ГЕНЕТИКА - Підручник - А.В. Сиволоб - 2008

РОЗДІЛ 1. Природа генетичного матеріалу

СТРУКТУРА ДНК

Подвійна спіраль

Два полінуклеотидні ланцюги (насамперед ДНК, але в окремих випадках - також РНК або гібридні РНК-ДНК) можуть об'єднуватися в єдину дволанцюгову структуру (дуплекс), схему якої представлено на рис. 1.4. Таке об'єднання відбувається за жорсткої умови: певні азотисті основи повинні стояти одна проти одної - А проти Т (чи U), G проти C. Цей принцип комплементарності, сформульований Уотсоном і Кріком (James D. Watson, Francis H. C. Crick), зумовлений утворенням специфічних водневих зв'язків між екзоциклічними групами названих основ: два зв'язки в парі А-Т, три в парі G-C (рис. 1.5). Принцип комплементарності є ключовим для розуміння функціонування нуклеїнових кислот.

Рис. 1.4. Схема об'єднання двох динуклеотидів у дволанцюгову структуру

Рис. 1.5. Комплементарні пари основ у складі ДНК з водневими зв'язками між основами

Два ланцюги у складі дуплекса спрямовані в різні боки (є антипаралельними), цукрофосфатні остови (які добре взаємодіють з водою) розташовані зовні, пари основ - усередині цієї структури. Унаслідок взаємодій між площинами сусідніх пар основ (стекінг-взаємодій) по- лінуклеотидні ланцюги закручуються один навкруг одного в подвійну спіраль (рис. 1.6). Між остовами на поверхні спіралі утворюються два жолобки різного розміру - великий і маленький, в які "дивляться" певні екзоциклічні групи азотистих основ, не задіяні до утворення комплементарних водневих зв'язків.

Рис. 1.6. Два варіанти зображення подвійної спіралі ДНК.

Показано структуру додекамеру ДНК у кристалах (код структури у Protein Data Bank 355D). Зображення створено за допомогою програми UCSF Chimera (http://www.cgl. ucsf.edu/chimera)

За фізіологічних умов подвійна спіраль є досить стабільною структурою, саме в цій формі ДНК існує в живих системах. Різноманітні молекули РНК, як правило, є одноланцюговими, але окремі взаємокомплементарні ділянки РНК часто також формують двоспіральні структури в межах однієї молекули.

Подвійним спіралям нуклеїнових кислот притаманний досить значний структурний поліморфізм, що залежить від послідовності пар основ, типу пентозного цукру та зовнішніх умов. Структура, зображена на рис. 1.6, є так званою В-формою ДНК: права спіраль з ~10,5 парами основ на виток. Саме в цій формі ДНК існує за фізіологічних умов in vivo.

Інша - А-форма (також права спіраль, ~11 пар основ на виток, значний нахил площин пар основ відносно осі спіралі) - реалізується у ДНК лише in vitro за певних умов, далеких від фізіологічних. Проте саме в А-формі існують подвійні спіралі РНК за фізіологічних умов (причиною є заміна дезоксирибози на рибозу). Крім того, ДНК може переходити в А-форму або наближену до неї в комплексах із білками.

Ще одна форма подвійної спіралі - Z-форма - є лівою спіраллю і реалізується тільки для альтернувальних послідовностей poly(GC) (коли G і C чергуються в ланцюзі). Такі послідовності є в природних ДНК, але перехід у Z-форму відбувається in vitro за умов, які дуже далекі від фізіологічних. Біологічне значення Z-форми залишається не зовсім зрозумілим, хоча знайдено білки, що мають високу спорідненість саме до неї, тобто можуть індукувати B→Z перехід in vivo.

Структура основної фізіологічної В-форми ДНК не є абсолютно регулярною. Конформаційні особливості подвійної спіралі (ступінь закручення, локальні вигини, розміри жолобків тощо) суттєво залежать від послідовності пар основ - можна сказати, що послідовність несе інформацію про структурні особливості ДНК (подібно до того, як амінокислотна послідовність визначає просторову структуру білка). Крім того, послідовність пар основ зумовлює варіації стабільності подвійної спіралі (визначає, наскільки легко можна розвести полінуклеотидні ланцюги) і конформаційну рухливість (здатність спіралі до деформацій - вигинів, зміни спіральної періодичності тощо). Залежні від послідовності особливості структури подвійної спіралі та потенціал щодо конформаційних змін - основа механізму специфічного впізнання послідовностей ДНК білками.