II. CZĘŚĆ TEORETYCZNA
II.3. PRZYKLADY ANALIZY TERMODYNAMICZNEJ KOMPLEKSÓW LIGAND/DNA
(ln
RT H dT
K
d = ∆ (10)
gdzie: K – stała wiązania,
∆H – zmiana entalpii reakcji, R – stała gazowa,
T – temperatura wyraŜana w stopniach Kalwina
Znajomość wartości zmiany entalpii pozwala z kolei oszacować zmianę entropii oraz zmianę pojemności cieplnej.
Wartości parametrów termodynamicznych wyznaczonych omówionymi powyŜej metodami obarczone są jednak zwykle duŜą niepewnością pomiarową. Wynika to z pośredniego sposobu ich wyznaczania. Dlatego duŜym zainteresowaniem cieszą się metody bezpośredniego, kalorymetrycznego wyznaczanie zmian entalpii oddziaływania. Najczęściej stosowane są w tym celu: izotermiczna kalorymetria miareczkowa (ang. Isothermal Titration Calorimetry, ITC) oraz róŜnicowa kalorymetria skaningowa (ang. Differential Skanning Calorimetry, DSC).
W metodzie ITC następuje bezpośredni pomiar efektów cieplnych występujących w czasie dodawania związku do układu zawierającego kwas nukleinowy. Informacje na temat stechiometrii reakcji oraz stałej wiązania równieŜ moŜna uzyskać tą techniką z wyników uzyskanych podczas jednego eksperymentu. Miareczkowanie z zastosowaniem metody ITC wykorzystano równieŜ do badania kinetyki oddziaływań makrocząsteczek [44,45]. Obecnie technika ITC znajduje coraz szersze zastosowanie, ze względu na prostotę jej wykonania oraz dokładność uzyskiwanych wyników [46,47].
Druga metoda, DSC, dostarcza uŜytecznych informacji o temperaturze przejść oraz zmianach pojemności cieplnej, które są wykrywane, kiedy próbka jest ogrzewana w szerokim zakresie temperatur. Na podstawie profili cieplnych moŜe być badana ponadto odwracalność reakcji.
Wszystko to umoŜliwia oszacowanie czynników stanowiących siłę napędową reakcji [48,49].
II.3. PRZYKLADY ANALIZY TERMODYNAMICZNEJ KOMPLEKSÓW LIGAND/DNA
Badania termodynamiki niekowalencyjnych oddziaływań małocząsteczkowych ligandów z DNA wykazały, iŜ zmiany entalpii są głównie wynikiem zmian w układzie wiązań wodorowych [50,51]. Dodatnia wartość zmian entropii jest wynikiem uwalniania cząsteczek wody z warstwy oddziaływań międzycząsteczkowych, natomiast ujemna wartość tej funkcji termodynamicznej jest związana ze zmianami konformacyjnymi reagentów [52,53]. Ujemna
(często duŜa) wartość ∆Cp połączona z dodatnią wartością zmian entropii układu jest traktowana jako wskaźnik oddziaływań hydrofobowych między molekułami [54].
Ze względu na polianionową strukturę DNA, w analizie termodynamicznej procesu tworzenia kompleksu ligand/DNA naleŜy brać pod uwagę udział w tym procesie oddziaływań elektrostatycznych. Jeśli ligand posiada ładunek dodatni, to będzie przyciągany w pobliŜe ujemnie naładowanych grup fosforanowych łańcucha kwasu nukleinowego wchodząc w skład elektrycznej warstwy podwójnej otaczającej makrocząsteczkę. Udział kationowego ligandu w tworzeniu tej warstwy zaleŜy silnie od stęŜenia innych kationów w roztworze. Skutkuje to zaleŜnością stałej wiązania K od stęŜenia soli w mieszaninie reakcyjnej [55].
II.3.1.Ligandy wiąŜące się w małym rowku
Wszystkie dotychczas zbadane związki wiąŜące się z DNA w małym rowku posiadały podobne profile termodynamiczne, dla wszystkich uzyskano ujemną wartość ∆Cp. Tak więc główną siłą napędową oddziaływania małocząsteczkowego związku z DNA w małym rowku jest transfer cząsteczki z roztworu do wnętrza rowku. Stwierdzono, iŜ tworzeniu kompleksu towarzyszy wysoce energetyczny efekt hydrofobowy oraz silny wzrost entropii układu w wyniku uwalniania cząsteczek wody i podstawiania przeciwjonów warstwy podwójnej przez kationy ligandu. Dodatnia zmiana entalpii swobodnej wynikająca z utraty swobody rotacji i translacji w wyniku kompleksowania jest kompensowana przez ∆Ghyd oraz ∆Gpe. Dane uzyskane dla kilku związków przedstawione zostały w Tabeli 1 [21,56,57].
Tabela 1. Parametry termodynamiczne dla oddziaływań kilku związków z A3T3 w temperaturze 25°C
II.3.2. Interkalatory
W badaniach wykazano, iŜ podobnie jak dla związków, które wiąŜą się z podwójną helisą w jej małym rowku, tworzeniu kompleksu DNA/interkalator towarzyszy silny efekt hydrofobowy, związany z przeniesieniem cząsteczek interkalatora z roztworu do wnętrza
Związek ∆Gobs
helisy. W przypadku interkalatorów dodatnia zmiana entalpii swobodnej związanej z utratą swobody rotacji i translacji jest kompensowana nie tylko przez ∆Ghyd, ale równieŜ przez istotny wkład energetyczny wynikający z oddziaływań niekowalencyjnych. Wytłumaczyć to moŜna faktem, iŜ w przypadku związków wiąŜących się z DNA w małym rowku, nie powstają Ŝadne „nowe” oddziaływania: najczęściej cząsteczka wody zostaje podstawiona cząsteczką liganda. Natomiast w przypadku interkalatorów, związek wchodząc pomiędzy pary zasad „tworzy” nowe silne oddziaływania. Ponadto, interkalatory wchodząc pomiędzy pary zasad powodują częściowe rozwinięcie helisy i jej wydłuŜenie, natomiast brak jest doniesień o zmianach konformacyjnych w strukturze ligandów, czego wynikiem jest niezerowa wartość ∆Gkonf [6,59]. Zatem proces tworzenia kompleksu DNA/interkalator moŜe hipotetycznie przebiegać w dwóch etapach [60]:
1) DNA → DNA*
2) DNA* + Ligand → DNA*Ligand
W pierwszym etapie cząsteczka DNA ulega zmianom konformacyjnym (rozwinięciu) umoŜliwiając późniejszą interkalację. W drugim etapie związek wiąŜe się z rozwinięta cząsteczką DNA. JednakŜe w praktyce obydwa procesy przebiegają jednocześnie i nie da się ich eksperymentalnie oddzielić.
Parametry termodynamiczne tworzenia kompleksu dla wybranych interkalatorów przedstawione zostały w Tabeli 2.
Tabela 2. Przykłady parametrów termodynamicznych oddziaływań ctDNA/interkalator w temperaturze 25°C, 10 mM NaCl [61]
II.3.3. Ligandy wiąŜące się w małym rowku bądź interkalujące
Zastosowanie róŜnych technik spektroskopowych i kalorymetrycznych do badań oddziaływań pomiędzy DNA i DAPI pozwoliło potwierdzić, iŜ związek ten moŜe tworzyć dwa róŜne kompleksy z DNA charakteryzujące się róŜnym powinowactwem [62,63].
Wiązanie DAPI do poly[d(A-T)] jest silniejsze (stała wiązania jest około 1000 razy większa) i bardziej kooperatywne niŜ wiązanie tego liganda do poly[d(G-C)][64].
Związek ∆Gobs
Profil termodynamiczny uzyskany dla oddziaływań DAPI z cząsteczką DNA bogatą w pary AT okazał się analogiczny jak dla netropsyny. Procesowi tworzenia kompleksu towarzyszy silny wzrost entropii układu w wyniku uwalniania cząsteczek wody i podstawiania przeciwjonów warstwy podwójnej przez kationy ligandu. Uzyskane dane doświadczalne przedstawione zostały w Tabeli 3.
Niewielka jest natomiast ilość doniesień dotyczących termodynamiki interkalacji DAPI do podwójnej helisy DNA. Wykazano jedynie, iŜ zmiana entalpii tego oddziaływania wynosi -8 kcal/mol.
Tabela 3. Parametry termodynamiczne dla oddziaływań DAPI-DNA