Конформаційні параметри подвійної спіралі
Як для будь-якого іншого полімеру, конформаційна рухливість нуклеїнових кислот реалізується завдяки зміни кутів обертання навкруги ковалентних зв’язків. У складі подвійної спіралі ці обертальні рухи обмежені міцними стекінг-взаємодіями та комплементарними водневими зв’язками. Дозволені обертання навкруги різних зв’язків призводять врешті решт до зміни взаємної орієнтацій основ і пар основ. Саме набором параметрів, що описують такі відносні орієнтації, прийнято характеризувати конформації подвійних спіралей.
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. 8): початок координат знаходиться в геометричному центрі пари; площина X − Y збігається з площиною пари, вісь Y є паралельною щодо лінії, яка з’єднує С1′-атоми, і спрямована на ланцюг, який береться за перший; вісь Z спрямована на площину наступної (у напрямку 5′ → 3′ по першому ланцюгу) пари основ; напрямок 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.
Рис. 8. Дві пари основ у молекулі ДНК і локальна декартова система координат, пов’язана з однією з них.
Для опису відносного положення двох сусідніх пар достатньо шість параметрів: три зсуви наступної пари відносно попередньої по трьох осях (будь-який зсув можна розкласти на три компоненти) і три кути обертання другої пари відносно першої навколо трьох осей (рис. 9):
• Шифт (shift) характеризує зсув у напрямку одного із жолобків.
• Слайд (slide) − зсув у напрямку цукрофосфатного остова.
• Райз (rise) − відстань між парами основ уздовж осі Z.
• Кут рола (roll) характеризує локальний вигин подвійної спіралі в напрямку одного із жолобків.
• Кут тилта (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. 9. Шість параметрів, які описують конформацію двох сусідніх пар основ.
Аналогічно, шість параметрів характеризують відносне положення основ, що належать до однієї пари: зсув уздовж осі X і обертання навколо неї (shear і buckle), зсув і обертання відносно осі Y (stretchі propeller) та відносно осі Z (stagger і opening). Яким чином відбуваються відповідні рухи однієї основи відносно іншої легко зрозуміти з рис. 9.
Структурні форми ДНК
ДНК із 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 наведено в табл. 1, структури показано на рис. 10.
Рис. 10. В- (структура з рис. 6) та А- (декамер, 401D) форми ДНК у двох проекціях.
Таблиця 1.
Порівняння між А- і В-формами подвійних спіралей
Обидві спіралі є правими. Основні відмінності між двома формами ДНК зумовлені різною конформацією цукру − С2′ та С3′ ендо. Саме внаслідок цього в А-формі порівняно з В-формою:
• Скорочується відстань між фосфатними залишками.
• Зменшується ступінь правої спіральної закрутки.
• Кожна пара основ суттєво нахиляється до осі спіралі (у В-формі пари майже перпендикулярні до осі).
• Унаслідок нахилу в А-формі скорочується відстань між сусідніми парами основ уздовж осі спіралі (проекція райза навісь спіралі).
• Кожна пара суттєво зсунута до периферії спіралі в А-формі, вісь спіралі проходить майже через центр пари в В-формі.
• Великий і маленький жолобки є справді великим і маленьким для В-форми, в А-формі їхні відносні розміри міняються місцями.
Крім того, є різниця і в конформаційній рухливості: А-форма однорідніша за своєю структурою, В-форма допускає ширші варіації параметрів залежно від послідовності. Узагалі, частіше кажуть не про форми ДНК, а про А- і В-родини структурних форм.
За фізіологічних умов у розчині ДНК існує тільки у В-формі, перехід в А-форму здійснюється за досить екстремальних умов in vitro – за певних концентрацій солі та спиртів у розчині, при зниженні вологості у фібрилах. Але це не означає, що А-форма не є фізіологічною.
По-перше, через те, що рибоза не може набувати С2′-ендо конформації, усі подвійні спіралі РНК існують в А-формі за фізіологічних умов. З тієї ж причини набувають А-форми гібридні подвійні спіралі РНК − ДНК, які виникають тимчасово, наприклад, під час транскрипції.
Крім того, ДНК може переходити в А-форму або наближену до неї в комплексах із білками. Ще одна регулярна форма подвійної спіралі реалізується тільки для альтернуючих послідовностей poly- (GC) (коли G і C чергуються по ланцюгу). Це так звана Z-форма (рис. 11). Її назва пов’язана з тим, що лінія, яка з’єднує фосфатні залишки у складі Z-форми нагадує зиґзаґ.
Найбільш вражаюча особливість цієї форми ДНК полягає в тому, що це − ліва спіраль із приблизно 12 парами основ на виток. Альтернуючі послідовності G та C є в природних ДНК, але перехід у Z-форму відбувається in vitro за умов, які є дуже далекими від фізіологічних – при концентрації NaCl 2,5 моль/л. Біологічне значення Z-форми залишається не зовсім зрозумілим, хоча знайдені білки, які мають високу спорідненість саме до неї, тобто можуть індукувати В → Z перехід in vivo.
Рис. 11. В- (гексамерний фрагмент структури з рис. 6) і Z- (гексамер CGCGCG, 1DCG) форми ДНК. Чорним кольором на структурі праворуч позначені атоми фосфору.