Михаил Виленчик: Биологические основы старения и долголетия

Забегая вперед, подчеркну: изменения ДНК не единственный механизм старения. Изменения структуры и функции мембран клеток, ее белоксинтезирующего аппарата и систем энергообеспечения, нарушения гомеостаза организма на различных уровнях — вот другие биологические основы снижения жизнеспособности организма с возрастом, причины увеличения его предрасположенности к ряду заболеваний. Эти изменения мы также будем внимательно рассматривать, хотя и не так подробно, как изменения ДНК.

Не каждому читателю будет просто понять суть недавно открытых свойств ДНК, возрастных изменений ее структуры и функций, роль этих изменений в снижении и нарушении функций клеток и организма. Чтобы облегчить читателю-небиологу понимание такой информации, вкратце напомню о структуре и функции "самой главной молекулы".

ДНК построена из звеньев четырех типов: (Т) тиминового, (А) аденинового, (Г) гуанинового и (Ц) цитозинового (см. рис. 1, а). В последовательности расположения этих звеньев и закодирована генетическая информация. Причем пуриновые (А и Г) и пиримидиновые (Т и Ц) основания составляют две полимерные цепочки (нити) ДНК, и последовательность звеньев каждой из этих цепей однозначно определяется последовательностью звеньев в цепи-"партнерше" согласно принципу комплементарности, т. е. против А или Т в одной цепи в другой расположены соответственно Т или А, а против Г или Ц — соответственно Ц или Г.

Рис. 1.Схема развития спонтанного (теплового) повреждения ДНК в клетке.

Обозначения:А, Г, Т, Ц— основания ДНК, соответственно аденин, гуанин (пуриновые основания), тимин и цитозин (пиримидиновые основания). Вертикальные линии — сахарофосфатный остов, горизонтальные — связи оснований с сахаром и друг с другом: а — нормальная (нативная) ДНК; б — ДНК, из которой произошло выщепление одного из оснований; в — ДНК, содержащая разрыв фосфодиэфирной связи; г — присоединение молекулы белка или другой молекулы, содержащейся в ядре, к поврежденному участку ДНК

Взаимодействие между этими комплементарными парами оснований определяется гораздо более слабыми связями, чем те ковалентные, которые объединяют отдельные звенья каждой полимерной цепи. Это существенное свойство ДНК, так как позволяет ей изменять характер взаимного расположения ее цепей (ее конформацию, вторичную структуру) без разрушения самих цепей (первичной структуры ДНК — хранилища генетической информации). Ведь чтобы произошло удвоение генетического вещества (редупликация ДНК) в материнской клетке, делящейся на 2, каждая из двух цепей должна стать матрицей, на которой синтезируется комплементарная ей цепь. (Отсюда и второе название процесса синтеза ДНК — репликация.) Очевидно, что это может осуществляться лишь в том случае, если в месте редупликации материнской ДНК, ее комплементарные цепи разойдутся.

Таким образом, каждый ген — своего рода молекулярная лестница, перекладинами которой служат пары нуклеотидов АТ и ГЦ. Остов же этой лестницы составляют остатки молекулы дезоксирибозы и фосфорной кислоты, причем нуклеотиды присоединены к остову посредством ковалентной связи между азотами колец А, Т, Г или Ц и определенным атомом дезоксирибозы. Эта связь называется гликозильной (старое название, нередко еще встречающееся даже в специальных работах, — гликозидная связь). Запомнить название этой связи нужно обязательно хотя бы потому, что именно эта связь оказывается слабым местом в первичной структуре ДНК, и поэтому разрыв ее может быть одной из молекулярных основ старения всего организма и увеличения его предрасположенности к некоторым тяжелым заболеваниям.

ДНК организована не только в форме лестницы, эта лестница еще и завита в правую спираль. Такова структура знаменитой двойной спирали, открытой Уотсоном и Криком в 1953 году. Считается общепринятым, что в живой клетке ДНК, как правило, находится именно в такой (канонической) конформации.

Структура двойной спирали ДНК, находящейся в В-форме, организована согласно принципу "золотого сечения". Так шаг спирали ДНК равен 33,8 Å, а ее диаметр 21,1 Å, и, следовательно, диаметр составляет приблизительно 0,62 величины шага. Как известно, нахождение "золотого сечения" отрезка длиной "а" сводится к решению уравнения