Биологический каталог




Самая главная молекула

Автор М.Д.Франк-Каменецкий

ытой ими топоизомеразой одно-нитевые кольца ДНК. А потом поместили препарат под электронный микроскоп. Конечно, под микроскопом не отличишь узлы от просто смятых колец. Однако авторы работы утверждали, что в тех же самых условиях исходные молекулы, которые не обрабатывались топоизомеразой, образуют расправленные кольца, практически не имеющие пересечений.

Эти данные вместе с другими аргументами, которые мы здесь опустим, не оставляют сомнений в том, что Уонгу и его сотрудникам действительно удалось завязать однони-тевую молекулу ДНК в узел. И таких молекул было в препарате множество — около 90 %. Но позвольте, скажете вы, эти данные никак не согласуются с теоретическими расчетами, о которых шла речь выше! Действительно, никак нельзя было ожидать столь большой эффективности образования узлов в однонитевых ДНК.

Уонг очень эффектно объяснил это противоречие. По его мнению, в тех условиях, в каких шел эксперимент, никак нельзя уподоблять однонитевую ДНК простой свободносочлененной цепочке, как это делали в упомянутых расчетах. В любой достаточно длинной последовательности нуклеотидов всегда есть комплементарные участки, которые находят друг друга, образуя короткие спирали.

Конечно, дело не ограничивается спиральными участками. Однонитевая ДНК склонна принимать весьма причудливую пространственную конфигурацию. При этом замкнутость цепи в кольцо неизбежно вызывает напряжения, которые могли бы исчезнуть, будь кольцо разомкнуто.

Связывается топоизомераза, скорее всего, со спиральными участками, раскусывает одну нить, после чего вокрур целой нити может начаться свободное вращение одной части молекулы относительно другой. При этом снимается внутреннее напряжение — происходит релаксация. Далее топоизомераза вновь сшивает разорванную нить, закрепляя новое состояние молекулы. Дело сделано — узел готов,

Узлы из двойной спирали

Итак, впервые молекулу завязали в узел. То, что оказалось не под силу химикам-синтетикам, было сделано молекулярными биологами. Конечно, это было только начало. Было очень заманчиво завязать в узел двухните-вую ДНК. Сделать это в принципе нетрудно. Наиболее подходящим объектом казалась ДНК бактериофага Я,

Этот фаг был излюбленным объектом изучения в фаговой группе, собранной в свое время Дельбрюком. Когда возникла молекулярная биология, он стал, вместе со своей клеткой-хозяйкой (кишечной палочкой), главным полигоном для изучения репликации, транскрипции, организации генов.

Внутри фаговой частицы ДНК фага Я линейна, но у не* есть «липкие» концы — однонитевые взаимно комплементарные участки, содержащие по 12 нуклеотидов, то есть она выглядит примерно так:

1ИШНШ1ШШ1И1Ш111Ш1И1ЯШИ|Н11)йд||

Если такую ДНК выделить в чистом виде (это умеют многие) и дать ей возможность свободно плавать в растворе, то «липкие» концы сомкнутся и ДНК превратится в кольцо. Поскольку эта молекула довольно длинная (в ней около 40 ООО пар нуклеотидов), то прн замыкании в кольцо она с довольно высокой вероятностью завяжется в узел.

Вспомним, что двухнитевая ДНК — это очень жесткая цепь, один ее сегмент содержит около 300 пар оснований. Поэтому оценивать вероятность образования узла в двух-нитевой ДНК можно с помощью графика, приведенного на рис. 28 и основанного на машинных расчетах. По нему выходит, что около половины молекул ДНК фага Я при замыкании должны образовать узлы. Беда состоит в том, что для такой длинной ДНК очень трудно отличить нетривиальный узел от тривиального. Во всяком случае, пока это сделать не удалось. Липкие концы нужны ДНК фага Я как раз для того, чтобы замыкаться в кольцо, попадая в клетку-хозяйку. Если она не замкнется, то не сможет реплицироваться и вообще нормально работать (если, конечно, можно назвать работой тот разбой, который она учиняет, попав в кишечную палочку).

И вот тут возникает вопрос, на который необходимо найти ответ. А что будет, если при замыкании в кольцо ДНК завяжется в узел — ведь теория показывает, что это вполне вероятно. Не повредит ли это ее работе в клетке? Ведь вирусная ДНК должна произвести множество копий самой себя. Если завязывание в узел мешает этому, то, значит, в клетке должны существовать специальные механизмы, препятствующие образованию узлов. Но что это за механизмы?...

Убедиться в том, что ДНК, завязанной в узел, будет трудно удваиваться, вы можете сами. Возьмите полоску бумаги и склейте из нее нетривиальный узел, например, трилистник. Затем ножницами разрежьте полоску вдоль, на две половины. Это будет моделировать удвоение ДНК, во всяком случае один из возможных вариантов удвоения. Вы увидите, что вам не удастся развести два образовавшихся узла. Эти вопросы были подняты нами в той работе, в которой мы впервые подсчитали вероятность образования узлов. Это было в 1975 г. Ответ пришел спустя пять лет.

В 1980 г, Л. и Ч. Лю и Б. Олбертс сообщили, что после многолетних поисков им удалось, наконец, подобрать условия, в которых обычная двунитевая ДНК образует узлы. Они работали не с ДНК фага к, в которой узлы трудно обнаружить из-за большой длины, а с короткими кольцевыми молекулами. Оказалось, что если к таким молекулам добавить одну из топоизомераз в большом избытке, то очень эффективно идет образование узлов. Об их возникновении можно судить по тому, что в геле при электрофорезе появляются фракции ДНК с большой подвижностью. Авторы пошли дальше — обработали заузленные молекулы топоизомеразой, но взятой в низкой концентрации и в присутствии АТФ. Что же произошло? Узлы развязывались! ^

Последнее событие произошло в полном соответствии с теорией, так как использовавшаяся ДНК была короткой и равновесная доля узлов в ней не должна была превышать 5 %.

Образование узлов при избытке фермента вызвано, по-видимому, тем, что белок, связываясь с ДНК, меняет физические свойства молекулы, прежде всего, усиливает слипание удаленных вдоль цепи звеньев. Как показывают расчеты, такое слипание должно резко увеличивать вероятность образования узла.

Открытие американских ученых вызвало целый поток аналогичных публикаций. Немедленно для получения узлов были применены методы генной инженерии.

Итак, топоизомеразы явно делились на две группы. Одни делают узлы на однонитевых ДНК. Их стали называть

топоизомеразами-I, другие специализируются на двуните-вых молекулах, их назвали топоизомеразами-IL

Но этими новостями события не кончились. Выяснилось, что топоизомеразы-II, к которым относится и ДНК-гираза, не только умеют завязывать и развязывать узлы, но и объединяют две или более молекул ДНК в катенаны (то есть делают их зацепленными).

в)

Способность белков образовывать узлы вызвала большой интерес. Прежде всего, она позволила понять, как работают топоизомеразы и, в частности, важнейший фермент этого класса — гираза. Ведь завязать кольцевую замкнутую ДНК в узел невозможно, не разорвав двойную спираль. Но мало просто разорвать цепь. Нужно еще протащить через образовавшуюся щель другую часть молекулы, а потом заделать щель. Вот какую сложную работу проделывает топоизомера-за-П.

в)

Рис. 29. Три «топологические реакции», катализируемые топо-изомеразой типа II. а) Изменение числа витков сверхспирали (\Lk — л=2); б) развязывание и завязывание >злов; в) расщепление и образование катенанов.

Получается, что ДНК в присутствии этого фермента ведет себя так, будто на нее

не распространяется запрет материальным телам проходить друг сквозь друга. Конечно, все дело здесь в ферменте — без него ничего не получилось бы. Ведь ДНК —

не электрон или а-частица, для которых возможен эффект квантового туннелирования. Топоизомеразы позволяют ДНК вести себя в клетке не менее странным образом.

Это как если бы вы, играя в теннис, попали мячом в сетку, а ои взял и преспокойненько пролетел бы сквозь нее. Но подбежав к сетке, вы не обнаруживаете дырки, сетка совершенно цела и невредима. Теперь ясно, как клетка решает ДНКовые топологические проблемы и, в частности, проблему репликации заузленных молекул.

Можно ли на основе сказанного понять, как ДНК-гираза меняет сверхспирализацию ДНК? Оказывается, можно. На рис. 29 видно, что если протаскивать один участок ДНК сквозь другой, то возникает сверхспираль, так как меняется величина райзинга, причем Wr всегда меняется на zt 2. Именно это было и обнаружено экспериментально. В отличие от топоизомераз-I, меняющих Lk ДНК на любое целое число, топоизомеразы-П меняют Lk только на четное число.

В последнее время появились данные, свидетельствующие о том, что и работа топоизомераз типа I также идет путем образования разрывов и протаскивания нити через образовавшуюся щель. Только, в отличие от топоизомераз типа II, топоизомеразы-I проделывают этот трюк не с двойной спиралью, а с однонитевой ДНК, так что, по-видимому, узлы в однонитевой ДНК завязываются топоизомеразой-1 точно так же, как узлы в двунитевой молекуле — топоизоме-разой-П.

Открытие топоизомераз и выяснение механизма их работы лишило почвы одно из основных возражений против двойной спирали, всплывавшее вновь и вновь за прошедшие тридцать лет. Очень многих в течение этих лет смущало то, что ДНК должна раскручиваться при репликации. Неужели она крутится в клетке, словно тросик спидометра?

Разные люди относились к этому по-разному. Одним это не казалось странным. Другие отмахивались — мол, как-нибудь все уладится. Третьи придумывали хитроумные объяснения. Один физик-теоретик, например, утверждал, что одна нить может пройти сквозь другую путем квантового туннелирования. И наконец, были такие, кто усматривал в этом явный дефект модели Уотсона—Крика. Они настаивали на том, что, по крайней мере в клетке, ДНК — не двойная спираль.

По-видимому, правы были те, кто занял выжидатель» ную позицию. Похоже, что топоизомеразы решают все подобные проблемы. Во всяком случае, они способны создать в клетке такие условия, при которых нити и впрямь как бы туннелируют друг сквозь друга. Как все это происходит реально в клетке — еще предстоит выяснить. Пока ясно одно — основной аргумент критиков двойной спирали, которым они пользовались многие годы, потерял силу.

И, наконец, эти открытия по

страница 22
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32

Скачать книгу "Самая главная молекула" (2.26Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(14.07.2020)