Biopolym. Cell. 2000; 16(6):468-481.
http://dx.doi.org/10.7124/bc.00058C
Структура та функції біополімерів
Молекулярний механізм потекторної дії кофеїну при комплексоутворенні інтеркалюючого ліганда з ДНК
1, 2Веселков Д. О., 2Девіс Д. Б., 1Димант Л. Н., 1Веселков О. Н.
  1. Севастопольський національний технічний университет
    вул. Університетська, 33, Севастополь, Україна, 99053
  2. Беркбек колледж Лондонского университета
    Малет-стрит, Лондон WC1E 7НХ, Великобритания

Abstract

Розглянуто молекулярний механізм дії кофеїну (CF) як комплексоутворювача – інтерцептора ароматичних лігандів, інтеркалюючих у ДНК, на прикладі типового інтеркалятора – фенантридинієвого барвника бромистого етидію (ЕВ). Вивче­но процеси само- і гетероасоціації CF і ЕВ, а також їхнього комплексоутворення з дезокситетрануклеотидом 5'-d(TpGp-СрА) в однакових експериментальних умовах методом одно-та двовимірної 1Н-ЯМР спектроскопії (500 МГц). Виміряно концентраційні (при температурах 298 і 308 К) і темпера­турні залежності протонних хімічних зсувів молекул у водно­му розчині. Визначено рівноважні константи реакцій само- і гетероасоціації CF і ЕВ, утворення різних типів комплексів між CF, ЕВ і тетрануклеотидом d(TGCA) в мономірній та дуплексній формах, а також значення граничних хімічних зсувів протонів ароматичних лігандів у складі асоціатів і комплексів. Розраховано найвірогідніиіі структури димеру ко­феїну і 1:1 гетерокомплексу CF-–EB у водному розчині. Здій­снено розрахунок відносного вмісту асоціатів і комплексів різного типу в змішаному розчині, який містить CF, ЕВ і d(TGCA). Виявлено особливості динамічної рівноваги гетероасоціатів CF–EB і гетерокомплексів CF–EB–d(TGCA) в за­лежності від концентрації кофеїну в змішаному розчині. Зроб­лено висновок стосовно того, що зниження ефективності дії ліганду, інтеркалюючого в ДНК, при додаванні в розчин CF у значній мірі пов'язано з блокуванням молекулами кофеїну місць посадки на олігонуклеотидній послідовності і в меншому ступені – з утворенням гетероасоціатів CF–EB у змішаному розчині.
Повний текст: (PDF, російською)

References

[1] O'Neill FJ. Differential effects of cytochalasin B and caffeine on control of DNA synthesis in normal and transformed cells. J Cell Physiol. 1979;101(2):201-17. v
[2] Selby CP, Sancar A. Molecular mechanisms of DNA repair inhibition by caffeine. Proc Natl Acad Sci U S A. 1990;87(9):3522-5.
[3] Kunicka JE, Myc A, Melamed MR, Darzynkiewicz Z. Caffeine increases sensitivity of DNA to denaturation in chromatin of L1210 cells. Cell Tissue Kinet. 1990;23(1):31-9.
[4] Fritzsche H, Petri I, Sch?tz H, Weller K, Sedmera P, Lang H. On the interaction of caffeine with nucleic acids. III. 1H NMR studies of caffeine--5'-adenosine monophosphate and caffeine-poly(riboadenylate) interactions. Biophys Chem. 1980;11(1):109-19.
[5] Kimura H, Aoyama T. Decrease in sensitivity to ethidium bromide by caffeine, dimethylsulfoxide or 3-aminobenzamide due to reduced permeability. J Pharmacobiodyn. 1989;12(10):589-95.
[6] Ross WE, Zwelling LA, Kohn KW. Relationship between cytotoxicity and DNA strand breakage produced by adriamycin and other intercalating agents. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 1979;5(8):1221-4.
[7] Ganapathi R, Grabowski D, Schmidt H, Yen A, Iliakis G. Modulation of adriamycin and N-trifluoroacetyladriamycin-14-valerate induced effects on cell cycle traverse and cytotoxicity in P388 mouse leukemia cells by caffeine and the calmodulin inhibitor trifluoperazine. Cancer Res. 1986;46(11):5553-7.
[8] Iliakis G, Nusse M, Ganapathi R, Egner J, Yen A. Differential reduction by caffeine of adriamycin induced cell killing and cell cycle delays in Chinese hamster V79 cells. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 1986;12(11):1987-95.
[9] Traganos F, Kapuscinski J, Darzynkiewicz Z. Caffeine modulates the effects of DNA-intercalating drugs in vitro: a flow cytometric and spectrophotometric analysis of caffeine interaction with novantrone, doxorubicin, ellipticine, and the doxorubicin analogue AD198. Cancer Res. 1991;51(14):3682-9.
[10] Larsen RW, Jasuja R, Hetzler RK, Muraoka PT, Andrada VG, Jameson DM. Spectroscopic and molecular modeling studies of caffeine complexes with DNA intercalators. Biophys J. 1996;70(1):443-52.
[11] Kapuscinski J, Kimmel M. Thermodynamical model of mixed aggregation of intercalators with caffeine in aqueous solution. Biophys Chem. 1993;46(2):153-63.
[12] Weller K, Sch?tz H, Petri I. Thermodynamical model of indefinite mixed association of two components and NMR data analysis for caffeine-AMP interaction. Biophys Chem. 1984;19(4):289-98.
[13] Baxter NJ, Williamson MP, Lilley TH, Haslam E. Stacking interactions between caffeine and methyl gallate. Faraday Trans. 1996;92(2):231-4.
[14] Aradi F, F?ldesi A. Equilibrium constants for association of caffeine and theophylline with aromatic salts in aqueous solutions studied by 1H NMR chemical shift measurements. Magn Reson Chem. 1985;23(5):375–8.
[15] Aradi F, F?ldesi A. Hetero-association of caffeine and theophylline with purine and pyrimidine in aqueous solutions studied by1H NMR chemical shift measurements. Magn Reson Chem. 1989;27(3):249–52.
[16] Chen J-S, Shiao J-C. Graphic method for the determination of the complex NMR shift and equilibrium constant for a hetero-association accompanying a self-association. Faraday Trans. 1994;90(3):429-33.
[17] Davies DB, Veselkov DA, Veselkov AN. Structure and thermodynamics of the hetero-association of aromatic molecules in aqueous solution determined by NMR spectroscopy. Mol Phys. 1999;97(3):439–51.
[18] Davies DB, Djimant LN, Veselkov AN. 1H NMR investigation of self-association of aromatic drug molecules in aqueous solution. Structural and thermodynamical analysis. Faraday Trans. 1996;92(3):383-90.
[19] Davies DB, Veselkov AN. Structural and thermodynamical analysis of molecular complexation by 1H NMR spectroscopy. Intercalation of ethidium bromide with the isomeric deoxytetranucleoside triphosphates 5'-d(GpCpGpC) and 5'-d(CpGpCpG) in aqueous solution. Faraday Trans. 1996;92(19):3545-57.
[20] Davies DB, Karawajew L, Veselkov AN. 1H-NMR structural analysis of ethidium bromide complexation with self-complementary deoxytetranucleotides 5'-d(ApCpGpT), 5'-d(ApGpCpT), and 5'-d(TpGpCpA) in aqueous solution. Biopolymers. 1996;38(6):745-57.
[21] Lilley TH, Linsdell H, Maestre A. Association of caffeine in water and in aqueous solutions of sucrose. Faraday Trans. 1992;88(19):2865-70.
[22] Bresloff JL, Crothers DM. Equilibrium studies of ethidium--polynucleotide interactions. Biochemistry. 1981;20(12):3547-53.
[23] Veselkov AN, Djumant LN, Bolotin PA, Baranovsky SF, Parkes HG, Davies DB. Investigation of interaction of ethidium bromide with tetradeoxyribonucleotide 5'-d(GpCpGpC) by 1H NMR spectroscopy. Mol Biol (Mosk). 1995; 29(2):326-38
[24] Kan LS, Borer PN, Cheng DM, Ts'o PO. 1H- and 13C-NMR studies on caffeine and its interaction with nucleic acids. Biopolymers. 1980;19(9):1641-54.
[25] Horman I, Dreux B. estimation of dimerisation constants from complexatin-induced displacements of 1H-NMR chemical shifts: dimerisation of caffeine. Helv Chim Acta. 1984;67(3):754–64.
[26] Sitkowski J, Stefaniak L, Nicol L, Martin M, Martin G, Webb G. Complete assignments of the 1H, 13C and 15N NMR spectra of caffeine. Spectrochimica Acta Part A. 1995;51(5):839–41.
[27] Veselkov AN, Dymant LN, Baranovsky SF, Bolotin PA, Parkes HE, Davies D. Investigation of ethidium bromide self-association in aqueous solution by H-NMR spectroscopy. Khim Fizika. 1994; 13: 70-8.
[28] Veselkov AN, Djimant LN, Karawajew L, Kulikov EL. Investigation of the aggregation of acridine dyes in aqueous solution by proton NMR. Stud Biophys. 1985;106(3):171-80.
[29] Zahalka J, Donbrow M, Yanuka Y. Study of self-association of 7-alkylxanthines by nuclear magnetic resonance spectros­copy. J Chem Res. 1993; 72: 2429-2447.
[30] Falk M, Gil M, Iza N. Self-association of caffeine in aqueous solution: an FT-IR study. Can J Chem. 1990;68(8):1293–9.
[31] Veselkov AN, Djimant LN. Consideration of cooperative self-assembly model acridine dyes. Khim Fizika. 1988; 7: 711-3.
[32] Giessner-Prettre C, Pullman B. Quantum mechanical calculations of NMR chemical shifts in nucleic acids. Q Rev Biophys. 1987;20(3-4):113-72.
[33] Shestopalova AV, Danilov VI, Maleev VYa. Nature stackformation of caffeine molecules n water: Monte Carlo simulation. Dokl Akad Nauk SSSR. 1985; 282(4):1000-2.
[34] Danilov VI, Shestopalova AV. Hydrophobic effect in biological associates: A Monte Carlo simulation of caffeine molecules stacking. Int J Quantum Chem. 1989;35(1):103–12.
[35] Falk M, Chew W, Walter JA, Kwiatkowski W, Barclay KD, Klassen GA. Molecular modelling and NMR studies of the caffeine dimer. Can J Chem. 1998;76(1):48–56.
[36] Veselkov AN, Djimant LN, Kodinzec VV, Lisutin VA, Parkes H, Davies D. 1H-NMR investigation of deoxytetranucleoside triphosphates D(TpGpCpA) self-association in aqueous solution. Biofizika. 1995; 40(2):283-92.
[37] McGhee JD, von Hippel PH. Theoretical aspects of DNA-protein interactions: co-operative and non-co-operative binding of large ligands to a one-dimensional homogeneous lattice. J Mol Biol. 1974;86(2):469-89.