К вопросу о топологии ДНК
реклама
Кулинич А.В., Россия, Москва Гипотеза: О топологии нитей ДНК. Молекулярная механика В 1953 году, Дж. Уотсон и Ф. Крик опубликовали модель двухцепочной ДНК, нити которой были комплементарны друг другу и закрученны спиралью по всей длине. Модель логично и просто иллюстрировала механизмы наследственности живой клетки, но не объясняла главного, как у такой молекулы нити могут расходиться при репликации, если они переплетенны на протяжении всей длины между собой. Реплицироваться и транскрибироваться такая ДНК могла только в случае допущения существования в клетке некого молекулярного механизма, способного расплетать тончайшие нити ДНК, вращая их со скоростью около 1000 и более оборотов в секунду в вязкой среде. Чтобы обойти данное затруднение был предложен механизм, при помощи которого молекулы ДНК при репликации и транскрипции сначала разрезаются на небольшие фрагменты и затем вновь собираются c необходимой скоростью. По имени автора этой модели их назвали фрагментами Оказаки. Впоследствии, были обнаружены топоизомеразы, ДНК-геразы ответственные за разрывы и воссоединения двойной спирали. Но при этом совершенно непонятно, расхождение и соединение нитей ДНК в процессе денатурации и ренатурации ДНК. Эти процессы происходят в простом буферном растворе, всего лишь вследствие повышения или понижения температуры или ионного состава среды и при полном отсутствии, каких либо ферментов. Этому явлению были посвящены сотни, если не тысячи научных исследований. Они уточняли и проясняли тончайшие детали линейной структуры ДНК, акцентируя внимание на кинетике процессов и вариациям условий проведения опытов. *** В чём же причина появления и столь длительного существования внутренне противоречивой классической модели ДНК. Возможно, это связано с последовательностью появления данных о свойствах ДНК у авторов модели. Сначала, у ДНК с разным нуклеотидным составом, отношения оснований аденин-тимин и гуанинцитозин всегда равны единице, правило – Чаргаффа. Они связаны между собой водородными связями (лесенка), данные рентгеноструктурного анализа свидетельствуют о цикличной упорядоченности полимерной молекулы. На основании этих данных Уотсон и Крик (1) предложили модель двухцепочной ДНК, в которой нити закручены относительно друг друга и вокруг общей оси. Плоскости пар оснований аденин-тимин и гуанин1 цитозин перпендикулярны длинной оси и соединяют две сахарофосфатные цепи. Каждая следующая пара повёрнута по отношению к предыдущей на 36 градусов. В результате через каждые десять пар оснований цепь совершают полный оборот вокруг собственной оси на 360 градусов, образуя виток двойной спирали с большим и малым желобками снаружи. За эту работу авторы были удостоены Нобелевской премии в 1962 г. Открытие поразило научный мир и имело революционные последствия для всей биологии и науки в целом. Со временем помимо предложенной правозакрученной спиральной модели ДНК, которая получила название Аформы, были открыты целый ряд: В, С, D, Т-форм ДНК, которые тоже были правозакрученными. Эти вариации отличались от исходной количеством пар оснований на шаг спирали или другими дефектами. Была получена и изучена и левосторонняя, зигзагообразная двухцепочечная спиральная молекула ДНК, названная Z-формой. Была показана возможность перехода молекул ДНК, в водных растворах под воздействием всего лишь высоких концентраций МgCl, NaCl или спирта из правозакрученной в левозакрученную форму. То есть, ДНК могла, как бы выворачиваться наизнанку, оставаясь при этом естественно с переплетенными нитями (3). Тогда же было продемонстрировано, что с помощью платиносодержащего препарата в условиях его насыщения в растворе, ДНК могла полностью раскручиваться, превращаясь в линейную двухцепочечную конструкцию наподобие веревочной лестницы. Её назвали L-ДНК. Происходило все это без всяких, рестриктаз, трансфераз и топоизомераз, опять же в простом буферном растворе. Наконец была предложена модель, в которой цепи не переплетались, а находились рядом друг с другом «бок в бок». Эта модель, как нельзя лучше объясняла основные свойства присущие ДНК. Для репликации и транскрипции не требовалось раскручивания цепей. Она соответствовала экспериментальным рентгенограммам, имела главный и минорный желобок и т.д., но сами цепи как бы приобретали зигзагообразный характер, переходя через каждые пол витка, из правозакрученной в левозакрученную форму (4). Всё это требовало дополнительных объяснений и сотворения новых сущностей, что не есть хорошо. Потеря изначальной простоты и красоты, предложенной Уотсоном и Криком модели ДНК, не могла быть не замеченной и постоянно вызывала потребность в объяснении. Первые размышления о данной проблеме возникли у автора данной статьи ещё в 1970 году в лаборатории Молекулярной генетики бактерий и фагов Института общей генетики АН СССР. Они были связаны с изучением высокой отрицательной интерференцией при трансформации фага Т4. И для того, чтобы лучше представить себе эти процессы, из тонкой медной проволоки и обыкновенной стеклянной пипетки была сконструирована простейшая механистическая модель ДНК. Возьмём два куска тонкой медной проволоки, сложим их параллельно и начнём 2 медленно и аккуратно наматывать виток за витком на стеклянную пипетку или карандаш по спирали. Достаточно 10-15 оборотов, чтобы у нас получилась двойная спираль. Сняв её с пипетки, мы увидим её сходство с теми графическими картинками, которые обычно помещены в учебники биологии и что её цепи параллельны и в тоже время переплетены относительно друг друга и закручены относительно продольной оси, то есть пипетки. В этом легко убедиться, если попытаться развести их в стороны или для большей наглядности просто растянуть их в длину рис.1. Рисунок 1. Модель 1 и 2. На рисунке видно, что две параллельные в начале опыта проволоки переплетены на каждом витке и не могут разойтись. Для того, чтобы такие параллельные цепи не пересекались необходимо после каждого витка менять нити местами, вращая их, относительно друг друга на 360 градусов в обратном направлении, Или поступить проще, вложив одну спираль в другую, нижняя часть рисунка. Двойная спираль, полученная таким образом, расходится на две одиночные, а если их растянуть, то мы вернёмся к условию, с которого начали эксперимент. Получается, если просто, закрутить двухцепочную молекулу в спиральную структуру вокруг продольной оси, мы получим конструкцию, которая по своей природе не способна обеспечить многообразные свойства присущие настоящей ДНК. В механике есть целый раздел о пружинах, которые подразделяются на пружины сжатия, растяжения, изгиба и кручения. Нам более всего подойдёт раздел о пружинах кручения, которые ещё называются торсионными. Торсионные пружины возникают при кручении, 3 деформации тела подвергнутого нагрузке в виде пары сил в поперечной плоскости. Торсионные пружины могут быть как право, так лево закрученные. Кроме того в разделе торсионных пружин имеются ещё целый класс трубчатых манометрических пружин или пружин Бурдона. Трубчатые пружины деформируются под влиянием изменения внутреннего давления в поперечном сечении. Сами трубки в своём сечении могут иметь разнообразную форму, обычно в виде овала, эллипса, восьмёркообразную или гантеливидную и содержать различные вкладыши. Геометрические параметры самой пружины зависят от внутреннего давления (напряжения связей). Методам расчёта формы и свойствам манометрических или торсионных пружин посвящено множество научных работ и диссертаций (3). Другое хорошо изученное явление из области современного материаловедения, которое можно было бы дополнительно привлечь для объяснения ДНК эволюций является мартенситные изменения ( от А. Мартенса немецкого металловеда) материалов, обладающих эффектом памяти. Эти материалы широко используют в современных высоких технологиях, медицине, косметике и т.д. Для них характерно изменение упругости при изменении температуры. Мартенситные пружины обладают исключительной надёжностью и способны накапливать относительно большие запасы энергии. Причем эффект памяти может проявляться в течение нескольких миллионов циклов. Для мартенситных температурных превращений наблюдается весьма заметный гистерезис прямой и обратной реакции и эти кривые удивительно схожи с температурными кривыми денатурации и ренатурации ДНК. (4). Совершенно очевидно, что в данном случае можно говорить только о фрактальных подобиях, так как мартенситные силы действуют на атомарном уровне, а мы рассуждаем на молекулярном. Думаю, что, в конце концов, параллели очевидны и представление о существовании ДНК в жидкой среде в виде трубчатой тонкостенной пружины с гидратной оболочкой или трубчатого полииона с противоионным окружением (3) могло бы способствовать решению обсуждаемой проблемы. Удваиваясь, нити ДНК сжимаются, изгибаясь за счёт разновеликих поперечных сил удерживающих их вместе, превращаются в спиралеподобную пружину. Такая пружина будет сжиматься и разжиматься под действием внешних сил, уравновешивающих внутримолекулярное (температура, ионное окружение, метилирование) взаимодействие с различными белками. Величина сил молекулярных взаимодействий, которые приводят этот механизм в действие, могут быть просчитаны специалистами, но в данном случае эта область знаний лежит за пределами компетенции автора. Нетрудно предположить, что степень сжатия такой пружины должна зависеть от нуклеотидного состава цепей. Простейший случай, гомополинуклеотиды А-Т или Г-Ц, то есть количество нуклеотидных пар 4 на шаг спирали должно различаться. Известно, что такие пары различаются количеством водородных связей между собой и в зависимости от соседства имеют большую или меньшую степень отклонения своей плоскости от продольной оси ДНК, (углы наклона, крена, пропеллера). Силы, которые вызывают это кручение, обычно обозначаются как торсионные и естественно влияют на степень прочности соединения нитей ДНК и длину шага торсионной пружины. Представление ДНК в виде торсионной пружины, гораздо легче объясняет её способность к суперспирализации (примерно в 300 нуклеотидные кластеры) и в дальнейшей упаковке в сложные компактные структуры, которые так же легко раскладываются. В обыденной жизни таким примером могут быть самораскладывающиеся туристические палатки или стенты в кардиохирургии. Рентгеновская и графическая проекции, изображающие двухцепочечную торсионную ДНК и общеизвестную лесенку, закрученную вокруг общей оси ничем не должна отличаться, так как являются всего лишь интерпретациями одних и тех наблюдений. Предлагаемая модель ДНК позволяет устранить противоречия, возникающие при попытке представить механизмы репликации и транскрипции, как в целом, так и на отдельных участках ДНК. При внешнем уравновешивании внутренних взаимодействий нитей они вытягиваются и будут легко расходиться, становясь доступными для данных процессов в любых нужных местах и снова сжиматься по окончании синтеза. Интересно, что хорошо изученный сократительный белок миозин, тоже является двойной спиралью двух полипептидных цепей, меняющий свою длину под влиянием ионов Са+ и Мg+ и АТФ. Способность торсионной спирали ДНК менять свою вторичную структуру при изменении внешнего окружения могло стать первичным адапционным импульсом к эволюции, в сложной гетерогенной среде мелководий древнего мирового океана. Смысловое значение нуклеотидных последовательностей на данном этапе не имело значения и приобрело главенствующую роль только в будущем. Колебание температуры, концентрации солей и других органических молекул под действием энергии солнца в этой многофакторной системе происходило постоянно и неизбежно вызывало естественную эволюцию столь трепетной молекулы. О предлагаемой модели, можно было бы ещё многое написать, предложив дополнительные подтверждающие факты или необходимость уточняющих измерений и экспериментов, но то, что она не противоречит уже известным фактам и красота молекулы ДНК при этом ничуть не страдает, позволяет надеяться на её обсуждение и использование в планировании научных исследований. Литература 1. Уотсон Д.Д. Двойная спираль. Изд. Мир, Москва 1969. 5 2. В.Зенгер. Принципы структурной организации нуклеиновых кислот. Москва, «Мир» 1987 3. Франк-Каменецкий М.Д., Аншелевич В.В., Лукашин А.В. Полиэлектролитная модель ДНК. УФН, 1987, т.151, в.4,с.57-617. 4. Пирогов С.П. Моделирование напряженно-деформированного состояния манометрических трубчатых пружин. Автореферат диссертации. д.т.н. Тюмень 2010. 5. Лихачёв В.А., Кузьмин С.А., Каменцева З.П. Эффект памяти формы. Ленинград, Изд-во ЛГУ, 1987, 217 с. 6
