К вопросу о топологии ДНК

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