Исследование ДНК и РНК методами фемтоспектроскопии

Фемтоспектроскопия — это метод исследования динамики молекул с временным разрешением в диапазоне фемтосекунд (10⁻¹⁵ с), что позволяет наблюдать ультрабыстрые процессы, такие как фотоперенос энергии, релаксация возбужденных состояний и конформационные изменения макромолекул. В контексте нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) фемтоспектроскопия позволяет получать уникальные сведения о структуре, взаимодействиях и динамике молекул на самом фундаментальном уровне.

Ключевые аспекты метода:

  1. Временное разрешение: фемтосекундные импульсы обеспечивают регистрацию процессов, происходящих быстрее, чем время жизни возбужденных электронных состояний в нуклеотидных основаниях (~100–500 фс).
  2. Избирательное возбуждение: путем настройки длины волны лазерного импульса возможно селективное возбуждение отдельных нуклеобаз или фрагментов полинуклеотидной цепи.
  3. Нелинейные эффекты: использование двух- или многопульсных схем (например, pump–probe, 2D-спектроскопия) позволяет наблюдать когерентные колебательные процессы и межмолекулярное взаимодействие на ультрабыстрой шкале времени.

Динамика электронных состояний нуклеиновых кислот

Нуклеиновые кислоты обладают сложной электронной структурой, которая определяет их способность к быстрому поглощению ультрафиолетового света. Основные электронные переходы локализованы в ароматических основаниях: аденин, тимин, гуанин, цитозин и урацил.

  • Фотопоглощение: возбуждение π→π* и n→π* переходами инициирует распределение энергии по молекуле.
  • Внутримолекулярная релаксация: после возбуждения энергия быстро перераспределяется между колебательными и вращательными модами, приводя к выравниванию электронной плотности.
  • Конформационные изменения: ультрабыстрая релаксация сопровождается локальными перестройками цепи, что особенно важно при исследовании двухцепочечной ДНК и структур РНК, таких как шпильки или петли.

Фемтоспектроскопические измерения позволяют наблюдать переход от возбужденного состояния к основному в режиме реального времени, выявляя когерентные колебания и межбазовую энергообменную динамику.

Исследование межмолекулярных взаимодействий

ДНК и РНК функционируют не как изолированные молекулы, а в тесном взаимодействии с белками, ионами и другими биополимерами. Фемтоспектроскопия дает возможность изучать:

  1. Взаимодействие с водной средой: ультрабыстрая релаксация возбужденных оснований тесно связана с динамикой водной оболочки.
  2. Гидрогеновые связи и stacking: когерентные фемтосекундные колебания позволяют напрямую наблюдать изменения взаимодействий между основаниями, например, расплетание или свертывание двойной спирали.
  3. Энергетические потоки: энергия, поглощенная фотонным импульсом, может мигрировать вдоль цепи ДНК или РНК, что важно для процессов фотоповреждений и фоторегуляции.

Применение 2D-фемтоспектроскопии

Двумерная фемтоспектроскопия (2D-FS) открывает новые возможности в изучении сложных биомолекул. Она позволяет:

  • Разделять спектрально перекрывающиеся переходы, что особенно полезно для оснований с близкими поглощательными характеристиками.
  • Отслеживать когерентные колебания и межмолекулярные взаимодействия.
  • Анализировать пути переноса энергии и динамику локальной структуры ДНК и РНК.

В 2D-фемтоспектроскопии временной порядок импульсов позволяет “развернуть” спектр в двух измерениях: частота возбуждения и частота ответа, что делает возможным идентификацию короткоживущих промежуточных состояний, недоступных стандартной спектроскопии.

Фемтоспектроскопия и фотоповреждение нуклеиновых кислот

Фемтосекундные лазерные импульсы используются для моделирования процессов фотоповреждений, таких как образование тиминовых димеров. Эти процессы происходят на временной шкале от десятков фемтосекунд до пикосекунд и включают:

  • Фотохимическую реакцию: локальное возбуждение основания приводит к химическим изменениям.
  • Энергетическую релаксацию: поглощенная энергия перераспределяется между соседними основаниями, снижая вероятность повреждения.
  • Конформационное восстановление: молекулы способны возвращаться в исходное состояние благодаря быстрым колебательным процессам.

Фемтоспектроскопия позволяет количественно оценить скорость этих процессов, что имеет значение для понимания молекулярных механизмов фотозащиты и репарации.

Влияние среды и солевых условий

Электростатические взаимодействия между фосфатными группами и ионами среды существенно влияют на динамику нуклеиновых кислот. Фемтоспектроскопические эксперименты показывают, что:

  • Увеличение концентрации ионов стабилизирует двойную спираль, замедляя релаксацию.
  • Изменение pH может изменять распределение возбужденных состояний, влияя на фотостабильность оснований.
  • Водная оболочка и гидратные ионы участвуют в когерентных колебательных процессах, что подчеркивает роль среды в ультрабыстрой динамике.
Оглавление