что экспериментально полученное соотношение ОНР/ДНР @ 12-14 во всем интервале r. Теоретическая оценка совпадает с экспериментальной до m< 4, что является ничтожно малым. Независимость ОНР/ДНР от молярного соотношения r, обнаруженная в экспериментах, позволяет предполагать, помимо механизма прямого воздействия, дополнительные процессы распределения энергии в молекулах нуклеиновых кислот. Наиболее перспективной моделью является модель динамики ДНК на основе солитонных и автосолитонных решений, которая учитывает сложную структуру энергетической поверхности ДНК. |
(1)
(2)| (c) АСФ России, 2001 |