БИОФИЗИКА, 2015, том 60, вып. 2, с. 242-252
МОЛЕКУЛЯР НАЯ БИОФИЗИКА
УДК 577.323
КРУГОВОЙ ДИХР ОИЗМ ЧАСТИЦ ЖИДКОКРИ СТАЛЛИЧЕСКИХ ДИСПЕРСИЙ ДНК
© 2015 г. С.В. Семенов, Ю.М. Евдокимов*
Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», 123182, Москва, пл. Академика Курчатова, 1;
E-mail: 8етепоу_8У@пгск1.т
*Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН, 119991, Москва, ул. Вавилова, 32
E-mail: Yevdokim@eimb.ru
Поступила в p едакцию 03.12.14 г.
И сследована оптическая активность жидкокристаллических дисперсий ДНК на основе теории поглощения электромагнитных волн большими молекулярными агрегатами. Изучено влияние на оптические свойства дисперсий взаимодействия комплексов молекул нуклеиновых кислот с наночастицами.
Ключевые слова: жидкокристаллические дисперсии, холестерики, круговой дихроизм, наночастицы.
Известно, что жесткие, линейные молекулы двухцепочечных (дц) нуклеиновых кислот при их фазовом исключении из водно-солевых р а створов полимер ов (в частности, полиэтиленгли-коля (ПЭГ)) могут образовывать жидкокристаллические дисперсии (ЖКД) [1]. Соседние двух-цепочечные молекулы нуклеиновых кислот (ДНК, РНК) в частицах дисперсии упаковыва -ются в виде слоевых (ламеллярных [2]) структур, носящих название «квазинематических слоев» [1] в физике жидких кристаллов. Эти слои не содержат в своем составе молекул ПЭГ. Молекулы ДНК в квазинематических слоях сохраняют некоторые диффузионные степени свободы, характерные для исходных молекул, что придает системе «жидкостной характер».
В физико-химическом смысле каждую частицу ЖКД можно условно р ассматривать как «каплю» концентрированного раствора нуклеиновой кислоты (в частности, ДНК), стр уктура и свойства которой определяются, кроме про -чих факторов (молекулярная масса ДНК, ионная сила, рН и температура раствора), величиной осмотического давления раствора [1]. В частности, расстояние (ф) между соседними молекулами ДНК как в квазинематическом слое, так и между слоями может меняться в пределах от 2,5 до 5,0 нм в зависимости от о смотического давления раствора.
Сокращения: дц - двухцепочечный, ПЭГ - полиэтилен-гликоль, ЖКД - жидкокристаллические дисперсии, КД -круговой дихроизм, ХЖКД - холестерические ЖКД.
При этом анизотропные свойства молекул ДНК должны приводить к тому, что каждый последующий квазинематический слой повора -чивается на определенный угол по отношению к предыдущему. В результате поворота должна формироваться пространственно-закрученная структура частиц ЖКД.
В качестве одного из доказательств формирования пространственно-закрученной структуры частиц ЖКД ДНК был использован подход, основанный на идеологии метода «внешнего» хромофора, «вводимого» в холестерические жидкокристаллические фазы синтетических со -единений [3,4]. При определенном способе расположения «введенного» хромофора в холесте-рической фазе в полосе поглощения этого хро -мофора возникает интенсивная полоса в спектре кругового дихроизма (КД) [5-7].
Поскольку в структуре двухцепочечных молекул ДНК имеются азотистые основания (хро -мофоры), поглощающие в УФ -области спектра, которые достаточно жестко фиксированы по отношению к длинной оси молекул ДНК (угол наклона о снований составляет около 90°), образование квазинематического слоя означает, что азотистые основания оказываются встро-енными («введенными») в его структуру. Е сли исходить из идеологии метода «внешнего» хро -мофора, то можно ожидать, что при возникновении пространственно-закрученной (или, как говорят, холестерической) упаковки соседних молекул ДНК в образующихся частицах ЖКД в спектре КД в области поглощения азо-
тистых оснований (хромофоров) ДНК должна возникнуть интенсивная полоса. Амплитуда этой полосы должна зависеть (при постоянстве вторичной структуры ДНК и свойств азотистых оснований) от стр уктурных параметр ов частиц ЖКД (шаг спиральной структуры холестерика, размер частиц дисперсии и т.д.) [8]. Чтобы подчеркнуть принципиальное различие между «молекулярным» круговым дихроизмом (Де, 2-5 ед.), который отражает свойства изолированных азотистых оснований или азотистых о снований в составе линейных молекул ДНК и может быть рассчитан теоретически, и «структурным» круговым дихроизмом, для обозначения интенсивных полос в спектрах кругового дихр оизма холестер ических ЖКД (ХЖКД) нуклеиновых кислот, независимо от их знака, был использован термин «аномальная полоса» [9].
С учетом отмеченных выше факторов, влияющих на аномальную полосу в спектре КД, ее величину часто выражают не в виде величины Де, а в виде легкоизмеряемой величины амплитуды полосы - ДА.
При этом нужно иметь в виду тот факт, что высокая локальная концентрация ДНК и упорядоченное расположение этих молекул в жидкокристаллических частицах ЖКД создают условия для взаимодействия разных химических и биологически активных соединений с молекулами ДНК (интеркаляция между парами о снований, фиксация в бороздках на поверхности ДНК и т.д.) [10,11]. Следует отметить, что, несмотря на интерес к изучению свойств нано-объектов в разных условиях [1], вопрос о поведении наночастиц металлов в жидкокристаллической ср еде был р ассмотрен лишь в одной работе [12].
П роисходящие при взаимодействии разных соединений с ДНК искажения вторичной структур ы этих молекул влияют не только на свойства квазинематических слоев, но и на характер взаимодействия между ними, а следовательно, и на особенности пространственной структуры любой частицы ЖКД и ее аномальные оптические свойства.
Сказанное выше означает, что интерес представляют развитие и совершенствование теор е-тических и экспериментальных подходов, позволяющих выявить зависимость формы аномальных оптических свойств частиц ХЖКД ДНК не только от пар аметров частиц дисперсии, но и от наличия в этой системе фактор ов, возмущающих пространственную структуру частиц.
Цель настоящей работы - развитие теоретического подхода, позволяющего рассчиты-
вать аномальные оптические свойства частиц ЖКД ДНК в р азных условиях.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВЗАИМОДЕЙ СТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫ X ВОЛН С МОЛЕКУЛЯРНЫМИ АГРЕГАТАМИ
Эффективным методом изучения физико-химических характеристик агрегированного со -стояния нуклеиновых кислот является исследование оптической активности дисперсий [13,14].
Важное значение приобретает задача о выяснении влияния, которое оказывает на свойства конденсированных фаз биологических макромолекул их взаимодействие с наночастицами.
Известно, что молекулы ДНК содержат поглощающие УФ -излучение азотистые основания, пространственная упаковка которых опр е-деляется упаковкой молекул ДНК в частицах дисперсии. Это позволяет условно рассматривать частицу ХЖКД как набор хромофор ов, имеющих холестерическое упорядочение и образующих трехмерную жесткую структуру, с размером, сравнимым с длиной волны полосы поглощения хромофора.
Для исследования воздействия разных факторов (таких как, например, молекулы биологически активных соединений или наночастицы металлов) на частицы XЖКД ДНК, приводящие к возмущениям их холестерической упо -рядоченности и, как следствие, к изменению их аномальной оптической активности, необходимо разработать теоретический подход, который дает возможность рассчитывать коэффициент экстинции находящихся в р а створе частиц, обладающих различными типами внутренней упаковки.
П редставляется целесообразным р азвить этот подход, пользуясь теорией поглощения электромагнитных волн большими молекулярными агрегатами [15,16]. П ри этом, когда размер агрегата примерно равен длине волны света, его оптические свойства определяются как величиной, так и формой частиц. Эти свойства обусловлены дальнодействующим взаимодействием между хромофорами, принадлежащими данной структуре, оптические характеристики которой можно изучать с помощью разбиения частицы на ячейки, каждую из которых можно рассматривать как единичный эффективный хромофор. Эти эффективные хромофоры, являющиеся поглощающими диполями, имеют упо рядочение, аналогичное холестерической спирали с шагом Р.
В настоящей работе мы используем упро-щающее предположение, согласно которому
Рис. 1. Модель частицы холестерической жидкокристаллической дисперсии ДНК.
limEsoatt = E0f(k)"
(3)
где Ео - амплитуда падающей плоской волны. Волновое уравнение для электрического поля имеет вид:
rotrotE - к 2e(x)E = 0,
(4)
где E(x) - тензор диэлектрической проницаемости, который для дискретного набора хромофоров опр еделяется следующим образом:
e(x) = 1 + 4n^a(-53(x - x(.),
(5)
частицы ХЖКД ДНК (условно называемые далее молекулярными агрегатами) обладают кубической формой. Таким образом, частица ХЖКД ДНК моделируется набором параллельных слоев, находящихся на расстоянии ф друг от друга, в которых расположены поглощающие диполи, поворачивающиеся на угол Дф при переходе от слоя к слою. Соответственно, Р = 2пФ/Дф. Схема рассматриваемой системы изображена на рис. 1.
Электрическое поле в точке локализации определенного хр омофор а является суперпозицией поля падающего света и электрических полей, создаваемых индуцированными диполями, принадлежащими всем остальным хромофорам системы.
Как результат, поглощение света представляет собой пр оцесс, в котором участвует весь молекулярный агрегат, и электрическое поле в предела х частицы можно найти путем решения самосогласованной системы линейных уравнений относительно амплитуд поля на каждом эффективном хромофоре.
Коэффициент экстинции жидкокристаллической дисперсии можно записать в терминах усредненного по вр ащениям эффективного сечения экстинции < а>:
N
е =
A
1000ln2
<а>,
4п гл а = —Im
к
f = k)
где а и х- - тензор поляризуемости и радиус-вектор г-го хромофора. Для определения амплитуды рассеяния f может быть получено интегральное уравнение с использованием функции Грина:
E(x) = E0(x) + 4nk 2Jr(x,x')£(x4)n 1 E( x)d'3x',
(6)
где функция Грина определяется уравнением
го^оЩх,х) - к 2Г(х,х') = 183(x - х') и имеет следующий вид [4]:
Г(х,х') = (1 - гг)— +
(7)
+ (3ir - 1)
1
i } в"
1
к2r2 kr 14пг 3к2
53(r),
(1)
где r = x - x', r = |x - x'|, r = r/r, E0(x) -электрическое поле падающей электромагнитной
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.