ДНК и РНК – это заряженные полимеры, которые кодируют генетическую информацию в двойной спиральной структуре и играют ключевую роль в биосинтезе белков. Их отрицательные заряды расположены в основной цепи молекулы, состоящей из ионного фосфата (PO2-) и сахарных групп. Стабилизация макромолекулярных структур ДНК и РНК требует компенсации сильных отталкивающих электрических сил между одинаково заряженными фосфатными группами ионами противоположных, i.е., положительный заряд. В этом контексте ионы магния (Mg2 +) особенно важны, поскольку они не только стабилизируют структуру, но также опосредуют распознавание внешних партнеров связывания и действуют как каталитические центры.
Более того, изменения структуры макромолекул посредством процессов динамического сворачивания связаны с перегруппировкой положительных ионов, внедренных в окружающую водную оболочку.
Положительные ионы расположены вокруг ДНК и РНК в разной геометрии: в так называемых геометриях сайт-связанных или контактных пар положительный ион находится в прямом контакте с атомом кислорода фосфатной группы. Напротив, так называемая внешняя ионная атмосфера состоит из положительных ионов, отделенных по крайней мере одним слоем молекул воды от фосфатных групп. Функциональная роль различных геометрических форм и лежащих в основе взаимодействий далека от понимания.
Для более глубокого понимания молекулярного уровня требуются высокочувствительные зонды, которые позволяют различать различные геометрические формы ионов, не нарушая их, а также отображать их динамику в сверхбыстрой временной шкале молекулярных движений.
В недавней публикации исследователи из Института Макса Борна (MBI) демонстрируют, что колебания фосфатных групп представляют собой чувствительные и неинвазивные датчики геометрии ионов в водной среде.
Диметилфосфат (DMP, (CH3O) 2PO2-), установленная модельная система для основной цепи ДНК и РНК, был приготовлен в жидкой воде с избытком ионов Mg2 + и исследован с помощью нелинейной колебательной спектроскопии во временной области фемтосекунд (1 фс = 10 до мощность -15 с). В экспериментах используется двумерная инфракрасная (2D-ИК) спектроскопия, наиболее сложный метод анализа ионных взаимодействий и структур во внутренней временной шкале флуктуирующих молекулярных движений.
Эксперименты отображают ионы Mg2 + в прямом контакте с группой PO2- через отличительную особенность в 2D-ИК-спектре. Взаимодействие с ионом Mg2 + сдвигает асимметричное валентное колебание PO2- до частоты, которая выше, чем в отсутствие ионов Mg2 +. Форма линии и временная эволюция этой новой функции выявляют флуктуации геометрии контактной ионной пары и встраиваемой водной оболочки в масштабе времени в сотни фемтосекунд, в то время как сама контактная пара существует гораздо дольше (~ 10 в степени -6 s).
Углубленный теоретический анализ показывает, что тонкий баланс электростатических (кулоновских) сил притяжения и сил отталкивания, обусловленный квантово-механическим обменным взаимодействием, определяет частотное положение колебаний фосфата.
Возможность 2D-ИК-спектроскопии характеризовать короткодействующее взаимодействие фосфат-иона в растворе обеспечивает новый аналитический инструмент, дополняющий доступные в настоящее время структурные методы.
Расширение этого нового подхода к ДНК и РНК и их ионному окружению является наиболее многообещающим и, как ожидается, позволит по-новому взглянуть на силы, стабилизирующие равновесные структуры и управляющие процессами сворачивания.