Структура, которой нет

Сегодня двойная спираль ДНК вместе с изображением клетки гтала универсальным символом всего живого. Ее универсаль­ность, пожалуй, даже идеализируют, отчасти из-за необычай­ного изящества, невероятной элегантности ее структуры. На са­мом деле условия, в которых молекулы ДНК существуют и проявляют свои удивительные (до сих пор) свойства, весьма тя­желы. Как правило, в клетке они сжаты так, что утрачивают «•вою завораживающую форму и выглядят скорее бесформен­ными образованиями, которые к тому же еще и постоянно испы­тывают на себе воздействие генов. *

Изображения ДНК, встречающиеся ныне не только на страни­
цах школьных учебников, но и в массовых изданиях и даже на эк­
ранах телевизоров, вряд ли дают подлинное представление об этой
удивительной молекуле. В нашу «постгеномную» эпоху ее принято
изображать в виде двух бесконечных цепей или нитей нуклеоти-
дов. Между тем другие р, ва_об^аз& _лучше подходят для празднова­
ния юбилея. В одном из них двойную спираль образуют змеи муд­
рости и познания, которые обвиваются вокруг кадуцея — символа
ирачевания, представляющего собой жезл или посох древнегречес-
кого бога Гермеса, в другом — вращающаяся Х-хромосома, символ
наследственности. ^

Схематическое изображение структуры молекулы ДНК А —

аденин Т —тимин Г —гуанин Ц —цитозин Д —углевод (дезоксирибоза) Ф — фосфат Одной двумя и тремя чертами обозначены разные виды химических связей между ними На схеме указаны характерные размеры элементов структуры в ангстремах (1 А= 10 ¹⁰м)

Но лишь изредка ДНК выглядит стол! совершенной.

Считанные часы на самых ранних ста днях клеточного цикла, в процессе подго товки клетки к делению, вся ее наслед ственная информация (геном) локализо вана на «своих местах» — в отведенныз для этого участках хромосом. Все осталь ное время напрасно искать в клетках эу кариот четко выраженные квартеты азо тистых оснований. Вместо них в ядра обнаруживается нечто беспорядочное бесформенное.

И не стоит надеяться, что при более де тальном исследовании сквозь этот хаос про ступят те изящество и элегантность, кото-¹ рые символизировала исходная двойн спираль. Нет, попадающиеся то и дел нити и хроматин — основа волокнисто структуры ДНК и белков — лишь на очен коротких участках напоминают спираль.¹ Хотя хромосомы часто отождествляют ДНК, на самом деле в хроматине бел ко вдвое больше, чем ДНК, а около 10% при­ходится на однонитевые информационные РНК, «скопированные» с тех или иных участков ДНК при транскрипции (переносе информации с ДНК на РНК).

Не выходит ли, что мы отмечаем юби­лей открытия структуры, которой на са­мом деле в клетке нет?

ДНК крупным планом

При желании узнать, как же все-таки действует ДНК, нам, пожа-^ луй, будет недостаточно увеличить картину до молекулярного уровня, где вырисовывается ныне изображаемая в школьных учеб­никах магическая лесенка, образованная комплементарным спа­риванием оснований. В учебниках, стремясь к упрощению, изобра­жают основу наследования — репликацию (самовоспроизведение молекул ДНК) — неизбежным следствием синтеза определенного фермента вдоль линии, протянувшейся наподобие железнодо рожной (аналогичную роль стимулятора транскрипции отводя

другому ферменту). При таком подходе юном выглядит раскрытой книгой, так ч го остается лишь улучить момент, чтобы nti прочесть.

Увы, в действительности все сложнее. Книга не только закрыта, но и ошгамбиро-»|» на, да еще и упакована весьма изобрета-ишьно. Более того, изложенная в ней исто­рия не сводится к тексту на ее страницах — приходится читать между строк.

Дело в том, что во всех процессах с учас-1ием ДНК информация передается одно-иременно нескольким объектам, весьма разнящимся по масштабам. Впрочем, те, к го не готов углубляться в подобные слож­ности, могут пока довольствоваться кар-i инкой из школьного учебника, где все эти объекты считаются безграничными. До не-днвнего времени даже в вузовских учебни­ках их вынужденно описывали без учета различий в масштабах и поверхностных эффектов. Ученые имели представление «• молекулах, клетках и клеточных «орга­нах» (органеллах, органоидах), но о том,

ч го находится между ними, не знали почти ничего. Немудрено, что общая картина выглядела расплывчатой и загадочной.

В последние годы внимание общественности все чаще привле­кают сравнительно новые науки — молекулярная биология и кле-iочная биология, но никто не задумывается о том, что наряду с ними должна бы развиваться и мезобиология, изучающая содер­жимое клетки между уже знакомыми¹ нам объектами. А нужно-то для этого разрешение микроскопа всего-навсего 10 ⁷ м (характер­ный масштаб мезомира) — далеко не рекордное по нынешним вре­менам. Каковы детали ДНК в таких масштабах — вот, пожалуй, «лавный вопрос, не ответив на который, не достичь исчерпываю­щего понимания механизмов самовоспроизведения и передачи ин­формации в клетке на уровне спаривания оснований. Пока же наши представления на этот счет остаются фрагментарными.

Эффекты мезомира могут оказаться крепким орешком, ко-иарным препятствием на пути познания. В такой окрестности любого атома уже слишком много соседей, чтобы доверять ре-нультатам молекулярной механики, основанной на учете лишь

парных взаимодействий. В результате привычные подходы м няются и подчас оказываются несостоятельными: изучаемы объекты приобретают зернистую структуру, т. е. не удовлетво ряют фундаментальному требованию естествознания, глася щему, что для приближенного описания объект можно считат: непрерывным и однородным. Пока же из последних данных ис следования структуры ДНК в таких (промежуточных) масшта бах следует лишь, что она изгибается и скручивается, как элас тичный стержень, одновременно испытывающий механически! нагрузки и молекулярные взаимодействия.

Одним из эффектов такого рода выглядит недавно обнаружен ная в ДНК бактерий сверхспирализация — аномальное скручива ние спирали, при котором ее витки похожи на лист Мёбиуса Оценки необходимых затрат энергии показывают, что излишни! (или недостающий) виток спирали на каждые 200 пар основание «стоит» примерно 9 ккал/моль, так что возможны заметные фи зиологические проявления — скажем, сверхспирализация остано вит рост бактерий.

Хотя более близкие нам молекулы ДНК, локализованные в хро мосомах эукариот, имеют свободные концы, они тоже подвержен сверхспирализации, ибо, как правило, их сравнительно крупны витки прикрепляются к нитевидным структурам так называемо ядерной матрицы, выстилающей внутреннюю поверхность ядер ной оболочки. Без этого крепления, похоже, невозможны перенос воспроизводство информации в клетке.