Конформаційні параметри подвійної спіралі

Як для будь-якого іншого полімеру, конформаційна рухливість нуклеїнових кислот реалізується завдяки зміни кутів обертання навкруг ковалентних зв’язків. У складі подвійної спіралі ці обертальні рухи обмежені міцними стекінг взаємодіями та комплементарними водневими зв’язками. Дозволені обертання навкруг різних зв’язків призводять в решті решт до зміни взаємної орієнтацій основ та пар основ. Саме набором параметрів, що описують такі відносні орієнтації, прийнято характеризувати конформації подвійних спіралей.

Рис. 3.8. Дві пари основ у молекулі ДНК і локальна декартова система координат, пов’язана з однією з них.

В основі номенклатури конформаційних параметрів подвійних спіралей нуклеїнових кислот, прийнятої спеціальною нарадою EMBO (European Molecular Biology Organization), лежить стандартна локальна декартова система координат, що ставиться у відповідність до кожної пари основ (рис. 3.8): початок координат знаходиться у геометричному центрі пари; площина X–Y співпадає з площиною пари, вісь Y є паралельною до лінії, що з’єднує С1'-атоми, і спрямована на ланцюг, який приймається за перший; вісь Z спрямована на площину наступної (у напрямку 5'-3' по першому ланцюгу) пари основ; напрям осі X обирається за правилами утворення правої декартової системи координат – жолобок, на який вона спрямована, позначається як “великий“. Насправді, терміни “великий/маленький жолобок“ не обов'язково мають буквальне значення (див. нижче).

Для опису відносного положення двох сусідніх пар достатньо 6 параметрів: 3 зсуви наступної пари відносно попередньої по трьом осям (будь-який зсув можна розкласти на три компоненти) та три кути обертання другої пари відносно першої навкруг трьох осей (рис. 3.9):

• 

  Рис. 3.9. Шість параметрів, що описують конформацію двох сусідніх пар основ.

  шифт (shift) характеризує зсув у напрямку одного з жолобків;

• слайд (slide) – зсув у напрямку цукрофосфатного остова;

• райз (rise) – відстань між парами основ уздовж осі Z;

• ролл (roll) характеризує локальний вигин подвійної спіралі у напрямку одного з жолобків;

• тилт (tilt) – вигин у напрямку цукрофосфатного остова;

• твіст (twist) є кутом обертання навкруг осі Z, який характеризує ступінь спірального закручення (для правої спіралі прийнято використовувати позитивні значення твіста).

Рис. 3.10. В- (структура з рис. 3.6) та А- (декамер, 401D) форми ДНК у двох проекціях.

Аналогічно, 6 параметрів характеризують відносне положення основ, що належать до однієї пари: зсув уздовж осі X та обертання навкруг неї (shear та buckle), зсув та обертання відносно осі Y (stretch та propeller) та відносно осі Z (stagger та opening) – як відбуваються відповідні рухи однієї основи відносно іншої легко зрозуміти, дивлячись на рис. 3.9.

Структурні форми ДНК

ДНК з майже будь-якою послідовністю пар основ може існувати у двох структурних формах, що позначаються як А і В. Деякі усереднені параметри двох форм у фібрилах ДНК наведені у табл. 3.1, структури показано на рис. 3.10.

Обидві спіралі є правими. Основні відмінності між двома формами ДНК обумовлені різною конформацією цукру – С2'- та С3'-ендо. Саме внаслідок цього в А-формі у порівнянні з В-формою: