Структурування протиiонiв навколо подвiйної спiралi ДНК: дослiдження методом молекулярної динамiки

Автор(и)

  • O. O. Liubysh Taras Shevchenko National University of Kyiv
  • A. V. Vlasiuk The Biotechnology Center of the Technische Universit¨at Dresden
  • S. M. Perepelytsya Bogolyubov Institute for Theoretical Physics, Nat. Acad. of Sci. of Ukraine

DOI:

https://doi.org/10.15407/ujpe60.05.0433

Ключові слова:

DNA, macromolecule, structure counterions, molecular dynamics

Анотація

Структурування протиiонiв навколо подвiйної спiралi ДНК дослiджувалося за допомогою методу молекулярної динамiки. Моделювання проводилося для додекамера ДНК d(CGCGAATTCGCG) з протиiонами лужних металiв Na+, K+ та Cs+ у водному середовищi. Розглядалися системи без надлишкової солi та з додаванням рiзних солей (NaCl, KCl або CsCl з концентрацiєю 0,5 M). Результати показали, що протиiони Na+ взаємодiють з фосфатними групами безпосередньо з зовнiшньої сторони подвiйної спiралi i через молекули води на поверхнi мiнорного жолоба ДНК. Iони калiю локалiзуються переважно в жолобах подвiйної спiралi, а iони цезiю проникають глибоко всередину мiнорного жолоба, безпосередньо зв’язуючись з нуклеїновими основами. За рахунок електростатичного вiдштовхування iони хлору, зазвичай, знаходяться на великих вiдстанях вiд ДНК, проте деякi анiони Cl− спостерiгалися поблизу атомних груп подвiйної спiралi, формуючи електрично нейтральнi пари з протиiонами, якi вже сконденсувалися на полiанiонi ДНК. В мiсцях зв’язування протиiонiв з ДНК спостерiгалися змiни локальної структури подвiйної спiралi. Час життя Na+ та K+ менший за 0,5 нс, а у випадку iонiв цезiю може сягати декiлькох наносекунд. У цьому масштабi часу протиiони Cs+ формують впорядковану систему зарядiв в мiнорному жолобi ДНК, яку можна розглядати як iонну ґратку.

Посилання

G.S. Manning, Q. Rev. Biophys. 11, 179 (1978).

http://dx.doi.org/10.1017/S0033583500002031

W. Saenger, Principles of Nucleic Acid Structure (Springer, New York, 1984).

http://dx.doi.org/10.1007/978-1-4612-5190-3

M.D. Frank-Kamenetskii, V.V. Anshelevich, and A.V. Lukashin, Sov. Phys. Usp. 151, 595 (1987).

http://dx.doi.org/10.3367/UFNr.0151.198704b.0595

Yu.P. Blagoi, V.L. Galkin, V.L. Gladchenko, S.V. Kornilova, V.A. Sorokin, and A.G. Shkorbatov, The Complexes of Nucleic Acids and Metals in the Solutions (Naukova Dumka, Kiev, 1991).

V.Ya. Maleev, M.A. Semenov, M.A. Gassan, and V.A. Kashpur, Biofizika 38, 768 (1993).

Y. Levin, Rep. Prog. Phys. 65, 1577 (2002).

http://dx.doi.org/10.1088/0034-4885/65/11/201

A.A. Kornyshev, D.J. Lee, S. Leikin, and A. Wynveen, Rev. Mod. Phys. 79, 943 (2007).

http://dx.doi.org/10.1103/RevModPhys.79.943

V.B. Teif and K. Bohinc, Progr. Biophys. Mol. Biol. 105, 208 (2011).

http://dx.doi.org/10.1016/j.pbiomolbio.2010.07.002

A. Estevez-Torres and D. Baigl, Soft Matter 7, 6746 (2011).

http://dx.doi.org/10.1039/c1sm05373f

M.L. Ainalem and T. Nylander, Soft Matter 7, 4577 (2011).

http://dx.doi.org/10.1039/c0sm01171a

S.M. Perepelytsya, G.M. Glibitskiy, and S.N. Volkov, Biopolymers 99, 508 (2013).

http://dx.doi.org/10.1002/bip.22209

C.C. Sines, L. McFail-Isom, S.B. Howerton, D. VanDerveer, and L.D. Williams, J. Am. Chem. Soc. 122, 11048 (2000).

http://dx.doi.org/10.1021/ja002244p

K.K. Woods, L. McFeil-Isom, C.C Sines, S.B. Howerton, R.K. Stephens, and L.D. Williams, J. Am. Chem. Soc. 122, 1546 (2000).

http://dx.doi.org/10.1021/ja9919579

V. Tereshko, C.J. Wilds, G. Minasov, T.P. Prakash, M.A. Maier, A. Howard, Z. Wawrzak, M. Manoharan, and M. Egli, Nucl. Acids Res. 29, 1208 (2001).

http://dx.doi.org/10.1093/nar/29.5.1208

R. Das, T.T. Mills, L.W. Kwok, G.S. Maskel, I.S. Millett, S. Doniach, K.D. Finkelstein, D. Herschlag, and L. Pollack, Phys. Rev. Lett. 90, 188103 (2003).

http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.90.188103

K. Andersen, R. Das, H.Y. Park, H. Smith, L.W. Kwok, J.S. Lamb, E.J. Kirkland, D. Herschlag, K.D. Finkelstein, and L. Pollack, Phys. Rev. Lett. 93, 248103 (2004).

http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.93.248103

K. Andresen, X. Qiu, S.A. Pabit, J.S. Lamb, H.Y. Park, L.W. Kwok, and L. Pollack, Biophys. 95, 287 (2008).

X. Qiu, K. Andersen, J.S. Lamb, L.W. Kwok, and L. Pollack, Phys. Rev. Lett. 101, 228101 (2008).

http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.101.228101

F. Mocci and A. Laaksonen, Soft Matter, 8, 9268 (2012).

http://dx.doi.org/10.1039/c2sm25690h

A. Perez, F.J. Luque, and M. Orozco, Acc. of Chem. Res.45, 196 (2012).

http://dx.doi.org/10.1021/ar2001217

R. Lavery, J.H. Maddocks, M. Pasi, and K Zakrzewska, Nucleic Acids Res. 42, 8138 (2014).

http://dx.doi.org/10.1093/nar/gku504

M. Pasi, J.H. Maddocks, and R. Lavery, Nucleic Acids Res. 43, 2412 (2015).

http://dx.doi.org/10.1093/nar/gkv080

M.A. Young, B. Jayaram, and D.L. Beveridge, J. Am. Chem. Soc. 119, 59 (1997).

http://dx.doi.org/10.1021/ja960459m

M.A. Young, G. Ravishanker, and D.L. Beveridge, Biophys. J. 73, 2313 (1997).

http://dx.doi.org/10.1016/S0006-3495(97)78263-8

L. McFail-Isom, C.C. Sines, and L.D. Williams, Cur. Opin. Sruct. Biol. 9, 298 (1999).

http://dx.doi.org/10.1016/S0959-440X(99)80040-2

K.J.McConnel and D.L.Beveridge, J. Mol. Biol. 304, 803 (2000).

http://dx.doi.org/10.1006/jmbi.2000.4167

A.P. Lyubartsev and A. Laaksonen, J. Biomol. Struct. Dynam. 16, 579 (1998).

http://dx.doi.org/10.1080/07391102.1998.10508271

A. Savelyev and G. Papoian, J. Am. Chem. Soc. 128, 14506 (2003).

http://dx.doi.org/10.1021/ja0629460

P. Varnai and K. Zakrzewska, Nucleic Acids Res. 32, 4269 (2004).

http://dx.doi.org/10.1093/nar/gkh765

S.Y. Ponomarev, K.M. Thayer, and D.L. Beveridge, Proc. Nat. Acad. Sci. USA 101, 14771 (2004).

http://dx.doi.org/10.1073/pnas.0406435101

Y. Cheng, N. Korolev, and L. Nordenskiold, Nucleic Acids Res. 34, 686 (2006).

http://dx.doi.org/10.1093/nar/gkj434

A. Perez, F.J. Luque, M. Orozco, J. Am. Chem. Soc. 129, 14739 (2007).

http://dx.doi.org/10.1021/ja0753546

W. Li, L. Nordenskiold, and Y. Mu, J. Phys. Chem. B 115, 14713 (2011).

http://dx.doi.org/10.1021/jp2052568

X. Shen, B. Gu, S.A. Che, and F.S. Zhang, J. Chem. Phys. 135, 034509 (2011).

http://dx.doi.org/10.1063/1.3610549

X. Shen, N.A. Atamas, and F.S. Zhang, Phys. Rev. E 85, 051813 (2012).

Y.K. Lee, J. Lee, J.Y. Choi, and C. Seok, Bull. Korean Chem. Soc. 33, 3719 (2012).

http://dx.doi.org/10.5012/bkcs.2012.33.11.3719

Yu Yang Xin and Fujimoto Shintaro, Sci. Chin. Chem. 56, 1735 (2013).

http://dx.doi.org/10.1007/s11426-013-4959-9

F. Pan, C. Roland, and C. Sagui, Nucleic Acids Res. 42, 13981 (2014).

http://dx.doi.org/10.1093/nar/gku1107

S.M. Perepelytsya and S.N. Volkov, Ukr. J. Phys. 49, 1074 (2004).

S.M. Perepelytsya and S.N. Volkov, Eur. Phys. J. E 24, 261 (2007).

http://dx.doi.org/10.1140/epje/i2007-10236-x

S.M. Perepelytsya and S.N. Volkov, Eur. Phys. J. E 31, 201 (2010).

http://dx.doi.org/10.1140/epje/i2010-10566-6

S.M. Perepelytsya and S.N. Volkov, J. Mol. Liq. 5, 1182 (2011).

S.M. Perepelytsya and S.N. Volkov, Ukr. J. Phys. 58, No. 2, 554 (2013).

http://dx.doi.org/10.15407/ujpe58.06.0554

L.A. Bulavin, S.N. Volkov, S.Yu. Kutovy, and S.M. Perepelytsya, Dopov. Nats. Akad. Ukr., No. 11, 69–73 (2007); arXiv:0805.0696.

O.O. Liubysh, O.M. Alekseev, S.Yu. Tkachov, and S.M. Perepelytsya, Ukr. J. Phys. 59, 479 (2014).

http://dx.doi.org/10.15407/ujpe59.05.0479

H.R. Drew, R.M. Wing, T. Takano, C. Broka, S. Takana, K. Itakura, and R.E. Dickerson, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 78, 2179 (1981).

http://dx.doi.org/10.1073/pnas.78.4.2179

J.C. Phillips et al. J. Comp. Chem. 26, 1781 (2005).

http://dx.doi.org/10.1002/jcc.20289

B.R. Brooks, R.E. Bruccoleri, B.D. Olafson, D.J. States, S. Swaminathan, and M. Karplus, J. Comp. Chem. 4(2), 187 (1983).

http://dx.doi.org/10.1002/jcc.540040211

J.P. Ryckaert, G. Ciccotti, and H.J.C. Berendsen, J. Comp. Phys. 32, 327 (1977).

http://dx.doi.org/10.1016/0021-9991(77)90098-5

T. Darden, D. York, and L. Pedersen, J. Chem. Phys. 98, 10089 (1993).

http://dx.doi.org/10.1063/1.464397

W. Humphrey, A Dalke, and K. Schulten, J. Molec. Graphics 14(1), 33 (1996).

http://dx.doi.org/10.1016/0263-7855(96)00018-5

R. Lavery, M. Moakher, J.H. Maddocks, D. Petkeviciute, and K. Zakrzewska, Nucleic Acids Res. 37, 5917 (2009).

http://dx.doi.org/10.1093/nar/gkp608

V.I. Ivanov, L.E. Minchenkova, A.K. Schyolkina, and A.I. Poletayev, Biopolymers 12, 89 (1973).

http://dx.doi.org/10.1002/bip.1973.360120109

N.A. Izmailov, Electrochemistry of Solutions (Khimiya, Moscow, 1976) (in Russian).

P. Auffiner, T.E. Cheatham III, and A.C. Vaiana. J. Chem. Theor. Comput., 3, 1851 (2007).

http://dx.doi.org/10.1021/ct700143s

UJP 2015 V60 #5uk

Завантаження

Опубліковано

2019-01-18

Номер

Том 60 № 5 (2015)

Розділ

М'яка речовина

Ліцензія

Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна

Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:

1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.

2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.

3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.

4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.

5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.

6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.

Як цитувати

Структурування протиiонiв навколо подвiйної спiралi ДНК: дослiдження методом молекулярної динамiки. (2019). Український фізичний журнал, 60(5), 433. https://doi.org/10.15407/ujpe60.05.0433

Статті цього автора (цих авторів), які найбільше читають