- •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
b)
Рис. 3.3. (а) Двойная спираль ДНК и белковая молекула; (Ь) локальное распле тание двойной спирали, которое, как предполагают, является предварительной стадией, необходимой для узнавания места связывания
Примером такого специфического взаимодействия, требующего ста дии узнавания, является взаимодействие белка, называемого РНКполимеразой, с промоторной областью ДНК. Это взаимодействие очень специфично. Оно происходит в начале процесса транскрипции и сопро вождается локальным расплетанием двойной спирали ДНК.
3.4.Экспрессия генома
Сточки зрения молекулярной биологии экспрессия генома является первичным и наиболее фундаментальным событием жизни. Экспрессией генома называют процесс синтеза белка посредством считывания инфор мации, хранящейся в ДНК, и ее последующей трансляции в белковую молекулу. Основная информация, необходимая для производства белка,
содержится в гене ДНК. Обычно ген имеет размер от 150 до 6000 осно ваний. Он может быть идентифицирован и локализован генетически или биохимически.
Экспрессия некоторого данного гена происходит в два основных этапа: этап транскрипции и этап трансляции.
Транскрипция — это процесс, в котором (линейная) генетическая информация копируется во вспомогательную нуклеиновую кислоту (мат ричную рибонуклеиновую кислоту мРНК). мРНК образуется, в свою очередь, при помощи РНК-полимеразы, которая может быть легко из влечена из бактериальной клетки и очищена в больших количествах. В дальнейшем мы будем ссылаться на РНК-полимеразу, извлеченную
из бактерии Escherichi coli (Е. coli) и имеющую «диаметр» около 150 А. Очищенная РНК-полимераза способна выполнять транскрипцию в про бирке с эффективностью и точностью, сравнимыми с теми, которые име ют место in vivo.
В общем случае транскрипция может быть охарактеризована как сложный многостадийный процесс, который происходит в многоком понентной системе, включающей ДНК, РНК-полимеразу, регуляторные белки, гормоны, ионы и воду. Простейшая схема транскрипции включает три основные стадии: инициацию, элонгацию и терминацию (рис. 3.4).
Инициация |
Элонгация |
Терминация |
инициации
Рис. 3.4. Обобщенная схема основных стадий транскрипции. В каждой стадии молекула ДНК показана в виде двух длинных вертикальных линий, имитиру ющих две нити ДНК. Короткие горизонтальные линии, расположенные между двумя длинными вертикальными линиями, имитируют пары оснований
В первой стадии РНК-полимераза связывается с промоторной обла стью, которая может быть определена как точка инициации. Когда РНКполимераза займет правильное положение и образует несколько фосфодиэфирных связей, начинается вторая стадия процесса. На этой ста дии небольшой фрагмент (субединица а) отделяется от РНК-полимеразы и оставшаяся часть молекулы движется вдоль ДНК, удлиняя одновре-
менно шаг за шагом молекулу РНК. В третьей стадии процесс закан чивается и РНК-полимераза освобождается от молекулы ДНК. Сигнал для остановки процесса дает специальная область ДНК — терминатор.
Трансляцией называют процесс, в котором информация, храняща яся в мРНК, передается в линейную последовательность аминокислот. Произведенная на первом этапе (т. е. этапе транскрипции) мРНК функ ционально делится на три части. Обычно первые 15-30 оснований мРНК (Б'-конец) не транслируются. Они поддерживают ансамбль из двух рибосомных единиц, каждая из которых состоит из 50 различных белков, и устанавливают скорость ансамбля. Последние от нескольких десятков до сотен оснований (З'-конец) тоже не транслируются и, по-видимому,
восновном принимают участие в установлении времени жизни мРНК, обычно порядка 1-3 минут. Средняя часть является кодирующей по следовательностью, которая содержит в себе информацию, необходимую для построения белка. Эта информация расшифровывается как упорядо ченное линейное построение из четырех оснований. Оно транслируется
влинейную последовательность аминокислот при помощи генетического
кода.
Процессы транскрипции и трансляции схематически проиллюстри рованы на рис. 3.5. Здесь несколько РНК-полимеразных частиц присо единены к центральной нити ДНК, причем каждая синтезирует мРНК. Картинка похожа на рождественскую елку, где ДНК является стволом,
амРНК — ветками.
Сфизической точки зрения наиболее интересными элементами рас сматриваемых процессов являются те, которые связаны с образованием
открытого состояния (изображенного на рис. 3.4 в виде «пузыря»), с регуляцией этих процессов на данном гене и с координацией работы многих генов. Мы обсудим эти вопросы детально в главе 9.
3.5. Регуляция генной экспрессии
Физические аспекты регуляции генной экспрессии обычно связы вают с возможностью передачи регуляторных сигналов вдоль молеку лы ДНК. Передача сигналов позволяет объяснить достаточно простым способом включение и/или выключение работы различных сайтов гена и координацию работы множества генов.
Рис. 3.6. Схематическое изображение молекулы ДНК, взаимодействующей с двумя белковыми молекулами. Молекула ДНК представлена в виде черной лен ты; взаимодействующие с белками сайты заштрихованы; белковые молекулы изображены в виде небольших окружностей
Идея передачи сигналов возникла из результатов эксперименталь ных исследований так называемых эффектов дальнодействия в ДНК. Чтобы описать эти эффекты, рассмотрим простую систему, состоящую из двух молекул белка и одной молекулы ДНК (рис. 3.6). Предполагает ся, что первая белковая молекула может связываться (с хорошей эффек тивностью) со специальной областью (сайтом) молекулы ДНК. Назовем его сайтом 1. Предполагается также, что другая молекула может связы ваться с другим сайтом — сайтом 2. Многочисленные эксперименталь ные данные [203-208] свидетельствуют о том, что связывание первой белковой молекулы с сайтом 1, может повлиять на характер взаимодей ствия второй молекулы с сайтом 2, причем расстояние между сайтами может достигать сотен или тысяч пар оснований. Именно поэтому эти эффекты и назвали эффектами дальнодействия.
Чтобы объяснить эти эффекты, было предложено много альтер нативных моделей [209-211]. Несколько таких моделей показаны на
а)
Ь)
с)
d)
Рис. 3.7 Модели дальнодействия: (а) модель, объясняющая эффект дальнодей ствия при помощи образования петли, (Ь) модель «скольжения», (с) модель по следовательного связывания и (d) модель распространения конформационного возмущения вдоль молекулы ДНК
рис. 3.7 В первой модели (рис. 3.7 а) предполагается, что молекула ДНК образует петлю, и таким образом сайты 1 и 2 сближаются и становятся соседями. Во второй модели (рис. 3.7 Ь) первый белок связывается с сай том 1 и затем движется (скользит) вдоль молекулы ДНК до окрестности сайта 2. Третья модель (рис. 3.7 с) предполагает, что связывание первой белковой молекулы с сайтом 1 помогает связыванию некоторой другой белковой молекулы с соседним сайтом, это в свою очередь помогает еще одной молекуле белка связаться со следующим соседним сайтом и так далее. В результате белковые молекулы последовательно связыва ются и выстраиваются вдоль двойной спирали ДНК. В четвертой модели (рис. 3.7 d) предполагается, что связывание первой белковой молекулы с сайтом 1 сопровождается локальным конформационным возмущением,