ДНК как двойная спираль

Пары оснований и комплементарность

ДНК – в основном двухцепочечное образование, и ее вторичная и третичная структуры являются результатом спаривания оснований. В этом образовании основания одной цепи взаимодействуют с основаниями другой цепи. Аденин (А) на одной цепи всегда взаимодействуют с тимином (Т) на другой цепи, а гуанин (G) всегда взаимодействует с цитозином (С). Основания А и G относятся к пуриновым, поскольку в основе обоих лежит двойное пуриновое кольцо. Основания С и Т относятся к пиримидинам, так как в их основе находится одинарное пиримидиновое кольцо. Таким образом, каждая пара оснований состоит из одного «широкого» и одного «узкого» основания и поэтому, хотя сами основания отличаются по размеру, пары оснований имеют одинаковую ширину (рис. 3.4).

а) б)

Рис. 3.4. а). Размер пары A-T, соединенной двумя водородными связями (синим цветом), такой же, как у пары G-C с ее тремя водородными связями. б) Комплементарность уотсон-криковских пар оснований, A-T и G-C делает возможным формирование регулярной двойной спирали

Важное стереохимическое свойство, которое в свое время способствовало открытию двойной спирали, заключается в том, что размер пары A-T, соединенной двумя водородными связями, такой же, как у пары G-C с ее тремя водородными связями. Поэтому обе пары могут образовывать одну регулярную двуспиральную структуру (рис. 3.4 б). Отметим, что если одна цепь имеет А, то другая будет иметь партнером Т, и наоборот, у G всегда партнером будет С. Такие пары называются комплементарными. Таким образом, если мы знаем последовательность оснований в одной цепи ДНК, то мы всегда можем предсказать последовательность другой. Такие взаимно выводимые последовательности принято называть комплементарными.

Напомним, что Уотсон и Крик, выдвигая модель ДНК, не располагали собственными рентгеновскими экспериментальными данными, а использовали дифракционные данные, полученные Франклин и Гослингом на частично упорядоченных волокнах ДНК (рис. 3.5 a). Эти данные были структурно достаточно скудными, и из них надежно можно было определить только диаметр и шаг спирали. Однако, гениальность догадки Уотсона и Крика о комплементарности оснований, соединенная с экспериментальными данными о диаметре и шаге спирали, привела их к знаменитой двойной спирали ДНК (рис. 3.5 б), впоследствии получившей их имя.

Рис. 3.5. а) Дифракция В-формы ДНК в рентгеновских лучах (Фотография №51). Рисунки скопированы из оригинальных работ Уотсона и Крика (1953) и Франклин и Гослинга (1953). б) Схематическое изображение двух спаренных цепей ДНК в виде двух лент. Горизонтальные черточки, обозначают пары оснований нуклеотидов, удерживающих цепи вместе. Вертикальная линия обозначает ось молекулы ДНК

В спирали Уотсона-Крика две полинуклеотидные цепи закручены вокруг одной оси, и, следовательно, друг относительно друга. Поскольку в процессе репликации полинуклеотидные цепи расходятся и связываются с новыми, дочерними цепями, исходная родительская ДНК должна раскручиваться. Раскручивание такой гигантской молекулы (например, длина ДНК в мушке Дрозофила составляет около 119 миллионов пар нуклеотидов) требует многократного вращения. К тому же в хроматине, где происходит репликация, ДНК плотно упакована. Совершенно невозможно представить себе как этот процесс может происходить в клетке при расплетании ДНК по всей длине. Поэтому вполне оправданным на том этапе наших знаний о ДНК можно считать появление вопроса: «Можно ли представить себе комплекс из двух цепей ДНК, в котором основания образуют уотсон-криковские пары, но цепи при этом не перекручиваются и удовлетворяют экспериментальным рентгенограммам, полученным на волокнах ДНК»? К ответу на этот вопрос мы вернемся в Лекции 48, посвященной рассеянию на палочкообразных частицах, ориентированных только в двух направлениях. Примером такой структурной организации является стопка карандашей, зажатая в руке, но не «стукнутая» для выравнивания положения концов о твердую плоскую поверхность. Кроме того, мы обсудим эту проблему в Лекции 51, посвященной рентгеноструктурному анализу, поскольку именно этим методом были получены решающие доказательства в пользу справедливости модели Уотсона-Крика.

Стэкинг взаимодействие

Основания в цепи ДНК лежат друг над другом в стопке, что обеспечивает дополнительную стабилизацию цепи – стэкинг взаимодействие, т.е. межплоскостное взаимодействие между плоскими ароматическими соединениями. Интенсивность стэкинг взаимодействия между пуриновыми и пиримидиновыми основаниями уменьшается в следующем порядке: пурин-пурин > пиримидин-пурин > пиримидин-пиримидин. В олиго- и полинуклеотидах стэкинг между соседними основаниями приводит к формированию стабильной одноцепочечной спиральной структуры (polyA) а отсутствие стэкинга к разупорядоченному клубку (polyU). Энергия стэкинг взаимодействий ~ 3 - 15 ккал/моль.

Формы ДНК

Конформация ДНК сильно зависит от влажности среды и концентрации соли. Когда катионы не нарушают гидратную оболочку ДНК (около 20 молекул воды на нуклеотид), ДНК находится в В-форме. В ней на виток приходится 10 пар оснований, шаг спирали составляет 34 Å. По мере уменьшения относительной влажности в пленке или в волокне или при увеличении концентрации соли в растворе наблюдается структурный переход ДНК из В-формы в С-форму или А-форму в зависимости от природы присутствующего противоиона. При этом ДНК остается правозакрученной. В А-форме ДНК на виток приходится 11 пар оснований, шаг спирали составляет 28 Å. В С-форме ДНК на три витка приходится 9 пар оснований, шаг спирали равен 31 Å.

Рис. 3.8. Различные структуры ДНК и соответствующие им дифракционные картины. Закрученная вправо A-ДНК переходит в B-ДНК при повышении влажности с 75% до 92%; Z-ДНК представляет собой закрученную влево спираль, наблюдаемую у поли-GC последовательностей при высоких концентрациях соли

ДНК обладает большим богатством структурных форм. Кроме А- В- и С-форм ДНК существует D-, E-, и Z-формы ДНК. В них повторяется определенный олигонуклеотидный мотив (поли-GC), причем Z-форма ДНК представляет собой не правую, а левую двойную спираль с 12 парами на виток и шагом 43 Å (рис. 3.8).