Додатно і від’ємно гідратовані протиіони в моделюванні подвійної спіралі ДНК методом молекулярної динаміки
DOI:
https://doi.org/10.15407/ujpe65.6.510Ключові слова:
DNA, counterion, hydration, residence time, molecular dynamicsАнотація
Подвiйна спiраль ДНК – це полiанiонна макромолекула, яка у водних розчинах нейтралiзується iонами металiв (протиiонами). Властивiсть протиiонiв стабiлiзувати структуру води (позитивна гiдратацiя) або робити ї ї розупорядкованою (негативна гiдратацiя) важлива з точки зору фiзичних механiзмiв стабiлiзацiї подвiйної спiралi ДНК. У даному дослiдженнi ефекти позитивної гiдратацiї протиiонiв Na+ та
негативної гiдратацiї протиiонiв K+ i Cs+, що вбудовано в гiдратну оболонку подвiйної спiралi ДНК, вивчалися за допомогою моделювання методом молекулярної динамiки. Результати показали, що динамiка гiдратної оболонки протиiонiв залежить вiд областi подвiйної спiралi: мiнорний жолоб, головний жолоб i область ззовнi макромолекули. Найдовший середнiй час перебування спостерiгався для молекул води, що контактують з протиiонами, локалiзованими у мiнорному жолобi подвiйної спiралi (приблизно 50 пс для Na+, i менше 10 пс для K+ i Cs+). Розрахованi потенцiали середньої сили для гiдратних оболонок протиiонiв показують, що молекули води зв’язанi занадто сильно, i ефект
негативної гiдратацiї для протиiонiв K+ i Cs+ в симуляцi- ях не спостерiгався. Аналiз показав, що ефекти гiдратацiї протиiонiв можна бiльш точно описати за допомогою моделей молекул води, що мають нижчi значення дипольного моменту.
Посилання
W. Saenger. Principles of Nucleic Acid Structure (Springer, 1984) [ISBN: 978-0471524175]. https://doi.org/10.1007/978-1-4612-5190-3
J.D. Watson, F.H.C. Crick. A structure of deoxyribose nucleic acid. Nature 171, 737 (1953). https://doi.org/10.1038/171737a0
R.E. Franklin, R.G. Gosling. Molecular configuration in sodium thymonucleate. Nature 171, 740 (1953). https://doi.org/10.1038/171740a0
M.H.F. Wilkins, A.R. Stokes, H.R. Wilson. Molecular structure of deoxypentose nucleic acid. Nature 171, 738 (1953). https://doi.org/10.1038/171738a0
Yu.P. Blagoy, V.L. Galkin, G.O. Gladchenko et al. The Complexes of Nucleic Acids with Metal Cations in Solutions (Naukova Dumka, 1991) (in Russian) [ISBN: 5-12-002499-0].
A.V. Sivolob. Physics of DNA (Kyiv University, 2011) (in Ukrainian) [ISBN: 978-966-439-468-3].
A. Vologodskii, Biophysics of DNA (Cambridge Univ. Press, 2015) [ISBN: 9781139542371]. https://doi.org/10.1017/CBO9781139542371
V.Ya. Maleev, M.A. Semenov, M.A. Gassan, V.I. Kashpur. Physical properties of the DNA-water system. Biofizika 38, 768 (1993) (in Russian).
H.R. Drew, R.M. Wing, T. Takano, C. Broka, S. Takana, K. Itakura, R.E. Dickerson. Structure of a B-DNA dodecamer: Conformation and dynamics. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 78, 2179 (1981). https://doi.org/10.1073/pnas.78.4.2179
V. Tereshko, G. Minasov, M. Egli. A "hydrat-ion" spine in a B-DNA minor groove J. Am. Chem. Soc. 121, 3590 (1999). https://doi.org/10.1021/ja984346+
F. Mocci, A. Laaksonen. Insights into nucleic acid counterion interactions from inside molecular dynamics simulation is "worth its salt". Soft Matter 8, 9268 (2012). https://doi.org/10.1039/c2sm25690h
D. Laage,T. Elsaesser, J.T. Hynes. Water dynamics in the hydration shells of biomolecules. Chem. Rev. 117, 10694 (2017). https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.6b00765
E. Dubou'e-Dijon, A.C. Fogarty, J.T. Hynes, D. Laage. Dynamical disorder in the DNA hydration shell. J. Am. Chem. Soc. 138, 7610 (2016). https://doi.org/10.1021/jacs.6b02715
N.A. Ismailov. Electro Chemistry of Solutions (Chemistry, 1976) (in Russian).
P.R. Smirnov, V.N. Trostin. Structures of the nearest surroundings of the K+, Rb+, and Cs+ ions in aqueous solutions of their salts. Russian J. of General Chemistry 77 (12), 2101 (2007). https://doi.org/10.1134/S1070363207120043
I.R. Yukhnovskii, M.F. Golovko. Statistical Theory of Classical Equilibrium Systems (Naukova Dumka, 1980) (in Russian).
G.S. Manning. The molecular theory of polyelectrolyte solutions with applications to the electrostatic properties of polynucleotides. Quarterly Reviews of Biophysics 11, 179 (1978). https://doi.org/10.1017/S0033583500002031
M.D. Frank-Kamenetskii, V.V. Anshelevich, A.V. Lukashin. Polyelectrolyte model of DNA. Soviet Physics Uspekhi 30, 317 (1987). https://doi.org/10.1070/PU1987v030n04ABEH002833
R. Das, T.T. Mills, L.W. Kwok, G.S. Maskel, I.S. Millett, S. Doniach, K.D. Finkelstein, D. Herschlag, L. Pollack. Counterion distribution around DNA probed by solution X-ray scattering. Phys. Rev. Lett. 90, 188103 (2003). https://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, L. Pollack. Spatial distribution of competing ions around DNA in solution. Phys. Rev. Lett. 93, 248103 (2004). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.93.248103
K. Andresen, X. Qiu, S.A. Pabit, J.S. Lamb, H.Y. Park, L.W. Kwok, L. Pollack. Mono- and trivalent ions around DNA: A small-angle scattering study of competition and interactions. Biophys. J. 95, 287 (2008). https://doi.org/10.1529/biophysj.107.123174
X. Qiu, K. Andresen, J.S. Lamb, L.W. Kwok, L. Pollack. Abrupt transition from a free, repulsive to a condensed, attractive DNA phase, induced by multivalent polyamine cations. Phys. Rev. Lett. 101, 228101 (2008). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.101.228101
S.M. Perepelytsya, S.N. Volkov. Ion mode in the DNA low-frequency vibration spectra. Ukr. J. Phys. 49, 1074 (2004).
S.M. Perepelytsya, S.N. Volkov. Counterion vibrations in the DNA low-frequency spectra. Eur. Phys. J. E 24, 261 (2007). https://doi.org/10.1140/epje/i2007-10236-x
L.A. Bulavin, S.N. Volkov, S.Yu. Kutovy, S.M. Perepelytsya. Observation of the DNA ion-phosphate vibrations. Rep. Nat. Acad. Sci. of Ukraine No. 11, 69 (2007).
S.M. Perepelytsya, S.N. Volkov. Intensities of DNA ion-phosphate modes in the low-frequency Raman spectra. Eur. Phys. J. E 31, 201 (2010). https://doi.org/10.1140/epje/i2010-10566-6
S.M. Perepelytsya, S.N. Volkov. Conformational vibrations of ionic lattice in DNA: Manifestation in the low-frequency Raman spectra. J. Mol. Liq. 5, 1182 (2011).
S.M. Perepelytsya, S.N. Volkov. Vibrations of ordered counterions around left-and right-handed DNA double helixes. J. Phys.: Conf. Ser. 438, 012013 (2013). https://doi.org/10.1088/1742-6596/438/1/012013
S.M. Perepelytsya, G.M. Glibitskiy, S.N. Volkov. Texture formation in DNA films with alkali metal chlorides. Biopolymers 99, 508 (2013). https://doi.org/10.1002/bip.22209
O.O. Liubysh, O.M. Alekseev, S.Yu. Tkachov, S.M. Perepelytsya. Effect of ionic ordering in conductivity experiments of DNA aqueous solutions. Ukr. J. Phys. 59, 2071 (2014). https://doi.org/10.15407/ujpe59.05.0479
F. Mocci, G. Saba. Molecular dynamics simulations of A. T-rich oligomers: sequence-specific binding of Na+ in the minor groove of B-DNA. Biopolymers 68, 471 (2003). https://doi.org/10.1002/bip.10334
R. Lavery, J.H. Maddocks, M. Pasi, K. Zakrzewska. Analyzing ion distribution around DNA. Nucleic Acids Res. 42, 8138 (2014). https://doi.org/10.1093/nar/gku504
M. Pasi, J.H. Maddocks, R. Lavery. Analyzing ion distributions around DNA: sequence-dependence of potassium ion distributions from microsecond molecular dynamics. Nucleic Acids Res. 43, 2412 (2015). https://doi.org/10.1093/nar/gkv080
O.O. Liubysh, A.V. Vlasiuk, S.M. Perepelytsya. Structuring of counterions around DNA double helix: a molecular dynamics study. Ukr. J. Phys. 49, 1074 (2015).
A. Atzori, S. Liggi, A. Laaksonen, M. Porcu, A.P. Lyubartsev, G. Saba, F. Mocci. Base sequence specificity of counterion binding to DNA: what can MD simulations tell us? Canadian J. of Chemistry 94 (12), 1181 (2016). https://doi.org/10.1139/cjc-2016-0296
S. Perepelytsya. Hydration of counterions interacting with DNA double helix: a molecular dynamics study. J. Mol. Mod. 24, 171 (2018). https://doi.org/10.1007/s00894-018-3704-x
S. Perepelytsya, J. Uliˇcn'y, A. Laaksonen, F. Mocci. Pattern preferences of DNA nucleotide motifs by polyamines putrescine2+, spermidine3+ and spermine4+. Nucleic Acids Res. 47, 6084 (2019). https://doi.org/10.1093/nar/gkz434
J.C. Phillips, R. Braun,W.Wang, J. Gumbart, E. Tajkhorshid, E. Villa, C. Chipot, R.D. Skeel, L. Kale, K. Schulten. Scalable molecular dynamics with NAMD J. Comp. Chem. 26, 1781 (2005). https://doi.org/10.1002/jcc.20289
N. Foloppe, A.D. MacKerell, jr. All-atom empirical force field for nucleic acids: I. Parameter optimization based on small molecule and condensed phase macromolecular target data. J. Comp. Chem. 21, 86 (2000). https://doi.org/10.1002/(SICI)1096-987X(20000130)21:2<86::AID-JCC2>3.0.CO;2-G
A.D. MacKerell, jr., N. Banavali. All-atom empirical force field for nucleic acids: II. Application to molecular dynamics simulations of DNA and RNA in solution. J. Comp. Chem. 21, 105 (2000). https://doi.org/10.1002/(SICI)1096-987X(20000130)21:2<105::AID-JCC3>3.0.CO;2-P
J.P. Ryckaert, G. Ciccotti, H.J.C. Berendsen. Numerical integration of the Cartesian equations of motion of a system with constraints: molecular dynamics of n-alkanes. J. Comp. Chem. 32, 327 (1977). https://doi.org/10.1016/0021-9991(77)90098-5
W.L. Jorgensen, J. Chandrasekhar, J.D. Madura, R.W. Impey, M.L. Klein. Comparison of simple potential functions for simulating liguids. J. Chem. Phys. 79, 926 (1983). https://doi.org/10.1063/1.445869
D. Beglov, B. Roux. Finite Representation of an infinite bulk system: solvent boundary potential for computer simulations. J. Chem. Phys. 100, 9050 (1994). https://doi.org/10.1063/1.466711
W. Humphrey, A. Dalke, K. Schulten. VMD - Visual Molecular Dynamics. J. Molec. Graphics 14.1, 33 (1996). https://doi.org/10.1016/0263-7855(96)00018-5
B.G. Levine, J.E. Stone, A. Kolhmeyer. Fast analysis of molecular dynamics trajectories with graphics processing units - radial distribution function hystogramming. J. Comp. Phys. 230, 3556 (2011). https://doi.org/10.1016/j.jcp.2011.01.048
M. Pekka, N. Lennart. Structure and dynamics of TIP3P, SPC, and SPC/E water models at 298 K. J. Phys. Chem. A 105, 9954 (2001). https://doi.org/10.1021/jp003020w
S. Koneshan, J.C. Rasaiah, R.M. Lynden-Bell, S.H. Lee. Solvent structure, dynamics, and ion mobility in aqueous solutions at 25 ∘C. J. Phys. Chem. B 102, 4193 (1998). https://doi.org/10.1021/jp980642x
L.D. Landau, E.M. Lifshitz. Mechanics (Butterworth-Heinemann, 2001).
V.N. Byakov, V.G. Petukhov, A.M. Sukhanovskaya, V.G. Firsov. Behavior of Solvation Shell Molecules in an Alternating Electric Field. Preprint ITEP-52 (ITEP, 1985) (in Russian).
C. Kittel. Introduction to Solid State Physics (Wiley, 1954) [ISBN: 978-0-471-41526-85]. https://doi.org/10.1063/1.3061720
A.V. Gubskaya, P.G. Kusalik. The total molecular dipole moment for liquid water. J. Chem. Phys. 117, 5290 (2002). https://doi.org/10.1063/1.1501122
J. Ramstein, R. Lavery. Energetic coupling between DNA bending and base pair opening. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 85, 7231 (1988). https://doi.org/10.1073/pnas.85.19.7231
S.Y. Liem, P.L.A. Popelier, M. Leslie. Simulation of liquid water using a high-rank quantum topological electrostatic potential. International J. of Quantum Chem. 99, 685 (2004). https://doi.org/10.1002/qua.20025
P.G. Kusalik, I.M. Svishchev. The spatial structure in liquid water. Science 265, 1219 (1994). https://doi.org/10.1126/science.265.5176.1219
H.J.C. Berendsen, J.R. Grigera, T.P. Straatsma. The missing term in effective pair potentials. J. Phys. Chem. 91, 6269 (1987). https://doi.org/10.1021/j100308a038
M-L. Tan, J.T. Fischer, A. Chandra, B.R. Brooks, T. Ichiye. A temperature of maximum density in soft sticky dipole water. Chem. Phys. Lett. 376, 646 (2003). https://doi.org/10.1016/S0009-2614(03)01044-3
K. Kiyohara, K.E. Gubbins, A.Z. Panagiotopoulos. Phase coexistence properties of polarizable water models. Mol. Phys. 94, 803 (1998). https://doi.org/10.1080/00268979809482372
Downloads
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
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.
.png){kind=small}
