вида). Фрагменты ДНК длиной около 146 пар оснований закручиваются вокруг такого октомера. Такая структура называется ядром нуклеосомы. Существует также один дополнительный гистон Н1, который усиливает это ядро, и вся структура целиком называется тогда нуклеосомой. Та­ ким образом, молекула ДНК в клетке выглядит как цепочка нуклеосом, связанных друг с другом при помощи фрагментов ДНК длиной 40ч-100 пар оснований. Такая структура называется хроматином. Цепочка из нуклеосом имеет солиноидальную форму с 3-^6 нуклеосомами на ви­ ток, и такие солиноидальные формы образуют более конденсированную и геликоидальную структуру, которая известна как хромосома. Чело­ веческие хромосомы содержат двухцепочечную ДНК с общей длиной около 2 м.

1.6. Моделирование структуры ДНК

Как видно из предыдущих разделов, структура молекулы ДНК достаточно сложна, однако во многих случаях вполне достаточно и удобно использовать упрощенные (приближенные) модельные варианты струк­ туры. В данном разделе мы рассмотрим вопрос конструирования таких приближенных структурных моделей ДНК.

1.6.1. Общие замечания

При конструировании приближенных моделей обычно предполага­ ется, что они должны включать не все детали структуры ДНК, а только наиболее важные (доминирующие) структурные свойства ДНК. Каковы же эти свойства?

1.При чтении предыдущих разделов можно было заметить по крайней мере два таких свойства. Первое заключается в том, что молекула ДНК состоит из длинных цепочек атомов. Второе — в том, что эти цепочки обладают почти регулярной структурой, а именно молеку­ ла ДНК обладает «скелетом» (сахарофосфатной цепочкой) с точно повторяющимся рисунком атомов вдоль цепи. Благодаря этим двум свойствам структура молекулы ДНК до определенной степени име­ ет сходство с одномерными периодическими структурами, которые известны в физике как квазиодномерные кристаллы. Именно по­ этому Чарльз Банн назвал такие биомолекулы «кристаллами цепей жизни» [118].

2.Однако в некоторых других аспектах молекула ДНК больше похожа на полимер, чем на кристалл, поскольку в дополнение к свойствам, упомянутым выше, ДНК не является жесткой, а скорее гибкой си­ стемой. Таким образом, если мы хотим построить более точную

модель ДНК, необходимо учесть гибкую природу молекулы, ее спо­ собность изгибаться, скручиваться, образовывать суперструктуры

и т. д.3

3.Помимо «скелета» с регулярной повторяемостью атомов и атомных групп, ДНК обладает элементами нерегулярной структуры. Таким образом, если мы хотим улучшить модель ДНК, необходимо учесть нерегулярность последовательности оснований. В первом приближе­ нии можно рассмотреть эту нерегулярность как малое возмущение регулярного рисунка «скелета» и воспользоваться теорией возмуще­ ний для проведения теоретических расчетов.

И т. д.

Список свойств можно было бы продолжить, включая все больше и больше деталей внутренней структуры. При построении моделей мы можем ограничиться учетом только первого свойства из списка или пер­ вых двух свойств и т. д. Таким образом, можно сконструировать много разных приближенных моделей, описывающих структуру ДНК с различ­ ной степенью точности. Выбор приближения зависит от условий и цели

исследования. Например, если мы занимаемся исследованием подвиж­ ности молекулы ДНК как целого в растворе, или рассматриваем зада­ чу о прохождении молекулы через некоторый канал, или интересуемся механизмом образования суперспиральной структуры ДНК, то вполне достаточно использовать модель ДНК в виде эластичного стерженя. Ес­ ли, однако, нас интересует проблема белок-нуклеинового узнавания или механизм процесса транскрипции, необходимо учесть данные о внутрен­ ней структуре, такие, например, как наличие двух нитей, спиральность или неоднородность, обусловленная последовательностью оснований.

1.6.2. Иерархия структурных моделей

Чтобы описать разнообразие различных структурных моделей мо­ лекулы ДНК, удобно воспользоваться другим подходом. В таком подхо­ де структурные модели ДНК располагаются в порядке возрастания их сложности. В этом случае модели похожи на элементы иерархической структуры. Давайте опишем основные возможные уровни такой иерар­ хии.

1.Модели первого уровня иерархии. Простейшую структурную мо­ дель ДНК, которая открывает иерархическую лестницу, подсказы­ вают микрофотографии молекулы, на которых молекула ДНК похо­ жа на тонкую эластичную нить (рис. 1.7). Таким образом, можно предположить, что однородный эластичный стержень с круговым се­ чением (рис. 1.8 а) вполне может рассматриваться как простейшая

структурная модель фрагмента ДНК [119].

Дискретный аналог стержневой модели состоит из цепочки связан­ ных дисков (рис. 1.8 Ь), причем каждый диск имитирует маленький фрагмент молекулы ДНК, содержащий только одну пару оснований.

2.Модели второго уровня иерархии. Более сложные структурные мо­ дели ДНК учитывают тот факт, что молекула состоит из двух полинуклеотидных цепочек, взаимодействующих друг с другом через водородные связи и закрученных друг относительно друга таким об­ разом, чтобы образовать двойную спираль. В моделях этого уровня иерархии внутренняя структура цепочек не учитывается, и каждая из цепочек моделируется как эластичный однородный стержень (в континуальном приближении) или как цепочка связанных дисков (в дискретном случае). Таким образом, полная модель состоит из

Рис. 1.7 Схематическое изображение тонкой эластичной нити

Z Z

Рис. 1.8. (а) Модель эластичного стержня и (Ь) ее дискретный аналог

двух эластичных стержней (или из двух цепочек связанных дис­ ков), слабо взаимодействующих между собой и свернутых в двой­ ную спираль так, как это показано на рис. 1.9. В дискретном случае каждый из дисков имитирует маленький фрагмент полинуклеотидной цепочки длиной в одно основание.

Рис. 1.10. (а) Выпрямленная модель двойного стержня и (Ь) ее дискретный ана­ лог

Для упрощения вычислений исследователи часто используют две другие, более простые, версии этих моделей. Первая (конти­ нуальная) версия состоит из двух прямых однородных эластичных стержней, слабо взаимодействующих друг с другом (рис. 1.10а). Вторая (дискретная) версия имеет форму двух прямых цепочек дис-

Рис. 1.13. Наиболее точная модель внутренней структуры ДНК

ков, связанных друг с другом при помощи продольных и поперечных спиралей [26] (рис. 1.10Ь).

3.Модели третьего уровня иерархии. В структурных моделях этой группы учитываются новые дополнительные детали внутренней структуры ДНК. Каждая полинуклеотидная цепочка рассматривает­ ся здесь как система, состоящая из трех групп атомов: оснований, сахаров и фосфатов, с жесткими связями между атомами внутри этих групп и относительно слабыми связями между этими группа­ ми [120]. Простая версия этой модели, пренебрегающая спиральной структурой молекулы, показана на рис. 1.11.

4.Модели четвертого уровня иерархии. Четвертая группа струк­ турных моделей состоит из так называемых решеточных моделей,

вкоторых определенная группа атомов (пара нуклеотидов) образует ячейку, повторяющуюся квазипериодически вдоль молекулы ДНК

[121].Простая версия решеточных моделей показана на рис. 1.12.

5.Модели пятого уровня иерархии. Пятая группа структурных моде­ лей состоит из максимально точных структурных моделей, учиты­ вающих положение каждого атома молекулы (рис. 1.13).