1625914757-8aba282c54d2a3a371a92e361d6fe93d (843812), страница 3
Текст из файла (страница 3)
е. способность присоединять и отдавать протоны.Уридин и тимидин являются слабыми кислотами, цитидин и аденозин –слабыми основаниями, гуанозин может выступать в роли как кислоты таки основания. В табл. 2 приведены значения pKa для некоторых ионизируемых групп в составе нуклеозидов.Таблица 2. Значения pKa для ионизируемых групп в составе нуклеозидовНуклеозидАденозинЦитидинГуанозинГуанозинУридинТимидинПоложениеN1N3N7N1N3N3pKa3,64,21,69,29,59,7Рис. 12.
Спектры поглощения нуклеозидов в ультрафиолетовой области15Для всех нуклеозидов характерно интенсивное поглощение в ультрафиолетовой области спектра (рис. 12). Очевидно, что это поглощение обусловлено в основном азотистыми основаниями. Спектры всех нуклеозидовимеют максимум в области 250–265 нм. Максимальные коэффициентымолярной экстинкции составляют от 8 000 до 15 000 л/моль·см. Наиболееинтенсивно поглощает аденозин, наименее – тимидин.
Спектральные характеристики нуклеозидов определяют спектральные свойства нуклеиновых кислот в целом.Нуклеозиды, этерифицированные по одной из гидроксильных группостатком фосфорной кислоты, называются нуклеотидами. Их названияпроисходят от названий соответствующих нуклеозидов с указанием фосфорилированного положения и слова «фосфат», например, аденозин-5’фосфат.В составе нуклеиновых кислот 3’-гидроксильная группа одного нуклеозида соединяется с 5’-гидроксильной группой другого нуклеозида черезостаток фосфорной кислоты, образующий с этими группами сложноэфирные связи (рис. 13). Это соединительное звено носит название фосфодиэфирной, или межнуклеотидной связи.
Состоящие из нуклеотидов цепипринято называть олигонуклеотидами (обычно до ~50–100 нуклеотидныхостатков), а более длинные – полинуклеотидами.NH2NNOHOHHHOHNNHNH2O P O-NONOHHHOHHOHРис. 13. Соединение двух соседних звеньев (5’-AC-3’) в составе ДНККонцевые нуклеотиды в составе цепи различаются. У одного из нихсвободна 5’-гидроксильная группа, а у другого – 3’-гидроксильная группа.В соответствии с этим первый называется 5’-концевым, а последний – 3’концевым. Таким образом, цепи нуклеиновых кислот обладают полярностью. Началом цепи принято считать 5’-концевой нуклеотидный остаток.16I.1.2. Пространственная структура нуклеиновых кислотФуранозное кольцо играет определяющую роль в конформации нуклеотидной единицы.
Пятичленный цикл углевода может принимать различные конформации, аналогичные наблюдаемым в циклопентане(рис. 14). Если четыре атома цикла лежат в одной плоскости, а пятый выведен из нее, то это конформация типа «конверт». Когда из плоскости выведены два соседних атома, конформация называется «твист».конверттвистРис.
14. Различные описания конформации фуранозных цикловБолее детально конформация фуранозных циклов определяется по взаимному расположению атома С5’ и выведенных из плоскости атомов (С2’или С3’). Если атом выведен из плоскости в ту же сторону, что и С5’, тоэто эндо-конформация, если в противоположную – экзо. Наиболее часто всоставе нуклеиновых кислот реализуются конформации С3’-эндо и С2’эндо (рис. 14).Взаимное расположение углеводной и гетероциклической частей нуклеозида обычно описывается обозначениями анти и син. Эти конформации проиллюстрированы на следующей схеме:Рис. 15. Анти- и син-конформация нуклеозидов17Большинство ДНК в природе существуют в виде комплексов, состоящих из двух цепей, связанных между собой водородными связями.
Этоткомплекс формируется согласно принципу комплементарности: А формирует водородные связи только с Т, С – только с G (рис. 16). В составе таких комплексов цепи антипараллельны, т. е. 5’-конец одной цепи располагается напротив 3’-конца другой, и наоборот.Рис. 16. Водородные связи между азотистыми основаниямиРис. 17. Пространственная структура двуцепочечных ДНК и РНК18При этом цепи закручиваются друг относительно друга, образуя «двойную спираль» Уотсона – Крика (рис. 17). Гетероциклические основанияобращены внутрь спирали, а с наружной ее стороны располагается гидрофильный сахарофосфатный остов.
Между сахарофосфатными остовамицепей выделяются бороздки – большая и малая.Рис. 18. Взаимное расположение пар оснований внутри спиралиВ первом приближении двойная спираль регулярна: все витки имеютпрактически одинаковые размеры, на каждый виток приходится одинаковое число оснований. Пары гетероциклических оснований A:T и G:C изоморфны, что позволяет им заполнять внутреннее пространство спирали повсей длине практически без искажений её внешних цилиндрических очертаний (рис. 18).Рис. 19. Торсионные углы, определяющие конформацию ДНК (Зенгер, 1987)19HCHCHH3 3HHHHHCH3HHHHHHцисCH3CH3HHCH3HHгош(+)HCH3HHHHHгош(–)HCH3трансРис. 20.
Области значений торсионных углов (заместители показаны как CH3)Более тонкое рассмотрение позволяет выявить различие параметровдаже между соседними парами оснований. Например, основания в паре невсегда копланарны, угол между плоскостями оснований может достигать30 градусов. Этот угол принято называть пропеллерным твистом (см. ниже). Значение его может меняться от пары к паре и нарушать таким образом регулярность двойной спирали.Двойная спираль может принимать различные конформации (формы).Точное описание конформации ДНК можно выполнить при помощи набора торсионных углов , , , , , , и 0–4 (рис.
19). Углам обычно приписывают значения цис (с), гош (g– и g+) или транс (t) (рис. 20). Угол ,как уже говорилось, принимает значения анти (а) и син (s). Согласно этойсхеме наиболее распространенная B-форма ДНК описывается наборомзначений , , , , , и как ttg–tg+ta.На качественном уровне формы ДНК можно описать в терминах конформаций нуклеозидов и расположения элементов структуры относительно оси спирали.
Так, В-форму ДНК можно охарактеризовать следующимобразом: это правозакрученная спираль, на один виток которой приходится примерно 10 пар нуклеотидов. Плоскости, в которых лежат пары оснований, перпендикулярны оси спирали, ось спирали проходит между азотистыми основаниями. Конформации всех нуклеозидов – анти, конформации дезоксирибозы – С2’-эндо.Таблица 3. Основные параметры A-, B- и Z-форм ДНКПараметрНаправление закруткиЧисло пар оснований наодин витокРасстояние между основаниями, AПропеллерный твистА-формаправаяВ-формаправаяZ-формалевая11–1210122,33,33,818°16°Гликозидная связьантианти0°пиримидины – антипурины – синИзвестны три основные структурные формы, которые способна принимать двуцепочечная ДНК в разных условиях: A-, B- и Z-форма.
Они значительно отличаются друг от друга по геометрическим параметрам (рис. 21).20Внутриклеточные условия способствуют образованию B-формы ДНК.Сравнение A-, B- и Z-форм по ряду показателей приведено в таблице 3.Рис. 21. Различия в конформации B- и Z-формы ДНКДвуцепочечные РНК не могут принимать В-форму из-за стерическихзатруднений, вызванных наличием 2’-гидроксильной группы, и в основном существуют в A-форме.Несмотря на то, что значения торсионных углов однозначно описываютструктуру ДНК, на практике пользоваться ими не всегда удобно, поскольку при этом затруднена визуализация общей структуры ДНК. К тому жезначения некоторых углов в одной и той же форме ДНК могут сильноварьироваться. В связи с этим Р. Дикерсон предложил другую систему,однозначно описывающую структуру ДНК, исходя из взаимного расположения оснований в парах и соседних пар оснований.
Система Дикерсона,широко применяемая в настоящее время, включает 12 параметров: 6 линейных и 6 угловых (рис. 22). Из них три линейных параметра (сдвиг, расхождение и вынос) и три угловых параметра (выпучивание, пропеллерныйтвист и раскрытие) характеризуют взаимное расположение оснований,образующих пару. Другие три линейных параметра (смещение, сползание иподъем) и три угловых параметра (наклон, изгиб и кручение) характеризуют взаимное расположение соседних пар оснований.21Рис.
22. Конформационные параметры ДНК по ДикерсонуДвойная спираль удерживается за счет относительно слабых нековалентных взаимодействий, которые легко разрушаются при повышениитемпературы. Уотсон-криковские водородные связи при этом лишь обеспечивают взаимное расположение цепей в соответствии с комплементарностью.
Основным источником стабилизации двойной спирали являетсявертикальный стэкинг между соседними парами оснований.Основной дестабилизирующей двойную спираль силой является электростатическое отталкивание между анионными фосфатными группами.Противоионы (например, Na+, K+, Mg2+) экранируют отталкивающиеся22группы и компенсируют дестабилизацию.
В природе в роли таких противоионов часто выступают белки. Например, в составе хроматина ДНКнаходится в комплексе с большим количеством оснoвных белков – гистонов.Если энергия отталкивания превышает сумму стабилизирующих нековалентных взаимодействий, происходит денатурация нуклеиновой кислоты. При этом каждая цепь принимает конформацию статистического клубка. Однако столь глубокая степень денатурации практически недостижима.Чаще нуклеиновые кислоты при денатурации переходят в состояние сосложной неупорядоченной структурой, в которой сохраняются случайныенековалентные взаимодействия. При этом все частично упорядоченныеструктуры с неполной или несовершенной спиральной структурой такжесчитаюся денатурированными.Разрушить нековалентные взаимодействия можно повышением температуры, снижением ионной силы раствора, изменением pH среды до экстремальных значений, а также добавлением в раствор соединений, конкурирующих за образование водородных связей с азотистыми основаниями(диметилсульфоксид, мочевина, формамид или гуанидин).I.1.3.
Плавление ДНКПроцесс денатурации двуцепочечной ДНК в растворе при повышениитемпературы часто называют плавлением ДНК. Его можно наблюдать поизменению оптической плотности раствора. Спектры поглощения денатурированной ДНК и двойной спирали в ультрафиолетовом диапазоне существенно отличаются по интегральной интенсивности, т. е.
наблюдаетсягипохромный эффект (рис. 23) Аналогичная картина наблюдается и дляпрочих биополимеров, в составе которых хромофоры сближены и образуют упорядоченные структуры: интегральная интенсивность спектра упорядоченного состояния ниже.Величина гипохромного эффекта при денатурации ДНК может составлять 10–20 % от исходной интенсивности спектра. Регистрировать изменение оптической плотности при денатурации ДНК удобно при длинах волн260–280 нм, т. е. в области максимумов поглощения азотистых оснований,которые и являются основными хромофорными группами в нуклеиновыхкислотах. Графическое отображение зависимости оптической плотности оттемпературы раствора принято называть интегральной кривой плавления.Плавление ДНК происходит кооперативно, т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
