БИОФИЗИКА, 2015, том 60, вып. 5, с. 861-876
МОЛЕКУЛЯР НАЯ БИОФИЗИКА
УДК 573.3
О П Р ОСТР АН СТВЕННОЙ О РГАНИЗАЦИИ ДВУХЦЕПОЧЕЧНЫХ МОЛЕКУЛ ДНК В ХОЛЕСТЕРИЧЕСКОЙ ЖИДКОКРИ СТАЛЛИЧЕСКОЙ ФАЗЕ И ЧАСТИЦАХ ДИСПЕРСИИ ЭТОЙ ФАЗЫ
© 2015 г. Ю.М. Евдокимов, С.Г. Скуридин, В.И. Салянов, В.В. Волков*, Л.А. Дадинова*, О.Н. Компанец**, Е.И. Кац***
Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН, 119991, Москва, ул. Вавилова, 32;
*Институт кристаллографии им. А .В. Шубникова РАН, 119333, Москва, Ленинский просп., 59;
**Институт спектроскопии РАН, 142190, Троицк, Москва, ул. Физическая, 5;
***Институт теоретической физики им. Л.Д. Ландау РАН, 119334, Москва, ул. Косыгина, 2
E-mail: yevdokim @eimb. ru Поступила в p едакцию 15.07.15 г.
Предпринята попытка обобщить хорошо известные литературные данные о структуре холе-стерической фазы, образуемой молекулами двухцепочечных ДНК, а также экспериментальные результаты авторов, характеризующие упаковку этих молекул в частицах холестерической жидкокристаллической дисперсии. Сопоставление всех данных позволяет высказать предположение о высокой вероятности существования как «ближнего» позиционного, так и «дальнего» ориентационного порядка в расположении двухцепочечных молекул ДНК как жидкокристаллической фазы, так и частицах дисперсий этой фазы, сформированных при определенных условиях. Возникновение ориентационного порядка, т.е. поворот «квазинематических» слоев из двухцепочечных молекул ДНК на небольшой угол, определяет формирование пространственно закрученной (холестерической) структуры с характерными для нее физико-химическими свойствами.
Ключевые слова: модельные спиральные структуры и их сечение, срезы хромосом динофлагеллят, сколы (срезы) холестерической жидкокристаллической фазы ДНК, частицы дисперсии холесте-рической жидкокристаллической фазы ДНК.
Известно, что молекулы низкомолекулярных соединений могут при определенны х условиях образовывать целый ряд классических жидкокристаллических структур (фаз) [1-4]. Во -прос о конкр етных способах упор ядочения этих молекул в разных фазах изучен в большом числе теоретических и экспериментальных работ [5-7].
Ситуация становится не такой определенной в случае молекул полимеров [8-10], для которых уже предсказывается появление неклассической, так называемой «решетчатой» структуры [11,12].
Ситуация становится еще более неопределенной в случае молекул биополимер ов, в частности, в случае двухцепочечных молекул нуклеиновых кислот [13-15].
Сокращения: ХЖКД - холестерическая жидкокристаллическая дисперсия, ПЭГ - полиэтиленгликоль.
Это обусловлено целым рядом факторов и, в частности, очень высокой молекулярной массой (~ 1-106 Да), а следовательно, весьма низкой скоро стью диффузии этих молекул и специфическими особенностями их вторичной структуры, опр еделяющими не только стремление со -седних молекул к латеральному взаимодействию, но и поворот при их сближении. Известно при этом, что при увеличении концентрации молекул двухцепочечных нуклеиновых кислот в водно-солевом растворе эти молекулы спонтанно переходят из изотропного в компактное (конденсированное) состояние [16]. Этому со -стоянию соответствует, как правило, гексагональная упаковка [17-19], обеспечивающая высокую плотность упаковки соседних молекул («ближний» порядок в расположении центров масс молекул, детектируемый при помощи метода малоуглового рассеяния рентгеновских лучей).
Гексагональная упаковка может быть представлена в виде структуры, показанной на
Рис. 1. Cxематичеcкое изобpажение пpоcтpанcтвенной оpганизации двуxцепочечныx молекул ДНК в гексагональной фазе. Молекулы двуxцепочечной ДНК pаcполагаютcя паpаллельно дpуг дpугу, обpазуя в пеpпенди-куляp ной им плоcкоcти гексагональную pешетку (cм. заштp иxованные тоp цы молекул ДНК). П p и таком cпоcобе упаковки в со cтаве фазы можно выделить «слои» из cо cедниx молекул ДНК (толстые cтp елки). Толщина слоя (С) pавна 0^3/2 (где а - pасстояние между осями соседних молекул ДНК).
pис. 1. Нетpудно заметить, что ^и гексагональной упаковке молекулы ДНК упо p ядочены в одном напpавлении. Показанная cтpуктуpа не является ^ и сталлической, т .е. не имеет дальнего позиционного поp ядка. Даже имея в виду такую плотную упаковку, автоpы pяда pабот [9,14,19,20] допускают возможность существования слоев (выделены стрелками на pис. 1). Молекулы двухцепочечных нуклеиновых кислот лежат в плоскости этих слоев, толщина котоp ы х пpиблизительно pавна pасстоянию между молекулами. В условиях, пp и котоp ых между молекулами ДНК со xp аняется пp о слойка из молекул воды, молекулы ДНК способны диффун-диp овать относительно дpуг дp уга. К p оме того, каждая молекула ДНК может свободно вp а -щаться во^уг своей длинной о си, вследствие чего со седние «слои» из молекул двухцепочечных нуклеиновых кислот могут пово p ачиваться на небольшой угол относительно дpуг дpуга без наpушения общего xаpактеpа пpоcтpанст-венной упаковки. Угол между стоями не детек-тиpуетcя пpи помощи метода малоуглового p ентгеновского p ассеяния. Нужно, конечно, иметь в виду, что наличие у молекул двухцепочечных нуклеиновых кислот нескольких уp ов-ней xиpальности (cпиpальная cтpуктуpа молекул ДНК, cпиpальное pасположение пpотиво-ионов вблизи этих молекул, а cимметp ия С-ато-мов cаxаp ных о статков) пp едопp еделяет cтp ем -ление молекул двухцепочечных нуклеиновых
кислот к обp азованию пp о стр анственно за^у-ченной (холес^ ической) фазы [16]. Вопp о с о том, каким обp азом молекулы двухцепочечных нуклеиновых кислот pа сположены в этой фазе, является пpедметом дискуссий [13,19,21,22].
Дело в том, что если в случае низкомоле-куляp ных соединений ответ на вопp о с об оp-ганизации молекул в холес^ ической фазе до с-таточно xоpошо обоснован [1-4], то в случае молекул двухцепочечных нуклеиновых кислот однозначный ответ на такой вопp о с является дискуссио нным.
Цель настоящей pаботы со стоит в том, чтобы, во -пеp вых, обобщить известные литеp атуp-ные данные о ср уктуp е xолеcтеp ической фазы, обpазуемой молекулами двухцепочечных нуклеиновых кислот, и, во-втоp ы х, добавить к ним собственные экcпеp иментальные pезультаты об упаковке этих молекул в частицах xолеcтеp и -ческой жидко^ исталлической диcпеpcии (ХЖКД). Собpанные нами данные свидетельствуют в пользу возможности существования «квазинематических» слоев из оpиентационно упо p ядоченных со седних молекул ДНК в стр ук -туp е как жидкокp исталлических фаз, так и ча с-тиц диcпеpcий этой фазы, пp ичем пово p от о p и -ентации молекул в этих слоях на небольшой угол обеспечивает фоpмиpование пpоcтpанственно за^ ученной (xолеcтеp ической) стр уктуp ы с xаpактеpными для этой cтpуктуpы физико-химическими свойствами.
Рис. 2. Вид модельной, слоевой, спирально закрученной структуры из склеенных между собой деревянных палочек. Слой образуют 10 палочек. Каждый последующий слой повернут вправо по отношению к предыдущему на 9°, в результате чего 10-й слой оказывается повернутым относительно 1-го на 90°. Условно выделена вертикальная ось вращения слоев.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Поскольку наибольший интерес для нас представляет структура холестер ической фазы, обр азованной молекулами двухцепочечных ДНК, мы сопоставим результаты разных авторов, котор ые были получены при помощи метода сечения спир альных структур, предложенного в работе [23].
П ри этом мы использовали следующие подходы для получения ответа на поставленный выше вопрос:
- физическое моделирование;
- компьютерное моделирование;
- «биологическая подсказка» - сечение хро -мосом простейших (динофлагеллят);
- сечение (скол) холестер ической жидкокристаллической фазы ДНК;
- сопоставление разных моделей - однозначный ответ в пользу реальности существования «квазинематических» слоев из молекул ДНК;
- свойства частиц ХЖКД ДНК как подтверждение вывода об упаковке молекул ДНК в «квазинематических» слоях, что приводит к «ближнему» позиционному порядку и «дальнему» о риентационному порядку молекул.
Физическое моделирование. На рис. 2 показана модель - спиральная структура из скле-
Рис. 3. Ф ронтальный вид сверху на срезы (нижняя (а) и верхняя (б) часть (половина)) модельной структуры (рис. 2), полученные после ее сечения под углом 45° к вертикальной оси. На срезах видна система из равноудаленных повторяющихся дуг («арок»), образованных косыми срезами палочек в плоскости сечения.
енных деревянных палочек. Каждый слой со -стоит из 10 палочек, каждый последующий слой повернут вправо на 9°, так что суммарная структур а из 10 слоев описывает 1/4 шага спиральной структур ы. Эта структура была физически рассечена под углом 45° по отношению к вертикальной оси (рис. 3). В результате такого сечения получаются два фрагмента - нижний (рис. 3а, т.е. тот, который остается на столе) и верхний (рис. 3б, т.е. тот, который был отделен). Нетрудно видеть, что на обоих фрагментах отчетливо просматриваются дугообразные структуры. Объединение нижнего и верхнего фрагментов (рис. 3) еще более отчетливо указывает на сохранение спиральной структуры даже в том случае, если спиральная стр уктура будет состоять из 20 слоев (повернутых на
Рис. 4. Изображения, полученные при помощи компьютерного моделирования спирально закрученной структуры, состоящей из 20 слоев палочек. (а) - Вид модельной, спирально закрученной структуры (угол спиральной закрутки - 9°; верхний слой повернут относительно нижнего слоя на 180°). (б) - Вид пласта модельной спирально закрученной структуры (а), полученный после ее сечения под углом к вертикальной оси. (в) -Фронтальный вид на срез, полученный после сечения модельной спирально закрученной структуры под углом к вертикальной оси. На изображениях (б) и (в) видна система, состоящая из равноудаленных повторяющихся дуг («арок»), образованных срезами палочек в плоскости сечения.
180°), причем расстояние между концами самой большой дуги соответствует 1/2 шага спиральной структур ы.
Таким образом, физическое моделир ование демонстрирует нам, что сечение (под углом к вертикальной оси спирали) спиральной структур ы из жестко фиксированных в слое палочек с последующим поворотом со
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.