Основные физико-химические свойства ДНК

 

Уникальные биохимические и физико-химическими свойства нуклеиновых кислот определяются высокой молекулярной массой, особенностями химического состава и структурной организации на различных уровнях надмолекулярного строения. Среди характерных физико-химических свойств нуклеиновых кислот (и их растворов) следует выделить самые главные: кислотно-основные свойства, хелатирующую способность, способность к денатурации; оптические, коллоидные, осмотические свойства и высокую вязкость растворов. Кроме того, нуклеиновые кислоты в среде живой клетки могут находиться в жидкокристаллическом состоянии, что является крайне важным при описании их биохимических свойств. При растворении в воде нуклеиновые кислоты набухают и образуют вязкие коллоидного типа растворы. Растворимость нуклеиновых кислот главным образом определяется гидрофильностью фосфатных групп, а также особенностями надмолекулярной упаковки.

Кислотно-основные свойства. В физиологических условиях среды (рН 7,4) фосфатные группы в молекулах ДНК и РНК полностью ионизированы, поэтому в условиях внутренней среды живых организмов нуклеиновые кислоты существуют в форме полианионов, т.е. несут множество отрицательных зарядов.

Фосфатные группы нуклеиновых кислот сильно полярны, а при рН = 4 уже полностью ионизированы, и поверхность в целом несет отрицательный заряд. Именно поэтому нуклеиновые кислоты склонны к взаимодействию с полиаминами, у которых между атомами азота содержатся две или три метиленовые группы. Большой интерес вызывает кислотно-основное взаимодействие ДНК с белками, в результате которого, например, формируются сложные белки – нуклеопротеины.

Надо отметить, что кислотно-основные свойства нуклеиновых кислот обусловлены не только наличием в них фосфатных групп, но и присутствием азотистых оснований. Кислотно-основные свойства гетероциклических оснований влияют главным образом на состояние и прочность водородных связей и стэкинг-взаимодействий, стабилизирующих вторичную структуру ДНК.

Хелатирующая способность. В водных растворах нуклеиновые кислоты проявляют свойства активных полидентатных лигандов, т.е. способных занять большое количество мест. Полидентатность нуклеиновых кислот обусловлена наличием ионизированных фосфатных групп и полярных групп азотистых оснований (карбонильных, амино- и др.), способных к образованию координационных связей с катионами металлов. С помощью ионизированных фосфатных групп нуклеиновые кислоты хелатируют катионы щелочных и щелочноземельных металлов, причем с катионами щелочных металлов нуклеиновые кислоты образуют лабильные, а с катионами щелочноземельных металлов (Mg2+,Ca2+) – более прочные комплексы. За счет взаимодействия с полярными группами азотистых оснований нуклеиновые кислоты образуют достаточно стабильные комплексы с катионами d-металлов.

Денатурация. Все внешние факторы, которые приводят к ослаблению или нарушению водородных связей или стэкинг-взаимодействий, вызывают денатурацию ДНК. При этом происходит нарушение вторичной и третичной структуры, но сохраняется первичная структура молекул (см. ниже).

Известна высокая плотность нуклеиновых кислот близкая к 1,7, являющаяся следствием значительного содержания фосфора. Плотность двуцепочечных ДНК определяется молярной долей Г+Ц, также незначительное влияние на плотность ДНК оказывает её третичная структура.

Вязкость растворов нуклеиновых кислот является особенно ценным показателем для характеристики двуцепочечных ДНК. Упругие нитевидные молекулы большой длины определяют очень высокую вязкость и её зависимость от молекулярного веса.

Производя обычные операции с растворами наиболее высокомолекулярных препаратов ДНК, следует учитывать ломкость её молекул даже при небольших градиентах скорости среды. Уже при элементарном пипетировании растворов ДНК с молекулярным весом 100×10⁶ происходят разрывы биспиральных нитей на фрагменты, размер которых близок обычно к половине исходной длины. Из анализа электронных микрофотографий также можно сделать вывод об относительной негибкости нитей ДНК.

Высокая степень упорядоченности структур биспиральных нуклеиновых кислот ярко выявляются при исследовании их оптических свойств. Пуриновые и пиримидиновые основания и соответствующие нуклеотиды имеют максимум поглощения света вблизи 260 нм (цитозин – 270 нм). Вхождение нуклеотидов в состав нуклеиновых кислот практически не изменяет положение максимума, но значительно снижает интенсивность поглощения. Оптическая плотность биспиральной ДНК примерно на 40 % меньше соответствующего числа не связанных друг с другом нуклеотидов. Явление это, называемоегипохромным эффектом, обусловлено строго упорядоченным, параллельным расположением плоскостей гетероциклических колец оснований в биспиральной ДНК. Простое соединение нуклеотидов в одноцепочечные цепи даёт лишь небольшое снижение оптической плотности при 260 нм. Значения гипохромного эффекта, выраженного в процентах от максимального, очень близки к доле спирализованных участков, поэтому оценка гипохромности широко используется при изучении процессов денатурации-ренатурации нуклеиновых кислот (см.ниже).

Кроме того, на сегодняшний день хорошо известно, что диаметр нитей ДНК близок к 20 ангстремам (Å), а длина варьирует в очень широких пределах, например, для бактерий составляет 0,5-1×10⁶ Å, т.е. 0,05-0,1 мм.