Конформації подвійних спіралей нуклеїнових кислот
Сили, що стабілізують асоціати основ. Між основами існує два типи взаємодій: горизонтальні, за рахунок водневих зв’язків між комплементарними парами, і вертикальні, або стекінг взаємодії за рахунок гідрофобних ефектів. В неводних розчинах і в кристалічному стані основи, нуклеозиди і нуклеотиди асоціюють за рахунок утворення водневих зв’язків. Водневі зв’язки в 20-30 разів слабкіші, порівняно з ковалентними. Водневі зв’язки легше розтягуються і згинаються, в результаті чого геометрія системи атомів х-н∙∙∙∙у непостійна. Утворення водневих зв’язків веде до перерозподілу зарядів: х і у стають ще більш електронегативними, а Н – ще більш електропозитивним.
В водних розчинах вклад в стабілізацію асоціатів за рахунок стекінгу збільшується, оскільки з донорами і акцепторами водневих зв’язків між основами конкурують молекули води. Взаємодії вертикального типу полягають в тому, що основи розміщуються одна над одною на відстані вандерваальсового радіусу 0,34 нм, утворюючи стопки. Сила стекінг взаємодій зменшується в ряду: пурин-пурин > пурин - піримідин > піримідин - піримідин. Міжплощинні (стопкові) взаємодії основ збільшуються, якщо вони входять до складу полінуклеотидів.
Водне оточення нуклеїнових кислот відіграє важливу роль. Вода – це не просто середовище, в якому розчинені ті чи інші молекули. Вода взаємодіє з розчиненими молекулами і стабілізує вторинну і третинну структуру макромолекул. Це відноситься до білків, і до ДНК, причому до ДНК навіть в більшій мірі, тому що високий ступінь діелектричної проникності води і гідратовані противоіони послаблюють електростатичне відштовхування фосфатів. Молекули води впливають і на процес самозбираннямономерних компонентівнуклеїнових кислот в упорядкованіструктури, тому що цей процес в значній мірі обумовлений гідрофобними взаємодіями. Ступінь гідратації ДНК має визначальне значення для конформації: при високій відносній вологості ДНК знаходиться у В- формі, зменшення вологості (чи збільшення іонної сили) призводить до переходу ДНК з В- в С-, А- чи (якщо дозволяє послідовність) в D- і Z-форми.
Гідратацію макромолекули визначає параметр Г, який у випадку ДНК дорівнює числу молей води, що приходяться на один моль нуклеотидів. Вторинна структура ДНК тісно зв’язана з параметром Г, котрий в свою чергу безпосередньо зв’язаний з активністю води, яка збільшується з пониженням концентрації солі в розчині. Хоча вплив катіонів на активність води визначається іонною силою і загалом не залежить від виду катіона, різні катіони по різному впливають на вторинну структуру ДНК, що свідчить про певну специфічність взаємодії ДНК з катіонами.
Дві гідратні оболонки подвійної спіралі ДНК. Експериментальні данні, отримані різними методами, свідчать про те, що молекула ДНК, яка являє собою поліелектроліт, сильно і нерівномірно гідратована. Навколо неї утворюються два дискретних шари молекул води – первинна і вторинна гідратні оболонки. Первинна гідратна оболонка непроникна для катіонів і за структурою не схожа на лід. Вона включає принаймні 11-12 молекул води на нуклеотид. Ці молекули, відповідно до зменшення сили зв’язування, можна розбити на три класи: зв’язані з фосфатами (І), з фосфодиефірними зв’язками та залишками вуглеводів (ІІ) і з основами (ІІІ). За даними ІЧ- спектроскопії, атоми кисню фосфатів гідратовані навіть при відносній вологості менше 65%; при цьому на нуклеотид приходиться 5-6 молекул води. Атоми кисню фосфодиефірного зв’язку і кисень фуранозного кільця при відносній вологості нижче 60% гідратовані лише частково. Гідратація функціональних аміно-, іміно- і кето- груп основ відбувається при відносній вологості вище 65% і приводить до додаткового зв’язування 8-9 молекул води. При відносній вологості ~ 80% первинна гідратна оболонка подвійної спіралі ДНК заповнюється, при цьому на нуклеотид приходиться приблизно по 20 молекул води. Подальше збільшення ступеню гідратації спричиняє набухання зразка, про що свідчать результати рентгенівської дифракції на волокнах ДНК. Як свідчить ІЧ- спектроскопія, первинна гідратна оболонка відрізняється за своєю структурою від звичайної води. В безпосередньому контакті з ДНК знаходяться не всі 20 молекул, а 11-12 молекул внутрішньої частини гідратної оболонки, з якими зв’язані ще 8-9 молекул води. Внутрішня оболонка непроникна для катіонів і “не замерзає” (тобто не утворює структуру льоду) при температурі значно нижче 0оС.
Вторинна гідратна оболонка не відрізняється від звичайної води за проникністю для іонів і за здатністю утворювати структуру льоду І.
Різні стани гідратації ДНК. а-, в- і с-днк. При високій активності води, коли катіони не порушують первинну гідратну оболонку, яка складається з 20 молекул води на нуклеотид, ДНК знаходиться у В- формі. По мірі зменшення відносної вологості у волокні чи плівці, чи при збільшенні концентрації солі в розчині, ступінь гідратації зменшується і при деякому пороговому значенні Г, меншому 20 молекул води на нуклеотид, спостерігається структурний перехід ДНК з В- форми в С- чи А- форму в залежності від природи присутнього противоіона. В®С – перехід відбувається “плавно”, як це повинно бути у випадку двох структурно близьких форм. Іншими словами, між цими крайніми формами існує множинна проміжних форм. Що стосується переходів В®А і С®А, то із-зазміни конформації вуглеводу С2-ендо ® С3-ендо вони відбуваються стрибкоподібно, кооперативно.
Переходи ДНК з одної структурної форми в іншу можна спостерігати за зміною спектрів круговогодихроїзму. Зі збільшенням концентрації солі йде “плавний” структурний перехід В®С; коли концентрація солі досягає певної величини, спостерігається різкий кооперативний перехід С®А чи В®А. Такі кооперативні переходи (В®А чи С®А) відбуваються також при зміні полярності середовища, наприклад при додаванні в систему етанолу, ізопропанолу чи діоксану до концентрацій ~ 80%. Проміжні стани, які фіксуються спектрополяриметрично, відповідають не проміжним формам між А- і В- ДНК, а різному співвідношенню цих форм.
Спектри КД і експерименти по рентгенівському розсіюванню свідчать про те, що в розчині число нуклеотидів на виток ДНК у В- формі не дорівнює 10, як у волокнах, досліджених методами рентгенівської дифракції. В-ДНК в розчині трохи розкручена.
Поверхня а- і в-днк, доступна молекулам розчинника. Згортання поліпептидів і полінуклеотидів з утворенням вторинної структури характеризується тим, що певні групи атомів, котрі у неупорядкованих полімерів контактували б з розчинником, при згортанні ланцюга опиняються всередині. Для оцінки впливу розчинника на укладку полінуклеотидного ланцюга була розвинена концепція доступної поверхні, за допомогою якої можна кількісно визначити співвідношення між захованими і доступними для молекул розчинника групами атомів.
Якщо порівнювати площі доступної поверхні повністю витягнутої ДНК і ДНК в А- чи В-формі, то ми побачимо, що при утворенні подвійного ланцюга атоми кисню фосфатних груп залишаються майже повністю відкритими, тоді як основи на 80% маскуються іншими атомами. Інакше кажучи, якщо у розкрученому ланцюгу ДНК на частку фосфатів приходиться ~ 20% площі поверхні, на частку основ – 50% і на частку вуглеводів – 30%, то у подвійному ланцюгу фосфати займають 45% площі поверхні , основи – 20%, а вуглеводи – 35%. Таким чином, полярність молекули ДНК при утворенні подвійної спіралі збільшується. Така ж закономірність спостерігається і у білків при утворенні глобулярних структур: полярні групи розташовуються на поверхні, а неполярні, гідрофобні – всередині.
Структура нуклеїнової кислоти, побудована за принципом Уотсон - Кріковських пар, допускає існування різноманітних форм подвійних спіралей. Відмінності торкаються кількості пар основ на виток спіралі, кута між парами основ і віссю спіралі, діаметра спіралі і інше. Розрізняють А- і В-родини нуклеїнових кислот. РНК належить до А родини і може знаходитись в 2-х близьких конформаціях А і А¢. Конформаційна різноманітність ДНК значно більша. Вона може знаходитись в А, В, С, D, Е і Т - формах, які є правими спіралями. ДНК може знаходитись також в формі лівої спіралі (Z-ДНК). В таблиці 7 наведені параметри ряду форм, які були виявлені експериментально.