Физика нуклеиновых кислот
IV курс, VII семестр, специализация «Наноструктуры биологической мембраны» (подгруппа НБ2).
Лившиц Михаил Аронович (дфмн, зав. лаб Физики битополимеров Института молекулярной биологии РАН).
24 часа.
Компетенция: иметь чёткое представление о физико-химических свойствах молекулы ДНК, ее геометрии, ее полимерных свойствах, условиях стабилизации.
Программа
Гибкость полимерных молекул. Идеальная свободно-сочлененная цепь. Размеры полимерного клубка. Энтропийная упругость, высокоэластичность.
Объемные взаимодействия. Хороший/плохой растворитель, θ -точка. Набухание клубка в хорошем растворителе. Коэффициент набухания по П.Флори. Конденсация полимерных клубков и гелей в плохом растворителе.
Экспериментальное определение размеров полимерных клубков. Малоугловое упругое светорассеяние. Радиус инерции клубка. Вискозиметрия, скорость седиментации . Гидродинамический радиус. Броуновское движение клубка.
Изгибная упругость молекулы ДНК. “Червеобразная” модель. Персистентная длина ДНК. Влияние ионной силы. Исключенный объем ДНК. Крутильная жесткость ДНК, флуктуации спирального вращения.
Природа аномально высокой торсионной жесткости ДНК. Составная модель, описывающая упругие свойства молекулы ДНК – сплошной стержень, охваченный жесткой на растяжение-сжатие спиралью.
Статическая и динамическая гибкость. “Кривые” ДНК. Аномальная задержка в геле.
Термодинамическая устойчивость двойной спирали ДНК. Энтальпийно-энтропийная компенсация. Способы наблюдения плавления ДНК. Статистическая термодинамика перехода спираль-клубок в гомополимере: минимизация свободной энергии. Энергия границ, параметр кооперативности. Степень спиральности, средняя длина спирального участка. Длина кооперативности.
Модель Изинга. Отличие перехода спираль-клубок в линейном полимере от истинных фазовых переходов. Теорема Ландау об одномерных системах.
Плавление гетерополимера. Дифференциальные кривые плавления и денатурационные карты для ДНК Умеренных размеров (103-104 п.о.). Ширина кривой плавления высокомолекулярной ДНК.
Полиэлектролитные свойства ДНК. Конденсация противоионов.
Эксперименты по «сверхрастяжению» отдельной молекулы ДНК. Растяжение двуспиральной (ds) и однонитевой (ss) ДНК. Теоретические и экспериментальные подтверждения того, что переход в растянутое состояние (B – S) является плавлением, т.е. (ds-ss), а не (ds-ds) переходом.
Кольцевые замкнутые ДНК. Сверхспирализация. Топоизомеразы I и II. Число и плотность сверхвитков. Экспериментальное определение числа сверхвитков: титрование интеркалятором и двумерный электрофорез. Определение свободной энергии сверспирализации с помощью интеркалятора и из равновесных распределений топоизомеров.
Геометрия и топология КЗ ДНК: порядок зацепления, осевая закрутка, райзинг. Определение торсионной жесткости ДНК с использованием наблюдаемой дисперсии порядка зацепления и расчетной дисперсии райзинга.
Плавление КЗ ДНК. Снижение кооперативности диктуется свободной энергией райзинга.
Неканонические структуры ДНК. Кресты в палиндромах. Z –форма в (GC)n –повторах. Н-форма в гомопурин-гомопиримидиновых повторах при кислых pH. А-форма. Параллельные двойные спирали ДНК. Триплексы. Квадруплексы. G-квартеты.
Список литературы
1. А.Ю.Гросберг, А.Р.Хохлов. Статистическая физика макромолекул. «Наука», 1989
2. Ч.Кантор, П.Шиммел. Биофизическая химия, т.1, 2, 3. 1984, 1985
3. М.В.Волькенштейн. Биофизика. «Наука», 1988
4. А.В.Вологодский. Топология и физические свойства кольцевых ДНК. «Наука», 1988
5. М.Д.Франк-Каменецкий. Век ДНК, Изд-во «КДУ», 2004
6. I.Rouzina, V.Bloomfield. Biophys. J. 80, 882-893, 2001
7. C.Bustamante et.al. Nature, 442, 836-839, 2006
Программу составил зав. лаб. физики биополимеров ИМБ РАН д. ф-м. н. М.А.Лившиц
Аннотированный список лекций
Лекция 1. Гибкость полимерных молекул. Идеальная свободно-сочлененная цепь. Размеры полимерного клубка. Энтропийная упругость, высокоэластичность.
Лекция 2. Объемные взаимодействия. Хороший/плохой растворитель, θ -точка. Набухание клубка в хорошем растворителе. Коэффициент набухания по П.Флори. Конденсация полимерных клубков и гелей в плохом растворителе.
Лекция 3. Экспериментальное определение размеров полимерных клубков. Малоугловое упругое светорассеяние. Радиус инерции клубка. Вискозиметрия, скорость седиментации . Гидродинамический радиус. Броуновское движение клубка.
Лекция 4. Изгибная упругость молекулы ДНК. “Червеобразная” модель. Персистентная длина ДНК. Влияние ионной силы. Исключенный объем ДНК. Крутильная жесткость ДНК, флуктуации спирального вращения.
Лекция 5. Природа аномально высокой торсионной жесткости ДНК. Составная модель, описывающая упругие свойства молекулы ДНК – сплошной стержень, охваченный жесткой на растяжение-сжатие спиралью.
Статическая и динамическая гибкость. “Кривые” ДНК. Аномальная задержка в геле.
Лекция 6. Термодинамическая устойчивость двойной спирали ДНК. Энтальпийно-энтропийная компенсация. Способы наблюдения плавления ДНК. Статистическая термодинамика перехода спираль-клубок в гомополимере: минимизация свободной энергии. Энергия границ, параметр кооперативности. Степень спиральности, средняя длина спирального участка. Длина кооперативности.
Лекция 7. Модель Изинга. Отличие перехода спираль-клубок в линейном полимере от истинных фазовых переходов. Теорема Ландау об одномерных системах.
Плавление гетерополимера. Дифференциальные кривые плавления и денатурационные карты для ДНК Умеренных размеров (103-104 п.о.). Ширина кривой плавления высокомолекулярной ДНК.
Полиэлектролитные свойства ДНК. Конденсация противоионов.
Лекция 8. Эксперименты по «сверхрастяжению» отдельной молекулы ДНК. Растяжение двуспиральной (ds) и однонитевой (ss) ДНК. Теоретические и экспериментальные подтверждения того, что переход в растянутое состояние (B – S) является плавлением, т.е. (ds-ss), а не (ds-ds) переходом.
Лекция 9. Кольцевые замкнутые ДНК. Сверхспирализация. Топоизомеразы I и II. Число и плотность сверхвитков. Экспериментальное определение числа сверхвитков: титрование интеркалятором и двумерный электрофорез. Определение свободной энергии сверспирализации с помощью интеркалятора и из равновесных распределений топоизомеров.
Лекция 10. Геометрия и топология КЗ ДНК: порядок зацепления, осевая закрутка, райзинг. Определение торсионной жесткости ДНК с использованием наблюдаемой дисперсии порядка зацепления и расчетной дисперсии райзинга.
Плавление КЗ ДНК. Снижение кооперативности диктуется свободной энергией райзинга.
Лекция 11. Неканонические структуры ДНК. Кресты в палиндромах. Z –форма в (GC)n –повторах. Н-форма в гомопурин-гомопиримидиновых повторах при кислых pH. А-форма. Параллельные двойные спирали ДНК. Триплексы. Квадруплексы. G-квартеты.
Промежуточная аттестация и Список вопросов в билетах
- по пунктам программы.
