Биологическая химия - часть 26

Рис. 3.1. Схематическое изображение двойной спирали ДНК.
а - по Уотсону и Крику: с - остаток дезоксирибозы, р - остаток фосфорной кислоты; б - А-фор-

ма ДНК; в - В-форма ДНК.

в целом, способствующие образованию весьма компактной структуры

и стабилизации всей молекулы *.

Обе цепи в молекуле ДНК имеют противоположную полярность. Это

означает, что межнуклеотидная связь в одной цепи имеет направление

5'–>3', а в другой – 3'–>5'. Подобная направленность цепей имеет важное

биологическое значение при репликации и транскрипции молекулы ДНК.

* Данные, полученные в последние годы, свидетельствуют, что в стабилизации биспи-

ральной структуры основную роль играют гидрофобные взаимодействия между компле-

ментарными основаниями, стыкующимися в центре двойной спирали. Водородные связи,

вероятнее всего, обеспечивают специфичность спаривания оснований.

109

Тимин

Аденин

Антипараллельные цепи

Цитозин

Гуанин

3,4 нм

1,8 нм

а

2,8 нм

1,4 нм

1,8 нм

б

3,4 нм

1,3 нм

1,7 нм

в

70°

90°

0,28 нм

0,30 нм

0,29 нм

0,30 нм

0,29 нм

На модели ДНК (см. рис. 3.1) видно, что расстояние между витками

(шаг спирали) равно 3,4 нм. На этом участке укладываются 10 нуклеотид-

ных остатков, размер одного нуклеотида составляет 0,34 нм; диаметр

биспиральной молекулы равен 1,8 нм.

Необходимо указать, что конфигурация двойной спирали ДНК сильно

меняется в зависимости от количественного содержания воды и ионной

силы окружающей среды. Методами рентгеноструктурного анализа дока-

зано существование по крайней мере 6 форм ДНК, названных А-, В-, С-, D-,

Е- и Z-формами. Конфигурация двух из них в простейшей форме представ-

лена на рис. 3.1, б и в. Можно увидеть, что у А-формы наблюдается

некоторое смещение пар оснований от оси молекулы к периферии, что

отражается на размерах (2,8 нм – длина одного витка, в котором вместо 10

содержится 11 мононуклеотидов; меняется расстояние между нуклеотидами

и др.). Если А- и В-формы представляют собой правозакрученную двойную

спираль, то Z-форма (зигзагообразная) ДНК имеет левозакрученную кон-

фигурацию, в которой фосфодиэфирный остов располагается зигзагообраз-

но вдоль оси молекулы. Параллельно фосфодиэфирному остову в структуре

А- и В-форм ДНК имеются  б о л ь ш а я и  м а л а я  б о р о з д к и (желобки) –

сайты, где присоединяются белки, выполняющие, очевидно, регуляторные

функции при экспрессии генов. В настоящее время есть основание считать,

что между А- и В-формами ДНК осуществляются взаимные переходы при

изменении концентрации соли и степени гидратации. В-форма ДНК больше

всего подходит к модели Уотсона и Крика. В этих переходах, которые

могут быть вызваны растворителями или белками, очевидно, заключен

определенный биологический смысл. Предполагают, что в А-форме ДНК

выполняет роль матрицы в процессе транскрипции (синтез РНК на моле-

куле ДНК), а в В-форме – роль матрицы в процессе репликации (синтез

ДНК на молекуле ДНК).

В структуре ДНК, как и в структуре РНК, открыты нуклеотидные

последовательности, получившие название «палиндромы», или перевер-

нутые повторы. Они встречаются как внутри одной цепи, так и в двойной

спирали. Например, как слово ротатор, которое одинаково читается как

справа налево, так и обратно. Подобные обратные повторы могут служить

основой для образования структуры шпилек или других вариаций с изме-

ненным внутрицепочечным и межцепочечным спариванием и формирова-

нием на отдельных участках  т р о й н о й  с п и р а л и . Возможно, эти палинд-

ромные структуры имеют определенный биологический смысл в регуляции

экспрессии отдельных генов, выполняя роль сайтов для ДНК-связывающих

белков. Предстоит, однако, приложить немало усилий для установления как

точной структуры этих вариаций, так и для определения их функциональной

роли.

Менее охарактеризована вторичная структура матричных и рибосомных

РНК. Относительно вторичной структуры тРНК наиболее вероятной пред-

ставляется модель, предложенная Р. Холли, плоское изображение которой

напоминает клеверный лист (см. рис. 14.3). В настоящее время, когда

известна первичная структура большинства тРНК, последовательность всех

или почти всех природных тРНК как будто бы укладывается в эту схему

«клеверного листа» (см. главу 14). При сравнении этих структур выявляется

ряд закономерностей, несомненно, имеющих определенный биологический

смысл. Во всех тРНК есть участки, взаимодействующие с рибосомами,

места для связывания с аминокислотами и ферментами, а также специфи-

ческая последовательность трех нуклеотидов (триплет), называемая анти-

кодоном, которая оказывается комплементарной тринуклеотидной после-

110

довательности мРНК (кодону), кодирующей включение в белковую моле-

кулу определенной аминокислоты.

Независимо от типа РНК синтезированный в клетке продукт транскрип-

ции (см. главу 13) всегда представлен единственной цепью, упакованной во

вторичную структуру не случайно, а в соответствии с программой ДНК.

Поскольку в составе РНК имеются свободные 2'-оксигруппы рибозы, не

связанные со стандартным крик-уотсоновским спариванием азотистых

оснований, появляются дополнительные возможности образования вто-

ричной и третичной структур, содержащих выпуклости, шпильки, или

крестообразные структуры. Особенности структуры тРНК имеют прямое

отношение к процессу трансляции, поэтому более подробно они рассмот-

рены в разделе биосинтеза белка (глава 14).

Третичная структура нуклеиновых кислот

Выделить нативную молекулу ДНК (рис. 3.2) из большинства источников,

в частности хромосом, чрезвычайно трудно из-за высокой чувствительности

молекулы ДНК к нуклеазам тканей и гидродинамической деструкции *.

Удалось выделить в интактном (неповрежденном) виде только неко-

торые ДНК вирусов, митохондрий и хлоропластов. Исследования этих

молекул при помощи физических (в частности, кристаллографических)

и физико-химических методов показали, что двойная спираль ДНК на

некоторых участках может подвергаться дальнейшей спирализации с об-

разованием суперспирали или открытой кольцевой формы. Оказалось

также, что линейная ДНК может образоваться из кольцевой формы или

существовать как таковая в природе. В некоторых вирусах обнаружены,

кроме того, одноцепочечные ДНК линейной и кольцевой форм (рис. 3.3).

Образование кольцевой формы молекулы ДНК у бактерий или в ми-

тохондриях клеток животных часто вызвано ковалентным соединением их

открытых концов. Известно, что суперспиральная (суперскрученная) струк-

тура обеспечивает экономную упаковку огромной молекулы ДНК в хро-

мосоме: вместо 8 см длины, которую она могла бы иметь в вытянутой

форме, в хромосоме человека молекула ДНК настолько плотно упакована,

что ее длина составляет 5 нм. Обычно в ДНК встречаются положительные

и отрицательные супервитки, образованные за счет скручивания по часовой

(правосторонней) или против часовой стрелки двойной спирали. Образо-

вание подобных супервитков катализируется специфическими ферментами,

получившими название топоизомераз. Подобные суперспирали соединяют-

ся с белками (гистонами), упакованными в бороздках, обеспечивая тем

самым стабильность третичной структуры ДНК. Степень суперспираль-

ности (наличие супервитков) молекулы ДНК обычно устанавливают по

изменению константы седиментации в определенных условиях. Суперспи-

рализация ДНК может быть нарушена разрывом в одной из цепей или

в обеих цепях двойной спирали под действием ДНКазы или при обработке

интеркалирующими соединениями. Под интеркаляцией подразумевают

встраивание плоских ароматических колец между стопками пар азотистых

оснований ДНК. Интеркаляция может быть вызвана антибиотиками и кра-

* Разработан щадящий метод выделения нативной молекулы ДНК с использованием

протеиназы К и ДСН. Выделенный из клеток почек обезьяны препарат ДНК имел необычно

высокую мол. массу – 2•10

8

, однако даже в этом случае молекулярная масса на несколько

порядков меньше, чем мол. масса ДНК in vivo, исчисляемая 10

1 0

–10

1 1

.

111

Рис. 3.2. Модель молекулы ДНК.

Рис. 3.3. Третичная структура ДНК
(схема).

1 - линейная одноцепочечная ДНК - бак-

териофаг φХ174 и другие вирусы; 2 - коль-

цевая одноцепочечная ДНК вирусов и

митохондрий; 3 - кольцевая двойная спи-

раль ДНК.

Рис. 3.4. Третичная структура РНК в
растворе в зависимости от ионной

силы, температуры и рН среды (схе-
ма) (по А.С. Спирину и Л.П. Гаври-
ловой).

а - компактная палочка, б - компактный

клубок; в - развернутая цепь.

1

2

3

в

а

б