Биологический каталог




Самая главная молекула

Автор М.Д.Франк-Каменецкий

ется подобраться экспериментально.

Увлечение молекулярными моделями привело к тому, что постепенно многие стали забывать, что модель это всего лишь модель, а не реальный объект. Появилась тенденция приписывать все свойства модели реальной ДНК. Что же при этом упустили из виду? А то, что модель — это макрообъект, а ДНК—микрообъект. ДНК будет отличать от модели то, что на ней как-то должно сказываться тепловое движение. Но как? Насколько значительно тепловое движение «размывает» структуру ДНК? Может быть, отклонения от наиболее вероятной структуры, структуры В-ДНК, так малы, что их действительно можно не принимать во внимание?

Долгое время не удавалось ответить на этот вопрос, хотя о том, что тепловое движение как-то деформирует структуру, свидетельствовали многие эксперименты. Да что там далеко ходить! Вспомним опыты Уонга, о которых шла речь в начале этой главы. Ведь именно вследствие теплового движения при зашивании лигазой кольцевой ДНК, содержащей разрыв, образуется набор молекул с разным значением Lk. Значит, ширина этого распределения и есть мера тепловых колебаний, флуктуации структуры.

Но ведь Lk состоит из двух слагаемых, из райзинга Wr и кручения Tw. Значит, флуктуации Lk связаны как с тепловыми колебаниями величины Wrt то есть со случайными

изгибаниями оси спирали, так и с тепловыми колебаниями Tw, то есть случайными изменениями углов между соседними парами оснований. Получается одно уравнение с двумя неизвестными.

Но характер изгибных колебаний в ДНК хорошо известен — ведь они определяют то, что ДНК в растворе похожа на путь человека, заблудившегося в лесу. Благодаря этим колебаниям ДНК имеет вполне определенное значение сегмента b = 100 нм, так что второе уравнение все же есть. Нужно было только подсчитать, зная величину Ь, каковы флуктуации величины Wr в кольцевой молекуле. Эту задачу впервые удалось решить В. В. Аншелевичу, А. В. Вологодскому, А. В. Лукашину и автору этих строк в 1979 г. Вычтя из экспериментальной величины флуктуации Lk найденное значение флуктуации Wr, нам удалось определить амплитуду крутильных колебаний двойной спирали.

Что же в результате выяснилось? Оказалось, что в ДНК происходят весьма заметные колебания в угле закрутки соседних пар оснований. Этот угол равен в среднем около 36°. А амплитуда его колебаний составляет 5°.

Значительные крутильные колебания двойной спирали проявляются не только в поведении кольцевых молекул. Были проделаны такие опыты. Взяли линейные молекулы ДНК и добавили к ним молекулы красителя, прочно связывающиеся с двойной спиралью. Затем очень коротким импульсом лазерного излучения перевели эти молекулы красителя в электронно-возбужденное состояние. Импульс был действительно очень короткий. Он длился не секунду, не миллисекунду, не микросекунду и даже не наносекунду. Он был длительностью в несколько пикосекунд. Затем возбужденные молекулы начали высвечивать фотоны. В среднем, они это делали через несколько наносекунд, просто дольше они не могут существовать в электронно-возбужденном состоянии.

Если бы в молекуле ДНК не было крутильных колебаний, то все молекулы красителя, связанные с ней, излучали бы фотоны, находясь в том же положении в пространстве, в котором они были, когда поглощали фотоны. Конечно, двойная спираль как целое тоже поворачивается в растворе, но пока будут происходить эти медленные повороты, все молекулы красителя успеют излучить фотоны.

Свойства излучения ясно свидетельствуют, что за короткий отрезок времени, отделяющий момент испускания

НО

сЬотона от момента его поглощения, успевает произойти значительное изменение ориентации молекул красителя. Это могут обеспечить только крутильные колебания. Количественный анализ этих данных позволил определить амплитуду таких колебаний. Работа была выполнена двумя группами в США и привела к близким результатам. Эти данные находятся в полном согласии с приведенными выше нашими оценками, основанными на изучении кольцевых ДНК.

Итак, в ДНК наряду с изгибами оси спирали наблюдаются также значительные крутильные колебания. Эти колебания имеют очень высокую частоту, порядка гигагерц.

Тепловое движение приводит к тому, что время от времени отдельные участки ДНК переходят в самые разные состояния. Так, время от времени каждая пара оснований в ДНК раскрывается, выставляя основания наружу. Это происходит уже довольно редко — всего раз сто в секунду. А кресты? В линейной ДНК данный перевертыш будет находиться в состоянии креста не чаще, чем один раз в год! Другое дело — сверхспиральная ДНК. В ней частота образования креста может очень резко возрасти. Ну, а Z-форма? Как мы уже отмечали, пока не известно, с какой частотой участок ДНК, содержащий чередующуюся последовательность Г и Ц, может переходить в Z-форму.

В какие еще состояния может с некоторой частотой переходить двойная спираль? Пока они существуют только на бумаге. Открытие Z-формы еще раз показало, что природа куда изобретательнее нас — никому из теоретиков такая структура и не снилась, так что в будущем нас, возможно, ждут новые неожиданности.

ГЛАВА 12

НА ПЕРЕДНЕМ КРАЕ Проблема узнавания

Вот уже 30 лет молекула ДНК служит источником вдохновения для биологов и физиков, химиков и математиков, фармацевтов и медиков. Пожалуй, ни одно творение природы не приковывало к себе столь широкого внимания. И дело здесь не в последнюю очередь в том, что молекула ДНК была и остается ярчайшим примером того, как

Hi

важнейшие биологические функции могут прямо вытекать из строения молекулы.

Собственно, вопрос о связи между строением и функциями, свойствами вещества—это узловая проблема во многих областях науки и техники. В одних случаях нужно знать из чего и как построить материал, чтобы он был сверхпроводником и чтобы сверхпроводимость сохранялась до возможно более высокой температуры. В других, — как построить полимерную сетку, чтобы она была и прочной, и эластичной. В третьих, — как сконструировать молекулу, чтобы она убивала раковые клетки, и не трогала нормальные.

Получить ответы на подобные вопросы, число которых бесконечно, очень и очень трудно. Специалисты, будто старатели, добывающие золото, по крупицам накапливают сведения о связи структуры и функции. На этом фоне модель ДНК Уотсона и Крика выглядит как самородок размером с небоскреб.

К сожалению, природа не балует нас подобными подарками. Из всех биологических структур ей угодно было снабдить столь ясным устройством только ДНК. Уже с белками все обстоит гораздо сложнее. В структуре белков нет того единообразия и связь между последовательностью аминокислот и пространственным строением установить весьма непросто. Эта задача не решена до сих пор, хотя было затрачено много усилий. Еще сложнее установить связь между строением белка и его биологической функцией.

Как только мы на один шаг отступаем от чистой, изолированной ДНК и начинаем изучать, как работают на ней белки, сразу все усложняется, запутывается. Многие надеялись, да некоторые надеются и поныне, что удастся найти столь же четкий принцип, как принцип комплементарное™, для выяснения того, как отдельные участки ДНК узнаются белками. Сначала думали, что достаточно будет определить последовательности разных участков, узнаваемых одним и тем же белком, скажем, промоторы РНК-полимер азы фага Т7, и картина прояснится.

Но этого не произошло. Как и бывает обычно, а принцип комплементарности ярчайшее исключение из этого правила, очень трудно установить, чем определяется то, что с одними участками белок охотно связывается, а с другими — нет.

Неизвестно толком, что именно узнает белок — двойную спираль или он сначала раскрывает спираль и «ощупывает» азотистые основания. А может быть, каждый белок по-своему изменяет структуру ДНК в процессе узнавания? Ведь значительная подвижность структуры ДНК даже под влиянием теплового движения говорит о том, что она может измениться при связывании с белком. Разобраться во всем этом сейчас пытаются во многих лабораториях мира.

Большие надежды возлагают на метод рентгенострук-турного анализа. В ближайшее время следует ожидать первых результатов по определению полной пространственной структуры белка (репрессора или РНК-полимер азы), связанного с узнаваемым им участком ДНК.

Вряд ли первые данные позволят понять, как это происходит. Но очень может быть, что накопление таких детальных данных и прояснит в конце концов картину.

Этот вопрос, то есть вопрос о том, как белки узнают отдельные участки ДНК и РНК, занимает сейчас одно из первых мест среди наиболее важных нерешенных проблем молекулярной биологии.

ДНК и рак

Несомненно, наиболее важных, принципиальных сдвигов следует ожидать в ближайшем будущем от областей биологии и медицины, изучение которых на самом глубоком уровне, на уровне ДНК, только началось. Это относится прежде всего к проблеме индивидуального развития многоклеточного организма.

До появления методов генной инженерии практически не удавалось даже подступиться к изучению устройства генов высших, к детальному сравнению генов в разных клетках многоклеточного организма.

Теперь это стало реальностью и уже привело к важнейшим открытиям, до основания потрясшим все здание классической и молекулярной генетики. Имеется в виду открытие расчленённости генов и их значительных перестроек и изменений в ходе формирования специализированных клеток или, как говорят биологи, при дифференцировке, о чем было рассказано в седьмой главе. Но главное, на что нацелены в этой связи усилия ученых, — это выяснение механизма возникновения рака.

Рак стоит среди других болезней особняком — потому, что раковая клетка — это своя же клетка, но ведет она себя как чужак. Это, если угодно, «пятая колонна» в организме. До поры до времени такая клетка ничем не отличается от других. Она строго подчиняется правилам общежития, принятым в многоклеточном сообществе. Согласно главному из этих правил во взрослом организме деление клеток происходит строго контролируемо, в разных тканях по-разному, а в некоторых (например, в нервных тканях) вообще строго запрещено. Иначе нельзя, ведь если бы каждая кле

страница 27
< 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
(23.09.2019)