A new model describing the influence of ionic strength on thermal stability of DNA comlexes of oligonucleotides is proposed. This model assumes that binding of cations with DNA polyanions influences solely the entropy of hybridization and has a saturating mode. The efficacy of counterion binding with single- and double-stranded DNA is different, and the number of cations which bind additionally with the oligonucleotide at duplex formation depends on bulk cation concentration. Analytical equations describing the influence of cation concentration on melting temperature of DNA-duplexes as function of the length of oligonucleotide, its GC-composition and presence of the modification (non-nucleotide insert) were obtained. The values of melting temperature ( T m ) and thermodynamic parameters ( ∆ H o , ∆ S o ) characterizing the hybridization of both native and «bridged» oligonucleotides (bearing non-nucleotide insert on the basis of diethylene glycol phosphodiester) with DNA in various concentrations of NaCl (0,01÷1 М) were obtained using the UV-melting technique. Based on both the data obtained and presented in literature the database (695 data sets) characterizing the influence of ionic strength on the thermal stability of oligonucleotide complexes of various structure is developed. The database analysis allows us to obtain the values of the equilibrium binding constants for condensation of caions on DNA and the number of ions required for saturation of a discrete binding site. The proposed enhanced model of cation condensation utilizing unified thermodynamic increments of dsDNA formation allows us to calculate melting temperatures of DNA-duplexes in the wide range of ionic strength ([Na+] = 0,01÷1 М) with high accuracy.
Предложена новая модель, описывающая зависимость стабильности ДНК-комплексов, на основе олигонуклеотидов от ионной силы раствора. Модель предполагает, что связывание катионов с ДНК-полианионом сопряжено исключительно с изменением энтропии системы и имеет насыщающий характер. Эффективность связывания противоионов с одно- и двухцепочечным состояниями ДНК различна, и количество противоионов, дополнительно связывающихся с олигонуклеотидами при их комплексообразовании, зависит от концентрации катионов в растворе. Получены аналитические зависимости, описывающие влияние концентрации катионов натрия на температуру плавления ДНК-дуплексов в зависимости от их длины, GC-состава и наличия модификации (ненуклеотидной вставки). Методом термической денатурации, при различных концентрациях NaCl (0,01÷1 М), определены температуры плавления ( T пл ) и термодинамические параметры комплексообразования ( ∆ H o , ∆ S o ) нативных и «мостиковых», несущих вставку на основе фосфодиэфира диэтиленгликоля, олигонуклеотидов с ДНК. На основании полученных нами и представленных в литературе величин создана база данных (685 наборов данных), характеризующая изменения термической стабильности олигонуклеотидных комплексов при варьировании их структуры и ионной силы раствора. Анализ базы данных позволил определить величины равновесных констант ассоциации противоионов с ДНК и количество противоионов, необходимое для насыщения отдельных сайтов связывания. Показано, что в рамках предложенной нами расширенной модели конденсации противоионов при использовании унифицированных термодинамических параметров образования элементов дцДНК возможно с хорошей точностью рассчитывать T пл ДНК-дуплексов для широкого диапазона ионной силы раствора ([Na+] = 0,01÷1 М).
