Аннотация:
Работа посвящена обзору и анализу литературных данных, касающихся свойств открытых состояний ДНК. Данные состояния возникают вследствие крупных флуктуаций дуплекса и оказывают большое влияние на целый ряд биохимических процессов, в том числе на перенос электрического заряда в ДНК. Проведён сравнительный анализ экспериментальных данных по кинетике и термодинамике открытых состояний ДНК в широком интервале температур. Объяснены противоречия между результатами разных экспериментов. На основе различия термодинамических свойств и других характеристик выделено три типа открытых состояний ДНК, а также дано современное определение термина «открытое состояние». Представлен краткий обзор простых математических моделей ДНК, в большинстве которых состояние каждой пары оснований описывается одной-двумя переменными. Рассмотрены основные проблемы исследования гетерогенной ДНК в рамках подходов данного уровня. Обсуждается роль каждой из групп моделей в интерпретации экспериментальных данных. Особое внимание уделено изучению процессов переноса и локализации энергии колебаний нуклеотидных пар в дуплексе при помощи механических моделей. Показано, что данные процессы играют ключевую роль в динамике гетерогенного дуплекса, а их теоретическое исследование крайне важно для развития современной молекулярной биологии и биофизики. Рассмотрены основные особенности теоретических подходов, благодаря которым удалось описать различные экспериментальные данные. Описаны перспективы развития моделей, предложены конкретные детали оптимизации, а также возможные способы модернизации некоторых экспериментальных методик.
Ключевые слова:
модели ДНК, динамика ДНК, перенос энергии, локализация энергии, открытое состояние ДНК, пузырёк денатурации, открывание одиночной пары оснований.
The authors are thankful to the Russian Foundation for Basic Research for support of this work (projects №13-07-00331, №13-07-00256, №12-07- 00279, №12-07-33006).
Материал поступил в редакцию 03.10.2018, опубликован 24.12.2018
Тип публикации:
Статья
УДК:
538.9: 577.31
Язык публикации: английский
Образец цитирования:
A. S. Shigaev, O. A. Ponomarev, V. D. Lakhno, “Theoretical and experimental investigations of DNA open states”, Матем. биология и биоинформ., 13, Suppl. (2018), t162–t267
\RBibitem{ShiPonLak18}
\by A.~S.~Shigaev, O.~A.~Ponomarev, V.~D.~Lakhno
\paper Theoretical and experimental investigations of DNA open states
\jour Матем. биология и биоинформ.
\yr 2018
\vol 13
\pages t162--t267
\issueinfo Suppl.
\mathnet{http://mi.mathnet.ru/mbb368}
\crossref{https://doi.org/10.17537/2018.13.t162}
A.S. Shigaev, V.D. Lakhno, Proceedings of the International Conference “Mathematical Biology and Bioinformatics”, 10, Proceedings of the International Conference “Mathematical Biology and Bioinformatics”, 2024
G.A. Vinogradov, V.D. Lakhno, “On The Thermalization of One-Dimensional Lattices. I. Microcanonical Ensemble”, Math.Biol.Bioinf., 19:1 (2024), 248
L.V. Yakushevich, L.A. Krasnobaeva, “Trajectories of Solitons Movement in the Potential Field of pPF1 Plasmid with Non-Zero Initial Velocity”, Math.Biol.Bioinf., 19:1 (2024), 232
Mikhail I. Drobotenko, Alexandr A. Svidlov, Аnna A. Dorohova, Mikhail G. Baryshev, Stepan S. Dzhimak, “Medium viscosity influence on the open states genesis in a DNA molecule”, Journal of Biomolecular Structure and Dynamics, 2023, 1
Stepan Dzhimak, Alexandr Svidlov, Anna Elkina, Eugeny Gerasimenko, Mikhail Baryshev, Mikhail Drobotenko, “Genesis of Open States Zones in a DNA Molecule Depends on the Localization and Value of the Torque”, IJMS, 23:8 (2022), 4428
M. Kovaleva, L. Manevitch, “Coupled Schrodinger equations as a model of interchain torsional excitation transport in the DNA model”, Phys. Scr., 96:12 (2021), 125035
Chevizovich D., Michieletto D., Mvogo A., Zakiryanov F., Zdravkovic S., “A Review on Nonlinear Dna Physics”, R. Soc. Open Sci., 7:11 (2020), 200774
L. A. Krasnobaeva, L. V. Yakushevich, “The Dynamic and Statistical Properties of DNA Kinks”, BIOPHYSICS, 65:1 (2020), 22
A. S. Nikityuk, E. A. Korznikova, S. V. Dmitriev, O. B. Neumark, “Бризеры в молекуле ДНК и динамика клетки”, Матем. биология и биоинформ., 14:1 (2019), 137–149
А. Н. Коршунова, В. Д. Лахно, “Два типа осцилляций холстейновского полярона, равномерно движущегося в полинуклеотидной цепочке в постоянном электрическом поле”, Матем. биология и биоинформ., 14:2 (2019), 477–487 [A. N. Korshounova, V. D. Lakhno, “Two types of oscillations of the Holstein polaron uniformly moving along a polynucleotide chain in a constant electric field”, Mat. Biolog. Bioinform., 14:2 (2019), 477–487]