WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
A-DNA А-ДНК V. I. IVANOV..

‚ - Being discovered more than 40 years ago, the A form of DNA is beginning Модель двойной спирали ДНК Уотсона и Крика to unravel its biological (так называемая В-форма ДНК) была построена в secrets.

1953 году. Она наглядно продемонстрировала, как устроены гены и как они удваиваются при делении клетки. Так возникла новая область науки – моле‡fl · 40 кулярная биология. Менее известно, что еще до от‡‡‰ -‡ ‰‚ крытия двойной спирали Розалинда Франклин из ‡ ‡‡ Лондонского королевского колледжа получила экспериментальные свидетельства существования весь‡‚‡ ‚ ·ма упорядоченной структуры в ориентированных „.

вытягиванием и подсушенных волокнах ДНК. Эта структура, пространственное строение которой тогда еще не было установлено, получила название А-формы ДНК. Биологи мало интересовались А-формой, считая ее небольшим искажением модели Уотсона–Крика для В-ДНК. К тому же А-ДНК возникала при малой влажности, то есть не при физиологических условиях – ведь в клетке воды много.

Но если не ограничиваться теми параметрами А-ДНК, которые обычно приведены в учебниках:

11 пар на виток, наклон пары к оси спирали 70°, диаметр спирали около 20, что действительно близко к В-ДНК: 10 пар на виток, 90°, диаметр 20 соответственно, то А-ДНК существенно отличается по своей структуре от уотсон-криковской В-ДНК (рис. 1). Дело в том, что пары оснований в А-форме очень сильно отодвинуты от оси спирали к периферии молекулы – почти на половину радиуса; сдвиг достигает 4–5. В В-ДНК он близок к нулю, поэтому А-ДНК при взгляде сверху (вдоль оси спирали) выглядит как труба (рис. 1, а). Столь яркое различие В- и А-форм не позволяет считать А-форму некоторым искажением В-формы и заставляет задумываться о биологической роли А-ДНК.

Между тем кристаллографы выяснили молекулярную механику, ответственную за “дыру” в центре спирали А-формы. Оказалось, что пятиугольное сахарное кольцо дезоксирибозы имеет разные конфигурации в В- и А-ДНК и играет роль переключателя с двумя устойчивыми состояниями: С2-эндо – у В-формы и С3-эндо – у А-формы (рис. 1, б). При переключении из первого состояния во второе пары оснований скачком отодвигаются от оси двойной спирали, поскольку сахарные кольца непосредственно соединены с основаниями ДНК.

- Дальнейшие исследования структур двойной спирали в растворе, а также теоретические расчеты показали, что на самом деле существуют не просто, ‹1, © ‚‡‚.., С3-эндо, вид сбоку аб B-форма N O С2-эндо, вид сбоку N A-форма O С2-эндо, вид сверху O Рис. 1. а – схематическое изображение А- и В-формы ДНК. Синим цветом обозначены пары оснований. Справа – вид вдоль оси спирали; слева – вид перпендикулярно оси спирали. Обратите внимание на большое отверстие в центре А-ДНК из-за того, что в А-форме пары оснований отодвинуты от оси спирали; б – две устойчивые конфигурации сахарного кольца ДНК. Сахар С3-эндо встречается в А-форме, С2-эндо – в В-форме. Цифры – нумерация атомов сахарного кольца – пентозы. N – атом азота основания, соединенный гликозильной связью с сахаром – дезоксирибозой две формы (А и В), но два обширных семейства кая В-форма – с углом поворота между парами = форм: А- и В-семейство. Структуры в пределах каж- = 36° (получается делением полного витка 360° на дого из семейств в зависимости от условий (напри- 10 пар, приходящихся в В-форме на виток). Расстомер, концентрации соли, температуры) могут иметь яние пар от оси в В-форме D = 0. Глядя на карту разное число пар, приходящихся на виток спирали, (рис. 2), видно, что В-форма находится вблизи южразный наклон пар оснований к оси спирали и т.д. ного конца самой глубокой части В-оврага. НаибоНо все формы А-семейства характеризуются боль- лее тугозакрученные формы В-семейства c = 45° шим расстоянием пар оснований от оси спирали. расположены у северного края дна В-оврага. Что касается А-семейcтва, то его овраг заполнен известВзаимоотношение форм А- и В-семейств лучше ными А-спиралями лишь в южной части. Это ознавсего видно на так называемой конформационной чает, что могут быть открыты и новые, более закрукарте, представленной на рис. 2. Карта для двойной ченные формы А-семейства. И действительно, такие спирали ДНК была впервые построена В.Б. Журкиучастки А-спирали обнаружены в последние годы в ным, Ю.П. Лысовым и автором этой статьи с помокристаллах коротких (6–10 пар оснований) образщью компьютерного теоретического расчета возцов ДНК. Обратите внимание на западную границу можных допустимых спиралей ДНК, то есть таких, А-оврага. Она строго вертикальна и расположена у которых атомы не “налезают” друг на друга. Конвдоль линии со значением D = 2,5 (рис. 2). Поформационная карта аналогична рельефной геограскольку параметр D – это расстояние пар оснований фической карте, только вместо параллелей у нас буот оси спирали, то не может существовать никаких дут величины углов поворота между соседними форм А-семейства (в том числе еще неоткрытых в парами оснований двойной спирали, вместо мериэксперименте) с парами в центре спирали, как, надианов – расстояния пар оснований от оси спирапример, в В-форме (D = 0 ).

ли, а вместо уровней равной высоты рельефа – уровни равной энергии двойной спирали в расчете На основе сказанного выше уместно рассмотна одну пару оснований.

реть проблему соотношения теории и эксперименНа рис. 2 видны овальные области – овраги: се- та. Мы видим, что теория и эксперимент дополняют веро-западный овраг содержит энергетически допу- друг друга. И в самом деле, эксперимент (кристалстимые формы В-семейства; юго-восточный – лографический) открыл В- и А-формы ДНК. Теоформы А-семейства. Внутренние овалы в каждом из рия (здесь это компьютерный конформационный оврагов охватывают формы, самые выгодные энер- анализ) только утверждает, чего не может быть. В гетически. Внешние овалы включают в себя формы данном случае не могут реально существовать двойменее выгодные, но все же допустимые. Части кар- ные спирали с параметрами вне оврагов карты {D, } ты вне оврагов пусты, здесь спирали ДНК вообще из-за того, что возникают недопустимо тесные конне могут существовать, так как имеют слишком не- такты атомов ДНК друг с другом. На первый взгляд выгодную энергию. Мы видим, что найденные в может показаться, что это говорит о примате эксэксперименте формы (точки на карте) находятся перимента над теорией, которая только что-то залибо на дне оврагов, либо поблизости. Классичес- прещает. Но вспомним: во всех обнаруженных в.. даже небольшое воздействие может менять кон50° формацию спирали в пределах В- и А-семейств. В частности, даже тепловое движение при физиологиB ческих температурах приводит к флуктуациям угла -закрутки двойной спирали на 5°, что почти охватыD 45° вает все протяжение дна оврага для В-семейства.



T Этот результат также подтверждается эксперименA том. Такой вывод коренным образом меняет пред-ставление о двойной спирали ДНК как о жесткой 40° структуре, содержащей 10 пар на виток в В-форме C и 11 пар в А-форме. Итак, теория и эксперимент, -взаимно дополняя друг друга, позволяют исследоB вать природу вещей. Как говорил М.В. Ломоносов, 35° “согласие всех причин есть самый общий закон A природы”.

-A' - 30° – Как всегда, открытие было неожиданным. Занимаясь рутинной работой, кристаллографы начали 25° интересоваться РНК. Хотя РНК, как правило, представляет собой одну нить, эта нить, навиваясь -10 -5 0 сама на себя, может образовывать короткие участки D, двойной спирали. Стали исследовать двуспиральную РНК. Оказалось, что двойная спираль из цепей Рис. 2. Области существования форм В- и А-семейств по результатам компьютерного моделиРНК имеет структуру А-формы и, что замечательрования. Ордината – угол поворота между соседно, даже при 100%-ной влажности, при которой ними парами оснований. Абсцисса – расстояние ДНК всегда в В-форме! Итак, спирали РНК – втопар от оси спирали D. В В-форме, у которой ось рой важнейшей нуклеиновой кислоты существуют спирали проходит в центре тяжести пары, величину D принимают равной нулю. Поэтому в зависи- в А-форме при физиологических условиях. Это отмости от того, в какую сторону от оси спирали крытие сразу поставило А-конформацию в ряд биосдвинуты пары, величина D может быть как полологически значимых. Интересен вопрос, почему жительной (например, все формы А-семейства), ДНК может принимать в зависимости от влажнотак и отрицательной. Черта над буквами А и В на карте обозначает, что мы имеем дело со всем се- сти и В- и А-форму, а РНК – только А-форму Отмейством А- или В-форм, а не с конкретной А- или вет дает рис. 3. Дело в том, что дополнительная В-формой. Линии овалов – границы областей рав2'ОН-группа рибозы создает пространственные заной энергии: сплошные – для форм В-семейства, труднения именно в структуре В-, но не А-формы.

пунктир – для форм А-семейства. Цифры у линий – энергия в ккал/моль согласно расчетам. Имеет Однако нас все-таки больше интересует А-ДНК.

значение лишь их относительная величина. Точки Играет ли она биологическую роль Двуспиральные внутри областей – оврагов (B, C, T, D, A, A') отноРНК – это А-форма, а какую форму имеет гибрид сятся к различным формам В- и А-семейств, обнаруженным в рентгеноструктурных исследова- из одной нити РНК и одной нити ДНК Вопрос не ниях ориентированных волокон ДНК и РНК. Обрапраздный, он имеет и биологический интерес. Изтите внимание на левую вертикальную границу вестно, что репликация ДНК начинается с синтеза оврага А-форм. Она означает, что во всех формах короткой РНК (потом она удаляется). Эта РНК обА-семейства пары оснований сдвинуты от оси спирали на значительное расстояние разует гибридную двойную спираль с одной из расплетенных нитей ДНК. Какова будет ее форма Поскольку цепь ДНК может принимать обе формы: А эксперименте формах А-семейства пары основаи В, в то время как цепь РНК – только А-форму, есний сильно отодвинуты от оси. Сколько бы такого тественно ожидать, что цепь РНК заставит цепь рода форм ни было обнаружено, всегда найдутся ДНК также принять А-форму.

скептики, которые скажут: “Кто знает, может быть, в будущих экспериментах мы найдем А-формы (то Гибрид РНК–ДНК должен возникать и в проесть с сахаром 3-эндо), пары оснований которых буцессе транскрипции, то есть при считывании РНК дут расположены вблизи оси спирали” Однако тепо ДНК гена. Развивая эту идею, В.Л. Флорентьев и ория утверждает, что такого быть не может, так как автор статьи продемонстрировали на молекулярных западная граница форм А-семейства на карте {D, } моделях, что извлечение оснований наружу из двуне приближается к оси спирали ближе, чем на 2,0.

спиральной ДНК для спаривания с основаниями Расчеты показывают, что вдоль дна оврагов кар- растущей цепи РНК осуществить легче, если прилеты {D, } энергия меняется слабо. Это означает, что жащий участок ДНК-матрицы находится в А-форме, ‹1, 3 B-форма P A-форма P Рис. 3. Пространственная структура соседних звеньев одной полинуклеотидной цепи в В- и Аформах. Штрихпунктир слева – ось спирали. Прямоугольники – азотистые основания. Пунктир в пятичленном сахарном кольце – линия сгиба для С2-эндо (В-семейство) и С3-эндо (А-семейство).





Цифры – нумерация атомов сахара. Отметим, что заместитель в положении 2 большего размера, чем водород, не помещается в тесном пространРис. 4. Гипотетическая модель для взаимораспостве, уготовленном для него в В-форме. В А-форложения матрицы ДНК и гибридного участка ДНК– ме этот заместитель “смотрит” наружу и тем саРНК при работе РНК-полимеразы. Вертикальная мым не имеет тесных контактов. Поэтому двойная спираль – участок матрицы ДНК в А-форме; Коротспираль РНК, содержащая в положении 2 группу кая наклонная спираль справа от матрицы ДНК – ОН, может быть только в А-форме гибрид РНК–ДНК. Синие цилиндры символизируют основания ДНК, сиреневые – РНК. Поэтому цилиндры, состоящие из сиреневых и синих полови(рис. 4). Недавно В.Б. Журкин предложил модифинок, относятся к гибриду РНК–ДНК. А-подобная цировать эту модель в том отношении, что основа- спираль ДНК–РНК состоит их двух пар и продолжена за пределы этой величины, чтобы показать ния растущей цепи РНК взаимодействуют не с одвзаимное расположение спиралей матрицы ДНК ной нитью ДНК, а сразу с двумя, образуя так и гибрида ДНК–РНК называемый параллельный триплекс с А-подобной геометрией нитей. Правда, следует сказать, что наЭто открытие доказало, что биологическая роль Аличие А-формы или подобной ей конформации при ДНК далее не может быть проигнорирована.

работе РНК-полимеразы пока не доказано. Но зато это доказано в 1993 году методом кристаллографии Еще раньше, в 1991 году, А-ДНК была обнаружедля другого матричного фермента – обратной трансна в биологическом объекте, где ее возникновения криптазы вируса иммунодефицита человека (ВИЧ), никто не ожидал даже теоретически (в отличие от вызывающего СПИД. Известно, что этот фермент рассмотренных выше процессов матричного синтесинтезирует не только нить ДНК по матрице РНК, за). Известно, что в неблагоприятных условиях нено также и нить РНК по двуспиральной ДНК, то которые бактерии превращаются в споры. В таком есть может работать как обычная РНК-полимераза.

неактивном состоянии они могут находиться сколь Сотрудники Национального института здоровья угодно долго, пока не появятся подходящие условия (США) закристаллизовали этот белок в комплексе с для размножения. В этом состоянии их ДНК окутаучастком его связывания на ДНК из 19 пар основа- на так называемыми споровыми белками. С. Мор из ний. В расшифрованной пространственной струк- Бостонского университета (США) и его коллеги, туре такого комплекса четко видно, что половина используя оптические методы, убедительно покаДНК находится в А-форме, а другая половина – в В- зали, что ДНК при этом находится в А-форме.

форме, так что между ними возникает В/А-граница. Спрашивается, зачем (В биологии такой вопрос.. правомерен.) Оказывается, незадолго до этого исДоля А-формы, следования было обнаружено, что ДНК в спорах го1,раздо устойчивее к поражающему действию ультрафиолетового излучения, чем та же ДНК в бактериях, активно размножающихся. Почти в то же самое 1 2 3 0,время выяснили, что А-ДНК примерно в 10 раз более устойчива к поражающему действию ультрафиолетового излучения, чем В-ДНК. Концы сходятся с концами: споровые белки превращают ДНК бак10 14 18 22 26 30 терии из В- в А-форму, чтобы защитить ДНК. Это (100 - а), % один из немногих примеров, где биологическая роль А-формы проступает особенно явно. Есть и Рис. 5. Профили В-А-перехода коротких двойных другие примеры, когда А-ДНК была найдена в биоспиралей (10 пар оснований), построенные по логических структурах или процессах. Их количестизменению оптической активности (круговой диво все возрастает.

хроизм), с ростом концентрации трифторэтанола. По горизонтальной оси вместо процентов трифторэтанола отложены соответствующие им зна- - чения (100 - а)%, где а – относительная влажность По вертикальной – рост доли А-формы,. СинтеКоль скоро А-ДНК биологически значима и ее тические фрагменты ДНК: 1 – CCCCCGGGGG, 2 – роль вряд ли ограничивается частными примерами, ATACCGTTAT, 3 – GCTACGTAGC, 4 – CCAAGCTTGG.

приведенными в предыдущем разделе, закономерен Изображена только одна нить в направлении 5 3.

На самом деле фрагменты – двойные спирали. Легвопрос: как способность ДНК превращаться из В- в че всего переходит в А-форму спираль 1 с максиА-форму зависит от последовательности нуклеомальным количеством нуклеотидов, составляющих тидных пар в ее цепях Конечно, этот вопрос можно последовательность CCC задавать независимо от того, имеет ли биологическое значение А-ДНК, но выяснение, какие после- ются по способности переходить в А-форму. Напридовательности способствуют, а какие препятствуют мер, дуплекс CCCCCGGGGG/CCCCCGGGGG В–А-переходу в ДНК, интересно прежде всего переходит в А-форму намного легче, чем другие именно для биологии. Конечная цель заключается в ДНК-дуплексы. Мы назвали такие ДНК А-любитом, чтобы для любой заданной последовательнос- выми.

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.