ДНК: полиморфизм двойных спиралей
Фиксированная структура уотсон-криковских пар оснований допускает большое многообразие форм двойной спирали, которая обладает значительными конформационными возможностями (см. Полинуклеотидная цепь ). При различных экспериментальных условиях были обнаружены разнообразные формы двойных спиралей:
A, A', B,a-B',b-B', C, C', C'', D, E и Z
( Leslie A.G.W. ea, 1980 ). Буквами от А до Z обозначены различные структурные полиморфные модификации, приставки a и b относятся к чисто упаковочным отличиям, обусловленным симметрией кристаллической решетки, а штрихи указывают на вариации структуры внутри одного семейства.
Конформационные возможности двойных спиралей РНК ограничены образованием двух близких форм А и А'.
Структурные возможности ДНК гораздо богаче. Двойная спираль ДНК подвергается различным структурным перестройкам, приводящим к появлению целого ряда форм: правых спиралей А( A-ДНК ), В( B-ДНК ), С( C-ДНК ). К этому списку следует добавить D- , E- и Z-формы - полинуклеотиды, у которых повторяется определенный олиго- нуклеотидный мотив; при этом Z-форма представляет собой левую спираль.
Cтруктура молекулы ДНК определяется в основном окружением (присутствием солей, спирта), но определяющую роль играют также последовательность оснований и нуклеотидный состав .
Правые спирали образуют два семейства: А-семейство (конформация сахарных остатков С3'-эндо) и В-семейство (конформация сахарных остатков С2'-эндо). В-семейство включает также С- и D-ДНК. Различие в конформациях сахарных остатков приводит к неодинаковым геометрическим характеристикам двойных спиралей: разному смещению пар относительно оси спирали, углу наклона пар и размерам минорного и главного желобков.
В-форма ДНК ( B-ДНК ) обнаружена в волокнах, содержащих ионы Na, при высокой относительной влажности. Это дает основания полагать, что она соответствует форме, присутствующей в обычных водных растворах. А-форма ДНК ( A-ДНК ) наблюдается в волокнах в присутствии ионов Na при относительной влажности меньше 75%. А- и В-формы переходят одна в другую ( B-A переход ) при изменении относительной влажности. Находятся ли природные ДНК в А-форме - неизвестно, но можно с определенностью сказать, что гибриды ДНК- РНК существуют именно в А-, а не в В-форме даже в водных буферных растворах ( Кантор Ч. и Шиммел П., 1984 ).
Приведенные структуры имеют некоторые общие особенности. Все они (кроме Z-формы, образующейся только для чередующихся пурин- пиримидиновых последовательностей) являются правыми спиралями, все имеют оси симметрии 2-ого порядка, которые представляют собой истинные оси симметрии для сахарофосфатного остова и оси псевдосимметрии для самих пар. Эти оси являются осями вращения; это означает, что сахарофосфатные остовы должны быть ориентированы в противоположных направлениях. Антипараллельность цепей - одна из важнейших особенностей двойных спиралей. При этом концы двойной спирали химически и структурно идентичны, каждый содержит по одному 3'- и 5'-концу одиночных цепей. Еще одной особенностью всех двойных спиралей является стэкинг (межплоскостное взаимодействие) оснований. Во всех формах двойной спирали расстояние между плоскостями соседних пар остается приблизительно одинаковым, около 3,5 А. Это соответствует вандерваальсовым радиусам плоских ароматических соединений.
Ниже приводится обобщенная схема, иллюстрирующая связь между различными семействами природных ДНК и РНК ( Drew H. ea, 1980 ). ---------------------------------------------------------------
72% 50%
Низкая
Kонцентрация соли концентрация Kонцентрация соли
A'<---------------A <---------->Z---------------->'
(только для РНК)/ соли ! \
Минимальное / ! \ 0,7M MgCl2
содержание / ! \ или
соли / спиртовые ! растворы \2,5М NaCl
(не Li+)/ ! \
/ Уменьшение Увеличение \
<------------------- / B \ -------------------->
\ влажности / \ концентрации соли/
\ в волокнах / \ в растворах /
Повышение\ / В-семейство \ /
содержания \ \ / / 3M солевой
связанной \ \ / / раствор
соли \ \ / /
--------->С <--------
Внутрисемейственные переходы происходят при изменении концентрации соли. Межсемейственные переходы индуцируются изменением относительной влажности и концентрации соли в волокнах или пленках и изменением ионной силы или полярности растворителя в растворе.
РНК-область на схеме ограничивается А-семейством, а Z- семейство, включающее левые спирали , возможно , состоит только из чередующихся последовательностей пурин-пиримидин.
