Исследование вероятности возникновения пузырьков денатурации при 2H/1H обмене в молекуле ДНК

Авторы

  • Елкина А.А. Кубанский государственный университет, Краснодар, Russian Federation
  • Малышко .В. Юэный научный центр РАН, Ростов-на-Дону, Russian Federation
  • Герасименко Е.О. Kuban State Technological University, Krasnodar, Russian Federation
  • Литвинов Д.А. МБОУ лицей № 4 города Краснодара, Краснодар, Russian Federation
  • Голдобин И.Н. МБОУ лицей № 4 города Краснодара, Краснодар, Russian Federation
  • Джимак С.С. Kuban State University, Krasnodar, Russian Federation

УДК

51-76; 53.01

DOI:

https://doi.org/10.31429/vestnik-18-3-46-55

Аннотация

В работе методами математического моделирования исследована роль единичных замен протия на дейтерий в образовании пузырьков. Показано, что вероятность образования пузырей определенной длины (от 8 до 27 нуклеотидов) зависит от локализации атома дейтерия в молекуле ДНК и может существенно отличаться от вероятности возникновения открытых состояний в целом. Показано, что изменение вероятности возникновения пузырей ДНК различной длины составляет: уменьшение до 83 % и увеличение до 71 % при замене изотопов водорода в 284-й и 376-й парах азотистых оснований соответственно.

Ключевые слова:

дейтерий, математическое моделирование открытых состояний ДНК, ДНК, пузырьки дентурации, водородная связь

Финансирование

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и администрации Краснодарского края в рамках научного проекта № 20-41-235002 и государственного задания ЮНЦ РАН (№ АААА-А19-119040390083-6).

Информация об авторах

Анна Анатольевна Елкина

младший научный сотрудник НИЧ Кубанского государственного университета, старший научный сотрудник лаборатории проблем распределения стабильных изотопов в живых системах Южного научного центра РАН

e-mail: 013194@mail.ru

Вадим Владимирович Малышко

канд. мед. наук, доцент кафедры общей хирургии Кубанского государственного медицинского университета, научный сотрудник лаборатории проблем распределения стабильных изотопов в живых системах Южного научного центра РАН

e-mail: intro-2@rambler.ru

Евгений Олегович Герасименко

профессор, д-р техн. наук, профессор кафедры технологии жиров, косметики, товароведения, процессов и аппаратов Кубанского государственного технологического университета

e-mail: rosmaplus@gmail.com

Данил Андреевич Литвинов

учащийся МБОУ лицей № 4 города Краснодара

e-mail: litvi2003@gmail.com

Иван Наумович Голдобин

учащийся МБОУ лицей № 4 города Краснодара

e-mail: wody04@mail.ru

Степан Сергеевич Джимак

канд. биол. наук, ведущий научный сотрудник лаборатории проблем распределения стабильных изотопов в живых системах Южного научного центра РАН, доцент кафедры радиофизики и нанотехнологий Кубанского государственного университета

e-mail: jimack@mail.ru

Библиографические ссылки

  1. Grinevich A.A., Yakushevich L.V. The influence of the DNA torque on the dynamics of transcription bubbles in plasmid PTTQ18 // Journal of Theoretical Biology. 2018. Vol. 453. P. 68–77. DOI: 10.1016/j.jtbi.2018.04.036
  2. von Hippel P.H., Johnson N.P., Marcus A.H. Fifty years of DNA "breathing": reections on old and new approaches // Biopolymers. 2013. Vol. 99. Iss. 12. P. 923–954. DOI: 10.1002/bip.22347
  3. Krueger A., Protozanova E., Frank-Kamenetskii M.D. Sequence-dependent basepair opening in DNA double helix // Biophysical Journal. 2006. Vol. 90. Iss. 9. P. 3091–3099. DOI: 10.1529/biophysj.105.078774
  4. Grinevich A.A., Yakushevich L.V. On the modeling of the motion of a transcription bubble under constant torque // Biophysics. 2016. Vol. 61. Iss. 4. P. 539–546. DOI: 10.1134/S0006350916040126
  5. Poptsova M.S., Il'Icheva I.A., Nechipurenko D.Y., Panchenko L.A., Khodikov M.V., Oparina N.Y., Polozov R.V., Nechipurenko Y.D., Grokhovsky S.L. Non-random DNA fragmentation in next-generation sequencing // Scientific Reports. 2014. Vol. 4. P. 4532.
  6. Shigaev A.S., Ponomarev O.A., Lakhno V.D. Theoretical and experimental investigations of DNA open states // Mathematical Biology and Bioinformatics. 2013. Vol. 8. Iss. 2. P. 553–664. DOI: 10.17537/2018.13.t162
  7. Manghi M., Destainville N. Physics of base-pairing dynamics in DNA // Physics Reports. 2016. Vol. 631. P. 1–41. DOI: 10.1016/j.physrep.2016.04.001
  8. 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. Vol. 25. Iss. 16. P. 3753. DOI: 10.3390/molecules25163753
  9. Джимак С.С., Свидлов А.А., Басов А.А., Барышев М.Г., Дроботенко М.И. Влияние единичных замен протия на дейтерий в молекуле ДНК на возникновение открытых состояний // Биофизика. 2018. Т. 63. № 4. С. 643–647. DOI: 10.1134/S0006302918040026
  10. 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 State in DNA Molecule Depending on the Deuterium Concentration in the Surrounding Liquid Media at Different Values of Hydrogen Bond Disruption Energy // Doklady Biochemistry and Biophysics. 2018. Vol. 483. P. 359–362. DOI: 10.1134/S1607672918060169.
  11. Halenova T., Zlatskiy I., Syroeshkin A., Maximova T., Pleteneva T. Deuterium-depleted water as adjuvant therapeutic agent for treatment of diet-induced obesity in rats // Molecules. 2020. Vol. 25. № 1. P. 23. DOI: 10.3390/molecules25010023
  12. Козин С.В., Кравцов А.А., Елкина А.А., Злищева Э.И., Барышева Е.В., Шурыгина Л.В., Моисеев А.В., Барышев М.Г. Изотопное замещение дейтерия на протий в тканях головного мозга крыс изменяет его резистентность к гипоксии // Биофизика. 2019. Т. 64. № 2. C. 362–370. DOI: 10.1134/S0006302919020169
  13. Basov A., Fedulova L., Vasilevskaya E., Dzhimak S. Possible mechanisms of biological effects observed in living systems during 2H/1H isotope fractionation and deuterium interactions with other biogenic isotopes // Molecules. 2019. Vol. 24. Iss. 22. P. 4101. DOI:10.3390/molecules24224101
  14. Яглова Н.В., Обернихин С.С., Тимохина Е.П., Яглов В.В. Реакция гипофизарно-тиреоидной оси на кратковременное изменение содержания дейтерия в организме // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2021. Т. 171. № 2. С. 232–234. DOI: 10.47056/0365-9615-2021-171-2-232-234
  15. Лобышев В.И., Калиниченко Л.П. Изотопные эффекты D2О в биологических системах. М.: Наука, 1978.
  16. Kosenkov A.V., Gulyaev M.V., Lobyshev V.I., Yusubalieva G.M., Baklaushev V.P. The reversible effect of deuteration on tissue fluid and biopolymers in normal and tumor tissues of mice // Biophysics. 2018. Vol. 63. № 5. P. 820–824. DOI: 10.1134/S0006350918050111
  17. Лобышева Н.В., Нестеров С.В., Скоробогатова Ю.А., Лобышев В.И. Функциональная активность митохондрий в водной среде с уменьшенным содержанием дейтерия // Биофизика. 2020. Т. 65. № 2. С. 315–319. DOI: 10.31857/S0006302920020131
  18. Zlatskiy I., Pleteneva T., Skripnikov A., Grebennikova T., Maksimova T., Antipova N., Levitskaya O., Makarova M., Selivanenko I., Syroeshkin A. Dependence of Biocatalysis on D/H Ratio: Possible Fundamental Differences for High-Level Biological Taxons // Molecules. 2020. Vol. 25. P. 4173. DOI: 10.3390/molecules25184173
  19. Козин С.В., Кравцов А.А., Туроверов К.К., Фонин А.В., Чихиржина Е.В., Малышко В.В., Моисеев А.В., Чуркина А.В. Изменение функциональной активности пероксидазы хрена и бычьего сывороточного альбумина в средах с различным изотопным 2H/1H составом // Биофизика. 2020. Т. 65. № 2. С. 229–236. DOI: 10.31857/S0006302920020039
  20. Zhang X., Gaetani M., Chernobrovkin A., Zubarev R.A. Anticancer effect of deuterium depleted water - Redox disbalance leads to oxidative stress // Molecular and Cellular Proteomics. 2019. Vol. 18. № 12. P. 2373–2387. DOI: 10.1074/mcp.RA119.001455
  21. Yaglova N.V., Obernikhin S.S., Yaglov V.V., Nazimova S.V. Time-dependent effect of deuterium depletion on tumor growth and metastasis // Russian Open Medical Journal. 2020. Vol. 9. Iss. 2. P. e0210.
  22. Basov A.A., Kozin S.V., Bikov I.M., Popov K.A., Moiseev A.V., Elkina A.A., Dzhimak S.S. Changes in prooxidant-antioxidant system indices in the blood and brain of rats with modelled acute hypoxia which consumed a deuterium-depleted drinking diet // Biology Bulletin. 2019. Vol. 46. Iss. 6. P. 531–535. DOI: 10.1134/S1062359019060049
  23. Яглова Н.В., Обернихин С.С., Тимохина Е.П., Диатроптова М.А., Диатроптов М.Е., Яглов В.В. Влияние уменьшения поступления дейтерия в организм на процессы терморегуляции // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2021. Т. 171. № 5. С. 538–542.
  24. Englander S.W., Kallenbach N.R., Heeger A.J., Krumhansl J.A., Litwin A. Nature of the open state in long polynucleotide double helices: possibility of soliton excitations // PNAS. 1980. Vol. 77. Iss. 12. P. 7222–7226. DOI: 10.1073/pnas.77.12.7222
  25. Muto V., Scott A.C., Christiansen P.L. Microwave and thermal generation of solitons in DNA // Journal de Physique Colloques. 1989. Vol. 50. P. 217–222.
  26. Christiansen P.L., Lomdahl P.C., Muto V. On a Toda lattice model with a transversal degree of freedom // Nonlinearity. 1990. Vol. 4. P. 477–501.
  27. Ichikawa Y.H., Konno K., Wadati M. Non-linear transverse oscillation of elastic beam under tension // Journal of the Physical Society. 1981. Vol. 50. P. 1799–1802.
  28. Scott A.C. A nonlinear Klein-Gordon equation // American Journal of Physics. 1969. Vol. 37. P. 52–61.
  29. Gaeta G. Solitons in the Yakushevich model of DNA beyond the contact approximation // Physical Review E. 2006. Vol. 74. P. 021921. DOI: 10.1103/PhysRevE.74.021921
  30. Yakushevich L.V., Krasnobaeva L.A. Forced Oscillations of DNA Bases // Biophysics. 2016. Vol. 61. Iss. 2. P. 241–250.
  31. Джимак С.С., Дроботенко М.И., Басов А.А., Свидлов А.А., Барышев М.Г. Математическое моделирование учета открытых состояний в зависимости от 2H/1H соотношения в двухцепочечной молекуле ДНК // Математическая биология и биоинформатика. 2019. Т. 14. Iss. 2. С. 612–624. DOI: 10.17537/2019.14.612
  32. Дроботенко М.И., Джимак С.С., Свидлов А.А., Басов А.А., Лясота О.М., Барышев М.Г. Математическая модель двухцепочечной молекулы ДНК с учетом открытых состояний // Биофизика. 2018. Т. 63. № 2. С. 258–264.
  33. Yakushevich L. On the mechanical analogue of DNA // Journal of Biological Physics. 2017. Vol. 43. Iss. 1. P. 113–125. DOI: 10.1007/s10867-016-9437-0
  34. Джимак С.С., Свидлов А.А., Барышев М.Г., Дроботенко М.И., Елкина А.А. Расчёт вероятности возникновения пузырьков денатурации в молекуле ДНК. Свидетельство о государственной регистрации программы ЭВМ № 2021618296. Опубликовано: 25.05.2021.

Загрузки

Выпуск

2021. Том 18. № 3

Раздел

Физика

Страницы

46-55

Отправлено

2021-09-23

Опубликовано

2021-09-30

Как цитировать

Елкина А.А., Малышко .В., Герасименко Е.О., Литвинов Д.А., Голдобин И.Н., Джимак С.С. Исследование вероятности возникновения пузырьков денатурации при 2H/1H обмене в молекуле ДНК // Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества. 2021. Т. 18, №3. С. 46-55. DOI: https://doi.org/10.31429/vestnik-18-3-46-55

Copyright (c) 2021 Елкина А.А., Малышко .В., Герасименко Е.О., Литвинов Д.А., Голдобин И.Н., Джимак С.С.

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.