Главная            О проекте            Карта сайта            Обновления            Ссылки

Плавление ДНК

Апериодичность и одномерность кристалла ДНК хорошо проявляется при его плавлении. Но во что при этом превращается одномерный кристалл? С ростом температуры межмолекулярные связи, которые удерживают вместе две комплементарные цепи, рвутся. При этом из одной двухнитевой молекулы получаются две однонитевые цепочки (смотрите рисунок ниже).

Так плавится ДНК

Энтропийно (получение большей свободы) это удобно потому, что, потеряв связь с комплементарным партнёром, каждая цепочка получает больше свободы. В результате этого приобретается способность создавать в пространстве самые разные конфигурации. А вот сами цепочки порвать простым нагреванием нельзя, так как нуклеотиды связаны между собой очень прочно. Разрезать их могут только ферменты нуклеазы.

Надо знать, что плавление ДНК кардинально отличается от плавления, к примеру, того же льда. А отличие заключается в том, что молекула плавится в широком интервале температур, а плавление льда осуществляется при одной строго фиксированной температуре. Называется это явление фазовым переходом, когда состояние вещества меняется скачкообразно: из твёрдого оно превращается в жидкое, а из жидкого в газообразное.

Все мы по несколько раз в день сталкиваемся с фазовым переходом, когда кипятим воду в чайнике. Во время кипения система вода–пар находится в точке фазового перехода, равной 100 градусам по Цельсию. Она ни на йоту не поднимется, пока вся вода не выкипит. Аналогичная ситуация наблюдается при таяние льда. Температура поднимается до 0 градусов по Цельсию и замирает на этой точке, пока весь лёд не превратится в воду. Только после этого температура воды начнёт подниматься.

Что же касается молекулы ДНК, то она отличается от фазовых систем тем, что её температура растёт непрерывно. С её повышением всё новые и новые участки двойной спирали трансформируются из спирального в расплавленное состояние.

Вначале специалисты никак не могли осознать, что такое необычное поведение вещества возможно. Первым данное свойство для одномерного кристалла осознал физик Л. Д. Ландау. Он заявил: "В любой одномерной системе не могут существовать фазы, так как они тогда стремились бы перемешиваться друг с другом". Данное утверждение известно как теорема Ландау.

Так вот, удивительная молекула как раз и является такой системой. Её небольшое отличие заключается лишь в апериодичности, так как присутствуют два сорта звеньев – пары Г-Ц и А-Т, которые различаются силой своих связей. Пара А-Т разрывается гораздо легче, чем пара Г-Ц, поэтому плавление ДНК осуществляется при низких температурах, так как в молекуле пар А-Т содержится больше.

Поэтому в молекуле фазы отсутствуют не потому, что они стремятся перемешаться друг с другом, а потому, что участки, обогащённые парами А-Т, начинают плавиться при более низкой температуре, чем участки с преобладанием пар Г-Ц. Отсюда получается поэтапный переход одного участка за другим при росте температуры, а не скачком.

Данную зависимость поглощения тепла от температуры хорошо отражает график, показанный на рисунке ниже. На нём видно, что вместо одного бесконечно узкого пика, характерного для плавления льда, существует множество пиков, характеризующих плавление отдельных участков молекулы ДНК. По ширине каждый такой пик соответствует примерно 0,5 градусам по Цельсию.

Дифференциальная кривая плавления ДНК

Конечно, теплопоглощение одной молекулы измерить невозможно. В эксперименте принимают участие миллиарды молекул. Но все они имеют одинаковую последовательность нуклеотидов. При определённой температуре у них раскрываются одни и те же участки. Поэтому, экспериментируя на множестве одинаковых молекул, можно судить о том, что происходит с каждой из них. Ниже приведён снимок расплавленной ДНК при температуре 72 градуса по Цельсию.

Так выглядит расплавленная ДНК при t=72° C

Следует учитывать, что каждая молекула имеет свой индивидуальный профиль плавления, зависящий от той генетической информации, которая в ней хранится. Но плавление ДНК нельзя рассматривать лишь как физическое явление. Данный процесс в клетке идёт постоянно, то есть комплементарные цепи разводятся для начала синтеза цепей. И каким же способом это происходит?

В роли своеобразного утюга, способного расплавить участок цепи, выступают специальные ферменты. В частности можно назвать РНК-полимеразу. Данный фермент прочно связывается с молекулой и расплетает её, но не любой участок, а лишь конкретную последовательность нуклеотидов, находящуюся между генами (промотор).

РНК-полимераза связывается с промотором и расплавляет его. При этом раскрывается около десятка нуклеотидов. Фермент движется вдоль гена и расплетает на своём пути новые участки, осуществляя по ходу движения синтез молекулы мРНК. Пройденные участки вновь соединяются. Синтезируемая РНК смещается, возле неё появляется рибосома и начинает синтезировать белок в соответствии с генетическим кодом. Вся эта схема показана на рисунке ниже.

РНК-полимераза, двигаясь по ДНК, синтезирует РНК
Рибосома считывает данные с РНК и синтезирует белок

Способность комплементарных цепей молекулы разъединяться и вновь соединяться широко применяется в генной инженерии. В настоящее время изобретено устройство, способное осуществлять полимеразную цепную реакцию (ПЦР). Данное устройство получает образец ДНК и периодически нагревает и охлаждает его. В результате каждая молекула умножается в пробирке.

Можно начать с одной молекулы, провести m циклов ПЦР и получить 2m молекул прямо в пробирке. Таким способом можно воспроизвести любой биологический организм в лабораторных условиях. Перспективы захватывающие, но пойдут ли они на благо человечеству?

Вячеслав Маркин