ааттттццацт^^

ТГГААГЦЦТГЦГТГАТА1тАГГАГГТТГГГГТГГААГАГА1ГТЦЦЦ1^ атццтггцтгтгаагааатацттццааагаатцацтцтттатц^ ЩЦ1ГТТГТГЦЦТГГГАГГТТГТЦАГАГЦАГАААТЦАТГАГАТЦ1Г^ ТТТТ1ТЛАГАААГАТТААГГАГГААГГААТАААЦТЦ

Каждый из 520 дезоксирибонуклеотидных остатков, входящих в состав, гена (показана одна его цепь), обозначен прописными буквами (А—дезокси-адениловая, Г—дезоксигуанйловая, Т—дезокситимидиловая, Ц—дезоксици-

тидиловая, Д—5-метил-дезоксицитидиловая кислота). Именно на этой цепи синтезируется мРНК (см. с. 220), являющаяся матрицей для биосинтеза в лейкоцитах человека белка-интерферона, оказывающего мощное воздействие на метаболические процессы и обладающего поэтому огромным терапевтическим эффектом. Будучи встроен в ДНК кишечной палочки, ген интерферона обеспечивает биосинтез интерферона в бактериальной культуре, что открывает возможность для практического получения последнего в фармацевтической промышленности. Это осуществлено, в частности, в Институте биоорганической химии им. М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН, где создан соответст-вующий штамм кишечной палочки, продуцирующий интерферон.

Вторичная структура ДНК. Молекулы природной ДНК в подавляющем большинстве случаев (лишь ДНК некоторых фагов одноцепочечны) составлены парами (см. табл. 19) взаимозакрученных полидезоксирибонуклеотидных цепей, каждой из которых свойственно специфическое, но противоположное чередование нуклеотидных остатков (пунктиром показаны водородные связи между комплементарными основаниями):

В цепь—Л/VW-а—а—а—Ц—Ц—LI—г—т—т—т—ц—ЛЛ/W-b цепь

I I I I I | I | | | В цепь-^VW-T—т—т—г—г—г—ц—а—а—а—г—ЛЛЛ/V—в цепь

Фотография объемной модели молекул ДНК, построенной по этому типу, представлена на рис. 67, А. Здесь же приведена схема расположения полинук-леотидных цепей и характерные параметры их (рис. 67, Б), а также схема расположения комплементарных оснований, связывающих водородными связями полидезоксирибонуклеотидные цепи друг с другом (рис. 67, В). Впервые указанная модель молекулы ДНК была предложена Дж. Уотсоном и Ф. Криком в 1953 г. на основании рентгеноструктурного анализа строения ДНК. Данные, полученные в течение последующих 45 лет, полностью ее подтвердили, а ее авторы стали Нобелевскими лауреатами.

На рис. 67 представлены модели так называемой В-формы ДНК. Дело в том, что в зависимости от ряда условий ДНК существует в виде

205

i

А Б В

Рис. 67. Строение молекулы ДНК:

А—модель молекулы ДНК: темные и светлые цепочки атомов, выделяющиеся на рисунке,—обращенная наружу пентозофосфат пая цепь. Внутрь модели, перпендикулярно ее длинной оси, направлены пуриновые и пиримидиновые оспояания, соединяющиеся водородными связями; атомы, принадлежащие основаниям (заштриховано косо), плотно заполняют центральную часть модели; Б—пространственное расположение полидезоксирибояуклеотидных цепей в молекуле ДНК; поперечные линии на схеме обозначают плоскости, в которых располагаются пары оснований, связывающие цепи друг с другом; 0,34 нм—расстояние между остатками соседних дезоксирибонуклеотидов; 1 нм—радиус молекулы; 3,4 им—шаг двойной спирали; В—расположение комплементарных пуриновых и пиримидиновых оснований в молекуле ДНК; молекулы дезоксирибозы представлены белыми пятиугольниками, обведенными двойной линией; фосфатные группы—изгибом двойной линии, связывающей остатки дезоксирибозы; от каждого остатка углевода отходят основания в виде покрытых точечной штриховкой шестиугольников и пятиугольников; короткие двойные линии, соединяющие заштрихованные пуриновые и пиримидиновые основания, предС1авляют водородные связи. Все спирали—правоэакрученные

разнообразных упорядоченных волокнисто-кристаллических структур. Их получено более десяти, четыре из них: А-, В-, С- и Т-формы ДНК—изучены методом рентгеноструктурного анализа. При соблюдении общего плана строения молекулы ДНК в виде биспирального полидезоксирибонуклеотида они отличаются по ряду параметров, присущих каждой из названных конфор-мационных модификаций ДНК (табл. 20).

Наиболее сильное изменение конформации происходит при превращении А-формы ДНК в В-форму. В частности, при этом резко смещается пространственная структура p-D-2-дезоксирибозы в ее составе, вследствие чего угол наклона плоскости оснований к оси спирали изменяется более чем на 20° (рис. 68).

В примечании к табл. 20 приведены условия получения кристаллических волокон ДНК. Однако и в клетке та или иная степень обводненности ее компартментов или мембран, как и различия в ионной силе окружающей среды, создает условия для существования ДНК в различных конформациях, между которыми осуществляются взаимные переходы. В биологическом смысле В-форма наиболее адекватна для репликационных процессов, А-форма—для процесса транскрипции, С-форма—для упаковки ДНК в составе надмолекулярных структур хроматина и некоторых вирусов. Таким образом, вторичная структура молекул ДНК, видимо, связана с осуществлением информационных процессов в живой природе, а именно: А-форма ДНК—с переда-

206

Та б л и ц а 20

Характеристика некоторых конформационных состояний ДНК

Показатель А-форма В-форма С форма Т-форма

Число пар нуклеотидных остатков на виток 11 10 9,3 8,0

Угол наклона плоскостей оснований к оси спирали, ° 20 -2 -6 -6

Угол поворота оснований вокруг оси спирали, ° 32,7 36 38,6 45,0

Расстояние комплементарных пар от оси спирали, нм 0,425 0,063 0,213 0,143

Расстояние между нуклеотидными остатками по высоте спирали, нм 0,256 0,338 0,332 0,304

Угол между плоскостями комплементарных оснований, ° 8 5 . 5 —

Примечание. А-форма получена из водно-солевых растворов, содержащих ионы щелочных металлов, кроме Li+; рентгеноструктурный анализ—при относительной влажности 75%. В-форма получена из водно-солевых растворов, содержащих Li+; ренттеноструктурный анализ—при относительной влажности 66%. С-форма получена в тех же условиях, что В-форма, но в растворах с иным соотношением катионов; рентгеноструктурный анализ—при относительной влажности.менее 66%. Т-форма (D-форма) выделена из фага 12; содержит остатки глюкозилированного оксиметилцитозина.

чей информации от ДНК к РНК, В-форма—с умножением количества информации и С-форма—с хранением информации.

В последние годы появились данные о возможности существования двух принципиально новых форм ДНК: Z-формы и SBS-формы. Z-форма ДНК, открытая в 1979 г. в лаборатории А. Рича, представлена левозакрученными полидезоксирибонуклеотидными цепями (рис. 69) в составе биспиральной молекулы, причем фосфатные группы в ней располагаются зигзагообразно (отсюда—Z-форма). Диаметр молекулы ДНК в Z-форме равен 1,8 нм (против 2,0 в В-форме ДНК), число оснований в витке—12, расстояние между витками—0,34 нм, наклон оснований к оси спирали—7°; в Z-форме ДНК лишь один желоб (вместо двух в А- и В-формах ДНК, см. рис. 67 и 68). Предполагают, что в природной ДНК могут чередоваться правые (А-, В- и С-формы) и левые (Z-форма) участки, причем последние могут быть «горячими точками», где реализуется участие ДНК в ряде метаболических процессов.

SBS-форма ДНК характеризуется отсутствием взаимозакручиваиия полидезоксирибонуклеотид-ных цепей в биспиральную молекулу; они располагаются при тех же параметрах молекулы ДНК бок о бок (англ. side by side, отсюда—SBS-форма). Такая форма ДНК обеспечивает необыкновенно легкое распаривание и расхождение цепей ДНК, что крайне существенно при биосинтезе ДНК.

Рис. 68. Полиморфизм вторичной структуры ДНК:

7—Л-форма; //—fi-форма, а—вид сбоку; б—вид сверху. В Л-форме ДНК комплементарно связанные азотистые основания нуклеотидных пар отстоят от оси спирали иа 0,425 нм, а в fi-форме—очень близки к осн спирали (см. табл. 20). вследствие чего в первом случае внутри молекулы возникает полость, а во втором осуществляется почти полное заполнение внутренней части бнепирального дезок-сиполнрибонуклеотида азотистыми основаниями

207

В-ДНК

z-днк

Рис. 69. Сопоставление В- и Z-форм ДНК:

тёмными шарами обозначены межнуклеотидные фосфаты, а соединяющими их толстыми линиями—ход пентозофосфатной цепи. Отчетливо прослеживаются Z образные изломы в левозакрученных пентозофосфатных цепях Z-ДНК и отсутствие таких изломов в правозакрученных цепях В-ДНК. Ясно выступают различия в числе и глубине большого и малого желобов в той и другой форме ДНК

Рис. 70. Образование четырехцепочечной шпильки из полинуклеотида с олигопурин-оли-

гопиримидиновой последовательностью: четвертичная спираль возникает за счет комплементарных взаимодействий в ней полипури-иовых (тёмные) и полипиримидиновых (белые) участков в составе двойных спиралей (нижняя часть рисунка)

Недавно получена информация о существовании фрагментов молекул ДНК в виде тройных и четверных спиралей. Первая из них получила название Н-ДНК, так как образуется при рН 4,0, стабилизуясь Н+; при этом тройной комплекс возникает на пурин-пиримидиновых блоках путем присоединения к ним полипиримидиновых нитей. Биологический смысл формирования Н-ДНК пока не ясен. Что касается четверных спиралей ДНК (рис. 70), то их можно расценивать как один из вариантов перехода к третичной структуре дезоксирибонуклеиновых кислот, в первичной структуре которых ярко представлены олигопиримидиновые и олигопуриновые последовательности.

Два вида сил удерживают две полидезоксирибонуклеотидные цепи в би-спиральной молекуле ДНК. Во-первых, это водородные связи между комплементарными азотистыми основаниями, обращенными внутрь двойной спирали ДНК (см. рис. 66). Образуя водородные связи, основания находятся в плоскости, перпендикулярной продольной оси В-формы ДНК, так что эти связи действуют в поперечном направлении. Во-вторых, это силы гидрофобных взаимодействий между азотистыми основаниями, собранными в «стопку» вдоль молекулы ДНК; при такой упаковке оснований в водной среде возникают силы, препятствующие контактам неполярных (гидрофобных) оснований с молекулами воды, вследствие чего основания сближаются, а стопкообразная упаковка упрочняется вследствие межплоскостных взаимодействий их друг

208

с другом. Их называют поэтому стэкинг-взаимодействиями (т. е. взаимодействиями, направленными вдоль стопки оснований и, в итоге, вдоль молекулы ДНК).

В последнее время силам стэкинг-взаимодействия придают более существенное, чем .ранее, значение в поддержании вторичной структуры ДНК, а водородным связям между комплементарными парами оснований приписывают в большей мере направляющую роль во взаимной ориентации оснований в процессе стэкинг-взаимодействия. Действительно, вклад гидрофобных взаимодействий в поддержание вторичной структуры биспиральных полинукле-отидов возрастает при замене У на Т, т. е. за счет добавочно вводимого гидрофобного метального радикала.

В связи с этим в ином свете представляется и устойчивость биспиральных структур в молекулах ДНК, равно как и механизмов ее нарушения при воздействии физических и химических агентов в тех или иных условиях. В частности, молекулы воды и ионы металлов связываются в основном с пентозофосфатным остовом ДНК, причем катионы располагаются преимущественно в малом желобе двойной спирали В-формы ДНК. Стабилизирующее действие молекул воды направлено непосредственно на усиление стэкинг-взаимодействия, что приводит к стабилизации водородных связей между основаниями. Вместе с тем при ослаблении стэкинг-взаимодействия молекулы воды конкурентно взаимодействуют с протон-донорными и протон-акцепторными центрами оснований, способствуя дестабилизации и инициируя дальнейший распад двойной спирали. АТ-пары оснований гидратируются в 2 раза сильнее, чем ГЦ-пары, причем нативность сохраняется при содержании воды не менее 0,6 г на 1 г ДНК. Все это подчеркивает динамичность вторичной структуры ДНК и возможность конформационных и иных переходов в ией под воздействием агентов окружающей среды.

Биспиральные структуры в молекулах ДНК возникают не только при взаимодействии двух комплементарных полидезоксирибонуклеотидных цепей, но и в пределах одной и той же цепи. Это происходит в тех случаях, когда в комплементарных цепях ДНК присутствуют палиндромы—«обратно

г

ц~г •

Г А

А-Т Г А Т-А Г-Ц Т-А Т-А А-Т А-Т Г Т

ГЦТЦГТАТГТТ"АГГАААЦАГЦТ ЦГАГЦАТАЦАд „т ЦЦТТТГТЦГА Ц~Т А-Т Ц-Г А-Т Ц-Г Ц А Т-А Т-А А-Т А-Т Ц--Г А-Т

ц т

Т-А

ц т г—ц Ц п

Рис. 71. Палиндромы ДНК кишечной палочки (зона лактозного оперона) в линейном (Г)

и шпилечном (II) состоянии:

в линейной структуре жирной точкой отмечено место начала формирования шпильки |гунктирными прямоугольниками— зоны палиндромов; стрелками различной толщины и формы—одноименные палиндромы и их направление

Г-ГЦТЦГСАТГСгТГТГГППААГГ^—». 3'-Ш-АГЦАГАЦА1АЦАЦАц!ц|ТТААЦА^ ГТГТГ^ЦЦТТТГТЦГА--

209

бегущие» последовательности нуклеотидных звеньев (от греч. палин—обратно, дроме—бегу). Палиндромные структуры характерны для тех участков молекулы ДНК, где расположены зоны «узнавания» структур ДНК ферментами и регуляторными белками. Так, благодаря наличию палиндромов, спирализу-ются сами на себя, образуя шпильки, цепи ДНК кишечной палочки в зоне лактозного оперона—структуры, где сосредоточена информация о биосинтезе Р-галактозидазы, обеспечивающей распад лактозы при наличии ее в культу-ральной среде (рис. 71). Высказывают предположение, что палиндромы являются источником четверных спиралей ДНК, которые могут служить для формирования элементов третичной структуры ДНК.

Третичная структура ДНК. Молекулы, ДНК существуют в виде линейных и кольцевых форм (рис. 72). В линейной форме находится, видимо, большинство природных ДНК, но ДНК ряда вирусов и фагов, а также ДНК хлороплас-тов, митохондрий, центриолей и бактериальных плазмид обладают кольцевой структурой. Третичная структура и линейных и кольцевых форм ДНК характеризуется спирализацией и суперспирализацией. Между кольцевыми и линейными формами ДНК, равно как и между ее обычным и суперспирализованным состоянием, предполагается существование динамических переходов. В ДНК ряда вирусов (например, вируса полиомы) и митохондриальной ДНК такие превращения детально изучены (рис. 72).

Сложнее обстоит дело с ДНК из хромосом эукариот. Применяемые методы выделения сопровождаются в большей или меньшей мере ее деградацией и, самое главное, отделением от дезоксирибонуклеопротеина, в виде которого она существует в ядерном аппарате клеток, его белковой части, абсолютно необходимой для поддержания третичной структуры ДНК. Поэтому проблема третичной структуры ядерной ДНК может быть решена только путем изучения структуры хроматина ядра и хромосом.

ДНК в хроматине и хромосомах также находится в суперспирализованном состоянии, причем здесь реализуется несколько уровней суперспирализации. Первый уровень сверхскрученного состояния ДНК в хроматине поддерживается гистонами, оккупирующими отрезки ДНК протяженностью около 200 н. п. и образующими элементарную единицу структуры хроматина—нуклеосому

в б

Рис. 72. Третичная структура молекулы ДНК:

а—линейная; б—кольцевая; в—сверхскрученная кольцевая: г—структура компактного клубка

210

Рис. 73. Строение нуклеосомы

Основу нуклеосомы составляет белковое ядро (белковый к