Третичная структура

Рис. 3–76. Образование суперспирали 2 из кольцевой структуры 1 ДНК

Примером образования третичной структуры ДНК является суперспирализация кольцевой двухцепочечной ДНК. Обычно двухцепочечные кольцевые ДНК закручиваются в правую четырехцепочечную сверхспираль, образующую третичную структуру ДНК. Добавление к растворам таких ДНК некоторых ароматических соединений, обладающих плоской структурой, приводит к внедрению (интеркаляции) этих соединений в стопку парных оснований ДНК. В результате первоначально правозакрученная сверхспираль сначала раскручивается до полного ее исчезновения и образования замкнутой кольцевой двухцепочечной молекулы (рис. 3–76), а затем закручивается (при повышении концентрации интеркалирующих соединений) в левую суперспираль со значительно более коротким шагом.

Образование третичной структуры ДНК приводит к очень плотной их упаковке в клетках живых организмов. Если простые цепочки ДНК могут достигать в длину нескольких сантиметров, то длина их упаковок в ядрах не превышает нескольких нанометров. Третичная структура принципиально отличается от вторичной. Если при образовании вторичной структуры сближаются в пространстве только близкие звенья, то в третичной структуре – сколь угодно удаленные участки полинуклеотидной цепи, которые таким образом могут влиять друг на друга.

Надежных данных о четвертичной структуре ДНК пока нет.

Основные особенности

Общей чертой всех форм двойных спиралей является высокая однородность их структуры, практически не зависящая от последовательности оснований. Однородность обусловлена тем, что все пары комплементарных оснований имеют почти одинаковые размеры. Энергия спиралей, в результате однородности структуры ДНК, почти не зависит от последовательности звеньев. Поэтому практически с равной вероятностью возможны различные комбинации в расположении нуклеотидов, то есть огромное разнообразное количество ДНК-текстов. Этим молекулы ДНК отличаются от молекул белков, для которых именно первичная структура является определяющей при формировании пространственной структуры белка, позволяющей выполнять белкам разнообразные специфические функции.

Чрезвычайно важной особенностью спиралей ДНК является их высокая устойчивость. ДНК во всех клетках одного и того же организма одинаковы по составу и структуре и не меняются ни с возрастом, ни при изменениях условий внешней среды, если не учитывать возможности мутаций. При повышении температуры спираль ДНК может разделиться на комплементарные цепи, которые, однако, сохраняют способность к ассоциации с восстановлением исходной двойной спирали при возращении к исходным условиям.

ДНК вместе с равным количеством по массе белков образуют хроматин, который локализован в ядре клетки. Под электронным микроскопом хроматин имеет вид нитей с тесно нанизанными белковыми бусинками (рис. 3–77). Каждая бусинка, называемая нуклеосомой, представляет собой октамер ( от лат. octava – восьмая; выделен на рисунке), содержащий 8 белковых молекул – гистонов (от греч. histoś – ткань) четырех видов с молекулярной массой 10 000 ÷ 20 000 ат.ед., снаружи обвитых суперспиралью ДНК со ~150 основаниями. Гистоны играют важную роль в упаковке ДНК, стабилизируют структурную организацию хроматина, участвуют в регулировании синтеза нуклеиновых кислот, как ДНК, так и РНК. Между нуклеосомами имеется соединительный участок, содержащий около 60 пар нуклеотидов, который может быть связан с гистоном, как показано на рис. 3–77, или быть свободным. Кроме гистонов в состав хроматина входит значительное число других белков.

Рис. 3–77. Строение хроматина

ДНК могут служить идеальными молекулами для создания небиологических структур нанометровых размеров. Делаются попытки собрать из двойных спиралей ДНК как простые, так и сложные структуры с кристаллографической симметрией.

Рис. 3–78. Две расплетенные молекулы ДНК (изображены сплошной и пунктирной линиями) связываясь друг с другом комплементарными основаниями, образуют узел структуры

Узлом структуры является неподвижная точка расплетения одной молекулы ДНК (рис.3-78). В узле – точке ветвления ДНК – соединяются три и более спиралей. Копии ДНК с ветвлениями собираются, благодаря комплементарности оснований, в структуру решетки. Молекулы ДНК удобны для создания таких структур, так как, во-первых, «слипаются» друг с другом по законам комплементарности, во-вторых, расщепление их может быть осуществлено в нужных местах с помощью соответствующих ферментов и, в третьих, «слипание» разных молекул с образованием ковалентных связей катализируются лигазами. Изделия из ДНК изготавливаются в водных растворах, но затем могут быть высушены.

В 2005 г (Science, Andrew Turberfield and Russel Goodman) появилось сообщение о разработке метода, позволяющего создавать пирамидальные наноструктуры из молекул ДНК, особенностью которых является способность к самосборке. При нагреве ДНК в солевом растворе до температуры, близкой к температуре кипения, и последующего быстрого охлаждения получаются идентичные исходным ДНК-пирамидки, каждое ребро которых образовано двухспиральной молекулой ДНК. Такие пирамидки, собранные с точностью до атома, представляют собой уникальные строительные блоки для создания наноматериалов, представляющих интерес для микроэлектроники (получение электронных устройств молекулярных размеров) и медицины – адресной доставки лекарственных препаратов, если активный препарат поместить в пирамидальные контейнеры из ДНК.