Физическая энциклопедия Том 4 - Порохов А.М.
Скачать (прямая ссылка):
Вторичная структура ДНК. Оси. принцип образования вторичных структур полинуклеотидов — т. н. комплементарное спаривание азотистых оснований.
Оно приводит к образованию двойных и тройных винтовых структур (спиралей), стабилизируемых водородными связями между азотистыми основаниями разных цепей и межплоскостиыми взаимодействиями азотистых оснований. Осн. вторичная структура ДНК (В-форма), представляющая собой правую двойную спираль, предложена в 1953 Дж. Уотсоиом (J. Watson) и Ф. Криком (F. Crick). В этой структуре две комплементарные цепочки антипараллельны. Против каждого А одион цепи расположен T другой, против G расположен С (в дву-иитевой РНК А спаривается с U). При этом образуются энергетически выгодные водородные связи: 2 в A T-паре и 3 в GC-паре; расстояние между точками присоединения оснований к сахарам оказывается одинаковым для AT-Vi GC-пар (рис. 4). Сахарофосфатпые цепи образуют при этом гладкие винтовые линии. Плоскости оснований в ?-форме ДНК составляют с осью двойной спирали прямой угол. На виток двойной спирали приходится в натриевой соли ДНК при высокой влажности 10 пар оснований. Расстояние между плоскостями соседних пар оснований составляет 3,4 А, что оптимально для межплоскостиых вэаимодействий, вносящих наиб, эиергетич. вклад в стабильность двойной спирали. В растворе иа виток двойной спирали в В -форме приходится 10,5 пары оснований. Диаметр двойной спирали равен примерно 22 A. B-форма характерна для натриевой соли ДНК. При изменении внеш. условий ^темп-ры, ионного состава среды) параметры двойной спирали в B-форме изменяются, поэтому следует говорить о В-семействе структур. К этому семейству относится и литиевая соль ДНК, т. и. С-форма, в к-рой иа виток двойной спирали приходится 9,3 пары оснований, плоскость оснований отклонена на 6° от плоскости, перпендикулярной к оси спирали.
В натриевой соли ДНК при относит, влажности ниже 75% происходит кооперативный резкий переход ДНК из В- в А -форму. А -форма (точнее Л-семейство форм) — это также правая двойная спираль, ио с др. параметрами, чем у -формы. Плоскости оснований сильно отклонены от плоскости, перпендикулярной к оси спирали, а сами пары комплементарных оснований смещены от оси двойной спирали к её периферии, поэтому при наблюдении вдоль оси молекула в А -форме представляется полой трубкой. РНК существует только в А -форме, нак и гибриды ДНК — РНК. Характерная для двуиитевой РНК структура содержит 11 пар оснований иа виток двойной спирали, а отклонение плоскости оснований от плоскости, перпендииуляриой к оси, составляет Ю—14°. 5-форма — оси. структура ДНК в живой клетке, ДНК может существовать и в др. форме, в виде Z-спирали. Реитге-иоструктуриый анализ позволил, как и в случае белков, установить с высоким разрешением пространств, структуры полинуклеотидов с разл. последовательностями нуклеотидов. Z-форма ДНК, получившая своё иазв. в свяаи с аигзагообразиым строением сахарофосфатиого остова, представляет собой левую двойную спираль с периодом 44,6 А, содержащую 12 пар оснований на виток и образованную аитипараллельиыми полииуклеотидными цепями, спаренными по правилам комплемеитариости. Повторяющимся звеном в ней является ие одна пара нуклеотидов, а две. Наиб, легко в Z-форму переходят регулярно чередующиеся последовательности пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов. В физиологич. услови»х Z-форма в линейных ДНК ие наблюдалась. Однако в кольцевых молекулах ДНК может происходить переход отд. участков молекулы в Z-форму. На рис. 5 приведены объёмные модели ДНК в В- н Z-формах.
23
ПОЛИМЕРЫ
ПОЛИМЕРЫ
Рис. 4. Уотсон-криковские пары оснований (жврньш пунктиром обозначены водородные связи).
Двойная спираль ДНК в 5-форме является сравнительно жёсткой молекулой. Её макромолекул я рные свойства в растворе хорошо описываются моделью гибкого упругого стержня, совершающего тепловое движение. Изгибная жёсткость ДНК в Л-форме больше, чем в 5-форме, причем она анизотропна: молекула в каждой точке легче изгибается в направлении желобов двойной спирали, чем в перпендикулярном направленин.
Вторичная н третичная структуры РНК. Молекулы РНК встречаются преим. в виде одиночных нитей, в к-рых образуются двунитевые шпильки за счёт спаривания оснований комплементарных участков ннти. Однонитевые участки могут образовывать водородные связи с др. однонитевыми участками, определяя третичную структуру молекулы. Третичная структура хорошо изучена для молекулы тРНК; если по вторичной структуре тРНК напоминает клеверный лист, то в пространстве она принимает форму буквы Г. Вторичная структура фенилаланинов ой тРНК, близкая к Л-форме, содержит 20 пар оснований, между к-рымн образованы 52 водородные связи. Третичная структура содержит ещё иеск. дес. таких связей с участием азотистых оснований н сахарофосфатных цепей. Все виды тРНК имеют сходную третичную структуру.
Третичная структура ДНК. В вирусных частицах ДНК компактно упакована, однако данные о виде этой упаковин отсутствуют. Лучше известна упаковка ДНК в хромосомах эунарнотнч. клеток (см. Клеточные структуры). ДНК вирусов, бактериофагов, плазмид и бактерий обычно представляют собой кольца, образованные замкнутыми двойными спиралями (каждая нз нитей замкнута иа себя). Хромосомная ДНК в эукариотич. клетках также образует петли, топологически эквивалентные замкнутым кольцам. Кольцевая ДНК обычно сверхспнрализована н образует пространств, сверхвиткн, к-рые также можно рассматривать как элементы третичной структуры ДНК. В разл. условиях н в зависимости от последовательности нуклеотидов, ДНК может образовывать и <w др. виды вторичной и третичной структур (параллель-ные спирали, тройные и четвертные спирали и дрО*
