Текст и подтекст: физические свойства ДНК

ДНК и ее назначение

Для того, чтобы живая #клетка могла сформироваться, успешно функционировать (в частности, в "коллективе" своего клеточного окружения) и воспроизводить себя, ей необходимы соответствующие инструкции. В XX в. ученым удалось выяснить, что местом их хранения является #ДНК . Вообще говоря, все, чем некоторый организм может стать в ходе своего индивидуального развития, как и эволюционная родословная, хранится в этой своеобразной памяти ДНК. Молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты приобрела ряд особых свойств, позволяющих хранить и передавать информацию; они сильно отличают ее от других биомолекул (РНК и белков). Так, ДНК приходится: во-первых, быть сильно компактизированной (плотно упакованной в очень маленьком объеме) при возможности к разворачиванию и, во-вторых активно взаимодействовать со своим окружением (прежде всего ДНК-связывающими белками) в ходе регуляции, т.е. настройки ее активности. В то же время ДНК должна обеспечивать надежное хранение и последующую передачу информации, закодированную в последовательности мономеров (повторяющиеся структурные единицы полимера, которые в данном случае называют нуклеотиды). Давайте рассмотрим, какие именно структурные свойства ДНК делают эту молекулу уникальной.Структура ДНКПожалуй, каждый имеет некоторое представления о том, что ДНК –это двойная спираль, состоящая из двух закрученных друг относительно друга цепей. Неудивительно: эта молекула стала мемом в популярной культуре. Недавно ДНК даже получила собственную пиктограмму #эмоджи (Рис. 1), в числе всего нескольких связанных с наукой[1].

Рис. 1. Пиктограмма ДНК.

Итак, молекула ДНК представляет собой что-то вроде пожарной лестницы, скрученной за оба конца вокруг длинной оси (Рис. 2A). Каждая "ступень"-мономер состоит из трех компонентов: остатка сахара, фосфатной группы и азотистого основания (Рис. 2B). В случае РНК (другой нуклеиновой #кислоты и ближайшего родственника ДНК) сахар –это рибоза, в то время как в ДНК обнаружена дезоксирибоза. Дезоксирибоза отличается от рибозы тем,что у нее удален ("де-", "дез-") один из кислородов ("окси-"); именно этот сахар стал основой для названия ДНК. Чередующиеся с фосфатами остатки дезоксирибозы образуют сахарофосфатный остов –"хребет" молекулы, ее однородную по всей длине структурную основу (Рис. 2C). Остаток фосфорной кислоты несёт большой отрицательный заряд; обилие таких групп делает ДНК заряженной отрицательно, причем неоднородно –в определенных частях структуры. Это существенно для ее взаимодействийс белками (Рис.2I).Если сахарофосфатный остов один и тот же по всей длине ДНК, то азотистые основания (нуклеозиды), напротив, различаются в отдельных "звеньях" полинуклеотидной цепи. Как следует из названия, азотистые основания содержат азот; в случае ДНК их всего 4 вида (аденин, гуанин, тимин и цитозин –обозначаются как A, G, Tи Cсоответственно). Аденин и гуанин по химической природе относятся к пуринам –азотсодержащим соединениям с двумя соединенными (на языке химии –конденсированными) углероднымикольцами. Цитозин и тимин являются пиримидинами –также содержищими азот соединениями с единственным кольцом.Таким образом, мономером ДНК (повторяющейся структурной единицей) является нуклеотид, состоящий из сахара-дезоксирибозы, остатка фосфата (вместе образуют сахарофосфатный остов) и азотистого основания одного из 4 типов. Отметим, что в структуре РНК все в целом то же, за исключением замены тимина (T) на урацил (U) и предпочтения одноцепочечной (и, как следствие, не спиральной) формы. Неодинаковые химические группы на концах каждой цепи делает их различимыми. Говоря иначе, каждая из цепочек дуплекса имеют "начало" и "конец" (5'-и 3'-концы). При этом они имеют противоположную ориентацию: 5'-конец одной прилегает к 3'-концу другой. Благодаря этому у дуплекса в целом также можно выделить 5'-и 3'-конец.В связи с обилием фосфатов (имеющих значительный отрицательный заряд) обе полинуклеотидные цепи несут сильный одноименный (а именно отрицательный) заряд. Казалось бы, это должно вызывать их сильное взаимное отталкивание. Каким же образом они удерживаются вместе в двухцепочечной ДНК? Прежде всего, многие из зарядов нейтрализованы окружающими положительно заряженными атомами. Помимо этого, цепи удерживают водородные связи между комплементарными (как бы "подогнанными" друг под друга) основаниями, расположенными напротив в разных цепочках. Водородные связи относятся к сравнительно слабым и способным легко формироваться и разрываться (Рис. 2G). Именно надлежащее формирование этих связей определяет специфическое спаривание А с Т и G с C. А это, в свою очередь, необходимо для поддержания строго выдержанной структуры дуплекса. Пару А и Т связывают две #водородные связи, в то время как Gс C–три. В результате обилие GC-пар связано с более прочно связанными участками ДНК –более тугоплавкими (плавлением ДНК называют расхождение цепей ее дуплекса). Для поддержания формы ДНК существенны также стэкинг-взаимодействия, заставляющие азотистые основания разных нуклеотидов держаться в виде своеобразной "стопки" (англ. “stack”) (Рис. 2H).

Рис. 2. Структура ДНК. Общий вид двухцепочечной ДНКс разным уровнем детализации[2]:A)поверхность молекулы, соответствующая максимальной плотностиэлектронов;B)схематическое изображение с указанием компонентов отдельных нуклеотидов (шарики –фосфат, пятиугольники –сахар дезоксирибоза, цветные линии –азотистые основания, показанные в профиль);C)изображение отдельных атомов;D)две цепочки дуплекса показаны разными цветами на двойной спиралиДНК;E)то же, на развернутых цепочках (обозначения компонентов дуплекса как на2B);F)цветами показаны малый (зеленым) и большой (фиолетовым);G)направление действия стабилизирующих дуплекс водородных связей;H)направление действия стэкинг-взаимодействий;I)связывание белка на желобках ДНК

Наличие двух гребней, соответствующих двум цепям дуплекса, означает и наличие двух желобков между ними. Они ассиметричны –различают большой и малый. При этом желобки и, прежде всего, большой желобок являются местом посадки ДНК-связывающих белков, поскольку имеют специфическую узнаваемую форму поверхности (Рис. 2I).Стоит отдельно отметить, что #дуплекс ДНК может существовать в различных формах. Наиболее стандартной является закрученная вправо B-форма; также описаны A-форма (также правосторонняя спираль), Z-форма (закрученная влево), и ряд менее значимых. При этом между разными формами возможны переходы. Отличия между ними, помимо направления закручивания, определяются его степенью, соответствующей деформацией желобков, количеством связанной с дуплексом воды,а также составом окружающего раствора [3-4]

Научно-популярная статья основана на материалах публикаций:

1.Орлов М.А., Камзолова С.Г., Рясик А.А., Зыкова Е.А., Сорокин А.А. Профили вызванной суперспирализацией дестабилизации дуплекса ДНК (SIDD) для промоторов бактериофага T7// Компьютерные исследования и моделирование, 2018. —Vol. 10, —No 6. —P. 867-878 http://crm.ics.org.ru/journal/article/2747/

2.Orlov, M., Garanina, I., Fisunov, G. Y., & Sorokin, A. (2018). Comparative Analysis of Mycoplasma gallisepticum vlhA Promoters. Frontiers in Genetics, 9. https://doi.org/10.3389/fgene.2018.00569

3.Orlov, M. A., Ryasik, A. A., & Sorokin, A. A. (2018). Destabilization of the DNA Duplex of Actively Replicating Promoters of T7-Like Bacteriophages. Molecular Biology, 52(5), 686–692. https://doi.org/10.1134/s0026893318050114

4.Ryasik, A., Orlov, M., Zykova, E., Ermak, T., & Sorokin, A. (2018). Bacterial promoter prediction: Selection of dynamic and static physical properties of DNA for reliable sequence classification. Journal of Bioinformatics and Computational Biology, 16(1), 1840003. https://doi.org/10.1142/s0219720018400036

5.Сорокин А.А., Джелядин Т.Р., Орлов М.А., Зыкова Е.А., Камзолова С.Г. Пространственная организация электростатических взаимодействий Т7 РНК-полимеразы с поздними промоторами Т7 ДНК. // Вестник биотехнологии и физико-химической биологии им. Ю.А. Овчинникова, 2016. —T. Т.12, —No No4. —С. 64-71.6.Orlov, M. A., & Sorokin, A. A. (2020). DNA Sequence, Physics, and Promoter Function: Analysis of High-Throughput Data on T7 Promoter Variants Activity. Journal of Bioinformatics and Computational Biology. https://doi.org/10.1142/s0219720020400016

ПОЛНЫЙ ТЕКСТ http://enanos.nanometer.ru