VII Съезд биофизиков России
Краснодар, Россия
17-23 апреля 2023 г. |
Программа СъездаСекции и тезисы:
Молекулярная биофизика. Структура и динамика биополимеров и биомакромолекулярных системМатематическое моделирование возникновения открытых состояний в молекуле ДНК в зависимости от концентрации дейтерия в окружающей жидкой средеА.А. Дорохова1,2*, М.И. Дроботенко2, А.А. Свидлов1,2, С.С. Джимак2,1, О.М. Лясота1 1.Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр Южный научный центр Российской академии наук" ; 2.Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный университет"; * 013194(at)mail.ru Известно, что концентрация дейтерия играет существенную роль в обменных процессах, протекающих в биосистемах разного уровня организации, при этом изменение изотопного градиента D/H в организме используют для повышения его адаптивных возможностей. Атомы дейтерия, например, включаясь в структуру водородных связей двойных спиралей молекул ДНК вследствие быстрого протий-дейтериевого изотопного обмена, способны влиять на время “хранение–считывание” генетической информации (tH/tD = 0,43), в том числе путём модификации состояния генетического материала (“открытие” и “закрытие” отдельных пар азотистых оснований в молекуле ДНК). Возможно, замена атома протия на дейтерий увеличивает энергию, необходимую для разрыва связи и “раскрытия” пар азотистых оснований. Теоретическое исследование этих процессов целесообразно проводить с помощью методов математического моделирования, когда одним из ключевых условий адекватности математической модели ДНК является учет “открытых” состояний (ОС) [1-3].
В настоящей работе построена математическая модель возникновения ОС в молекуле ДНК в зависимости от концентрации дейтерия в окружающей жидкой среде при разных значениях энергии разрыва водородной связи. Для моделирования процессов расплетения двойной спирали ДНК и образования ОС нами применена математическая модель, описывающая вращательное движение азотистых оснований вокруг сахаро-фосфатного остова молекулы ДНК. Для её построения использовали аналогию между молекулой ДНК и механической системой, состоящей из двух цепочек взаимосвязанных маятников. При этом вращающимся маятникам соответствуют азотистые основания, а упругой нити, к которой прикреплены эти маятники, – сахаро-фосфатные цепочки молекулы ДНК. Водородной связи пары комплементарных азотистых оснований соответствует упругая связь соответствующих маятников [4]. Эта математическая модель основана на уравнениях Ньютона и представляет собой задачу Коши для системы 2n обыкновенных дифференциальных уравнений [5]. Установлено, что вероятность возникновения открытых состояний между азотистыми основаниями в двухцепочечной ДНК зависит от концентрации дейтерия в жидкой среде, окружающей молекулу, и от величины энергии разрыва водородных связей (Eкр). При энергии разрыва водородных связей равной 0,335 ⋅ 10−22 Дж наблюдается практически линейное уменьшение вероятности появления открытых состояний между азотистыми основаниями в двухцепочечной ДНК (для первых 10 пар оснований гена, кодирующего интерферон alpha 17) в диапазоне концентраций дейтерия от 156 до 40 ppm в жидкой среде, окружающей молекулу. При этом вероятность разрыва водородных связей между азотистыми основаниями в случае внедрения даже одного атома дейтерия в молекулу ДНК превышает вероятность аналогичного разрыва в той же молекуле, содержащей только атомы протия (P′/ P0 > 1), что свидетельствует об уменьшении стабильности молекулярной структуры ДНК. Если же энергия разрыва водородных связей равна 0,345 ⋅ 10−22 Дж, то в диапазоне концентраций дейтерия от 156 до 40 ppm в жидкой среде, окружающей молекулу ДНК, наблюдается практически линейное возрастание вероятности возникновения открытых состояний между её азотистыми основаниями. Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук проект МК-2366.2022.1.4 и государственного задания ЮНЦ РАН № 122020100351-9. 1. Basov A., Drobotenko M., Svidlov A., Gerasimenko E., Malyshko V., Elkina A., Baryshev M., Dzhimak S. Inequality in the Frequency of the Open States Occurrence Depends on Single 2H/1H Replacement in DNA // Molecules. 2020 18;25(16):3753. doi: 10.3390/molecules25163753. 2. Svidlov A., Drobotenko M., Basov A., Gerasimenko E., Elkina A., Baryshev M., Nechipurenko Y., Dzhimak S. Influence of Environmental Parameters on the Stability of the DNA Molecule // Entropy. 2021. Vol. 23(11). P. 1446. https://doi.org/10.3390/e23111446 3. Dzhimak S., Svidlov A., Elkina A., Gerasimenko E., Baryshev M., Drobotenko M. Genesis of Open States Zones in a DNA Molecule Depends on the Localization and Value of the Torque // International Journal of Molecular Sciences. 2022; 23(8):4428. https://doi.org/10.3390/ijms23084428 4. Yakushevich L.V. Nonlinear Physics of DNA; JohnWiley & Sons: Hoboken, NJ, USA, 2007; 252p. 5. Dzhimak S.S., Drobotenko M.I., Basov A.A., Svidlov A.A., Fedulova L.V., Lyasota O.M., Baryshev M.G. Mathematical Modeling of Open States in DNA Molecule Depending on the Deuterium Concentration in the Surrounding Liquid Media at Different Values of Hydrogen Bond Disruption Energy // Dokl Biochem Biophys. 2018; 483(1): 359-362. doi: 10.1134/S1607672918060169. Mathematical modeling of the occurrence of open states in the DNA molecule depending on the concentration of deuterium in the surrounding liquid mediumA. Dorohova1,2*, M.I. Drobotenko2, A.A. Svidlov1,2, S.S. Dzhimak2,1, O.M. Lyasota1 1.Federal Research Center the Southern Scientific Center of the Russian Academy of Sciences; 2.Kuban State University; * 013194(at)mail.ru It is known that the concentration of deuterium plays a significant role in the metabolic processes occurring in biosystems of different levels of organization, while the change in the D/H isotope gradient in the body is used to increase its adaptive capabilities. Deuterium atoms, for example, being included in the structure of hydrogen bonds of double helixes of DNA molecules due to rapid protium-deuterium isotope exchange, can influence the “storage-reading” time of genetic information (tH/tD = 0.43), including by modifying the state of the genetic material (“opening” and “closing” of individual pairs of nitrogenous bases in the DNA molecule). It is possible that replacing a protium atom with deuterium increases the energy required to break the bond and “open” the pairs of nitrogenous bases. The theoretical study of these processes should be carried out using mathematical modeling methods, when one of the key conditions for the adequacy of the mathematical model of DNA is to take into account “open” states (OS) [1–3].
In the present work, a mathematical model is constructed for the occurrence of OS in a DNA molecule depending on the deuterium concentration in the surrounding liquid medium at different values of the hydrogen bond breaking energy. To simulate the processes of unwinding the DNA double helix and OS formation, we used a mathematical model that describes the rotational movement of nitrogenous bases around the sugar-phosphate backbone of the DNA molecule. To build it, we used an analogy between a DNA molecule and a mechanical system consisting of two chains of interconnected pendulums. At the same time, nitrogenous bases correspond to the rotating pendulums, and sugar-phosphate chains of the DNA molecule correspond to the elastic thread to which these pendulums are attached. The hydrogen bond of a pair of complementary nitrogenous bases corresponds to the elastic bond of the corresponding pendulums [4]. This mathematical model is based on Newton's equations and represents the Cauchy problem for a system of 2n ordinary differential equations [5]. It has been established that the probability of occurrence of open states between nitrogenous bases in double-stranded DNA depends on the concentration of deuterium in the liquid medium surrounding the molecule and on the value of the hydrogen bond breaking energy (Ecr). At a hydrogen bond breaking energy of 0.335 ⋅ 10−22 J, there is an almost linear decrease in the probability of the appearance of open states between nitrogenous bases in double-stranded DNA (for the first 10 base pairs of the gene encoding interferon alpha 17) in the range of deuterium concentrations from 156 to 40 ppm in liquid environment surrounding the molecule. In this case, the probability of breaking hydrogen bonds between nitrogenous bases in the case of the introduction of even one deuterium atom into a DNA molecule exceeds the probability of a similar break in the same molecule containing only protium atoms (P′/P0 > 1), which indicates a decrease in the stability of the DNA molecular structure. If the hydrogen bond breaking energy is equal to 0.345 ⋅ 10−22 J, then in the range of deuterium concentrations from 156 to 40 ppm in the liquid medium surrounding the DNA molecule, there is an almost linear increase in the probability of the occurrence of open states between its nitrogenous bases. This work was supported by the grant of the President of the Russian Federation for the state support of young Russian scientists - candidates of sciences project MK-2366.2022.1.4 and the state assignment of the SSC RAS No. 122020100351-9. 1. Basov A., Drobotenko M., Svidlov A., Gerasimenko E., Malyshko V., Elkina A., Baryshev M., Dzhimak S. Inequality in the Frequency of the Open States Occurrence Depends on Single 2H/1H Replacement in DNA // Molecules. 2020 18;25(16):3753. doi: 10.3390/molecules25163753. 2. Svidlov A., Drobotenko M., Basov A., Gerasimenko E., Elkina A., Baryshev M., Nechipurenko Y., Dzhimak S. Influence of Environmental Parameters on the Stability of the DNA Molecule // Entropy. 2021. Vol. 23(11). P. 1446. https://doi.org/10.3390/e23111446 3. Dzhimak S., Svidlov A., Elkina A., Gerasimenko E., Baryshev M., Drobotenko M. Genesis of Open States Zones in a DNA Molecule Depends on the Localization and Value of the Torque // International Journal of Molecular Sciences. 2022; 23(8):4428. https://doi.org/10.3390/ijms23084428 4. Yakushevich L.V. Nonlinear Physics of DNA; JohnWiley & Sons: Hoboken, NJ, USA, 2007; 252p. 5. Dzhimak S.S., Drobotenko M.I., Basov A.A., Svidlov A.A., Fedulova L.V., Lyasota O.M., Baryshev M.G. Mathematical Modeling of Open States in DNA Molecule Depending on the Deuterium Concentration in the Surrounding Liquid Media at Different Values of Hydrogen Bond Disruption Energy // Dokl Biochem Biophys. 2018; 483(1): 359-362. doi: 10.1134/S1607672918060169. Докладчик: Дорохова А.А. 258 2023-02-08
|