Гиротропные свойства жидкокристаллического состояния ДНК
advertisement
Гиротропные свойства жидкокристаллического состояния ДНК Семенова А. В. Научный руководитель Вакс В. Л. План 1. Мотивация 2. Методы изучения конформацонного состояния биомолекул 3. Спектроскопия кругового дихроизма 4. Ориентированное состояние биомолекул 5. Модель 6. Выводы Мотивация 1. 2. 3. 4. 5. 6. Наличие гиротропных свойств у раствора ДНК в ультрафиолетовом диапазоне. Гиротропные свойства ДНК в ТГц диапазоне не исследовались. Спектры поглощения ДНК в ТГц диапазоне зависят от конформационного состояния молекулы. ? Спектры кругового дихроизма тоже зависят? Вода поглощает ТГц излучение, однако не обладает гиротропными свойствами. Рассчитаны дисперсионная характеристика и вынужденные колебания для одиночной молекулы ДНК во внешнем электромагнитном поле. Жидкие кристаллы ДНК являются интересным объектом для исследования. Конформация биомолекул A-форма B-форма Z-форма Конформация – взаимное расположение атомов в молекуле, ее форма. Конформационное состояние молекулы может измениться без разрыва химических связей, за счет вращения вокруг одинарных химических связей. Значение конформации и динамики биомолекул. биохимия Тепловое движение Физическое воздействие Динамика молекул Конформация Химические реакции Функции молекул Методы изучения конформационного состояния. 1. • • 2. 3. • • • Микроскопия Электронная Атомно-силовая Рентгеноструктурный анализ Спектроскопия Абсорбционная Флуоресцентная Кругового дихроизма Электронная микроскопия • Преимущества: Высокое разрешение Простота интерпретации • Недостатки: - Сложность подготовки образца - Инвазивность Атомно-силовая микроскопия • Преимущества: Простота интерпретации Наблюдение за биохимическими процессами • Недостатки: - Сложность подготовки образца - Низкое разрешение Рентгеноструктурный анализ • Преимущества: Высокое разрешение Визуализация молекулярных орбиталей • Недостатки: - Сложность интерпретации - Сложная подготовка образца Спектроскопия Поглощение Неинвазивная спектроскопия Некогерентное воздействие «Активная» спектроскопия Pump-probe метод Изменение деполяризация Упругое Круговой дихроизм Рассеяние Неупругое Комбинационное рассеяние Излучение Флуоресценция Спектроскопия кругового дихроизма vs. Абсорбционная спектроскопия Круговой дихроизм • Достаточно измерения только прошедшего или только отраженного излучения • Чувствительность к конформационному состоянию молекул • Слабое влияние воды и воздуха на спектр. • Периодическая зависимость от количества исследуемого вещества Абсорбционная спектроскопия • Желательно измерение и прошедшего, и отраженного излучения • Чувствительность к конформационному состоянию молекул • Существенное влияние воды и воздуха на спектр • Монотонная зависимость от количества исследуемого вещества Почему ТГц? Невозможно зарегистрировать поворот плоскости поляризации на 2π. Возможное решение: спектроскопия кругового дихроизма в ТГц диапазоне частот. Длина волны сравнима с размерами образца Поворот плоскости поляризации на 2π маловероятен. ? «Отпечатки пальцев» конформационного состояния? Ориентированные состояния ДНК 1. • • • 2. • • • 3. • • • «Сухой» кристалл Наиболее регулярная структура Не содержит постороннее вещество (воду) Изменение нативной формы молекулы «Влажный» кристалл Степень кристалличности ниже Содержит большое количество воды Сохранена нативная форма Жидкий кристалл Наименее регулярная структура Наилучшее сохранение нативной формы Несколько различных подходов Генетический подход Метод «ДНК-оригами»: образование сложных структур благодаря собственным водородным связям ДНК Ю.М. Евдокимов, «Нуклеиновые кислоты, жидкие кристаллы и секреты наноконструирования». Наука и жизнь, №4 (2005) Биохимический подход Молекулы ДНК «сшиваются» друг с другом «мостиками» из наночастиц или молекул. Ю.М. Евдокимов, Структурная нанотехнология нуклеиновых кислот: жидкокристаллический подход. 7 УФН, т.184, №6 стр. 665-671 Жидкокристаллический подход Структура жидкого кристалла образуется при фазовом исключении ДНК из раствора Ю.М. Евдокимов, Структурная нанотехнология нуклеиновых кислот: жидкокристаллический подход. 7 УФН, т.184, №6 стр. 665-671 ДНК ПЭГ NaCl Гидродинамический подход Молекулы ДНК упорядочиваются в ламинарном потоке. A.Ruprecht Preparation of oriented DNA by Wet Spinning. Acta Chem. Scand. №2 (1966) Используемая модель x Гамильтониан Tn1 Tn2 U H x1n xn2 1 1 1 1 H U chem xn xn 1 U chem xn xn 1 n U chem xn2 xn21 U chem xn2 xn21 U chem потенциальная энергия деформированной химической связи m2 - + n-2 a - K1 x2n + n + z n-1 + - x1n Tn1, 2 кинетическая энергия нуклеотидов U H потенциальная энергия деформированной водородной связи m1 KH - + ikz it E E0e c.c. n+1 K2 n+2 Дисперсионная характеристика ДНК 600 frequency, GHz 500 400 300 acoustic optic 200 100 0 -1.5 -1 -0.5 0 wave number, nm 0.5 1 1.5 -1 Дисперсионная характеристика ДНК в рамках данной модели содержит две ветви: «акустическую» и «оптическую». «Акустические» моды: нуклеотиды в каждой паре колеблются в фазе. «Оптические» моды: в противофазе. Собственные моды дискретны; расстояния между соответствующими волновыми числами обратно пропорционально длине цепочки ДНК Условия синхронизма Плоская линейно-поляризованная монохроматическая электромагнитная волна ТГц частоты лучше всего возбуждает моды, для которых выполняется условие синхронизма: 0.12 q qhel 2N N * k * a N hel q – номер собственной моды ДНК q n 1 2 x1n Aq cos exp it N q n 1 2 xn2 Cq cos exp it N пространственная структура соответствующей собственной моды Амплитуда вынужденных колебаний вблизи частот акустических мод 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 145 4000 3000 146 147 148 149 150 151 frequency, GHz 152 153 154 155 Амплитуда вынужденных колебаний вблизи частот оптических мод 2000 1000 0 278 280 282 284 frequency, GHz 286 288 290 Взаимное расположение молекул Y 0 X N*a X Z • • • • • Все молекулы ДНК одинаковы Молекулы ДНК имеют форму двойных регулярных спиралей Оси всех спиралей параллельны оси z Все спирали расположены между плоскостями z=0 и z=N*a Угол между первой парой нуклеотидов и «глобальной» осью X случайный и равномерно распределен в интервале (0, 2π) Приближение коротких молекул 4 S xx 0 0 ex 0 4 S yy ex 0 0 0 ex S xx S yy ex диэлектрическая проницаемость изотропного растворителя Концентрация ДНК Жидкий кристалл ДНК – оптическая одноосная среда без гиротропных свойств. Выделенная ось параллельна осям молекул Приближение длинных молекул ex 4 S xx 4 S yx 0 4 S xy 4 S yy ex 0 0 0 ex S xx S yy S xy S yx Жидкий кристалл ДНК – оптически активная среда; Волна, поляризованная вдоль оси молекул, распространяется без изменения поляризации. Резонанс с акустической модой -7 10 x 10 8 Нецелое число витков 6 Sxx 4 Sxy 2 0 fres=150 ГГц -2 -4 -6 145 145.5 146 146.5 147 147.5 148 frequency,GHz 148.5 149 149.5 150 0.25 Sxx Sxy 0.2 0.15 fres=150 ГГц 0.1 0.05 145 145.5 146 146.5 147 147.5 148 frequency, GHz 148.5 149 149.5 150 Целое число витков Резонанс с оптической модой -3 3 x 10 Sxx Sxy 2 1 Нецелое число витков 0 -1 fres=286 ГГц -2 -3 277 277.5 278 278.5 279 279.5 280 frequency,GHz 280.5 281 281.5 282 400 Sxx Sxy 300 fres=286 ГГц 200 100 0 -100 -200 -300 -400 277 277.5 278 278.5 279 279.5 280 frequency, GHz 280.5 281 281.5 282 Целое число витков Выводы 1) 2) 3) 4) 5) Молекулы ДНК в жидкокристаллическом состоянии обладают гиротропными свойствами для излучения в ТГц диапазоне частот. Гиротропные свойства сильнее выражены для молекул, содержащих целое число витков Гиротропные свойства сильнее выражены на частотах несколько ниже резонансных частот; гиротропные свойства вблизи оптического резонанса выражены сильнее, чем вблизи акустического Вблизи собственной частоты оптических мод собственные волны близки к циркулярно-поляризованным, тогда как вблизи собственной частоты акустических мод поляризация собственных волн эллиптична. При незначительном изменении длины цепочки ДНК значительно изменяется эллиптичность собственных волн. Спасибо за внимание! диапазон Соответствующий процесс в молекуле Что можно обнаружить УФ и видимый свет Переходы электронов между орбиталями 1) Атомы химических элементов; 2) Небольшие группы атомов ИК Деформация валентных связей между атомами Функциональные группы молекул, такие, как: -СH3, -OH, -С6H5 ТГц 1) Вращательные переходы молекул в газах. 2) Коллективное движение больших групп атомов в молекуле 1) Молекулы того или иного вещества в газовой фазе. 2) Большие (10-100 атомов) группы атомов в молекуле Построение модели ДНК • Использовавшаяся в работе модель ДНК является частным случаем модели PeyrardBishop-Dauxois (PBD), опубликованной в • Physical Review E, vol. 47 (1), January 1993 • Модель PBD, как и некоторые другие, использует для описания ДНК, как цепочки связанных осцилляторов, приближение • Modified self-consistent phonon approximaton (MSPA) H 0 Tn n 1 N Tn U H 2 n U n ,n 1 PBD - модель 1 U U U 2 y n H n chem n , n 1 n , n 1 m1 m2 2 - + De n-2 a - ayn 1 - - K1 n-1 + n + - z + yn 2 y k 2 b y n y n 1 y n y n1 1 e 2 + K0 n+ 1 n+2
