Вторичная структура ДНК

 

В 1953 году американский генетик Джеймс Уотсон и английский физик Френсис Крик как результат своих работ в Кембриджском университете (Англия) предложили трехмерную модель двойной спирали ДНК. Их модель была основана на данных рентгеноструктурного анализа ДНК и объясняла характерную для ДНК парность оснований. Модель состоит из двух цепей ДНК, закрученных в спираль вправо вокруг одной и той же оси с образованием двойной спирали. Две цепи в этой спирали антипараллельны, т.е. их 5¢, 3¢ - межнуклеотидные фосфороэфирные мостики направлены в противоположные стороны

5¢ 3’

 

 

3¢ 5’

Гидрофильные остовы цепей, состоящие из чередующихся остатков дезоксирибозы и отрицательно заряженных фосфатных групп, расположены на внешней стороне двойной спирали и обращены в сторону окружающей ее воды. Гидрофобные пуриновые и пиримидиновые основания обеих цепей уложены стопкой внутри двойной спирали, так что практически плоские молекулы оснований сближены между собой и расположены перпендикулярно длинной оси двойной спирали. Пространственное взаиморасположение цепей приводят к возникновению большой и малой бороздок. Основания одной цепи спарены с находящимися в той же плоскости основаниями другой цепи, т.е. две цепи в молекуле ДНК стабилизированы водородными связями: между А и Т возникают две водородные связи (А = Т), а между Г и Ц три водородные связи (Г = Ц).

С помощью данных рентгеноструктурного анализа установлено, что:

1. Молекула ДНК имеет постоянный диаметр 2 нм (1 нм =10^-9м)

молекула пурина 1,2 нм

молекула пиримидина 0,8 нм

1,2 + 0,8 = 2 нм

Количество пуриновых оснований равно количеству пиримидиновых оснований.

2. Основания уложенных стопкой внутри двойной спирали ДНК и располагаются на расстояниях 0,34 нм друг от друга.

3. На каждый полный оборот двойной спирали приходится 10 пар оснований. Следовательно, молекула ДНК имеет периодичность в структуре равную 3,4 нм.

Стабилизация двойной спирали происходит:

1. за счет водородных связей между комплементарными основаниями

А = Т, Г = Ц.

2. за счет гидрофобных взаимодействий между основаниями, благодаря чему основания оказываются спрятанными внутрь двойной спирали и защищены от соприкосновения с водой.

Таким образом, вторичная структура ДНК представляет собой свернутые в спираль две комплементарно взаимодействующие и антипараллельные полинуклеотидные цепи. Образование вторичной структуры нуклеиновых кислот возможно вследствие проявления эффектов комплементарности и стэкинг-взаимодействий.

Комплементарность - последовательность нуклеотидов в одной цепи автоматически определяет строго соответствующую ей последовательность нуклеотидов в КОМПЛЕМЕНТАРНОЙ ей цепи. Так, азотистое основание Аденин (А) всегда взаимодействует только с комплементарным ему азотистым основанием Тимин (Т) в молекулах ДНК. Одновременно азотистое основание Гуанин (Г) одной цепи взаимодействует только с комплементарным азотистым основанием Цитозин (Ц) другой цепи (как в ДНК, так и в РНК). Комплементарность оснований обеспечивается системой водородных связей. В молекулах РНК, имеющих, в основном, однонитевую структуру, на отдельных участках, азотистые основания А взаимодействуют с комплементарными им азотистыми основаниями Урацил (У).

Аналогично происходит взаимодействие в процессах транскрипции, когда на матрице ДНК синтезируется молекула РНК (матричная, транспортная и т.д.), и наоборот, когда при участии РЕВЕРС-ТРАНСКРИПТАЗЫ происходит синтез кДНК на матрице РНК.

Стэкинг-взаимодействия- особого рода (Ван-дер-Ваальсовы) взаимодействия между выложенными в стопку (как монеты) друг над другом азотистыми основаниями.

Имеются А, В, С и Z-формы ДНК, отличающиеся диаметром и шагом спирали, числом пар оснований в витке, углом наклона плоскости азотистых оснований по отношению к оси молекулы (рис. 1).

В форме В, описанной моделью Дж.Уотсона и Ф.Крика, на 1 виток спирали приходится 10 пар оснований, шаг спирали 3,4 нм, диаметр 1,8 нм, угол наклона к оси 0º. Форма В, по-видимому, благоприятна для процесса репликации. В форме А на 1 виток приходится 11 пар оснований, шаг спирали 2,8 нм, угол наклона плоскости оснований к оси составляет 20º. Форма А является предпочтительной для процессов транскрипции. Форма С, выявленная у ряда вирусов и в составе надмолекулярных структур хроматина, имеет 9,3 пары оснований в витке с углом наклона 5º. Z-форма ДНК – наименее скрученная (12 пар оснований на виток). Она представляет собой левозакрученную двойную спираль, в которой фосфоэфирный остов расположен зигзагообразно вдоль оси. Z-форма обладает только одной бороздкой. Z-форма возникает, как правило, при высоких концентрациях солей, спермина, спермидина, при метилировании остатков дезоксицитидина, при высоком содержании отрицательных супервитков в молекуле ДНК, может участвовать в регуляции экспрессии генов. Описанные формы ДНК способны к взаимно обратимым переходам в зависимости от условий среды.

Рис. 1 Вторичная структура ДНК

 

В желобах вдоль всей молекулы ДНК располагаются белки: гистоны, негистоновые. Гистоны – это небольшие щелочные белки. Преобладают в хроматине соматических клеток эукариот. В них преобладают аминокислоты аргинин, лизин (до

25 %), имеющие положительный заряд на радикале. Существует 5 основных фракций гистонов Н1, Н2А, Н2В, Н3, Н4. Они отличаются содержанием аргинина и лизина.

Радикалы аминокислот, входящих в состав гистонов, могут быть метилированы, фосфорилированы или ацетилированы.

Так как гистоновые белки положительно заряжены, а ДНК имеет отрицательный заряд (из-за остатков фосфорной кислоты), то образуется ДНК-гистоновый комплекс. Гистоны образуют с молекулами ДНК прочные электростатические связи.

Негистоновые белки – это кислые белки, в них много глутаминовой и аспарагиновой аминокислот. Белки находятся в большой и малой бороздке молекулы ДНК.