ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, Серия А, 2007, том 49, № 2, с. 329-335
РАСТВОРЫ
УДК 541.64:539.2:532.73
СТРУКТУРНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ МАКРОМОЛЕКУЛ СИНТЕТИЧЕСКИХ НЕИОНОГЕННЫХ ПОЛИМЕРОВ И ДНК В ВОДНО-СОЛЕВЫХ РАСТВОРАХ
© 2007 г. Е. В. Ануфриева, М. Г. Краковяк, Т. Н. Некрасова, Р. Ю. Смыслов, О. В. Назарова, Е. Ф. Панарин
Институт высокомолекулярных соединений Российской академии наук 199004 Санкт-Петербург, Большой пр., 31 Поступила в редакцию 15.06.2006 г. Принята в печать 06.10.2006 г.
Люминесцентным методом наносекундной динамики обнаружено влияние солевых добавок на структурные превращения не содержащих ионогенных групп макромолекул синтетических полимеров и молекул ДНК. При добавлении солей поливалентных металлов в макромолекулах поли-К-н-пропилметакриламида наблюдается переход клубок-глобула, в молекулах ДНК - изменения структуры, при которых интеркалированный в ДНК в водном растворе низкомолекулярный органический катион переходит в раствор. Эти изменения проявляются при добавлении ионов поливалентных металлов в количестве один ион М13+ на десять фосфатных групп ДНК. Так же действуют и соли поликатионов, добавленные в раствор интерполиэлектролитного комплекса ДНК-поликатион.
Изменение межмолекулярных взаимодействий в водно-солевых растворах неионогенных полимеров наиболее детально изучено на примере поли-К-винилкапролактама (ПВК) [1]. Влияние солевых добавок на структурообразование в водных растворах биополимеров широко представлено в работах [2]. Обсуждается влияние солевых добавок на структурные переходы в макромолекулах белков, на конформационные особенности ряда других природных полимеров, в том числе ДНК, и на температуру осаждения синтетических полимеров [3].
Задача настоящей работы - установить влияние солевых добавок в водных растворах на внутримолекулярные взаимодействия в неионогенных полимерах в условиях, исключающих осаждение полимеров, а также на внутримолекулярные взаимодействия в свободных молекулах ДНК, и в молекулах ДНК, включенных в интер-полиэлектролитные комплексы (ИПЭК). Изменение внутримолекулярных взаимодействий в макромолекулах синтетических полимеров влияет на структурную организацию макромолекул и может быть изучено методами наносекундной ди-
Е-таП: polar@mail.macro.ru (Ануфриева Елизавета Викторовна).
намики, которые отражают изменения наносе-кундных внутримолекулярных контактов, ответственных за структурные переходы в макромолекулах [4].
В макромолекулах ДНК изменение внутримолекулярных взаимодействий может влиять в первую очередь на внутримолекулярные контакты между основаниями ДНК, что скажется на контактах с молекулами ДНК низкомолекулярных органических катионов, интеркалированных в ДНК. Явление интеркаляции низкомолекулярных органических катионов в ДНК широко используется при анализе взаимодействия ДНК с поликатионами [5, 6].
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В качестве синтетического полимера использовали поли-К-н-пропилметакриламид (ППМА). Индикатором внутримолекулярного структуро-образования в макромолекулах полимера служило формирование внутримакромолекулярных глобул, которое определяется методом поляризованной люминесценции по изменению времен релаксации для люминесцентно меченого полимера [4], полученного по методике [7]. Концентрация ППМА в растворе 0.05 мг/мл, концентрация ДНК
в растворе 0.07 мг/мл. Для формирования интер-полиэлектролитного комплекса ДНК-поликатион использовали следующие поликатионы: поли-^^диметиламиноэтилметакрилат (ПДМАЭМ), сополимеры N,N-диметиламиноэтилметакрилата с N-винилпирролидоном (ВП) или ^метакрило-иламиноглюкозой (МАГ), сополимеры ^диэтил-аминоэтилметакрилата (ДЭАЭМ) с МАГ, поли-виниламин (таблица). Для сополимеров с небольшим содержанием катионных звеньев (до 20 мол. %) значения ММ рассчитывали из значений характеристической вязкости [п] по формулам для по-ли-^метакрилоиламиноглюкозы, а при большом содержании звеньев ДМАЭМ или ДЭАЭМ приведены значения только [п]. Люминесцентно меченый ПДМАЭМ получали по методике [7]. Индикатор внутримолекулярного структурооб-разования в макромолекулах ДНК - интеркали-рованный в ДНК низкомолекулярный органический катион, интенсивно люминесцирующий (или не люминесцирующий) и высоко подвижный в воде в отсутствие ДНК и теряющий (или приобретающий) люминесценцию и теряющий подвижность при интеркаляции в ДНК. Об уменьшении подвижности свидетельствует увеличение времен вращательной релаксации катиона от 1 до 96 нс. В качестве таких катионов использовали: акридиновый оранжевый
И3С-№
профлавин
И2Ы
трипафлавин
СИз ^-СИ3
■ ИС1,
И I
ИС1,
СИз N
-ЫИ,
■ ИС1,
аурамин
(ИзС)2Ы
Ы(СИз),
С II
ЫИ
ИС1,
этидий бромид
И2№
КИ2
солянокислый 9-антрилметиламин
■ Вг-
• ИС1.
СИ2 I 2 ЫИ2
Для взаимодействия с поликатионом ПДМАЭМ в воде брали люминесцирующий в связанном с макромолекулами состоянии анион 8-анилинонафта-лин-1-сульфонат (АНС)
■
.2+
2
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
При добавлении А1С13 к водному раствору не-ионогенного полимера ППМА изменяется время релаксации полимерных цепей т, что свидетельствует о формировании глобулярной структуры в макромолекулах ППМА. Доказательством формирования глобулярных структур является характер изменения т (рис. 1), отражающий сначала рост внутримолекулярной заторможенности, а затем появление нового релаксационного процесса с меньшим значением т. Уменьшение значения т после роста внутримолекулярной заторможенности обычно указывает на компактизацию мак-ромолекулярного клубка и появление нового ре-
СТРУКТУРНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ МАКРОМОЛЕКУЛ Характеристика исследованных (со)полимеров
(Со)полимер
Структурная формула
[П], дл/г
Растворитель
Т, °С
х
Поли^^-диметиламиноэтилме-такрилат
^^Диметиламиноэтилметакри-лат-N-винилпирролидон т : п = 49 : 51
СН3
О=С I
0
1
СН2 I 2 СН2 I 2
Нз^ ЧСНз
СН3
-ЕН3С"СЫ СН2~СН^т
С=О N
0 О"
СН2
1 2 СН2 I 2 N
НзС' ЧСНз
о
^^Диметиламиноэтилметакри-лат-N-метакрилоиламиноглюкоза
т : п = 93 : 7
т : п = 82 : 18
т : п = 55 : 45
^^Диэтиламиноэтилметакри-лат-N-метакрилоиламиноглюкоза
СН3
4сн2-С1—
I ^ | J т
С=О
I ОН
рОнЛ,
ОН у -О
СН2ОН
СН3 —
I ^ I J т
С=О
ОН
т : п = 57.5 : 42.5
I О СН2ОН
Н5С
5С2
Поливиниламин гидрохлорид
-ЕОТ2-Ш+,
I
■ НС1
0.065 0.2
1 М нитрат
20 °С
0.18
25 120
0.1 М
СН3СОО№
25°С
Шз 0.1 М
С+ | J п
С=О 1 0.14 25°С 35
1 0 1 СН2 1 ^ 0.11 20
СН2 1 2 0.10
1 N ЧСНз
СН3 1 п3 0.18 ДМФА 25°С
С+ | J п
С=О 1
1 О
1 Ш2
СН2
N ЧС2Н5
1.03 0.1 М №С1 25°С 75
з
т, нс 1QQQ
5QQ
^eop = k[n]Mn/RT
(l)
А/люм
2QQ
1QQ
Q-J
Q Q.4 Q.8
Koнцeнтpaция AlCl3, мoль|л
Рис. 1. Зaвиcимocть вpeмeни peлaкcaции т, xa-paктepизyющeгo нaнoceкyнднyю пoдвижнocть мaкpoмoлeкyл ППMA с M = 1.7 x 1Q5, oт coдep-жaния AlCl3 в вoднo-coлeвoм pacтвope. спал = = Q.Q5 мг|мл.
лaкcaциoннoгo пpoцecca - пoдвижнocти мaкpoмo-лeкyлы ^к цeлoгo [4, 8, 9]. Дeйcтвитeльнo, экcпepимeнтaльнoe знaчeниe т пpи coдepжaнии AlCl3, paвнoм Q.8 мoль|л, coвпaдaeт с вpeмeнeм peлaкcaции, xapaктepизyющим пoдвижнocть rao-•УЛЫ кaк цeлoгo, paccчитaнным пo фopмyлe
Q.4 Q.6
[Mtn+] : [ДHK]
Рис. 2. Зaвиcимocть интeнcивнocти люми^с-цeнции А/люм низкoмoлeкyляpнoгo opгaничe-cкoгo кaтиoнa aнтpилмeтилaминa, интepкaли-poвaннoгo в ДHK, oт coдepжaния иoнa пoливa-лeнтнoгo мeтaллa Mtn+, oтнeceннoгo к coдepжaнию фocфaтныx ^упп ДHK, в вoднoм
pacтвope ДЖ. 1 - Tb3+, 2 - Ca2+, 3 - Rb+ = Q.Q7 мг|мл. А/
люм /нaбл "
/
CДHK :
ДЖ-
В этом cooтнoшeнии M - мoлeкyляpнaя мacca пo-лимepa, T и n - тeмпepaтypa и вяз^оть paCTBop^ тeля. В pacчeтe иcпoльзyютcя знaчeния xapa^e-pиcтичecкoй вязкocти paCTBopa пoлимepa [n] = 34 см3|г и k = 1.2 ^к для бeлкoвoй глoбyлы, пo-cкoлькy [n] ~ 1|т [4], a знaчeния 3-4 см3|г являются пpeдeльными.
Пpи дoбaвлeнии к paCTBopy ДHK с интepкaли-poвaнными низкoмoлeкyляpными opгaничecкими кaтиoнaми yжe тaкoгo мaлoгo кoличecтвa coли AlCl3 или TbCl3, пpи кoтopoм coдepжaниe иoнoв Al3+ или Tb3+ нa пopядoк нижe, чeм coдepжaниe фocфaтныx гpyпп ДHK, cтpyктypa ДHK пpeтep-пeвaeт измeнeния, и низкoмoлeкyляpныe ^rao-ны пepexoдят из ДHK в pacтвop. O6 этoм cb^â-тeльcтвyeт кooпepaтивный poCT кaк интeнcивнo-сти люминecцeнции, тaк и пoдвижнocти. Haпpимep, в cлyчae coлянoкиcлoгo aнтpилмeтил-aминa и тpипaфлaвинa (pиc. 2) пpи измeнeнии co-дepжaния в pacтвope Al3+ или Tb3+ oт Q.Q5 дo Q.2 [Mt3+] : [ДHK] интeнcивнocть люми^с^нции кa-
тиoнoв вoзpacтaeт oт 3Q дo 16Q oтн. eд., a вpeмя вpaщaтeльнoй peлaкcaции т yмeньшaeтcя oт 9б дo 1 нс. В paбoтe [1Q] пoкaзaнo, что имeннo в этих ycлoвияx, т^. пpи дoбaвлeнии иoнoв пoливaлeнт-нoгo мeтaллa, ДHK кoмпaктизyeтcя, нa что y^-зывaeт двyкpaтнoe yмeньшeниe пpивeдeннoй вяз-кocти pacтвopa ДHK.
В мaкpoмoлeкyлax ДHK cтpyктypныe измeнe-ния, влияющиe нa ee взaимoдeйcтвиe с интepкa-лиpoвaнным низкoмoлeкyляpным opгaничecким кaтиoнoм, пpoиcxoдят пpи дoбaвлeнии нe тольта иoнoв пoливaлeнтныx мeтaллoв, нo и пoликaтиo-нa. Koнeчнo, пpи ввeдeнии пoликaтиoнa cнaчaлa фopмиpyeтcя ИПЭK (пoликaтиoн-ДHK), нo включeниe ДHK в ИПЭK нeзнaчитeльнo влияeт нa пoдвижнocть или люми^с^нцию интepкaли-poвaннoгo в ДHK низкoмoлeкyляpнoгo opгaничe-cкoгo кaтиoнa фис. 3). Toлькo пpи избыткe пoли-кaтиoнa пocлe oбpaзoвaния ИПЭK нaблюдaeтcя кooпepaтивный выюд из ДHK интepкaлиpoвaн-нoгo низкoмoлeкyляpнoгo кaтиoнa. Пpи этом чacть мoлeкyл пoликaтиoнa, дoбaвлeннoгo в pac-твop пocлe фopмиpoвaния ИПЭ^ oкaзывaeтcя cвoбoднoй, нe взaимoдeйcтвyющeй с фocфaтны-ми гpyппaми ДHK.
Q
Формирование ИПЭК и появление в растворе свободного поликатиона определяется по изменению наносекундной подвижности люминесцент-но меченого поликатиона, (данные рис. 3 получены для поликатиона ПДМАЭМ). Время релаксации поликатиона т возрастает от 20 до 70 нс при включении поликатиона в ИПЭК и постепенно уменьшается до значения, отвечающего свободному поликатиону, который обнаруживается в растворе после завершения формирования ИПЭК.
Появление поликатиона, не связанного с ДНК, следует также из того, что поликатион, добавленный к ИПЭК, и поликатион в воде в отсутствие ДНК одинаково взаимодействуют с анионом АНС. Как видно из рис. 3, АНС в обоих случаях имеет
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.