1.7.Экспериментальные методы исследования структуры ДНК

Для изучения структуры молекулы ДНК исследователи использу­ ют различные математические, физические, химические и биохимиче­ ские методы, а также их комбинации. Сама история открытия структу­ ры ДНК дает нам впечатляющий пример, иллюстрирующий успешное применение совокупности этих методов. Основные события, приведшие к этому открытию, состояли в следующем.

Предположение о том, что ДНК существует в виде довольно тон­ ких жестких волокон с диаметром, приблизительно равным 20 А, и дли­ ной, равной многим тысячам ангстрем, было выдвинуто после физико­ химических исследований, включающих седиментацию и измерения рас­ сеяния света [122,123]. Эти непрямые заключения были подтверждены затем электронными микрофотографиями [124,125].

Источником более детальной информации о конфигурации атомов внутри волокон стал рентгеноструктурный анализ. Так, в 1951 Фунрберг опубликовал первые данные о кристаллической структуре цитидина [126]. Его результаты были получены рентгеновским методом. Карты электронной плотности рассчитывались в то время вручную. Сейчас су­ ществуют мощные компьютерные вычислительные методы, которые вме­ сте с данными спектроскопии позволяют получать структуры различных фрагментов ДНК на атомарном уровне.

Дальнейшие исследования структуры ДНК были продолжены Дек­ кером, Михельсоном и Тоддом, которые при помощи химических методов показали, что линейный полимер молекулы ДНК состоит из нуклеоти­ дов, связанных друг с другом 3'-, 5'-фосфодиэфирными связями [127]. Дополнительная информация была получена в работе Чаргаффа и соав­ торов [67], где было показано, что в различных молекулах соотношения А/Т и G/С равны 1.

Кристаллографические исследования волокон ДНК, проведенные Аустбури [128], показали, что пары оснований А-Т или G-С упако­ вываются одна над другой и расстояние между ними равно 3.4 А. Из данных по химическому титрованию, полученных Гуллендом [129], был сделан вывод о том, что основания в ДНК связаны друг с другом при помощи водородных связей. Наконец, дополнительные кристаллографи­ ческие данные, полученные Уилкинс [101], показали, что ДНК обладает спиральной структурой, способной изменять свою конформацию при из­ менении параметров среды, таких как гидратация, температура, концен-

трация определенных ионов. Вся эта информация была собрана и про­ анализирована Утсоном и Криком [68,69]. И, как результат, ими была предложена модель двойной спирали ДНК, которая объясняла все пре­ дыдущие экспериментальные данные. Более того, она давала простое объяснение основным особенностям функционирования ДНК. Это от­ крытие дало импульс интенсивному развитию биохимии, молекулярной биологии и генетики. Оно было отмечено Нобелевской премией в 1962 и подробно описано в книге Уотсона «Двойная спираль» [130].

Кроме экспериментальных методов, упомянутых выше, для изуче­ ния структуры ДНК используются и многие другие методы, включая хорошо известные физические методы, такие как ЯМР, инфракрасная, рамановская и нейтронная спектроскопия. Они позволяют получить по­ дробную информацию о структуре ДНК, о полиморфизме молекулы, о зависимости структуры от последовательности оснований и от окру­ жения и т. д. Такая информация суммируется на специальных интерне­ товских сайтах, и адреса многих из них описаны в специальном выпуске журнала Nucleic Acids Research [131].