- •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
Рис. 2.9. Разность свободной энергии нуклеозидов (AF) как функция псевдовращательного угла (Р). АР' = 1.5 ккал/моль; АР" = 5.5 ккал/моль
2.5. Конформационные переходы
Как уже говорилось в разделе 1.4, двойная спираль ДНК может принимать разнообразные формы. Многие исследователи полагают, что переходы между этими формами являются в основном результатом вза имодействия между конформационной гибкостью сахаров и степенями свободы, соответствующими парам оснований и их взаимному располо жению.
Наиболее важными и активно изучаемыми переходами являются так называемые В —* А- и В —►Z-переходы.
2.5.1. В —►А-переход
При физиологических условиях двойная спираль ДНК обладает S -формой. Переход из S -формы в A-форму некоторого фрагмента мо лекулы ДНК может произойти при изменении внешних условий или при присоединении белка. Эти переходы имеют относительно небольшой потенциальный барьер и слабо зависят от структуры нуклеотида [9]. Несмотря на это, имеется несколько специальных примеров синтетиче ских полинуклеотидов, которые не могут преобразоваться из S -формы в A-форму. Например, полинуклеотид po\y(dA-dG)-po\y(dC-dT), одна цепь которого состоит из пуринов, а другая — из пиримидинов, не может перейти из S -формы в А-форму [72]. Кроме того, известно, что в фраг менте ДНК, содержащем менее 30% G-C-nap оснований, В —►А-переход довольно затруднен, однако, при возрастании пропорции G-C-nap пере ход будет становиться все более легким [140].
Основное отличие между спиралями А- и S -типа заключается в конформациях сахара [72]. Так в S -ДНК кольца сахара имеют С2'эндо конформацию, а в А-ДНК они имеют СЗ'эндо конформацию. Это отли
чие приводит к изменению расстояний |
между |
соседними фосфатами, |
а это, в свою очередь, является причиной того, почему А- и JB-спирали |
||
выглядят очень разными. |
|
спирали при В —> А- |
Остальные изменения параметров |
двойной |
|
переходе следующие: |
|
|
•Число нуклеотидов на один поворот спирали изменяется от пв = 10 до пА = 11.
• |
Расстояние между соседними нуклеотидами изменяется от Нв = |
|
= 3.38 А до hA —2.56 А. |
• |
Угол вращения спирали изменяется от ts = 36° до t-A = 32.7° |
• |
Направление вращения спирали не изменяется. |
Анализируя изменения параметров двойной спирали, мы можем ото брать внутренние движения, дающие основной вклад в В А-переход. Обычно их называют доминантными движениями. В В —►А-переходах доминантными движениями являются те, которые приводят к измене ниям конформаций сахаров. Таким образом, чтобы дать математическое описание перехода, необходимо рассмотреть по крайней мере одну груп пу движений, связанную с изменениями псевдоротационного фазового угла Р
2.5.2.В —> Z -переход
Впроцессе В —►Z перехода правозакрученная В-ДНК преобра зуется в левозакрученную Z -ДНК. Изменения остальных параметров
спирали следующие.
•Число нуклеотидов на один поворот спирали изменяется от пв = 10 до пА = 12.•
• Расстояние между соседними нуклеотидами изменяется от Нв = = 3.38 А до hz = 3.7 А.
•Угол вращения спирали изменяется от ts = 36° до tz = —30°
Как и в предыдущем случае, способность ДНК преобразоваться из В- в Z -форму зависит от нуклеотидной композиции оснований. Так, полинуклеотид po\y(dG-dC)-po\y(dG-dC) может трансформироваться