Льюин (Левин) - Гены - 1987 (947308), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Действительно, отрицательно суперспирализованная ДНК более предрасположена к переходу в Х-форму, чем релаксированная ДНК. В кольцевой молекуле ДНК, содержащей блоки повторов СО,их переход в У.-форму при физиологических концентрациях соли происходит лишь в том случае, если плотность отрицательной суперспирализации достигает критического значения. Когда С-остатки метилированы, для такого перехода требуется меньшее число отрицательных супервитков. Чем длиннее отрезок, содержащий дуплеты ОС, тем СО легче он превращается в Х-форму.
Например, для конверсии отрезка из 32 дуплетов нужна плотность суперспирализации — 0,05, тогда как конверсия !4 дуплетов происходит при плотности — 0,07. Из этого следует, что относительно больше энергии требуется для инициации превращения В-формы ДНК в У-форму, тогда как отно- сительно мало энергии нужно для перевода в У.-форму последующих дуплетов ОС внутри данного отрезка СО ДНК. В соответствии с этими результатами свободная энергия, необходимая для перехода В-формы ДНК в к.-форму, складывается из двух значений: гз6 в точке перехода, равной 7,7 ккал!моль, и Л6 на каждую дополнительную пару оснований, равной 0,45 ккал?моль.
Количество необходимой энергии представляет собой величину такого же порядка, что и энергия, обеспечиваемая отрицательной суперспирализацией. Таким образом мы видим, что суперспирализация потенциально представляет собой значительную силу, способную оказывать влияние на структуру лвойной спирали. Что происходит в мес1е перехода отрезка Х-ДНК в В-ДНК? Очевидно, в этом месте находится по меньшей мере одна пара оснований (а вероятно, их несколько), члены которой разлелены и не соответствуют форме двойной спирали. Необходимостью поддерживать неспаренное состояние в таких местах перехода частично объясняется большая затрата энергии на образование каждого участка перехода. Другой возможный результат суперскручивания -это образование крестообразных структур в участках ДНК, содержащих палиндромы.
Для поддержания крестообразной структуры необходимо значительное количество энергии — порядка Л6 = + 18 ккал,'моль. Однако еще большая энергия активации расходуется на разрушение двойной спирали, необходимое лля образования структуры креста: примерно Л6 = + 50 ккал?моль.
При физиологических условиях эта реакция протекает также очень медленно. В действительности кажется, что степень суперспиралнзации, нужная для образования структуры креста, может оказаться намного болыпе той, которая реально встречается в живой клетке. Противоположный эффект достигается, если ДНК закручена в июм лсе симом направлении, что и сама двойная спираль. Введение положительных супервитков усиливает напряженность структуры, повышая напряжение скручивания, что еще сильнее закручивает двойную спираль. Положительно суперспирализованную ДНК называют перекрученной (очеггчоппг(). Такого состояния молекулы можно добиться различными воздействиями (п чцго, но оно не встречается в естественных условиях. РНК тоже имеет вторичную структуру Какое структурное разнообразие доступно для РНК? Ве первичная структура такая же, как и у ДНК: полинуклеотидная цепь с 5' — 3'-сахарофосфатными связями. Но обычно она существует в виде одночелочечиой полинуклеотидной цепи, а не в виде двойной спирали из ангипараллельных цепей.
Таким образом, по составу оснований она не подчиняется правилу Щ = [С] и ('А] = 1"г)1. Что касается биофизических свойств РНК, то наличие вторичной структуры у нее выражено 1ораздо слабее. Однако спаривание оснований может происходить внутри и межлу молекулами РНК. Мы уже упоминали, что такие двухцепочечные участки РНК, вероятно, существуют в А-форме.
Если за какой-то последовательностью оснований сле- 34 Часть 1. Природа генетической информации дует комплементарная ей последовательность, полинуклеотидная цепь может сложиться и образовать антипараллельную двухцепочечную структуру. Такую структуру называнзт шпилькой. Она состоит из спаренных оснований, образующих лвуспиральный участок — стебель, часто с петлей из неспаренных оснований на одном конце. Конкретный пример рассматривается ниже (рнс. 2.13). Если комплементарны два более удаленных участка цепи РНК, они могут соединиться и также образовать рвуспиральную область. При этом образуется стебель с очень длинной одноцепочечной петлей.
Кроме того, две риэхичные молекулы РНК могут иметь комплементарные участки, которые спариваются при подходящих условиях. Обычно это достаточно короткие участки. Такие взаимодействия имеют важное биологическое значение, и примеры каждого из них рассматриваются в этой книге по ходу изложения. Из этих примеров следует, что спаривание оснований занимает центральное место во всех процессах, протекающих с участием нуклеиновых кислот. Если вторичная сзруктура РНК нерезулярна, то можно ли ее предсказать, исходя из последовательности оснований, или установить экспериментально? Иногда в молекуле РНК может быль несколько участков, потенциально способных к спариванию друг с другом во взаимоисключающих комбинациях.
В этом случае необходимо установить, какая комбинация возникает в действительности. Общую протяженность двухцепочечных участков можно установить, исходя из физических свойств молекулы, так, как это описано в следующем разделе. Однако на основе таких измерений нельзя узнать, какие именно индивидуальные отрезки участвуют в спаривании.
Одноцепочечные и двухцепочечные участки РНК различаются по чувствительности к некоторым нуклеазам. Это дает возможность установить, какие конкретные участки молекулы вовлечены в спаривание. Такие данные, однако, имеют ограниченное применение, и в основном анализ вторичной структуры РНК зависит больше от развития теоретических представлений, чем от информации, получаемой экспериментальным путем.
Вероязпнисгпь спаривания оснований на определенном участке может быть предсказана на основе правил, описывающих взаимодействие между основаниями. При существовании альтернативных структур можно оценить их относительную стабильность. Конечно.
при этом РНК рассматривают как изолированную и стабильную структуру, игнорируя любые другие факторы, которые могут взаимодействовать с РНК ш инка, влияя на ее конформацию (например, связывание с белками). Однако применение этих правил позволяет оценить принципиальную возможность существования определенной структуры. В основе этих правил лежит расчет свободной энергии образования каждой структуры.
Вкратце свободная энергия — это термодинамическая величина, соответствующая такому количеству энергии, которое может высвобождаться в результате реакции. Формально это параметр Лб. имеющий игприиагпеаьное значение и соответствующий энергии связи. Например, если имеются две альтернативные структуры со значениями свободной энергии Лб = — 21 и Лб = — 35, то нри прочих равных условиях более вероятно образование последней. Общая свободная энергия структуры подсчитывается как сумма свободнглх энергий спаривания инднви- дуальных оснований, участвующих в контакте при образовании двухцепочечной структуры.
Для такого подсчета каждой паре оснований приписывают определенное значение Лб. Поскольку пары Π— С имеют три водоролные связи, и при образовании каждой из них высвобождается определенное количество энергии, они более стабильны. Значение Лб для Сз — С-взаимодействия равно — 2,4 икал!моль. Для пар А — Б Лб = — 1,2 ккал,'моль. так как они удерживаются только двумя водородными связямн. Пары, образующие в РНК такие неканонические сочетания.
как Π— Б, имеют Лб = О. Другими слонами, О может находиться против Б в двуспиральной РНК, не нарушая спирали н не влияя на ес образование. В действительности оказывается, что основным источником свободной энергии при двуспиральном спаривании служит гидрофобное взаимодействие оснований, уложенных стопкой вдоль по спирали (межзлоскостное, илн стэкинг-взаимодействие).
Каждая комбинация пар оснований имеет различную свободную энергию, на которую влияет не только состав пар, но и порядок их расположения. Например, двойные последовательности СС и СО ОО ОС освобождают больше свободной энергии (Лб = — 5,0), чем ОС (Лб = — 3,2), хотя все они состоят из двух ОССО пар. Аналогично последовательность (3(3 освобождает АА меньше энергии (Лб =- — 1,2], чем альтернативные последовательности того же состава (3А и А() (Лб = — 1.6). А (3 (5А (Принято, что прн написании последовательных двойных спиралей верхний рял соответствует направлению 5'-3', а нижний — 3' — 5'.) По этой причине свободную энергию рассчитывают лля каждого дуплета соседних пар оснований в потенциальной двуспиральной.
структуре. При подсчете каждую пару включают в два дуплета — по одному с каждой стороны. (Если пара оснований лежит на конце спирали, она участвует в подсчете только один раз, так как состоит только в одном дуплете.) Сумма свободной энергии всех дуплетов составляет общую энергию образования структуры. И в этом случае считается, что комбинации, содержа~цие пары О-.С, освобождают больше энергии, чем те, которые содержат пары А Т). Таким образом, стабильность двуспиральных участков увеличивается пропорционально ОС-содержанию. Однако точное значение зависит от последовательности оснований. Пример расчета свободной энергии показан на рис. 2.13. В отличие от ДНК, которая имеет совершенную двуспиральную структуру, двуспиральные участки РНК образуются обычно из двух отдельных цепей, не имеющих полной комплементарности. Это означает, что по ходу двойной спирали встречаются помехи, нарушающие спаривание.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
