ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Молекула ДНК в растворе из "Физика растворов" Переход спираль - клубок обратим. При охлаждении комплементарные цепочки вновь завязывают между собой водородные связи. При этом расстояние между основаниями вдоль сахаро-фосфатной цепи равно по-прежнему 6,8 А. В то же время энергетически выгодным является непосредственный ван-дер-ваальсов контакт между соседними парами оснований, который соответствует расстоянию 3,4 А. Для сближения на это расстояние соседним парам оснований необходимо повернуться относительно друг друга на 36°. Это требование диктуется стереохимией сахаро-фосфатного остова, причем поворот происходит таким образом, что в обычных условиях образуется правая спираль ДНК. В спиральном состоянии ДНК обладает весьма жесткой структурой. Свобода вращения вокруг одинарных связей почти полностью исключается. Все же некоторая гибкость цепи сохраняется, и двунитевая ДНК представляет собой клубок с очень большим статистическим сегментом — приблизительно 300 пар оснований — такая величина обусловлена непрерывной гибкостью спирали, а не локальными нарушениями спиральной структуры, т.е. ДНК является червеобразной (персистентной), а не энгэагообразной цепью. Таким образом, переход спираль - клубок представляет собой обратимый переход из энергетически выгодного высокоупорядоченного спирального кристаллического состояния в разупорядоченное, жидкое состояние статистического клубка. Существенно подчеркнуть, что последовательность оснований в цепи остается в клубке столь же строго фиксированной, как и в спирали, так как при плавлении ДНК разрушаются лишь слабые межмолекулярные силы, ковалентные связи внутри сахаро-фосфатных цепей остаются нетронутыми. [c.73] Гидродинамические характеристики — конста Ита седиментации, вязкость и др. (см. рис. 4.4) - также меняются при переходе спираль - клубок. Эти величины характеризуют изменение размеров макромолекулы при переходе. Параллельное измерение степени спиральности оптическим и размера молекул гидродинамическим методами дает возможность найти среднюю длину спирального участка в молекуле ДНК при любой температуре. Наконец, переход спираль — клубок исследуют микрокалориметрически. Микрокалориметрия дает возможность не только наблюдать переход спираль -клубок по изменению теплоемкости раствора, но и определять теплоту перехода. [c.74] Температура плавления зависит также от pH среды, сильно снижаясь при значениях pH ниже 5 и выше 9. [c.74] Ширина интервала плавления ДНК составляет несколько градусов Цельсия (рис. 4.6). В то же время для гомополинуклеотида величина Д7 0,5 °С. [c.74] Следует отметить, что различные свойства ДНК надежно исследованы в настоящее время в основном только для условий среды, близких к стандартным. Стандартными условиями, отвечающими условиям в клетке, являются следующие pH = [Ка ] = 0,195 М. В дальнейшем, если это специально не оговорено, мы будем предполагать, что ДНК находится в условиях, близких к стандартным. [c.74] могут существенно изменять кривые плавления, когда их молярная концентрация О в растворе значительно меньше молярной концентрации Р в растворе оснований, входящих в состав ДНК. К такого рода веществам относятся ионы тяжелых металлов (Си, Ре и др.), некоторые антибиотики (актиномицин) и кра.сители (акридиновый оранжевый, профлавин), некоторые белки. В качестве примера см. рис. 2.11, где приведена зависимость ДГ от концентрации белка рибонуклеазы. Существенно подчеркнуть, что скрепки связаны с ДНК межмолекулярными силами и за время опыта перераспределяются на молекуле ДНК, занимая при каждой температуре термодинамически наиболее выгодное состояние. [c.75] Приведенные экспериментальные данные относятся к обычно исследуемой в растворе линейной, незамкнутой ДНК. У вирусов, а также в клетках бактерий на некоторых стадиях их развития обнаруживается кольцевая замкнутая форма ДНК. В такой ДНК, представляющей собой обычную двойную спираль, каждая из комплементарных нитей является непрерывной замкнутой на себя. Поэтому полное число оборотов одной нити относительно другой не может меняться ни при каких изменениях условий, сохраняющих целостность сахаро-фосфатного остова обеих нитей. Проведенные исследования показали, что при комнатной температуре двойная спираль кольцевой ДНК закручена как целое в суперспираль (с плотностью один виток суперспирали на 120—300 пар оснований) противоположного знака, т.е. в левую. При нагревании происходит тепловое расширение кристалла ДНК и уменьшение степени закрученности двойной спирали. Это приводит к уменьшению суперспирализации. При дальнейшем нагревании происходит раскручивание двойной спирали и образование суперспирали того же знака (правой). Иными являются и характеристики плавления кольцевой замкнутой ДНК. Температура плавления такой ДНК приблизительно на 20° выше, чем для линейной молекулы (см. рис. 4.6). Это происходит потому, что расплавленные нити в кольцевой молекуле остаются закрученными относительно друг друга и энтропия расплавленного состояния меньше, чем для линейной молекулы. Кроме того, ширина интервала плавления замкнутой кольцевой ДНК в 2—3 раза больше, чем ширина интервала плавления линейной молекулы. [c.75] НИЯ длины. Однако при достаточно сильной фрагментации молекулы происходят изменения кривых плавления — уменьшение температуры плавления и увеличение ширины интервала плавления (рис. 4.7). [c.76] Переход спираль — клубок в гомополимерах. Пусть дана линейная цепочка из звеньев, причем каждое звено может находиться в двух состояниях - расплавленном (1) и спиральном (2). Макроскопическое состояние системы полностью определяется заданием значений трех переменных числа звеньев в состоянии 1 ( V,) числа звеньев в состоянии 2 (Л г) и числа областей (я), состоящих из звеньев сорта 1 (или 2). [c.76] Отметим,. что в случае отсутствия взаимодействия между звеньями (а= 1, Р = 0) формула (4.30) переходит в распределение Больцмана. [c.77] Этот предельный случай отвечает отсутствию кбоперативности энергия образования границы между расплавленным и спиральным участками равна нулю (т.е. Р = 0), спиральные и расплавленные звенья перемешаны совершенно случайным образом. При увеличении поверхностной энергии (уменьшении а) происходит рост кооперативности системы увеличивается средняя длина одного спирального и расплавленного участков и соответственно уменьшается ширина интервала плавления. В предельном случае а- 0 мы имеем полностью кооперативный абсолютно резкий переход. [c.77] Ст = TAS dd/dT (где AS = q/T — энтропия плавления), т.е. [c.78] На рис. 4.8 приведена зависимость теплоемкости раствора соли в воде от температуры, хорошо согласующаяся с (4.31). [c.78] С Теплоемкость раствора соли в воде. [c.78] Переход спираль — клубок в гетерополимерах. Рассмотрим задачу о внутримолекулярном плавлении реальной ДНК, состоящей из звеньев двух сортов — легкоплавких АТ и тугоплавких ГЦ. Полимер, состоящий из одних только АТ-пар (поли-АТ), плавился бы при 340 К, Полимер из одних ГЦ-пар (поли-ГЦ) — при 380 К, в соответствии с изложенной выше теорией плавления гомополимеров. Возникает вопрос как будет плавиться ДНК, в которой есть и АТ- и ГЦ-пары Ответ на этот вопрос зависит от характера взаимного расположения звеньев АТ И ГЦ в ДНК. Если, например, цепь составлена из больших АТ- и ГЦ-участков, то независимо плавятся сначала АТ-, потом ГЦ участки. Плавление будет носить такой характер, если щина АТ- и ГЦ-участков существенно больше средней длины расплавленного участка в гомополимере. Если в ДНК нет больших АТ- и ГЦ-участков, то она будет плавиться как Целое вблизи некоторой, промежуточной между 340 и 380 К, температуры. Плавление ДНК с правильным чередованием АТ-и ГЦ-звеньев (периодически повторяющиеся АТ- и ГЦ-блоки) можно рассчитать аналогично тому, как выше рассчитывалось плавление гомополимеров например, цепочка чередующихся АТ-, ГЦ-, АТ-, ГЦ-, АТ-, ГЦ-... звеньев плавится при Т = (Гдт + гц)/2 ширина интервала плавления останется весьма малой. Нас, однако, интересует реальная ДНК, последовательность АТ- и ГЦ- пар в которой можно считать случайной. Трудность и своеобразие задачи в том, что последовательность АТ- и ГЦ-звеньев хотя и случайно, но задана определенным образом поэтому все термодинамические характеристики ДНК должны вычисляться именно для этой последовательности звеньев. Это означает, в частности, что при нахождении статистической суммы молекул нельзя проводить усреднение по всевозможным последовательностям звеньев с различной энергией разрыва (хотя бы и сохраняя состав легкоплавких и тугоплавких пар) - нужно проводить суммирование по фазовому пространству, сохраняя заданную последовательность АТ- и ГЦ-звеньев. [c.79] С этой точки зрения гетерополимер в растворе представляет собой систему. не находящуюся в полном термодинамическом равновесии за время опыта, при используемых температурах остов ДИК не претерпевает химических изменений - реализуются не все возможные (и обладающие разной энергией), по статической термодинамике, последовательности АТ- и ГЦ звеньев в молекулах ДНК, а только одна последовательность, которая и была у ДНК, растворенной в начальный момент. Это не мешает, однако, применять термодинамический подход к переходу спираль - клубок, поскольку при этом переходе рвутся или восстанавливаются слабые связи, по отношению к которым в ДИК при медленном (минуты) проведении опыта обычно успевает установиться полное термодинамическое равновесие. [c.79] Для всей молекулы V очень велико (10 -10 ), так что флуктуации концентраций очень малы, и двумя последними слагаемыми в правой части (4.37) можно пренебречь тогда из (4.37) следует, что точка плавления гетерогенной ДНК дается формулой (4.38), которая хорошо согласуется с экспериментальными даннымй. [c.80] Теоретическая зависимость ширины интервала плавления от различных параметров удовлетворительно согласуется с экспериментом (см. [5—7]). [c.81] Таким образом, вероятность образования узлов резко уменьшается с ростом толщины цепи, т.е. с увеличением эффекта исключенного объема. [c.83] Вернуться к основной статье