Главная страница Случайная лекция Мы поможем в написании ваших работ! Порталы: БиологияВойнаГеографияИнформатикаИскусствоИсторияКультураЛингвистикаМатематикаМедицинаОхрана трудаПолитикаПравоПсихологияРелигияТехникаФизикаФилософияЭкономика Мы поможем в написании ваших работ! |
Альтернативные структуры ДНКРассмотренную структуру ДНК обычно считают одним из несомненных фактов молекулярной биологии. Но недавно стало очевидным, что некоторые параметры классической В-формы нужно пересмотреть и даже что ДНК может образовывать другие типы двуспиральных структур. Проблема определения точных значений параметров двойной спирали связана с тем, что все первоначальные значения были получены при изучении дифракции рентгеновских лучей на волокнах ДНК. По этим данным установлены основные характеристики, такие, как число пар оснований на виток, расстояние между соседними парами вдоль оси спирали. Однако этим методом нельзя определить положения отдельных атомов, как это делают, используя рентгеноструктурный анализ. Поэтому модель уточняют, согласуя расчетную картину дифракции рентгеновских лучей с экспериментальными данными. Теоретически на основе одних и тех же данных всегда можно построить разные модели. Дело в том, что модель удовлетворяет усредненным данным и, следовательно, в определенных областях структуры возможны вариации. Например, до сих пор мы говорили о ДНК как о длинной, жесткой двойной спирали, но мы знаем, что в действительности она должна быть свернута и плотно уложена, для того чтобы уместиться в клетке. При этом детали ее структуры могут изменяться. Сейчас считается, что двухцепочечная ДНК-всегда двойная спираль. Однако была предложена и другая модель, хорошо согласующаяся с данными дифракции рентгеновских лучей. Согласно этой модели, две антипараллельные цепи ДНК также соединяются путем комплементарного спаривания оснований, но лежат «бок о бок», вместо того, чтобы закручиваться в непрерывную двойную спираль. Существование ДНК в виде двойной спирали было подтверждено экспериментами, в которых прямо измеряли число пар оснований на виток. Оказалось, что их 10,4 вместо 10,0, предсказанных классической В-моделью. Это различие вызвало необходимость несколько изменить угол вращения между соседними парами оснований вдоль спирали до 34,6°, так что отрезок спирали, в пределах которого совершается полный виток на 360°, стал несколько длиннее. Особенно важно, что значение 10,4 является средним для ДНК как целой молекулы при определенных условиях. Изменение условий или даже последовательности отдельных оснований может привести к большему или меньшему закручиванию спиральной структуры в соответствующих участках. Действительно, методом рентгеноструктурного анализа было показано, что молекула, состоящая из 12 пар оснований, содержит 10,1 пары оснований на виток, что обеспечивается слабым сдвигом каждой пары оснований, при котором улучшаются межплоскостные (стэкинг) взаимодействия между основаниями, по сравнению с первоначальной моделью. Ввиду таких вариаций идея о существовании единственной структуры двуспиральной ДНК сменилась представлением, допускающим наличие семейства структур, каждая из которых имеет характерный тип, но проявляет различия по главным параметрам - n (число нуклеотидов на виток) и h (расстояние между соседними повторяющимися элементами). Вариации обусловлены изменением вращения отдельных групп вокруг связей, обладающих свободой вращения. В пределах каждого семейства структур параметры могут слабо варьировать. Например, для В-ДНК значение n может составлять от 10,0 до 10,6. В течение долгого времени были известны три структурные формы ДНК, способные к взаимопревращениям при изменении соответствующих условий. В-форма спирали, для которой Уотсон и Крик построили свою модель, характерна для волокон ДНК при очень высокой относительной влажности (92%) и в растворах низкой ионной силы. Считают, что именно в такой форме ДНК обычно находится в живой клетке. А-форма обнаружена в волокнах ДНК при 75% влажности и нуждается в присутствии ионов натрия, калия или цезия, несущих противоположный заряд. Основания, располагавшиеся строго перпендикулярно оси спирали в В-форме, в А-форме наклонены по отношению к оси спирали, и их число на виток больше. А-форма интересна с биологической точки зрения, так как ее конформация очевидно, близка к структуре гибридов ДНК-РНК и двуспиральных участков РНК (обсуждается далее). Причина этого заключается в том, что 2'-гидроксильная группа мешает ДНК принять В-форму. С-форма образуется, когда ДНК находится при 66% влажности в присутствии ионов лития. У нее меньше пар оснований на виток, чем у В-ДНК. В этих трех формах могут находиться все ДНК независимо от их нуклеотидной последовательности. Следующие формы характерны только для молекул ДНК с определенными особенностями в составе пар оснований. D-форма и Е-форма (возможно, крайние варианты одной и той же формы) имеют наименьшее число пар на виток (8 и 7,5) и обнаружены только в определенных молекулах ДНК, не содержащих гуанина. Z-форма представляет собой наиболее резкий контраст с классическим структурным семейством. Эта форма левоспиральная, тогда как все остальные - правоспиральные. Она имеет наибольшее число пар на виток, т.е. менее скрученная и более тонкая. Свое название форма получила из-за зигзагообразной (zigzag) линии, которую образует сахарофосфатный остов вдоль спирали. В отличие от этого остов В-формы ДНК образует плавно изгибающуюся линию, что хорошо видно на рис., где сравниваются В- и Z-формы ДНК. Z-форма двойной спирали найдена в полимерах, образованных чередующимися пурин-пиримидиновыми последовательностями. Два исследованных полимера состояли из многократно повторенных динуклеотидных пар: poly-d (GC/CG) и poly-d (AC/TG). Буква «d» указывает, что это дезоксиформы, т.е. что это ДНК, а не РНК. Верхний и нижний ряды букв соответствуют двум цепям ДНК. Z-форма существует только при очень высоких концентрациях соли (что объясняется необходимостью противостоять повышенному электростатическому отталкиванию между нуклеотидами, сжатыми из-за уменьшения диаметра двойной спирали Z-ДНК). Вполне возможно, что Z-форма ДНК имеет определенное биологическое значение. Об этом свидетельствуют следующие данные: замена остатка С в полимере poly-d(GC/CG) и poly-d на 5-метилцитозин значительно повышает стабильность Z-ДНК при низкой концентрации соли. Единственное различие между 5-Ме-С и С заключается в наличии метильной группы при С-5. Эта модификация цитозина происходит in vivo в результате метилирования динуклеотидной последовательности GC/CG в некоторых участках ДНК. Отсюда вытекает, что Z-ДНК может существовать in vivo при подходящих условиях, т.е. когда последовательность соответствующего состава окажется в условиях, способствующих образованию Z-формы. До сих пор мы рассматривали ДНК как структуру совершенно изолированную. В действительности она связана с белками, которые могут оказывать значительное влияние на возможность перехода из В-формы в Z-форму. Например, ДНК, связанная с гистонами (основные хромосомные белки эукариотического ядра), не переходит из одной формы в другую в тех условиях, когда это наблюдают у свободной ДНК. Таким образом, одним из условий, необходимых для образования Z-ДНК in vivo, по-видимому, является присутствие особых белков, стабилизирующих ее структуру. Является ли Z-ДНК единственной левосторонней формой двойной спирали? Модели для левосторонних вариантов традиционных А-, В- и С-форм построены так, что, возможно, они и существуют. Следует помнить, что все эти формы сохраняют самую существенную в биологическом смысле особенность двойной спирали: комплементарность спаривания оснований, определяющую специфичность соединения цепей. При построении моделей каждую форму ДНК рассматривают независимо как конструкцию, в которой находится вся молекула в определенных условиях. Но вряд ли это действительно имеет место in vivo. Большинство клеточной ДНК находится, по-видимому, в В-форме с определенными модификациями параметров спирали, варьирующими локально. И только отдельные короткие участки спирали переходят в другие формы. А-ДНК В -ДНК Z-ДНК Рис. Нуклеиновые кислоты могут образовывать несколько типов двойной спирали. А-ДНК В-ДНК Z-ДНК Таким образом, ДНК может существовать в виде структурных семейств нескольких типов, в зависимости от концентрации ионов и нуклеотидного состава молекулы. Общие свойства этих форм суммированы в табл. 1.
1 Угол вращения показан знаком ( + ) в случае правосторонней спирали и знаком (—) в случае левосторонней спирали.
Дата добавления: 2014-04-16; просмотров: 1112; Нарушение авторских прав Мы поможем в написании ваших работ! |