VI.3. Молекулярная структура нуклеиновых кислот

Ха­рак­тер­ные для ка­ж­до­го ви­да нук­леи­но­вых ки­слот мо­но­нук­лео­ти­ды, объ­е­ди­ня­ясь в ко­ли­че­ст­ве не­сколь­ких со­тен, а ино­гда и ты­сяч, в еди­ную мо­ле­ку­лу, об­ра­зу­ют гро­мад­ные по­ли­мер­ные це­пи. Та­ким об­ра­зом по сво­ему хи­ми­че­ско­му строе­нию нук­леи­но­вые ки­сло­ты яв­ля­ют­ся по­ли­ри­бо­нук­ле­о­ти­да­ми (РНК) и по­ли­де­зок­си­ри­бо­нук­ле­о­ти­да­ми (ДНК). Со­еди­не­ние нук­лео­тид­ных ос­тат­ков в мо­ле­ку­лах нук­леи­но­вых ки­слот осу­ще­ст­в­ля­ет­ся од­ним и тем же пу­тём, с по­мо­щью фос­фо­ди­эфир­ных свя­зей, об­ра­зуе­мых ме­ж­ду па­ра­ми нук­лео­ти­дов ос­тат­ка­ми фос­фор­ной ки­сло­ты, ко­то­рые свя­зы­ва­ют 3¢- и 5¢-ато­мы со­сед­них нук­лео­ти­дов.

Наи­бо­лее вы­со­ки­ми мо­ле­ку­ляр­ны­ми мас­са­ми об­ла­да­ют мо­ле­ку­лы ДНК, для ко­то­рых ти­пич­ной ве­ли­чи­ной яв­ля­ет­ся мас­са от 5 до 10 млн. даль­тон. Это са­мые боль­шие мо­ле­ку­лы в при­ро­де. Мо­ле­ку­ляр­ные мас­сы РНК из­ме­ня­ют­ся в дос­та­точ­но ши­ро­ких пре­де­лах. При этом вы­де­ля­ют низ­ко­мо­ле­ку­ляр­ные РНК – т-РНК (18–35 тыс. даль­тон) и вы­со­ко­мо­ле­ку­ляр­ные РНК – р-РНК (600 тыс. – 1 млн. 200 тыс. даль­тон) и и-РНК (1 млн. – 4 млн. даль­тон).

Пер­вич­ная струк­ту­ра ДНК

Пред­став­ля­ет со­бой изо­гну­тую спи­раль­ную цепь со­еди­нен­ных ко­ва­лент­ны­ми свя­зя­ми нук­лео­ти­дов.

Ус­та­нов­ле­ние пер­вич­ной струк­ту­ры ДНК слож­нее ус­та­нов­ле­ния пер­вич­ной струк­ту­ры бел­ка. Это свя­за­но с од­но­об­ра­зи­ем её строе­ния. В 1977 го­ду бы­ла оп­ре­де­ле­на пол­ная нук­лео­тид­ная по­сле­до­ва­тель­ность ДНК бак­те­рио­фа­га YC 174 (пси-икс 174). Это вы­даю­щее­ся дос­ти­же­ние оз­на­ме­но­ва­ло со­бой на­ча­ло но­вой эры в био­хи­мии ге­нов и хро­мо­сом. С тех пор бы­ла рас­шиф­ро­ва­на нук­лео­тид­ная по­сле­до­ва­тель­ность це­ло­го ря­да ге­нов. В на­стоя­щее вре­мя в прин­ци­пе мож­но оп­ре­де­лить по­сле­до­ва­тель­ность нук­лео­ти­дов лю­бой ДНК.

Ре­шаю­щий ус­пех в ус­та­нов­ле­нии пер­вич­ной струк­ту­ры ДНК был дос­тиг­нут бла­го­да­ря 3-м ос­нов­ным дос­ти­же­ни­ям.

Пер­вым из них яви­лось от­кры­тие ре­ст­рик­ти­рую­щих эн­до­нук­ле­аз, ко­то­рые рас­ще­п­ля­ют мо­ле­ку­лы ДНК толь­ко в срав­ни­тель­но не­боль­шом чис­ле спе­ци­фи­че­ских то­чек. Это по­зво­ли­ло рас­ще­п­лять мо­ле­ку­лу ДНК на оп­ре­де­лён­ные фраг­мен­ты раз­ны­ми спо­со­ба­ми с об­ра­зо­ва­ни­ем пе­ре­кры­ваю­щих­ся по­сле­до­ва­тель­но­стей.

Вто­рым важ­ным дос­ти­же­ни­ем ока­за­лось усо­вер­шен­ст­во­ва­ние элек­тро­фо­ре­ти­че­ских ме­то­дов раз­де­ле­ния фраг­мен­тов ДНК в со­от­вет­ст­вии с чис­лом со­дер­жа­щих­ся в них нук­лео­тид­ных ос­тат­ков (с об­щим чис­лом при­бли­зи­тель­но 200 нук­лео­ти­дов, раз­ли­чаю­щих­ся все­го на один ос­та­ток).

Треть­им дос­ти­же­ни­ем ста­ла раз­ра­бот­ка ме­то­дов кло­ни­ро­ва­ния ДНК, ко­то­рое сде­ла­ло воз­мож­ным по­лу­че­ние дос­та­точ­но боль­шо­го ко­ли­че­ст­ва чис­тых мо­дель­ных ге­нов – ис­ход­но­го ма­те­риа­ла для оп­ре­де­ле­ния пер­вич­ной струк­ту­ры ДНК.

На ос­но­ва­нии все­го это­го бы­ло пред­ло­же­но 2 прин­ци­пи­аль­ных под­хо­да к оп­ре­де­ле­нию пер­вич­ной струк­ту­ры нук­леи­но­вых ки­слот – ме­тод об­ры­ва це­пи Ф. Сен­ге­ра и Р. Ко­ул­со­на и ме­тод хи­ми­че­ско­го рас­ще­п­ле­ния (А. Мак­са­ма и В. Гиль­бер­та).

Ме­тод об­ры­ва це­пи ос­но­ван на по­лу­че­нии пол­но­го на­бо­ра убы­ваю­щих по чис­лу нук­лео­тид­ных ос­тат­ков ко­пий од­но­це­по­чеч­ной ДНК с по­мо­щью ДНК-по­ли­ме­раз­ной ре­ак­ции. При этом ис­поль­зу­ют­ся 4 ре­ак­ци­он­ные сме­си, в ка­ж­дую из ко­то­рых до­бав­ля­ют, по­ми­мо 4-х мо­но­ме­ров, ана­лог од­но­го из ос­но­ва­ний (2¢,3¢-ди­де­зок­сиа­на­лог) в ка­че­ст­ве тер­ми­на­то­ра рос­та це­пи. За­тем це­пи в ка­ж­дой сме­си раз­де­ля­ют с по­мо­щью гель-элек­тро­фо­ре­за и про­во­дят ра­дио­ав­то­гра­фию с по­мо­щью ра­дио­ак­тив­но­го фос­фо­ра (Р-32). По чис­лу на­блю­дае­мых по­лос ус­та­нав­ли­ва­ют чис­ло нук­лео­тид­ных ос­тат­ков ДНК или её фраг­мен­та и вы­яв­ля­ют по­ло­же­ние азо­ти­стых ос­но­ва­ний с по­мо­щью осо­бых ре­ак­ций на 3¢-кон­це ка­ж­до­го из фраг­мен­тов.

Ме­тод хи­ми­че­ско­го рас­ще­п­ле­ния. В со­от­вет­ст­вии с этим ме­то­дом про­во­дят хи­ми­че­скую мо­ди­фи­ка­цию азо­ти­стых ос­но­ва­ний в ДНК (ре­ак­ция­ми ал­ки­ли­ро­ва­ния, аци­ли­ро­ва­ния). За­тем из­би­ра­тель­но рас­ще­п­ля­ют це­поч­ку ДНК по мес­ту мо­ди­фи­ци­ро­ван­ных ос­но­ва­ний, про­во­дят раз­де­ле­ние про­дук­тов рас­ще­п­ле­ния в по­ли­ак­ри­ла­мид­ном ге­ле с по­мо­щью элек­тро­фо­ре­за. По­сле это­го ана­ли­зи­ру­ют по­лу­чен­ные элек­тро­фо­ре­грам­мы и по по­ло­же­нию мо­ди­фи­ци­ро­ван­но­го азо­ти­сто­го ос­но­ва­ния вос­ста­нав­ли­ва­ют пер­вич­ную струк­ту­ру в ана­ли­зи­руе­мом фраг­мен­те ДНК.

Не­дав­но с ис­поль­зо­ва­ни­ем по­след­них вер­сий опи­сан­ных ме­то­дов бы­ла ус­та­нов­ле­на пол­ная пер­вич­ная струк­ту­ра ге­но­ма че­ло­ве­ка.

Вто­рич­ная струк­ту­ра ДНК

Вто­рич­ная струк­ту­ра ДНК пред­став­ля­ет со­бой дву­спи­раль­ную мак­ро­мо­ле­ку­лу, со­став­лен­ную па­ра­ми взаи­мо­за­кру­чен­ных по­ли­де­зок­си­ри­бо­нук­ле­о­тид­ных це­пей, ка­ж­дой из ко­то­рых свой­ст­вен­но спе­ци­фи­че­ское, но про­ти­во­по­лож­ное че­ре­до­ва­ние нук­лео­тид­ных ос­тат­ков, со­еди­нён­ных по прин­ци­пу ком­пле­мен­тар­но­сти.

Эта мо­дель бы­ла пред­ло­же­на в 1953 г. Дж. Уот­со­ном и Ф. Кри­ком на ос­но­ва­нии дан­ных рент­ге­но­ст­рук­тур­но­го ана­ли­за ДНК. При этом бы­ло ус­та­нов­ле­но, что ДНК склон­на к по­ли­мор­физ­му и в раз­лич­ных ус­ло­ви­ях (как пра­ви­ло, в сре­де с раз­лич­ным ион­ным со­ста­вом) су­ще­ст­ву­ет в ви­де по-раз­но­му упо­ря­до­чен­ных во­лок­ни­сто-кри­стал­ли­че­ских струк­тур. Их су­ще­ст­ву­ет бо­лее де­сят­ка, но наи­бо­лее рас­про­стра­не­ны и изу­че­ны ме­то­дом рент­ге­но­ст­рук­тур­но­го ана­ли­за толь­ко че­ты­ре: А-, В-, С- и Т-фор­мы ДНК. Все они яв­ля­ют­ся пра­во­зак­ру­чен­ны­ми спи­ра­ля­ми. Су­ще­ст­во­ва­ние та­ко­го ко­ли­че­ст­ва вто­рич­ных струк­тур ДНК обу­слов­ле­но тем, что в ка­ж­дый мо­мент сво­его су­ще­ст­во­ва­ния ДНК об­ра­зу­ет наи­бо­лее удоб­ных для вы­пол­няе­мых ею функ­ций кон­фи­гу­ра­ции:

– А-фор­ма мо­ле­кул наи­бо­лее удоб­на для про­цес­са транс­крип­ции;

– В-фор­ма – для ре­п­ли­ка­ци­он­ных про­цес­сов;

– С-фор­ма – для об­ра­зо­ва­ния мо­ле­ку­лой ДНК и бел­ка­ми хро­ма­ти­на.

В 70-х го­дах XX ве­ка бы­ли по­лу­че­ны дан­ные о су­ще­ст­во­ва­нии двух но­вых кон­фор­ма­ций вто­рич­ной струк­ту­ры ДНК – Z-фор­мы и SBS-кон­фор­ма­ции. Z-фор­ма пред­став­ле­на ле­во­зак­ру­чен­ны­ми по­ли­де­зок­си­ри­бо­нук­ле­о­тид­ны­ми це­пя­ми с зиг­за­го­об­раз­ным рас­по­ло­же­ни­ем фос­фат­ных групп. В Z-фор­ме ДНК уча­ст­ву­ет в раз­лич­ных ме­та­бо­ли­че­ских про­цес­сах. SBS-кон­фор­ма­ция ДНК ха­рак­те­ри­зу­ет­ся от­сут­ст­ви­ем взаи­мо­за­кру­чен­ных по­ли­де­зок­си­ри­бо­нук­ле­о­тид­ных це­пей в бис­пи­раль­ную мо­ле­ку­лу; они рас­по­ла­га­ют­ся бок о бок, очень лег­ко рас­па­ри­ва­ют­ся, рас­хо­дят­ся, что иг­ра­ет боль­шую роль при био­син­те­зе ДНК.

Об­ра­зо­ва­ние опи­сан­ных струк­тур ДНК (кро­ме SBS-кон­фор­ма­ции) воз­мож­но за счёт двух при­чин:

а) бла­го­да­ря во­до­род­ным свя­зям ме­ж­ду ком­пле­мен­тар­ны­ми азо­ти­сты­ми ос­но­ва­ния­ми, об­ра­щён­ны­ми внутрь двой­ной спи­ра­ли;

б) за счёт си­лы гид­ро­фоб­ных взаи­мо­дей­ст­вий ме­ж­ду азо­ти­сты­ми ос­но­ва­ния­ми, со­б­ран­ны­ми в «стоп­ку» вдоль мо­ле­ку­лы ДНК, так на­зы­вае­мых стэ­кинг-взаи­мо­дей­ст­вий.

Счи­та­ют, что гиб­ро­фоб­ные взаи­мо­дей­ст­вия иг­ра­ют оп­ре­де­ляю­щую роль в фор­ми­ро­ва­нии вто­рич­ной струк­ту­ры ДНК, а во­до­род­ные свя­зи – все­го лишь на­прав­ляю­щую.

Бис­пи­раль­ные струк­ту­ры в мо­ле­ку­лах ДНК воз­ни­ка­ют не толь­ко при взаи­мо­дей­ст­вии двух ком­пле­мен­тар­ных по­ли­де­зок­си­ри­бо­нук­ле­о­тид­ных це­пей, но и в пре­де­лах од­ной и той же це­пи. Это слу­ча­ет­ся то­гда, ко­гда в ком­пле­мен­тар­ных це­пях ДНК при­сут­ст­ву­ют па­лин­дром­ные уча­ст­ки. Па­лин­дро­мы спи­ра­ли­зу­ют­ся са­ми на се­бя, об­ра­зуя так на­зы­вае­мые «шпиль­ки» – струк­ту­ры, при­спо­соб­лен­ные для уз­на­ва­ния струк­тур ДНК фер­мен­та­ми и ре­гу­ля­тор­ны­ми бел­ка­ми. Так­же па­лин­дро­мы слу­жат для фор­ми­ро­ва­ния эле­мен­тов тре­тич­ной струк­ту­ры ДНК.

Тре­тич­ная струк­ту­ра ДНК

Пред­став­ля­ет со­бой рас­по­ло­же­ние по­ли­нук­лео­тид­ных це­пей в трёх­мер­ном про­стран­ст­ве. Мо­ле­ку­лы ДНК при этом под­вер­га­ют­ся до­пол­ни­тель­ной спи­ра­ли­за­ции и су­пер­спи­ра­ли­за­ции и су­ще­ст­ву­ют в ви­де ли­ней­ных и коль­це­вых форм. В ли­ней­ной фор­ме на­хо­дит­ся боль­шин­ст­во при­род­ных ДНК, а ДНК боль­шин­ст­ва ви­ру­сов, фа­гов, кле­точ­ных ор­га­нелл – хло­ро­пла­стов, ми­то­хон­д­рий, цен­трио­лей, бак­те­ри­аль­ных плаз­мид на­хо­дит­ся в коль­це­вой фор­ме. Ме­ж­ду ли­ней­ны­ми и коль­це­вы­ми фор­ма­ми су­ще­ст­ву­ют ди­на­ми­че­ские пе­ре­хо­ды:

В хро­мо­со­мах эу­ка­ри­от ДНК на­хо­дит­ся в су­пер­спи­ра­ли­зо­ван­ном со­стоя­нии в свя­зи с бел­ка­ми, об­ра­зуя де­зок­си­ри­бо­нук­ле­о­про­теи­ды. В нук­лео­про­теи­дах бел­ко­вый ком­по­нент пред­став­лен бел­ка­ми про­теи­на­ми ос­нов­но­го ти­па – про­та­ми­на­ми и гис­то­на­ми. Связь ме­ж­ду бел­ка­ми и нук­леи­но­вы­ми ки­сло­та­ми осу­ще­ст­в­ля­ет­ся по­сред­ст­вом элек­тро­ста­ти­че­ско­го взаи­мо­дей­ст­вия ме­ж­ду ио­ни­зи­ро­ван­ны­ми ос­тат­ка­ми фос­фор­ной ки­сло­ты нук­лео­ти­дов и ио­ни­зи­ро­ван­ны­ми ра­ди­ка­ла­ми ли­зи­на, ар­ги­ни­на и гис­ти­ди­на бел­ков:

При со­еди­не­нии ДНК с бел­ка­ми про­ис­хо­дит вза­им­ная ста­би­ли­за­ция и бел­ков, и нук­леи­но­вых ки­слот вслед­ст­вие свое­об­раз­ной ре­ак­ции ней­тра­ли­за­ции.

ДНК в со­еди­не­нии с бел­ка­ми об­ра­зу­ет эле­мен­тар­ную еди­ни­цу струк­ту­ры хро­ма­ти­на – нук­лео­со­му. Осо­бен­но­стью про­цес­са фор­ми­ро­ва­ния тре­тич­ной струк­ту­ры ДНК яв­ля­ет­ся так­же и то, что пе­ре­ход ДНК в су­пер­спи­ра­ли­зо­ван­ное со­стоя­ние и об­рат­но осу­ще­ст­в­ля­ет­ся по­сред­ст­вом осо­бой груп­пы фер­мен­тов – то­пои­зо­ме­раз, из­ме­няю­щих про­стран­ст­вен­ную струк­ту­ру нук­лео­про­те­ид­но­го ком­плек­са.

Молекулярная структура ДНК обуславливает наличие у этой нуклеиновой кислоты целого комплекса свойств, в чём-то совпадающих с общими свойствами нуклеиновых кислот, и чем-то различающихся с ними.