Вторичная структура

Рис. 3–73. Схематическое изображение структуры ДНК. Две антипараллельные полинуклеотидные цепи (серая лента на рисунке – сахарофосфатный остов цепи) образуют двойную спираль диаметром ~2,1 нм, которая имеет две бороздки: а – малую и б – большую. На один полный оборот спирали (шаг спирали 3,4 нм) приходится 10 пар оснований

Молекула ДНК состоит из двух антипараллельных полинуклеотидных цепей, закрученных относительно общей оси так, что они образуют двойную спираль (модель Уотсона–Крика, Нобелевская премия 1962 г.), которая формирует вторичную структуру молекулы ДНК (рис. 3–73).

Полный оборот спирали (В-форма) соответствует ~10 парам оснований, что составляет ~3,4 нм, диаметр спирали 2,1 нм. Между цепями есть две бороздки: большая и маленькая.

Могут существовать и другие формы спиралей (А, С, Z), отличающиеся числом пар оснований на виток, наклоном плоскостей спирали относительно продольной оси и диаметром. Вторичная структура ДНК наряду с двойной спиралью может содержать также и β-складки (шпильки), длина которых занимает 3 ÷ 10 звеньев цепи. Многие ДНК могут образовывать кольцевые структуры, в которых все нуклеотиды связаны только ковалентными связями.

В классической спирали Уотсона и Крика (В-форма) две полинуклеотидные цепочки удерживаются вместе благодаря водородным связям. Комплементарные (соответствующие друг другу по химическому строению; наглядная аналогия – соответствие ключа и замка) гетероциклы азотистых оснований соседних цепей: аденин – тимин (А–Т) и гуанин–цитозин (Г–Ц, G–C) связаны, соответственно, двойными и тройными водородными связями в плоскости колец (рис. 3–74) и образуют стопку плоских пар оснований, расположенных внутри спирали (рис. 3–75). Гидрофильные сахарофосфатные цепи обвивают эту стопку снаружи. Фундаментальной особенностью двойной спирали ДНК является то, что напротив А одной цепи всегда находится Т другой цепи, а напротив Г (G) всегда находится Ц (C), что является следствием комплементарности этих оснований друг другу. Поэтому в цепочке ДНК всегда содержится одинаковое число нуклеотидов А и Т, Г (G) и Ц (C) (правило Горгоффа). Нуклеотидный состав РНК этому правилу не подчиняется.

Кроме водородных связей стабилизация двойной спирали осуществляется стэкинг–взаимодействием (англ. stack – стопка бумаги, стеллаж) находящихся в стопке оснований. Природа этого взаимодействия связана с взаимодействием индуцированных дипольных моментов -связей колец и с гидрофобным взаимодействием.

Рис. 3–74. Схема водородных связей между комплементарными основаниями

Рис. 3–75. Элемент структуры ДНК. Комплементарные гетероциклы азотистых оснований соседних цепей, связанные двойными и тройными водородными связями в плоскости колец, образуют стопку плоских пар оснований, расположенных внутри спирали

В результате стэкинг-взаимодействия энергетически выгодным оказывается параллельное расположение циклов в виде системы, напоминающей стопку бумаг. Плоская структура гетероциклов допускает их сближение до 0,3 нм. Так как силы диполь-дипольного взаимодействия очень сильно возрастают при уменьшении расстояния, то стэкинг-взаимодействие оказывается важным стабилизирующим фактором в структуре нуклеиновых кислот.