Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Денатуратный инкремент теплоемкости в водных растворах ДНК

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Денатуратный инкремент теплоемкости в водных растворах ДНК"

Тй 03

? ? ПАР Мл-ХойЛИОШИ ГОСУДйГСтаЕНКЬ'й УНИВЕРСИТЕТ - - • <r-.it 1,)Ц,у

йм.кв.даз/л'жи.та ■"

КЛКЛЕАДЗЗ Гзоргий Рзвазоы»ч (на русском яе.^кй)

";ЦМДТУРАЦ1.ЮНШП ИНКРЕМЕНТ ТЕПОИЖОСТ^ В ЗОДгЫХ

•растворах да ••

ОЗ.О^ОТ)^ Бкофль;гка

Анторефэрат диссертации на соискание ученой степени кандидата фмико-матаматкчвсгап: наук

Т'ЗЮШОК

- Г 933

Работа зклоянена на к&федро физики макромолекул физячэского Тбяпкссюогэ государственного ^¡иварсятотя км.Ив.

Дкаг.ахишБкли." '

Научный рукорсжтоль: доктор физика-матома тичд сккх ••

каук. профд этор-Г.М. УСКВ^ШЕКШ

Офицлгльжа оггаодантаг доктор физико-математических наук Д.Р. Монаселидге кандидат фцщи-математических кй-'К В.М. Ссхедзе

оО ■

Завита состоится в 1993 г. аср8лл ' в 13^ часов

на васодогтаи научно-етесмцконного совета 01 ..02. о К+1-3 Института фипика АН Респу&'дки Грузия.

О ¿й',ссорташмй могао ознакомиться в ЗиЗлиотаке Института физшот АН Республики Грузия, адресе: 380077,Тбилиси 77, улД'эмарашвили N6

Автореферат разослан. «И » Л._1Э93г.

Ученей секретарь соаэта, доктор ок.з. -мат. каук

Г. СурЭУ-ШШЙЫЕГ

Актуальность проблема. • Опредзленйю теру.-дян?.;.т.чос:сих паракот-. .

рев перехода гашжль-'спуоок в ДНК,. равно чек и изучению тормодона-ымческих Ев.тгвсп двойной спирали в широком интервале тежерэтур, всегда удалялось достаточно оолкгоо вникание. Для редег-з'л задач, отаосйшхся к мг^акизмам яоп£орк?цксяшх npo'spaqonmi ДНЯ, необходимо вычисление изменения свободной энергии Гкббса (до) в интересующем интервале температур м внешних условий. Вместе а тем понят-' но, что для этого необходимо располагать экотер'лментолыгьчи данными о следующих зеличинах: АН -изменении рнталыии;^ -те:лперат^ра перехода, л;ср » С?клубок-СрСШф5и)Ь-«шкрем0Я1е тсваоодоеп. Тгяам ооразом, наряду с установлением Mim и im определение является актуальной и припчапкалькой экспериментальной задачей з.йизике " ДНК. Именно эта задача является основной в настоящем наследовании. Подчеркнем, что знание необходимо не только для корректного определения ДО, но и во многом способствует расшифровка к« -ханизмов процесса раскручивания двойной спирали ДНИ, выяскенид природа сил, стабшшзлрух^цих двойную спираль.

Анализ темпера турпой зевисимостл теглоемкостк иНК в спиральном и клубтеовон состояниях и, тем самым. анализ зависимости Л'с -

о Р

=1'(Т) в широком интервале температур, включая температурную облагть вблизи С°К, пезволлет вычислить к определить одну из фундаментальных характеристик: величину яЗ = Д'с, с.Т.-энталыпм гипсте-

ткческой реакции образования (раскручивания> двойкой слирэлл'ДКХ, при 0°К. Этот Бопрос бил поставлен в начало 70-Х голов (Benzinger, 1970-1971),. однако нам удалось решить, задачу л;и:ь недавно, основываясь на экспериментальных данных Андрсшшпззнли, Мрввлишсиа: л др. (1980-1390).

Конкретными задачами настоящего исследования являлось:

1. Определенно термодинамических параметров процесса шутри-молекулярного плавления ДНК ( температуры, энтальпии, знтропик,

, изменения свободной энергии и др.) в разбавленных водна* раство-* pax е широком интервале ионных сип растворов.

2. Экспериментальное выявление денэтурационного инкрб^кта теплоемкости при переходе, спираль-клубок в ДНК, т.е. спредолет.-о разности А«ср»срКлу30К -срс:!Грмь. в разСяшпшз {пстяорае «К.

3. Выяснение характера ксвисимсста от втшрих уело;..:.'' среды (концентрации ионов ) к прецизионное определена ^эбисиуост/ энтальпии перехода '.лн^) от температуры парохода (т >. (..nvr.-;--.KLio-которзд достигалось с помоцые вариации нонлей еи-"л} для wo;ei,!-чоского расчета ;'.ел/«ч:,.?г: =0(Л'<:_)/ЬТ_ .

-44. Анализ зависимости дя =х"('Г) я широком ннтэрпалг температур, гагличгл температурную область гадкого ггш:я ( Андрокикаива-хя, Ысеь.тщцдиля и др. 1980-1950) к область юутримоле.чуляряого плавленая, с учетом гидрата/игл макромолекул.

5. Определение антглыпж образований (раскручивания) двойной ■

т

ср/ралн ¿НК при Г)с,к: дн^дн^--/ л*с аз? шаг, иначе говоря, опрэделе-

кие Е-лерги!* образования (разрыва) химичэских связей ДНК, стабилкзи рупакх Ду'ПЛЗКС .

Результата. ЬТюрвъо, с большой достоверностью, экспериментально докезаяо, Ч1-о переход спираль-клубок в "Ж'- сопровождайся скачком теяиллковгл До°р=2рклус1о1с -опСПИ.оаяь, .величина которого составляет Л*о -U.3n-0.04 (высчитанная валичинь Д'о =<*(&Н )Л)Т =0.40-0.1

• I р * о р гг» гп

д\;/г ;:}. _ • .

Анализ .'зависимости Д* с •=?(■!?) широкол-: интервале температур, Еключе.ч температурную область жидкого гвжя (/¡ндроникашщли, Мрев-лхшгаила к др. 1930-1990) и соЕСку:шости о экспериментальными дан-к-лгл, полученными в иасгзячзй работе, позволил шерзно.опрздедить гиготетачеокуи? энталышо рзокрут.шжннк двойной сшфали ДНК при

■ т

0°К: 1-!^=днг1-/ А'с,да; иначе говоря, удалось определить энергию

О, -

разрыва х11!<::--:эс'М!х связей ДНК, стабшатсирукадх дуювкс: Дн8--г#-- 3-, 4-1,6 кд2/:лД0.

5 ход^ работы б-гла создана программа .для расчета термодикьмичэ-сую: вэличип о помощью экспериментальных данных, полученных на хглоркйтгах: МСМ-4 и Д.40М-4 А. Эта програ\»:а моют быть использована г. лаборатория*, располагающих этими калориметрами, при" автокя тиизцтж калорк'/етричоского цкспорта>'.акта, с применением ЙЗМ.

Зпр.одм: 1. Прозе.деш прецизионные измерения инкремента удолы; тепло^НкооТи при плавлении ДНК (с 425 содержанием ГЦ пар), в раз-6зрлрэш;<. Бо,:рях раствора?.. найдено, что величина Д*ср меняется з

2. Создана программа длл расчета термодинамических величин, полученных с помоги калориметров ДДСМ-4 к ДдС-М-4 А. Косая прог-р,-;:.'.-.:-.! позволила провести более быструю и точную обработку аксперл-колтал.чшк данных по плавлению ДШК. -Особое внимание было уделено • уотокойл-знпо оначюаС Д^о , что ксклютате.пько вдона при определении другие иарачегрои. характеризующих. Ьроцесс

I г'

-5-

Ти> Tm

AG(5)--АН(Т -Т)/Т - /AlCe(i')<iT,+ Т/Д'й {Т< )П •(!?• К ДП.)-

№ № CP OP "

т т

3. Измерены величина яшремента теплоемкости при ллавло::ии ДНК в растнорах, при различных внешних условиях среди: в Интерполе значений ионной силы I00--80C иМ (величина Л* Cf меняется п пределах А*С5=0.2-0.5 дя/rKj.

4. ЗяерЕые определена зависимость энтальпии перехода (AHfnj

(с. учетом величины скачка теплоемкости) от тешературы перехода

(Ф„). Согласно этой зависимости А* С =0'ДН„)/öl- й 0.4^0.1 ш/г К. .га орт о

5. На основе полученных экспериментальных даннид вчдеизг/то предположение о возможном вкладе разрушения упорядоченного "водного хребта-1 в малом жолобко опирали к кластеров молекул гидратпой вода в величину А*ср.

6. Проведен анализ зависимости дс =Г(Т) в игроком интервале температур , включая температурную область кидкого гэлия.е учетом

»гидратации макромолекул (на основе экспериментальных дччних Андроник азвили, Мрзвлиирили и др. (1930-1990)) и. область г.л\трхыолв кул яркого плавления ДКК.

7. Нй основании экспериментальных данных.по теплоемкости ДНК в •соотояши: опирали и клубков в широко:.!.интервале те:.'иерг.тур оцепе-'по значение одной из фундаментальных характеристик - нЗ - энтальпии гипотетической реакции перехода спираль-клубок' вблизи о°к. Найдено, что нЗ=а,41-1,б кдк/ШО. Показано, что в чределах экспо-ршзктальних оимбок не наблюдается отклонение от теоремы Кернста, .которое мокет быть вызвано метзстаоильностью рассмотренной системы. • •

По теме диссертации оаубликовайы следуйте работа s Т- ''i.M.IjrevIishviJ.i.T.D.Mdiiin^i'apjivilTij.'J.Meti'eve] i.Kh.D.Chifcvi-t?idze,G.P..Kaitabadze.Thermal Densturation of ША is Acoomfariied by the Heat Capacity Jmp. -11-th I'JPAO Conference on CkemJal ihenzodynzmioB,. Abstracts (iatо arrivals an<i changes), боло, . Italy, 1990, p.IL-t'5-01,

2. Мрввлишвилк V.U., Какабадге P.P. Разность энтальпий ДНК в спиральном и клубкообразяом состояниях вблнй* 0UK. Сообщения Alf ГССР, XI-15. N12,1391. с.134 -133.

3. Мревлгавйла Г.М., Мдзиьсршьпк Т.Д., Метреведк H.Ö.. Какабндз': Г.Р. .Теплоемкость ДНК з нзтивнсм и денатурированном состоящих. --Биофизика, 199?.. т.37, буи. 5, с.353.

•1. Мреыг.гсщил/. Г.М., Кщ&юадзе Г.F.Разность энтальпий ДНК е сь"..р; льном и клубкообразном соото._1иях вблизи 0ГК. о ■-ЬпОфл^ИгСЗ. 1ЭЗз , Т. y.i, Г. .'¿И. 1 , с.