1. Масштабные атомно-молекулярные модели – эффективный инструмент обучения и исследований.
2. Устанавливая структуру биомолекулы, желательно задумываться о ее биологическом предназначении, о ее биологической функции.
3. Реакции ДНК с различными агентами являются топохимическими и/или контекст-зависимыми.
4. Без подтверждения структуры с помощью масштабных молекулярных моделей всяческие гипотетические построения почти наверняка обречены на провал.
5. Наука редко отвечает на вопрос «почему?», чаще только на вопрос «как?».
6. Современная структурная химия исключительно плодотворно объясняет и предсказывает геометрию молекул.
7. Таутомерный и ионизационный механизмы возникновения замен пар оснований – идеи, которые трудно доказать.
8. «Конформационный» механизм неправильного спаривания оснований представляется наиболее правдоподобным.
9. Никакими силами и никогда мы не сможем избавиться от радиоактивных изотопов в природе.
10. Фотодимеризация тимина – яркая демонстрация топохимической природы реакций мутагена с ДНК.
11. Озоновый слой в стратосфере действительно надежно защищает нас от вредного мутагенно-канцерогенного действия коротковолнового УФ-излучения.
12. Основной (мажорный) продукт реакции агента с ДНК далеко не всегда является основной причиной его мутагенности. Чем мягче мутаген, тем больше его видовая и локусная специфичности.
13. Делетогены и амплигены заслуживают пристального внимания.
14. Анализ и сравнение мутационных спектров – продуктивный подход к выявлению сходства и различий между мутагенами.
Reproducibility of results in the genetics of predisposition eng 2014
химия днк для генетиков 2015
1. Санкт-Петербург, 7-11 июня 2015 г.
Что должен знать генетик о
химии ДНК и химических
основах мутагенеза
Никита Николаевич Хромов-Борисов
8-952-204-89-49 (Теле2);
8-921-449-29-05 (МегаФон)
Nikita.KhromovBorisov@gmail.com
http://independent.academia.edu/NikitaKhromovBorisov
https://www.researchgate.net/profile/Nikita_Khromov-Borisov
http://www.slideshare.net/ssuserb22936
2. Мы живем в структурированном мире
• Если бы Вселенная состояла из одних бозонов (частиц с целым
значением спина), то в одном квантовом состоянии находилось бы
неограниченное количество одинаковых частиц и никакой
структурированности не было бы.
• Структурированность нашей Вселенной обусловлена фермионами
(частицами с полуцелым значением спина).
• Тогда в одном квантовом состоянии может находиться не более
одной частицы (принцип Паули).
• Именно этот принцип (запрет Паули) ответственен за устойчивость
электронных оболочек атомов и делает возможным существование
сложных химических элементов.
2
3. • Мы живем в структурированном мире.
• Поэтому наиболее плодотворный путь познания
Природы состоит в выявлении взаимоотношений между
структурой и функцией, структурой и активностью на
всех уровнях организации материи, начиная с атомов и
молекул.
• Наука, в которой такие связи установлены, приобретает
предсказательную силу.
• В частности, для понимания структуры и функции ДНК и
химических основ мутагенеза необходимы твердые
знания основ структурной химии.
3
4. Нужно знать ответы на вопросы:
• Чем обусловлено разнообразие химических элементов?
• Почему углерод четырехвалентен, хотя в основном состоянии он
должен бы быть всего лишь двухвалентным?
• Почему азотистые основания в нуклеиновых кислотах двухмерные
(плоские), а дезоксирибоза и остаток фосфорной кислоты
трехмерные?
• Почему основная (каноническая) трехмерная структура ДНК -
правозакрученная винтовая линия (спираль)?
• Какие места в компонентах ДНК наиболее «слабые», т.е. наиболее
подвержены химическим изменениям, каким именно изменениям
и под действием каких физических и химических агентов?
4
9. 19 марта 1953 г.
Письмо Френсиса Крика 12-летнему сыну Майклу
• Мой дорогой Майкл,
• Джим Уотсон и я сделали возможно
самое важное открытие.
• Мы построили модель для структуры
дез-окси-рибо-нуклеиновой-кислоты
(прочти это старательно), кратко
называемой Д.Н.К.
• Ты наверное помнишь, что гены в
хромосомах – которые несут
наследственные факторы – сделаны из
белка и Д.Н.К.
• Наша структура очень красива.
• Д.Н.К. можно представить как очень
длинную цепь с торчащими вбок
плоскими частями.
• Плоские части называются
«основаниями».
• Формула выглядит вот так:
9
10. • Далее, у нас присутствуют две
такие цепи, обвитые одна
вокруг другой – каждая
является спиралью.
• Цепь, составленная из сахара и
фосфора, располагается на
внешней стороне, а все
основания, обращены
вовнутрь.
• Я не могу нарисовать ее очень
хорошо, но выглядит это
примерно вот так:
• Сама модель выглядит куда
более привлекательной.
10
11. • Наконец, захватывающая вещь
состоит в том, что в то время как
различных оснований 4, мы
обнаруживаем, что мы можем
составить из них только
определенные пары.
• У этих оснований есть названия.
• Это Аденин, Гуанин, Тимин и
Цитозин.
• Я буду называть их A, G, T и C.
• Теперь мы обнаруживаем, что
пары, которые мы можем
образовать – одно основание на
одной цепи объединяется с
основанием на другой – это
только: A с T и G с C.
Тогда на одной цепи, как мы можем
видеть, можно иметь основания в
любом порядке, но если их порядок
фиксирован, то их порядок на другой
цепи тоже фиксирован.
Например, предположим, что первая
цепь такая, как указано слева, то
вторая должна быть такой, как справа.
11
12. • Это похоже на код.
• Если ты имеешь один набор букв, то
ты сможешь выписать другие.
• Теперь предположим, что Д.Н.К.
является кодом.
• То есть порядок этих оснований (букв)
создает отличие одного гена от других
(точно так же как одна печатная
страница отличается от другой).
• Теперь ты можешь видеть, как
Природа создает копии генов.
• Потому что когда две цепи расплетутся
на две отдельные цепи, и если затем
каждая цепь создаст на ней другую
цепь, то поскольку A всегда
объединится с T, а G с С, мы получим
две копии той цепи, которую имели
вначале.
12
13. • Другими словами, мы думаем, что мы нашли основной механизм
копирования, с помощью которого живое происходит от живого.
• Красота нашей модели состоит в том, что ее форма такова, что могут
образовываться только эти пары, хотя они могли бы образовываться
и другим способом, если бы плавали свободно.
• Ты можешь понять, что мы очень рады.
• Через день или около того мы должны отослать письмо в Nature.
• Прочти это письмо внимательно, чтобы понять его.
• Когда вы вернетесь домой, мы покажем вам модель.
• С любовью, папа
13
14. Все на продажу
• Майкл Крик выставил это рукописное письмо на аукцион Кристи 10
апреля 2013 г.
• Письмо было приобретено по телефону анонимным покупателем за
5,3 миллиона долларов.
• С учетом дополнительных сборов, выручка составила чуть более $ 6
миллионов.
• Половина вырученных средств была передана Институту
биологических исследований Солка в Сан-Диего, Калифорния, где
Фрэнсис Крик, который умер в 2008 году, был профессором.
• Эта выручка побила рекорд письма, написанного Авраамом
Линкольном, которое было продано в 2008 году за 3,4 млн. долл.,
включая налоговые сборы.
14
15. Уотсон и Крик –
близнецы-братья или комплементарные и
антипараллельные переплетения мысли?
15
20. Розалинд Франклин (Rosalind Franklin) (25.07.1920 —
16.04.1958) — английский биофизик и учёный-
рентгенограф, занималась изучением структуры ДНК.
20
21. • Дж. Д. Бернал назвал снимки, полученные
Франклин с помощью метода
рентгеновской дифракции «одними из
самых красивых снимков какого бы то ни
было вещества, когда либо полученных до
этого времени».
21
22. Джон Десмонд Бернал (John Desmond
Bernal; 10.05.1901 — 15.09.1971)
• — английский физик,
кристаллограф, биохимик и
социолог науки, общественный
деятель.
• Пионер рентгеновской
кристаллографии.
• Наряду с Опариным разработал
теорию возникновения жизни.
• Иностранный член АН СССР
(20.06.1958), вице-президент
Всемирной федерации научных
работников, Президент
Всемирного Совета Мира (1959—
1965), лауреат Международной
Сталинской премии «За
укрепление мира между
народами» (1953).
22
23. Морис Хьюг Фредерик Уилкинс (Maurice Hugh Frederick Wilkins; 15.12.1916 — 05.10.2004) — биофизик,
лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1962 года (совместно с Джеймсом
Уотсоном и Фрэнсисом Криком) «за открытия, касающиеся молекулярной структуры нуклеиновых
кислот и их значения для передачи информации в живой материи».
23
24. Урок 2
• Устанавливая структуру биомолекулы,
желательно задумываться о ее
биологическом предназначении, о ее
биологической функции.
24
32. Урок 3 и его следствие
• ДНК – гибкая молекула и ее различные
пространственные формы исполняют
разные функции и по-разному реагируют с
различными агентами.
• Иными словами, реакции ДНК с
различными агентами являются
топохимическими и/или контекст-
зависимыми.
32
33. Pyne A., Thompson R., Leung C., Roy D., Hoogenboom B.W. Single-molecule
reconstruction of oligonucleotide secondary structure by atomic force
microscopy, Small, 2014; 10(16): 3257–3261
33
36. Пептиды активного долголетия и ревитализации
• Модель комплементарного
взаимодействия пептида Ala-
Glu-Asp-Gly с двойной
спиралью ДНК (комплекс ДНК-
пептид на промоторном
участке гена теломеразы).
• Хавинсон В.Х., Анисимов В.Н.
35-летний опыт исследований
пептидной регуляции
старения. Успехи геронтологии,
2009. Т. 22. № 1. С. 11–23.
• Хавинсон В.Х. Пептидная
регуляция старения. – СПб.:
Наука. 2009.
Crick F.H.C. An error in model building. Nature, 1967; 213:798
36
37. Урок 4
• Без подтверждения структуры с помощью
масштабных молекулярных моделей
всяческие гипотетические построения
почти наверняка обречены на провал.
• И выводы могут оказаться ложными.
37
50. Ядерный синтез и происхождение
элементов
• Вскоре после второй мировой войны Георгий
Антонович Гамов (трижды нелауреат
Нобелевской премии) предложил
захватывающую своей красотой модель
нуклеосинтеза, настоящую космическую поэму.
• Поэма начинается с первого крика (Большого
взрыва) нашей Вселенной, когда вся ее материя
сжата в илем — сверхплотный сгусток.
50
51. Ядерный синтез и происхождение
элементов
• Из стихотворения Демьяна
Бедного
«До атомов добрались» (1928)
• СССР зовут страной убийц и
хамов.
Недаром. Вот пример:
советский парень Гамов.
Чего хотите вы от этаких
людей?!
Уже до атома добрался,
лиходей!
Георгий Антонович Гамов (Джордж Гамов, George Gamow;
20.02(04.03)1904 — 19.08.1968)
51
52. CNO-цикл
Ханс Альбрехт Бете (Hans Albrecht Bethe;
02.07.1906 — 06.03.2005)
Карл Фридрих фон Вайцзеккер (Carl
Friedrich von Weizsäcker; 28.06.1912 —
28.04.2007)
52
53. Происхождение углерода
• Исходя из факта высокого содержания углерода во
Вселенной, астрофизик и писатель-фантаст Фред Хойл
предсказал, что для ядерной реакции порождения
углерода из гелия должны существовать очень
специфическая энергия резонанса и спин.
• Более того, Хойл вычислил значения этой энергии (7.68
МэВ), ядерного спина и четности компаунд-состояния в
ядре углерода, образованного тремя альфа-частицами.
• Эти его предсказания вскоре были блестяще
подтверждены экспериментально.
• Это было доказательство от обратного.
Sir Fred Hoyle (24.06.1915 – 20.08.2001)
53
54. • Изменение уровня 12С всего лишь на 5% привело
бы к катастрофе − дальнейший синтез элементов
прекратился бы.
• Особенности протекания реакций ядерного
синтеза привели к важнейшим следствиям:
• благодаря им во Вселенной оказалось
одинаковое число ядер 12С и 160, что создало
благоприятные условия для образования
органических молекул, т.е. жизни.
54
55. Урок 5
• Наука редко отвечает на вопрос
«почему?»,
• чаще только на вопрос «как?».
55
56. Принцип Паули
• Принцип (запрет) Паули — один из фундаментальных
принципов квантовой механики, согласно которому
• два и более тождественных фермиона (частиц с
полуцелым спином) не могут одновременно находиться
в одном квантовом состоянии.
• Принцип Паули помогает объяснить разнообразные
физические явления.
• Следствием принципа является наличие электронных
оболочек в структуре атома, из чего, в свою очередь,
следует разнообразие химических элементов и их
соединений.
56
57. Вольфганг Эрнст Паули (Wolfgang Ernst Pauli;
25.04.1900 — 15.12.1958) — лауреат Нобелевской
премии по физике за 1945 год.
57
59. Правило Хунда
• Определяет порядок заполнения
• орбиталей определённого подслоя и
формулируется следующим образом:
• суммарное значение спинового
квантового числа электронов данного
подслоя должно быть максимальным.
• Сформулировано Фридрихом Хундом в
1925 году.
59
65. Лайнус Карл Полинг (Linus Carl Pauling; 28.02.1901 — 19.08.1994) —
американский химик, кристаллограф, лауреат двух Нобелевских премий: по
химии(1954) и премии мира (1962), а также Международной Ленинской
премии «За укрепление мира между народами» (1970).
65
66. Гибридизация орбиталей
• Гибридизация орбиталей —
гипотетический процесс смешения разных
(s, p, d, f) орбиталей центрального атома
многоатомной молекулы с
возникновением одинаковых орбиталей,
эквивалентных по своим характеристикам.
• Гибридизация орбиталей объясняет
геометрию (пространственную структуру)
молекул.
66
83. Jerry Donohue (12.06.1920 – 13.02.1985)
• – американский физико-
химик и теоретик.
• Подсказал Уотсону и Крику,
какие таутомерные формы
оснований ДНК являются
преобладающими.
• “We are much indebted to Dr.
Jerry Donohue for constant
advice and criticism, especially
on interatomic distances”
(Watson, Crick, 1953)
83
84. Таутомерия
• Таутомери́я (от греч. ταύτίς — тот же
самый и μέρος — мера) — явление
обратимой изомерии, при которой два
или более изомера легко переходят друг в
друга.
• При этом устанавливается таутомерное
равновесие, и вещество одновременно
содержит молекулы всех изомеров
(таутомеров) в определённом
соотношении.
84
90. Урок 7
• Таутомерный и ионизационный
механизмы возникновения замен пар
оснований – идеи, которые трудно
доказать.
• Таутомеры образуют неразделимую
смесь.
• Ионизованные формы также трудно
отделить от неионизованных.
90
100. Мутации вследствие трансмутации
• Трансмутация в физике — превращение
атомов одних химических элементов в
другие в результате радиоактивного
распада их ядер либо ядерных реакций.
• Радиоактивный β-распад изотопа 14С:
100
101. Урок 9
• Никакими силами и никогда мы не
сможем избавиться от радиоактивных
изотопов в природе.
101
107. Взаимное расположение тиминов можно описать
расстоянием d между двойными связями С5-С6 и
торзионным углом η между ними. Димеризуются
только те тимины, которые разворачиваются на 22°
Для образования димера тимина требуется возбуждение УФ-
излучением в течение менее одной пикосекунды (10-15 с)
107
108. Пионер лазерной физики
• Владилен Степанович
Летохов (10.11.1939 —
21.03.2009)
• Автор более 850 статей
и 15 монографий,
наиболее цитируемый
советский ученый во
всех областях науки за
период 1973—
1988 годов.
108
109. Урок 10
• Фотодимеризация тимина – яркая
демонстрация топохимической природы
реакций мутагена с ДНК.
109
110. Спектры поглощения ДНК и озона и спектры
излучения солнца на уровне моря и в стратосфере
110
111. Урок 11
• Озоновый слой в стратосфере
действительно надежно защищает нас от
вредного мутагенно-канцерогенного
действия коротковолнового УФ-излучения.
111
121. Урок 12
• Основной (мажорный) продукт реакции
агента с ДНК далеко не всегда является
основной причиной его мутагенности.
• Чем мягче мутаген, тем больше его
видовая и локусная специфичности.
121
132. Брюс Натан Эймз (Bruce Nathan Ames; р. 16.12.1928) – американский биохимик.
Разработал систему быстрого и дешевого испытания мутагенности соединений,
называемый тестом Эймза.
132
134. Штамм Salmonella typhimurium TA102 с мутацией
hisG428Ochre (TAA) в 207 положении белка и его ревертанты
134
Целевой сайт фланкирован двумя короткими прямым повторами 5’-AGAGC-3’,
что является горячей точкой для возникновения делеций.
ThiAla – тиазолилаланин.
135. Анализ ревертантов His+ у штамма TA102
Мутаген Доля различимых ревертантов, % Общее
количествоHis+ ThiAlaSS His+ ThiAlaS His+ ThiAlaR
Спонтанно 27% 41% 32% 311
4NQO 100% 0% 159
DEO 22% 26% 52% 337
Заключение Ochre-
супрессоры
Замены пар
оснований в
TAA
Малые
делеции
807
135
Ревертантов, индуцированных 4NQO, не дифференцировали по
степени чувствительности к ThiAla
136. 1,3- 1,6- и 1,8-динитропирены
136
У Streptomyces antibioticus они вызывают амплификацию кластера
генов синтеза олеандомицина (Бехтерева Т.А. и др.)
152. Уроки
• 1. Масштабные атомно-молекулярные
модели – эффективный инструмент
обучения и исследований.
• 2. Устанавливая структуру
биомолекулы, желательно
задумываться о ее биологическом
предназначении, о ее биологической
функции.
• 3. Реакции ДНК с различными
агентами являются топохимическими
и/или контекст-зависимыми.
• 4. Без подтверждения структуры с
помощью масштабных молекулярных
моделей всяческие гипотетические
построения почти наверняка обречены
на провал.
• 5. Наука редко отвечает на вопрос
«почему?», чаще только на вопрос
«как?».
• 6. Современная структурная химия
исключительно плодотворно
объясняет и предсказывает геометрию
молекул.
• 7. Таутомерный и ионизационный
механизмы возникновения замен пар
оснований – идеи, которые трудно
доказать.
• 8. «Конформационный» механизм
неправильного спаривания оснований
представляется наболее
правдоподобным.
•
152
153. • 9. Никакими силами и никогда мы
не сможем избавиться от
радиоактивных изотопов в
природе.
• 10. Фотодимеризация тимина –
яркая демонстрация
топохимической природы реакций
мутагена с ДНК.
• 11. Озоновый слой в стратосфере
действительно надежно защищает
нас от вредного мутагенно-
канцерогенного действия
коротковолнового УФ-излучения.
• 12. Основной (мажорный) продукт
реакции агента с ДНК далеко не
всегда является основной
причиной его мутагенности.
• Чем мягче мутаген, тем больше
его видовая и локусная
специфичности.
• 13. Делетогены и амплигены
заслуживают пристального
внимания.
• 14. Анализ и сравнение
мутационных спектров –
продуктивный подход к
выявлению сходства и различий
между мутагенами.
153
156. Слайды свободно доступны
для всех
Никита Николаевич Хромов-Борисов
Nikita.KhromovBorisov@gmail.com
http://independent.academia.edu/NikitaKhromovBorisov
https://www.researchgate.net/profile/Nikita_Khromov-Borisov
http://www.slideshare.net/ssuserb22936
8-952-204-8949
8-921-449-2905