Фізико-хімічні механізми біомолекулярного впізнавання

Вперше отримано такі результати.

За схильністю до спонтанного дезамінування канонічні основи ДНК утворюють ряд Gua > Cyt > Ade. Лише для Ade та переважної більшості його похідних цей процес є ендотермічним; для Gua, Cyt та всіх без винятку їхніх похідних він має екзотермічний характер. Серед структурних ізомерів амінопурину найменшу схильність до спонтанного дезамінування має лише Ade. Метильовані по глікозидному зв'язку канонічні основи ДНК за своєю здатністю спонтанно дезамінуватися утворюють ряд m¹Cyt > Cyt, m⁹Gua < Gua і m⁹Ade > Ade. Нетипова поведінка Gua і m⁹Gua пояснюється фіксацією метилюванням високоенергетичної таутомерної форми продукту дезамінування останнього в формі m⁹Xan. Продукти дезамінування всих досліджених сполук, що належать до класу структурно-нежорстких молекул, є планарними квазіжорсткими молекулами. У переважній більшості випадків дезамінування не спричиняє таутомерних переходів.

Спонтанне пошкодження кисневими радикалами. Враховуючи біологічну значущість цього процесу було вивчено його енергетичний (ентальпію) та структурний (заміну стереохімічної нежорсткості і таутомерного стану) аспекти. Задача з подібною постановкою (особливо в обчислювально-теоретичній площині) не попадала в поле зору дослідників. Приймаючи до уваги, що найбільшу біологічну значущість мають продукти пошкодження кисневими радикалами саме пуринових основ (Полтев, Брусков и др., 1993), об'єктами дослідження вибрано Ade і Gua, їхні метильовані по дев'ятому положенню аналоги, що є найпростішими моделями нуклеозидів, продукти дезамінування цих сполук, а також деякі “модельні” молекули (Im, Pur, m¹Im та m⁹Pur).

Вперше отримано такі результати. Встановлено, що для всих без винятку досліджених молекул найімовірнішим місцем приєднання кисню в процесі їхнього окислення є атом С8 імідазольного кільця (С2 - у випадку Im і m¹Im).

За схильністю до окислення досліджені сполуки утворюють ряди Gua>Ade, m⁹Gua>m⁹Ade, причому m⁹Ade>Ade, m⁹Gua>Gua. Останні два співвідношення можуть свідчити про те, що при переході від основи до нуклеозиду схильність до ушкоджень кисневими радикалами підвищується. При цьому молекули-продукти дезамінування у порівнянні з вихідними основами з аміногрупою та їхніми метильованими в дев'ятому положенні похідними проявляють меншу здатність до цього процесу. Порівняння відповідних ентальпій для Im (m¹Im) та пуринових основ (метильованих в дев'ятому положенні аналогів) вказує на значну їхню залежність від конденсації імідазольного кільця із піримідиновим. У всих випадках, за винятком Xan, ця конденсація призводить до суттєвого зниження ентальпії реакції окислення. Окислення пуринових основ суттєво змінює їхню квазіжорсткість. Це пов'язано з тим, що молекула о²Im у порівнянні з Im є значно м'якшою структурою по відношенню до непланарних деформацій. Змін таутомерного стану при ушкодженні азотистих основ пуринового ряду кисневими радикалами не зафіксовано.

Викладені вище результати дозволяють зробити дуже важливий, на погляд автора, висновок: головна відмінність нуклеотидних основ, а відтак - і НК від органічних полімерів - представників неживої природи криється, очевидно, у тому, що вони поєднують у собі унікально широкий спектр фізико-хімічних форм структурної мінливості, кожна з яких притаманна окремим класам органічних молекул - представників неживого світу. Водночас ця характерна властивість НК таїть у собі, вочевидь, і негативний сенс з точки зору тривалості безперебійного їхнього функціювання. Цілком можливо, що саме вона є джерелом так званих додаткових біохімічних активностей (Bartosz, 1981), які не "вписуються" в класичні схеми метаболізму і спричиняють перебіг параметаболічних процесів, що призводять врешті-решт до старіння (Голубев, 1996). Можна також припустити, що розмаїття фізико-хімічних форм структурної мінливості НК, про які йшлося вище, є конкретним мікроструктурним наповненням їхньої "кінетичної довершеності", яка розцінюється як засіб і як результат еволюційного процесу (Шноль, 1979).

Спектроскопічне дослідження твердофазних комплексів, що моделюють точкові білково-нуклеїнові і нуклеїново-нуклеїнові контакти

На базі серійного приладу ДФС-24 створено високочутливий лазерний трьохпроменевий Раманівський спектрометр для реєстрації високоякісних спектрів біополімерів і їхніх компонентів у широкому діапазоні частот, що має поліфункціональні можливості, високі метрологічні характеристики і рівень автоматизації. У складі цієї установки використано низку власних розробок, з-поміж них: оригінальні конструкції магнітних дефокусуючих насадок для підвищення порогової чутливості ФЕП; просту цифрову схему усунення впливу нестабільності лазера на якість отримуваних спектрів, а також цифровий пристрій, що дозволяє нормувати фоточутливості основного і опорного каналів спектрометра на оптичний сигнал від коригуючого джерела; високоефективний метод зниження розсіяного монохроматором світла поблизу лінії збудження, що розширює нижню границю спектрального діапазону до 10 см^-1 при дослідженнях сильнорозсіюючих зразків. Розроблено також методику збудження Раманівських спектрів компонентів біополімерів та їхніх комплексів в полікристалічному стані. До неї входить підготовка зразків для дослідження та використання оригінальних кювет - це дозволяє суттєво поліпшити співвідношення сигнал/шум на вхідній щілині монохроматора за мінімальної кількості речовини і невеликої потужності лазера.

Експериментально обґрунтовано застосування низькочастотної Раманівської спектроскопії як ефективного методу вивчення структурно-динамічних властивостей твердофазних нуклеїново-нуклеїнових і білково-нуклеїнових комплексів.

Отримано найбільш повні низькочастотні (10 см^-1 < н < 200 см^-1) Раманівські спектри (для деяких об'єктів такі дані отримано вперше) компонентів нуклеїнових кислот, що послідовно ускладнюються (канонічних нуклеотидних основ і їх метильованих в місці глікозидного зв'язку похідних, нуклеозидів і нуклеотидів), а також деяких твердофазних комплексів (Cyt:F-Gly, Cyt:Benz-Gly), що моделюють "точкові" білково-нуклеїнові контакти, в полікристалічному стані. На основі якісної інтерпретації цих спектрів одержано дані про деякі структурно-динамічні та фізико-хімічні особливості досліджених об'єктів.

Так, методом низькочастотної Раманівської спектроскопії встановлено, зокрема, що при кімнатній температурі тільки у випадку Cyt гідратація супроводжується істотною перебудовою двовимірної сітки кооперативних Н-зв'язків у тривимірну з участю молекул кристалізаційної води як рівноправних партнерів. В інших випадках ( Ura, Thy, Ade) додаткові Н-зв'язки з участю кристалізаційної води не перебудовують істотньо при кімнатній температурі вихідну сітку кооперативних Н-зв'язків - їх можна розглядати як слабке збурення, що практично не відбивається на фононній динаміці кристалів. Про це свідчить майже ідентичність граткових Раманівських спектрів безводних кристалів і їхніх кристалогідратів. Лише на частотах ~ 10 см^-1 кристалогідрати демонструють підсилене дифузне розсіяння на квазілокальних модах кристалізаційної води.

Відсутність задовільної кореляції між експериментальними частотами граткових коливань, що спостерігаються у Раманівських спектрах кристалів сухого Cyt і його моногідрата, і розрахунками аналогічних частот, виконаними у наближенні жорсткої молекули (Weber, Kirin, 1992), вказує на неприйнятність останнього - структурна нежорсткість основ з аміногрупою сильно впливає на низькочастотну динаміку кристалічної гратки через взаємодію внутрішньомолекулярних і зовнішніх коливальних ступенів вільності. Очевидно, така ж сама ситуація має місце і в ДНК - її низькочастотні внутрішньо-молекулярні коливання сильно взаємодіють між собою та з поздовжніми акустичними фононами.

В кристалах Thy, m¹Thy, m¹Ura, m¹Cyt і m⁹Ade зареєстровано тунельне розщеплення внутрішньомолекулярного торсійного коливання Ме-групи, яке проявляється у Раманівських спектрах як слабка дублетна смуга і має величину 172,2-154,5=17,7 , 164,7-137,8=26,9 (для Ме-групи при атомі N1), 176,7-150,2=26,5, 153,8-139,8=14,0 і 155,8-130,5=25,3 см^-1 відповідно. На основі експериментальних частот тунелювання і геометричної структури основ визначено енергетичні і кінематичні характеристики Ме-групи - бар'єр обертання (1,05;0,68 (для Ме-групи при атомі N1); 0,69; 1,25 і 0,74 ккал/моль), середню амплітуду торсійних лібрацій при фізіологічній температурі (12,6; 13,8 (для Ме-групи при атомі N1); 12,6; 14,1 і 14,4°) та торсійну силову постійну (6,28; 5,85 (для Ме-групи при атомі N1) 6,83; 5,51 і 5,24 ккал/моль)(для Thy, m¹Thy, m¹Ura, m¹Cyt і m⁹Ade відповідно). Встановлено, що Ме-група є значно м'якшим (лабільнішим) структурним фрагментом, ніж гетероцикли основ - її торсійна силова постійна менша, ніж силова постійна на згинання гетероциклу приблизно у 2 (для піримідинів) - 3 (для пуринів) рази. Ці дані дозволяють відтворити динамічну поведінку Ме-групи у досліджених сполуках при фізіологічній температурі: її торсійне коливання (лібрація) відносно екзоциклічного зв'язку NС чи СС, що відбувається в околі тимчасового положення рівноваги з частотою близько 150 см^-1 і амплітудою ~ 13,5°, періодично переривається (модулюється) низькочастотним (~ 22 см^-1) тунельним прокручуванням на кут 120° у наступне тимчасове положення рівноваги. Таким чином, нуклеотидні основи з Ме-групою є типовими молекулами, що мають квантову геометрію.

Частота торсійного коливання Ме-групи Thy близька до частоти високоінтенсивного добротного коливання, яке спостерігається в Раманівських спектрах ДНК на частоті ~ 20 см^-1 (Urabe et al., 1984), що вказує на резонансну взаємодію цих низькоенергетичних коливальних рухів і тим самим на важливий вклад Thy в динаміку ДНК. Узагальнення отриманих даних щодо закономірностей поведінки низькочастотних Раманівських спектрів модельних об'єктів ДНК, що послідовно ускладнюються, починаючи основами і закінчуючи нуклеотидами, і торсійних силових постійних для Ме-груп основ при глікозидному атомі азоту, а також простих модельних розрахунків і літературних даних щодо природи найінтенсивніших граткових коливань шаруватих кристалів, що складаються із гетероциклічних молекул (Шабанов и др., 1989), свідчать про те, що згадувана вище мода при ~ 20 см^-1 є не що інше, як внутрішньо-молекулярне оптичне коливання - колективна лібрація спарених основ ДНК навколо глікозидних зв'язків, що розповсюджується вздовж макромолекули. Тим самим цілковито підтверджуються модельні уявлення про походження низькочастотної рухомості ДНК, вперше запропоновані Малєєвим ще в 1965 році.

Методом “спектральної калориметрії” (Иогансен, 1981) вперше визначено енергетику міжмолекулярних Н-зв'язків у кристалах і співкристалізатах нуклеотидних основ та їхніх метильованих на глікозидному атомі азоту похідних - модельних об'єктах нуклеїново-нуклеїнового впізнавання (всього досліджено 12 сполук). Встановлено, що вони належать до розряду середніх (~6 ккал/моль), при цьому ентальпія міжмолекулярних Н-зв'язків в досліджених кристалах і співкристалізатах нуклеотидних основ корелює з їхніми рентгеноструктурними довжинами. При переході з газового стану в кристалічний або в низькотемпературну інертну матрицю довжини міжмолекулярних Н-зв'язків скорочуються, що призводить до підвищення їхньої енергетики. Так, наприклад, в циклічній Н-зв'язаній парі m¹Ura:m¹Ura ентальпія міжмолекулярних Н-зв'язків при переході з вільного стану в кристалічний зростає на ~25%, причому, в низькотемпературній інертній матриці їхня ентальпія не менша, ніж у кристалі.

Вперше встановлено, що міжмолекулярні Н-зв'язки в кристалах і співкристалізатах нуклеотидних основ мають неадитивний характер: в твердофазних комплексах нуклеотидних основ, що містять аміногрупи, сумарна ентальпія водневих зв'язків всередині пари менша аналогічної величини для вакууму (відбувається взаємне послаблення Н-зв'язків), а Н-зв'язки з участю іміногруп міцніші, ніж зв'язки з участю аміногруп у тому ж самому комплексі. В кристалах, де структурним мотивом є циклічні пари, які не утворюють міжпарних Н-зв'язків, сумарна ентальпія Н-зв'язків в парі перевищує аналогічну величину для вакууму - відбувається, зокрема, їхнє взаємопідсилення. Вперше показано, що в досліджених кристалах і співкристалізатах нуклеотидних основ внесок міжмолекулярних Н-зв'язків в енергію кристалічної гратки не є визначальним - переважають неспецифічні сили пакування. При цьому вплив міжшарових взаємодій на енергетику внутрішньошарових Н-зв'язків невеликий. Це дає додаткову інформацію про співвідношення внесків горизонтальних (Н-зв'язки) і вертикальних (стекінг) взаємодій в стабільність ДНК.

Встановлено, що у вологих плівках ДНК ентальпія Н-зв'язків з участю аміно- і іміногруп однакова і менша аналогічних величин у співкристалізаті eth⁹Gua:m¹Cyt, що містить Уотсон-Криківські пари основ.

Детальний аналіз низки неординарних (з точки зору усталених поглядів на їхню будову) фізико-хімічних властивостей кристалів нуклеотидних основ з аміногрупою, а саме - невпорядкованості сухої решітки, яка суттєво знижується при зволожуванні та дейтеруванні (Гуменюк, 1980) та наявності дефектів-пасток носіїв заряду (Остапенко та ін., 1990), пропелероподібної конформації Н-зв'язаних молекулярних шарів (Craven et al., 1980), температурних аномалій діелектричної проникності і тангенса кута втрат та пов'язаних з ними структурних переходів (Богатіна та ін., 1980), порушень правил відбору в поляризованих коливальних спектрах (Weber et al., 1992) і розщеплення низькочастотних (?<200 см^-1) смуг коливань при кріогенних температурах (Beetz et al.,1980), контактної конформерії (Зоркий и др., 1979) тощо дозволив дійти висновку про те, що спільною мікроструктурною причиною цих ефектів є структурна нежорсткість самих основ та особливості стекінгових взаємодій між ними, які виходять за рамки традиційних уявлень і не зводяться до неспрямованих, неспецифічних взаємодій між паралельно чи квазіпаралельно (Sponer at al., 1998) орієнтованими статичними гетероциклічними молекулами. Доведено, що при конденсації нуклеотидні основи з аміногрупою утворюють Ян-Теллерівські кристали, характерною особливістю котрих є наявність, поряд з традиційним стекінгом, специфічних кулонівських контактів ВЕП амінних атомів азоту з атомами водню молекул із сусідніх (верхніх чи нижніх) шарів, які можна розцінювати як міжшарові (вертикальні) Н-зв'язки. Такі міжшарові взаємодії посилюють пірамідальність амінних фрагментів (бар'єр площинної інверсії зростає при переході із верхнього стану у кристалічний більше, ніж на порядок - найбільш показовими у цьому відношенні прикладами є кристали m⁹Ade (Craven et al., 1980) і АМР (Kraut et al., 1963)), а залежність ступеню корельованості цих структурно-динамічних збурень великої амплітуди, яка лежить в основі кооперативного ефекту Яна-Теллера, від температури, спричиняє структурні переходи типу "лад-безлад". Встановлено, що ці уявлення не обмежуються лише кристалами нуклеотидних основ і можуть бути розповсюджені на ДНК. Про це свідчить, зокрема, розумна оцінка величини бар'єру площинної інверсії аміногрупи Ade ДНК (~1,7 ккал/моль), отримана за умови, що температура, при якій спостерігається перехід протонної системи ДНК у стані плівки типу "лад-безлад" (Ruprecht et al., 1994) збігається з температурою кооперативного Ян-Теллерівського переходу, що відповідає "плавленню" вертикальних Н-зв'язків на збагачених парами Ade:Thy її ділянках.

Беручи до уваги далеко не випадкову аналогію між ДНК і склом (Гольданский, 1987),а також той факт, що в ДНК, як і у склі, двоямні конфігурації мають одночасно як механічні, так і електричні властивості, можна очікувати наявність у ДНК таких самих нелінійно-динамічних ефектів, що й у склі (Смоляков, Хаймович, 1982; Клингер, 1987). З-поміж них - генерація когерентних електричних і акустичних сигналів-відгуків, нелінійна акустична прозорість, істотня залежність ультразвукового поглинання від потужності електромагнітного поля і резонансна поведінка у залежності від частоти останнього, наявність електромагнітного випромінювання при структурних переходах та суттєва залежність поблизу них діелектричної проникності від зовнішнього електричного поля тощо - явищ, що можуть безпосередньо стосуватися функціювання ДНК.

На основі дослідження напівемпіричним квантовохімічним методом MNDO/Н ГППЕ Уотсон-Криківських пар Ade:Thy і Gua:Cyt у вільному стані запропоновано структурно-динамічну модель спонтанних напіврозкритих станів дволанцюгової ДНК. В рамках цієї моделі вищезгадані стани ДНК ототожнюються з перехідними станами внутрішнього повертання аміногрупи Ade, Gua і Cyt у Уотсон-Криківських парах Ade:Thy і Gua:Cyt а також з конфігураційною нестійкістю пари Ade:Thy. У першому випадку характерною структурною особливістю цих станів є наявність пари біфуркативних Н-зв'язків за участі еквівалентних амінних атомів водню і атома кисню комплементарної основи, що забезпечуються значною деформацією аміногрупи, а саме - зростанням кута нахилу її площини до екзоциклічного зв'язку СN до ~ 52° - 55° у перехідному стані її внутрішнього повертання, а також орієнтація ВЕП амінних атомів азоту, що мають значно вищу протофільність у порівнянні з основним конформаційним станом пари, у відповідну борозенку ДНК. Незважаючи на те, що ці стани стабілізуються більшою кількістю (на один) внутрішньо-молекулярних Н-зв'язків, ніж основні конформаційні стани Уотсон-Криківських пар, їхня сумарна енергетика виявляється значно меншою, ніж енергія класичних Уотсон-Криківських Н-зв'язків, тобто в перехідних станах внутрішнього повертання аміногрупи взаємодія між комплементарними основами істотньо послаблюється. У другому випадку пара Ade:Thy поводить себе як "гойдалка" - переходить із основного, класичного стану у високоенергетичний метастабільний, що стабілізується двома внутрішньопарними Н-зв'язками N3Н(Thy)…N1(Ade) і С2Н(Ade)…О2(Thy) із значно послабленим Н-зв'язком за участю аміногрупи Ade і атома кисню О4 Thy. Аналіз участі спонтанних напіврозкритих станів ДНК у процесах білково-нуклеїнового впізнавання, що призводять до розплітання ДНК білком, дозволяє зробити висновок про провідну роль у цьому процесі ділянок ДНК, збагачених на пари Ade:Thy. Саме на таких ділянках створюються найсприятливіші умови для розплітання ДНК білком, що специфічно взаємодіє з її великою борозенкою.

Розроблено також структурно-динамічну модель просторової викривленості лінійної ДНК. В основу її покладено нові фізико-хімічні уявлення про стекінг Уотсон-Криківських пар нуклеотидних основ та про аміногрупу останніх як нелінійно-динамічний "молекулярний суглоб", рухомість якого контролюється як класичними горизонтальними Н-зв'язами за участю амінних атомів водню, так і вертикальними Н-зв'язами, де роль акцептора протона відіграє ВЕП амінних атомів азоту. Локальна викривленість лінійної ДНК, яка суттєво залежить від послідовності, виникає внаслідок некопланарності Уотсон-Криківських пар нуклеотидних основ та клиноподібної орієнтації сусідніх пар. Унікальним з цієї точки зору прикладом є полінуклеотид poly dA · poly dT - "міцний горішок" структурної біології - з аномально високою просторовою викривленістю. Аналіз її квантово-хімічного походження методом MNDO/Н в рамках запропонованої моделі свідчить про те, що основним стереоелектронним чинником, який забезпечує клиноподібну орієнтацію сусідніх пар Ade:Thy, є вертикальні Н-зв'язки …N6Н…N6Н…N6Н… між амінними зв'язками аденінів, що беруть участь у горизонтальних Уотсон-Криківських Н-зв'язках. Ці вертикальні міжпланарні "скріпки", які мають кооперативний характер та суттєво динамічне походження і посилюються із зростанням їхньої кількості, асиметрично пірамідалізують аміногрупу Ade, збільшуючи тим самим її ефективний розмір вздовж довгої осі полінуклеотиду і як наслідок - відстань між сусідніми аміногрупами: виникає клиноподібна орієнтація сусідніх пар Ade:Thy із аномально вузькою малою борозенкою і аномально високим значенням кута пропелер-твіст кожної пари, яка додатково стабілізується міжпарними Н-зв'язами С2Н(Ade_n+1)…O2(Thy_n), які біфуркують з внутрішньонуклеотидними Н-зв'язками O2(Thy_n)… Н1'С1'(Thy_n). Такі уявлення дозволяють не лише витлумачити на мікроструктурному рівні з єдиних фізико-хімічних позицій цілу низку ефектів, пов'язаних із залежністю просторової викривленості лінійної ДНК та кореляційної поведінки її амінопротонів від її послідовності, а й подолати досить стійкі стереотипи, що побутують тривалий час у структурній і молекулярній біології. Перший із них стосується природи просторової викривленості ДНК у високоспецифічних білково-нуклеїнових комплексах. Раніше для пояснення цього феномену використовували виключно електростатичні уявлення в рамках моделі ДНК як пружного стрижня, які зводили локальні вигини ДНК до просторової неоднорідності компенсації зарядів фосфатних груп, що тягне за собою через градієнт кулонівських сил локальну деформацію ДНК, як пружного стержня без збурення його внутрішньої структури. Тепер стало зрозуміло, що цей процес відбувається за сприяння аміногруп основ ДНК як "молекулярних суглобів", оскільки зміна заряду на фосфаті дистанційно (через систему хімічних зв'язків) і найголовніше - специфічно впливає на їхню нелінійно-динамічну рухомість, яка в свою чергу спричиняє локальний вигин ДНК. Другий стереотип стосується наявності у полінуклеотиді poly dA · poly dT неканонічних Н-зв'язків відповідальних за його "аномальну" просторову архітектоніку, - з'ясувалося, що так звані міжланцюгові похилі Н-зв'язки (Klug et al., 1987) не мають до цього ефекту безпосереднього відношення, причому саме їхнє існування є вельми проблематичним і оцінюється нині на рівні кількох відсотків (Levitt et al., 1996).

З вищевикладеними моделями тісно пов'язана запропонована автором структурно-динамічна модель передплавлення ДНК. Згідно з нею процес передплавлення ДНК інтерпретується як термотропний мезогенезис структурно нежорсткого квазіодновимірного кристалу: термотропні мезофази виникають внаслідок поетапної втрати ним динамічної стійкості, зумовленої анізотропним наростанням ангармонізму конформаційних ступенів вільності, пов'язаних зокрема з інтерконверсією амінного фрагмента та гнучкістю кілець нуклеотидних основ з підвищенням температури. Такий нелінійно-динамічий сценарій постадійного розвитку структурних перетворень, що передують плавленню ДНК, узгоджується з даними ЯМР (Lane et al., 1989) і дозволяє класифікувати їх за динамічними ознаками, спираючись на теорему віріала. Найбільша біологічна значущість цієї моделі полягає в тому, що вона передбачає можливість дистанційної активації ДНК поздовжніми нелінійними конформонами, наприклад у процесах реплікації, за більш складним і функціонально привабливішим механізмом, аніж проста бінарна схема "все - або нічого", як це традиційно вважалося раніше. Запропоновано мікроструктурну модель далекодії в ДНК - одного із фундаментальних і водночас чи не найменш зрозумілих феноменів молекулярної біології. Суть його полягає в тому, що як показує експеримент (Pohl et al., 1972; Kamzolova et al., 1973), взаємодія білкової молекули P₁ із сайтом S₁ ДНК може впливати і навіть змінювати характер взаємодії білкової молекули P₂ із сайтом S₂ ДНК - при цьому відстань між сайтами S₁ і S₂ може сягати тисяч пар основ ДНК. Головний недолік існуючих нелінійно-динамічних підходів до пояснення фізико-хімічного механізму далекодії в ДНК (Yakushevich, 1998) полягає в тому, що вони грунтуються на високоенергетичних збудженнях, характерна енергія котрих більше, ніж на порядок перевищує кТ при фізіологічній температурі. Має місце невідповідність інформаційного характеру нелінійних, нерівноважних конформонів, що розповсюджуються вздовж ДНК і забезпечують далекодію, їхній енергетиці. Окрім того, відомі моделі не є бездоганними і щодо механізмів ініціації та рецепції конформонів - носіїв далекодії, які однозначно не пов'язуються з їхньою фізико-хімічною природою. Насамкінець, вони практично не адаптовані до умов внутрішньоклітинної компартменталізації, що є одним із атрибутів живого.

Запропонований нелінійно-динамічний механізм далекодії є низькоенергетичним і має послідовне квантовохімічне обгрунтування, оскільки базується на добре вивчених нами явищах стереохімічної нежорсткості канонічних нуклеотидних основ і залежності її від зарядового стану останніх, динамічної стереоізомерії комплементарних пар основ ДНК та на нових уявленнях про стекінг останніх. Він дає відповідь як на фізико-хімічну природу сигналу далекодії, так і на механізми його ініціації і рецепції. Перша вбачається у великоамплітудних дипольно-активних віялових коливаннях аміногруп спарених основ ДНК, які суттєво взаємодіють з низькочастотними колективними лібраціями основ навколо глікозидних зв'язків і для яких виконуються класичні умови (Давидов, 1988; Яремко, 1996) автолокалізації у стаціонарні солітони. При цьому механізм запуску інформаційної нелінійної хвилі вздовж ДНК зводиться до локального збурення аміногруп ДНК за рахунок втягування відповідних фосфатних груп ДНК у Н-зв'язки з кислими амінокислотними залишками білка, можливо навіть з віртуальним перенесенням протона на фосфати, - що з необхідністю спричиняє локальну зміну зарядового стану системи з усима наслідками, що з цього випливають.

Принциповим моментом запропонованої моделі є те, що розповсюдження нелінійного конформона вздовж ДНК супроводжується локальним викривленням останньої. Саме завдяки такому динамічному викривленню і реалізується керований здалеку специфічний локальний контакт ДНК з білком P₂, який стає неможливим при відсутності сигналу через чисто стеричні перепони. При реалізації цього адресного контакту в дію вступає класичний механізм структурно-динамічної відповідності місць впізнавання. Не виключено, що ця структурно-динамічна відповідність, яка забезпечує безпомилковість процесу впізнавання, реалізується тоді, коли і по білковій молекулі синхронно розповсюджується, так би мовити “комплементарний” солітон і функціонально значущий контакт реалізується лише при їхній зустрічі і взаємодії. Дуже важливо, що солітони в ДНК, як і солітони в білках (Яремко, 1996) є дипольно-активними збудженнями. Це дозволяє ефективно взаємоузгодити процес їхнього високоселективного, адаптивного зближення назустріч один одному за рахунок, зокрема, резонансних електромагнітних взаємодій.

Запропонована модель далекодії в ДНК адаптована до умов внутрішньоклітинної компартменталізації, оскільки не вимагає для своєї реалізації надлишкового вільного об'єму. Тут, як і при перебігові хімічних реакцій у конденсованій фазі за умов дефіциту вільного об'єму, провідну роль очевидно відіграють локальні флуктуації ентропії, які дозволяють ДНК і білкам вступати у взаємодію між собою у функціонально-значущій конформації (перехідному стані). Проте на відміну від конденсованого середовища, де перебіг подібних процесів контролюється рівноважною густиною таких флуктуацій (Бурштейн, 1978), у клітині вони, очевидно, регулюються частотою їхнього планового формування, оскільки на відміну від фізичного середовища, у живій клітині переважна більшість, якщо не всі процеси є взаємнодетермінованими, індукованими, а не спонтанними, і до того ж відбуваються в умовах суттєвої термодинамічної нерівноважності та просторової гетерогенності.

Дуже важливо з біологічної точки зору, що запропонована модель допускає циклічний режим свого функціонування.

Одним з найбільш негативних фізико-хімічних чинників, що перешкоджають виникненню і ефективному розповсюдженню вздовж ДНК нелінійних нерівноважних конформонів, відповідальних за ефект далекодії, є наявність водного оточення, яке є їхнім потужним демпфером (Lindsay, 1986). Очевидно, саме з цієї причини не вдається експериментально їх спостерігати в ДНК поза клітиною. В реальних умовах функціонування ДНК у клітині цей фактор, очевидно, відсутній (Verkman, 1993).

Розвинуто нові уявлення про молекулярні механізми генотоксичної дії УФ-опромінення на НК. Один із них ґрунтується на вперше зафіксованому ефекті радикальної зміни топології ГППЕ нуклеотидних основ з аміногрупою при переході із основного електронного стану S₀ у перший збуджений S₁ : відбувається трансформація двоямного дзеркально-симетричного адіабатичного потенціалу площинної інверсії амінного фрагменту СNН₂ у одноямний (його мінімум відповідає планарній структурі), характер повертальної анізотропії аміногрупи при цьому не змінюється (дещо зростають лише бар'єри повертання). Така поведінка основ пов'язана із значним посиленням р-спряження ВЕП амінного атома азоту з електронною системою кільця і значно загальмовує конформаційну гнучкість Уотсон-Криківських пар ДНК відносно кутів "пропелер-твіст" і "злам". Таким чином, УФ-опромінення здатне збурювати локальну викривленість ДНК, оскільки остання визначається стереохімічною нежорсткістю основ з аміногрупою та вертикальними Н-зв'язками між ними, порушуючи тим самим перебіг синхронізованих у просторі і часі високоспецифічних процесів білково-нуклеїнового впізнавання. Окрім того, при релаксації опроміненої ДНК в ній можуть ініціюватися поздовжні нелінійні конформони - носії далекодії. Розповсюджуючись вздовж ДНК, вони започатковують несанкціоновані її локальні вигини, що теж призводить до порушення природнього перебігу функціонально важливих білково-нуклеїнових взаємодій. Сценарій розвитку подій подібного типу на молекулярному рівні особливо небезпечний з точки зору ефективного блокування їхнього подальшого розвитку, а значить - і наслідків, ферментними системами, оскільки УФ-світло не спричиняє хімічної модифікації ДНК, збурюючи лише на короткий час її конформацію. Природньо, що такого типу віртуальні "пошкодження" не можуть бути зареєстровані біохімічними методами, оскільки після опромінення ДНК досить швидко повертається у нативний стан.

Нарешті генотоксична дія УФ-опромінення може бути пов'язана з відомим ефектом фотоіндукованої ізомеризації (Дьячков, Левин, 1987). Цей механізм може розвиватися на ділянках ДНК, збагачених на пари Gua:Cyt, оскільки ні Gua, ні Cyt не є енергетично найвигіднішими структрними ізомерами, порушуючи тим самим кодові властивості ДНК.

Вивчено фізико-хімічні засади кооперативності - однієї з найхарактерніших ознак біологічних систем на молекулярному рівні (Karreman, 1980). Спираючись на результати власних досліджень стереохімічної нежорсткості нуклеотидних основ і деяких нуклеозидів та їхньої квантовохімічної природи, а також на концепцію вібронних взаємодій (Берсукер, 1987), доведено, що елементарними структурними ланками - носіями кооперативних властивостей НК є нуклеозиди - Ян-Теллерівські молекулярні структури, а низькоенергетична кооперативна поведінка НК зумовлена колективними вібронними взаємодіями. На підставі цих результатів зроблено принципово важливе припущення про те, що саме низькоенергетичні (тобто такі, енергія котрих співмірна з середньою тепловою енергією при фізіологічній температурі) електронно-конформаційні збудження НК, доцільно ініційовані у той чи інший спосіб (резонансний чи нерезоансний) шляхом вібронного управління - збуренням неадіабатичного змішування електронних станів, відіграють чи не найважливішу роль у перебігу широкого кола біологічно важливих процесів, органічно опосередкованих високоспецифічними актами біомолекулярного розпізнавання.

Квантовохімічне дослідження повної множини точкових контактів типу "нуклеотидна основа - бічний радикал амінокислоти", що стабілізуються двома міжмолекулярними Н-зв'язками

Вперше в рамках проблеми білково-нуклеїнового впізнавання у максимально можливому форматі, який обмежується лише сучасними уявленнями про природу Н-зв'язку, із застосуванням напівемпіричного квантовохімічного методу MNDO/Н розглянуто повну множину точкових контактів типу "нуклеотидна основа - бічний радикал амінокислоти", що стабілізуються двома міжмолекулярними Н-зв'язками, і досліджено основні її фізико-хімічні характеристики - геометричну, електронну і енергетичну структуру, що безпосередньо співвідносяться з перебігом елементарних актів білково-нуклеїнового впізнавання на мікроструктурному рівні. Всі без винятку бічні радикали амінокислот, здатні одночасно втягуватися у два міжмолекулярні Н-зв'язки як донор і акцептор, моделювалися такими сполуками: серину, треоніну і тирозину - метиловим спиртом, лізину - метиламіном, глутаміну і аспарагіну - формамідом, аргиніну - амідином, глутамінової і аспарагінової кислоти - мурашиною кислотою (у випадку лізину і аргиніну - як електронейтральною так і протонованою формами; у випадку глутамінової і аспарагінової кислоти - як електронейтральною так і депротонованою формами). Окрім того, для мурашиної кислоти приймали до уваги обидві конформації гідроксилу - основну (цис) і високоенергетичну (транс); для нуклеотидних основ розглядалися як основні їхні таутомерні стани, так і деякі високоенергетичні (рідкісні).

Вперше встановлено такі закономірності. У переважній більшості випадків реалізується ефективно-планарні комплекси - найбільше відхилення від планарності спостерігається у тому випадку, коли карбоксилат-аніон взаємодіє з NН- чи СН- групою, що знаходиться в оточенні двох електронегативних атомів (С2Н Ade, N3Н Thy тощо). Вони стабілізуються просторовою сіткою взаємозалежних внутрішньо- та міжмолекулярних Н-зв'язків з ефектом кооперативності, що не перевищує 10%. Заряджені форми амінокислотних залишків є більш селективними місцями розпізнавання, ніж електронейтральні, оскільки вони забезпечують значно ширший енергетичний діапазон взаємодій в залежності від основи та місця зв'язування, а також характер і величину відповідних структурних збурень основ. Зафіксовано непоодинокі випадки перенесення протону вздовж міжмолекулярного Н-зв'язку, зокрема від основи на карбоксилат-аніон і від протонованих амінокислотних бічних радикалів на основу, - це можна розцінювати як зміну таутомерного стану комплексу. Показано, що взаємодія бічних радикалів амінокислот з нуклеотидними основами може індукувати перехід останніх у рідкісну таутомерну форму - найбільша біологічна значущість цього ефекту очікується в процесах синтезу НК. Встановлено виняткову властивість карбоксилат-аніону: це єдиний бічний радикал амінокислоти, що здатний спричиняти руйнацію обох Уотсон-Криківських пар основ ДНК шляхом конкуренції за Н-зв'язування. Не виключено, що це один із можливих мікроструктурних механізмів розплітання ДНК білками. Вперше запропоновано зробити доповнення множини точкових Н-контактів, про які йшла мова вище, їхніми "віртуальними" аналогами, тобто комплексами такого ж типу, але в перехідних станах інтерконверсії однієї або обох молекул-партнерів. Цей крок є корисним для розуміння того, що процеси біомолекулярного впізнавання можуть відбуватися не лише в основному, а й в перехідних конформаційних станах.

Зроблено особливий наголос на ролі структурної нежорсткості нуклеотидних основ у забезпеченні оперативності і безпомилковості перебігу елементарних актів білково-нуклеїнового впізнавання: саме ця властивість гарантує селективне зближення молекул-партнерів у широкому діапазоні стартових кутів атаки, тобто робить їх вигідними з ентропійної точки зору. Зіставлення енергетики досліджених комплексів з їхньою розповсюдженістю у реальних високомолекулярних білково-нуклеїнових комплексах приводить до важливого висновку про неправомірність ототожнення біологічної значущості того чи іншого точкового контакту з його енергетикою, яке формулювалося раніше як правило - "два Н-зв'язки - це краще, ніж один" (Rich, 1992).

ВИСНОВКИ

Встановлено найбільш загальні фізико-хімічні закономірності біомолекулярного впізнавання. Вперше показано, що вже на найнижчому структурному рівні нуклеїново-нуклеїнове і білково-нуклеїнове впізнавання відбувається за сценарієм взаємної структурно-динамічної адаптивності молекул-партнерів за участю взаємозалежних внутрішньо- та міжмолекулярних Н-зв'язків, здатних не лише утворюватися і розриватися, а й біфуркативно перемикатися, і забезпечується, в основному, стереохімічною нежорсткістю нуклеотидних основ, яку слід розцінювати як запоруку високої точності та оперативності впізнавання в умовах дефіциту вільного об'єму.

Вперше розроблено низку взаємопов'язаних спільним мікроструктурним походженням і участю у високоселективних процесах білково-нуклеїнового впізнавання структурно-динамічних моделей спонтанних напіврозкритих станів ДНК та її передплавлення, далекодії в ДНК та її просторової викривленості, генотоксичного впливу на неї УФ-опромінення і кооперативності, які мають послідовне квантовохімічне тлумачення. Всі вони ґрунтуються на вперше отриманих даних щодо стереохімічної нежорсткості нуклеотидних основ та їхнього стекінгу.

Вперше показано, що нуклеотидні основи унікально поєднують у собі унікальну низку взаємопов'язаних фізико-хімічних форм структурної мінливості, таких як стереохімічна нежорсткість, прототропна таутомерія, геометрична ізомерія, здатність приєднувати або відщеплювати протон, спонтанно дезамінуватися і окислюватися при контакті з молекулами води тощо. Саме в цьому вбачається характерна відмінність НК від органічних полімерів - представників неживої природи. Цей висновок разом із розробленими моделями біомолекулярного впізнавання автор розцінює як перший крок у напрямку створення цілісної фізико-хімічної концепції функціонування НК.

Розроблено якісно нове уявлення про структурну мінливість нуклеотидних основ. Так зокрема, вперше встановлено, що: - основи з аміногрупою є стереохімічно-нежорсткими молекулами, дипольно-активна інтерконверсія котрих відбувається трьома топологічно і енергетично нееквівалентними шляхами, супроводжується суттєвою деформацією амінного фрагмента і істотно залежить від розташування аміногрупи в кільці та її оточення, а також таутомерного та ізомерного стану основи. Вперше показано, що у випадку канонічних основ НК їхня низькоенергетична інтерконверсія є площинною інверсією амінного фрагмента, що являє собою надбар'єрне віялове коливання великої амплітуди, а високоенергетична реалізується як суттєво анізотропне підбар'єрне повертання аміногрупи навколо екзоциклічного зв'язку CN. Вперше з'ясовано квантовохімічні підвалини цих важливих з біологічної точки зору властивостей;- прототропна таутомерія азотистих основ має молекулярно-цвітеріонний характер, причому в ній беруть участь усі без винятку протони з карбопротонами включно. Для будь-якої пуринової основи основним таутомером-цвітеріоном з-поміж тих, що формуються шляхом міграції карбопротонів, є ілідна форма, яка утворюється в результаті переходу карбопротона при атомі С8 на сусідній атом азоту, з'єднаний з атомом С8 подвійним зв'язком;- лише дві канонічні основи ДНК - Ade і Thy є енергетично найвигіднішими структурними ізомерами в своїх сімействах.

Вперше продемонстровано, що біологічна значущість прототропної таутомерії нуклеотидних основ не вичерпується її традиційними рамками: один із найважливіших, але не єдиний біологічний процес, який контролюється таутомерією, є синтез пуринових нуклеотидів. Критерієм біологічної значущості рідкісних таутомерів запропоновано вважати співвідношення їхньої енергетичної стабільності не з середньою тепловою енергією, як це традиційно вважалося раніше , а з бар'єрами відповідних біохімічних реакцій, що можуть перевищувати останню в десятки разів при фізіологічній температурі. Вперше проаналізовано закономірності структурної ізомерії нуклеотидних основ під кутом зору молекулярної еволюції НК.

Істотно розширено фізико-хімічні уявлення про стекінг нуклеотидних основ з аміногрупою та їхніх воднево-зв'язаних пар: з'ясовано , що вони не можуть бути зведені лише до неспецифічних взаємодій статичних, плоскосиметричних структур, як це традиційно вважалося раніше, - суттєвий внесок у стекінг дають специфічні кулонівські контакти ВЕП амінних атомів азоту з атомами водню сусідніх (верхніх чи нижніх) основ, які можна розцінювати як вертикальні Н-зв'язки.

Вперше у контексті молекулярного управління запропоновано розглядати аміногрупу основ НК як “молекулярний суглоб”, нелінійна рухомість котрого може регулюватися, зокрема міжмолекулярними Н-зв'язками, як локально, так і дистанційно. Вперше показано, що Уотсон-Криківські пари ДНК є надзвичайно мобільними структурами відносно кутів “пропелер-твіст і “злам” і можуть легко приймати непланарну конформацію під дією зовнішнього низькоенергетичного збурення, наприклад вертикальних Н-зв'язків.

Вперше представлено геометричну, електронну і енергетичну структуру повної множини точкових контактів типу “нуклеотидна основа - бічний радикал амінокислоти”, що стабілізуються двома міжмолекулярними Н-зв'язками. Запропоновано доповнити її комплексами за участю нуклеотидних основ і деяких амінокислотних залишків у перехідних станах їхньої інтерконверсії. Встановлено, що біологічна значущість точкових контактів, а саме - їхня розповсюдженість у високомолекулярних білково-нуклеїнових комплексах, не може бути ототожнена з їхньою енергетичною стабільністю, як це вважалося раніше.

Вперше продемонстровано високу ефективність низькочастотної Раманівської спектроскопії для дослідження структурно-динамічних властивостей модельних твердофазних нуклеїново-нуклеїнових і білково-нуклеїнових комплексів. Вперше визначено частоту торсійного тунелювання Ме-групи Thy, його енергетичний бар'єр та середньоквадратичну амплітуду торсійних лібрацій. Підтверджено адекватність і деталізовано класичну модель Малєєва низькочастотної рухомості ДНК: низькочастотна добротна мода, що спостерігається в ДНК ї синтетичних дволанцюгових полінуклеотидах в Раманівських спектрах, інтерпретована як поздовжня колективна лібрація спарених основ відносно глікозидних зв'язків, що ефективно взаємодіє як з поздовжніми акустичними фононами, так і з колективними інверсними коливаннями аміногруп, і відбувається під “акомпанемент” торсійного тунелювання Ме-груп Thy. Біологічна значущість цієї моди вбачається у її участі у процесах реплікації ДНК, а також у передачі сигналів далекодії вздовж ДНК.

Вперше визначено енергетику і кооперативні властивості міжмолекулярних Н-зв'язків у кристалах і співкристалізатах нуклеотидних основ - модельних об'єктах нуклеїново-нуклеїнового впізнавання - та її внесок у стабілізацію останніх.

ПЕРЕЛІК ОСНОВНИХ НАУКОВИХ ПРАЦЬ, ОПУБЛІКОВАНИХ НА ТЕМУ ДИСЕРТАЦІЇ

Говорун Д.Н., Мищук Я.Р., Желтовский Н.В. Низкочастотные фононные спектры комбинационного рассеяния света компонентов нуклеиновых кислот: пуриновые основания // Биополимеры и клетка.-1990.-6,N3.-С.24-31.

Говорун Д.Н., Мищук Я.Р., Желтовский Н.В. Низкочастотные фононные спектры комбинационного рассеяния света компонентов нуклеиновых кислот: пиримидиновые основания // Биополимеры и клетка.-1990.-6,N3.- С.31-39.

Говорун Д.Н., Мищук Я.Р., Желтовский Н.В. К вопросу о природе низкочастотных спектров комбинационного рассеяния света биополимеров // Биополимеры и клетка.-1990.-6,N4.-С.79-83.

Говорун Д.Н., Кондратюк И.В., Мищук Я.Р., Желтовский Н.В. Исключение влияния нестабильности мощности лазера на точность регистрации спектров комбинационного рассеяния света биополимеров // Биополимеры и клетка.-1990.-6,N4.-С.105-107.

Говорун Д.Н., Мищук Я.Р., Желтовский Н.В. Магнитные дефокусирующие насадки для повышения пороговой чувствительности фотоэлектронных умножителей // Биополимеры и клетка.-1990.-6,N5.-С.46-48.

Говорун Д.Н., Кондратюк И.В., Мищук Я.Р., Самойленко С.А., Желтовский Н.В. Установка для записи спектров комбинационного рассеяния света биополимеров // Биополимеры и клетка.-1990.-6,N5.-С. 48-50.

Говорун Д.Н., Мищук Я.Р., Желтовский Н.В. Низкочастотные спекры КР некоторых метилзамещенных компонентов нуклеиновых кислот: 1-метилпроизводные пиримидиновых оснований // Биополимеры и клетка.-1991.-7, N1.-С.55-62.

Говорун Д.Н., Мищук Я.Р., Желтовский Н.В. Низкочастотные спектры КР некоторых метилзамещенных компонентов нуклеиновых кислот: 9-метилпроизводные пуриновых оснований // Биополимеры и клетка.-1991.-7,N2.- С.5-8.

Говорун Д.М., Данчук В.Д., Мiщук Я.Р., Кондратюк I.В., Радомський М.Ф., Желтовський М.В. Дзеркально-симетричнi конформацiйнi стани канонiчних нуклеотидних основ // Доповіді АН України.-1992.-N2.-С.66-69.

Govorun D.N., Danchuk V.D., Mishchuk Ya.R., Kondratyuk I.V., Radomsky N.F., Zheltovsky N.V. AM1 calculation of the nucleic acid bases structure and vibrational spectra // J.Mol.Structure.-1992.-267.-P.99-103.

Кондратюк І.В., Говорун Д.М., Желтовський М.В. Прототропна молекулярно-цвітеріонна таутомерія ксантину: розрахунок методом АМ1 // Биополимеры и клетка.-1994.-10,№6.-С.52-60.

Говорун Д.М., Кондратюк І.В., Желтовський М.В. Кислотно-лужні властивості молекулярного ксантину та його комплексотвірна здатність // Биополимеры и клетка.-1994.-10,№6.-С.61-64.

Говорун Д.М., Кондратюк І.В., Желтовський М.В. Прототропна молекулярно-цвітеріонна таутомерія гіпоксантину: розрахунок методом АМ1 у вакуумному наближенні // Биополимеры и клетка.-1995.-11,№1.-С.30-35.

Говорун Д.М., Кондратюк І.В., Желтовський М.В. Газофазні кислотно-лужні властивості молекулярного гіпоксантину // Биополимеры и клетка.-1995.-11,№1.-С.36-39.

Кондратюк І.В., Говорун Д.М., Желтовський М.В. Прототропна таутомерія молекулярного ксантину // Доповіді НАН України.-1995.-№4.-С.109-112.

Говорун Д.М., Кондратюк І.В., Желтовський М.В. Про фізико-хімічний механізм воднево-тритієвого обміну групи С8Н8 нуклеотидних основ пуринового ряду з водою // Биополимеры и клетка.-1995.-11,№3-4.-С.24-28.

Говорун Д.М., Кондратюк І.В., Желтовський М.В. Вплив протонування та депротонування на кислотно-лужні властивості пурину, піримідину та імідазолу // Биополимеры и клетка.-1995.-11,№3-4.-С.29-34.

Говорун Д.М., Данчук В.Д., Міщук Я.Р., Кондратюк І.В., Желтовський М.В. Про неплощинність та дипольну нестійкість канонічних нуклеотидних основ, метильованих по глікозидному азоту // Доповіді НАН України.-1995.-№6.-С.117-119.

Говорун Д.М., Кондратюк І.В., Желтовський М.В. Кислотно-лужні властивості піримідину, імідазолу та пурину у вільному стані: розрахунок методом АМ1 // Биополимеры и клетка.-1995.-11,№5.-С. 21-23.

Говорун Д.М., Кондратюк І.В., Желтовський М.В. Прототропна молекулярно-цвітеріонна таутомерія гіпоксантину // Доповіді НАН України. -1995.-№7.-С.135-138.

Говорун Д.М., Кондратюк І.В., Міщук Я.Р., Желтовський М.В. Нееквівалентність амінних атомів водню в канонічних нуклеотидних основах // Доповіді НАН України. -1995.-№8.-С.130-132.

Говорун Д.М., Кондратюк І.В., Желтовський М.В. Прототропна молекулярно-цвітеріонна таутомерія імідазолу та піримідину // Биополимеры и клетка.-1995.-11,№6.-С.41-44.

Говорун Д.М., Кондратюк І.В., Желтовський М.В. Прототропна молекулярно-цвітеріонна таутомерія пурину // Биополимеры и клетка.-1995.-11,№6.-С.45-50.

Говорун Д.М., Міщук Я.Р., Кондратюк І.В., Желтовський М.В. Динамічна стереоізомерія Уотсон-Криківських пар нуклеотидних основ // Доповіді НАН України. -1995.-№11.-С.121-123.

Говорун Д.М., Кондратюк І.В. Квантовохімічні розрахунки свідчать: прототропна таутомерія канонічних нуклеотидних основ має молекулярно-цвітеріонний характер. I. Піримідини // Биополимеры и клетка.-1996.-12,№1.-С.42-48.

Говорун Д.М., Кондратюк І.В. Квантовохімічні розрахунки свідчать: прототропна таутомерія канонічних нуклеотидних основ має молекулярно-цвітеріонний характер. ІI. Пурини // Биополимеры и клетка.-1996.-12,№1.-С.49-52.

Говорун Д.М., Міщук Я.Р., Кондратюк І.В., Желтовський М.В. Внутрішньомолекулярні кооперативні водневі зв'язки в нуклеотидних основах // Доповіді НАН України. -1996.-№8.-С.141-144.

Говорун Д.М., Міщук Я.Р., Кондратюк І.В. Про квантовохімічну природу стереохімічної нежорсткості канонічних нуклеотидних основ // Биополимеры и клетка.-1996.-12,№5.-С.5-12.

Говорун Д.М., Міщук Я.Р., Кондратюк І.В. Топологічні властивості гіперповерхні потенціальної енергії канонічних нуклеотидних основ // Биополимеры и клетка.-1996.-12,№5.-С.13-17.

Говорун Д.М., Кондратюк І.В. Анізотропія обертальної рухливості аміногрупи в канонічних нуклеотидних основах // Доповіді НАН України. -1996.-№10.-С.152-155.

Говорун Д.М. Структурно-енергетичні особливості спонтанного дезамінування канонічних та модифікованих нуклеотидних основ // Биополимеры и клетка.-1997.-13,№1.-С.36-38.

Говорун Д.М. Структурно-динамічна модель спонтанних напіврозкритих станів ДНК // Биополимеры и клетка.-1997.-13,№1.-С.39-45.

Говорун Д.М. Структурна ізомерія азотистих основ: розрахунок методом АМ1 // Биополимеры и клетка.-1997.-13,№2.-С.127-134.

Говорун Д.М. Прототропна таутомерія азотистих основ: новий погляд на стару проблему // Биополимеры и клетка.-1997.-13,№3.-С.191-196.

Говорун Д.М. Низькоенергетична кооперативна поведінка біополімерів зумовлена колективними вібронними взаємодіями // Биополимеры и клетка.-1997.-13,№4.-С.279-284.

Говорун Д.М., Міщук Я.Р. Енергетика міжмолекулярних водневих зв'язків у кристалах та співкристалізатах основ ДНК: дослідження методом спектральної калориметрії // Український фізичний журнал.-1997.-42,№8.-С.933-938.

Говорун Д.М. Пошкодження пуринових основ кисневими радикалами: енергетичний та структурний аспекти // Биополимеры и клетка.-1997.-13,№6.-С.442-444.

Самійленко С.П., Алексеєва І.В., Пальчиківська Л.Г., Кондратюк І.В., Степанюгін А.В., Шаламай А.С., Говорун Д.М. Структурні особливості 6-азацитидину та його похідних: дані ПМР та ІЧ спектроскопії // Биополимеры и клетка.-1997.-13,№6.-С.445-452.

Говорун Д.М., Кондратюк І.В. Газофазні кислотно-лужні властивості канонічних нуклеотидних основ // Доповіді НАН України.-1998.-№1.-С.207-212.

Mishchuk Ya.R., Hovorun D.M. Intramolecular hydrogen bonds and structural nonrigidity of pyrimidine nucleosides // 1998.-14,№4.-Р.360-370.

Говорун Д.М. Про мікроструктурне походження викривленості лінійної ДНК // Доповіді НАН України.-1998.-№5.-С.189-195.

Говорун Д.М. Як структурна мінливість азотистих основ відбивається на макроскопічних властивостях їхніх кристалів // Биополимеры и клетка.- 1998.-14,№5.-С.419-427.