Вторичная структура ДНК

Выяснение вторичной структуры ДНК – это одно из крупнейших открытий в биологии, поскольку при этом одновременно был раскрыт механизм передачи наследственной информации в ряду поколений. В 1953 году Д. Уотсон и Ф. Крик установили, что ДНК представляет собой двойную спираль, состоящую из двух антипараллельных полинуклеотидных цепей. Это заключение явилось результатом большого числа экспериментальных данных и первичных обобщений. К ним относятся работы Э. Чаргаффа и его сотрудников, которые показали, что нуклеотидный состав ДНК жестко сбалансирован. Важное значение имели результаты рентгеноструктурного анализа ДНК, полученные Р. Франклин, М. Вилкинсом с сотрудниками (1953). Они свидетельствуют о том, что полинуклеотидная цепь ДНК расположена в форме спирали с периодом идентичности (шагом) 3,4 нм и расстоянием между плоскостями оснований 0,34 нм. Физико-химическими исследованиями было установлено, что в молекуле ДНК между амино- и кетогруппами азотистых оснований образуются водородные связи. 

В модели двойной спирали Уотсона-Крика две полинуклеотидные цепи обвивают друг друга, образуя правую спираль (хеликс), углеводно-фосфатные группы располагаются снаружи, а пуриновые и пиримидиновые основания – внутри. Азотистые основания, принадлежащие двум цепочкам, избирательно соединяются водородными связями, образуя специфические пары: А – Т, Г – Ц (это отражается в одном из правил Чаргаффа). А и Т соединяются двумя водородными связями в положениях 1:3 и 6:4, Г и Ц – тремя водородными связями в положениях 1:3, 2:2 и 6:4. Эти азотистые основания называются комплементарными. 

Специфичность спаривания азотистых оснований обусловливает комплементарность, т.е. дополнительность цепей ДНК друг другу. Так, если в одной цепи находится сочетание нуклеотидов АТГЦ, то во второй цепи ему соответствует сочетание ТАЦГ. Таким образом, последовательность нуклеотидов в одной цепи автоматически определяет последовательность нуклеотидов в другой, комплементарной цепи. 

Расстояния между гликозидными связями одинаковы для каждой пары нуклеотидов – 1,085 нм. Цепи ДНК направлены противоположно друг другу, т.е. антипараллельны. Стабильность двойной спирали определяется в основном взаимодействием расположенных друг над другом, как стопка монет, азотистых оснований. Расстояние между плоскостями оснований (0,34 нм) примерно эквивалентно сумме ван-дер-ваальсовых радиусов ароматических колец. При этом создаются условия для возникновения особого рода ван-дер-ваальсовых сил – стэкинг-взаимодействий. 

В зависимости от условий выделения ДНК получают в виде разнообразных упорядоченных волокнисто-кристаллических структур. Основные черты модели, предложенной Д. Уотсоном и Ф. Криком, сохраняются в структуре, которой молекулы ДНК обладают в растворе и in vivo, получившей название формы B. Влажность ДНК в форме B выше 75%. На один виток спирали приходится 10 пар оснований, шаг спирали 3,4 нм, диаметр 2,0 нм. Считают, что B-форма ДНК благоприятна для процесса репликации. B-форма превращается в A-форму, когда влажность препарата ДНК становится менее 75%. В A-форме пары оснований наклонены к оси спирали под углом около 20°, в результате чего шаг спирали уменьшается с 3,4 до 2,8 нм. В A-форме насчитывается 11 пар оснований на виток, что приводи к укорачиванию цепи приблизительно на 25%. Предполагают, что в A-форме ДНК функционирует в процессе транскрипции. C-форма очень сходна с B-формой, имеет 9,3 пар оснований на виток, основания наклонены под углом 5°. Полагают, что форму, близкую к C, имеет ДНК в составе надмолекулярных структур хроматина и у ряда вирусов.  

В участках, содержащих чередующуюся последовательность Г и Ц, ДНК приобретает Z-форму. Это левая спираль, на один виток которой приходится 12 пар оснований. Сахарофосфатный остов имеет не форму спирали, а зигзагообразный вид (Z). Существуют данные, что в Z-форме ДНК участвует в кроссинговере. Известна также SBS-форма ДНК (от англ. side by side – бок о бок), в которой нет взаимозакрученности цепей в двойную спираль. Такая форма, видимо, обеспечивает легкость разделения цепей, что очень существенно при биосинтезе ДНК. 

Очень редко в частицах бактериофагов особой морфологической группы роль носителя генетической информации выполняет одноцепочечная ДНК. Пример – кольцевая одноцепочечная ДНК мелкого сферического бактериофага φX174, поражающего кишечную палочку. 

Анисимов А.А. Основы биохимии. Стр. 190-193.