Полинуклеотидная цепь

Нуклеотиды , соединяясь друг с другом 3',5'-фосфорнодиэфирной связью, образуют олигонуклеотиды (длина от 2 до 12 пар оснований) и полинуклеотиды. Линейная полимерная цепочка ДНК ( РНК ) представляет собой сахаро-фосфатный остов, к которому "привешены" основания с помощью гликозидной связи. Две такие цепочки образуют за счет спаривания комплементарных оснований ( Рис. ДНК ) как бы "лестницу", поручнями которой являются антипараллельные сахаро- фосфатные цепи, а перекладинами - пары оснований. Такая "лестница" закручивается в правую двойную спираль, пары оснований образуют стопку в центре спирали (см. ДНК и РНК ).

Конформация полинуклеотидной цепи определяется набором торсионных углов (или углов вращения группы атомов относительно связи) сахарофосфатного остова. Система нумерации атомов и определение торсионных углов для полинуклеотидной цепи даны на Рис. Полинуклеотидная цепь http://humbio.ru/humbio/dnastructure/0004c1bb.htm .

Вращение вокруг N-гликозидной связи :

Син/анти-конформации

( Рис. Анти- и син-конформации пурина и пиримидина - http://humbio.ru/humbio/dnastructure/0000aaeb.htm ).

В зависимости от взаимной ориентации основания и сахарного кольца (т.е. от величины угла вращения вокруг N-гликозидной связи) в нуклеозидах различаются две основные конформации - син и анти. Они определяются торсионным углом:

О4'- С1'- N9 - С4 Пурины

О4'- С1'- N1 - С2 Пиримидины

В анти-конформации шестичленное кольцо пурина и атом О2 пиримидина направлены от сахара, тогда как в син-конформации они нависают над кольцом либо направлены в его сторону.

Пиримидиновые нуклеозиды, как правило, находятся в анти-ориентации относительно гликозидной связи с С3'-эндо- конформацией рибозы и С2'-эндо- конформацией дезоксирибозы ( Sundaralingam M., 1973 ). (О конформациях сахара смотри раздел Нуклеозиды ).

В случае пуриновых нуклеозидов анти- и син-конформации встречаются одинаково часто, если сахар пребывает в С2'-эндо- конформации. В случае конформации сахара С3'-эндо, равновесие сдвигается в сторону анти ( de Leeuw H.P.M. ea, 1980 ).

В растворе между син- и анти-конформациями наблюдается быстрый равновесный переход. Син-конформация стабилизируется взаимодействием О5'-H...N3(пурины) и О5'-Н...О2(пиримидины), а также наличием объемных заместителей при атомах С8 (в пуринах) и С6 (в пиримидинах).

Структура молекулы ДНК была открыта Уотсоном и Криком в 1953 году. Согласно предложенной ими модели, нативная ДНК построена в виде правой двойной спирали, состоящей из двух полинуклеотидных цепей, сплетенных друг с другом так, что на каждый виток спирали приходится 10 пар оснований. Основания ( Рис. Основания - http://humbio.ru/humbio/dnastructure/000246b3.htm, http://humbio.ru/humbio/dnastructure/0001b8b0.htm, http://humbio.ru/humbio/dnastructure/00045e97.htm, http://humbio.ru/humbio/dnastructure/00043cf0.htm ) - аденин, тимин (в РНК урацил), гуанин, цитозин - расположены вдоль оси спирали, а сахарофосфатные цепи - по периферии и направлены антипараллельно друг другу. Диаметр спирали 20 А, расстояние между плоскостями оснований 3,4 А ( Рис. ДНК ).

Такая организация структуры двухцепочечных полинуклеотидов объясняет тот факт, что определенные группы оснований нуклеиновых кислот оказываются практически недоступными для различных химических агентов. Кроме того, все нуклеиновые кислоты способны образовывать одинаковую двухцепочечную структуру независимо от последовательности. Причем, в ДНК с самым различным нуклеотидным составом отношения A/T и G/C всегда равны единице ( Zamenhof S. ea, 1952 ). Эта закономерность известна в литературе как правила Чаргаффа . Обобщив эту информацию, Уотсон и Крик выдвинули идею о специфическом взаимодействии между комплементарными основаниями: между аденином и тимином (или урацилом), гуанином и цитозином. Важнейшей особенностью этих пар оснований является не просто хорошая геометрия водородных связей между каждой аминогруппой и примыкающей к ней кетогруппой, а тот факт, что расстояния между гликозидными связями , соединяющими пары оснований с сахаро- фосфатным остовом, одинаковы для каждой пары (10,85 А). Эти связи симметрично ориентированы относительно псевдооси симметрии второго порядка, расположенной в плоскости пары (смотри Рис. Схема водородных связей в РНК(ДНК) http://humbio.ru/humbio/dnastructure/0004c252.htm ). Из существования этих осей и в АТ-, и в GC-парах следует, что геометрия АТ-, ТА-, GC- и CG-пар одинакова. Таким образом, соединения между двумя С1'- атомами на одном и том же уровне спирали могут быть образованы любой из четырех пар оснований А-Т, Т-А, G-C или C-G (см. Геометрия комплементарных оснований ). Указанные пары называются уотсон-криковскими парами .

Модель Уотсона и Крика не является жесткой, дальнейшее изучение детальной структуры ДНК показало, что она обладает значительной конформационной свободой, в результате были открыты несколько различных конформаций двухцепочечной молекулы ДНК (см. Полиморфизм двойных спиралей ).

ДНК: параметры спирали

Шаг спирали

Шаг cпирали - это расстояние вдоль оси спирали, соответствующее одному полному витку (повороту на 360 град.). Если n - число пар нуклеотидов на один виток, а h - расстояние между двумя соседними нуклеотидами вдоль оси спирали, то шаг спирали Р будет связан с этими величинами соотношением Р=nh. Для целочисленных спиралей n целое, но вообще говоря, оно может быть любым (см. Рис. Параметры спирали http://humbio.ru/humbio/dnastructure/0004c18e.htm ).

ДНК: Угол спирального вращения

Угол спирального вращения (t)- это угол между двумя соседними нуклеотидами, t = 360/n, где n - число пар оснований на виток спирали (см. Рис. Параметры спирали ).

желобки

Молекулы двухцепочечных РНК и ДНК имеют характерные желобки (см. Рис. Схема водородных связей в РНК(ДНК) http://humbio.ru/humbio/dnastructure/0004c252.htm ). Так как пары оснований смещены от оси спирали на расстояние D и две гликозидные связи пары направлены в одну сторону, поверхность спирали не является гладкой, как у цилиндра, а имеет два желобка разной ширины и глубины. Минорный желобок находится там, где располагаются О2-атом пиримидина и N3-атом пурина, а главный желобок - с противоположной стороны. В тех случаях, когда ось симметрии 2-го порядка, либо другая ось симметрии, совпадает с осью спирали, как это имеет место в [poly(AH+)]2 или [poly(G0)]4, спираль имеет желобки только одного типа.