Взаимодействие лигандов с плоским хромофором с нуклейновыми кислотами

Աշխատությունը նվիրված է հարթ քրոմոֆորային կառուցվածք ունեցող լիգանդների և նուկլեինաթթուների փոխազդեցության ֆիզիկաքիմիական ու մոլեկուլային առանձնահատկությունների ուսումնասիրությանը՝ ուշադրության կենտրոնում պահելով կապման մեխանիզմները, համալիրների կառուցվածքային կազմակերպումը, կայունությունը և դրանց ձևավորման վրա ազդող հիմնական գործոնները։ Նուկլեինաթթուները բարդ մակրոմոլեկուլային համակարգեր են, որոնց կառուցվածքային կազմակերպումը պայմանավորված է նուկլեոտիդների հաջորդականությամբ, ազոտային հիմքերի փոխազդեցություններով, շաքարաֆոսֆատային կմախքով, ջրային միջավայրով և լուծույթում առկա իոններով։ Այսպիսի համակարգերի հետ փոքր օրգանական մոլեկուլների կապման ուսումնասիրությունը հնարավորություն է տալիս ավելի խորությամբ հասկանալ ինչպես նուկլեինաթթուների կառուցվածքային հատկությունները, այնպես էլ տարբեր կենսաբանորեն ակտիվ միացությունների մոլեկուլային ճանաչման սկզբունքները։ Հարթ արոմատիկ կամ հետերոարոմատիկ քրոմոֆոր պարունակող լիգանդները առանձնահատուկ հետաքրքրություն են ներկայացնում այն պատճառով, որ դրանց տարածական կառուցվածքը կարող է նպաստել նուկլեինաթթուների ազոտային հիմքերի հետ արդյունավետ ոչ կովալենտ փոխազդեցությունների ձևավորմանը։ Հետազոտության կարևոր ուղղություններից է կապման հնարավոր եղանակների տարբերակումը։ Լիգանդը կարող է փոխազդել նուկլեինաթթվի մակերևույթի հետ, տեղակայվել ակոսներում կամ որոշ կառուցվածքային պայմաններում ներգրավվել հիմքերի միջև ձևավորվող տարածական համակարգում։ Վերջին դեպքում հարթ քրոմոֆորային հատվածի երկրաչափությունը կարող է նպաստել հարևան հիմքերի հետ π-էլեկտրոնային համակարգերի փոխազդեցությանը։ Միաժամանակ իրական կապման բնույթը կախված է ոչ միայն քրոմոֆորի հարթությունից, այլև ամբողջ մոլեկուլի չափերից, լիցքից, կողմնային խմբերից, լուծույթի պայմաններից և նուկլեինաթթվի կառուցվածքային առանձնահատկություններից։ Այդ պատճառով լիգանդի կառուցվածք–կապում հարաբերության ուսումնասիրությունը դիտարկվում է որպես աշխատանքի հիմնական խնդիրներից մեկը։ Առանձին ուշադրություն է հատկացվում ինտերկալացիոն փոխազդեցությանը, որի դեպքում համապատասխան հարթ կառուցվածքը կարող է տեղակայվել հարևան ազոտային հիմքերի զույգերի միջև։ Նման կապումը կարող է ուղեկցվել նուկլեինաթթվի տեղային կառուցվածքային փոփոխություններով, հիմքերի միջև հեռավորությունների և պարուրաձև կազմակերպման որոշ պարամետրերի փոփոխությամբ։ Սակայն յուրաքանչյուր հարթ քրոմոֆոր ունեցող միացություն պարտադիր չէ, որ կապվի նույն մեխանիզմով, ուստի փորձարարական տվյալների համադրումը կարևոր է կապման իրական եղանակը որոշելու համար։ Մակերևութային, ակոսային և ինտերկալացիոն կապման հնարավորությունների տարբերակումը թույլ է տալիս ավելի ճշգրիտ նկարագրել լիգանդ–մակրոմոլեկուլ համալիրների կառուցվածքը։ Կարևոր տեղ է զբաղեցնում էլեկտրաստատիկ փոխազդեցությունների ուսումնասիրությունը։ Նուկլեինաթթուների ֆոսֆատային խմբերը պայմանավորում են մակրոմոլեկուլի ընդհանուր բացասական լիցքը, ուստի դրական լիցքավորված կամ պրոտոնացվող խմբեր պարունակող լիգանդների դեպքում էլեկտրաստատիկ ձգողությունը կարող է նշանակալի ներդրում ունենալ կապման մեջ։ Միաժամանակ լուծույթում առկա հակաիոնները և աղերի կոնցենտրացիան կարող են փոփոխել այդ փոխազդեցությունների ուժգնությունը։ Իոնային ուժի փոփոխության պայմաններում կապման պարամետրերի ուսումնասիրությունը հնարավորություն է տալիս գնահատել էլեկտրաստատիկ բաղադրիչի հարաբերական նշանակությունը։ Առանձին ուղղություն է հիդրոֆոբ և վան դեր Վաալսյան փոխազդեցությունների դերի գնահատումը։ Հարթ արոմատիկ համակարգերը ջրային միջավայրում կարող են ունենալ այնպիսի հատկություններ, որոնք նպաստում են նուկլեինաթթվի ավելի քիչ ջրային հասանելիություն ունեցող հատվածների հետ ասոցիացմանը։ Քրոմոֆորի չափը, արոմատիկ օղակների թիվը և դրանց վրա գտնվող տեղակալիչները կարող են էապես փոփոխել կապման ազատ էներգիան և համալիրի կայունությունը։ Այսպիսի կառուցվածքային գործոնների համեմատությունը հնարավորություն է տալիս բացահայտել, թե լիգանդի մոլեկուլային կառուցվածքի որ տարրերն են առավել կարևոր նուկլեինաթթվի նկատմամբ հարազատության համար։ Հետազոտության մեջ կարևորվում է ջրածնային կապերի դերը։ Լիգանդի ֆունկցիոնալ խմբերը կարող են հանդես գալ որպես ջրածնային կապի դոնորներ կամ ակցեպտորներ և փոխազդել նուկլեինաթթվի հիմքերի, ֆոսֆատային խմբերի կամ այլ հասանելի կենտրոնների հետ։ Նման կապերը կարող են նպաստել ոչ միայն համալիրի ընդհանուր կայունությանը, այլև կապման ընտրողականությանը։ Եթե տարբեր նուկլեոտիդային հաջորդականություններ ստեղծում են տարբեր տեղային քիմիական միջավայրեր, ապա լիգանդի համապատասխան ֆունկցիոնալ խմբերի դիրքը կարող է պայմանավորել որոշակի կառուցվածքային հատվածների նկատմամբ առավել բարձր հարազատություն։ Առանձին ուշադրություն է հատկացվում ԴՆԹ-ի և ՌՆԹ-ի հետ փոխազդեցությունների հնարավոր տարբերություններին։ Չնայած երկու մակրոմոլեկուլներն էլ կազմված են նուկլեոտիդներից, դրանց տարածական կազմակերպումը և կառուցվածքային բազմազանությունը տարբեր են։ ԴՆԹ-ի երկպարույր կառուցվածքը և ՌՆԹ-ի բազմազան երկրորդային ու երրորդային ձևերը կարող են ստեղծել տարբեր կապման կենտրոններ։ Լիգանդի երկրաչափությունը և կողմնային խմբերը կարող են ավելի համապատասխան լինել մեկ կառուցվածքային միջավայրի, քան մյուսի համար։ Այս պատճառով տարբեր տեսակի նուկլեինաթթուների հետ նույն լիգանդի կապման համեմատությունը կարող է կարևոր տեղեկություն տալ մոլեկուլային ճանաչման ընտրողականության մասին։ Կարևոր ուղղություն է նուկլեոտիդային հաջորդականության ազդեցության ուսումնասիրությունը։ Նույն ընդհանուր կառուցվածք ունեցող նուկլեինաթթուների տարբեր հաջորդականությունները կարող են տարբերվել հիմքերի դասավորությամբ, տեղային ճկունությամբ և ակոսների ֆիզիկաքիմիական հատկություններով։ Որոշ լիգանդներ կարող են ցուցաբերել հարաբերական նախընտրություն որոշակի հիմքային զույգերով հարուստ հատվածների նկատմամբ։ Այդ ընտրողականության ուսումնասիրությունը կարևոր է կառուցվածք–ակտիվություն կապերը հասկանալու և նուկլեինաթթվի որոշակի հատվածներ ճանաչող մոլեկուլների հատկությունները բացահայտելու համար։ Հետազոտության կարևոր բաղադրիչ է կապման հավասարակշռության ուսումնասիրությունը։ Լիգանդի և նուկլեինաթթվի միջև համալիրի ձևավորումը կարելի է նկարագրել համապատասխան կապման հաստատուններով և ստեխիոմետրիկ հարաբերություններով։ Փորձարարական տվյալների վերլուծությունը հնարավորություն է տալիս գնահատել լիգանդի հարազատությունը մակրոմոլեկուլի նկատմամբ, հնարավոր կապման կենտրոնների թիվը և տարբեր կապման ռեժիմների առկայությունը։ Եթե համակարգում միաժամանակ գործում են մի քանի տեսակի կենտրոններ, կապման կորերի մեկնաբանությունը կարող է պահանջել ավելի բարդ մոդելների կիրառում։ Այդ պատճառով փորձարարական տվյալների մաթեմատիկական մշակումը կարևոր դեր ունի փոխազդեցության մեխանիզմը հասկանալու համար։ Առանձին տեղ է զբաղեցնում սպեկտրադիտական մեթոդների կիրառումը։ Հարթ քրոմոֆոր պարունակող լիգանդների օպտիկական հատկությունները հատկապես հարմար են նուկլեինաթթուների հետ փոխազդեցության ուսումնասիրության համար, քանի որ կապման ընթացքում կարող են փոփոխվել կլանման և լուսարձակման բնութագրերը։ Սպեկտրային շերտերի ինտենսիվության, դիրքի կամ ձևի փոփոխությունները կարող են տեղեկություն հաղորդել քրոմոֆորի միկրոմիջավայրի և փոխազդեցության բնույթի մասին։ Տարբեր կոնցենտրացիաների պայմաններում ստացված սպեկտրային տվյալների վերլուծությունը կարող է օգտագործվել կապման պարամետրերի որոշման և հնարավոր կառուցվածքային մոդելների համեմատության համար։ Ֆլուորեսցենտային ուսումնասիրությունները նույնպես կարող են կարևոր տեղեկություն տրամադրել, եթե լիգանդը ունի համապատասխան լուսարձակող հատկություններ։ Նուկլեինաթթվի հետ կապումը կարող է փոխել ֆլուորեսցենցիայի ինտենսիվությունը, սպեկտրային առավելագույնի դիրքը կամ այլ լուսաֆիզիկական պարամետրեր։ Այդ փոփոխությունները պայմանավորված են քրոմոֆորի շրջակա միջավայրի փոփոխությամբ, շարժունակության սահմանափակմամբ և այլ մոլեկուլային գործոններով։ Նման չափումները հատկապես օգտակար են ցածր կոնցենտրացիաներում կապման գործընթացների ուսումնասիրության համար։ Առանձին ուշադրություն է հատկացվում շրջանային դիքրոիզմի և այլ կառուցվածքազգայուն մեթոդների հնարավոր կիրառմանը։ Դրանք կարող են օգնել գնահատել, թե լիգանդի կապումն ինչպիսի փոփոխություններ է առաջացնում նուկլեինաթթվի երկրորդային կառուցվածքում և պարուրաձև կազմակերպման մեջ։ Եթե կապումը զգալիորեն փոփոխում է հիմքերի տարածական դասավորությունը, համապատասխան սպեկտրային ցուցանիշները նույնպես կարող են փոփոխվել։ Այս տվյալների համադրումը կլանման և ֆլուորեսցենտային ուսումնասիրությունների հետ հնարավորություն է տալիս ստանալ համալիրի ավելի ամբողջական նկարագիր։ Կարևոր ուղղություն է ջերմադինամիկական պարամետրերի ուսումնասիրությունը։ Կապման ազատ էներգիայի, էնթալպիական և էնտրոպիական ներդրումների գնահատումը կարող է օգնել հասկանալ, թե ինչ ֆիզիկական ուժեր են գերակշռում համալիրի ձևավորման ժամանակ։ Ջրածնային կապերը, էլեկտրաստատիկ փոխազդեցությունները, արոմատիկ համակարգերի փոխազդեցությունը և ջրային միջավայրի վերակազմավորումը կարող են տարբեր ներդրում ունենալ ընդհանուր գործընթացում։ Ջերմաստիճանից կախված չափումները և համապատասխան թերմոդինամիկական վերլուծությունը հնարավորություն են տալիս համեմատել տարբեր կառուցվածք ունեցող լիգանդների կապման շարժիչ ուժերը։ Առանձին տեղ է զբաղեցնում կինետիկական ուսումնասիրությունը։ Հավասարակշռության հաստատունը ցույց է տալիս համալիրի հարաբերական կայունությունը, սակայն չի նկարագրում, թե որքան արագ է այն ձևավորվում կամ քայքայվում։ Ասոցիացման և դիսոցիացման արագությունների ուսումնասիրությունը կարող է լրացուցիչ տեղեկություն տալ կապման մեխանիզմի մասին։ Որոշ համակարգերում հնարավոր են հաջորդական փուլեր՝ սկզբնական մակերևութային ասոցիացումից մինչև ավելի կայուն կառուցվածքի ձևավորում։ Այդպիսի միջանկյալ վիճակների բացահայտումը կարող է կարևոր լինել մոլեկուլային ճանաչման ամբողջական մեխանիզմը հասկանալու համար։ Հետազոտության մեջ կարևորվում է լիգանդի կողմնային խմբերի ազդեցությունը։ Նույն կամ նման հարթ քրոմոֆորային միջուկ ունեցող միացությունները կարող են էապես տարբեր կապման հատկություններ ցուցաբերել, եթե տարբերվում են դրանց տեղակալիչները։ Դրական լիցքավորված խմբերը կարող են ուժեղացնել ֆոսֆատային կմախքի հետ էլեկտրաստատիկ փոխազդեցությունը, իսկ ջրածնային կապեր ձևավորող կամ հիդրոֆոբ խմբերը կարող են փոխել կապման ընտրողականությունն ու կայունությունը։ Կողմնային շղթայի երկարությունը և ճկունությունը նույնպես կարող են ազդել մոլեկուլի՝ նուկլեինաթթվի համապատասխան հատվածին հարմարվելու կարողության վրա։ Այս հարաբերությունների համակարգված ուսումնասիրությունը հնարավորություն է տալիս ձևակերպել կառուցվածք–հարազատություն օրինաչափություններ։ Առանձին ուշադրություն է հատկացվում լիգանդների ինքնաասոցիացման երևույթին։ Հարթ արոմատիկ մոլեկուլները որոշ պայմաններում կարող են փոխազդել ոչ միայն նուկլեինաթթվի, այլև միմյանց հետ՝ առաջացնելով ագրեգատներ։ Այս գործընթացը կարող է ազդել սպեկտրային հատկությունների և կապման փորձերի արդյունքների վրա։ Եթե ինքնաասոցիացումը հաշվի չի առնվում, նուկլեինաթթվի հետ փոխազդեցության վերաբերյալ ստացված տվյալների մեկնաբանությունը կարող է լինել ոչ լիարժեք։ Հետևաբար անհրաժեշտ է ուսումնասիրել լիգանդների վարքը նաև նուկլեինաթթվի բացակայության պայմաններում և տարբերակել ինքնաասոցիացման ու մակրոմոլեկուլի հետ կապման հետևանքները։ Կարևոր նշանակություն ունի լուծույթի pH-ի ազդեցությունը։ Եթե լիգանդը պարունակում է իոնացվող խմբեր, միջավայրի թթվայնության փոփոխությունը կարող է փոխել նրա լիցքային վիճակը և, հետևաբար, նուկլեինաթթվի հետ էլեկտրաստատիկ ու ջրածնային փոխազդեցությունները։ Միաժամանակ pH-ի զգալի փոփոխությունները կարող են ազդել նաև նուկլեինաթթվի կառուցվածքային կայունության վրա։ Այդ պատճառով տարբեր պայմաններում իրականացված փորձերը պետք է մեկնաբանվեն համակարգի երկու բաղադրիչների վիճակը հաշվի առնելով։ Առանձին ուղղություն է աղերի և բազմավալենտ իոնների ազդեցության գնահատումը։ Նուկլեինաթթվի ֆոսֆատային խմբերի շուրջ իոնային մթնոլորտը կարևոր դեր ունի մակրոմոլեկուլի կառուցվածքային կայունության մեջ։ Իոնային ուժի փոփոխությունը կարող է թուլացնել կամ ուժեղացնել որոշ լիգանդների կապումը և փոխել համալիրների ստեխիոմետրիան։ Այս երևույթների ուսումնասիրությունը օգնում է տարբերակել կապման էլեկտրաստատիկ և ոչ էլեկտրաստատիկ բաղադրիչները։ Հետազոտության մեջ կարող է ուսումնասիրվել նաև լիգանդի կապման ազդեցությունը նուկլեինաթթվի ջերմային կայունության վրա։ Համալիրի ձևավորումը որոշ դեպքերում կարող է փոփոխել երկպարույրի կամ այլ կառուցվածքային ձևերի կայունությունը։ Ջերմային անցումների ուսումնասիրությունը հնարավորություն է տալիս գնահատել այդ ազդեցությունը և լրացուցիչ տեղեկություն ստանալ կապման բնույթի մասին։ Սակայն նման տվյալները նպատակահարմար է մեկնաբանել մյուս ֆիզիկաքիմիական մեթոդների արդյունքների հետ համատեղ, քանի որ ջերմային կայունության փոփոխությունը ինքնին միշտ չէ, որ միանշանակ ցույց է տալիս կապման կոնկրետ մեխանիզմը։ Կարևորվում են նաև մոլեկուլային մոդելավորման և կառուցվածքային հաշվարկների հնարավորությունները։ Տեսական մոդելները կարող են օգտագործվել լիգանդի հնարավոր դիրքի, կողմնորոշման և նուկլեինաթթվի հետ փոխազդող ֆունկցիոնալ խմբերի գնահատման համար։ Մոդելավորման արդյունքները հատկապես արժեքավոր են փորձարարական տվյալների հետ համադրման դեպքում։ Դրանք կարող են առաջարկել հնարավոր կառուցվածքային բացատրություններ դիտված սպեկտրային կամ թերմոդինամիկական փոփոխությունների համար, սակայն չեն փոխարինում փորձարարական հաստատմանը։ Առանձին ուշադրություն է հատկացվում կապման ընտրողականությանը։ Կենսաբանական նշանակություն ունեցող լիգանդի համար կարևոր կարող է լինել ոչ միայն նուկլեինաթթվի նկատմամբ ընդհանուր բարձր հարազատությունը, այլև որոշակի կառուցվածքային ձևերի կամ հաջորդականությունների տարբերակման կարողությունը։ Այդպիսի ընտրողականությունը կարող է պայմանավորված լինել քրոմոֆորի երկրաչափությամբ, կողմնային խմբերի տարածական դասավորությամբ և կապման կենտրոնի տեղային հատկություններով։ Տարբեր նուկլեինաթթվային մոդելների հետ համեմատական փորձերը հնարավորություն են տալիս գնահատել այդ առանձնահատկությունները։ Հետազոտության մեթոդաբանական հիմքում կարող են համադրվել սպեկտրադիտական, ֆլուորեսցենտային, թերմոդինամիկական, կինետիկական և հաշվարկային մոտեցումները։ Մեկ մեթոդով ստացված տվյալները հաճախ բավարար չեն կապման մեխանիզմի միանշանակ որոշման համար, ուստի տարբեր մեթոդների արդյունքների համադրումը բարձրացնում է եզրակացությունների հիմնավորվածությունը։ Փորձերի ընթացքում կարևոր է վերահսկել լիգանդի և նուկլեինաթթվի կոնցենտրացիաները, ջերմաստիճանը, pH-ը, իոնային ուժը և մյուս պայմանները, քանի որ դրանց փոփոխությունը կարող է էապես ազդել դիտվող հավասարակշռությունների վրա։ Աշխատության գիտական նշանակությունը պայմանավորված է փոքր օրգանական մոլեկուլների և կենսաբանական մակրոմոլեկուլների մոլեկուլային ճանաչման սկզբունքների բացահայտմամբ։ Հարթ քրոմոֆորային կառուցվածքի, լիցքային հատկությունների, կողմնային խմբերի և նուկլեինաթթվի կառուցվածքային առանձնահատկությունների միջև կապերի ուսումնասիրությունը հնարավորություն է տալիս ավելի ամբողջական պատկերացում կազմել նման համալիրների ձևավորման մասին։ Ստացված օրինաչափությունները կարևոր են կենսաֆիզիկայի, մոլեկուլային կենսաբանության, ֆիզիկական քիմիայի և կենսաօրգանական քիմիայի համար։ Գործնական առումով նման ուսումնասիրությունները կարող են նպաստել նուկլեինաթթուների կառուցվածքն ուսումնասիրելու համար կիրառվող մոլեկուլային զոնդերի, ախտորոշիչ համակարգերի և կենսաբանական հետազոտություններում օգտագործվող տարբեր լիգանդների հատկությունների գիտական գնահատմանը։ Ընդհանուր առմամբ նյութը ներկայացնում է հարթ քրոմոֆորային համակարգերով լիգանդների և նուկլեինաթթուների փոխազդեցությունների համալիր ֆիզիկաքիմիական ուսումնասիրություն՝ ընդգրկելով կապման հնարավոր մեխանիզմները, ինտերկալացիոն և այլ ոչ կովալենտ փոխազդեցությունները, էլեկտրաստատիկ ու հիդրոֆոբ ուժերի դերը, ջրածնային կապերը, կառուցվածքային ընտրողականությունը, սպեկտրային փոփոխությունները, ջերմադինամիկան, կինետիկան և լուծույթի պայմանների ազդեցությունը։ Այն կարող է օգտակար լինել կենսաֆիզիկայի, մոլեկուլային կենսաբանության, նուկլեինաթթուների քիմիայի, ֆիզիկական և կենսաօրգանական քիմիայի ոլորտներում աշխատող հետազոտողների, դասախոսների և ուսանողների համար։