Филиппович Ю.Б. - Основы Биохимии

Продолженuе табл. 18

	Молярные соотношени. оснований, О/О				г+д	-Г+Ц
ИСТОЧНИК нуклеиновой кислоты
	r	д	Ц	у	Ц+У	Д+У
Растенuя
Пшеница	30,8	25,2	25,4	18,6	1,27	1,28
Сосна	27,6	25,3	23,4	23,7	1,12	1,04
Микроорга1/измы
Туберкулезная палочка	33,0	22,6	26,1	18,3	1,25	1,45
Стафилококк	28,7	26,9	22,4	22,0	1,25	1,05

Буквами в них обозначены основания: Г-гуанин, А-аденин, Ц-цито­ зин, Т-тимин, У-урацил, а цифры выражены в молярных процентах (мол. %), т. е. в процентах от суммы всех найденных в нуклеиновой кислоте

азотистых оснований, содержание каждого из которых вычислено в препарате нуклеиновой кислоты в молях или его долях.

Анализ таких данных позволил Е. Чаргаффу сформулировать ряд правил (правила Чаргаффа):

1. У ДИК молярная сумма Г и А (пуриновые основания) равна молярной сумме Ц и Т (пиримидиновые основания). -Эта закономерность не свойственна РИК, где отношение пуриновых и пиримидиновых оснований изменяется

вшироких пределах.

2.В молекулах ДИК число остатков А всегда равно числу остатков Т.

Втаком же отношении находятся Г и Ц. В молекулах РИК этого нет, хотя во

многих случаях молярные соотношения оснований близки (здесь имеется

ввиду, что Т и У в молекулах ДИК и РИК равноценны).

3.Отношение суммы молярных концентраций Г и Ц к сумме молярных

концентраций А и Т У ДИК и А и У У РНК г+Ц у обоих видов

А+Т (или У)

нуклеиновых кислот сильно варьирует. Особенно широки границы измен­ чивости этого показателя в ДИК.

Две первые закономерности в строении ДИК и РИК связывают с особен­ ностями их вторичной структуры. Подобно тому как в стабилизации спираль­

ной формы белковых молекул решающая роль принадлежит водородным связям между -со- и -NИ-группами, так и в создании вторичной структуры

полинуклеотидной цепи исключительное значение имеют водородные связи,

возникающие между парами оснований: А и Т (в РИК-А и у) и Г и Ц (в

обоих видах нуклеиновых кислот). Основания, образующие пары, в которых

они сочетаются водородными связями, называются комплемеитарными.

Характер водородных связей между комплементарными основаниями ясен

из рис. 66. С одной стороны, водородные связи замыкаются между амино­

группами и кетогруппами, занимающйми определенное положение в молеку­

лах пуриновых и пиримидиновых оснований (6-аминогруппа у А и 4-кетогруп­

па у Т или У, а также 2-амино- и 6-кетогруппы у Г и 2-кето- и 4-аминогруппы у Ц). в этом и состоит комплементарность, т. е. дополнительность в химиче­

ском строении пуриновых и пиримидиновых оснований: там, где у пуринового

основания расположена аминогруппа, у пиримидинового находится кетогруп­

па, и наоборот. С другой стороны, водородные связи образуются за счет

взаимодействия по атомам N и NИ-группам, занимающим в пуриновы1l.

и пиримидиновых циклах l-е и 3-е положения соответственно, где они опять

200

.-- -.: -

.i. _tC._

Рис. 66. Водородные связи между парами оснований в нуклеиновых IGIслотах:

А-между аденином и тимином; Б-между гуанином и цнтоэином; В-между парами J<ОМЩlементарных основани\i в биспираль. НОМ фрагменте молекулы ДИК; стрелками указан антиnараллелъный ход спиралей в виде заштрихованных леНТ

201

дополняют друг друга. Именно поэтому в ДИК число молей А равно числу

молей Т, а число молей Г равно таковому Ц. Естественно, что суммарное

содержание пуринов и пиримидинов одинаково.

Третья закономерность в соотношении пуриновых и пиримидиновых ос­ нований связана со специфичностью ДИК и РНК. Поэтому отношение

Г+Ц

А+У (или Т)

называется коэффициеитом специфичности нуклеиновых кислот.·

Установлено, что ДНК обладает ясно выраженной видовой специфичностью.

Особенно резкие видовые различия характерны для ДИК" вьщеленных из

Г+Ц

микроорганизмов. У РИК видовая специфичность отношением -- выражена

А+У

слабее. В табл. 17 и 18 приведены значения коэффициентов специфичности для ряда тотальных ДНК и рнк. Несмотря на небольшое число произвольно

выбранных объектов, эти таблицы наглядно иллюстрируют сформулирован­

ные выше закономерности. В общем, коэффициен1' специфичности у ДИК

варьирует от 0,45 до 2,57 у микроорганизмов, от 0,58 до 0,94 у ·высших

растений и от 0,54. до 0,81 у животных. У тотальной РНК коэффициент специфичности, как правило, выше единицы.

Долгое время для определения нуклеотидного состава ДИК и РНК ис­

пользовали разделение нуклеотидов, нуклеозидов или свободных азотистых

оснований, полученных в результате деструкции исследуемых нуклеиновых кислот, при помощи хроматографических методов с последующим спектрофо­

тометрическим анализом природы и содержа'Ния каждого из оснований. Одна­

ко в последнее время классические методы анализа нуклеотидного состава

нуклеиновых кислот заменены физическими методами. Так, содержание ТЦ­ пар в составе ДНК сейчас находят по температуре плавления ДНК и по ее плавучей плотности. В первом случае содержание ГЦ-пар связано с темпера­ турой плавления (tпл) ДИК следующей зависимостью: ГЦ (мол.

%)=(tпл-69,З)·2,44. Эта зависимость справедлива, если ДИК растворена

встандартном солевом растворе (0,15 моль NaCl и 0,015 моль цитрата натрия

в1 л, рН 7,0). Во втором случае содержание ГЦ-пар прямо пропорционально значению плавучей плотности ДИК, определяемой при ее ультрацентрифуги­

ровании в градиенте плотности CsCl.

Физические методы ускорили процесс накопления фактического материала по нуклеотидному составу ДИК разных биологических видов и позволили

добавить к правилам Чаргаффа новые закономерности, выявленные А. Н. Белозерским и его учениками.

Оказалось, что вариабельность нуклеотидного. состава ДИК очень высока

у эволюционно.древних таксонов и сравнительно мала у молодых, т. е. на

основании нуклеотидного состава можно судить об эволюционном возрасте

таксона. Кроме того, в природе распространены два типа ДИК: у хордовых и беспозвоночных животных, высших растений, дрожжевидных организмов, синезеленых водорослей, ряда бактерий и вирусов преимущественно АТ-тип ДНК, а у недрожжевидных грибов, актиномицетов, водорослей и ряда бакте­ рий и вирусов в основном ГЦ-тип. Наконец, распределение метилированных оснований у представителей животного и растительного царства тоже не случайно. Так, 5-МЦ в значительном количестве присутствует в ДНК высших растений (2-10 мол. %) и ряда животных (до 3 мол. %), тогда как в ДИК

бактерий его очень мало (менее 0,5 мол. %). Nб-МА, напротив, найден у бак­

терий и водорослей, обнаруживается в малых количествах у растений и отсут­ ствует у многих животных. Все это заложило основы для дальнейшей раз­

работки проблем химilческой таксономии.

202

Выявленные закономерности в соотношении пуриновых и пиримидино­

вых оснований в молекулах ДИК и РИК свидетельствовали о том, что чередование нуклеотидных остатков в нуклеиновых кислотах носит специфи­ ческий характер. Однако указанные данные не дали и не могли дать представ­ лений об истинной последовательности расположения структурных элемен­ тов, составляющих молекулы нуклеиновых кислот, т. е. об их первичной

структуре.

Первичная структура ДИК. Даже в простейшем случае бактериофага fd

(см. табл. 16), ДИК которого представлена одноцепочечным полидезоксири­

бонуклеотидом с М = 1,9 . 1О б. Да, в ней должно содержаться примерно 5760

нуклеотидных остатков (1900000: 330, где 330-средняя молекулярная мас­ са нуклеотидного звена), выстроенных в строго определенной последователь­

ности.

Определить первичную структуру такого OrPOMHOI:O полидезоксирибону­

клеотида крайне трудно, так как он состоит всего из четырех видов ну­

клеотидных остатков, содержащих в качестве азотистых оснований А, Г Ц и Т,

сравнительно редко метилированных. В случае ДИК большей молекулярной массы положение еще сложнее. Тем не менее благодаря разработке в период

меЖду 1975 и 1977 гг. двух весьма перспективных методов определения

первичной структуры ДИК удалось достичь решающих успехов в этом от­

ношении.

Первый из них, предложенный Ф. Сашером и Р. Коулсоном, состоит В по­ лучении полного набора убывающих по числу нуклеотидных остатков копий

одноцепочечной ДИК при помощи ДИК-полимеразной реакции (см. с.249),

разделении их электрофорезом в полиакриламидном геле (по числу наблюда­

емых полос устанавливают число нуклеотидных остатков в ДИК или ее фрагменте) и выявлении положения дезоксиадениловых, дезоксигуаниловых, дезоксицитидиловых и дезокситимидиловых остатков на 3'-конце каждого из

фрагментов при помощи особых приемов.

Второй, разработанный А. Максамом и В. Гильбертом, сводится к химиче­

ской модификации пуриновых и пиримидиновых оснований в ДИК или ее

. фрагментах, избирательном расщеплении фосфодиэфирных связей по месту

модифицированных оснований, разделении продуктов расщепления электро­ форезом в полиакриламидном геле и прямому считыванию структуры фраг­

мента ДИК с полученных электрофореграмм (число полос на электрофоре­

гРамме продуктов расщепления фрагмента ДИК с модифицированным азотис­

тым основанием равно числу нуклеотидных остатков, содержащих этот пурин

или пиримидин, а их положение на электрофореграмме указывает место этого

нуклеотидного остатка в анализируемом фрагменте ДИК).

Врезультате применения указанных методов в их оригинальном или модифицированном виде определение первичной структуры ДИК в последние

несколько лет приняло массовый характер (табл. 19).

Втабл. 19 приведена лишь небольшая часть известных в настоящее вNмя

первичных структур ДИК На 1.1.1985 г. были получены данные о первичной

стру:пуре 4175 соединений полинуклеотидной природы, составленных из

3 млн. н. о.	Всего	за	2,5 года,	к августу 1987 г., число		расшифрованных
первичных	структур		нуклеиновых кислот		возросло	до 14 020 при
14855147 н. о. в их		составе. Иа		апрель 1993 г.	Gen Bank содержал инфор­

мацию о последовательности нуклеотидных остатков в 111911 полинукле­

отидах, собранных из 129968355 н. О., в том числе о расположении 2353635 н. о. в геноме кишечной палочки (50% генома). Все это позволило поставить в настоящее время фантастическую задачу-определить полную

первичную структуру генома человека, включающего 3 млрд. нуклеотидных

203

пар (н. п.). По расчетам эта программа обойдется в 3 млрд. долларов и займет

несколько лет. Она уже осуществляется у нас (правительственная наУЧ1l0исследовательская программа «Геном человека»), в США и Японии. Цель ее-не только выявить локализацию генов (они составляют 5-10% генома),

но и понять механизмы регуляции их деятельности, а также наметить пути

устранения дефектов в них, приводящих К наследственным болезням. При уже

достигнутой скорости секвенирования ДИК дО 280000 н. п. В сутки и планиру­

емой до 1 млн. н. п. В сутки (имеется в виду использование флуоресцентно­ меченной ДИК и суперкомпьютерной техники, а также применение октадезок­

синуклеотидов заданного строения) решение этой задачи приобретает реаль­

ные очертания, тем более что стоимость чтения одного нуклеотида уже упала

с	1 доллара до	нескольких центов. Реальные результаты уже налицо: если
к	1975 г. была	выяснена первичная структура всего 25 генов человека, то

к 1985 г. их число составило 900, а к 1992 г. достигло 3618. На четвертой научной конфереJЩИИ, посвященной оценке хода работ по программе «ThHOM

человека» (Черноголовка, 9-11 марта 1994 г.) был дан анализ вклада россий­

ских ученых в ее выполнение.

					Таблица 19
		Число иухлеотвдных пар (и.п.) в ДИК иекоторых гепомов
		и генов с полностью уставовлеввой первичвой структурой
		IeнOM	Чясло я.п.	Ieп		Чясло я.п.
	Грам-положительной бактерии		4214810	Эмбрионального глобина		i 1376
Bacillus subtilis				человека
	Спирохеты Borrelia burgdorferi,		910725	Яичного альбумина		7564
штамм В31
	Вируса Эпштейна-Барра		172282	Гормона роста		2600
	Хлоропласта табака		155844	J3-субъединицы ДНК-полимеразы		1986
				сальмонеллы 1
	Хлоропласта печеночного мха		121024	ДНК-лигазы фага Т4 1		1469
	Аденовируса		35937	Инсулина человека		1430
	Митохондрий человека и быка		16659	Токсина шигеллы 1		1380
	Вируса мозаики капусты		8031	Глицинина сои 1		944
	Бактерифага МlЗ		6407	J3-субъединицы Na +, к+ -		912
				АТФазы 1
	Вируса ~X-174		5386	у-субъединицы фосфоДИзстеразы		779
				цгмфl
	Обезьяньего вируса SV-40		5243	Лейкоцитарного интерферона		520
				человека 1

1 Первичные структуры, расшифрованные российскими учеными.

Прuмечанue: только что опубликованы данные о первичной структуре дик reHOMa кишечной палочки (4700000 н.п.) И всех 16-ти хромосом пекарских дрожжей (12000000 Н. п.).

204

Ясно, что первичная структура большинства ДИК представлена двухцепо­ чечными дезоксиполирибонуклеотидами с уникальным чередованием десятков и сотен тысяч составляющих их дезоксирибонуклеотидных остатков. В качест­ ве примера ниже приведена структура гена человеческого лейкоцитарного

интерферона:

AтцтгттцтцтrгГЦТГTГAТЦTГЦЦTЦAГAЦЦЦAЦAГЦ~TГГГТAATAГГAГГГЦЦТТГA

TAЦTЦ~TГГЦAЦAAATГГГAAГAATЦTЦТЦЦТТТЦTЦЦTГЦЦTГAAГГAЦAГAЦATГAЦT ТТГГAТТЦЦЦЦ~ГГAГГAГTTTГATГГЦAAЦЦAГTTЦЦAГAAГГЦTЦAAГЦЦATЦTЦТГ

ТЦЦТЦЦАТЦАГАТГАТЦЦАГЦАГАЦЦТТЦААЦТЦТТЦАГЦАЦАААГГАЦТЦАТЦТГЦТА

ЦТТГГГААЦАГАГЦЦТЦЦТАГАААААI 1 1 IЦЦАЦТГААЦТТААЦЦАГЦАГЦТГААТГАЦ((

ТГГААГЦЦТГЦГТГАТАЦАГГАГГТТГГГГТГГААГАГАЦТЦЦЦЦТГАТГААТПГГАЦТЦЦ

ATЦ~ТГГЦTГТГAAГAAATAЦТТЦЦAAAГAATЦAЦTЦТТTATЦTГAЦAГAГAAГAAATAЦА ГЦЦЦТТГTГЦ~TГГГAГГТТГTЦAГAГЦAГAAATЦATГAГATЦЦТTЦТЦТТТATЦAAAAAT

ТТTTЦAAГAAAГA~AГГAГГAAГГAA~TЦ

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

тидиловая, tJ:-5-метил-дезоксицитидиловая кислота). Именно на этой цепи

синтезируется мРИК (см. с. 220), являющаяся матрицей для биосинтеза в лей­ коцитах человека белка-интерферона, оказывающего мощное воздействие на

метаболические процессы и обладающего поэтому огромным терапевтиче­

ским эффектом. Будучи встроен в дик ЮIIIIечной палочки, ген интерферона обеспечивает биосинтез интерферона в бактериальной культуре, что открывает

возможиость для практичесrroго получения последнего в фармацевтической про­

мыlJlенности•• Это осуществлено, в частности, в Институте биоорганической

химии им. М. М. Шемякина и ю. А. Овчинникова РАИ, где создан соответст­

вующий штамм кишечной палочки, продуцирующий интерферон.

Вторичная структура дик. Молекулы природной ДИК в подавляющем большинстве случаев (лишь ДИК некоторых фагов одно.цепочечны) составле­

ны 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-JWllv-А-А-А-Ц-Ц-Ц-Г-Т-Т-Т--u.~в цепь

11111111111

11111111111

11111111111

В цепь.....JV'N.r-Т-Т-Т-Г-Г-Г-Ц-А-А-А-Г--w-tv-в цепь

Фотография объемной модели молекул ДИК, 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 свя­

зями полидезоксирибонуклеотидные цепи друг с другом (рис. 67, В)'. Впервые

указанная модель молекулы дик БЫла предложена Дж. Уотсоном и Ф. Криком

в 1953 r. на основании peнтreHocTpYКТYPHOГO анализа строения дик. Данные,

полученные в течение последующих 45 лет, полностью ее подтвердили, а ее

авторы стали Нобелевскими лауреатами.

Иа рис. 67 представлены модели так называемой В-формы ДИК Дело

в том, что в зависимости от ряда условий ДИК существует в виде

205

ОН

go в цепочке

U'C фосфорноrо

эфира

~CUNB

•рваниях

А

в

Рис. 67. Строение молекулы ДИК:

А -модел. молекулы ДНК: темпые и светлые цепочхи атомов. выдеЛJnOШИес. на рисуше,-оБРlIЩенная наружу паНТО10фосфат­ наи l1епь_ BHyтrL мол.еЛИ9 перпендИICУЛЯРПО ~ дЛинной оси, иаправлепы пуриновые и ПИРИМИДJlновые ОСПО8iШИЯ, соеДИНRющиеСR IЮДОРОДНЫМИ СВRзами~ атомы. ПРИИ8.дЛежащие сснованиим (заштриховано косо). ПЛОТНО заполНяЮТ ttектральную час-rь модели; Б-пространствениое расrЮJlо",ение полидезоксирибопухлеотИдНЫХ цепей в молекуле ДИК; поперечные линии на схеме обознача­ ют плоскости. в которых располагаются пары оснований, СВ83ываюши:е цепи др)Т с ДР)ТОМ: 0.34 ИМ- расстояние между остатками соседних дезо"сириБOJtyклеотИдОВ; I нм-радиус молекулы; 3,4 вм-шаг двоliпоlt спирали; В-расположение ком­ плементарных пуриновых и пиримидиновых основаниil в молекуле ДИК; молекулы дезоксирибозы представлены белыми

П.ТИУГОЛЬНИlсами, обведеиными двойиой линиеli; фосфатные rpуппы-взгибом ДВОЙНОЙ линии, связываюшеli остатки дезок­

сирибозы; от К8ждоrо остатха углевода ОТХОПЯТ основании в виде покрытых точечной I1ПРИХОВI'ОЙ шестиуrольнИlCОВ и ПЯТИУГОЛЬ­ ников; короткие Д80йные линии, соеДВНRIOшие заштрихованные пурииовые и пиримидиновые осиования, преДСlавлиют водород- н,:"е связи. Все спирали-правозакрученвые

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

мационных модификаций ДИК (табл. 20).

Иаиболее сильное изменение конформации происходит при превращении

А-формы ДИК в В-форму. В частн6сти, при этом резко смещается простран­

ственная структура J3-D-2-дезоксирибозы в ее составе, вследствие чего угол

наклона плоскости оснований к оси спирали изменяется более чем на 200

(рис. 68),

В примечании К табл. 20 приведены условия получения кристаллических

волокон ДИК. Однако и в клетке та или иная степень обводненности ее

компартментов или мембран, как и различия в ионной силе окружающей среды, создает УСЛOlщя для существования ДИК в различных конформациях, между которыми осуществляются взаимные переходы. В биолоmческом смысле В-форма наиболее адекватна для реllJlИКациоиных процессов, А­

форма- ДЛЯ процесса транскрипции, С-форма-ДЛЯ упаковки ДИК в составе

надмолекулярных структур хроматина и некоторых вирусов. Таким образом, вторичная структура молекул ДИК, видимо, связана с осуществлением инфор­ мационных процессов в живой природе, а именно: А-форма ДИК-с переда-

206

				Таблица 20
Характеристика некоторых конформационных состояннй ДИК
Показатель	А-форма	В-форма	С-форма		Т-форма
Число пар нуклеотидных остатков на виток	II	10	9,3		8,0
)'гол наклона плоскостей оснований к оси	20	-2	-6		-6
спирали, о
)'гол поворота оснований вокруг оси спира-	32,7	36	38,6		45,0
ли, о
Расстояние комплементарных пар от оси	0,425	0,063	0,213		0,143
спирали, нм
Расстояние между нуклеотидными остатка-	0,256	0,338	0,332		0,304
ми по высоте спирали, нм
Угол между плоскостями комплементарных	8	5	5		-
оснований, о

Прuмечанue. А-форма получена из водно-солевых растворов, содержащих ионы щелочных металлов, кроме

Li+; рентгеноструктурвый анализ-при относительной влажности 75%. В-форма получена из водно-солевых

растворов, содержащих Li+; реН"IТеноструктурный 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 влаЖНОС1:и..менее 66%. Т-форма (D-форма) выделена из фаrа Т2; содержит остатки

I"ЛIОКО1ИЛИРОВанного оксиметилцитозина.

чей информации от ДИК кРИК, В-форма-с умножением количества инфор­

мации и С-форма-с хранением информации.

В последние годы появились данные о возможности существования двух принципиально новых форм ДИК: Z-формы и SВS-формы. Z-форма дик,

открытая в 1979 г. в лаборатории А. Рича, представлена левозm.:рученными полидезоксирибонуклеотидными цепями (рис. 69) в составе биспиральной моле­

кулы, причем фосфатные группы в ней располагаются зигзагообразно (от­

сюда-Z-форма)_ Диаметр молекулы ДИК в Z-форме равен 1,8 им (против

2,0 в В-форме ДИК), число оснований в витке-12, расстояние между витка­

ми-О,34 им, наклон оснований к оси спирали-70; в Z-форме ДИК лишь

один желоб (вместо двух в А- и В-формах ДИК, см. рис. 67 и 68). Предполага-

ют, что в природной ДИК могут чередоваться	1	II
правые (А-, В- и С-формы) и левые (Z-форма)
участки, причем последние могут быть «горячими
точкамю>, где реализуется участие ДИК в ряде
метаболических процессов.
SВS-форма ДИК характеризуется отсутствием
взаимозакручиваиия полидезоксирибонуклеотцд­
ных цепей в биспиральную молекулу; они распола-
гаются при тех же параметрах молекулы ДИК бок	а

о бок (ашл. side Ьу side, отсюда-SВS-форма). Такая форма ДИК обеспечивает необыкновенно

легкое распаривание и расхождение цепей ДИК, что крайне существенно при биосинтезе ДИК

Рис. 68. Полиморфизм вторичной структуры ДНК:

[-А-форма; ll-В-форма; а-вид сБОКУ; б-вид сверХУ. В А,форме дИК КОМ­

ПJ1сментарво свnанные азотиcгыe основания нухлеотидных пар отсто.т ОТ оси

спирали иа 0,425 им, а в В-форме-очень близки" ося спирали (СМ. табл.2О).

вследствие чего в первом случае внутри молехулы вознюс:ает полость, а ВО IIТОРОМ

осущеСТВJlllСТСJl почти полное заполнение внутренней части биспиральнorо дезОJ:- cиnолнрибонухлеотuда азотистыми основаниями

207

Малый xenoll

в-дик

. z-днк

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

тёмными шарами обозначены межнуклеотидные фосфаты. а соеДИНЯЮЩИМИ ИХ толстыми ЛИНИЯМИ-ХОД пентозофосфатноА цепи. Отчетливо прослежява­ ютCJI Z-образные изломы в левозаkРУЧенных пентозофосфатных цепях Z-ДИК и отсутствие таких изломов В правозакрученных цепях В-ДИК Ясио выступа­ ЮТ различия в числе и шубине большого н малого ",елобов в той и другой

форме ДИК

Рис. 70. Образование четыреxuепочечной

шпильки из полинуклеотила с ОЛИГОПУРИН-ОJlИ-

гопиримидиновоА ПОCJ1едоватe.rlЬНОСТЪЮ:

четвертичная спираль 'ВD3НИХает за счет 'КОМ­

плементарных взаимодействий в ней полиnури­ иовых (тёмные) и ПОЛИnИРИМlЩИновых (белые) участков в составе двойных спиралей (НИЖШUI часть рисунка)

Иедавно получена информация о существовании фрагментов молекул ДИК в виде ТроЙНЫХ и четверных спиралей. Первая из них получила название

и-дик, так как образуется при рИ 4,0, стабилизуясь и+; при этом тройной

комплекс возникает на пурин-пиримидиновых блоках путем присоединения к ним полипиримидиновых нитей. Биологический смысл формирования И­

дИК пока не ясен. Что касаеч:я четверных спиралей дик (рис.: 70), то их

можно расценивать как один из вариантов перехода к третичнои структуре

дезоксирибонуклеиновых кислот, в первичной структуре которых ярко пред­

ставлены олигопиримидиновые и олигопуриновые последовательности.

Два вида сил удерживают две полидезоксирибонуклеотидные цепи в би­ спиральной молекуле дик. Во-первых, это водородные связи между ком­ плементарными азотистыми основаниями, обращенными внутрь двойной спи­

рали дик (см. рис. 66). Образуя водородные связи, основания находятс~

в плоскости, перпендикулярной продольной оси В-формы Дик. так что эти связи действуют в поперечном направлении. Во-вторых, это силы гидрофоб­ ных взаимодействий между азотистыми основаниями, собранными в «стопку» вдоль молекулы дик; при такой упаковке оснований в водной среде возника­ ют 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. взаимодействи­ ями, направленными вдоль стопки основаlПlЙ и, в итоге, вдоль молекулы ДИК).

В последнее время силам стэкинг-взаимодействия придают более сущест­

венное, чем ,ранее, значеlПlе в поддержании вторичной структуры ДИК, а во­ дородным связям между комплементарными парами оснований приписывают

вбольшей мере направляющую роль во взаимной ориентации оснований

впроцессе стэкинг-взаимодеЙствия. Действительно, вклад гидрофобных вза­ имодействий в поддержаlПlе вторичной структуры биспиральных полинукле­

отидов возрастает при замене У на Т, т. е. за счет добавочно вводимого

гидрофобного метильного радикала.

Всвязи с ЭТИМ в ином свете представляется и устойчивость биспиральных структур в молекулах ДИК, 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 ДИК, причем катионы располагаются преимущественно в малом желобе двойной

спирали В-формы ДИК Стабилизирующее действие молекул воды направлено

непосредственно на усилеlПlе стэкинг-взаимодействия, что приводит к стабилиза­

ции водородных связей между основаlПlЯМИ. Вместе с тем при ослаблеlПlИ

стэкинг-взаимодействия молекулы воды конкурентно юаимодействуют с протон­ донорными И протон-акцепторными центрами оснований, способствуядестабили­ зации 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 ДИК. Все это подчеркивает динамичность

вторичной структурыдик и возможность конформациоииых и иных переходовв ией под воздействием агентов окружающей среды.

Биспиральные структуры в молекулах ДИК 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 ДИК присутствуют палиндромы-«обратно

									г
									ц-г .
								г	л
									Л··Т
								Г	Л
									Т"А
									г-·ц
									Т"Л
									Т"Л
									Л··Т
									Л"Т
								Г	Т
									г···ц
									Т"А
	__ ~ ~					•			г-·и
		г,	,., г' г'		~--_				Т··А
г----, ~----,				r------,		r-----'			Г:-:
									Ц
5'-гитиГТАТГТ,ТГТГТГ,Г'АЛТТГТ',ГlЛlГIЦ'ГlГ'А'ТlА,АиЛАТТJT,иAиAЦA'ГГАААЦАГЦТ---								ГUТЦГТЛТГТТ АГГЛЛАUЛГЦТ
I	I I	I I	I 1•• I I I	I	I	I	I
З'-ЦГАГЦАГАЦАL-:~~~It~~':.~UL1JUL'::rцL~Т::·:IYLI!!_Т_А_~У.:~:~~jЦЦТТТГТЦГЛ ~urAГUATAЦAG::~ЦUТTTГТЦГл
	~ ---~				•	~---			л··т
									и'-Г
									Л··Т
								U	и-г
									л
									Т"Л
									Т"Л
									Л"Т
									Л··Т
									и···г
									Л"Т
								Ц	Т
								U	Т"Л
									Т

Г···и

Ц

п

Рис. 71. Палиндромы ДНК кишечной палочки (зона лактозного оперона) в ]Шнейном (1)

ишпилечном (11) состоянии:

вЛИНCЙRОЙ струхтуре жирной ТОЧlюА отмечено место начала формироваlJИЯ шпильки: Iryнктирпыми прямоугольнmc8МИ­ зоны палиндромов; стрелками различной ТОЛШИJlЫ и формы-одноименные lIалиндромы и ИХ 1:12uраlшение

209