- •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
группы в этом случае экранируются противоионами, поставляемыми из среды. Такая экранировка очень стабильна; при изменении концентра ции NaCl в среде от 0.5 ммол. до 0.5 ммол. число ионов Na+, защищаю щих фосфаты, остается постоянным, поскольку в среднем 0.88 иона Na+ защищает каждую фосфатную группу сахарофосфатного остова повсю ду в этой области концентрации ионов. С другой стороны, параметры среды в физиологической области могут изменять эту экранировку (тип противоионного элемента и валентность, pH), а структурные переходы двойной спирали могут значительно модифицировать внутрифосфатные расстояния.
1.3.4. Электростатическое поле ДНК
Распределение электростатического потенциала вокруг ДНК явля ется важной физической характеристикой молекулы. Особенно важную роль оно играет в исследованиях конденсированных противоионов во круг ДНК [89-93], так же как и в исследованиях ДНК-ДНК [94,95]- и белок-ДНК-взаимодействий [96,97]. Образование кластеров из по ложительных и отрицательных зарядов на поверхности макромолекулы определяется не только их притяжением и отталкиванием, но и их ори ентацией и положением друг относительно друга, что в свою очередь может инициировать взаимную конформационную подгонку, приводя щую к более обширным контактам.
АЪ initio расчеты электростатического потенциала все еще остаются проблемой, не поддающейся решению. Многие годы даже приближен ное моделирование электростатического потенциала вокруг ДНК было затруднено из-за сложностей вычислений электростатического потен циала для длинных (> 100 пар оснований) фрагментов ДНК. Однако недавно в работах Камзоловой и соавторов [98,99] был предложен про стой метод расчета распределения электростатического потенциала для длинных (~ 1000 пар оснований) двойных цепочек, что позволило ис следователям совсем близко подойти к решению задачи о нахождении взаимосвязи между последовательностью оснований и распределением электростатического потенциала [100].
1.4. Полиморфизм
щи следующих параметров: (1) шаг Р, который определяется формулой
P = nh, |
(1.11) |
где п — число нуклеотидов в одном витке, a h — расстояние между соседними нуклеотидами вдоль оси спирали; (2) угол вращения спирали, который определяется формулой
е о О СО СО II к»-
В случае ДНК параметры п и к равны
(U 2)
п — 10, h = 3.4 А. |
(U3) |
Таким образом, для шага спирали получаем значение
Р = 34 А, |
(1.14) |
а для угла вращения получаем величину
t = 36° |
(1.15) |
Кроме параметров Р и £, каждая спираль характеризуется направле нием вращения; таким образом, спирали могут быть правоспиральными и левоспиральными. Спираль ДНК, о которой шла речь в предыдущих разделах, является правоспиральной. Действительно, если посмотреть сверху вниз в любом направлении,'то каждая нить этой ДНК при уда лении ее от наблюдателя будет поворачиваться по часовой стрелке.
Двойная спираль кроме параметров Р, t и направления спирали мо жет быть охарактеризована шириной и глубиной желобков. Двойная спи раль имеет малый и большой желобки, находящиеся на боковой стороне пары оснований, повернутой по направлению к малому или большому углу, образованному между двумя C l'-N -связями пары оснований.
Параметры двойной спирали, описанные выше, не являются, одна ко, константами. Как показали данные рентгеноструктурного анализа [101, 102], они зависят от окружающей относительной влажности, при сутствия разнообразных катионов и количества удерживаемой соли. Та ким образом, можно было ожидать, что возможно существование многих различных видов или форм стабильной двухспиральной структуры ДНК. Такие формы были найдены и классифицированы в три основных семей ства: Р-семейство, с парами оснований, расположенными почти перпен дикулярно к оси спирали, с мелким большим желобком и глубоким ма лым желобком; А-семейство, обладающее глубоким большим желобком,