Вторичная структура нуклеиновых кислот

В 1953 г. Уотсон и Крик, опираясь на известные данные о конформаци нуклеозидных остатков, о характере межнуклеотидной связи в ДНК и закономерности нуклеотидного состава ДНК (правила Чаргаффа), расшифровали рентгенограммы паракристаллической формы ДНК (так называемой В-формы, образующейся при влажности выше 80% и при высокой концентрации противоионов (Li+) в образце). Согласно их модели, молекула ДНК представляет собой правильную спираль, образованную двумя полидезоксирибонуклеотидными цепями, закрученными относительно друг друга и вокруг общей оси. Диаметр спирали практически постоянен вдоль всей ее длины и равен 1,8 нм (18 Å).

Макромолекулярная структура ДНК.

· (а) — Модель Уотсона — Крика;

· (б) — параметры спиралей В-, С- и Т-форм ДНК (проекции перпендикулярно оси спирали);

· (в) — поперечный разрез спирали ДНК в В-форме (заштрихованные прямоугольники изображают пары оснований);

· (г) — параметры спирали ДНК в А-форме;

· (д) — поперечный разрез спирали ДНК в А-форме.

Длина витка спирали, который соответствует ее периоду идентичности, составляет 3,37 нм (33,7 Å). На один виток спирали приходится 10 остатков оснований в одной цепи. Расстояние между плоскостями оснований равно, таким образом, примерно 0,34 нм (3,4 Å). Плоскости остатков оснований перпендикулярны длинной оси спирали. Плоскости углеводных остатков несколько отклоняются от этой оси (первоначально Уотсон и Крик предположили, что они параллельны ей).

Из рисунка видно, что углеводофосфатный остов молекулы обращен наружу. Спираль закручена таким образом, что на ее поверхности можно выделить две различные по размерам бороздки (их часто называют также желобками) — большую, шириной примерно 2,2 нм (22 Å), и малую шириной около 1,2 нм (12 Å). Спираль — правовращающая. Полидезоксирибонуклеотидные цепи в ней антипараллельны: это означает, что если мы будем двигаться вдоль длинной оси спирали от одного ее конца к другому, то в одной цепи мы будем проходить фосфодиэфирные связи в направлении 3' - 5', а в другой — в направлении 5' - 3'. Иными словами, на каждом из концов линейной молекулы ДНК расположены 5'-конец одной и 3'-конец другой цепи.

Регулярность спирали требует, чтобы против остатка пуринового основания в одной цепи находился остаток пиримидинового основания в другой цепи. Как уже подчеркивалось, это требование реализуется в виде принципа образования комплементарных пар оснований, т. е. остаткам аденина и гуанина в одной цепи соответствуют остатки тимина и цитозина в другой цепи (и наоборот).

Таким образом, последовательность нуклеотидов в одной цепи молекулы ДНК предопределяет нуклеотидную последовательность другой цепи.

Этот принцип является главным следствием модели Уотсона и Крика, поскольку он в удивительно простых химических терминах объясняет основное функциональное назначение ДНК — быть хранителем генетической информации.

Образование вторичной структуры НК возможно вследствие проявления эффектов комплементарности и стэкинг-взаимодействий Очень часто наблюдаются двунитевые спирализованные молекулы ДНК, замкнутые в кольцо с ковалентно связанными концами. Они не имеют разрывов у каждой в отдельности полинуклеотидной цепи. Подобные кольцевые ДНК, как правило, суперспирализованы, то есть кольцо дополнительно закручено в спираль. Суперспирализация - правило, а не исключение, при условии отсутствия разрывов в фосфодиэфирных связях полинуклеотидной цепи.

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 азотистые основания гуанин (Г) одной цепи взаимодействует только с комплементарними им азотистыми основаниями 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 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 сложенными в стопку (как монеты) друг над другом азотистых оснований.

Имеются А, В, С и Z-формы двунитевых участков ДНК, отличающиеся наклонами плоскостей азотистых оснований друг относительно друга ( у А- 20º, В- 0º, С- 5º, Z- особая ломанная форма).

SBS (side-by-side) – форма (бок о бок). Две цепи расположены прямо и незакручены.