Пущино, г. Москва и Московская область, Россия
Нелинейные конформационные возмущения - кинки, представляющие собой локально расплетенные участки двойной спирали ДНК, играют важную роль в процессах транскрипции, репликации, денатурации. В «нерелятивистском» приближении» кинки ДНК можно рассматривать как квазичастицы, обладающие определенной массой, скоростью и энергией покоя. Если в молекуле ДНК образовался не один, а N кинков, то правомерно поставить вопрос о статистике ансамбля из N кинков ДНК. Статистические свойства такого ансамбля до сих пор остаются малоизученными. В данной работе рассматривается вопрос о статистике ансамбля кинков, активированных в плазмиде pTTQ18. Для расчета термодинамических потенциалов применяется приближение идеального газа. Представлены аналитические формулы для статистической суммы, свободной энергии и энтропии в параметрах плазмиды pTTQ18. Построены графики температурной зависимости этих характеристик. Показано, что с ростом температуры свободная энергия ансамбля кинков уменьшается, а средняя энергия и энтропия увеличиваются, причем на одном и том же заданном интервале температур увеличение энтропии происходит довольно заметно, а увеличение средней энергии происходит очень медленно. Показано, что теплоемкость ансамбля кинков не зависит ни от температуры, ни от вида последовательности, а функция распределения кинков по скоростям имеет форму колокола, высота которого достигает максимума при нулевой скорости кинка.
плазмида pTTQ18, кинки ДНК, статистика ансамбля кинков, статистическая сумма, свободная энергия, энтропия
1. Stark MJR. Multicopy expression vectors carrying the lac repressor gene for regulated high-level expression of genes in Escherichia coli. Gene, 1987, vol. 51, no. 2-3. pp. 255-67.
2. The pTTQ18 DNA sequence [link]. URL: https://media.addgene.org/snapgene-media/v1.6.2-0-4b4ed87/sequences/18/42/121842/addgene-plasmid-69122-sequence-121842.gbk
3. Grinevich A.A., Ryasik A.A., Yakushevich L.V. Trajectories of DNA bubles. Chaos, Solitons & Fractals, 2015, vol. 75, pp. 62-75. DOI:https://doi.org/10.1016/j.chaos.2015.02.009.
4. Якушевич Л.В., Балашова В.Н., Закирьянов Ф.К. О движении кинка ДНК под действием постоянного торсионного момента. Математическая биология и биоинформатика, 2016, т. 11, № 1, c. 81-90, DOI:https://doi.org/10.17537/2016.11.81. @@[Yakushevich L.V., Balashova V.N., Zakiryanov F.K. On the DNA kink motion under the action of constant torque. Mathematical biology and bioinformatics, 2016, vol. 11, no.1, pp. 81-90, DOIhttps://doi.org/10.17537/2016.11.81. (In Russ.)]
5. Shikhovtseva E.S., Nazarov V.N. Non-linear longitudinal compression effect on dynamics of the transcription bubble in DNA. Biophysical Chemistry, 2016, vol. 214-215, pp. 47-53. DOI:https://doi.org/10.1016/j.bpc.2016.05.005.
6. Grinevich A.A., Ryasik A.A., Yakushevich L.V. Modeling the DNA bubbles dynamics. Journal of Biomolecular Structure and Dynamics, 2015, vol. 33, p. 84. DOI:https://doi.org/10.1080/07391102.2015.1032763.
7. Grinevich A.A., Yakushevich L.V. The influence of the DNA torque on the dynamics of transcription bubbles in plasmid pTTQ18. J. Theor. Biol., 2018, vol. 453, pp. 68-77. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jtbi.2018.04.036.
8. Forth S., Sheinin M.Y., Inman J. et al. Torque measurement at the single-molecule level. Annu Rev Biophys., 2013, vol. 42, no. 1, p. 583-604. DOI:https://doi.org/10.1146/annurev-biophys-083012-130412.
9. Severin E.S. Biochemistry. Moscow: GEOTAR-Media, 2016, 750 p.
10. Yakushevich L.V., Krasnobaeva L.A. Ensemble of DNA Kinks. EPJ Web of Conferences, 2019, vol. 224, p. 03005. DOI:https://doi.org/10.1051/epjconf/201922403005.
11. Краснобаева Л.А., Якушевич Л.В. Динамические и статистические свойства кинков ДНК. Биофизика, 2020, т. 65, № 1, c. 29-35. DOI:https://doi.org/10.1134/S0006350920010091. @@[Krasnobaeva L.A., Yakushevich L.V. The Dynamic and Statistical Properties of DNA Kinks. Biophysics, 2020, vol. 65, no. 1, pp. 29-35. DOI:https://doi.org/10.1134/S0006350920010091. (In Russ.)]
12. Yakushevich L.V., Krasnobaeva L.A. A new approach to studies of nonlinear dynamics of kinks activated in inhomogeneous polynucleotide chains. Int. J. Nonl. Mech., 2008, vol. 43, pp. 1074-1081. DOI:https://doi.org/10.1016/j.ijnonlinmec. 2008.05.00.b0100.
13. Караваев Г.Ф. Основные принципы статистической физики. Томск: ТГУ, 1993, 75 c. @@[Karavaev G.F. Basic Principles of Statistical Physics. Tomsk: TSU, 1993, 75 p. (In Russ.)]
14. Квасников И.А. Термодинамика и статистическая физика. Москва: Эдиториал УРСС, 2010, 448 c. @@[Kvasnikov I.A. Thermodynamics and Statistical Physics. Moscow: Editorial URSS, 2010, 448 p. (In Russ.)]
15. Базаров И.П. Термодинамика. Москва: Высшая школа, 1991, 376 с. [Bazarov I.P. Thermodynamics. Moscow: Higher School, 1991, 376 p. (in Russ.)]
16. Леванов А.В., Антипенко Э.Е. Определение термодинамических свойств статистическими методами. Классический идеальный газ. Москва: МГУ, 2006, 44 с. @@[Levanov A.V., Antipenko E.E. Determination of thermodynamic properties by statistical methods. Classic perfect gas. Moscow: MSU, 2006, 44 p. (in Russ.)]
17. Зоммерфельд А. Термодинамика и статистическая физика. Москва, 1955, 482 c. @@[Sommerfeld A. Thermodynamics and Statistical Physics. Moscow, 1955, 482 p. (in Russ.)]
