Максим Франк-Каменецкий - Самая главная молекула. От структуры ДНК к биомедицине XXI века

Рис. 40.ДНК, содержащая однонитевой разрыв («ник»), может находиться в двух состояниях, в одном из которых сохраняется стэкинг-взаимодействие между парами оснований, расположенными по обе стороны от ника, а в другом это взаимодействие разрушено

Что же в итоге оказалось? Мы определили энергии всех контактов, и они менялись от контакта к контакту так же, как те значения энергии, которые были найдены ранее из данных по плавлению ДНК. Но когда мы вычли из общей энергии стабилизации двойной спирали энергию стэкинг-взаимодействий и тем самым определили вклад Н-связей внутри комплементарных пар в энергию стабилизации, нас ждал большой сюрприз. Оказалось, что этот вклад практически равен нулю! Точнее, А•Т-пары слегка дестабилизируют двойную спираль, а Г•Ц-пары слегка стабилизируют, но вклад тех и других гораздо меньше, чем стабилизирующий эффект стэкинг-взаимодействий. Иными словами, открывшаяся картина меняла устоявшееся представление об относительной роли Н-связей и стэкинг-взаимодействий в стабилизации двойной спирали на 180 градусов.

Но как такое могло быть? Как это так: Н-связи, считавшиеся такими важными и в ДНК, и в РНК, и в белках, вдруг оказались не важными для стабильности двойной спирали? И разве из железно установленного факта линейной зависимости температуры плавления ДНК от Г•Ц-содержания не следовало однозначно, что вклад стэкинг-взаимодействий мал по сравнению с вкладом Н-связей? Давайте разберемся по порядку.

Говоря о стабильности, мы всегда имеем в виду не саму энергию двойной спирали (точнее, не свободную энергию), а разницу между энергией двойной спирали и двух разделенных цепей ДНК. Так что мы должны сравнивать ситуацию с Н-связями в этих двух состояниях. Но когда основания перестают образовывать комплементарные пары, их группы, способные к образованию Н-связей, немедленно образуют Н-связи с молекулами воды. Наши данные лишь означали, что этот баланс оказывается близким к нулю, но это не так уж удивительно. Это никак не умаляет роль Н-связей в уотсон-криковских парах оснований: ведь если бы Н-связи не образовывались внутри двойной спирали, но продолжали образовываться с молекулами воды в раскрытых парах, то это приводило бы к такой страшной невыгодности спирального состояния, что никакие стэкинг-взаимодействия не могли бы ничем помочь. Точно так же стэкинг-взаимодействия не выручают, если по каким-то причинам в ДНК образуется некомплементарная пара, скажем, А против А: тогда возникает дефект, который устраняется репарирующей системой клетки.

Хорошо, с Н-связями разобрались, ну а как же быть с линейной зависимостью температуры плавления от Г•Ц-содержания? Ведь если стабильность определяется стэкинг-взаимодействиями, которые разные для разных контактов, то наряду с линейным членом должен быть квадратичный член, а его нет, согласно эксперименту. Кажется, Эйнштейн как-то сказал, что Природа не злонамеренна, но коварна. Это тот самый случай, когда проявилось коварство Природы: она как будто нарочно ввела нас в заблуждение о том, какие силы стабилизируют «самую главную молекулу». Если предположить, что различные нуклеотиды распределены вдоль ДНК случайным образом, вычислить в этом предположении коэффициент при квадратичном члене и подставить значения стэкинг-взаимодействий, полученные нами в опытах с короткими ДНК, содержащими ник, то этот коэффициент получится практически равным нулю. Иными словами, стэкинг-взаимодействия для разных контактов таковы, что температура плавления ДНК со случайной последовательностью должна строго линейно зависеть от Г•Ц-содержания, т. е. имитировать ситуацию, будто водородные связи, а не стэкинг-взаимодействия определяют стабильность двойной спирали. А поскольку данные о температурах плавления были получены для бактериальных геномов, в которых нет мусорной ДНК, в отличие от эукариот (о мусорной ДНК речь пойдет в главе 12), то предположение о случайном распределении нуклеотидов вполне реалистично, как реалистично предположение о случайности распределения букв в осмысленном лингвистическом тексте.

Ну и последнее. Если дело не в том, что у Г•Ц-пары три Н-связи, а у А•Т-пары две, то как объяснить рост температуры плавления с Г•Ц-содержанием ДНК? Очень просто. Согласно нашим данным, стэкинг-взаимодействия для контактов, содержащих Г•Ц-пары, сильнее, чем для контактов, состоящих только из А•Т-пар. Этим и объясняется рост температуры плавления с увеличением Г•Ц-содержания ДНК, а вовсе не тем, что у Г•Ц-пары больше Н-связей, чем у А•Т-пары.

Такой поворот на 180 градусов в фундаментальных научных представлениях принято называть сменой парадигмы. Обычно научная общественность реагирует весьма болезненно на подобные резкие повороты. Но странным образом с нашей работой такого не произошло: нам без проблем удалось опубликовать наши результаты в ведущих профессиональных журналах, и эти статьи очень интенсивно цитируются в научной литературе. По-видимому, приведенные выше аргументы оказались для научной общественности вполне убедительными.

Как мы уже говорили, Уотсон и Крик, а также их последователи, занимавшиеся моделированием структуры ДНК, опирались на данные по рассеянию рентгеновских лучей от волокон ДНК. Это были именно волокна, а не кристаллы, так как естественные, выделенные из клеток молекулы ДНК не кристаллизуются. Причина этого понятна – молекулы ДНК слишком длинные, чтобы из них можно было получить кристалл.

Определенная упаковка молекул при частичном высушивании раствора происходит – они укладываются подобно бревнам в запани (на лесосплаве), только не в двух измерениях, как на поверхности воды, а в трех. Промежутки, как и в запани, заполнены водой. Рассеяние рентгеновских лучей от подобного частично упорядоченного расположения молекул дает довольно богатую информацию, но недостаточную для однозначного восстановления структуры молекул, исходя только из рентгенограмм. Это обстоятельство и явилось причиной долгих споров о том, правильно ли Уотсон и Крик «угадали» структуру ДНК в волокнах.

После опытов Уонга, а также Шора и Болдвина создалась в определенном смысле парадоксальная ситуация. Стало ясно, что в растворе изолированные молекулы ДНК имеют структуру, в своих основных чертах соответствующую модели Уотсона—Крика. А в волокнах, в условиях возникновения взаимодействия между молекулами? Не изменяется ли структура? Специалисты, занимающиеся моделированием ДНК и расчетами того, как происходит рассеяние рентгеновских лучей от этих моделей, убеждали, что только В-форма ДНК может дать наблюдаемую картину. Но могли оставаться сомнения, не упустили ли они из виду что-либо.