Application of equilibrium binding model for analysis of conformational transitions in poly(rA)poly(rU) complexes with metal ions

Abstract

Aim. The study is aimed at generalization of the previous experimental results on the metal ion (Mg²⁺, Ni²⁺, Cd²⁺) effects on conformation transitions in poly(rA)poly(rU). The objective was to find out how the type of a metal ion-polynucleotide complex influences the phase transitions and to estimate the constants (K) of ions binding to polymers of different structures. Methods. The K values were obtained upon theoretical and experimental transition temperature fitting by the least-square method with the root mean square deviation minimized through the procedure of the gradient descent in the multidimensional space. Results. Calculations of diagrams with Mg²⁺ are shown to permit obtaining satisfactory results if concentration-independent, mean values of constants are used. For Ni²⁺ and Cd²⁺ the concentration dependence of K must be taken into account, especially for high ion contents at which compaction of single-stranded poly(rA) emerges. It was revealed that the main factor responsible for the differences in diagrams with Ni²⁺ and Cd²⁺ is a significant distinction of their constants of binding to poly(rA) and poly(rU). Conclusions. The model theory of equilibrium binding is capable to describe adequately conformation transitions in polynucleotides in the presence of metal ions.

Роботу присвячено узагальненню отриманих раніше експериментальних результатів щодо впливу іонів металів (Mg²⁺, Ni²⁺, Cd²⁺) на конформаційні переходи в poly(rA)poly(rU). Мета роботи полягала у з’ясуванні впливу типу комплексу іона металу з полінуклеотидом на вид фазового переходу і визначенні констант їхнього зв’язування (К) з полімерами різної структури. Методи. Величини К визначали підгонкою теоретично розрахованих значень температур переходів до експериментальних за методом найменших квадратів з мінімізацією середньоквадратичного відхилення методом градієнтного спуску в багатовимірному просторі. Результати. Розрахунки фазових діаграм за присутності іонів Mg²⁺ показали можливість одержання задовільних результатів при використанні постійних, незалежних від концентрації середніх значень констант. У разі Ni²⁺ і Cd²⁺ такі залежності мають бути враховані, особливо в межах великих концентрацій іонів, де відбувається компактизація однонитчастої poly(rA). Встановлено, що відмінність діаграм з Ni²⁺ і Cd²⁺ обумовлена значною різницею у їхніх константах зв’язування з poly(rA) та poly(rU). Висновки. Отримані результати свідчать про можливість успішного опису конформаційних переходів у полінуклеотидах за присутності іонів металів при використанні модельної теорії рівноважного зв’язування.

Работа посвящена обобщению полученных ранее экспериментальных результатов по влиянию ионов металлов (Mg²⁺, Ni²⁺, Cd²⁺) на конформационные переходы в poly(rA)poly(rU). Цель работы – выяснить, как тип комплекса иона металла с полинуклеотидом влияет на вид фазового перехода, и определить константы связывания (К) ионов с полимерами различной структуры. Методы. Значения К определяли подгонкой теоретически вычисленных значений температур переходов к экспериментальным по методу наименьших квадратов с минимизацией среднеквадратичного отклонения методом градиентного спуска в многомерном пространстве. Результаты. Расчеты фазовых диаграмм в присутствии Mg²⁺ показали возможность получения удовлетворительных результатов при использовании постоянных, не зависящих от концентрации средних значений констант. В случае Ni²⁺ и Cd²⁺ эту зависимость нужно учитывать, особенно в области больших концентраций ионов, где происходит компактизация однонитчатой poly(rA). Установлено, что отличие в диаграммах с Ni²⁺ и Cd²⁺обусловлено существенным различием их констант связывания с poly(rA) и poly(rU). Выводы. Полученные результаты свидетельствуют о возможности успешного описания конформационных переходов в полинуклеотидах в присутствии ионов металлов с помощью модельной теории равновесного связывания.