Особенности пространственной организации нуклеиновых кислот

Для оценки возможных структурных конформаций ДНК большое значение имеют теоретические методы и модели. Существует два ряда теоретических методов изучения структуры ДНК: методы построения упрощенных физических моделей, основанные на экспериментальных данных и отражающие совокупность свойств целостной молекулы ДНК, и методы конформационного анализа и квантовой химии.

Физические модели ДНК. В первой группе методов наибольшее значение имеют модель гибкого стержня и модель спираль-клубок.

В обычных полимерных цепях гибкость определяется поворотной изомерией (различающиеся между собой устойчивые конформации, возникающие в результате поворотов вокруг единичных связей). В модели, где ДНК представляется в виде упругого стержня, ее жесткость характеризуется двумя параметрами: жесткостью на изгиб оси и жесткостью кручения. Жесткость на изгиб оси двойной спирали определяет способность ДНК укладываться в вирусных частицах, хромосомах и т. д.

Жесткость на кручение, или торсионная жесткость, ДНК определяется как изменение энергии при отклонении угла между соседними парами осно­ваний от его равновесного значения. При такой жесткости особое значение торсионная гибкость приобретает в случае замкнутых кольцевых молекул ДНК, состоящих из двух взаимно зацепленных однонитевых колец. В обычных условиях угол (36°) между осями пар оснований, соседних по длине двойной спирали ДНК, ис­пытывает отклонение ±5° вследствие тепловых колебаний. В то же время для перехода между разными формами ДНК (В- и С-формы) достаточно изменения этого угла всего на 2,5°. Отсюда следует, что происходят непрерывные переходы из одной конформации в другую. По существу, разные участки одной и той же молекулы ДНК, могут находиться одновременно в разных конформациях.

В модели гибкого стержня изменения конформации ДНК связываются с небольшим изгибом и кручением двойной спирали в каждой паре оснований, которые накапливаются на большой длине. В результате происходит непре­рывное изгибание молекулы ДНК с образованием кольца диаметром около 10,0 нм. Согласно другой точке зрения, укладка двойной спирали при компактизации ДНК может происходить за счет редких изломов на большой угол вследствие нарушения межплоскостных (стекинг) взаимодействий между парами оснований. Наряду с флуктуационными изгибами оси спирали и поворотами соседних пар оснований в ДНК может происходить и раскрытие отдельных пар оснований. Хотя этот процесс идет с очень малой вероятностью, тем не менее он приводит к сильным изменениям конформации и играет определяющую роль в реакциях ДНК с химическими агентами (например, с формальдегидом), которые могут реагировать лишь с раскрытыми нуклеотидами. Эти маловероятные, но значительные изменения структуры учитываются в моделях спираль—клубок, которые будут рассмот­рены ниже. Согласно модели спираль-клубок тепловые флуктуации могут приводить к раскрытию участков внутри спиральной области и переходу пары оснований (А—Т или Г—Ц) из закрытого (спиральное) в открытое (клубкообразное) состояние. При обычных физио­логических температурах в ДНК происходят в основном флуктуационные раскрытия отдельных пар оснований с вероятностями не более 10^-5. Вероят­ности одновременного раскрытия двух и большего числа пар оснований соответственно на один и два порядка меньше.

Конформационный анализ.Важность выявления возможных форм ДНК и физических причин конформационных переходов внутри двухтяжевого состояния очевидна с биологической точки зрения, поскольку в процессе функционирования ДНК может менять свою конформацию вследствие взаимодействия с другими компонентами клетки, прежде всего с белками. Двойная спираль нуклеиновой кислоты, обладая общей жесткостью по длине спирали, представляет собой вместе с тем своего рода шарнирное устройство с ограниченным числом вращательных степеней свободы вокруг единичных химических связей. Общая геометрия спиральной молекулы описывается пятью параметрами, из которых наиболее важные: спиральное вращение τ—угол поворота между соседними парами и D—расстояние пары от оси спирали.

Основная причина всех этих различий, связана с альтернативной геомет­рией сахарного кольца у форм В- и А-семейств. С помощью рентгеноструктурного анализа установлено, что пятичленное кольцо рибозы и дезоксирибозы не является абсолютно плоским. Обычно либо атом С2, либо атом СЗ выходят из плоскости других четырех атомов кольца. Если данный атом выдвинут в сторону 5'-углерода и расположен выше кольца, т. е. находится от него со стороны основания, то кольцо обладает эндоконформацией. Если атом лежит ниже кольца, то получается экзоконформация. При изменении геометрии сахара с С2'-эндо (СЗ'-экзо) к С-З'-эндо резко меняется расположение в про­странстве выходящих из кольца связей, что и соответствует переходу от В- к А-формам. Атом С₂ и С₃ могут отклоняться из плоскости кольца на 0,03-0,06 нм. Такие небольшие конформационные перестройки сахарного кольца вызывают изменение угла и ориентацию азотистых оснований по отношению к оси спирали.