Молекулярный механизм протекторного действия кофеина при комплексообразовании интеркалирующего лиганда с ДНК

Abstract

Рассмотрен молекулярный механизм действия кофеина (CF) как комплексообразователя – интерцептора ароматических лигандов, интеркалирующих в ДНК, на примере типичного интеркалятора – фенантридинового красителя бромистого этидия (ЕВ). Изучены процессы само- и гетероассоциации CF и ЕВ, а также их комплексообразования с дезокситетрануклеотидом 5'-d(TpGpCpA) в одинаковых экспериментальных условиях методом одномерной и двухмерной ¹Н-ЯМР спектроскопии (500 МГц). Измерены концентрационные (при температурах 298 и 308 К) и температурные зависимости протонных химических сдвигов молекул в водном растворе. Определены равновесные константы реакций само- и гетероассоциации CF и ЕВ, образования различных типов комплексов между CF, ЕВ и тетрануклеотидом d(TGCA) в мономерной и дуплексной формах, а также значения предельных химических сдвигов протонов ароматических лигандов в составе ассоциатов и комплексов. Рассчитаны наиболее вероятные структуры димера кофеина и 1:1 гетерокомплекса CF–EB в водном растворе. Проведен расчет относительного содержания ассоциатов и комплексов различного типа в смешанном растворе, содержащем CF, ЕВ и d(TGCA). Выявлены особенности динамического равновесия гетероассоциатов CF–EB и гетерокомплексов CF-EB-d(TGCA) в зависимости от концентрации кофеина в смешанном раство­ре. Сделано заключение о том, что снижение эффективности действия лиганда, интеркалирую­щего в ДНК, при добавлении в раствор CF связано в значительной степени с блокированием молекулами кофеина мест посадки на олигонуклеотидной последовательности и в меньшей степени – с образованием гетероассоциатов CF–EB в смешанном растворе.

Розглянуто молекулярний механізм дії кофеїну (CF) як комплексоутворювача – інтерцептора ароматичних лігандів, інтеркалюючих у ДНК, на прикладі типового інтеркалятора – фенантридинієвого барвника бромистого етидію (ЕВ). Вивче­но процеси само- і гетероасоціації CF і ЕВ, а також їхнього комплексоутворення з дезокситетрануклеотидом 5'-d(TpGp-СрА) в однакових експериментальних умовах методом одно-та двовимірної ¹Н-ЯМР спектроскопії (500 МГц). Виміряно концентраційні (при температурах 298 і 308 К) і темпера­турні залежності протонних хімічних зсувів молекул у водно­му розчині. Визначено рівноважні константи реакцій само- і гетероасоціації CF і ЕВ, утворення різних типів комплексів між CF, ЕВ і тетрануклеотидом d(TGCA) в мономірній та дуплексній формах, а також значення граничних хімічних зсувів протонів ароматичних лігандів у складі асоціатів і комплексів. Розраховано найвірогідніиіі структури димеру ко­феїну і 1:1 гетерокомплексу CF-–EB у водному розчині. Здій­снено розрахунок відносного вмісту асоціатів і комплексів різного типу в змішаному розчині, який містить CF, ЕВ і d(TGCA). Виявлено особливості динамічної рівноваги гетероасоціатів CF–EB і гетерокомплексів CF–EB–d(TGCA) в за­лежності від концентрації кофеїну в змішаному розчині. Зроб­лено висновок стосовно того, що зниження ефективності дії ліганду, інтеркалюючого в ДНК, при додаванні в розчин CF у значній мірі пов'язано з блокуванням молекулами кофеїну місць посадки на олігонуклеотидній послідовності і в меншому ступені – з утворенням гетероасоціатів CF–EB у змішаному розчині.

Molecular mechanism of caffeine (CF) action as a complex-forming agent – interceptor of aromatic ligands intercalating into DNA has been examined using as an example a typical intercalator, the phenanthridinium dye, ethidium bromide (EB). Self-association and hetero-association of CF and EB as well as their complexation with deoxytetranucleotide 5'-d(TpGpCpA) under the same experimental conditions have been studied using one- and two-dimensional ¹H-NMR spectroscopy (500 MHz). The concentration dependencies (at 298 K and 308 K) and temperature dependencies of the proton chemical shifts of the molecules in aqueous solution have been measured. Equilibrium constants of self-association and hetero-association of CF and EB as well as equilibrium constants of formation of different complexes between CF, EB and monomer and duplex forms of deoxytetranucleotide d(TGCA) haw been determined. The limiting proton chemical shifts of the aromatic ligands in different associates and complexes have been calculated. The most favourable structures of caffeine dimer and 1:1 CF + EB hetero-complex in aqueous solution have been constructed. The relative content of different types of associates and complexes in the mixed solution containing CF, EB and d(TGCA) has been calculated. Specific features of the dynamic equilibrium between the hetero-associates of CF and EB and their hetero-complexes with d(TGCA), i. e. CF-EB-d(TGCA), have been revealed as a function of concentration of caffeine in the mixed solution. It has been concluded that the decrease in the efficacy of the action of the ligand intercalating into DNA upon the CF addition in the solution is mostly due to the competition for the binding sites of oligonucleotide sequence by caffeine molecules and less – to the formation of CF-EB hetero-association complexes in the mixed solution.