Суди о прожитом дне не по урожаю, который ты собрал, а по тем семенам, что ты посеял в этот день.

Роберт Льюис Стивенсон (1850–1894)

Одна из величайших загадок природы, над которой работает уже не одно поколение ученых, связана с самим человеком. Все мы чего‑то желаем, мыслим, стремимся понять окружающий мир, в том числе и самих себя; пытливый ум не дает нам успокоиться ни на минуту и заставляет докапываться до самой сути вещей. Кто мы в этом безбрежном океане Вселенной? Где наши истоки, начало? Почему мы, люди, господствуем на нашей планете, порой катастрофически изменяя ее облик?

Живая система, к которой принадлежит и человек, — восхитительное творение природы. Жизнь — настоящее чудо; наверно, только так и можно объяснить все то, что нас окружает. Пение соловья; улетающий по осени на юг клин журавлей; гигантские киты на просторах океанов, плывущие куда‑то только по им известным местам; непроходимые джунгли со множеством живущих в густых зарослях диковинных животных и насекомых — это все и есть наша планета. Но как зародилась жизнь, как она устроена? До сих пор этот вопрос остается открытым, но многое наводит на мысль, что рождение жизни было возможным на Земле. Природа мудра, и она сама нашла простые и умные решения, чтобы живое стало таковым. Жизнь — самое таинственное явление, какое только есть на нашей планете.

На молекулярном уровне все живое представлено молекулами, ассоциацией химических соединений. Как же из множества веществ найти ту главную, ту королеву, которая определяет жизнь? Оказалось, что их две — ДНК и РНК (у некоторых вирусов). Информация о строении белков закодирована в определенных последовательностях нуклеотидов. Нам наиболее интересна первая, самая известная, удивительная в своей простоте и все еще хранящая свою тайну молекула — ДНК. Раскрытие этого секрета даст возможность предвидеть развитие множества заболеваний и наметить пути лечения, в том числе и злокачественных новообразований.

Итак, обратимся к истории.

1869 год. Швейцарский биолог Иоганн Фридрих Мишер (1844–1895), исследовав ядра клеток, обнаруженных в гное, выделил вещество, названное им нуклеином (от лат. nucleos — “ядро”). Незадолго до этого открытия немецкий биолог Эрнст Генрих Геккель (1834–1919) предположил, что, возможно, в ядрах эукариотических клеток находится та самая королева, в которой заключена наследственная информация. Таким образом, он указал, где искать молекулу жизни, поэтому ядром заинтересовались ученые. Но Мишер не мог поверить, что это и есть основа жизни. Слишком простой она ему показалась для того, чтобы уместить всю информацию клетки, но природа всегда находит именно такие простые и ясные решения.

В 1885–1901 годах Альбрехт Коссель (1853–1927) выделил и описал пурины, в последующих исследованиях им и его учениками были обнаружены пиримидиновые азотистые основания — компоненты нуклеиновых кислот.

В продуктах гидролиза нуклеина находили также фосфорную кислоту и неизвестный углевод. Фибус Левин (Phoebus Levene) (1869–1940) смог получить дезоксирибозу — тот самый углевод, а также им были идентифицированы компоненты ДНК.

Пройден долгий путь в исследовании ДНК... Теперь необходимо было выяснить, по какому принципу построена эта молекула.

Эрвин Чаргафф (1905–2002) — именно с его именем, точнее с его исследованиями, связана тайна ДНК, которую нам предстоит раскрыть.

В период 1949–1951 годов биохимик Эрвин Чаргафф со своей группой сделали важнейшее открытие. Ими было определено количественное соотношение пуринов и пиримидинов в ДНК. В дальнейшем будет построена пространственная структура молекулы, где будет соблюдаться принцип комплементарности азотистых оснований, родоначальником которого как раз и является Эрвин Чаргафф. В ДНК хранится код наследственности, и чтобы защитить его, необходимо было именно такое построение пуринов и пиримидинов.

Итак, все компоненты ДНК обнаружены, основные положения сформулированы, оставалось собрать весь накопленный материал для создания пространственной структуры ДНК. Однако все еще не хватало одного важного компонента… Это был рентгенографический снимок ДНК. Исследования рентгеноструктурного анализа связаны с именами Розалинды Франклин (1920–1958) и Мориса Уилкинса (1916–2004).

25 апреля 1953 года в журнале Nature была опубликована статья Фрэнсиса Крика (1916–2004) и Джеймса Дьюи Уотсона (род. в 1928) о пространственной структуре ДНК. Всего одна страница текста, но именно с этой публикации и начинается эра Молекулярной биологии.

Все гениальное просто, мы повторяем это снова и снова. Природа не любит сложных путей — и в этой молекуле, которая существует миллиарды лет, этот принцип оправдан как никогда.

ДНК имеют все живые организмы, а также некоторые вирусы. Известно, что она является носителем наследственной информации. Но единственная ли это ее функция? Может, есть и другие, о которых нам пока не известно? Почему, например, полимер ДНК одной клетки человека, если его распутать, такой длинный — около двух метров? Или другой вопрос — почему гены составляют малую часть этой молекулы? Для чего в таком случае нужна остальная ДНК, которую часто называют «мусорной»? Но этого не может быть! Если природа создала такое длинное творение‑соединение, значит, зачем‑то это ей было необходимо? Наследственная информация, хранящаяся в полимере ДНК, хорошо защищена, азотистые основания спрятаны внутри молекулы. Цепи, состоящие из остатков фосфорной кислоты и дезоксирибозы, образуют прочный внешний структурный остов молекулы.

В настоящее время известны различные типы ДНК. Но нас интересует двухцепочечная В‑форма.

Структура ДНК такова: две полинуклеотидные антипараллельные цепи закручены относительно оси. На периферии молекулы находятся углевод‑фосфатные цепи, внутри — азотсодержащие гетероциклы. ДНК содержит четыре азотистых основания: пуриновые — аденин и гуанин и пиримидиновые — тимин и цитозин. Но есть исключения, например, у некоторых вирусов встречается еще одно производное пиримидина — урацил. Азотистые основания одной антипараллельной цепи соединяются с определенным основанием другой цепи, соблюдая правило Чаргаффа: аденин соединяется с тимином, гуанин с цитозином. Такое расположение называется комплементарным. Спаривание азотистых оснований осуществляется с помощью водородных связей.

Схема расположения комплементарных азотистых оснований в ДНК:

Чтобы понять принцип комплементарности, давайте рассмотрим формулы азотистых оснований.

Из школьного курса химии нам известно, что порядковый номер химического элемента по таблице Д.И. Менделеева соответствует величине заряда ядра, а также количеству электронов. Подсчитаем количество электронов в каждом азотистом основании в ДНК.

У тимина (C₅H₆N₂O₂ — 66) суммарное количество электронов в ДНК — 65, у комплементарного основания аденина (C₅H₅N₅ — 70) — 69, у цитозина (C₄H₅N₃O — 58) в молекуле — 57, у гуанина (C₅H₅N₅O — 78) в ДНК — 77.

Комплементарные пары:

аденин + тимин = 69+65 = 134

гуанин + цитозин = 77+57 = 134

Таким образом, комплементарность азотистых оснований в ДНК в том числе определяется суммарным количеством электронов в плоскостях. Это число 134.

Это и есть тайна ДНК, тот самый ключ, с помощью которого мы сможем приоткрыть тяжелую завесу загадки этой молекулы… Этот ключ приоткрывает и другие ее секреты.

Великий Пифагор говорил: «Числа правят миром». И в этом случае он оказался как никогда прав.

Можно предположить, что на ранних этапах эволюции в ДНК, возможно, присутствовал и урацил, но впоследствии он был метилирован, в результате чего образовался тимин. Урацил приводит ДНК к нестабильности. Как мы помним, число 134 — это общее количество электронов в комплементарных парах. Количество электронов урацила (С₄H₄N₂O₂ — 58) — 57 в молекуле, в сумме с аденином в ДНК получается 126. Отсутствие восьми электронов привело бы к дестабилизации молекулы. Нестабильность полимера увеличивала бы количество клеток, что было необходимо на заре рождения живого.

Суммарный заряд электронов образует единое поле у комплементарных оснований, которые, находясь в стопке, действуют отталкивающе друг на друга, заставляя пары оснований сбросить силу напряжения путем поворота плоскостей относительно оси. Таким образом, формируется спирально закрученная двойная цепь. Такое построение ДНК — замена урацила на тимин — создает стабильность между комплементарными основаниями и определяет устойчивость молекулы.

Параметры В‑формы ДНК

Эта форма встречается в живой клетке. На один виток ДНК приходится приблизительно десять пар комплементарных оснований, расстояние между ними 0,34 нм. Угол вращения между соседними парами оснований, соответственно, составляет 36 градусов, ширина спирали 2,0 нм. Будем ориентироваться на эти данные, так как в наших вычислениях точность не так важна, в первую очередь мы хотим показать, как меняется сила F, действующая между пластами.

Рассчитаем расстояние между соседними комплементарными азотистыми основаниями в развернутой молекуле — если одна плоскость будет находиться под другой.

Схема ДНК с расположенными комплементарными азотистыми основаниями:

BG, HJ — параллельные плоскости ДНК, представленные в виде прямых линий, диаметр спирали (ширина ДНК).

HJ = CЕ.

DС — расстояние между параллельными комплементарными азотистыми основаниями в развернутой молекуле ДНК. Угол ВАС, равный 36 градусам, — угол вращения между соседними парами оснований. Угол ВАF = 36:2 = 18. ∆ВАС — равнобедренный треугольник, поэтому АF является одновременно и биссектрисой, и медианой:

ВF = FC = Sin∠BAF х ВА

BG, равный 2,0 нм, — диаметр спирали (ширина ДНК)

ВА = 2,0:2 = 1,0 нм

Точка А — центр оси ДНК

Sin∠BAF = 0,309 (по таблице)

BF = 0,309 х 1,0нм = 0,309нм

ВС = 0,309нм х 2 = 0,618 нм

ВD — расстояние между основаниями, равное 0,34 нм

По теореме Пифагора получаем такой результат:

DС = 0,7053538 нм.

0,7053538 нм, или 0,705 нм, — это расстояние между плоскостями комплементарных пар, если бы ДНК была в развернутом состоянии, то есть когда соседние параллельные слои находились друг под другом.

Давайте разбираться, для чего нам нужна эта цифра.

Рассмотрим действие числа 134.

Как мы выяснили, расстояние между азотистыми плоскостями равно 0,705 нм. Электроны комплементарных азотистых оснований создают электронные поля вокруг плоскостей оснований. Как известно, одинаковые заряды отталкиваются друг от друга. Сила (F), действующая на параллельные плоскости, может быть представлена законом Кулона, суммарное количество электронов в комплементарных парах 134.

Расстояние между плоскостями в раскрученной ДНК равно 0,705 нм, или 7,05 х 10¯¹⁰ м. Плоскости пар оснований имеют одинаковое количество электронов, и сила действия F будет распределяться равномерно.

Схема действия электронных полей в комплементарных парах развернутой ДНК:

F₁ = F₂ = F₃ = Fn

Суммарное количество электронов в комплементарных парах q.

Таким образом, получаем q₁ = q₂ = q₃ = qn.

При метилировании суммарное количество электронов увеличивается, к цитозину добавляется метильная группа CH₃ (8 электронов, так как присоединение метильной группы к цитозину приводит к потере «Н») — а.

q + a (СH₃) — соответственно, сила отталкивания нарастает, что приводит к более сильному скручиванию ДНК.

Сила F, действующая между соседними плоскостями, скручивает ДНК, чтобы уменьшить силы отталкивания между плоскостями, таким образом создавая спиральную структуру этой молекулы. Увеличение суммарного количества электронов приводит к более сильному скручиванию ДНК и напряжению в химических связях.

В молекуле ДНК человека гены составляют небольшое количество по сравнению с некодирующими участками, но чем больше плоскостей оснований, а соответственно, и длина ДНК, тем больше между ними действуют силы взаимодействия.

Важная заслуга в изучении этапов деметилирования принадлежит группе исследователей из Университета Северной Каролины во главе с профессором И Чжаном. Ими были открыты промежуточные азотистые основания процесса деметилирования.

Присоединение к цитозину метильной группы и последующие образования промежуточных азотистых оснований:

Цитозин ‑-- 5-метилцитозин (1 этап) ‑-- 5-гидроксиметилцитозин (промежуточный продукт—2 этап) ‑-- промежуточный продукт (3 этап) ‑--промежуточный продукт (4 этап) ‑-- ЦИТОЗИН

Этот процесс приводит к дальнейшему скручиванию ДНК и напряжению в связях.

q₁, q’₁(a) — получаем F’₁>F₁;

q₁, q“₁(b); F”₁ > F₁

Вначале ДНК скручивается в результате увеличения силы отталкивания между параллельными пластами, при деметилировании ДНК раскручивается, и образуется энергия, необходимая для репликации молекулы и дальнейших биохимических процессов.

Возможно, электроотрицательность ДНК объясняется не только отрицательностью остова цепей, но и действием полей между параллельными плоскостями оснований. В том числе и гидрофобность ДНК объясняется действием электронных полей между плоскостями.

Подытожим наши выводы:

Суммарное количество электронов в комплементарных азотистых основаниях, соединенных водородными связями, равно числу 134.

Плоскости параллельных оснований формируют поля, которые действуют на соседние плоскости с силой, равной F.

Сила отталкивания между плоскостями и инерция закручивают ДНК, переводя ее в спиральную структуру.

Чем длиннее ДНК, тем больше действие сил между плоскостями.

Суммарное количество электронов в комплементарных основаниях по всей длине ДНК создает общее поле, которое является стабилизирующим фактором.

Число 134

При деметилировании и переходе конечного основания в цитозин в результате напряжения и инерции происходит раскручивание ДНК и образуется энергия, необходимая для дальнейшей репликации ДНК, а также последующих биохимических процессов. Возможно, метилирование не инактивирует, а наоборот, активирует ген, так как происходит скручивание ДНК.

Чем длиннее ДНК и больше комплементарных пар Г‑Ц, тем сильнее она будет раскручиваться и тем больше образуется энергии, необходимой для биохимических процессов. Поэтому ДНК является не только носителем наследственной информации, но и выполняет энергетическую роль в репликации. В ней нет «мусорной» ДНК.

Метилирование ДНК

Метилирование ДНК — присоединение метильной группы к азотистому основанию. У эукариотов наблюдается метилирование цитозина. У бактерий наряду с цитозином метилированию подвергается и аденин.

При метилировании меняются силы отталкивания между соседними парами оснований, они заставляют сильнее скручиваться ДНК, увеличивается напряжение, и после перехода конечного продукта деметилирования в цитозин количество электронов резко уменьшается. И ранее плотно скрученная ДНК после потери электронов начинает раскручиваться, образуя энергию. Из этого можно предположить, что наряду с тем, что ДНК — хранительница наследственной информации, она также выполняет и энергетическую функцию.

Первое азотистое основание в процессе деметилирования — 5-метилцитозин (C₅H₇N₃O — 66). Количество электронов этой молекулы в ДНК — 65. В сумме с комплементарным гуанином получаем: 77 + 65 = 142, поэтому силы отталкивания F’₁ > F₁ (число 134), тем самым меняется угол поворота между плоскостями комплементарных азотистых оснований, и это приводит к более плотному скручиванию ДНК.

При равном соотношении q силы отталкивания по всей цепи ДНК уравновешены — F₁ = F₂ = F₃ = F₄ = Fn, и пласты повернуты под определенным углом по отношению друг к другу, создавая спиральную структуру ДНК и придавая молекуле стабильность.

Таким образом, возможно, чем длиннее ДНК, тем больше будет образовываться энергии, необходимой для репликации. В ДНК нет так называемой «мусорной» ДНК.

Гипотеза.

Возможный механизм возникновения злокачественных новообразований

Метилирование цитозина в промоторной части генов промежуточного процесса деметилирования приводит к активации этих генов, что ведет к запуску процесса деметилирования.

Можно предположить, что перерождение здоровой клетки в раковую связано с активацией ферментов, участвующих в метилировании и деметилировании, и в первую очередь метилтрансферазы. Мишень метилирования в ДНК — последовательность Г‑Ц.

Причина первичного метилирования генов, кодирующих белки, может быть вызвана вирусной этиологией, действием канцерогенного вещества, радиацией и так далее. Таким образом, концепция о том, что рак может вызывать вирусы, находит свое подтверждение. Если вирус встраивается в промоторную часть генов, участвующих в процессах деметилирования, и содержит в значительном количестве динуклеотиды Г‑Ц, то в дальнейшем он активирует эти гены. В конечном итоге ДНК раскручивается, образуется энергия, необходимая для дальнейшего удвоения ДНК. Затем этот процесс в клетках повторяется, и несозревшие молекулы ДНК вновь удваиваются, то есть активация промоторной части генов может быть одной из причин рака.

Получается замкнутый процесс, где ДНК находится в активном состоянии. Если те процессы, которые переводят клетку в злокачественную, не затрагивают гены, кодирующие ферменты, участвующие в метилировании и деметилировании, а метилируют другие участки ДНК, то опухоль приобретает доброкачественный характер, так как при росте опухоли метилированные участки постепенно в результате репликации ДНК уменьшаются по причине того, что синтез ферментов не нарушен метилированием.

Таким образом, в злокачественных новообразованиях оказываются поражены участки ДНК, которые кодируют гены метилирования и деметилирования. В опухолевых клетках сначала идет деметилирование, которое сменяется гиперметилированием.

Перспективы

Знание механизма образования рака дает возможность разработки новых методов лечения этого заболевания и диагностики промоторной части генов, участвующих в процессах метилирования и деметилирования, с последующим удалением патологических изменений.

ДНК выполняет и энергетическую функцию, что дает возможность использования этой молекулы в области наноэнергетики. Эта задача сложная, но вполне выполнимая.

Источники:

1. Wikipedia. Yi Zhang (biochemist).

2. Tet proteins can convert 5-methylcytosine to 5-formylcytosine and 5-carboxylcytosine. Shinsuke Ito, Li Shen, Qing Dai, Susan C Wu, Leonard B Collins, James A Swenberg, Chuan He, Yi Zhang. Science. 2011 Sep 2;333(6047):1300–3. doi: 10.1126/ science.1210597. Epub 2011 Jul 21.

3. Уотсон, Джеймс Д. Двойная спираль.Воспоминания об открытии структуры ДНК: [Пер. с англ.: Брухнов, М.; Иорданский, А.] = Watson, James D. The Double Helix. A Personal Account of the Discovery of the Structure of DNA. Atheneum: New York, 1968. — М.: Мир, 1969. — 152 с.

4. Ванюшин Б.Ф. Молекулярная биология // История биологии с начала XX века до наших дней. М.: Наука. 1975. с. 454.

5. Wikipedia. Chargaff’s rules.

6. Кнорре Д.Г., Мызина С.Д. Биологическая химия. — 3. — Москва: Высшая школа, 2000. — 479 с.

7. Химическая энциклопедия, научное издание, «Большая Российская энциклопедия». Главный редактор: И.Л. Кнунянц, Москва, 1992 г.

8. Альбертс Б., Брей Д., Льюис Дж. и др. Молекулярная биология клетки в 3-х томах, М., Мир.

9. Encyclopedia Britannica. Friedrich Miescher. Swiss biochemist.

10. Википедия. Мишер, Иоганн Фридрих.

11. Wikipedia. The Free Encyclopedia. (Английская Википедия). Phoebus Levene.

12. ChemPort.Ru Новости химической науки > седьмое и восьмое азотистые основания ДНК.

13. Википедия. Комплементарность (биология).

14. Википедия. Крик, Френсис.

15. Википедия. Уотсон, Джеймс.

16. Wikipedia. Erwin Chargaff.

17. Стивенсон, Роберт Льюис. Википедия.