- •Якушевич Л. В.
- •ISBN 978-5-93972-638-2
- •http://shop.rcd.ru
- •Оглавление
- •Структура ДНК
- •1.1. Химический состав и первичная структура
- •1.2• Пространственная геометрия и вторичная структура
- •1.3. Силы, стабилизирующие вторичную структуру ДНК
- •1.3.1. Водородные взаимодействия
- •1.3.2. Стэкинговые взаимодействия
- •1.3.3. Дальнодействующие силы внутри и снаружи сахарофосфатного остова
- •1.3.4. Электростатическое поле ДНК
- •1.4. Полиморфизм
- •1.5. Третичная структура
- •1.5.1. Суперспираль
- •1.5.2. Структурная организация в клетках
- •1.6. Моделирование структуры ДНК
- •1.6.1. Общие замечания
- •1.6.2. Иерархия структурных моделей
- •1.7. Экспериментальные методы исследования структуры ДНК
- •Динамика ДНК
- •2.1. Общая картина внутренней подвижности ДНК
- •2.2. Крутильные и изгибные движения
- •2.3. Динамика оснований
- •2.3.1. Состояние равновесия
- •2.3.2. Возможные движения оснований
- •2.4. Динамика сахарофосфатного остова
- •2.4.1. Состояние равновесия
- •2.4.2. Возможные движения сахарофосфатного остова
- •2.5. Конформационные переходы
- •2.6. Движения, связанные с локальным разделением нитей
- •2.6.1. Раскрытие пар оснований вследствие вращения оснований
- •2.7. Моделирование динамики ДНК
- •2.7.2. Иерархия динамических моделей
- •2.8. Экспериментальные методы изучения динамики ДНК
- •2.8Д. Раман-спектроскопия
- •2.8.2. Рассеяние нейтронов
- •2.8.3. Инфракрасная спектроскопия
- •2.8.4. Водородно-дейтериевый (-тритиевый) обмен
- •2.8.5. Микроволновое поглощение
- •2.8.7. Эксперименты по переносу заряда
- •2.8.8. Эксперименты с отдельными молекулами
- •Функционирование ДНК
- •3.1. Физические аспекты функционирования ДНК
- •3.2. Интеркаляция
- •3.3. Белок-нуклеиновое узнавание
- •3.4. Экспрессия генома
- •3.5. Регуляция генной экспрессии
- •3.6. Репликация
- •Линейная теория ДНК
- •4.1. Основные математические модели
- •4.1.1. Линейная модель упругого стержня
- •4.1.1.1. Продольные и крутильные движения: дискретный случай
- •4.1.1.3. Изгибные движения
- •4.1.2. Линейная модель двойного упругого стержня
- •4.1.2.1. Дискретный случай
- •4Л.2.2. Непрерывный случай
- •4.1.3. Линейные модели более высоких уровней иерархии
- •4.1.3.1. Модели третьего уровня
- •4.1.3.2. Модели четвертого уровня (решеточные модели)
- •4.2. Статистика линейных возбуждений
- •4.2.1. Фононы в модели упругого стержня
- •4.2.1.1. Общее решение модельных уравнений
- •4.2.1.2. Представление вторичного квантования
- •4.2.1.3. Корреляционные функции
- •4.2.2. Фононы в модели двойного стержня
- •4.2.2.1. Общее решение модельных уравнений
- •4.2.2.2. Представление вторичного квантования
- •4.2.2.3. Корреляционные функции
- •4.2.3. Фононы в моделях более высокого уровня
- •4.3. Задача рассеяния
- •4.3.1. Рассеяние на «замороженной» ДНК
- •4.3.2. Упругое рассеяние
- •4.3.3. Неупругое рассеяние
- •4,4. Линейная теория и эксперимент
- •4.4.1. Флуоресцентная деполяризация
- •Нелинейная теория ДНК. Идеальные динамические модели
- •5.1. Нелинейное математическое моделирование: основные принципы и ограничения
- •5.2. Нелинейные модели упругого стержня
- •5.2.1. Модель Муто
- •5.2.2. Модель Христиансена
- •5.2.3. Модель Ичикавы
- •5.3. Нелинейные модели двойного упругого стержня
- •5.3.1. Общий случай: гамильтониан
- •5.3.2. Общий случай: динамические уравнения
- •5.3.ЗЛ. Дискретный случай
- •5.3.3.3. Линейное приближение
- •5.3.3.4. Первый интеграл
- •5.3.3.5. Решения в виде кинков, полученные методом Ньютона
- •5.3.3.6. Решения в виде кинков, найденные методом Херемана
- •5.3.4. Модель Пейарда и Бишопа
- •5.3.6. Модель Барби
- •5.3.7. Модель Кампы
- •5.4. Нелинейные модели более высоких уровней иерархии
- •5.4.1. Модель Крумхансла и Алекзандер
- •5.4.2. Модель Волкова
- •Нелинейная теория ДНК: неидеальные модели
- •6.1. Модели, учитывающие влияние окружающей среды
- •6.1.2. Частные примеры
- •6.1.3. ДНК и термостат
- •6.2. Модели, учитывающие неоднородность ДНК
- •6.2.1. Граница
- •6.2.2. Локальная область
- •6.2.3. Последовательность оснований
- •6.3. Модели, учитывающие спиральность ДНК
- •6.4. Модели, учитывающие асимметрию ДНК
- •Нелинейная теория ДНК: статистика нелинейных возмущений
- •7.1. ПБД-подход
- •7.2. Приближение идеального газа
- •7.3. Задача рассеяния и нелинейные математические модели
- •7.3.1. Динамический фактор для простой модели синус-Гордона
- •7.3.2. Динамический фактор для спиральной модели синус-Гордона
- •Экспериментальные исследования нелинейных свойств ДНК
- •8.1. Водородно-дейтериевый (-тритиевый) обмен
- •8.2. Резонансное микроволновое поглощение
- •8.3. Рассеяние нейтронов и света
- •8.3.2. Интерпретация Баверстока и Кундалла
- •8.4. Флуоресцентная деполяризация
- •9.1. Нелинейный механизм конформационных переходов
- •9.2. Нелинейные конформационные волны и эффекты дальнодействия
- •9.3. Нелинейные механизмы регуляции транскрипции
- •9.4. Направление процесса транскрипции
- •9.5. Нелинейная модель денатурации ДНК
- •Математическое описание крутильных и изгибных движений
- •Литература
- •Предметный указатель
Глава 1
Структура ДНК
ДНК является одной их наиболее интересных и таинственных био логических молекул. Она принадлежит к классу биополимеров и обла дает важной биологической функцией, заключающейся в способности сохранять и передавать генетическую информацию. В настоящей кни ге мы попытаемся взглянуть на ДНК не как биологи, а как физики, то есть мы будем рассматривать ее как сложную динамическую систе му, состоящую из большого количества атомов и обладающую квазиодномернои\ структурой с необычной симметрией, множеством степеней свободы, многими видами движений и особым распределением внутрен них взаимодействий.
В этой главе дается краткое описание основных элементов структу ры ДНК.
1.1. Химический состав и первичная структура
Дезоксирибонуклеиновая кислота, или сокращенно ДНК, состоит из двух полимерных цепочек. Химическая формула каждой из цепочек сейчас надежно установлена. Она состоит из мономеров, называемых нуклеотидами (рис. 1.1). Каждый нуклеотид состоит их трех компо нент: сахара в виде фуранозного кольца, гетероциклического основания и фосфата (РО4 ). Основания, входящие в состав нуклеотидов, могут быть четырех типов. Два из них — аденин (А) и гуанин (G) — пурины, а остальные — тимин (Т) и цитозин (С) — пиримидины (рис. 1.2). Сахар связан с одним из четырех оснований посредством /?-гликозидной свя зи и образует одну из четырех форм природных нуклеозидов: аденозин, гуанозин, тимидин и цитидин. Нуклеотид образуется посредством фосфорелирования 3'- и Б'-гидроксильной группы сахара, входящей в состав нуклеозида.
Каждая из описанных выше полимерных цепочек (их часто называ ют «нитями») характеризуется полярностью (существует 3'- и Б'-концы)
0
0=Р-0Н 1
о=р-он
I
о
\...
Рис. 1.1. Фрагмент полинуклеотидной цепи. Направление цепи показано стрелкой
|
|
н\ |
/н |
|
|
|
|
N6 |
|
||
л к |
|
N1 |
|||
" |
С5 |
|
|
||
Н-С8 |
II |
|
|
I |
|
\ |
А4 |
А2 |
|||
|
N9 |
N3 |
Н |
||
|
I |
|
|
|
|
|
Н ?6 |
||||
Л |
/с<\ |
,н |
|||
11 |
С5 |
|
|
N1 |
|
Н-С8 |
|
II |
|
|
I |
\ |
А4 |
А2/н |
|||
|
N9 |
N3 |
N2 |
||
|
I |
|
|
|
\ |
|
Н |
|
|
|
н |
НИН |
04 |
_ |
|||
\ |
Г/ |
I |
|
|
|
с\ |
/ Cf / H |
||||
|
н5 |
|
|
г3 |
|
|
С6 |
|
С2 |
||
|
I |
\ |
/ |
\\ |
|
Н |
y i |
|
|
02 |
|
|
|
Н |
|
|
|
|
Н\ |
/Н |
|||
|
|
N4 |
|
||
|
с\ А |
||||
|
С5 |
|
уз |
||
|
С6 |
/ |
С2 |
||
|
/ |
\ |
|
\\ |
|
|
Н |
y i |
|
02 |
|
|
|
Н |
|
|
|
Рис. 1.2. Основания ДНК:
(а) аденин, (Ь) гуанин, (с) тимин и (d) цитозин
и специфической последовательностью оснований, которая и является носителем генетической информации.
Две нити, соединяясь, образуют |
|
|
|
|
||
ДНК, причем эти нити устроены сле |
|
•Л3' |
|
|||
дующим образом: |
|
|
|
|||
|
|
0 |
|
|
||
(1) они параллельны друг другу, но |
|
1 |
|
|
||
|
н о -р=о |
|||||
имеют противоположные полярно |
|
I ? |
|
|
||
сти (рис. 1.3); |
|
|
|
|
||
(2) основания находятся внутри и со |
|
% ш |
|
|||
единены друг с другом слабыми |
|
о |
СН, |
|||
|
|
|
||||
водородными связями; |
|
|
\ |
|||
(3) два основания, связанные водо |
|
|
|
О |
||
0 н |
но-р=о |
|||||
родными связями, |
образуют па |
|||||
ру оснований, и в соответствии с |
о=р-он |
|
|
|
||
правилом Чаргаффа |
[67] в ДНК |
1 |
|
|
|
|
возможны только два типа пар |
о |
|
|
|
||
сн .° |
|
|
|
|||
оснований: А-Т-пары и G-C-пары |
s = c |
|
\ / c „ |
|||
(рис. 1.4). |
|
c |
|
|||
|
|
|
|
|
Таким образом, молекула ДНК об ладает квази-регулярной химической структурой. Регулярная часть (саха рофосфатный остов) образована стро го чередующимися сахарами и фосфат ными группами, объединенными в ре гулярно чередующиеся 3'-, 5'-фосфат- диэфирные звенья, а нерегулярная часть (боковые группы) формируется основаниями, соединенными с саха рами и образующими последователь ность вдоль цепи. Именно эта после довательность определяет так называе мую первичную структуру ДНК. Такая последовательность оснований в полинуклеотидной цепи является уникаль ной для каждого организма, а измене ния в этой последовательности могут привести к круциальным изменениям
в свойствах организма и его функционировании.
Ч0
I
н о -р =о
BtJ1
сн ,
о\...5'
|
Н |
|
W |
|
||
|
|
\ |
|
|
||
N |
|
N-H- |
<К Р |
|
||
|
Q |
с-с |
|
|||
и |
\ /Л |
|
/ |
\\ |
|
|
|
С |
|
N- H-N |
с-н |
а |
|
н -сV с |
|
с |
\ |
I |
||
|
C-N |
|
||||
\ |
/\\ / \ |
// |
\ |
|
||
N |
|
N |
Н |
О |
н* |
|
/ |
|
|
|
|
|
|
Н* |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
/н |
/н |
|
|
|
О • • • H-N-C-C |
|
|||
N |
II |
H- |
а |
« |
|
|
С |
- N |
С-Н |
b |
|||
11 |
С |
|
N |
C-N |
||
|
|
|||||
Н'С |
1 |
^ |
" |
\п |
|
|
VR R R -o |
н |
|
||||
N |
|
N N |
|
|
|
|
|
|
|
\ |
|
|
|
Н* |
|
Н |
|
|
|
Рис. 1.4. Пары оснований: (а) А-Т и (b) G-С. Водородные атомы, которые заме няются в ДНК углеродными атомами Кольцов сахара, маркированы звездочками
1.2• Пространственная геометрия и вторичная структура
Способ, при помощи которого полинуклеотидные цепочки удержи ваются вместе, то есть принципы формирования вторичной структуры ДНК, были разработаны Уотсоном и Криком [68,69], Франклин и Гослингом [70], а также Уилкинсом и соавторами [71] в 1953. Основные черты этой структуры могут быть сформулированы следующим образом.
(1) Две полинуклеотидные цепочки закручены вокруг общей оси таким образом, чтобы образовалась двойная спираль (рис. 1.5).
(2) Диаметр этой спирали равен 20 А. Соседние основания находятся на расстоянии 3.4 А вдоль оси и повернуты на угол 36° друг отно сительно друга. Таким образом, в одном витке спирали содержится 10 нуклеотидов, что соответствует длине 34 А.3
(3)Основания расположены внутри спирали, а фосфаты и сахара — снаружи.