Учебное пособие Издание третье, стереотипное

Влияние металлов на ДНК

Тяжелые металлы, в том числе находящиеся в четвертой группе Периодической системы, выполняют ряд функций в организме, его клетках, одной из которых является поддержание конформации биомолекул, например ДНК.
Хорошо известно, что дезоксирибонуклеиновая кислота в организме выполняет функцию носителя генетической информации. В первую очередь в ней, ее генах (совокупность нуклеотидов) закодированы структуры белков, но имеются и так называемые функциональные гены. Состоит молекула ДНК из гетероциклических азотистых оснований (пуриновых, пиримидиновых), соединенных с сахаром (дезоксирибозой), и эти фрагменты — нуклеози- ды связаны между собой остатками фосфорной кислоты с образованием протяженных цепей, закрученных в виде двойной спирали.
Двойная спираль ДНК представляет собой полианион с высокой плотностью отрицательного заряда и поэтому способна взаимодействовать с катионами металлов, ее поддерживающих и тем самым определяющих ее макроструктуру и свойства. Но ионы металлов не только формируют третичную структуру ДНК, но и определяют равновесие между различными ее формами (переход спираль- клубок), участвуют в процессах биосинтеза, а также мутагенеза и канцерогенеза. Очевидно, что эти функции металлов определяются их природой. Здесь одни играют положительную, а другие — отрицательную роль, в частности заменяя первые в структуре комплекса с ДНК.
Местами связывания ионов металлов в молекуле ДНК являются атомы азота пуриновых и пиримидиновых оснований и кислорода их кетогрупп, анионы фосфорного остатка, а также гидроксильные группы сахара. По способности образовывать координационные связи в данном случае с азотистыми основаниями нуклеотидов дву зарядные катионы металлов располагаются в следующий ряд (Эйхгорн):
Си > Cd > Pb > Zn > Mn > Со > Ni > Fe > Са > Mg
Катионы многих металлов по механизму биологического действия, в данном случае на ДНК, подчиняются следующей закономерности, характерной, например, для меди: стабилизация при низких концентрациях (за счет взаимодействия с фосфатными группами) и дестабилизация при высоких (за счет взаимодействия с азотистыми основаниями и разрушения их водородных связей, стабилизирующих третичную структуру). Такую же закономерность в отношении ДНК проявляют серебро, железо, цинк, свинец и ртуть.
При относительно высоком содержании (10~⁵ М и выше) ионы металлов могут вмешиваться в процессы:

1. 
   репликации ДНК, удерживая две цепи вместе и тем самым препятствуя их расплетанию;
   
2. 
   считывания (репликация, транскрипция), соединяя два удаленных участка вместе, что несвойственно нативной структуре;
   
3. 
   транскрипции, связывая нужный (магний) или посторонний (марганец) нуклеотид в комплекс с ДНК- полимеразой и полифосфатом (подобное наблюдается и в процессе трансляции при связывании тРНК и мРНК);
   
4. 
   вызывая появление нарушений и разрывов (кадмий, никель), что приводит к мутациям и канцерогенезу. Например, механизм токсического действия свинца вызван связыванием его с ДНК посредством фосфатных групп и нуклеозидов (цитидин).
   

***
В заключение этой главы обратим внимание на весьма важный вопрос о принципах отбора живои природой химических элементов, необходимых для организма. Несмотря на закон Вернадского, их распространенность в природе часто не является решающим фактором. Выше отмечались «пик железа» у высших животных и «пик магния» у растений. Причем здоровый организм сам способен регулировать содержание отдельных элементов. При наличии выбора пищи и воды животные инстинктивно могут вносить лепту в это регулирование. Возможности растений в данном случае ограничены. Поэтому сознательное регулирование человеком содержания микроэлементов в почве сельскохозяйственных угодий — одна из важных задач, стоящих перед исследователями.