Характеристика ДНК. 
Биология

Структура. Однонитчатая молекула ДНК характеризуется:

• • ориентацией (направлением); условно принято началом цепи считать СЗ'-конец, а концом — С5'-конец; данная особенность строения иол и нуклеотидной молекулы обусловлена несимметричностью фосфатного мостика: с одной стороны, он связан с С5'-концом дезоксирибозы «своего» мононуклеотида, с другой — с СЗ'-концом дезоксирибозы «соседнего» мононуклеотида;
• • полярностью (см. выше);
• • первичной структурой — последовательностью мононуклеотидных остатков.

Двунитчатая молекула ДНК характеризуется:

• • антипараллельностью: 2 нити ориентированы в противоположных направлениях, в результате чего СЗ'-конец одной цепи находится против С5'-конца другой нити;
• • комплементарностью (две нити комплементарны, но не идентичны, т. е. первичная структура одной цепи предопределяет первичную структуру второй цепи);
• • противолежащие азотистые основания двух цепей сочетаются между собой по правилу спаривания оснований: аденин (пуриновое основание) всегда связан с тимином (пиримидиновое основание), гуанин (пуриновое основание) всегда связан с цитозином (пиримидиновое основание); при этом обнаружена следующая закономерность: независимо от количественного соотношения пар А—Т и Г—Ц в молекуле сумма всех пуриновых оснований равна сумме всех пиримидиновых оснований (А + Г = Ц + Т, или (А + Г)/(Ц + Т) = 1 — закон Э. Чаргаффа);
• • причина закономерного спаривания оснований заключается в том, что именно между этими азотистыми основаниями (А и Т, Г И Ц) имеется наиболее полное геометрическое соответствие («ключ — замок»); кроме того, показано, что эти пары оснований являются наиболее выгодными в энергетическом отношении;
• • противолежащие азотистые основания связаны между собой с помощью водородных связей (между, А и Т — 2 связи, между Ц и Г — 3 связи) (рис. 3.59).

Как следует из рисунка, водородные связи образуются между аминогруппой одного азотистого основания и карбонильной группой противолежащего основания, а также между амидным и иминным атомами азота.

Показано, что некоторые ферменты «разрезают» кольцевые двухцепочечные молекулы ДНК (или модифицируют концевые участки линейных молекул) с образованием так называемых «липких» концов. Последние характеризуются наличием «оголенного» (неспаренного) фрагмента одной из цепей ДНК. Получение молекул ДНК с «липкими» концами является важным элементом технологии генетической инженерии (подробнее — см. гл. 16).

Конформация. Вторичная структура — двойная правозакрученная спираль (рис. 3.60). Основные геометрические характеристики: диаметр — 2 нм, шаг спирали (длина одного витка) — 3,4 нм, число нуклеотидных пар на один виток спирали — 10, расстояние между нуклеотидными парами — 0,34 нм.

днк.

dRib — дезоксирибоза; Р — фосфат; Ade (А) — аденин; Thy (Т) — тимин; Cyt (С) — цитозин; Gua (G) — гуанин Поскольку расстояние между парами азотистых оснований в спирали ДНК почти равно длине участка полипептидиой цепи (в бета-конфигурации), приходящегося на один аминокислотный остаток (0,34 нм и 0,347 нм соответственно), полагают, что имеются структурные предпосылки для непосредственного мiюготочечного взаимодействия ДИК и пептидов. Наиболее вероятными областями двойной спирали ДНК, где могло бы осуществляться такое взаимодействие, являются борозды — малая и большая. Показано, что при формировании нуклсосом отмечается тесное взаимодействие гистоновых белков их «сердцевины» (кора) с ДНК по ее малой борозде. С большой бороздой ДНК связываются главным образом регуляторные пептиды и ядерные белки-рецепторы, ассоциированные с гормоном (гормон-рецепторные комплексы). Известно, что точкой приложения ряда гормонов, в частности стероидных, является генетический аппарат клеток органов-мишеней. Общим свойством белков, эффективно связывающихся с ДНК, является высокое содержание положительно заряженных аминокислотных остатков (аргинина, лизина), которые взаимодействуют с отрицательно заряженными фосфорными остатками ДНК.

Стабилизирующими силами являются водородные связи, гидрофобные взаимодействия (в центральной области спиральной молекулы собраны неполярные химические группировки, отсутствует вода), а также особые нековалентные взаимодействия (стэкингвзаимодействия), возникающие между надстроенными друг над другом в виде стопки монет парами азотистых оснований.

Характеризуя физические свойства двухспиральных молекул ДНК, следует отметить, что они относятся к жесткоцепным полимерам, для которых величина наименьшего жесткого участка цепи находится в интервале 10—100 нм (для сравнения: у гибкоцепных полимеров, например полиэтилена, значения данного параметра лежат в диапазоне 1,5—5,0 нм).

Особым вариантом вторичной структуры молекулы ДНК является 11-форма — тройная спираль (триплекс), возникающая в результате размещения дополнительной полинуклеотидной цепи в большой борозде иредсуществующей двуспиральной молекулы ДНК. Встречается как элемент структуры некоторых плазмид. Функциональное значение тринлексов ДНК уточняется.

Третичная структура — различные кольца, суперспирали, шпильки, петли и другие конфигурации.

Репликация (самоудвосние). Представляет собой частный случай матричного синтеза, при котором одна молекула поэтапно («мономер к мономеру») собирается на поверхности другой.

Участники процесса: ДНК (играет роль матрицы и «затравки» реакции), нуклеозидтрифосфаты (АТФ, ГТФ, ЦТФ, ТТФ; являются одновременно предшественниками мононуклеотидов и носителями энергии, необходимой для их полимеризации), фермент ДНК-1 юлимераза (катализирует реакцию полимеризации мономеров, «работает» в направлении 3' —*• 5'), фермент ДНК-геликаза (расплетает двойную спираль ДНК), ДНК-лигаза (сшивает фрагменты ДНК в единую цепь), стабилизирующие белки (обеспечивают поддержание определенной структуры репликационной вилки).

Механизм репликации (по стадиям):

• • раскручивание двойной спирали молекулы ДНК и образование репликационной вилки (катализируется ДНК-геликазой);
• • синтез одиночных полинуклеотидных цепей: непрерывной (лидирующей) на цепи 5'… и коротких фрагментов (фрагментов Оказаки) на цепи 3'… (катализируется ДНК-полимеразой);
• • сшивание фрагментов в одиночную цепь (катализируется ДНКлигазой) (рис. 3.61).

Рис. 3.61. Механизм репликации ДНК:

1 — исходная молекула ДНК; 2 — репликационная вилка; 3 — фермент ДНК-полимераза; 4 — лидирующая цепь; 5 — фрагменты Оказаки; 6 — белки, стабилизирующие одноценочечные участки ДНК Скорость процесса репликации:

• 1000 нуклеотидов в 1 с у прокариот,
• 100 нуклеотидов в 1 с у эукариот.

Однако если принять во внимание, что в ДНК эукариот репликация идет сразу во многих точках (в отличие от ДНК прокариот, в которой одна точка репликации), суммарная эффективность данного процесса является очень высокой (так, в ДНК человека насчитывается около 50 000 точек репликации, благодаря чему вся молекула удваивается за 7—12 ч).

Тип репликации: полуконсервативный (после раскручивания цепей исходной молекулы ДНК на каждой «старой» цепи синтезируется комплементарная ей «новая» цепь). В результате из одной молекулы получаются две, каждая из которых состоит из одной «старой» и одной «новой» цепи.

Процесс репликации осуществляется с большой точностью. Изредка встречающиеся ошибки (мутации) частично исправляются специальными ферментами — 3,5-экзонуклеазами (являются элементом сложного молекулярного ансамбля — репликативного комплекса, в состав которого также входит ДНК-полимераза, ДНК-геликаза, ДНК-лигаза и другие факторы). «Неизлеченные» мутации служат источником наследственной изменчивости и материалом для естественного отбора.