х кислот, следует отметить, что новые методы обеспечили возможность полностью расшифровать строение ряда простейших геномов, к которым относятся бактериофаги i|X174 Г5255 звеньев), G-4 (5577 звеньев), Т7 (39 936п.о.),>. (48 592 п. о.), некоторых других фагов и вируса обезьян SV-40 (5226 п. о.), больших участков генома бактерий, животных, растений и т. п. Эти результаты заставили по-новому взглянуть на структуру и функцию генома и на его эволюцию. И тем не менее сегодня в середине 80-х годов расшифрована еще только очень незначительная часть генетической информации. Общая длина расшифрованных последовательностей составляет всего лишь несколько миллионов нуклеотидных звеньев, а это — только 0,001 длины генома человека.

Пространственная структура нуклеиновых кислот

Если мономерной единицей нуклеиновых кислот считать нук леотидное звено, то для описания его конформацни следует учитывать возможность вращений вокруг шести связей (рис. 186). Кроме того, надо принимать во внимание положение основания относительно углеводной части, которое определяется вращением вокруг N-гликозидной связи, и конформационные изменения фу-ранозиого цикла. Все это делает концЪормационный анализ нуклеиновых кислот весьма сложным.

Конформации компонентов нуклеиновых кислот

331

Строение нуклеиновых кислот

Конформации нуклеиновых кислот и их компонентов, твк же как и белков (см. с. 87), часто описываются с помощью твк называемых торсионных (двугранных) углов. При определении торсионного углв рассматриваются три смежные связи, например А — В, В—С и С — D (рис. 187). Торсионным углом вращения связи В — С называют угол между проекциями связей А — ВиС — DHa плоскость, перпендикулярную связи В — С. Если торсионный угол равен ~ 180е', то это соответствует транс-конформации О-конфор-мация) При значениях торсионных углов около +60 или —60г конформации нвзываются гош и гош (g и g ).

На рисунке 186 приведен фрагмент нуклеотидной цепи: жирной линией выделен ее остов, который включает в себя в то мы 0(5'), С(5'), С(4'), С(З'), О(З') и Р. Остальные атомы углеводных остатков и гетероциклические основания рассматриваются квк боковые группы. В основной цепи можно выделить повторяющуюся единицу. Если выбрать в качестве начала отсчете атом С(З') основной цепи, тогда такой единицей будет последовательность атомов С<3')а—0(3')р— Р'— 0(5')*— С<5'Г—С(4');—С(З'), включвющая в себя шесть различных связей а, р\ у, б, е, Соответствующие торсионные углы обозначают так же. Выбор ивчала отсчете может быть и другим, но использованный здесь является одним из наиболее простых. Повторяющаяся единица основной полинуклеотидной цепи называется нуклеотидной единицей.

Углеводные компоненты. Проблема пространственного строения углеводов обсуждается в главе «Углеводы», однако здесь целесообразно рассмотреть вопросы, непосредственно квевющиеся нуклеиновых кислот. Фураиозное кольцо играет определяющую роль

Рис. |8о. Фрагмент нуклеотилной цепи. Нуклеотидная единица выделена рамкой.

V

ЦисЬ)

Трансе)

Гош(д)

В С

9*

I

Рис. 187. Цм-. глине- и ^««-конформации.

332

Нуклеиновые кислоты

Рис 188. Конформацни циклопентана (а) и углеводного цикла в нуклеоэи дах (б).

в коиформации нуклеотиднои единицы. Ниже приведены обозначения связей и торсионных углов в углеводном цикле.

Конформация углеводного цикл в может быть определена квк функция всех торсионных углов т0 — \А. Однвко для более простого и наглядного описания конформацни рассматривают отклонения определенных втомов от плоскости, образуемой тремя или четырьмя другими атомами. Пятичлениый цикл углевода может принимать различные коиформации аналогично циклопеитану (рис. 188). Если четыре его атомв лежат в плоскости, а пятый выведен из нее, то такие конформацни называются конформациями типа «конверт» и обозначаются Е или V. Если три втомв образуют плоскость, а два соседних выведены из нее, то конформация называется «твист» (Т). Дальнейшее определение конформацни основывается нв взаимном расположении атома С(5') и атома (или втомов), выведенного из плоскости цикла. Если атом п [С(2') или С(З') 1 выведен из цикл в в ту сторону, с которой нв ходите я атом С (5') , то конформация называется эндо, в если отклонен в сторону, противоположную атому С(5'),— экзо-коиформвцией.

Варианты конформацни типа «конверт» и «твист» обозначаются следующим образом:

Vn или Еп — конверт с Сп-энло-конформацией V„ или Е„ — конверт с С„-экзо-конформацией Т"+1 —твист с С„-эндо- и Сп+1-экзо-конформациями ТЦ*1 —твист с Са+1-эндо- и Сп-экдо-конформвциями.

Нуклеозиды и нуклеотиды. Для изучения пространственного строения нуклеиновых кислот широко используется метод рентге-ноструктурного анализе моно-, олиго- и полинуклеотидов, который дает точные геометрические параметры молекул биополимеров и их компонентов в кристаллическом или твердом состоянии. Определение конформвций в рветворах в настоящее время в основном про-

иКонверт» (Е илмУ)

«Твист» (Т)

3' — эндс

2' - эндо 2* ¦

3 — экзо

3' —экзо

2' —экзе

2'—экзо

водится методом ЯМР-спектроскопии, хотя и такие методы, как ДОВ и КД, ие потеряли своего знвчеиия.

Представляют интерес теоретические подходы, осиоваииые либо иа полуэмпирических расчетах потенциальных энергий при различных взаимных расположениях втомов либо иа квантово-химических расчетах (Б. Пюльман).

333

Строение нуклеиновых кислот

Гетероциклические основания нуклеиновых кислот являются практически плоскими структурами. Их атомы выходят из плоскости ие более чем на 0,01 нм. С помощью рентгеноструктуриого анализа получены геометрические характеристики оснований; оказалось, что связи С—0 (0,123 — 0,127 нм) короче связей С—N 00,13 нм) и связей С—С 0 0,13 нм). Следует отметить, что гликозидиая связь незначительно выведена из плоскости оснований.

Фурвнозныи цикл углеводного компоненте в нуклеозидах нуклеотидах, олиго- и полинуклеотидах в подавляющем большинстве случаев, по данным рентгеноструктуриого анализа и ЯМР-спектроскопии, имеет предпочтительную З'-эндо- или 2'-энло-кон-формации. Нуклеотидиая единица с Зу-эндо-коиформацией имеет меньшую длину, чем 2'-эндо-изомер (рис. 189). В олиго- и поли-рибо нуклеотидах углевод чаще всего нвходится в З'-эн до- кон формации, тогда как в олиго- и полидезоксирибонуклеотидах он может быть как в З'-эндо-, так и в 2 эндо коиформвции. Это приводит к тому, что число конформации. возможных для ДНК, больше, чем для РНК.

Взаимное расположение углеводных остатков и гетероциклических оснований. Важнейшей характеристикой в определении конформации нуклеиновых кислот является взаимное расположение углеводной и гетероциклической частей, которое определяется углом вращения вокруг N-гликозидной связи у. В кристаллическом состоянии большинство нуклеозидов, моно-, олиго- и полинуклеоти-дов имею анти конформацию (у =0 — 90°) (рис. 190). Исключения наблюдвются в тех случаях, когда при атоме С(8) пуринов [или при атоме С (6) пиримидинов] находится объемный заместитель. В растворе производные пиримидинов имеют анти конфор мацию, тогда как пурины могут принимать как сын , так и анти конформации.

Если моно- и олигонуклеотиды, существуя предпочтительно в анти конформвции могут довольно легко переходить в син кон формацию, то в обычных формвх двуспиральных ДНК и РНК мономерные звенья имеют исключительно анти кон форм вцию

Рис. 189 Возможные конформации нуклеотидных единиц: (а) — С(3 )-энОо конформация-С (2 ) эндо конформация

(б) -

Пюльман (Pullman] Бсрнар (р. 1919), французский химик, ведущий ученый в области квантовой химии, иностранный член АН СССР (1982). Окончил Парижский университет (1946), с 1963 г.— директор Института физико-химической биологии в Париже. Основные работы посвящены квантовой химии органических молекул, биохимии и биофизике. Выяснил элентронную структуру молекул ряда биологически важных соединений, в том числе ДНК.

334 В конформациоииом анализе производных нуклеиновых кислот - иногдв используется концепция жесткой нуклеотиднои единицы.

Нуклеиновые кислоты Соглвсно этой концепции нуклеотиды имеют более жестко фикси-

рованную конформацию, чем иуклеозиды. Конформациоиная гибкость полинуклеотидов в основном обусловлена легкостью враше-

внти-Цитидин сии Цитидин

ния вокруг фосфодиэфирных связей при сохранении конфигурации остальных. Правда, в тРНК и некоторых других случаях анализ детальной структуры обнаружил целый ряд отклонений от ожидаемой жесткой конформации.

При сопоставлении свойств моно- и полинуклеотидов следует иметь в виду, что принципиальным отличием полинуклеотидов от соответствующих мономеров является сильно выраженное взаимодействие между соседними основаниями, которые в водных растворах и в кристаллах стремятся расположиться таким образом, чтобы их плоскости были приблизительно параллельны. «'Вертикальные» взаимодействия между основаниями, расположенными «стопкой», называются «стэкинг»-взаимодействиями; оии обусловлены в основном ван-дер-вавльсовыми силами.

На существование таких взаимодействий в растворах олиго-нуклеоти ов указывают отклонения их физико \имиче ких характеристик от аналогичных характеристик, наблюдаемых для смеси мономерных компонентов, состав которых идентичен нуклеотидно-му составу оли го нуклеотидов. Твк, коэффициент молярной эк-с инкции олиго и полинуклеотидов меньше, чем сумму коэффи циентов молярных экстинкций входящих в него мономеров (этот эффект называется гипохромным эффектом).

Конформации нуклеиновых кислот

Двуспиральные полииуклеотиды. В большинстве случаев ДНК существует в виде «двойной спирали» Уотсоиа — Крика (рис. 191). Ее основные характеристики сводятся к следующему. Две ноли дезоксирибонуклеотидные цепи соединены друг с другом с помощью водородных связей и образуют правовинтовую спираль вокруг общей оси. Цепи двойной спирали антипараллельиы и комплементарны, т. е. образование водородных связей (поперечных) всегдв происходит между основаниями С и G или А и Т.

Гетероциклические основания обращены внутрь двойной спирали, и их плоскости приблизительно перпендикулярны ее оси. Двойная спираль в первом приближении регулярна, т. е. все ее витки имеют практически одинаковые размеры, на каждый виток приходится одинаковое число пар оснований и каждая пара оснований повернута относительно другой на один и тот же угол. С наружной стороны спирали находится гидрофильный углевод но-фосфвтный остов.

Комплементвриость двух цепей приводит к очень простому принципу удвоения генов, или репликации (рис. 192). Для этого достаточно, чтобы цепи ДНК разделились и на квждой из них была синтезированв новая комплементарная цепь. В результате образуются две дочерние молекулы ДНК, идентичные исходной.

Качественного представления о структуре ДНК недостаточно для понимания многих вспектов ее функционирования, в частности механизмов взаимодействия с белками. Для этого необходима ииформвция о детвлях структуры и возможностях ее изменения под действием рвзличных факторов. В настоящее время накоплен очень большой мвтеривл по дифракции рентгеновских лучей нв ориентированных волокнах ДНК и по строению моно- и олигонук-леотидов в кристаллах, позволяющий дать сравнительно точное описание возможных структур ДНК. Известно, что существует большой набор различных конформации ДНК, которые меняются и переходят друг в друга в зависимости от внешних условий.

335

Строение нуклеиновых кислот

Уилкинс (Wllklns) Морис Хью Фредерик (р. 1916), английский биофизик. Окончил Кембриджский университет, с 1946 г.— в Королевском колледже в Лондоне. Получил высококачественные рентгенограммы ДНК. на основе которык была установлена ее пространственная структура. Лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине (1962, совместно с Дж. Уот-соном и Ф. Криком).

336

Нуклеиновые кислоты

Рассмотрим более детально коиформвциониые характеристики двойной спирали ДНК (рис. 193). Шагом спирали (И) называют длину одного витка; рвсстояние между соседними звеньями обозначается Л, а число звеньев на один швг п. Легко видеть, что Л = И/п. Угол поворота на один оствток / = Л///-360.

Конформацни двойной спирали ДНК могут существенно различаться между собой, что прежде всего определяется изменениями

В- форма ДНН

Уотсон (Watson) Джеймс Дьюи (р. 1928), американский биохимик, один из основоположников молекулярной биологии. Образование получил в Чикагском университете и университете штата Индиана. Основные работы посвящены биосинтезу белка и изучению структуры ДнК. Совместно с Ф. Криком расшифровал структуру ДНК и предложил ее модель в виде двойной спирали (1953). Лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине (1962 совместно с Ф. Криком и М Уилкинсом).

Рис. L41. ДНК в В-форме.

торсионных углов. Квждая конформация ДНК, соглвсио принятой номенклатуре, может быть описана семибуквеиным обозначением торсионных углов а, Р, у, 6, t, ? и х 8 порядке следования связей в нуклеотидной единице; например, Hg tg + ta конформация соответствует В-форме ДНК, в которой онв находится обычно в кристаллическом состоянии и в водных растворах (рис. 191 и 193). Квк видно из рисунков, плоскости пвр оснований в В-форме ДНК практически

Сечение А

337

Р —фосфат

S— дезонси-рибоаа

Строение нуклеиновых кислот

Крик (Crick) Фрэнсис Харри Комптон (р. 19(6), английский физик, один из основоположников молекулярной биологии. Окончил Лондонский университет (1937). Основные работы посвящены изучению структуры нуклеиновых кислот. В 1953 г. совместно с Дж. Уотсоном предложил модель ДНК в виде двойной спирали (модель Уот сона — Крика) и объяснил процесс репликации ее молекулы при делении клеток В опытах не фагах Т4 впервые установил основные принципы генетического кода. Лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине (1962, совместно с Дж. Уотсоиом у М. Уилкинсом).

Це ь II

Цепь!

перпендикулярны оси спирали, проходящей, по существу, через

центр каждой пвры. Геометрические характеристики В-формы: рис т Ко„ф ионные „_

h = 0,34 нм, один виток спирали содержит 10 п. о. и его длина (И) ристи1<и двойной СП1фал„ днк в

равна 3,4 нм. В-форме.

ззв

Нуклеиновые кислоты

Рис. 143. Репликация в ДНК.

Старая Старая

цепь цепь цепь цепь

При уменьшении степени гидратации ДНК переходит в А-форму 339

(рис. 194), конформвцию которой можно описать как tg~g~tg + g + B. -

Параметры А формы следующие: Л = 0,26 нм, один виток содержит Строение нуклеиновых кислот II пар основвний и его длин в равна 2,86 нм. Нетрудно видеть, что в А-форме плоскости оснований параллельны друг другу, но наклонены к оси спирали, образуя с ней угол % 20°. В то же время

Рис. 14 ДНК в А фирме

Большая бороздка

340 ось спирали проходит в стороне от пар оснований, в результате

- чего внутри спирали создается пустое пространство; при этом

Нуклеиновые кислоты широквя бороздке становится уже, в узкая — шире (их часто на-

зывают большая и малая бороздки соответственно).

Уменьшение расстояния между основаниями и большая компактность спирали обусловлены тем, что угол, соответствующий связи С(З')—С(4') в В-форме, имеет конформвцию I\С{2')-эндо), тогда квк в А — g+ [С(3У