Дипломная (вкр): Биологические эффекты воздействия низкоинтенсивного излучения на водные растворы ДНК

Биологические эффекты воздействия низкоинтенсивного излучения на водные растворы ДНК

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО «КубГУ»)

Физико-технический факультет

Кафедра радиофизики и нанотехнологий

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА БАКАЛАВРА

БИОЛОГИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ НИЗКОИНТЕНСИВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ВОДНЫЕ РАСТВОРЫ ДНК

Работу выполнил Ерицян Алексей Мартиросович

Направление подготовки 11.03.04 Электроника и Наноэлектроника

Научный руководитель

канд. хим. наук Текуцкая Е. Е.

Нормоконтролер канд. хим. наук Соколов М.Е.

Краснодар 2015

Реферат

Магнитное поле, ДНК, воздействие, излучение, поглощение, ИК - спектроскопия, флуоресценция.

Объектом изучения в данной дипломной работе были растворы ДНК, обработанные низкочастотным магнитным полем.

Целью данной работы было изучение влияния электромагнитного поля низкой частоты на водные растворы макромолекул ДНК.

В ходе выполнения работы были получены ИК - спектры и спектры флюоресценции водных растворов ДНК, и проанализировано изменение интенсивности адсорбции под действием комбинированных магнитных полей слабой частоты. Установлено, что у молекул ДНК также как и у аминокислот есть резонансная ионно-циклотронная частота.

Содержание

Обозначения и сокращения

Введение

. Литературный обзор

1.1 Структура ДНК

.2 Катализирующее действие магнитных полей в физико-химических

процессах в микробиологии

.2.1 ДНК и электромагнитное облучение

.2.2 Изменение флюоресценции в растворах белков

.2.3 Действие СМП на белки и аминокислоты

.2.4 Образование радикальных пар под действием МП

.2.5 Воздействие статических МП на образование радикалов

1.3 Методы исследования водных растворов аминокислот и ДНК

.3.1 ИК-спектроскопия

.3.2 Флюоресценция

. Экспериментальная часть

.1 Материалы и методы исследования

.2 Объекты исследования

.3 Результаты проведенного исследования

.4 Обсуждение результатов

Заключение

Список использованных источников

Обозначения и сокращения

Введение

спектроскопия излучение водный раствор

Актуальность темы состоит в том, что электромагнитные поля являются экологически значимым фактором внешней среды, влияющим на многие биологические процессы в живых организмах на планете постоянно находятся под воздействием повсеместно присутствующих естественного геомагнитного и искусственных слабых магнитных полей исходящих от различного рода технических устройств. К настоящему времени в области исследования биологического действия слабых МП накоплен огромный экспериментальный материал, свидетельствующий о высокой чувствительности живых систем к их воздействию.

Существенный прогресс в понимании процессов, лежащих в основе механизмов биологического действия слабых МП, таких как определение пороговых значений МП, частотно - амплитудных диапазонов биологической активности, определение мишеней и молекулярных механизмов биологического действия слабых МП обозначен в работах, показавших возможность выраженного избирательного действия очень слабых (порядка сотых долей мкТл) переменных компонент МП на фоне более сильного постоянного МП (десятки - мкТл) обусловленную, прежде всего, кооперативными эффектами на циклотронных частотах ряда макромолекул в водных растворах.

Целью данной работы было изучение влияния электромагнитного поля низкой частоты на водные растворы макромолекул ДНК.

Для выполнения поставленной цели решались следующие задачи:

изучение преимуществ и недостатков ИК - спектроскопии и флуоресценции при анализе биологических объектов;

анализ имеющихся литературных данных в области изучения структуры ДНК и современных теорий влияния магнитных полей на водные растворы ДНК и аминокислот;

выделение нуклеиновых кислот из периферической цельной крови человека;

изучение зависимости отклика водных растворов ДНК на действие электромагнитного поля с различными заданными параметрами облучения (частота, амплитуда);

анализ полученных ИК - спектров и спектров флуоресценции водных растворов ампликонов ДНК;

изучение зависимостей, изменения ИК - спектров и спектров флуоресценции после воздействия ЭПМ различных частот;

1. Литературный обзор

.1 Структура ДНК

ДНК - макромолекула обеспечивающая хранение, и передачу из поколения в поколение и реализацию генетической <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B5%D0%BD%D0%B5%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0> программы развития и функционирования живых организмов. ДНК содержит информацию о структуре различных видов РНК и белков [1].

Дезоксирибонуклеиновая (ДНК) кислота является биополимером, мономером которого является нуклеотид. Двойная спираль ДНК образована двумя правозакрученными вокруг общей оси полинуклеотидными цепями и имеет диаметр 1,8 - 2,0 нм. Эти цепи не идентичны, но комплементарны друг другу. Плоскости гетероциклических азотистых оснований расположены внутри двойной спирали перпендикулярно ее общей оси. Каждая цепь состоит из последовательно соединенных нуклеотидов. Каждый нуклеотид ДНК содержит одно из четырёх азотистых оснований (рис. 1), каждое из которых связанно с дезоксирибозой, к которой в свою очередь присоединена фосфатная группа. Между собой соседние нуклеотиды соединены в цепи фосфодиэфирной связью, образованной 3’- гидроксильной (3’- ОН) и 5’- фосфатной группами (5’- РО3). Это свойство обуславливает наличие полярности в ДНК, т. е. противоположной направленности, а именно 5’- и 3’- концов: 5’- концу одной нити соответствует 3’- конец второй нити (рис. 2).

Рисунок 1 - Азотистые основания: гуанин (G), аденин (A), тимин (T), цитозин (C)

Рисунок 2 - Фосфодиэфирная связь в молекуле ДНК

.2 Катализирующее действие магнитных полей в физико-химических процессах в микробиологии

.2.1 ДНК и электромагнитное облучение

С момента открытия нуклеиновых кислот ученые разных стран интенсивно изучали строение и свойства этого биоорганического соединения. Был накоплен огромный фактический материал, послуживший основой, как для последующего исследования нуклеиновых кислот, так и для практического применения результатов полученных при их изучении.

В литературе имеется большое количество работ по оценке влияния факторов электромагнитной природы на живые системы и нуклеиновые кислоты.

В ряде работ [2 - 3] рассмотрено новое свойство молекул ДНК, заключающееся в способности водных растворов некоторых бактериальных и вирусных ДНК высокой степени разведения до 10 - 15 М излучать низкочастотные электромагнитные волны, причем для их индукции, по мнению авторов, достаточно иметь специфически короткую последовательность ДНК. Это явление запускается фоновым электромагнитным полем ультранизкой частоты. Облученные таким образом растворы приобретают способность переносить информацию о ДНК от исходного организма на другие [3].

В качестве источника ДНК в работе [2] использовались фрагменты ДНК ВИЧ - 487 нуклеотидных пар. Растворы помещались внутрь обмотки соленоида, в котором протекал ток низкой интенсивности, осциллирующий на частоте 7 Гц, выдаваемой внешним генератором в течение 18 часов. Затем с каждого раствора снимались показания электромагнитных сигналов. Детектор электромагнитных сигналов состоял из соленоида, реагирующего на магнитную компоненту излучения ДНК и конвертирующего его в электрические сигналы.

Авторы [2, 3] полагают, что полученный эффект связан с изменениями наноструктуры воды, окружающей ампликоны ДНК. Начальным пунктом является допущение того, что молекулы воды в жидком состоянии взаимодействуют друг с другом не только статически (водородные связи, электрические диполь-дипольные взаимодействия и др.).

Особый интерес представляет изучение влияния совместного действия постоянного и переменного магнитных полей на ионный ток через водные растворы аминокислот. Реакция тока на воздействие имеет тонкую структуру, содержащую колебательные компоненты, характеризуется определенными особенностями динамики и ограниченным временем жизни. В работах В.В. Новикова и соавторов [4 - 7] экспериментально было подтверждено новое явление, заключающееся в том, что слабое низкочастотное магнитное поле становится биологически активным в присутствии параллельного ему постоянного магнитного поля. Также было показано, что комбинированное действие слабых электрических и магнитных полей, в случае соответствия частот переменного магнитного поля циклотронным частотам ионизированных форм молекул аминокислот, способствует образованию устойчивых индивидуальных продуктов поликонденсации аминокислот, содержащих пептидные связи (аспарагин, глутаминовая кислота, аргинин и тирозин). На кривой зависимости тока от частоты переменного поля, параллельного постоянному, наблюдались отчетливые (30 - 50 % от фонового тока) узкополосные пики на частотах, близких к циклотронной частоте ионизированной молекулы соответствующей аминокислоты. Воспроизводимость эффекта 100 %. Эффект наблюдается только при очень слабом (0.05 мкТл) переменном поле, не имеет места при взаимной перпендикулярности прилагаемых полей, и исчезает с увеличением амплитуды переменного поля. Особый интерес вызывает то, что эффект проявляется лишь на определенных частотах переменного поля, прямо пропорциональных величине постоянного поля и связанных с ним формулой циклотронной частоты для того или иного биологически активного иона.

Несмотря на хорошее совпадение теоретических и экспериментальных величин, выше описанная теория не может быть применена к случаю чистого водного раствора ионизированных молекул, рассматриваемых как целостные заряженные частицы. Авторы [7] затрудняются сказать, на что действуют прилагаемые поля, меняющие ионную проводимость в исследуемых растворах аминокислот - на подвижность ионизированных молекул, или на константу диссоциации неионизированных, или на что-либо еще.

До настоящего времени строгая теория, объясняющая эффекты комбинированного действия слабых магнитных полей на молекулярные ионы в растворе отсутствует. Эффекты резонансного поглощения энергии на циклотронной частоте отдельными ионами в растворе теоретически исключаются, так как время жизни отдельного иона значительно меньше циклотронного периода. Одна гипотеза позволяет качественно рассмотреть наблюдаемое явление. Авторы [6] полагают, что в диссипативной системе раствора в результате действия группы ионов аминокислоты электрических и магнитных полей образуется коллективное полиионное молекулярное образование - кластер, который взаимодействует с внешними полями как отдельная структура. С увеличением числа ионов в кластере его суммарная энергетика превысит уровень kT, необходимый для стабилизации структуры. В результате время жизни кластера превысит циклотронный период. Электрическая энергия, аккумулируемая в кластерах, обеспечивает образование межмолекулярных связей. Циклотронная частота кластера равна циклотронной частоте отдельного иона.

Описанные результаты показывают возможность избирательного действия слабых магнитных полей на отдельные типы молекул в растворах с сохранением эффекта действия поля в устойчивой молекулярной структуре. Медицинские аспекты сверхслабых воздействий состоят в формировании внешних полей, импульсных сигналов или химических агентов, направленно влияющих на изменение межмолекулярной водной среды и приводящих на молекулярном уровне к нарушению функций органов.

Описанный выше эффект проводился и на более сложных системах, чем мономолекулярные растворы аминокислот (табл. 1). Известны работы[8, 9], по изучению устойчивости хроматина клеток АКЭ и мозга мышей к ДНКАЗА -1 при комбинированном действии на организм слабых постоянного и низкочастотного переменного магнитных полей, настроенных на циклотронный резонанс ионов полярных аминокислот. Показано, что данное воздействие приводит к утрате устойчивости ДНК хроматина клеток АКЭ и мозга мышей к ДНКАЗА - 1. Комбинированное действие полями с переменной компонентой не входящей в диапазон резонансных частот ионов аминокислот, не оказывает какое-либо заметное влияние на излучательные характеристики, что подтверждает концепцию избирательного резонансного действия слабых магнитных полей и зависимости эффектов от настройки поля на резонансные частоты определенных молекул [10]. Данное явление открывает принципиальную возможность регуляции ДНК белковых взаимодействий в системах ДНК - ингибиторы ферменты с помощью резонансного действия на организм слабых электромагнитных полей.

Наибольшей противоопухолевой активностью обладал суммарный пятичастотный сигнал. В органах носителей опухолей (печень, надпочечники) обнаружены структурные изменения (участки дегенерации).

Таблица 1 - Эффекты действие СКМП на различные белки, аминокислоты, а также АКЭ и планарий Dugesia Tigrina.

Исследование взаимодействия структурных белков ядер с ДНК очень важно для ее матричной функции в клетке, поскольку данные взаимодействия играют ключевую роль в экспрессии генетической информации в клетке. Связь гистонов и негистоновых белков с хроматином не только определяет нативную конформацию ДНК, но и степень экспрессии тех или иных генов. В ходе экспериментов, описанных в работах [6 - 7] по изучению молекулярных механизмов воздействия слабых комбинированного и постоянного и переменного низкочастотного магнитных полей, настроенных на циклотронный резонанс ионов заряженных в естественных условиях аминокислот, наблюдалось существенное снижение функциональной активности ряда белков (гистоновых и негистоновых) - ингибиторов ДНКАЗА - 1 (рис. 3). Было отмечено, что данное воздействие не затрагивает сами молекулы ДНК.

Рисунок 3 - Влияние СКМП (B0 = 42 мкТл, B = 0,05 мкТл) на гидролиз различных пептидов и белков (С = 30мкг/мл)

Для проведения эксперимента использовались следующие реактивы: полиагринин, гистон H3, ДНК из спермы лосося, протаминсульфат. Магнитная обработка растворов указанных реактивов проводилась посредством магнитных катушек, формирующих коллинеарное постоянное (42 мкТл) и переменное (60 нТл) магнитные поля. Обработку магнитными полями растворов белков и полиаминокислот проводили в течение 6 ч.

Результаты исследований показали, что предварительная обработка магнитным полем белкового компонента комплекса ДНК приводит к существенному изменению комплексообразования и образованию комплексов иного типа, чем без обработки. Таким образом, обработка магнитным полем водных растворов ДНК и белка приводит к существенным изменениям микроокружения белковых макромолекул, а также способствует ускорению процессов гидролиза белков и пептидов. По мнению авторов, обнаруженные эффекты обусловлены, по крайней мере, частично, изменением свойств водной фазы в результате действия слабых магнитных полей, по - видимому, те же механизмы лежат и в основе данных о существенном изменении свойства комплексообразования с ДНК структурных положительно заряженных белков хроматина и полиагринина. На этом основании строится предположение о том, что воздействие слабых магнитных полей на белок-нуклеиновые взаимодействия в клетке будет влиять на экспрессию генома и такие процессы, как канцерогенез, старение, процессы радиационного повреждения и репарации клеток.