Физические модели ДНК

Существуют две физические модели ДНК: модель гибкого стержня и модель спираль-клубок.

В обычных полимерных цепях гибкость определяется поворотной изомерией. Однако в модели, где ДНК представляется в виде упругого стержня, ее жесткость характеризуется двумя параметрами: жесткостью на изгиб оси и жесткостью кручения. Жесткость на изгиб оси двойной спирали определяет способность ДНК укладываться в вирусных частицах, хромосомах и т.д. Энергия изгиба цепочки, состоящей из N+1 звеньев или N+1 пар оснований, с углами между звеньями цепи имеет вид

где константа жесткости на изгиб двойной оси.

где l - длина звена, а - персистентная длина, kT - средняя энергия колебаний.

Отсюда, зная персистентную длину a=50,0 нм, можно найти Дж. 6эВ.Жесткость на кручение или торсионная жесткость ДНК, определяется как изменение энергии при отклонении угла между соседними парами оснований от его равновесного значения. Согласно расчетам, числовое значение торсионной жесткости для кольцевой полимерной цепи составляет =0,036 kT. При такой жесткости особое значение торсионная гибкость приобретает в случае замкнутых кольцевых молекул ДНК, состоящих из двух взаимно зацепленных одно нитевых колец. В обычных условиях угол (36°) между осями пар оснований, соседних по длине двойной спирали ДНК, испытывает отклонение ±5° вследствие тепловых колебаний. В то же время для перехода между разными формами ДНК (В- и С-формы) достаточно изменения этого угла всего на 2,5° . Отсюда следует, что в пределах семейства одного типа форм (В-формы) происходят непрерывные переходы из одной конформации в другую. По существу, разные участки одной и той же молекулы ДНК могут находиться одновременно в разных конформациях.

В модели гибкого стержня изменения конформации ДНК связываются с небольшим изгибом и кручением двойной спирали в каждой паре оснований, которые накапливаются на большой длине. В результате происходит непрерывное изгибание молекулы ДНК с образованием кольца диаметром около 10,0 нм. Согласно другой точке зрения, укладка двойной спирали при компактизации ДНК может происходить за счет редких изломов на большой угол вследствие нарушения межплоскостных (стекинг) взаимодействий между парами оснований. Наряду с флуктуационными изгибами оси спирали и поворотами соседних пар оснований в ДНК может происходить и раскрытие отдельных пар оснований. Хотя этот процесс идет с очень малой вероятностью, тем не менее, он приводит к сильным изменениям конформации и играет определяющую роль в реакциях ДНК с химическими агентами (например, с формальдегидом), которые могут реагировать лишь с раскрытыми нуклеотидами. Эти маловероятные, но значительные изменения структуры учитываются в моделях спираль-клубок. При обычных физиологических температурах в ДНК происходят в основном флуктуационные раскрытия отдельных пар оснований с вероятностями не более 10^-5. Вероятности одновременного раскрытия двух и большего числа пар оснований соответственно на один и два порядка меньше.