1625914757-8aba282c54d2a3a371a92e361d6fe93d (843812), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

е. разрушение некоторойчасти нековалентных взаимодействий значительно облегчает разрушениевсех остальных. Поэтому классическая интегральная кривая плавлениядвуцепочечной ДНК содержит один переход в достаточно узком температурном интервале. Зависимость производной оптической плотности потемпературе от температуры раствора называется дифференциальной кри23вой плавления (рис. 24). Значение температуры, соответствующее среднейточке перехода на интегральной кривой или максимуму на дифференциальной кривой, часто называют температурой плавления ДНК (Тm).Рис.

23. Гипохромный эффект при плавлении ДНКРис. 24. Интегральная (а) и дифференциальная (б) кривые плавления короткого фрагментаДНК (Д.В. Пышный, ИХБФМ СО РАН)I.1.4. Неканонические структуры нуклеиновых кислот. Высокие уровни упаковкиСпиральные структуры нуклеиновых кислот, состоящие из трех цепей,называются триплексами. Триплексы образуются при связывании третьейцепи с каноническим дуплексом ДНК.

Необходимым условием для этогоявляется наличие в составе одной из цепей дуплекса полипуриновоготракта – непрерывной последовательности, состоящей только из пуриновых нуклеотидов. Именно азотистые основания полипуринового тракта24предоставляют донорные и акцепторные группировки для образованияводородных связей с азотистыми основаниями третьей цепи (рис. 25).

Поаналогии с каноническими парами азотистых оснований Уотсона – Крикав структуре триплекса выделяют триплеты азотистых оснований – триплеты Хугстина (их не следует путать с триплетами, кодирующими отдельныеаминокислоты в последовательности белка, которые описаны в разделе«Синтез белка по матрице РНК»). В состав хугстиновского триплета всегда входит каноническая пара. Третье основание может быть как пуриновым, так и пиримидиновым.Рис. 25. Основные триплеты оснований ДНКЦитидин может участвовать в образовании триплета только при условии протонирования положения N3, поэтому триплексы, содержащие цитидин в третьей цепи, образуются только при пониженных значениях pH(pH < 6). Стабильность прочих триплексов мало зависит от pH. Стабильность триплексов также зависит от состава третьей цепи: если в ней присутствуют одновременно пурины и пиримидины, стабильность триплекса,как правило, снижается по сравнению с триплексами, содержащими гомо25пуриновую или гомопиримидиновую третью цепь.

Причина этого явления– в неизоморфности триплетов [пиримидин : пурин - пиримидин] и [пиримидин : пурин - пурин], приводящей к искажениям структуры сахарофосфатного остова при чередовании таких триплетов. Третьи цепи, состоящиетолько из пиримидиновых нуклеотидов, ориентируются в составе триплекса параллельно пуриновой цепи. Пуриновые третьи цепи ориентируются антипараллельно. Ориентация смешанной третьей цепи может быть какпараллельной, так и антипараллельной, в зависимости от того, какой извариантов является энергетически более выгодным.В природе встречаются внутримолекулярные триплексы, возникающиепри локальном разрушении дуплексной структуры под действием внешнихусловий.

При этом один из расплавленных участков цепи участвует в образовании триплекса с расположенным рядом полипуриновым трактом, акомплементарный ему участок образует одноцепочечную петлю. Такиеструктуры принято называть H-ДНК, поскольку они pH-зависимы.Рис. 26. Образование внутримолекулярного триплекса ДНКСтруктуры, состоящие из четырех цепей, называют квадруплексами. Всоставе таких структур четыре гуанина образуют квартет, в котором каждое азотистое основание связано двумя водородными связями с каждым издвух соседних (рис. 27). Образованные таким образом стопки из трех иличетырех квартетов очень стабильны и могут конкурировать даже с комплементарными дуплексами.

Дополнительную стабилизацию комплексупридает ион калия, связывающийся в полости между двумя квартетами(рис. 28). Квадруплексы, так же как и триплексы, могут быть внутримолекулярными: одна цепь ДНК, содержащая несколько гуаниновых кластеровподряд, наиболее вероятно примет форму квадруплекса. Именно такие26структуры встречаются на концах линейной ДНК эукариот – в теломерах(см. раздел «Репликация ДНК»).HdRibNHNNNNOONNNHHNNNNHHOOHdRibdRibHHHNNNNNHNNHNdRibРис. 27.

Квартет, образованный четырьмя гуанинамиРис. 28. Схема связывания иона калия в полости, образованной двумя квартетамиВ кольцевых ковалентно замкнутых двуцепочечных ДНК бактерийполное описание структуры двойной спирали требует рассмотрения еетопологии. Это верно и для линейных ДНК эукариот, в которых отдельныеточки ДНК жестко фиксированы взаимодействиями с гистонами или другими белками. Главным топологическим параметром ДНК является числозацеплений (L), которое определяется как количество оборотов одной цепивокруг другой. В полностью релаксированной кольцевой ДНК оно равнодлине ДНК, поделенной на число пар оснований на виток: L0 = N/10,4.Число зацеплений можно представить в виде суммы числа витков (T) вдуплексе и числа перекрестов (W, часто называемое также числом супервитков), которое характеризует спирализацию оси двойной спирали:27L = T + W.

Принято считать, что отрицательные значения T и W соответствуют закрученности против часовой стрелки, а положительные – по часовой стрелке. Число зацеплений – инвариантная величина для данной молекулы ДНК – не может быть изменено без разрыва ковалентной связи, в товремя как витки и супервитки могут переходить друг в друга (рис. 29).Наличие супервитков приводит к компактизации общей структуры ДНК;по типу взаимного расположения супервитков различают плектонемную итороидальную (соленоидальную в случае линейной ДНК) компактизацию.Рис. 29.

Топологические параметры ДНКИзменение параметра L в ДНК катализируется особыми ферментами –топоизомеразами. Уменьшение числа зацеплений приводит к отрицательному суперскручиванию ДНК, а увеличение – к положительному су28перскручиванию. Количественно суперскручивание характеризуется плотностью суперспирализации  = L/L0, где L – изменение числа зацеплений. Отрицательное суперскручивание декомпактизует ДНК и в случаеуменьшения параметра T может вести к ее частичному плавлению, чтооблегчает протекание процессов репликации и транскрипции. Положительное суперскручивание, напротив, ингибирует многие биологическиепроцессы, в которые вовлечена ДНК. Кроме локального плавления, изменение степени суперспирализации может привести к образованию локальных участков Z-формы, H-ДНК и других структур.В живой клетке к описанным уровням организации изолированнойДНК добавляется еще несколько уровней ее упаковки за счет взаимодействия с белками.

Упаковка ДНК подробно изучена для случая эукариотических клеток, но имеет место и у прокариот. За счет упаковки ДНК, длинакоторой в развернутом виде у человека составляет около 2 м, помещаетсяв клеточное ядро диаметром примерно 10 мкм.Первый уровень упаковки ДНК в клетках эукариот осуществляется засчет образования специальных ДНК-белковых комплексов – нуклеосом(рис.

30). Нуклеосома состоит из участка двуцепочечной ДНК длиной всреднем 147 п.н., обернутого на 1,67 оборота в виде левозакрученной суперспирали вокруг гистонового октамера – белкового комплекса, включающего две копии каждого из белков H2A, H2B, H3 и H4 (коровые гистоны). Еще один гистоновый белок – линкерный гистон H1 – связываетсяв точках «входа» и «выхода» ДНК из нуклеосомы и принимает участие всоединении соседних нуклеосом, которые обычно разделены участкомДНК в 10–80 п.н.

ДНК, упакованная на таком уровне, под электронныммикроскопом похожа на бусины (нуклеосомы) на нитке (участки ДНК между нуклеосомами). Нуклеосомы представляют собой типичный примерописанной выше соленоидальной компактизация ДНК.Упаковка ДНК в нуклеосомы заметно влияет на эффективность экспрессии генов за счет снижения уровня транскрипции, поэтому регуляцияупаковки служит весьма эффективным способом регуляции экспрессии.Регуляция нуклеосомной упаковки часто достигается путем модификацииN-концевых доменов («хвостов») гистоновых белков, которые содержатмногочисленные остатки лизина, служащие сайтами метилирования и ацетилирования, и серина или треонина, служащие сайтами фосфорилирования гистонов.

Хвосты гистонов в структуре нуклеосомы проходят междувитками обернутой вокруг нее ДНК и направлены наружу через каждые20 п.н., что обеспечивает легкий доступ к ним соответствующих модифицирующих ферментов.Более высокие уровни упаковки ДНК исследованы не так хорошо.ДНК, упакованная в нуклеосомы в отсутствие гистона H1 имеет диаметроколо 10 нм. Упаковка в присутствии гистона H1 приводит к дальнейшей29компактизации ДНК в нить диаметром 30 нм. Такой уровень упаковки характерен для большей части клеточной ДНК в интерфазе, когда активнопротекают процессы репликации и транскрипции. В высококонденсированных митотических и мейотических хромосомах эта нить в свою очередь образует многочисленные петли вокруг хромосомной оси, состоящейиз белков-конденсинов и топоизомеразы II; также в них существуют дополнительные уровни упаковки ДНК, приводящие к исключительно компактной структуре хромосом.Рис.

30. Структура нуклеосомыРис. 31. Структура D-петли в теломерах эукариотВ отдельных специализированных областях ДНК могут существоватьсвои особые способы упаковки. Так, в эукариотических теломерах, помимо образования G-квартетов, ДНК уложена в петли, стабилизированныевзаимодействиями с белком TRF2 (рис. 31). В такой петле одна из цепей30ДНК вытеснена внедряющимся в дуплекс участком одноцепочечной ДНК,и структура напоминает латинскую букву D, отчего подобные петли частоназывают D-петлями.Одноцепочечные молекулы нуклеиновых кислот обладают сложнойвторичной и третичной структурой, что позволяет им выполнять разнообразные функции.

Большинство РНК присутствует в клетках именно в одноцепочечном состоянии.Формирование вторичной структуры одноцепочечных нуклеиновыхкислот происходит за счет комплементарных взаимодействий между различными участками одной цепи. Такие взаимодействия превращают линейную молекулу в сложную складчатую структуру, состоящую из множества стеблей и петель (рис. 32). Основные элементы вторичной структурыодноцепочечных РНК – спирали, выпетливания, внутренние петли, шпилечные петли и разветвления. Псевдоузлы также можно рассматривать какэлементы вторичной структуры. Внутренние петли формируются при наличии неспаренных оснований с обеих сторон спирали. Они могут бытьсимметричными или асимметричными. Выпетливаниями называют структуры, содержащие неспаренные основания только на одной стороне спирали. Шпилечная петля находится на конце спирали, когда сахарофосфатный остов складывается сам на себя с образованием открытой петли, приэтом общий контур остова образует шпилькоподобную структуру.Рис.

Характеристики

Список файлов книги