Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Нелинейная физика ДНК..pdf
Скачиваний:
9
Добавлен:
15.11.2022
Размер:
16.39 Mб
Скачать
Рис. 1.5. Изображение двой­ ной спирали. Сахарофосфатный остов показан с помощью лент. Основания показаны в виде ко­ ротких поперечных стержней

(4)Две полинуклеотидные цепочки удерживаются вместе посредством водородных связей между основаниями, как показано схематически на рис. 1.3. Основания объединены в пары (рис. 1.4), причем каждое основание одной из цепочек водородно связано с основанием другой цепочки.

(5)Возможны только такие пары оснований, в которых одно из основа­ ний является пурином, а второе — пиримидином (рис. 1.4). Благо­ даря такой специфике спаривания, полинуклеотидные цепочки яв­ ляются комплиментарными друг к другу.

Позднее такое «классическое» опи­ сание вторичной структуры ДНК было дополнено и уточнено [72]. Более то­ го, было предложено и широко обсужда­ лось несколько других, альтернативных, структур ДНК [73-76].

В следующих двух параграфах мы обсудим два важных вопроса, которые можно рассматривать как дальнейшее развитие этой темы: это силы, стабили­ зирующие вторичную структуру, и поли­ морфизм ДНК.

1.3. Силы, стабилизирующие вторичную структуру ДНК

Для понимания физики ДНК очень важно ясно представлять особенности распределения взаимодействий между основными структурными элементами молекулы. Наиболее важные из взаимо­ действий — это силы, стабилизирующие вторичную структуру: так называемые го­ ризонтальные или водородные взаимодей­ ствия между основаниями внутри пар,

вертикальные или стэкинговые взаимодействия между соседними осно­ ваниями вдоль оси ДНК и дальнодействующие взаимодействия внутри и снаружи сахарофосфатного остова.

1.3.1.Водородные взаимодействия

Вобщем случае водородные взаимодействия определяются форму­

лой

Х - Н . . Y,

(1.1)

где атом водорода Н связан с двумя отрицательно заряженными атома­ ми X и Y. Сила водородной связи и, следовательно, ее длина зависят от заряда на атомах X, Н и Y.

В случае ДНК в плоскости пары оснований протоны обмениваются между донорной группой N H одного основания и акцепторами N или Н другого основания. Таким образом, в ДНК встречаются водородные свя­

зи двух типов:

 

N —Н ... N

(1.2)

1 Я

о

(1.3)

Пара А-Т содержит две водородные связи, а пара G-С содержит три водородные связи (рис. 1.4). Хотя эти водородные связи слабы и не обладают высокой направленностью [77], все же они вносят заметный вклад в стабильность спаривания по типу Уотсона-Кри.ка и, следова­ тельно, играют важную роль в кодировании генетической информации, в ее транскрипции и репликации.

Заметим, однако, что в дополнении к описанному выше УотсонКриковскому спариванию существует еще и так называемое хугстиновское спаривание: в первом случае водородные связи включают атомы или атомные группы, относящиеся только к шестичленным кольцам пу­ ринов, в то время как во втором случае акцептором может быть N7

пятичленного кольца.

 

Природа водородных связей в основном

80%) электростатиче­

ская. Результаты квантово-химических расчетов показывают, что вклад в полную энергию водородных связей вносят три типа сил: дисперсион­ ные, поляризация и электростатические эффекты. Результаты вычисле­ ний полной энергии водородных связей [78] дают для А-^Т-пары величи­ ну

Еа~т = 7.00 ккал/моль

(1.4)

и для G-C-пары величину

Сравним теперь эти величины с аналогичными значениями, полу­ ченными для ковалентных связей. Обычно энергия водородных связей в 20 или в 30 раз меньше, чем энергия ковалентных связей. В каче­ стве примера, подтверждающего это утверждение, приведем величины энергии ковалентных связей С-С и С-Н [79]

Ес-с = 83.1 ккал/моль; EQ-н = 98.8 ккал/моль

(1.6)

и энергии водородной связи О-Н. О [80]

£ 0-н...о = 3 -г 6 ккал/моль,

(1.7)

откуда мы видим, что различие между ними действительно довольно велико.

Существует также заметное различие в жесткости этих связей. Что­ бы проиллюстрировать это утверждение, можно сравнить значения ве­ личины энергии, е, необходимой, чтобы удлинить эти связи на 0.1 А. Для ковалентных связей эти значения равны [80]

ес-с = 3.25 ккал/моль; ес-н = 3.60 ккал/моль;

(1.8)

а для водородной связи О-Н. О оно равно [80]

ео-н...о = 0-1 ккал/моль.

(1.9)

Таким образом, ковалентные связи намного жестче. С другой сто­ роны, водородные связи внутри пар легко разрушаются при физиологи­ ческих температурах с помощью разнообразных химических агентов и физических воздействий при концентрациях и значениях, обычно встре­ чающихся в живых системах.

1.3.2. Стэкинговые взаимодействия

Стэкинговые взаимодействия представляют собой другой тип сил, стабилизирующих вторичную структуру ДНК [81,82]. Они удерживают одно основание над другим и формируют стопку оснований. Согласно квантово-химическому анализу, в стэкинговые взаимодействия вносят вклад диполь-дипольные взаимодействия, 7г-электронные системы, лондоновские дисперсионные силы и (в водных растворах) гидрофобные силы. Все эти силы приводят к сложной картине взаимодействий меж­ ду перекрывающимися парами оснований с расстояниями, отвечающими

минимальной энергии, и близкими к величине 3.4 Ав нормальной двой­ ной спирали ДНК.

Подобно водородным связям, стэкинг пар оснований зависит от тем­ пературы, состояния протонации оснований, локальной диэлектрической постоянной и других внешних по отношению к нуклеиновой кислоте параметров, суммированных как параметры окружающей среды. Стэкинговые взаимодействия зависят также от последовательности основа­ ний [83-87]. Результаты квантово-химических вычислений показывают, что значения полной энергии стэкинговых взаимодействий между раз­ личными типами пар оснований равны [88]

E C- G =

14.59 ккал/моль;

т-а = 6.57 ккал/моль;

G-C

 

А-Т

 

E C- G = Е т-а = 10.51 ккал/моль;

EG-с = Еа-т = 6.57 ккал/моль

А-Т

G-C

Т-А

C-G

£ а - т =

E C- G 9.81 ккал/моль;

E G-с = Е т-а = 6.78 ккал/моль

G-C

Т-С

Т-А

C-G

EG-с = 9.69 ккал/моль;

Е а- т Е т-а = 5.37 ккал/моль

C-G

 

А -Т

Т-А

E G- C =

E C- G = 8.26 ккал/моль;

Eh-т = 3.82 ккал/моль.

G-C

С-G

Т-А

 

(1.10)

Таким образом, стопки с высокой концентрацией G-C-nap более ста­ бильны, чем стопки с высокой концентрацией А-Т-пар. Если сравнить теперь величины энергии стэкинговых взаимодействий с величинами энергии водородных связей, мы видим, что они имеют тот же порядок величины. Если сравнить далее величины энергии стэкинговых взаи­ модействий с величинами энергий ковалентных связей, то видно, что стэкинговые взаимодействия значительно слабее.

1.3.3.Дальнодействующие силы внутри и снаружи сахарофосфатного остова

Дальнодействующие силы внутри и снаружи сахарофосфатного остова зависят преимущественно от присутствия фосфатных групп. Рас­ стояния между фосфатами, расположенными на двух разных нитях, при­ близительно равно 20 А, и, следовательно, взаимодействия между ними слабы. В противоположность этому, расстояние между фосфатами вдоль одной и той же нити может быть приблизительно равным 5 А, а это означает, что взаимное отталкивание может быть довольно сильным. Однако в своей двухспиральной природной форме ДНК должна сохра­ няться и в среде, обладающей минимальной ионной силой. Фосфатные