Основні параметри хеліксу днк

Параметри хеліксу ДНК були визначені на основі вивчення дифракційних картин ниток ДНК – методу, який передував класичній кристалографії та буде розглянутий нами пізніше. За допомогою даного методу було визначено конформаційні параметри повторюваних регіонів хеліксу. Серед них шляхом вимірювання відстаней між дифракційними плямами було визначено такі параметри:

1. Крок хеліксу Р, який визначається як відстань, що паралельна вісі хеліксу, між першою та останньою нуклеотидними одиницями у рамках одного повного оберту спіралі (слайд 23). Крок визначається виміром відстані між сусідніми полосками на картині.

2. Присутність так званого меридіонального відбиття, що перпендикулярне напрямку Х-променя, вказує на структурну періодичність на цьому напрямку. Аналіз меридіонального відбиття дає так звану регулярну відстань повтору d, яку також називають хеліксним підйомом, якщо нуклеотидні одиниці перпендикулярні вісі хеліксу (слайд 23).

3. Повтор одиниць n, тобто, як число нуклеотидних одиниць на один повний оберт хеліксу, тобто на один крок спіралі Р, визначається, таким чином, як Р/d.

Взагалі більш чітким визначенням підйому є дистанція між сусідніми парами нуклеотидів, які проектуються на площину паралельну осі спіралі, якщо самі одиниці не є прямо перпендикулярними до цієї вісі.

Діаметр хеліксу можна визначити з дифракційної картини щільно упакованих нуклеотидних одиниць, яка знімається вздовж осі нитки.

Вплив морфологічних параметрів пар основ на планарність останніх

Як ми вже відмічали, пари основ є не зовсім планарними, оскільки водневі зв’язки між основами не дозволяють повністю плоске розміщення останніх. Геометричні параметри пар основ навколо водневих зв’язків не є повністю чіткими, наприклад, кут навколо атома водню (донор-Н-акцептор) може відрінятися від лінійності аж на 35⁰ без суттєвого зниження енергії самого зв’язку.

Існує також фактор запобігання стеричним перешкодам для деяких нековалентних взаємодій між основами всередині хеліксу, які можуть призводити до порушення планарності пар основ, оскільки першочерговою задачею є саме збереження потрібного рівня енергії водневого зв’язку.

Такі відхилення від планарності можуть бути зведені у дві групи факторів, про що ми вже говорили:

1. Зміни на рівні індивідуальних пар основ, які визначають рухи однієї основи відносно іншої в межах однієї пари, а також рухи самої пари основ вздовж глобальних вісей спіралі.

2. Зміни на рівні груп пар основ, що визначають крок, закрученість, повторюваність структури, тощо, та їх відхилення від норми.

Класичні форми вторинної структури днк

Як уже було сказано, класичні параметри структури ДНК були отримані з дифракційних досліджень ДНК-ниток за умови великої вологості (близько 92%), причому картини високої інтенсивності мали вигляд мальтійського хреста (слайд 16). Така структура отримала назву В-структури ДНК або класичної вторинної структури, вона повністю співвідноситься з постульованою Уотсоном і Криком моделлю, розраховану з дифракційних картин, отриманих Франклін у 1953 році.

У ході подальших досліджень було встановлено, що зміна вологості середовища через гідратованість ниток призводить до зміни дифракційних картин, тобто, до появи нових форм вторинної структури. Наприклад, зниження вологості до 65-75% веде до появи так званої А-ДНК, яка дає кращі за інтенсивністю відбитки, а отже, краще кристалізується у нитках. Пізніше були виявлені також підкласи А- та В-ДНК, та ще 2 основні класи – С та D. Перші дві форми вторинної структури отримали назву канонічних форм.

Таким чином, подвійний хелікс ДНК є вкрай поліморфним з цілим рядом молекулярних структур, причому деякі з них були виявлені лише у ділянках ДНК з чітко визначеною послідовністю пар основ (хоча стандартні А- та В-форми існують майже для всіх видів послідовностей). Деякі з таких форм відрізнялись навіть більшою інтенсивністю відбитків паракристалінних структур ниток, ніж класичні відбитки ниток ДНК з тимусу теляти.

В-ДНК – найперша класична структура, відкрита у 1953 році була оптимізована за допомогою так званого методу ліст-скверингу Арноттом у 1999 році. Оновлені хеліксні параметри цієї та інших відкритих форм ДНК представлені у таблиці на слайді 24. Тут же представлені можливі значення кутів конформації кістяку, які ми вже розбирали раніше. На слайді 25 знизу зправа показана конфігурація найближчих основ сусідніх пар. Як бачимо, нуклеотиди у складі В-ДНК мають порівняно високі значення глікозидних кутів з анти-конформацією навколо відповідного зв’язку та С2’-ендоконформацію складчастості цукру.

Правозакручений подвійний хелікс має 10 пар основ на один повний оберт, причому ланцюги розташовані антипаралельно один до одного (слайд 23а) та поєднані через водневі зв’язки між основами. Пари основ майже повністю перпендикулярні до вісі хеліксу і утворюють багатошарові стеки вздовж осі спіралі (слайд 23b). Таким чином, відстань між сусідніми парами основ дорівнює хеліксному підйому і складає 3,4 А або 0,34 нм. Особливістю такої структури є те, що два дезоксирибозних залишки у складі пари нуклеотидів знаходяться обидва на одному боці. Тому, якщо сусідні пари основ входять у стекінг у складі хеліксу, прогалина між цими цукрами формує подовжені виїмки на поверхні молекули, паралельно до фосфодиефірних з’єднань. Такі виїмки називають борозенками, існує два їх варіанти – велика та мала (слайд 25).

Ширина їх визначається як перпендикулярна відстань між фосфатними групами на протилежних ланцюгах мінус Ван-дер-Ваальсовий діаметр фосфатної групи (5,8 А), хоча іноді зручніше використовувати відстань між парами атомів, наприклад між двома С1’ або О4’. Глибина борозенок визначається як різниця між циліндричними полярними радіусами атома фосфору та N2 гуаніну чи N6 аденіну для малої та великої борозенок відповідно.

Таким чином, саме через асиметрію будови пар основ виникають такі два типи борозенок. Причому у В-ДНК широка велика борозенка за глибиною є майже ідентичною до більш вузької малої (слайд 26с та таблиця), яка має у якості стінок гідрофобні ділянки цукрових груп.

Взагалі, велика борозенка є багатшою на замісники у складі основ – О6 та N6 пуринів, а також N4 та О4 піримідинів – ніж мала. Це, крім усього іншого, визначає взаємодію ДНК з іншими молекулами, про що ми детальніше поговоримо пізніше.

А-ДНК – також характеризується певною повторюваністю структури (слайд 27), нуклеотиди у її складі мають С3’-ендоконформацію складчастості, що призводить до наближення фосфатних груп на різних ланцюгах – відстань між ними складає 5,9 А у порівнянні з 7,0 А для В-ДНК. Також конформація анти навколо глікозидного зв’язку має менші значення кута (слайд 26 зверху зправа). Наслідком цього є те, що пари основ у більшій мірі нахилені по відношенню до вісі спіралі (слайд 27а) та розташовані на відстані приблизно 5 А від неї, що входить у різкий контраст з В-формою.

Хеліксний підйом А-ДНК складає меншу величину, ніж у В-форми – всього лише 2,54 А, тому хелікс А-форми є ширшим та має вже 11 пар основ на один повний виток. Такі змінені параметри по відношенню до В-ДНК призводять також і до зміни характеристик борозенок у А-ДНК (слайд 27b). На додачу до цьогоцентром подвійного хеліксу А-форми являє собою пустий всередині циліндр (слайд 28с).

Велика борозенка у А-формі є глибшою та ширшою,ніж у В-ДНК, а мала – теж широкою, але дуже неглибокою.