Моделирование комплексов ДНК с биологически активными соединениями

Рамазанов, Руслан Рафядинович

Моделирование комплексов ДНК с биологически активными соединениями тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Рамазанов, Руслан Рафядинович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Моделирование комплексов ДНК с биологически активными соединениями»

Автореферат диссертации на тему "Моделирование комплексов ДНК с биологически активными соединениями"

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный университет»

На правах рукописи

Рамазанов Руслан Рафядинович

МОДЕЛИРОВАНИЕ КОМПЛЕКСОВ ДНК С БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫМИ СОЕДИНЕНИЯМИ.

Специальность: 01.04.07 - физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург - 2013

5 ДЕК 2013

005541819

Работа выполнена на кафедре молекулярной биофизики физического факультета Санкт-Петербургского государственного университета.

Научный руководитель:

Доктор физико-математических наук, профессор, зав. каф. молекулярной биофизики Санкт-Петербургского государственного

университета Трусов Анатолий Анатольевич

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник, зав. лаб. сигнетоэлектричества и магнетизма физико-технического института

РАН им. А.Ф. Иоффе Лушников Сергей Германович

Доктор химических наук, зав. лаб. полимерных наноматериалов и композиций для оптических сред института высокомолекулярных

соединений РАН Якиманский Александр Вадимович

Ведущая организация:

Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова

Защита состоится « 19 » декабря 2013 г. в «15.00» часов на заседании диссертационного совета Д 212.232.33 по защите докторских и кандидатских диссертаций, созданного на базе Санкт-Петербургского государственного университета по адресу: 198504, г. Санкт-Петербург, Петродворец, Ульяновская 1, малый конференц-зал физического факультета

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке им. М. Горького Санкт-Петербургского государственного университета

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба высылать по вышеуказанному адресу на имя учёного секретаря диссертационного совета.

Автореферат диссертации разослан « » ноября 2013 г.

СПбГУ.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.232.33, к. ф.-м.н., доцент

Поляничко А. М.

! )

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. На сегодняшний день интерес к исследованию специфических особенностей строения и свойств молекулы ДНК выходит далеко за рамки только фундаментальных научных вопросов, связанных с функционированием важнейшей биологической макромолекулы в клетке. Уже более 40 лет рассматривают изменения структуры и свойств ДНК для выяснения молекулярных механизмов действия противоопухолевых препаратов, разрабатываемых на основе координационных комплексов переходных металлов платиновой группы, биологическая активность которых существенно определяется эффективностью связывания с ДНК-мишенью в клетке [1]. С другой стороны, хорошо изученные свойства биополимера, такие, как чрезвычайно высокая плотность поверхностного заряда, регулярность пространственной организации, устойчивые конформационные характеристики в различных средах, а также в значительной степени разработанные и относительно доступные синтетические методы получения заданных полимерных структур делают ДНК крайне привлекательным и удобным объектом в других наукоёмких областях. Вместе с тем, обширная экспериментальная база, включающая разносторонние исследования взаимодействия ДНК с различными заряженными агентами, создает предпосылки развития совершенно новых технологических направлений.

Активно развивается направление структурной молекулярной технологии, задачей которой является использование ДНК для создания новых функциональных объектов в нанометровом масштабе. В области наномедицины наблюдается возрастающий интерес к созданию сайт-специфичных и конформационно-специфичных маркеров ДНК для использования в сверхлокальной наноизбирательной диагностике генных заболеваний. Нанокластеры серебра, сформированные на коротких участках ДНК, обладают, аналогично квантовым точкам на основе полупроводников, люминесценцией с большим квантовым выходом [2]. Их люминесцентные характеристики оказались очень чувствительны к конформационным особенностям строения и последовательностям оснований ДНК, что может быть использовано для создания сайт-специфичных люминесцентных маркеров.

Стремительно развивается направление невирусной генной терапии, основной задачей которой ставится разработка методов доставки в клетку компактной рекомбинантной ДНК, несущей необходимую генетическую информацию и имеющую в результате достаточные размеры для эффективного проникновения через мембрану клетки [3]. В связи с этим перспективным с практической точки зрения выглядит использование катионных поверхностно активных веществ в роли компактизирующих агентов ДНК. В данной работе применялись современные методы молекулярного моделирования для выявления механизмов формирования комплексов ДНК с различными заряженными агентами. Полученные в работе результаты закладывают теоретическую основу для разработки прикладных решений в рамках поставленных различных биологических, медицинских и технологических задач.

Цель диссертационной работы. Целью работы является выявление физико-химических и структурных особенностей ДНК при формировании комплексов с координационными соединениями платины(Н) и палладия(Н), комплексов со светочувствительными ПАВ (С4-аго-С9-ТМА+), а также комплексов с нанокластерами серебра с использованием методов молекулярного моделирования и квантовой химии.

В работе были поставлены следующие задачи:

• Анализ профиля поверхности потенциальной энергии (ППЭ) по координате

реакции, соответствующей последовательным процессам акватации и

взаимодействия координационных комплексов платины (цис-ДДП, транс-ДДП, Рёеп) и палладия (цис-Рс1, транс-Рс1, Рёеп) с ДНК по позиции N7 гуанина.

• Моделирование процессов мицеллообразования из цис- и транс-изомеров С4-аго-С9-ТМА+ в гомогенном водно-солевом растворе и в присутствии молекулы ДНК.

• Получение оптических характеристик для комплексов с различной формой и размером кластеров серебра с молекулой ДНК. Выявление структурных характеристик кластеров, соответствующих наблюдаемым в эксперименте люминесцентным свойствам комплексов кластеров с ДНК.

В настоящей работе объектом исследования являются специфические физико-химические и конформационные свойства биополимера ДНК. Предметом исследования является взаимодействие ДНК с координационными соединениями переходных металлов платиновой группы, катионными ПАВ, а так же с нанокластерами серебра.

Основные положения, выносимые на защиту:

• Палладиевые комплексы проявляют более значительную активность, чем платиновые в двухстадийных процессах акватации.

• Определяющим по скорости и эффективности процессом при взаимодействии координационных комплексов платины(Н) и палладия(И) с ДНК является процесс активации координационного комплекса, состоящий из последовательных стадий акватации.

• Электронные спектры возбуждения нитевидных кластеров серебра размером от 3 до 6 атомов, в отличие от других форм кластеров, соответствуют экспериментальным спектрам возбуждения люминесценции кластеров серебра, стабилизированных на ДНК.

• Небольшие изменения угла изгиба нитевидных кластеров, вызванные изменениями локальной структуры ДНК, приводят к сильному смещению максимума длинноволновой полосы поглощения, охватывающему весь видимый диапазон спектра.

• Цис- и транс-изомеры катионных ПАВ С4-аго-С9-ТМА+ в гомогенном водно-солевом растворе образуют мицеллы размером порядка 3-5 нм.

• Самоассоциаты катионных ПАВ С4-аго-С9-ТМА+ более эффективно связываются с ДНК по фосфатным группам, чем одиночные молекулы. Одним из возможных механизмов образования мицелл транс-азосоединий на ДНК можно рассматривать кооперативное связывание ассоциатов с одиночными молекулами, предварительно уложенными в малую бороздку двойной спирали.

Научная новизна работы. Впервые проведены сравнительные оценки энергий активации и изменения свободных энергий с учетом влияния растворителя и энтропии сольватации для процессов активации и последующего взаимодействия ряда координационных комплексов платины (II) и палладия(Н) с ДНК по позиции N7 гуанина. В работе впервые проводится молекулярное моделирование взаимодействия катионных ПАВ (С4АгоСбТМА+) с ДНК. При этом используются новые параметры силового поля для ПАВ, разработанные на основе современного силового поля рагтЬзсО для ДНК и квантово-химических расчетов. Предложена оригинальная модель стабилизации нитевидных кластеров серебра с помощью кислородов карбонильных групп малой бороздки ДНК и фосфатов. Данная модель позволяет получить оптические характеристики комплексов кластеров серебра с ДНК, хорошо согласующиеся с экспериментальными спектрами возбуждения люминесценции.

Практическая значимость работы. Использование дескрипторов химической активности, таких как энергия активации и изменение свободной энергии по ходу реакций, позволяет проводить прогнозирование физико-химической, а, следовательно, и биологической активности новых синтезируемых аналогов до проведения непосредственного синтеза и дорогостоящих экспериментов.

Молекулярное моделирование фоточувствительных азобензол-содержащих ПАВ в присутствии ДНК позволяет выявить молекулярные механизмы первых стадий образования компактной формы ДНК. Эффективность связывания и упаковки ДНК может быть значительно улучшена за счёт структурной модификации ПАВ. В связи с этим понимание на молекулярном уровне ключевых этапов взаимодействия между ДНК и азобензол-содержащих ПАВ имеет существенное значение для развития невирусной генной терапии.

Понимание структурных предпосылок, определяющих люминесцентные свойства нанокластеров серебра, стабилизированных матрицей ДНК, является краеугольным камнем в развитии направления сверхлокальной наноизбирательной диагностики генных заболеваний. Достижение лучшего понимания на молекулярном уровне кластер-полимерных взаимодействий имеет решающее значение для дальнейшего развития стратегии выращивания нанокластеров серебра на основе ДНК в качестве флуоресцентных зондов.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы квантовой химии и молекулярной динамики.

Апробация результатов. Основные результаты работы были доложены на международных конференциях: «Modern problems of polymer science» Санкт-Петербург, 2008, 2009; XXIV Международной Чугаевской конференции по координационной химии, Санкт-Петербург, 2009, «First International Conference Quantitative Imaging and Spectroscopy in Neuroscience (QISIN)» Pavlov Institute of Physiology, Санкт-Петербург, 2012; Международной конференции «Биология -наука XXI века», Москва, 2012; «Computational and Theoretical Modeling of Biomolecular Interactions» Москва, 2013.

На основе результатов данной диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ, из которых 4 в рецензируемых научных журналах, 3 статьи в трудах конференций и 5 тезисов докладов.

Личный вклад автора. Все квантово-химические расчеты и моделирование молекулярной динамики были проведены автором самостоятельно с использованием высокопроизводительных вычислительных ресурсов вычислительного центра СПбГУ и суперкомпьютерных комплексов «Ломоносов», «Чебышев» МГУ. Разработка силовых полей для ПАВ для проведения молекулярной динамики проводились в сотрудничестве с лабораторией теоретической биофизики МГУ.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и содержит 100 страниц, 30 рисунков и 5 таблиц, список использованных источников включает 87 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, раскрыты научная новизна, практическая значимость полученных результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В ГЛАВЕ 1, носящей обзорный характер, рассмотрена структура ДНК на различных уровнях организации полимера. В этой главе также даны сведения о современных подходах с использованием методов компьютерного моделирования, применяемые для исследования физико-химических свойств ДНК. Рассмотрены нерешенные вопросы предыдущих исследований, обуславливающие постановку задач в данной работе при исследовании взаимодействия ДНК с различными заряженными молекулярными агентами.

В ГЛАВЕ II приводится описание теоретических методов исследования, а также условий проведения расчетов.

Для анализа взаимодействия ДНК с координационными соединениями платины(П) и палладия(П) проводились квантово-химические расчёты методом Хартри-Фока-Рутана (Клементи, 1969) с учетом корреляции электронов в рамках метода теории возмущений второго порядка Мёллера-Плессета. Расчёты проводились в газовой фазе и в континуальном растворителе (вода) с учётом энтропии сольватации в программе Firefly v 7.1 G (Granovsky) с полной оптимизацией пространственного строения всех комплексов без ограничений по симметрии. Для тяжёлых переходных металлов использовался базисный набор с эффективным псевдопотенциалом ЕСР SBK (Stevens et al., 1992) для атомов платины и с релятивистским псевдопотенциалом штутгартской группы MCDHF RSC ЕСР (Peterson et al., 2007) для палладия. Для лёгких элементов использовался валентно-расщеплённый базисный набор 6-31G* (Pople et al., 1974). Исследование профиля энергии по схеме реакции замещения лигандов в процессе акватации и замещения на входящую группу ДНК проводилось в рамках концепции «координаты реакции на профиле потенциальной энергии». Оптимизация пространственного строения комплексов, расчёт энергий продуктов и реагентов по схеме реакции акватации и замещения на входящую группу ДНК, поиск переходного состояния и расчёт частот нормальных колебаний для анализа координаты реакции проводились при одном выбранном наборе базисных волновых функций.

Процесс образования мицелл из гомогенного раствора цис- и транс-изомеров азосоединений (C4AzoC6TMA+) и в присутствии ДНК изучался методом молекулярной динамики, реализованного в программном пакете GROMACS 4.5 (Hess et al., 2008). Параметризация топологии цис- и транс-изомера проведена на основе ответвления силового ноля AMBER99 — parmBSCO (Pérez et al., 2007), параметризованного для МД-расчётов ДНК, с целью проведения дальнейших исследований взаимодействия азосоединений с ДНК. Ряд валентных взаимодействий, отсутствовавших в AMBER99, был заимствован из смежного поля GAFF (Wang et al., 2004), имеющего сходную идеологию построения, однако ориентированного на более широкий класс простых соединений. Барьер для двугранного угла CN=NC был взят из работы (Bôckmann et al., 2007), в то время как угол CC-N=N из данной работы не мог быть использован для транс-изомера, поскольку приводил к неплоской равновесной структуре азобензольного ядра соединения при оптимизации геометрической структуры. Поэтому для этого угла были установлены другие параметры, полученные на основе ab initio расчётов энергий азобензена в конформациях с различными значениями искомого двугранного угла. Парциальные заряды для цис- и транс-формы азо-соединений были рассчитаны с использованием

алгоритма AMBER RESP для описания электростатического потенциала точечными зарядами ab initio (Bayly et al., 1993). Модели для раствора азо-соединений включали использование периодических граничных условий для кубического бокса размером 10x10x10 нм и явно заданного водного растворителя TIP3P. Положительно заряженные азо-соединения нейтрализовывались соответствующим количеством анионов СГ, сверх этого количества в систему добавляли 30 пар ионов Na+ СГ для имитации 50 мМ фонового электролита. На вычислительную сцену помещалось 300 молекул, равномерно распределённых по объему бокса, что соответствует концентрации 0,5 М. В случае исследования взаимодействий азо-соединений с ДНК вычислительная сцена имела размеры 10x10x40 нм. В первом случае ячейка содержала 300 молекул азо-соединений (120 мМ), 30 ионов Na+ и 30 ионов СГ, а во втором случае в ячейку помещали 10 молекул транс-азо-соединений. В качестве модели ДНК использовалась равномерно случайная двухспиральная последовательность в В-форме длиной 40 (в первом случае) и 20 (во втором) пар оснований, сконструированная при помощи пакета X3DNA (Lu, 2003). Такая модельная система соответствует концентрации ДНК в растворе порядка 10 у (~ 30 мМ п.н.) МД-расчет производился в NVT ансамбле с использованием термостата Парринелло-Рамана при температуре 310 К, таге интегрирования 2 фс и общей длительности 50 не.

В рамках задачи о взаимодействии ДНК с кластерами серебра проводилась оптимизация основного и возбуждённого состояния, расчёт спектров электронного возбуждения с использованием теории функционала плотности, реализованного в программном пакете GAMESS US (Gordon et al., 2005). Для атомов серебра использовался релятивистский эффективный псевдопотенциал RESP (Hay et al., 1985), учитывающий 28 остовных электронов. Остальные атомы описывались с помощью валентно-расщеплённого базисного набора 6-31G*. Для полной оптимизации геометрических параметров использовался функционал RPBE (Hammer et al., 1999). Оптимизация геометрии свободных кластеров и комплексов кластеров с основаниями ДНК проводилась без ограничений по симметрии в вакууме. В случае протяжённых кластеров применялась одномерная оптимизация, с помощью ограничения перемещения ядер атомов серебра в двух ортогональных направлениях. Также было рассмотрено связывание Ag3 кластера с коротким олигомером ССС, а именно связывание по малой бороздке и фосфатам, содержащим отрицательно заряженные атомы кислорода. Структура ДНК была построена в программе X3DNA, затем комплекс кластера серебра с ДНК последовательно оптимизировался по энергии в присутствии противоинов Na+ с замороженным сахарно-фосфатным остовом. В случаях, когда фосфатные группы ДНК и карбонильные группы малой бороздки выступали местом связывания, применялась континуальная модель воды PCM (Mennucci et al., 2002) для имитации поляризационных свойств растворителя. Во всех случаях для равновесных структур рассчитывалась матрица вторых производных по энергии для подтверждения условия нахождения в состоянии минимума потенциальной энергии. Для получения спектров электронного возбуждения для заряженных и нейтральных комплексов использовалась нестационарная теория функционала плотности с функционалом B3LYP. Были рассчитаны энергии возбуждения синглетного возбуждённого состояния для открытых и закрытых электронных оболочек до энергий порядка 6 эВ. Оптимизация возбуждённого состояния проводилась в базисе CAM-B3LYP (Yanai et al., 2004), поскольку его использование обеспечивает хорошую сходимость аналитических градиентов при оптимизации возбуждённых состояний в случае состояний с переносом заряда. Электронные орбитали представлены изоповерхностью с коэффициентом 0,03.

В ГЛАВЕ III представлены результаты квантово-химических расчетов и моделирования молекулярной динамики. Первая часть главы посвящена сравнению различных этапов химических превращений в процессе взаимодействия некоторых координационных комплексов Pt(II), а также аналогичных комплексов Pd(ll) с молекулой ДНК. Анализ взаимодействия ДНК с координационными соединениями включал расчет энергии активации и изменения свободной энергии реакции для двух стадий акватации координационных комплексов платины и палладия, а также взаимодействия моно- и би-

акватированного комплекса цис-ДДП с гуанином по позиции N7. В результате оптимизации геометрических параметров были получены начальные равновесные конфигурации для цис-диаминдихлорплатины (цис-ДДП), транс-диаминдихлорплатины (транс-ДДП), этилендиаминдихлорплатины (Pten), цис-диаминдихлорпалладий (цис-Pd), транс-диаминдихлорпалладий (trans-Pd), этиленди-аминдихлорпалладий (Pden) (Рисунок 1). Во всех комплексах ионы СГ и атомы N находятся в плоскости координирующего атома Pt(II) и Pd(II). Дальнейший расчёт включал рассмотрение последовательных двух стадий акватации внутренней координационной сферы комплексов, с последующей стадией замещения на входящую группу гуанина. В случае замещения на входящую группу гуанина рассматривалась SN2 реакция с нуклео-фильной атакой по позиции N7 гуанина. Для сравнения были выбраны два случая - моно- и би-акватированные комплексы цис-ДДП при взаимодействии с ДНК. На рисунке 2 представлены профили ППЭ для двухстадийной акватации цис-ДДП (Рисунок 2а), транс-ДДП (Рисунок 26), а также две стадии акватации cis-Pd и первая стадия акватации trans-Pd (Рисунок 2в). Величина энергии активации этих процессов Еа соответствует максимальной энергии по пути «прямой реакции». Из графиков видно, что величина максимальной энергии по пути «обратной реакции» для всех случаев меньше энергии активации в прямом направлении. Это свидетельствует о смещении равновесия в сторону реагентов.

Рисунок 2. Профили ППЭ для процессов акватации (а) цис-ДДП, (б) транс-ДЦП, (в) аэРё и транс-Pd. (1,2) - первая стадия акватации, (3,4) - вторая стадия акватации, (5,6) - первая стадия акватации тpaнc-Pd.

Л i. в О а i » h а п \N fe О Y с -

Л ж. I'd а о Q Pd a в ^ Pd « Ус -

Рисунок 1. Равновесные структуры платиновых и палладиевых комплексов.

\ ») ) прямая реакция f

2 обрати* реакция (

\ примам реакция 1

- 5—\ А обитая реакция I

<> прямая реакция оорагна* реакция I

-Т-.

Рисунок 3. Профили ППЭ для процессов акватации для (а) Рюп и (б) Рс)еп. (1,2) — первая стадия акватации, (3,4) - вторая стадия акватации.

Значения энергий активации цис-ДДП для двух стадий последовательного замещения составляло Еа\= 26,24 ккап/моль, Еп2= 30,29 ккал/моль, для транс-ДДП составляло Еа1= 29,45 ккал/моль, Еа2- 35.19 ккал/моль. для cis-Pd - Еаi= 20,85 ккал/моль и Еп2= 26,24 ккал/моль соответственно, а для trans-Pd Яа] = 20,6 ккал/моль. На рисунке 3 представлены профили ППЭ для двухстадийной акватации Pten и Pden. Как и в предыдущих случаях, энергия активации значительно больше энергетического барьера обратной реакции. Равновесие также смещено в сторону реагентов. Значения энергий активации Pten для двух стадий последовательного замещения составляло Еах= 22,51 ккал/моль, Еа2= 30,5 ккал/моль, а для Pden составляло Еа1= 16,41 ккал/моль, Еа2~ 26,17 ккал/моль соответственно. На рисунке 4 представлены два профиля ППЭ: моно-акватированный цис-ДДП взаимодействует по позиции N7 гуанина и би-акватированный цис-ДДП взаимодействует по позиции N7 гуанина. Во-первых, энергия активации превосходит энергетический барьер для обратной реакции, что свидетельствует о смещении равновесия в сторону продуктов (комплекс с гуанином) в обоих случаях. Во-вторых, энергия активации Еа= 21,4 ккал/моль для би-акватированного цис-ДДП больше, чем для моно-акватированного Еа= 13,1 ккал/моль, вследствие чего последний является более активным. Это не означает, что би-аква-тированный комплекс не участвует в связывании с гуанином, а только подчеркивает такой реакции. Расчет термодинамических параметров соответствующих реакций в вакууме при температуре 298,15 К продемонстрировал общую закономерность для всех комплексов. Реакции акватации проходят с увеличением свободной энергии Гиббса: для цис-ДДП AG] = 10,76 ккал/моль и ДG2= 21,23 ккал/моль, для транс-ДДП ДС^ 18,58 ккал/моль и ДС2=20,66 ккал/моль, для палладиевого комплекса cis-Pd - Д(Т1=12,56 ккал/моль и ДС2=22.20 ккал/моль. Согласно имеющимся экспериментальным данным, координационные комплексы платины и палладия вступают во взаимодействие с ДНК в акватированной форме, что противоречит полученным оценкам изменений свободной энергии в ходе самопроизвольной акватации в растворе. В связи с этим, как было описано выше, были проведены дополнительные расчеты с учётом континуальной модели растворителя (РСМ) и эмпирической поправки на энтропию сольватации по Вертцу. Расчёт свободной энергии для компонентов бесконечно разделённых продуктов, в которых участвуют свободные анионы СГ дают разительные различия в вакууме и в континуальном растворителе, обеспечивающем эффекты поляризации зарядов. В сумме с поправкой на энтропию сольватации были получены изменения свободной энергии AGp для всех процессов акватации как

Рисунок 4. Профили ППЭ для процессов замещения в (1,2) моно- и (3,4) би-аквати-рованных цис-ДДП молекулы воды при связывании с N7 гуанина, меньшую вероятность прохождения

платиновых, так и палладиевых комплексов не превосходящие 3 ккал/моль (в Таблице 1 представлены величины изменения свободной энергии для первой стадии акватации).

Таблица 1. Изменение свободной энергии для первой и второй стадии акватации цис-ДЦП, транс-ДДГ1 и цис-Pd с учетом и без учета влияния растворителя (РСМ) и поправки на энтропию сольватации.

дс„ Без учета РСМ и энтропии сольватации, ккал/моль Д Gv С учетом РСМ и энтропии сольватации, ккал/моль

Первая стадия Вторая стадия Первая стадия Вторая стадия

Цис-ДДП 10,76 21,23 2,01 1,31

Транс-ДДП 18,58 20,66 2,59 2,12

Цис-Pd 12,56 22,20 1,10 2,23

При расчете в вакууме AGp для случаев моно и би-акватированных комплексов цис-ДДП взаимодействующих по позиции N7 гуанина, были получены значения ДСр(моно)= -81,50 ккал/моль и ДСр(би)= -70,76 ккал/моль соответственно. Даже без учёта известных поправок обе реакции экзергонические, происходят самопроизвольно с большим выигрышем по энергии.

Вторая часть работы посвящена изучению процесса образования мицелл из гомогенного раствора цис- и транса)

• V <V

ose

ЧД

Рисунок 5. Равновесные структуры (а) транс- и (б) цис- изомеров азо-соединений. Отмечены два двугранных угла на цис-изомере

изомеров (С4АгоС6ТМА*) и в присутствии ДНК с использованием метода молекулярной динамики. На первом подготовительном этапе были получены топологии для равновесных структур цис- и транс-изомеров азо-соединений (рисунок 5). В ходе моделирования методом молекулярной динамики из исходно гомогенного раствора азо-соединения в течение 40 не образовывались мицеллярные структуры диаметром 3-5 нм. При этом образующиеся из цис-изомеров мицеллы

Рисунок 6. Структура мицелл из цис- и транс-азо-соединений. Для упорядоченных мицелл нарисованы плоскости, которым параллельно большинство осей молекул.

имеют в среднем сферическую форму и состоят из порядка 27-40 молекул, тогда как транс-изомеры образуют мицеллы более неправильной формы и состоят из 30-50 молекул. Большинство мицелл из транс-изомеров имеют плоскость, параллельно которой располагается основная часть молекул (Рисунок 66). Параллельное или антипараллельное расположение транс-азо-соединений наблюдается также и в олигомерных ассоциагах и оказывается выгодным, по-видимому, из-за гидрофобного взаимодействия. Далее образование мицелл транс- и цис- изомерами исследовалось в присутствии ДНК. Вычислительный эксперимент в течение 50 не продемонстрировал самопроизвольное образование мицелл сходной формы на поверхности ДНК (Рисунок 7).

Рисунок 7. Образование мицеллярных структур на ДНК а) из цис- и б) транс-азосоединений в результате 50 не молекулярной динамики.

Как и следовало ожидать, взаимодействие между ДНК и мицеллой обеспечивалось образованием ионных пар между положительно заряженными метиламмониевыми группами азо-соединений и фосфатными группами остова. Также рассматривалась система с малой концентрацией транс-азосоединений. Для этого в ячейку размером 10x10x10 нм помещались 10 молекул транс-азо-соединений и дуплекс ДНК случайной последовательности длиной 20 пар оснований (рисунок 8).

В стартовой конфигурации молекулы транс-азо-соединений размещались случайным образом на расстоянии 3-5 нм от поверхности двойной спирали. В результате первой симуляции 50 не и визуального анализа полученных траекторий были сформулированы следующие динамические закономерности: молекулы транс-азо-соединений склонны в первую очередь образовывать самоассоциаты — димеры, 'гримеры и т д, затем образованные ассоциаты образуют устойчивые комплексы с ДНК, кооперативно связываясь по фосфатным группам. Взаимодействие одиночных молекул с

Рисунок 8. Связывание транс-азо-соединений с ДНК по Фиатами ДНК также проис-малой бороздке с образованием ассоциатов ходит' но стабильные комплексы

не образуются. Кроме того, обнаружена тенденция к образовыванию ассоциатов с торцевыми участками дуплекса

* "«ЧЛ *

Г" ~

.................................. | " 0

Лис

V«. I

О,

ДНК за счет стэкинг-взаимодействия. Молекулы транс-азо-соединений укладываются стопкой параллельно плоскости крайней пары оснований, образуя прочный комплекс на всем протяжении моделирования. Скорее всего, такая тенденция свойственна только транс-изомерам, поскольку подобный механизм ассоциации мы наблюдаем и в случае мицеллообразования из гомогенного раствора транс-азо-соединений. В некоторых случаях при повторном проведении симуляции из такой же стартовой конфигурации, параллельно образованию самоассоциатов наблюдается «укладывание» одиночных молекул транс-азо-соединений в малую бороздку за 15 не, при этом положительно заряженные остатки ТМА «выдвинуты» из бороздки в растворитель (Рисунок 8). Далее в течение примерно последующих 35 не происходит связывание свободных самоассоциатов с одиночными молекулами азо-соединений находящимися в малой бороздке ДНК.

В третей части работы исследовалось взаимодействие кластеров серебра различной формы с фрагментами ДНК. Поскольку основной задачей этой части работы было выявление структурных характеристик кластеров, соответствующих наблюдаемым в

эксперименте люминесцентным свойствам комплексов кластеров с ДНК, на начальном этапе были рассмотрены оптические свойства свободных кластеров, способных к самостоятельному образованию в растворе. На рисунке 9 представлены рассчитанные наинизшие по энергии равновесные конфигурации плоских нейтральных и заряженных кластеров серебра. Общая закономерность, наблюдаемая в спектрах возбуждения люминесценции комплексов кластеров серебра, стабилизированных на полимерной матрице - наличие сильного низкоэнергетического перехода в видимом диапазоне, а также отсутствие каких либо иных сильных переходов вплоть до

Рисунок 9. Равновесные структуры заряженных и нейтральных кластеров серебра до 6 атомов.

УФ. Среди рассмотренных электронных спектров возбуждения для структур Ag0n и Ag+Ag0(n-|), где п=1-6,

2 атомов серебра в

Л.им

1200 800 600 400

только спектры структур из 1 и

различных состояниях окисления (рисунок 10) удовлетворяют критерию описанному выше. По этой причине была предложена другая группа «нитевидных» кластеров размером до 8 атомов серебра, имеющих протяженную форму. Эти кластеры имеют линейную форму, такую, что каждый атом соединен с одним или двумя соседями. Принципиальное отличие между плоскими и нитевидными кластерами заключается в их способности к самопроизвольному образованию в растворе. Образование протяжённой формы кластеров обязательно подразумевает наличие нескольких мест связывания на полимере в отличие от плоской формы. В такой модели положение мест связывания на полимерной цепочке определяет геометрические параметры и спектры 0 1 2„ 3 „ 4 5 6 поглощения нитевидных кластеров. Были

.-)нсргня,'Ш

Рисунок 11. Электронный спектр возбуж- построены различные цепочки размером до 8 дения для нитевидных кластеров серебра атомов серебра с дополнительным учетом

изменений угла загиба по цепи нитевидных

Рисунок 10. Электронные спектры возбуж дения Agi0, Ag2°, Ag2+I.

А.им

1200 800 600 400 300 250

5 2.«

£ 21

« 1.0 3 1.5 = 1.2

_L Ag„" ..lAg/; -Д. Agí . A 4 Ag„" 5 Ag," —Ag.i" A

d // К ts/Uíi m J \ jff .

размером до 8 атомов.

кластеров. Электронные спектры возбуждения для вытянутых нитевидных кластеров с различным зарядом представлены на рисунке 11. Изменение угла изгиба цепочки нитевидного кластера позволяет получить различные сильноинтенсивные низкоэнергетичные пики, которые охватывают практически весь видимый диапазон (173 эВ) в спектре электронного возбуждения (рисунок 12).

')нсргия.-)В

Рисунок 12. Электронный спектр возбуждения для нитевидных кластеров серебра Ag.i , Ag4 , Agr" с различными углами изгиба но цепочке.

* "-б f 0.5

т. 0.6 о.

Р 0.5

* 0.4

■ 0.3

0.6 % 0.5 I 0.4 | 0.3

5 0.2

3 0.1

■ J_ Cvi ■ 2 Cyl+Ag," • —L Cyl+Ag," /1 * \ /-а

стст 2~v V - m / /AI ; -A v-A ч

0 12 3 4 5 6

_!_ Ade - 2 Adc+Ag.' ~L Ade+A.a? • ' А А л«1 /

'CT V-2 CT 1 -r l

0 1 2 3 4 5 6

_!_ Gua - Gua+Agi 1 ■—Gua+Ag," ■u ■

CT CT M t\ i'-Vi

Согласно представлению многих исследователей, кластеры серебра связываются с основаниями ДНК. Были рассмотрены такие азотистые основания как аденин, гуанин и цитозин, составляющие большинство последовательностей одноцепочечных ДНК, на которых получали люминесцирующие структуры. В общем N3 атом пиримидинового ароматического кольца цитозина и атомы азотов пуриновых колец гуанина и аденина предполагаются наиболее вероятными местами связывания. Как показано ранее для аденина и гуанина не наблюдается принципиальных различий между атомами азота в ароматическом кольце с точки зрения связывания с металлами. В первом приближении было рассмотрено связывание плоских кластеров серебра с N3 атомом цитозина и N7 атомом аденина и гуанина. Выполненное исследование показало, что плоские структуры кластеров серебра в комплексе с азотистыми основаниями ДНК дают слабые низкоэнергитические полосы поглощения в спектре (рисунок 13), а, следовательно, должны обуславливать низкую испускающую способность. Их электронные спектры возбуждения не соответствуют имеющимся экспериментальным спектрам люминесци-рующих кластеров на ДНК. Для оценки стоксового сдвига люминесценции для комплексов кластеров серебра с азотистыми основаниями были выполнены расчеты оптимизации синглетных возбуждённых состояний, метод реализован для электронных систем с закрытыми оболочками. Согласно правилу Каша, флуоресценция должна наблюдаться с самого низкоэнергигического перехода в электронной структуре. Поэтому внимание было сориентировано на энергетическую щель соответствующую разнице энергий ВЗМО - НВМО. Для рассмотрения были взяты свободные кластеры серебра включающие структуры из 2, 4, 6 атомов, свободные заряженные кластеры включающие 3 и 5 атомов 5 атомов серебра с азотистыми

Энергия/)!)

Рисунок 13. Электронные спектры возбуЖ' дения для Аё2°, Ag2+I, связанных с азотистыми основаниями ДНК.

серебра, заряженные комплексы кластеров из 1, 3 и ________ „

основаниями с аденином, гуанином и цитозином. Все эти структуры имеют четное число электронов, что позволяет использовать аналитические ядерные градиенты при

оптимизации синглетного возбуждённого состояния. Были обнаружено, что только Agз+ кластер, связанный с азотистыми основаниями, способен к люминесценции. В остальных комплексах наблюдалось сужение энергетической щели практически до нуля, что может быть ассоциировано с возникновением конического пересечения (КП) основного состояния и возбуждённого на поверхности потенциальной энергии (Таблица 2)

Таблица 2. Релаксированные (РЩ) и нерелаксированные (НЩ) энергетические щели для синглетных возбуждённых состояний плоских кластеров серебра и их комплексов с азотистыми основаниями.

Ag°n Ag'AgVi) Ade-Ag*Ag°(„.i> Cyt-Ag'AgVi) Gua-Ag4Ag (п.,)

N НЩ, эВ РЩ, эВ НЩ, эВ РЩ, эВ НЩ, эВ РЩ, эВ НЩ, эВ РЩ, эВ НЩ, эВ РЩ. эВ

1 3,594 5,067 - 4,395 КП 4,176 КП 3,798 КП

2 3,066 2,947 2,958 - 2,726 - 2,725 - 2,654

3 0,647 - 4,023 1,897 3,727 2,364 3,729 3,391 3,737 3,352

4 1,123 КП 1,467 - 1,911 - 1,918 - 1,94 -

5 1,449 - 2,687 1,656 2,901 КП 2,666 КП 2,741 КП

6 2,241 КП 0,786 - 1,538 - 0,767 - 1,22 -

Неудовлетворительные результаты для комплексов плоских кластеров с азотистыми основаниями, привели к рассмотрению других мест связывания атомов серебра на ДНК. В качестве примера, было рассмотрено связывание нитевидного кластера Agз с кислородами фосфатных групп сахарно-фосфатного остова и карбонильных групп малой бороздки олигонуклеотида, состоящего из трех цитозинов. Надо отметить, что ранее уже показывали возможность формирования небольших люминесцируюших кластеров серебра размером 2-5 атомов на акриловых полимерах, содержащих карбонильные группы [4,5]. С другой стороны, также было показано, что многие стабилизированные на ДНК люминесцирующие кластеры формируются на карбонил-содержащих богатых цитозином олигонуклетидах. Эти факты послужили предпосылкой для рассмотрения атомов кислорода потенциальными мишенями для связывания с кластерами серебра. Однако при дальнейших расчётах спектров необходимо учесть, что электронные переходы, связанные с электронами неподелённых пар на кислородах при расчёте

г Л,нм

' , SviSV*' -plxuphrilf • •©С С" • * Г е - * * „, И • -Shafi C„ ©. .** , И ~ * Jv $ V® ;'< Ш MttVW RJW1V«

U MO

HOMO m

1200 В00 600

Рисунок 14. Структуры комплексов Agj" с сахарно-фосфатным остовом (левое изображение) и малой бороздкой (правое изображение) тринуклеотида ССС. Кружки отмечают кислороды стабилизирующие кластер серебра.

0 12 3 4 ЭпсргиялВ

Рисунок 15. Электронный спектр возбуждения для комплексов Ag3' с сахарно-фосфатным остовом (SPB) и малой бороздкой (Minor groove) тринуклеотида ССС. Использовано уширение полувысоты спектра 0,4 эВ.

спектров ab initio в вакууме могут проявлять сильный сольватохромный эффект, при этом могут наблюдаться артефактные полосы в конечном электронном спектре возбуждения. Поэтому для корректировки спектров была использована континуальная модель растворителя (вода) РСМ, добавляющая поляризующий эффект реального растворителя. В результате для обеих систем совершенно ясно видно, что ВЗМО - НВМО орбитали в основном локализованы на кластере серебра, а в электронных спектрах возбуждения наблюдаются низко-энергетические сильно интенсивные переходы (рисунок 14,15).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ:

1. Палладиевые комплексы cis-Pd, trans-Pd, Pden проявляют более значительную активность, чем платиновые цис-ДДП, транс-ДДП, Pten в двухстадийных процессах акватации. Отличие энергий активации для двух стадий акватации палладиевого комплекса составляет величину порядка 6-8 ккал/моль по сравнению с платиновыми.

2. Реакция по позиции N7 гуанина для цис-ДДП в моно- и би-акватированной форме дает значительный выигрыш по энергии и проходит самопроизвольно, чем соответствующие стадии акватации. Определяющим по скорости и эффективности процессом при взаимодействии с ДНК является процесс активации координационного комплекса.

3. Нитевидные кластеры серебра, содержащие небольшое количество атомов, стабилизированных на полимерной последовательности ДНК, могут обеспечить большое количество структур, люминесцирующих в видимом диапазоне. Небольшие изменения угла изгиба протяжённых цепочек атомов серебра приводит к сильному смещению максимума длинноволновой полосы поглощения. Изменения угла изгиба по цепи нитевидного кластера могут быть вызваны характерными изменениями в локальной структуре ДНК, которая зависит от последовательности нуклеотидов.

4. В результате МД-расчетов из исходно гомогенного раствора азо-соединений были получены мицеллярные структуры диаметром 3-5 нм, что хорошо согласуется с данными о характерных размерах мицелл в эксперименте ДРС. При этом образующиеся из цис-изомеров мицеллы имеют в среднем сферическую форму, тогда как транс-изомеры образуют мицеллы более неправильной цилиндрической формы.

5. Обнаружено, что самоассоциаты азо-соединений более эффективно связываются с ДНК по фосфатным группам, чем одиночные молекулы. Одним из возможных механизмов образования мицелл транс-азосоединий на ДНК можно рассматривать кооперативное связывание ассоциатов с одиночными молекулами, предварительно уложенными в малую бороздку двойной спирали. Такой механизм свойственен только транс-изомеру, поскольку цис-изомер будет испытывать стерические затруднения при такой укладке.

Основное содержание диссертации изложено в 7 публикациях.

Публикации в журналах из списка рецензируемых научных журналов рекомендованных ВАК:

1. Рамазанов P.P., Щёголев Б.Ф., Сурма C.B., Касьяненко H.A. Исследование комплексов цис- и транс-ДДП с молекулой ДНК методами молекулярной динамики и квантовой химии. Вестник Санкт-Петербургского Университета. Серия 4: Физика Химия 2010 — №2, —с. 32-40.

2. Коженков П. В., Рамазанов Р. Р., Шишилов О. Н., Ефименко И. А., Касьяненко H А Взаимодействие ДНК с K2[PdHGluCl2 ] in vitro. Вестник Санкт-Петербургского университета. Физика, Химия" серия 4, выпуск 4, декабрь 2011.

Публикации в рецензируемых иностранных научных журналах и в сборниках трудов конференций:

3. Ruslan R. Ramazanov; Alexei I. Kononov. Excitation Spectra Argue for Threadlike Shape of DNA-Stabilized Silver Fluorescent Clusters. Journal of Physical Chemistry C, 2013. — Vol. 117, -№ 36. - P. 18681-18687.

4. Ivan L. Volkov, Ruslan R. Ramazanov, Evgeniy V. Ubyvovk, Valerij 1. Rolich, Alexei I. Kononov and Nina A. Kasyanenko. Fluorescent Silver Nanoclusters in Condensed DNA. Chemphyschem : a European journal of chemical physics and physical chemistry, 2013, 14(15),3543-50.

5. Рамазанов P.P., Щёголев Б.Ф., Касьяненко H.A. Термодинамические оценки процессов акватации координационных соединений платины(И) и палладия(П). Материалы международной конференции "Биология - наука XXI века", Москва, 24 мая 2012, стр.759-761.

6. Nesterenko A.M., Ramazanov R.R. Molecular dynamic simulation of C4-azo-C9-TAB association in the presence and absence of DNA molecule. Computational and Theoretical Modeling of Biomolecular Interactions— Moscow-Izhevsk: Institute of Computer Science, — 2013, —P. 54-56.

7. Ramazanov R.R., Kononov A.I. Excitation spectra of thread-like silver clusters. Computational and Theoretical Modeling of Biomolecular Interactions — Moscow-Izhevsk: Institute of Computer Science, — 2013. —P. 57-59

Список использованных источников.

1. Rosenberg, В. Plat. Met. Rev. 1971, 15,42-51.

2. J. P. Wilcoxon and B. L. Abrams. Synthesis, structure and properties of metal nanoclusters. // Chemical Society reviews, vol. 35, no. 11, pp. 1162-94, Nov. 2006.

3. S. Husale, W. Grange, M. Karle, S. Burgi, and M. Hegner. Interaction of cationic surfactants with DNA: a single-molecule study. // Nucleic acids research, vol. 36, no. 5, pp. 1443-9, Mar. 2008.

4. I. Diez, R. H. A. Ras, M. I. Kanyuk, and A. P. Demchenko. On heterogeneity in fluorescent few-atom silver nanoclusters // Phys.Chem.Chem.Phys, pp. 979-985, 2013.

5. I. Diez, R. H. A. Ras, M. I. Kanyuk, and A. P. Demchenko. Fluorescent few-atom clusters of silver formed in organic solvents on polymeric supports // Phys.Chem.Chem.Phys vol. 1, no. 3, pp. 2-4, 2012.

Подписано к печати 11.11.13. Формат 60 х 84 % . Бумага офсетная. Гарнитура Тайме. Печать цифровая. Печ. л. 1,00.

Тираж 100 экз. Заказ 5915._

Отпечатано в Отделе оперативной полиграфии химического факультета СПбГУ 198504, Санкт-Петербург, Старый Петергоф, Университетский пр., 26 Тел.: (812) 428-4043,428-6919

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Рамазанов, Руслан Рафядинович, Санкт-Петербург

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"Санкт-Петербургский государственный университет"

На правах рукописи

04201454174

Рамазанов Руслан Рафядинович

МОДЕЛИРОВАНИЕ КОМПЛЕКСОВ ДНК С БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫМИ СОЕДИНЕНИЯМИ

01.04.07 - физика конденсированного состояния Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: д.ф.-м.н., профессор Трусов Анатолий Анатольевич

Санкт-Петербург 2013

Оглавление

Введение.................................................................................................................................3

Глава I. Исследование взаимодействия ДНК с заряженными молекулами в рамках методов компьютерного моделирования

1.1. Структура ДНК и ее полноатомная модель.........................................................11

1.2. Методы компьютерного моделирования для исследования физико-химических свойств ДНК................................................................................................14

1.3. Координационные соединения Р1 и Рё. Исследование их взаимодействия с ДНК методами квантовой химии...................................................................................19

1.4. Рассмотрение ПАВ в растворе ДНК в рамках методов молекулярного моделирования..................................................................................................................24

1.5. Нанокластеры серебра - новые функциональные объекты в нанотехнологии, исследуемые в рамках методов вычислительной химии.............................................26

Глава И. Теоретические методы

2.1. Расчеты с использованием методов квантовой химии.......................................29

2.2. Расчеты с использованием метода молекулярной динамики............................37

Глава III. Моделирование комплексов ДНК с биологически активными соединениями

3.1. Взаимодействие ДНК с координационными соединениями Р1:(П) и Рс1(П)......41

3.2. Взаимодействие ДНК с фотоизомерами азобензольных катионных ПАВ......54

3.3. Взаимодействие ДНК с нанокластерами серебра...............................................63

Заключение...........................................................................................................................84

Список литературы..............................................................................................................86

Приложение..........................................................................................................................95

Введение Актуальность темы исследования

Роль молекулярного моделирования в рамках теоретических методов исследования значительно возросла за последнее десятилетие благодаря интенсивному росту вычислительных возможностей и развитию быстрых и надёжных алгоритмов. Особый интерес вызывает возможность исследования методами молекулярного моделирования особенностей протекания различных физико-химических процессов недоступных исследованию прямыми экспериментальными методами. В частности, это касается рассмотрения на атомном уровне быстрых процессов в многостадийных химических превращениях, процессов проходящих на границе раздела фаз мезоскопических систем, а также маложивущих переходных состояний, определяющих кинетику химических реакций в сложных многокомпонентных системах.

На сегодняшний день интерес к исследованию специфических особенностей строения и свойств молекулы ДНК выходит далеко за рамки только фундаментальных научных вопросов, связанных с функционированием важнейшей биологической макромолекулы в клетке. Уже более 40 лет важным аспектом изучения структуры и свойств ДНК выступают исследования, связанные с выяснением молекулярных механизмов действия противоопухолевых препаратов, разрабатываемых на основе координационных комплексов переходных металлов платиновой группы, биологическая активность которых существенно определяется эффективностью связывания с ДНК-мишенью в клетке [1]. С другой стороны, хорошо изученные природные свойства биополимера, такие как чрезвычайно высокая плотность поверхностного заряда, регулярность пространственной организации, устойчивые конформационные характеристики в различных средах, а также в значительной степени разработанные и относительно доступные синтетические методы получения заданных полимерных структур делают ДНК крайне

привлекательным и удобным объектом в других наукоёмких областях. Вместе с тем обширная экспериментальная база, включающая разносторонние исследования взаимодействия ДНК с различными заряженными агентами создает предпосылки развития совершенно новых технологических направлений. Так активно развивается направление структурной молекулярной технологии, задачей которой является использование ДНК для создания новых функциональных объектов в нанометровом масштабе. Например, в области наномедицины наблюдается возрастающий интерес к созданию сайт-специфичных и конформационно-специфичных маркеров ДНК для использования в сверхлокальной наноизбирательной диагностике генных заболеваний. Было показано [2], что нанокластеры серебра, сформированные на коротких участках ДНК, обладают, аналогично квантовым точкам на основе полупроводников, люминесценцией с большим квантовым выходом. Их люминесцентные характеристики оказались очень чувствительны к конформационным особенностям строения и последовательностям оснований ДНК, что может быть использовано для создания сайт-специфичных люминесцентных маркеров. Стремительно развивается направление невирусной генной терапии [3], основной задачей которой ставится разработка методов доставки в клетку компактной рекомбинантной ДНК, несущей необходимую генетическую информацию и имеющую в результате достаточные размеры для эффективного проникновения через мембрану клетки. В связи с этим практически перспективным выглядит использование катионных поверхностно активных веществ в роли компактизирующих агентов ДНК.

В данной работе применялись современные методы молекулярного моделирования для выявления механизмов формирования комплексов ДНК с различными заряженными агентами. Полученные в работе результаты закладывают теоретическую основу для разработки прикладных решений в

рамках поставленных различных биологических, медицинских и технологических задач.

Целью диссертационной работы является изучение физико-химических и структурных особенностей ДНК при формировании комплексов с координационными соединениями платины(Н) и палладия(П), комплексов со светочувствительными ПАВ (С4-аго-С9-ТМАВ), а также комплексов с нанокластерами серебра с использованием методов молекулярного моделирования и квантовой химии.

В работе были поставлены следующие задачи:

1. Анализ профиля поверхности потенциальной энергии (ППЭ) по координате реакции, соответствующей последовательным процессам акватации и взаимодействия координационных комплексов платины и палладия с ДНК по позиции N7 гуанина.

2. Моделирование процессов мицеллообразования из цис- и транс-изомеров С4-аго-С9-ТМА+ в гомогенном водно-солевом растворе и в присутствии молекулы ДНК.

3. Получение оптических характеристик для комплексов с различной формой и размером кластеров серебра с молекулой ДНК. Выявление структурных характеристик кластеров, соответствующих наблюдаемым в эксперименте люминесцентным свойствам комплексов кластеров с ДНК.

На защиту выносятся следующие новые и содержащие элементы новизны основные положения:

1. Палладиевые комплексы проявляют более значительную активность, чем платиновые в двухстадийных процессах акватации.

2. Определяющим по скорости и эффективности процессом при взаимодействии координационных комплексов платины(П) и палладия(П) с ДНК является процесс активации координационного комплекса, состоящий из последовательных стадий акватации.

3. Электронные спектры возбуждения нитевидных кластеров серебра размером от 3 до 6 атомов, в отличие от других форм кластеров, соответствуют экспериментальным спектрам возбуждения люминесценции кластеров серебра, стабилизированных на ДНК.

4. Небольшие изменения угла изгиба нитевидных кластеров, вызванные изменениями локальной структуры ДНК, приводят к сильному смещению максимума длинноволновой полосы поглощения, охватывающему весь видимый диапазон спектра.

5. Цис- и транс-изомеры катионных ПАВ С4-аго-С9-ТМА+ в гомогенном водно-солевом растворе образуют мицеллы размером порядка 3-5 нм.

6. Самоассоциаты катионных ПАВ С4-а20-С9-ТМА+ более эффективно связываются с ДНК по фосфатным группам, чем одиночные молекулы. Одним из возможных механизмов образования мицелл транс-азосоединий на ДНК можно рассматривать кооперативное связывание ассоциатов с одиночными молекулами, предварительно уложенными в малую бороздку двойной спирали.

Научная новизна

Впервые проведены сравнительные оценки энергий активации и изменения свободных энергий с учетом влияния растворителя и энтропии сольватации для процессов активации и последующего взаимодействия ряда

координационных комплексов платины (II) и палладия(П) с ДНК по позиции N7 гуанина. В работе впервые проводится молекулярное моделирование взаимодействия катионных ПАВ (С4АгоС6ТМА+) с ДНК. При этом используются новые параметры силового поля для ПАВ, разработанные автором с использованием современного силового поля рагтЬзсО для ДНК и квантово-химических расчетов. Предложена оригинальная модель стабилизации нитевидных кластеров серебра с помощью кислородов карбонильных групп малой бороздки ДНК и фосфатов. Данная модель позволяет получить оптические характеристики комплексов кластеров серебра с ДНК, хорошо согласующиеся с экспериментальными спектрами возбуждения люминесценции.

Практическая значимость работы

Стратегия разработки новых противоопухолевых препаратов на основе переходных металлов платиновой группы требует детального рассмотрения особенностей протекания химических процессов при взаимодействии с ДНК для уже апробированных препаратов этого класса. Квантово-химическое моделирование позволяет проводить сравнительный анализ на молекулярном уровне механизма взаимодействия с ДНК апробированных и ряда новых соединений платины и палладия. Полученные результаты могут способствовать рациональному поиску структур, обладающих большей эффективностью. Использование дескрипторов химической активности, таких как энергия активации и изменение свободной энергии по ходу реакций, позволяет проводить прогнозирование физико-химической, а, следовательно, и биологической активности новых синтезируемых аналогов до проведения непосредственного синтеза и дорогостоящих экспериментов.

Эффективность связывания и упаковки ДНК может быть значительно улучшена за счёт структурной модификации ПАВ. В связи с этим понимание на молекулярном уровне ключевых этапов взаимодействия между ДНК и азобензол-содержащих ПАВ имеет существенное значение для развития невирусной генной терапии.

Методы исследования

Для решения поставленных задач использовались методы квантовой химии и молекулярной динамики.

Публикации

Апробация работы: основные результаты работы были доложены на международных конференциях «Modern problems of polymer science», Санкт-Петербург 2008, 2009; XXIV Международной Чугаевской конференции по координационной химии, Санкт-Петербург, 2009, «First International Conference Quantitative Imaging and Spectroscopy in Neuroscience (QISIN)», Pavlov Institute of Physiology, St. Petersburg 2012; Международной конференции "Биология -

наука XXI века", Москва, 2012; «Computational and Theoretical Modeling of Вiomolecular Interactions» Moscow, 2012.

Публикации в рецензируемых научных журналах:

1. Рамазанов P.P., Щёголев Б.Ф., Сурма С.В., Касьяненко Н.А. Исследование комплексов цис- и транс-ДДП с молекулой ДНК методами молекулярной динамики и квантовой химии. Вестник Санкт-Петербургского Университета. Серия 4: Физика, Химия, 2010. — № 2. — с. 32-40.

2. Коженков П. В., Рамазанов Р. Р., Шишилов О. Н., Ефименко И. А., Касьяненко Н.А. Взаимодействие ДНК с ^[PdHGluCb ] in vitro. Вестник Санкт-Петербургского университета. Физика, Химия" серия 4, выпуск 4, декабрь 2011.

4. Ivan L. Volkov, Ruslan R. Ramazanov, Evgeniy V. Ubyvovk, Valerij I. Rolich, Alexei I. Kononov*, and Nina A. Kasyanenko. Fluorescent Silver Nanoclusters in Condensed DNA. Chemphyschem : a European journal of chemical physics and physical chemistry, 2013

Статьи в трудах конференций:

1. Рамазанов P.P., Щёголев Б.Ф., Касьяненко Н.А. Термодинамические оценки процессов акватации координационных соединений платины(П) и палладия(П). Материалы международной конференции "Биология -наука XXI века", Москва, 24 мая 2012, стр.759-761.

2. Nesterenko A.M., Ramazanov R.R. Molecular dynamic simulation of C4-azo-C9-TAB association in the presence and absence of DNA molecule. Computational and Theoretical Modeling of Biomolecular Interactions— Moscow-Izhevsk: Institute of Computer Science, — 2013. — P. 54-56.

3. Ramazanov R.R., Kononov A.I. Excitation spectra of thread-like silver clusters. Computational and Theoretical Modeling of Biomolecular Interactions — Moscow-Izhevsk: Institute of Computer Science, — 2013. — P. 57-59

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и содержит 100 страниц, 30 рисунков и 5 таблиц, список использованных источников включает 87 наименований.

1.1. Структура ДНК и ее полноатомная модель.

Первичная структура ДНК представляет собой последовательность чередующихся нуклеотидов, в состав которых входят фосфатная группа, остаток дезоксирибозы, одно из четырёх азотистых оснований: пуриновые -аденин (А) и гуанин (в), пиримидиновые - цитозин (С) и тимин (Т) (Рисунок 1).

МН,

пуриновые основания

]ЧН>

СИ,

кн

N1^2

Цитозин

НИ "О Тимин

пиримидиновые основания

Рисунок 1. Гетероциклические основания, входящие в состав ДНК.

Нативная ДНК эукариот представляет собой правозакрученную двойную спираль, состоящую из двух цепей, связанных друг с другом водородными связями между комплементарными основаниями: две связи между аденином и тимином, три - между гуанином и цитозином [4]. Последовательность первичной структуры образуется соединением нуклеотидов 3', 5'-фосфодиэфирной связью. Модель вторичной структуры молекулы ДНК была предложена Уотсоном и Криком в 1953 году. Для всех двуспиральных ДНК отношение количества аденина к тимину, как и гуанина к цитозину, всегда равно единице [5] (правило Чаргаффа). На каждый виток спирали приходится 10 пар оснований. Цепи направлены антипараллельно друг другу. Диаметр спирали 20 А, расстояние между плоскостями оснований 3,4 А. Основания

расположены внутри спирали (Рисунок 2). Расстояние между гликозидными связями в комплементарных АТ и ОС парах практически одинаково (10,85 А).

Большая бороздка Малая бороздка

Малая бороздка Большая бороздка

виток спирали =10 пар нуклеотидов

Рисунок 2. Вторичная структура молекулы ДНК, предложенная Уотсоном и Криком (В-форма ДНК).

Таким образом, комплементарность обеспечивает одинаковые поперечные размеры спирали на всем её протяжении. На поверхности спирали существуют две бороздки - большая (шириной около 20 А) и малая (шириной около 10 А).

Двойная спираль ДНК стабилизируется также стэкинг-взаимодействием: основания образуют стопки под действием сил, возникающих между их постоянными и индуцированными диполями. В роли постоянных диполей, влияющих на состояние электронных оболочек соседних оснований, выступают группы С = О и С - КН2. Кроме того, в водных растворах существенный вклад в стабилизацию вторичной структуры ДНК вносят гидрофобные

взаимодействия [6]. Гидрофобные основания оказываются упакованными внутри двойной спирали, а гидрофильные фосфатные группы локализуются на поверхности молекулы и контактируют с растворителем. В зависимости от ОС-состава ДНК, концентрации и природы низкомолекулярного электролита в растворе и других факторов могут быть реализованы различные конформации ДНК. В литературе рассматривается большое многообразие форм двойных спиралей нуклеиновых кислот, предложенных на о�