Молекулярная биология
Шабалкин И.П., доктор
биологических наук, старший научный сотрудник Шабалкин П.И.
(Российский онкологический научный центр им. Н.Н. Блохина Российской академии медицинских наук)
ЧИСЛОВОЙ РЯД ФИБОНАЧЧИ И ПЕРВИЧНАЯ СТРУКТУРА МОЛЕКУЛЫ ДНК
Известно, что макромолекула ДНК является полимером, полученным в результате поликонденсации мономеров, включающих в себя единицы двух типов: сахар -дезоксирибозу и фосфат (РО4) - остаток фосфорной кислоты. Причем повторяющиеся звенья могут быть соединены в полимерной цепи различными способами [12]. Они могут быть соединены друг с другом одинаково: по типу «голова к хвосту». Однако могут возникать и другие типы соединений. Одним из них является инверсия присоединения («голова к голове» или «хвост к хвосту»). Так как порядок и способ чередования звеньев определяют первичную структуру макромолекулы, то различный характер расположения звеньев в цепи должен способствовать возникновению в полимерной цепи сегментов, имеющих различные конформации: спиральные, складчатые и т.д. Иначе говоря, наличие инвертированных звеньев в цепи ДНК указывает на то, что ДНК принадлежит к гибкоцепным полимерам, сочетающей в своей структуре жесткие и гибкие сегменты [13]. Если это допущение справедливо, то возникает вопрос: распределяются ли инвертированные звенья в первичной структуре ДНК случайным образом или имеется какая-то закономерность?
Считая, что «случай - лишь форма непознанной закономерности», а гармония мира сводится к гармонии чисел [8], мы предположили, что в природе полимеризация цепи ДНК идет согласно правилу ряда чисел Фибоначчи. Числа Фибоначчи - элементы числовой возвратной последовательности 1 ; 1 ; 2 ; 3 ; 5 ; 8 ; 13 ; 21... (ряд Фибоначчи), в которых каждый последующий член, начиная с третьего равен сумме двух предыдущих [1]. Выбор данной числовой последовательности обусловлен тем, что числа Фибоначчи позволяют получить «золотое» сечение или «золотую» пропорцию [10], отражающую гармонию формообразования в природе [9], т.е. гармоничную структуру [6]. Итак, условно приняв, что сахар (С) - это «голова», а «хвост» - фосфат (Ф), и учитывая, что полимеризация молекулы ДНК идет в направлении 5'^ 3', то есть когда первый остаток фосфорной кислоты присоединяется к пятому углеродному атому (5') пентозы (сахара), а второй фосфат на этапе роста цепи присоединяется к 3-ему атому углерода (3') этого же сахара, рассмотрим процесс возникновения первичной полимерной цепи ДНК. При этом, будем считать, что в ряде чисел Фибоначчи: 1 ; 1 ; 2 ; 3 ; 5 ; 8 ; 13. первый член ряда (отметим его как 11) - это мономерное звено растущей полимерной цепи, включающее в себя сахар (С1) и фосфат (Ф1) в позиции «хвост - голова», то есть это структура, имеющая вид (Ф1 - С1). Тогда, второй член ряда (12) - это структура, возникшая в результате перегруппировки (инверсии) первого звена, то есть это (С2 - Ф2), аналогичная позиции «голова - хвост». В этом случае каждый член ряда чисел Фибоначчи, соответственно состоящий из того или иного количества звеньев цепи ДНК, будет иметь следующий вид:
11 = (Ф1 - С1);
12 = (С2 - Ф2);
2 = (11 + 12) = [(Ф1 - С1) + (С2 - Ф2)];
3 = (12 + 2) = [(С2 - Ф2) + (Ф1 - С1) + (С2 - Ф2)];
5 = (2 + 3) = [(Ф1 - С1) + (С2 - Ф2) + (С2 - Ф2) + (Ф1 - С1) + (С2 - Ф2)]; 8 = (3 + 5) = [(С 2 - Ф2) + (Ф1 - С1) + (С2 - Ф2) + (Ф1 - С1) + (С2 - Ф2) +
(С - Ф2) + (Ф1 - С1) + (С2 - Ф2)] и т.д.
В результате последовательного присоединения каждого последующего члена ряда чисел Фибоначчи к предыдущему мы получаем фрагмент первичной структуры молекулы ДНК (11 + 12 + 2 + 3 + 5 + 8 +...):
(Ф1 - С1) + (С2 - Ф2) + [(Ф1 - С1) + (С2 - Ф2)] + [(С2 - Ф2) + (Ф1 - С1) + (С2 -
Ф2)]_+КФ1 - С1) + (С2 - Ф2) + (С2 - Ф2)_+_($1 - С1) + (С2 - Ф2)] + [(С2 - Ф2)_+ _ (Ф1 - С1) + (С2 - Ф_2) +_(Ф1 - С1) + (С2 - Ф2) + (С2 - Ф2_)_+_ (Ф1 - С1) + (С2 - Ф2)]
и т.д.
Какие особенности присущи этому фрагменту, состоящему из 20-ти звеньев? Во-первых, при полимеризации в результате реакций присоединения идет образование связей разного типа. Наряду с фосфоэфирной связью Р - О - С на участке Ф2 + С2 имеются гликозидные связи С - О - С (С1 - С2) и фосфатные связи Р - О - Р (Ф2 - Ф1). Во-вторых, на рассматриваемом нами участке количество связей С - О - С равно 8, связей Р - О - Р соответствует 7, а связей Р - О - С всего 4. Данное обстоятельство наводит на мысль, что в анализируемом участке существуют сегменты, имеющие разную степень прочности, то есть величина энергии, требуемой для разрыва или образования связи между атомами в одном сегменте, отличается от энергии связи в другом сегменте. Так как фосфоэфирная связь Р - О
- С включает в себя как элементы связи Р - О - , так и С - О - , то фактически различия в характере связей между разными гетероатомами сводятся в нашем случае к оценке свойств связей Р - О - и С - О - . Одним из таких факторов может быть ионный характер связей. Известно [7], что высокая степень ионности связана с большой энергией связи. Иначе говоря, наблюдается корреляция между высокой степенью ионности и повышенной прочностью связи. По данным Олкока [7] процент ионности связи Р - О - равен 39, а связи С - О -соответственно 22. Следовательно, оценка по ионному характеру связи свидетельствует, что Р - О - связь является более прочной, чем С - О - . Этот вывод подтверждается и другими результатами [11]. Например, энергия связи Р - О - равна 342 кДж/моль, а связи С - О -соответственно 332 кДж/моль. Большая величина энергии связи Р - О, чем С - О указывает на участие связи Р - О в термической стабилизации полимера. Наряду с термодинамической устойчивостью связь Р - О обладает устойчивостью к гидролизу. По данным Уэстхеймера и сотр., опубликованных Ингольдом [5], при гидролизе диэфиров фосфорной кислоты реакция неионизированного кислого эфира с водой проходила преимущественно путем расщепления связи углерод - кислород и только на 10% путем расщепления связи фосфор - кислород. Бантон, Вернон и сотр. [цитируется по К.Ингольду] тоже обнаружили, что процесс гидролиза на 78% идет с расщеплением связи С - О и на 22% с расщеплением связи Р - О. Гидролиз ионной сопряженной субстрату кислоты по данным этих авторов также включает две конкурирующие реакции: общий процесс на 89% происходит путем расщепления связи С
- О и на 11% путем расщепления связи Р - О. Итак, на основании вышеизложенного можно считать, что в полимерной цепи ДНК связь С - О является менее прочной, чем связь Р - О. В свою очередь, этот факт свидетельствует, что в точках, где имеется связь С - О, возможен обрыв или изгиб (излом) этой цепи. По некоторым данным [4] изгибы (изломы) в пределах одной цепи ДНК возникают в месте контакта двух сахаров. Причем, например, на участке [(Ф1 - С1) + (С2 - Ф2)], по всей вероятности, два сахара связаны между собой ангидридной связью по 5' - фосфатным группам подобно флавинадениндинуклеотиду - ФАД [14]. При
таком типе связи возможно появление изгиба (излома) цепи на участке (С - С2), так как отсутствует жесткая связь между 3' - углеродом первого сахара и 5' - углеродом второго. При этом один сахар, вероятно, находится в С2' - эндо-конформации, а другой - в С3' - эндо-конформации. Данные конформации являются наиболее предпочтительными, поскольку слабые взаимодействия между заместителями при атомах углеродов сахаров в этих случаях минимальны, то есть заслоненные конформации отсутствуют [2]. Прежде чем закончить обсуждение характера и роли связей в первичной структуре полимерной цепи ДНК необходимо указать еще на ряд особенностей связи Р - О. В первую очередь следует учитывать специфичность окружения атома фосфора другими группировками. Так, например, различие в свободе вращения вокруг двух эфирных связей Р - О на участке фосфат - сахар - фосфат обусловлено тем, что группа Р - О5' присоединена в молекуле сахара к первичному атому углерода, находящегося в пятом положении, перемещение которого в пространстве менее ограничено, то есть он менее заторможен, чем атом углерода, находящийся в третьем положении, с которым связана группа Р - О3'. Точно так же наличие, например, на участке (С - Ф) + (Ф - С) второй фосфатной группы существенно сужает конформационное пространство из-за тесного контакта между соседними фосфатными группами. Отсюда следует, что такие участки в полимерной цепи должны быть более ограничены по числу конформаций [3]. Подводя итог, можно придти к заключению, что существование предполагаемых различных типов связей в сахарофосфатном остове полимерной цепи ДНК позволяет выделить относительно непрочные участки, а также установить места предпочтительного расположения и координационного связывания лигандов с атомами кислорода фосфатной группы или гидроксилом сахара, что обусловливает особенности надмолекулярной структуры ДНК.
Список литера туры
1. Большая Советская Энциклопедия. 1977. - М., т. 27. - С. 970.
2. Зенгер В. Принципы структурной организации нуклеиновых кислот. 1987. - М.: Мир. -С. 77.
3. Зенгер В., там же, с. 113.
4. Зенгер В., там же, с. 343-353.
5. Ингольд К. Теоретические основы органической химии. 1973. - М.: Мир. - С. 978-983.
6. Марутаев М.А. Гармония как закономерность природы. // В сб. «Золотое сечение». -М., Стройиздат, 1990. - С. 130-233.
7. Олкок Г. Гетероциклические соединения и полимеры на их основе. 1970. - М.: Мир. -С. 45-46.
8. Руэн (А. Кирсанов). Суонистика - единая теория всего. Диалектика абсолюта (I). 1991. - М. - С. 8-44.
9. Шевелев И.Ш. О формообразовании в природе и в искусстве. // В сб. «Золотое сечение». - М.: Стройиздат, 1990. - С. 6-128.
10. Шишков Г.Б. Числа Фибоначчи - Шишкова: математические новации. 1994. - М., автореф. канд. дисс.
11. Энциклопедия полимеров. 1977. - М.: Энциклопедия, т. 1. - С. 1042
12. Там же, т. 2. - С. 101-102.
13. Там же, т. 3. - С. 553-554.
14. Ленинджер А. Биохимия. 1976. - М.: Мир. - С. 294-295.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.