Структура подвійних спіралей нуклеїнових кислот та механізми її стабілізації. Структурні форми подвійних спіралей.
Два полінуклеотидні ланцюги (ДНК, РНК або гібридні) можуть об'єднуватись в єдину дволанцюгову структуру (дуплекс). Таке об'єднання відбувається за жорсткої умови: певні азотисті основи повинні стояти одна проти одної - А проти Т (чи U), G проти C. Цей принцип комплементарності, сформульований Уотсоном і Кріком, зумовлений утворенням специфічних водневих зв'язків між названими основами: два зв'язки в парі А-Т, три в парі G-C. Два ланцюги при цьому спрямовані в різні боки (є антипаралельними), цукрофосфатні остови розташовані зовні, пари основ - усередині цієї структури. У складі такого дволанцюгового комплексу неполярні площини сусідніх пар основ мають наблизитися одна до одної, і відносна гнучкість остовів дозволяє це зробити простим шляхом - закрутити два ланцюги один навкруг одного у подвійну спіраль. Усередині формується стопка (stack) щільно укладених одна на одну пар основ, захищена на поверхні спірально закрученими один навкруг одного полярними цукрофосфатними остовами. Між остовами на поверхні спіралі утворюються два жолобки різного розміру -великий і маленький, в які «дивляться» донорні та акцеп торні групи азотистих основ: у великому жолобку міститься по два акцептори (O, N) та одному донору (NH 2 ) водневого зв'язку кожної пари; у маленькому два акцептори пари А-Т, два акцептори й один донор пари G-C. Таким чином, цілком подібно до білків, гідрофобні взаємодії між площинами пар азотистих основ зумовлюють формування подвійної спіралі. При цьому реалізується щільна упаковка -
утворюються вандерваальсові контакти між сусідніми парами. Велика кількість таких контактів уздовж осі спіралі робить їх суттєвим фактором стабілізації дуплекса. Вандерваальсові взаємодії між парами основ є за своїм характером орієнтаційними та, унаслідок нерівномірності розподілу електронної щільності по кільцях основ, диполь-дипольними. Такі взаємодії складного характеру (гідрофобний ефект + вандерваальсові взаємодії) у складі стопки мають спеціальну назву - стекінг-взаємодії. Отже, стекінг-взаємодії - головний фактор стабілізації подвійної спіралі. Точніше, це практично єдиний фактор стабілізації. Роль комплементарних водневих зв'язків між основами, які самі по собі енергетично не дуже важливі (водневі зв'язки основ із водою при розхо дженні ланцюгів майже такі самі), полягає в тому, що вони є необхідною передумовою утворення стабільної стопки. Це знову цілком аналогічно ролі водневих зв'язків між пептидними групами вторинної структури білків у стабілізації глобули. Донорні й акцепторні групи азотистих основ прагнуть утворити водневі зв'язки (енергія водневого зв'язку є надто високою, щоб його втрачати). Опиняючись усередині неполярної стопки, вони стають недоступним для води і єдиний шанс зберегти водневі зв'язки - утворити їх із відповідними
групами іншої основи. А це можливо лише за умови комплементарності. Відповідно, за відсутності комплементарності водневі зв'язки з водою зберігаються, що робить подвійну спіраль нестабільною. Ефективність стекінг-взаємодій залежить від типу контактуючих пар основ, а також їхньої взаємної орієнтації та порядку розташування в ланцюгах дуплекса - типу динуклеотидного контакту вздовж осі по двійної спіралі. Замість 16 типів динуклеотидних контактів у одноланцюговій нуклеїновій кислоті, у подвійній спіралі залишається 10 - унаслідок комплементарності ланцюгів певні контакти є еквівалентними. Наприклад, контакт AG в одному ланцюзі автоматично означає, що в комплементарному ланцюзі реалізується контакт CT. Слід пам'ятати, що ланцюги є антипаралельними, і що послідовність нуклеотидів читається в напрямку 5' → 3'. Для певних контактів (наприклад, пурин-піримідинових порівняно з піримідин-пуриновими) стекінг-взаємодії є більш ефективними. Відповідно, стабільність подвійної спіралі залежить від послідовності пар основ.
Структурні форми ДНК
ДНК із майже будь-якою послідовністю пар основ може існувати у двох структурних формах, що позначаються як А і В. 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 на вісь 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. 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.