Научная статья на тему 'ТЕРАГЕРЦОВОЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ В НЕЙРОННЫХ СТРУКТУРАХ. КОФОРМАЦИОННЫЕ ПЕРЕХОДЫ ДНК ПОД ДЕЙСТВИЕМ ТГЦ ИЗЛУЧЕНИЯ'

ТЕРАГЕРЦОВОЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ В НЕЙРОННЫХ СТРУКТУРАХ. КОФОРМАЦИОННЫЕ ПЕРЕХОДЫ ДНК ПОД ДЕЙСТВИЕМ ТГЦ ИЗЛУЧЕНИЯ Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
54
11
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Область наук
Ключевые слова
ТЕРАГЕРЦОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ / ДИСКРЕТНЫЕ КОНФОРМАЦИОННЫЕ СТРУКТУРЫ И ЭЛЕКТРОННЫЕ СОСТОЯНИЯ ДНК / АНГАРМОНИЗМ КОЛЕБАНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ МОЛЕКУЛ ДНК / ДОМЕНЫ ДОЛГОВРЕМЕННОЙ ПАМЯТИ

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Галанов Е. К.

Проведен анализ взаимодействия терагерцового электромагнитного излучения с молекулами ДНК различной конформации. Показано, что в областях наивысшей прозрачности (h∙ν=5-90cm-1 ; ν=0,15-2,7 TГц ) ряда структур головного мозга (в частности, неокортекса) эукориот излучение может вызывать структурные перестройки молекул ДНК. Терагерцовое излучение высокой плотности в структурах головного мозга возникает под действием сенсорных сигналов. Дискретные структурные конформации В- , А- , С- ,…молекул ДНК трактуются как метастабильные электронные состояния (состояния Ферми частиц). Метастабильность этих конформаций связана с ангармоничным смещением атомов и параметров нуклеотидов. Структурные переходы между метастабильными состояниями ДНК под действием сенсорных (слуховых) сигналов связаны со структурными перестройками доменов ДНК - пространством нуклеосом в процессе репликации и определяются как элементы долговременной сенсорной (слуховой) памяти однонаправленной во времени.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

TERAHERTZ ELECTROMAGNETIC RADIATION IN NEURAL STRUCTURES. COFORMATIONAL DNA TRANSITIONS UNDER THE INFLUENCE OF THZ RADIATION

An analysis of the interaction of the terahertz electromagnetic radiation with DNA molecules of different conformations. It is shown that in regions of the highest transparency ( h∙ν=5-90cm-1 ; ν=0.15-2.7 THz) of the series brain structures (in particular, the neocortex) eukaryotic radiation can cause structural rearrangements of DNA molecules. Terahertz high-density radiation in the structures of the brain occurs under the influence of sensory signals. Discrete structural conformations B-, A-, C-,… DNA molecules are treated as metastable electronic states(Fermi states of particles).The metastability of these conformations associated with the anharmonic displacement of atoms and parameters of nucleotides. Structural transitions between metastable states of DNA under by the action of sensory (auditory) signals are associated with structural rearrangements of DNA domains - the space of nucleosomes in the process replication and are defined as elements of long-term sensory (auditory) memory is unidirectional in time.

Текст научной работы на тему «ТЕРАГЕРЦОВОЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ В НЕЙРОННЫХ СТРУКТУРАХ. КОФОРМАЦИОННЫЕ ПЕРЕХОДЫ ДНК ПОД ДЕЙСТВИЕМ ТГЦ ИЗЛУЧЕНИЯ»

УДК 577.3

Галанов Е.К.

Док. тех. наук, ПГУПС г. С.-Петербург, РФ

ТЕРАГЕРЦОВОЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ В НЕЙРОННЫХ СТРУКТУРАХ.

КОФОРМАЦИОННЫЕ ПЕРЕХОДЫ ДНК ПОД ДЕЙСТВИЕМ ТГЦ ИЗЛУЧЕНИЯ.

Аннотация

Проведен анализ взаимодействия терагерцового электромагнитного излучения с молекулами ДНК различной конформации. Показано, что в областях наивысшей прозрачности (h-v=5—90cm-1 ; v=0,15—2,7 ТГц ) ряда структур головного мозга (в частности, неокортекса) эукориот излучение может вызывать структурные перестройки молекул ДНК. Терагерцовое излучение высокой плотности в структурах головного мозга возникает под действием сенсорных сигналов. Дискретные структурные конформации В, А- , С- ,...молекул ДНК трактуются как метастабильные электронные состояния (состояния Ферми частиц). Метастабильность этих конформаций связана с ангармоничным смещением атомов и параметров нуклеотидов.

Структурные переходы между метастабильными состояниями ДНК под действием сенсорных (слуховых) сигналов связаны со структурными перестройками доменов ДНК — пространством нуклеосом в процессе репликации и определяются как элементы долговременной сенсорной (слуховой) памяти однонаправленной во времени.

Ключевые слова

Терагерцовое излучение, дискретные конформационные структуры и электронные состояния ДНК, ангармонизм колебаний элементов молекул ДНК, домены долговременной памяти.

Galanov E.K.

Doc.tec.science PSUMC S.-Petersburg. Russia

TERAHERTZ ELECTROMAGNETIC RADIATION IN NEURAL STRUCTURES. COFORMATIONAL DNA TRANSITIONS UNDER THE INFLUENCE OF THz RADIATION.

Abstract

An analysis of the interaction of the terahertz electromagnetic radiation with DNA molecules of different conformations. It is shown that in regions of the highest transparency ( h-v=5—90cm-1 ; v=0.15—2.7 THz) of the series brain structures (in particular, the neocortex) eukaryotic radiation can cause structural rearrangements of DNA molecules. Terahertz high-density radiation in the structures of the brain occurs under the influence of sensory signals. Discrete structural conformations B-, A-, C-,... DNA molecules are treated as metastable electronic states(Fermi states of particles).The metastability of these conformations associated with the anharmonic displacement of atoms and parameters of nucleotides. Structural transitions between metastable states of DNA under by the action of sensory (auditory) signals are associated with structural rearrangements of DNA domains - the space of nucleosomes in the process replication and are defined as elements of long-term sensory (auditory) memory is unidirectional in time.

Key words

Terahertz radiation, discrete conformational structures and electronic states of DNA, anharmonicity of vibrations of elements DNA molecules, long-term memory domains.

Введение. В работах [1,2] показано, что наряду с равновесным(тепловым) излучением структуры головного мозга человека испускают неравновесное электромагнитное излучение, которое возникает в процессе синапса [1] и в мембранах аксонов и тел нервных клеток при фазовом переходе [2].

Основной диапазон частот этого излучения v=0,15—3 ТГц ^^=5—100см-1 ).

Неравновесное терагерцовое излучение возникает, в частности, при наличии сенсорных сигналов (зрительных, звуковых,..). Это излучение взаимодействует с различными структурами и молекулами центральной нервной системы (ЦНС), в том числе с молекулами ДНК, формирующими и хранящими генетическую и другие известные виды памяти. Сила этого взаимодействия зависит от прозрачности структур ЦНС для ТГц излучения и концентрации молекул ДНК, сосредоточенных в основном в ядрах клеток и митохондриях.

В широкой области инфракрасного электромагнитного излучения h•v=5000—5см-1 ^=150—0,15ТГц) спектры взаимодействия излучения с молекулами ДНК исследуются методами инфракрасного (ИК) поглощения, комбинационного рассеяния (КР) и Бриллюэновского рассеяния.

Экспериментальные исследования спектров ДНК значительно осложняются наличием в ЦНС воды в больших концентрациях, которая поглощает это излучение, взаимодействуя с ним [3].

Структуры ЦНС состоят из белого и серого вещества. Молекулярный состав этих веществ представлен в таблице 1.

Таблица 1

Химический состав серого и белого вещества головного мозга человека [3].

Показатель Серое вещество. % Белое вещество. %

Вода 84 70

Сухой остаток : 16 30

Белки 8 9

Липиды 5 17

Прочие молекулы (в том числе ДНК) 3 4

Структуры, в которых значительную долю составляют липиды, образующие мембраны некоторых глиальных клеток и аксонов нейронов, определяются как белое вещество (так они наблюдаются в видимой области спектра, что обусловлено слоистой структурой (- белок - липиды - белок- липиды -белок - липиды -) [3]. Каждый слой в отдельности прозрачен в видимой области спектра, при этом имеет свой показатель преломления [2].

Серое вещество ЦНС составляет основу ядер (их диаметр 0,5—2мм) таламуса, гипоталамуса, гиппокампа,.., основу I—IV слоёв (толщиной 1—2мм) неокортекса. Серое вещество, поглощающее и рассеивающее излучение видимого спектра, состоит из мелких нейронов, тел и дендритных кустов нейронов, глиальных клеток, не содержащих меелин, состоящий из липидов.

В области спектра h•v=5—5000см-1 жидкая вода ослабляет электромагнитное излучение в е-раз в толщинах 5—50мкм [4]. В работах [5,6] показано, что в наноразмерных образованиях длинноволновые h•v=100—5см-1 спектры поглощения воды существенно ослабляются. Это ослабление связано с уменьшением концентрации структурированных кластеров жидкой воды (Н20)п c большим п [6] (рис.1). Вода в ЦНС человека находится в наноразмерных ёмкостях - в межклеточном и внутриклеточном пространстве. В области спектра h•v=90—5см-1 ^=2,7—0,15 ТГц) структуры головного мозга, содержащие серое вещество (в частности, I—IV слои неокортекса), достаточно прозрачны, т.е. ослабляют излучение в е-раз в толщинах 1—2мм [6]

(рис.1). В этих структурах терагерцовое излучение диапазона v=2,7—0,15ТГц будет наиболее мощным и наиболее сильно воздействовать на молекулы ДНК.

Рисунок 1 - Спектр пропускания жидкой воды, находящейся в макро d > 10мкм (—) (толщина образца 100мкм) и нано d < 250нм (.....) (приведенная толщина образца 1мм) размерных объёмах [5,6].

1. Как известно, структура молекул ДНК представляет собой двойную спираль (рис.2), которая может находиться в различных конформационных состояниях - В (В, В1, ВII,___), А, С,..

Рисунок 2 — Схема элементов двойной спирали ДНК

В нормальных условиях ЦНС (температура, влажность, ионный состав цитоплазмы) из набора конформаций - В (В,В1, ВII), А, С,_В-конформация является предпочтительной (энергетически). Однако молекулы ДНК могут находится не только в этих конфорационных состояниях, но даже в одноцепочечном варианте. Такая структура ДНК возникает в процессе репликации. Поэтому целесообразно проанализировать спектры молекул в различных конформационных состояниях, а также в одноцепочечном варианте.

Спектры ИК поглощения, КР рассеяния и Бриллюэновского рассеяния молекул ДНК исследованы в ряде работ [7—15, 18]. В работе [6] для удобства анализа колебательных спектров ДНК в её длинной

цепочке выделяется элементарная ячейка, состоящая из двух противолежащих (в двухцепочечном варианте ДНК) нуклеотидов. Число нормальных колебаний N нуклеотида (в состав которого входит сахаро-фосфатная группа и азотистое основание) определяется числом атомов п в этой структуре (для азотистых оснований взято усреднённое число атомов П1 =14). В случае одноцепочечного варианта ДНК число атомов П1 =33; число нормальных колебаний N1 = 3-П1 - 6=93. Для двухцепочечной ДНК - N2 = 6-П1 -6 = 192.

Из общего числа нормальных колебаний N1 и N2 большая часть обусловлена характеристическими колебаниями (валентными и деформационными) жёстких атомных групп и связей: СН, СН2 , РО4 , NH,

NH2 ,,, Эти колебания образуют спектры ИК поглощения и КР в ближней и средней ИК области h•v = 5000—200^^ (рис.3,4 ), частота которых незначительно изменяется при конформационных переходах.

Рисунок 3 — Спектр КР ДНК телёнка в виде волокон при Т=20о С в диапазоне 200—3200^^ [ 7 ].

Рисунок 4 - Спектры ИК поглощения и КР поли(аденина) (белый порошок) [ 8 ].

Спектры молекул ДНК в длинноволновой области h•v=90—5cm-1 (Л =110—2000мкм) представлены на рис. 5—7 . В этой области спектра (области высокой прозрачности структур ЦНС) находятся частоты деформационных колебаний больших атомных групп сахаро-фосфатного остова и азотистых оснований. Частоты этих колебаний и их интенсивность существенно изменяются при конформационных переходах и при переходе от двухцепочечной структуры ДНК к одноцепочечной.

Рисунок 5 - Спектры КР плёнок ДНК с разной степенью влажности п: а - В-конформация п = 100% , h•v=18cm-1 ; Ь - В-конформация п = 93% , h•v = 21^^ ; с - А-конформация п = 75% , d - сухой

деградированный образец, h•v=27cm-1 [11].

Рисунок 6 - Спектр КР ДНК телёнка в виде волокон при Т=20о С в диапазоне 7—200см-1 [7].

1Е+12 2Е-И2 ЗЕ-И2 4Е-М2 5Е-И2 6Е-И2 Frequency(Hz)

Рисунок 7 — Спектр поглощения двухцепочечной (красный цвет) и одноцепочечной

(синий цвет) ДНК сельди [10].

Структурные перестройки могут происходить при изменении влажности, температуры, ионного состава среды. В экспериментах [7—17] температура поддерживалась, как правило, нормальной - 20±5 С, далёкой от температуры плавления - 80 С (деградации) отдельных участков ДНК.

Большие изменения в длинноволновых спектрах ДНК наблюдаются при изменении влажности среды (рис. 5) [11,12]. В работах [11,12] полоса h•v =12 —30см1 приписана твист колебаниям оснований. Эти колебания имеют частоту v=0,36—0,45 ТГц ^^=12—15см-1 ) при высокой

влажности, когда молекула ДНК находится в В-конформационном состоянии. Переход в А-конформацию происходит при понижении относительной влажности < 75% [11,12] и сопровождается смещением в спектре КР полосы h•v = 12см-1 в высокочастотную область спектра

h•v= 28—32см-1 . Подобного рода изменение наблюдается также в спектре ДНК [10] при переходе из двухцепочечного состояния в одноцепочечное.

Необходимо отметить, что спектры КР в области h•v=5—100см-1 в работах [11, 12] записывались со спектральным разрешением Дv /V = 0,15—0,12. Более высокое разрешение достигалось при записи спектров ИК поглощения Дv / V =0,01—0,005 [15— 17]. По-видимому, благодаря высокому спектральному разрешению, полоса hv= 12см-1 (0,36 ТГц) КР в спектре ИК поглощения представлена в виде нескольких полос: 0,3003ТГц; 0,301ТГц; 0,3012ТГц [13], что может быть обусловлено различием масс азотистых оснований в ДНК. При записи ИК спектров молекулы ДНК находились во влажной среде [15, 16]; наряду с полосами низкочастотными 0,300—0,320ТГц наблюдаются полосы высокочастотные (0,467; 0,630; 0,660; 0,689 ТГЦ ) [18] , что можно объяснять наличием в ДНК, находящейся во влажной среде как В-конформационных, так и А-коформационных структур. а также деградированных ( при изготовлении образцов) молекул ДНК.

Колебания жестких азотистых оснований, связанных с сахаро-фосфатной цепочкой, можно трактовать как колебания центра тяжести молекулы: 1) V! (О1 ) - колебание вдоль направления водородных связей Ы—Н...Ы, N—N,,,0 противолежащих оснований; V2 (О2 ) - колебание центра тяжести оснований вдоль оси двухцепочечной ДНК; 3) Vз (Оз ) - колебание центра тяжести оснований перпендикулярные направлению водородных связей и оси ДНК. Каждое из этих нормальных колебаний характеризуется своей силовой постоянной и потенциальным рельефом Ц (О,). Нормальные координаты О1, О2, Оз определяются совокупностью изменений координат атомов, связей и углов О, =!С q¡,• например, О1 = (Си qи + С12 ql2 + С13 qlз), где qп - смещение центра тяжести основания вдоль водородных связей противолежащих оснований; ql2 - смещение положения шарнира С1 ; qlз - деформации сахарного кольца. Изменение частоты колебания Vl (О1 ) (Рис. 5) молекул ДНК при конформационных переходах обусловлено

изменением длин водородных связей противолежащих азотистых оснований и следовательно потенциала и (01 =1^ С ^ ).

Влияние длин d водородных связей (X—Н..^) можно проследить на примерах высокочастотных валентных колебаниях водорода (О—Н _О) в молекулах, имеющих длинные водородные связи (О—Н_О) d = 2—3нм [19 ]. Суммарный потенциальный рельеф изолированных водородных связей (О—Н) и1 (01 =ql ) и связи (Н_О) и2 (02 =q2 ) имеет форму ангармонического потенциала и(0=С1 ql + С2 q2 ) водородной связи (О—Н_О) и определяет частоты колебаний в пределах h•v =3500—2400см-1 (рис. 8) [19 ].

Рисунок 8 — Потенциальный рельеф слабой (I), промежуточной (II, III) и сильной (IV) водородной связи

О—Н...О. Частоты квантовых переходов n=0 ^ n=1 [19]

Наряду с отмеченным изменением частоты колебаний молекул ДНК h•Vlв « 12ст-1 ^ h•VlA « 30ст-1 при переходе В ^ А , в ИК спектре уменьшается интенсивность соответствующей полосы ( рис7 ), что обусловлено зависимостью дипольного момента данного колебания V! от изменения влияния диполей соседних структурных элементов. Величина дипольного момента перехода между двумя квантовыми колебательными уровнями и и и определяется соотношением

/фил МЦФж^Хи')^ (1)

( 2 )

Колебания V2(Q2) и Vз (0з) центра тяжести азотистых оснований совершаются в направлениях перпендикулярных направлению водородных связей (противолежащих оснований). Частоты этих колебаний (область спектра h•v=30—50ст-1) незначительно изменяются при конформационных переходах (рис. 7). Нормальные координаты 02 и 0з определяются (подобно 01) своей совокупностью структурных элементов элементарной ячейки ДНК: 02 =1; С^ q2j■ , 0з =!к Сзк qзk .

Полосы внеплоскостных колебаний сахарного кольца расположены в области спектра h•v = 60— 150ст-1. Эти колебания в основном определяются смещением атомов С2 и Сз сахарного кольца и изменением величины торсионных углов (таблица 2).

Полоса h•v=66cm-1 (V = 2ТГц) может быть приписана крутильным колебаниям группы РО-4 вокруг оси

Сз - С5. Значительное изменение интенсивности этой полосы при конформационном переходе В О А и при разъединении двухцепочечной молекулы ДНК вызвано изменением водного окружения группы РО-4.

Известно, что водное окружение молекул ДНК препятствует отталкиванию противолежащих отрицательно заряженных сахаро- фосфатных пепей ДНК [20]. Это обусловлено тем фактом, что молекулы жидкой воды, контактирующие с ионами любых молекул и сред, распадаются на ионы Н+ и ОН- в пределах расстояний 1 <1нм. Ионы Н+ этой приграничной среды нейтрализуют ионы РО-4 и тем самым ослабляют электростатическое поле внутри двухцепочечной ДНК.

Первичная гидратная оболочка молекулы ДНК, имеющей В-конформационную структуру, состоит из 20 молекул воды на нуклеотид [20]. Переход от В-конформации к А-конформации происходит при уменьшении относительной влажности, начиная с =75% [11]. Таким образом, молекулы воды определяют электростатическое поле, в котором находятся сахаро-фосфатная цепь, азотистые основания и водородные связи (Ы—Н...Ы , Ы—Н_0) , изменяя длины водородных связей.

Сахаро-фосфатная цепь молекул ДНК имеет высокую трансляционную симметрию, которая определяет частоты акустических мод и Бриллюэновское рассеяние [13]. Максимальное Бриллюеновское рассеяние наблюдается в области частот v=3—4 ГГц (рис.9) при высокой гидратации ДНК.

4 8 12 16 20

V (GHz )

Рисунок.9 — Спектр Бриллюэновского рассеяния молекул ДНК.

Влажность образцов: * - n=0, + - n=23, • - n=45, ♦ - n=80, о -n=86, □ -n= 95% [13].

2. Дискретный характер конформационных структур (В, А,...) элементарной ячейки ДНК должен быть связан ( как и в случае отдельных молекул ) с дискретностью метастабильных квантовых состояний. Такой дискретностью (набор квантовых чисел n, l, m/ , ms,...) характеризуются электронные состояния (Ферми частицы) молекул, структур (в соответствии с принципом Паули). Обладающая этими свойствами электронная волновая функция элементарной ячейки ДНК в методе конфигурационного взаимодействия (КВ) представляется в виде ряда детерминантов Слейтора, каждый из которых описывает систему в некотором одноэлектронном состоянии

Фкв = ао Фо + Ii а, Ф,

( 3 )

где Фо - одноэлектронная волновая функция основного состояния, Ф\ - одноэлектронная волновая функция возбуждённого состояния \ .

щ = —

щ VNT

Фо1 (Xl) ф01(Х2) Фо2 (Xl) Ф02 (Х2 )

Фо1 (xN) ФoN (xN)

ФoN (Xl) фoN(X2) . . . ФoN (XN)

( 4 )

где фоп (х) = фоп(г)-п(5оп); фоп(г) - пространственная компонента, п^оп) - спиновая компонента .

щ. = _L_

щ VNF

Ф^Х^ Ф(1(Х2) Фi2 (Х1) Фi2 (Х2 )

Фi1 (xN) ФiN (XN)

ФiN (Xl) ФiN(X2) . . . ФiN (XN)

( 5 )

где ф\п (х) = ф|п (г)^п(эп ) ; ф\п (г) - пространственная компонента, п(5\п ) - спиновая компонента. Формулы (4 ) и (5 ) отражают принцип Паули .

Если переходы между конформационными состояниями характеризуются малыми энергиями ДЕ « 1—50 кДж/моль, то соответствующее им ( по величине) разделение электронных квантовых состояний -основного ( о ) и первых возбуждённых (\) может быть обусловлено мультиплетным расщеплением терма структуры (0=Л + S, Л - проекция орбитального момента, Б - проекция спинового момента).

Метастабильность этих состояний определяется правилами запрета для переходов между этими состояниями.

В общем виде волновую функцию элементарной ячейки ДНК можно представить в виде произведения

Фэл.яч. = -фэл.-фкол. •фвр. •фяд. ( 6 )

где фэл. - электронная волновая функция, фкол. - колебательная волновая функция, фвр. - вращательная волновая функция, фяд. - ядерная функция, определяющая ядерное спиновое состояние [21] (фяд , как и фэл, определяет состояние Ферми частицы).

В случае молекул ДНК метастабильность электронных состояний может быть обусловлена большими смещениями атомов и атомных фрагментов при переходе из одной конформации в другую. Для дезоксирибозы смещение атомов С2 и Сз при конформационном переходе В О А составляет 0,3— 0,5Л; изменение торсионных углов нуклеотидов представлено в таблице № 2.

Таблица 2

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Торсионные углы нуклеотидов.

Угол а ß V б Е Z X

А -51,7 174,8 41,7 79,1 -147,8 -75,1 -157,2

В -29,9 136,3 31,1 143,3 140,8 -160,8 -98,0

Перевод элементарной ячейки ДНК в высокоэнергетическое состояние может осуществляться под действием мощного терагерцового излучения И^=5—90ст-1 (наряду с изменением степени гидратации ДНК, температуры и ионного состава цитоплазмы). Мощное терагерцовое излучение h•v=5—90ст-1 возникает при наличии сенсорных сигналов и сопутствующих им синапсов и фазовых переходов мембран [1,2]. В свою очередь, электромагнитное излучение h•v=5—90ст-1, поглощённое кристаллической

решёткой ДНК, обуславливает появление фононов,

подчиняющихся статистике Бозе. Ангармонические колебания (фононы) фрагментов элементарной ячейки ДНК приводят к плавному изменению формы и положения этих фрагментов, характерные для той или иной конформационной структуры, т.е. переводят элементарную ячейку в иное электронное состояние. Этот механизм иллюстрируется на схеме (рис 10)

4(0)1

Q. Q,

Рисунок 10 — Схема потенциального рельефа и, (Ц, ) фрагментов ( Од ) и ( Ов) элементарной ячейки ДНК в высокоэнергетическом Ыд (Од ) и низкоэнергетическом Ыв (Ов ) состоянии

Изменению формы и положения фрагментов элементарной ячейки ДНК способствует тот факт, что низкоэнергетические фононные состояния 90ст-1 в условиях равновесия Т=300К характеризуются

высокой заполняемостью квантовых колебательных уровней ( для колебания И^=12ст-1 П1 /п =0,94 , для колебания И^=30ст-1 П1 /П2 =0,87 при Т = 25С).

Запись информации (звуковой) означает перевод элементарной ячейки ДНК в высокоэнергетическое метастабильное состояние. Это конформационное состояние возможно не только в одной элементарной ячейке, но также в целом домене, в качестве которого следует рассматривать нуклеосом, содержащий 50—200 элементарных ячеек (50—200 пар нуклеотидов).

Элементарная ячейка ДНК переходит в высокоэнергетическое состояние в процессе репликации (на участках репликационной вилки) при наличии сенсорных сигналов (звуковых), обуславливающих появление мощного терагерцового электромагнитного излучения. На участках репликационной вилки происходит расщепление двухцепочечной ДНК на одноцепочечные ДНК под действием ДНК-халимозы. У эукориот репликационная вилка занимает пространство 50—200 пар нуклеотидов, т.е. пространство сопоставимое с пространством нуклеосомы.

Домены молекулы ДНК, находящиеся в высокоэнергетическом метастабильном состоянии (под действием терагерцового электромагнитного излучения высокой плотности), можно считать элементом долговременной сенсорной (слуховой) памятью однонаправленной во времени. Список использованной литературы:

1. Галанов Е.К. Синапс - источник терагерцового электромагнитного излучения. // Инновационная наука. 2020. №9. С.14-22.

2. Галанов Е.К. Оптические фононы, электромагнитные волны терагерцового диапазона и солитоны в нейронных структурах. // Инновационная наука. 2020. №6. С.21-28.

3 Хухо Ф. Нейрохимия. «Мир». 1990. С.250.

4. Золотарёв В.М., Морозов В.Н., Смирнова Е.В. Оптические постоянные природных и технических сред. // Л—д. «Химия». 1984. с.214.

5. Лалетко К.К. Терагерцовая спектроскопия водородосодержащих фотонных кристаллов. // Магистерская диссертация. МФТИ. 2010. С.30.

6. Галанов Е.К. Терагерцовые спектры молекул ДНК. // Инновационная наука. 2022. №11-1. С.7—15.

7. Горелик В.С., Крылов А.С., Свербин В.П. Локальная спектроскопия Комбинационного рассеяния света ДНК. // Краткие сообщения по физике. ФИАН. 2014. №11. С.11—18.

8. Кунцов А.К., Жижин Г.Н. Фурье - КР и Фурье — ИК спектры поли меров. // ISBN 978-5-94836-360 2013. 960с.

9. Галанов Е.К. Оптические фононы и электромагнитные волны терагерцового диапазона в нейронных структурах. // Инновационная наука. 2019. №3. С.18-24.

10. Anis Rahman, Brule Stanley, Aunik Rahman. Ultrasensitive label- free detection and quantitation of DNA hybridization via terahertz spectrometry. // Proc. of SPIE. V 7568. Pp.756810(1—7). 2010.

11. Hisako Urabe, Yoko Sugawara, Mitsuo Ataka, Ailan Rupprecht. Low- freguency Raman spectra of lysozyme crystals and oriented DNA films: dynamics of cristal water. // Biopolymers. v. 74. p. 1533-1540. 1998.

12. C. Demarco, S.M.Lindsay, M. Pokorny, J. Powell. Interhelical effects on the Low-freguency modes and phase transitions of Li- and Na-DNA. // Biopolymers. v. 24.p . 2035—22040. 1925.

13. N.J.Tae, S.M. Lindsay. Dynamic coypling between DNA and its primary hydration shell studied by Brillouin scuttering. // Biopolymers. v. 27 p. 1655—1671. 1988.

14. Anis Rahman, Brule Stanley, Aunik Rahman. Ultrasensitive label- free detection and quantitation of DNA hybridization via terahertz spectrometry. // Proc. of SPIE. V 7568. Pp.756810(1—7). 2010.

15. Гусева Ю.С., Семёнова А.В., Панин А.Н., Вакс В.А. Применение методов терагерцовой спектроскопии для изучения водных растворов Биомолекул. // Радиоэлектроника. 2016. №2. С.10-18.

16. Шатров Ю.С., Собакинская В.Л., Вакс В.Л., Панин А.Н. Применение ТГц спектроскопии высокого разрешения для исследования биомолекул. // Вестник ННГУ. 2014.№1(2). С. 201-209.

17 Ramakrishnan Parthasarathy, Tatiana Globus, Tatiana Khomova, Nathan Swarm Dielectric properties of biological molecules in the Terahertz gap // Appl. Phys. Lett. 87. 113901/2005

18. Дука М.В. Исследование спектральных характеристик и биологического отклика нервных клеток, фибропластов и ДНК в диапазоне частот 0,1— 2 ТГц.// ИТМО . дис. к.ф.-м.н. 2014. С.117.

19. Цирельсон В.Г. Квантовая химия. // ISBN 978-5-9963-0080-8 "Бином» 2010. С.495.

20. Чесноков Ю.В. Взаимодействие нуклеиновых кислот с молекулами воды, белков, интерхаляторов. // Сельскохозяйственная биология. 2021. т. 56. №3. С.434-449.

21. Капралов П.О. Диодно-лазерная спектроскопия спин-изомерных молекул воды.// дис.к.ф.-м.н. ин-т Прохорова. М. 2009. С.105.

© Галанов Е.К., 2023

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.