1.2.3 Основні положення теорії Декстера для опису передачі енергії за обмінним механізмом

На відміну від диполь-дипольного механізму обміну енергією, залежність швидкості переносу енергії для обмінного механізму від відстані між Д та А є експоненційна [14]:

(1.2.3.1)

де L- радіус Бора;

h- стала Планка.

Підсумовуючи можна виділити певні критерії для вибору механізму взаємодії через який відбувається обмін енергією між Д та А:

1. диполь-дипольний механізм:

• якщо електронний перехід дозволений, спектри поглинання А та випромінювання Д перекриваються, то можливі наступні типи обміну енергією [14]:

1Д*+1А 1Д+1А*	синглет-синглетна передача енергії (1.2.3.2)
3Д*+1А 1Д+1А*	триплет-синглетна передача енергії, що призводить до гасіння фосфоресценції Д (1.2.3.3)

2. Обмінний механізм

• оскільки при обмінному механізмі моменти переходу не важливі, то можливою стає триплет-триплетна передача енергії:

3Д*+1А 1Д+3А*	триплет-триплетна передача енергії (1.2.3.4)
3Д*+3А 1Д+3А* або 1А*	триплет-триплетна анігіляція (1.2.3.5)

При умові, якщо молекули Д та А ідентичні, триплет-триплетна анігіляція призводить то появи затриманої флюоресценції, що була вперше зафіксована для пірену [14]. Частина енергії, що вивільнилась під час анігіляції, дозволяє одній з молекул повернутися в синглетний стан, з якого й випромінюється флюоресценція, проте з певною часовою затримкою.

Існує ряд полімерів в яких енергетична структура - електронмістких систем перш за все визначається індивідуальними властивостями самих цих систем. З іншого боку слабка взаємодія між - електронними системами призводить до міграції енергії електронного збудження вздовж полімерного ланцюжка [25, 26]. Зокрема до такого типу полімерів належать і нуклеїнові кислоти.

1.3 Особливості спектральних властивостей біологічних макромолекул

Особливості спектральних властивостей біологічних макромолекул головним чином визначаються присутніми в них π-електронними системами. Так в НК π-електронмісткі системи знаходяться в азотистих основах, а у білках – в трьох базових амінокислотах (триптофан (Trp), тирозин (Tyr) та фенілаланін (Phe)). Розглянемо детальніше будову, функції та спектральні властивості НК, білків та їх елементарних ланок.

1.3.1 Особливості будови нуклеїнових кислот та білків, що визначають їх спектральні властивості

а) Нуклеїнові кислоти. НК належать до біополімерів – високомолекулярних природних сполук, що лежать в основі всіх живих організмів та відіграють важливу роль у забезпеченні їх життєдіяльності. З іншого боку НК – це полімерні сполуки, в яких - електронні системи містяться в бічному ланцюгу, а точніше – в азотистих основах (аденіні, тиміні (урацилі у випадку РНК), гуаніні та цитозині). Саме ця особливість визначає фотофізичні властивості НК та робить їх зручними для досліджень спектральними методами. Оскільки властивості будь якої сполуки, зокрема особливості протікання фотофізичних процесів, визначаються також її структурою, варто розглянути структуру НК більш детально.

Шлях відкриття хімічного складу та просторової структури НК був досить довгий та тернистий. Ще в 1869р. Ф. Мішером було виділено з ядер лейкоцитів людини невідому речовину, яку він назвав нуклеїном і яка містила суміш РНК та ДНК. Саме з робіт Мішера розпочалися активні дослідження НК. Всі відомі на той час дані були зібрані разом та втілені у всесвітньо відомій моделі ДНК, розробленій нобелівськими лауреатами Уотсоном та Кріком. Вони дійшли висновку, що пари основ укладені як “стопка монет” на відстані 3,4 А одна від одної [27, 28]. Причому сусідні пари повернуті на кут 36 град, в результаті чого й утворюється права подвійна спіраль з 10 парами основ на виток. А виходячи з Фурберговської структури цитидину, Уотсон та Крік запропонували ідею комплементарності пар А-Т, Г-Ц [27]. Водночас в 50 - х рр. було отримано перші експериментальні підтвердження, що саме ДНК відповідальна за передачу та збереження генетичного матеріалу. І лише в ході подальших досліджень ДНК було відкрито РНК, яка як виявилося згодом відіграє провідну роль в біосинтезі білків, які є своєрідними будівельними блоками всіх живих організмів [29].

В природі існує два класи нуклеїнових кислот: рибонуклеїнові кислоти (РНК) та дезоксирибонуклеїнові кислоти (ДНК), що дуже подібні за своїм хімічним складом, але значно різняться за функціональним призначенням. Мономерними одиницями НК є нуклеотиди (рис. 1.3.1.1), що складаються з залишків фосфатної кислоти, нуклеїнової основи (аденін, гуанін, тимін, цитозин чи уридин) та рибози або дезоксирибози [29]. Молекулярна маса НК варіюється в межах 2.5 10⁴-4 10⁹. До складу РНК зазвичай входять чотири нуклеїнові основи: аденін та гуанін (т.з. пуринові основи, рис. 1.3.1.2), цитозин та урацил (т.з. піримідинові основи, рис. 1.3.1.3). В складі ж ДНК замість урацилу міститься тимін [27, 28].

	а)	б)		в)	г)
	Рис. 1.3.1.1. Нуклеотиди, що містяться в РНК: а) аденозинмонофосфат, б) гуанозинмонофосфат, в) цитидінмонофосфат, г) уридинмонофосфат.
а)			б)

Рис. 1.3.1.2. Пуринові основи, що містяться в НК: а) Аденін (6-амінопурин); б) гуанін (2-аміно-6-оксипурин).

а)

б)

в)

Рис. 1.3.1.3. Піримідинові основи, що містяться в ДНК (б, в) та РНК (а, в): а) урацил (2,4-диоксипіримідин); б) тимін (5-метил-2,4-диоксопіримідин); в) цитозин (4-амино-2-оксопіримідин).

Залежно від того яка основа міститься в нуклеотиді вони відповідно дістали назви: аденозинмонофосфат (АМФ), гуанозинмонофосфат (ГМФ), цитидинмонофосфат (ЦМФ), уридинмонофосфат (УМФ) та тимідінмонофосфат (ТМФ). Всі основи містять атом водню, який в нуклеозиді заміщується рибозою (для рибонуклеозидів) чи дезоксирибозою (для дезоксирибонуклеозидів) [27].

Існує чотири види РНК: рибосомна (рРНК), матрична чи інформаційна (мРНК, містить в ланцюгу щонайменше 150 нуклеотидів), транспортна (тРНК, містить близько 80 нуклеотидів), вірусна. Відповідно кожна з них виконує свої функції [30].

Так мРНК отримує від ДНК інформацію про будову білка і переносить її в місце синтезу білка (рибосоми). Рибосома “зчитує” інформацію з мРНК, рухаючись вздовж неї, і приєднує відповідну тРНК, що зв’язана з певною амінокислотою. Кожна тРНК, що несе амінокислоту комплементарно взаємодіє з кодоном мРНК своїм антикодоном [28].

Щодо вірусної РНК то її особливістю є те, що вся генетична інформація міститься не в ДНК, як звичайно, а в самій РНК [28, 29].

Розглянемо детальніше структуру РНК залежно від її типу. На відміну від ДНК, яка завжди міститься в живих організмах у вигляді подвійної спіралі, РНК знаходиться переважно у вигляді одноланцюгового полімеру (рис. 1.3.1.4 а), що може утворювати різноманітні просторові структури (рис. 1.3.1.4а, б). Послідовно розміщені нуклеотиди з’єднані в ланцюг фосфодіефірними зв’язками за допомогою залишків фосфатної кислоти, а основи зв’язані між собою водневими зв’язками: Г з Ц та А з У. Аденін взаємодіє лише з урацилом (а в ДНК з тиміном ), а гуанін лише з цитозином (принцип комплементарності азотистих основ) [27, 30].

а)	б)	в)
Рис. 1.3.1.4 Структура РНК: первинна – а), просторова структура дріжджевої РНК – б) та в) [28].

Як відомо, РНК не утворює подвійної спіралі, як ДНК, (рис. 1.3.1.5а), але містить короткі ділянки зі спареними основами (за правилом комплементарності, хоча інші характерні для ДНК правила, в РНК не виконуються), що призводить до утворення вторинних структур у вигляді «кленового листка» (рис. 1.3.1.5б) [27, 28]. Такий тип вторинної структури властивий транспортній РНК.

а)	б)
Рис. 1.3.1.5. Вторинна (а) та третинна (б) структура тРНК [11].

Здатністю, на відміну від ДНК, утворювати третинну структуру РНК (дріжджова РНК, рис. 1.3.1.4в та 1.3.1.5б) завдячує наявності гідроксильної групи в рибозі, що забезпечує можливість утворення додаткових Н – зв’язків. У тРНК можливий особливий вид стекінгу – основи з однієї ділянки ланцюга інтеркалюють між основами іншої ділянки. При біосинтезі білка зв’язана з рибосомою тРНК має впізнати “свій” кодон на мРНК, що забезпечується утворенням подвійної міні-спіралі [11, 27, 29, 30].

В останні роки активно почали досліджуватись речовини, в основі яких лежать нуклеотиди або їх модифіковані похідні. Зокрема дуже цікавим об’єктом є олігомер 2`5`А₃, що належить до ряду олігоаденілатів 2`5`А_3-8, які здатні вибірково блокувати певні гени [6, 31], а тому вони розглядаються науковцями, як перспективні об’єкти для реалізації генної терапії для лікування ракових пухлин, вірусних і запальних захворювань. Однак, подальше вивчення показало, що часто дія олігонуклеотидів не пояснюється їх взаємодією з конкретними послідовностями нуклеїнових кислот, а пов’язана з їх здатністю зв’язуватися з певними білками [32, 33].

Розглянемо особливості будови та функції олігоаденілатів. В людському організмі міститься три різновиди олігоаденілату, які залежно від кількості ланок впливають на синтез різних білків, але врешті-решт всі вони відіграють ключову роль в забезпеченні противірусної дії інтерферону або через синтез білків або безпосередньо руйнуючи вірусну РНК [32].

Олігоаденілат 2’-5’А₃ – олігомер, що складається з трьох ланок АМФ і належить до класу олігонуклеотидів, які активують рибонуклеазу L, яка спричиняє руйнування вірусних РНК [33].

Дослідженню противірусної дії 2’-5’А₃ в живих організмах присвячено багато робіт [9, 10], проте механізм дії 2’-5’А₃ лишається до кінця не розкритим і потребує подальшого дослідження.

б) Білки. Перейдемо до розгляду білків (протеїнів). Білки – високомолекулярні полімери, кожен з яких характеризується своєю амінокислотною послідовністю, яка і визначає їх функції в організмі. Регуляторні білки регулюють біосинтез білків в клітині, а за допомогою рецепторних білків, що містяться зовні мембрани, клітина сприймає інформацію про оточуюче середовище та різні регуляторні сигнали. В свою чергу транспортні білки (людський альбумін та гемоглобін) беруть участь в транспорті іонів, ліпідів, цукрів та амінокислот через біологічну мембрану. Захисні системи вищих організмів формуються завдяки таким білкам, як імуноглобулін (відповідає за імунітет), інтерферон (противірусний білок), тромбін (відповідає за звертання крові) та ін.[11, 34, 35]. Активно проводяться дослідження можливості використання модифікованих форм білків для збільшення ефективності дії противірусних та протипухлинних ліків на основі білків. Так на основі α-інтерферону та людського альбуміну створено так званий альбуферон, який діє значно ефективніше за сам інтерферон [36].

За складом білки поділяються на прості (містять лише амінокислоти) та складні (до складу яких входять іони металів чи пігменти). Білок може складатися з одного чи кількох ланцюгів, які містять від 50 до кількох сотень амінокислотних залишків. Амінокислоти зв’язуються між собою за допомогою амідних або пептидних зв’язків –СО–NH– [ 29, 30, 37].

В природі існує 20 основних амінокислот, які і визначають тип білка та його функції. Лише 3 амінокислоти містять в своєму складі π-електронмісткі системи – фенілаланін (Phe), тирозин (Tyr) та триптофан (Trp) (рис. 1.3.1.7). Саме ці три ароматичні амінокислоти являються оптичними центрами відповідальними за поглинання, флюоресценцію та фосфоресценцію білкових макромолекул [29, 35].

а)	б)	в)
Рис. 1.3.1.7. Ароматичні амінокислоти: а) фенілаланін, б) тирозин, в) триптофан.

Так, наприклад, білок людський альбумін (HA) складається з 585 амінокислот. Причому, кожна молекула HA містить ароматичні амінокислоти в такому співвідношенні: 1 триптофан, 31 фенілаланін та 18 тирозинів [38].

Конформація білка визначається амінокислотною послідовністю, та стабілізуються водневими зв’язками між пептидними та боковими групами амінокислотних залишків, а також гідрофобними та електростатичними взаємодіями [37, 39].

Як і НК, білки характеризуються наявністю первинної, вторинної та третинної структури. Первинна структура – пептидний ланцюг з амінокислотної послідовності; вторинна структура – пептидний ланцюг, закручений в спіраль за рахунок утворення водневих зв’язків між структурними елементами пептидного ланцюга. Існує два основних типи стабільних вторинних структур білка: ά спіраль та β-листок (рис. 1.3.1.8).

а) б)

Рис. 1.3.1.8. Вторинна структура білків: а) ά спіраль та б) β-листок.

Молекулярна маса одноланцюгових білків знаходиться в межах 10 000-100 000, а для багато ланцюгових білків від 50000 і далі. Концентрація НА в плазмі крові сягає 40 мг/мл [38].