Структура ДНК. 
Азотистые основания

Мономерами ДНК являются нуклеозиды (рис. 1.3). В химической структуре нуклеозидов можно выделить два крупных фрагмента: остаток сахара и азотистое основание. Первый компонент — остаток сахара дезоксирибозы — является общим для всех типов нуклеозидов ДНК. Второй компонент нуклеозида — азотистое основание, определяющее его тип. Четыре типа азотистых оснований дают четыре типа нуклеозидов.

При переходе от мономеров ДНК к полимеру появляется еще один компонент структуры — остаток фосфорной кислоты, который обеспечивает связь остатков дезоксирибозы. Эта связь всегда задействует З'-атом углерода одного сахарного остатка и 5'-атом другого остатка, что позволяет выделять направление в полимерной молекуле (линейная молекула имеет одно «свободное» З'-окончание и одно 5')^[1]. Нуклеозид, связанный с остатком фосфорной кислоты, называют нуклеотидом.

В дальнейшем мы будем придерживаться термина «нуклеотид», когда речь будет идти о мономерах нуклеиновых кислот, а также названий азотистых оснований (адении, тимин, цитозин и гуанин), когда речь будет идти о различиях соответствующих мономеров.

Помимо общности строения, второй важной особенностью мономеров ДНК является их способность формировать водородные связи между азотистыми (рис. 1.4, а) основаниями. При этом спаривание происходит весьма специфично: адеиин формирует две водородные связи с тимином, а гуанин — три водородные связи с цитозином^[2]. Такая специфичность позволяет сформировать для каждой последовательности нуклеотидов «комплементарную» ей последовательность (рис. 1.4, б).

Рис. 1.3. Нуклеотиды — мономеры ДНК:

в центре (в рамке) — фрагмент полимера: черный цвет — азотистые основания (подписаны), серый — остаток дезоксирибозы и светло-серый — остаток фосфорной кислоты. Слева и справа приведены химические формулы соответствующих нуклеозидов (дезоксицитидин, дезоксиаденозин, дезоксигуанозин, дезокситимидин).

Рис. 1.4. Пары комплементарных азотистых оснований и формируемые ими водородные связи (пунктир) (а); пример антипараллельных комплементарных цепей ДНК (б):

следует обратить внимание, что цепи имеют разные направления (3'—5' и 5'—3').

Следует отметить, что для формирования водородных связей «комплементарная» цепь должна иметь обратное направление (см. рис. 1.4, б). В живых организмах молекулы ДНК, как правило, встречаются в «двуцепочечной» форме, а различия в направлении цепей обозначают, называя цепи антинараллельными. Именно на принципе комплементарности базируются основные матричные процессы, происходящие с участием ДНК (и РНК, см. подпараграфы 1.2.1 —1.2.4).

Рис. 1.5. Основы пространственной геометрии молекул:

валентные углы внешних орбиталей атомов в состоянии 8р³-гибридизации: а — тетраэдрическая структура, валентные углы близки к 109°, и sp²-гибридизации; б — плоская структура, валентные углы близки к 120°; в — двугранный угол — угол вращения вокруг связи j — к (вектор Ь₂), определяемый как угол между плоскостями, в которых лежат тройки атомов i—j — knj — k — /; г — возможные конформации молекулы при различных значениях торсионного угла (направление взгляда вдоль связи j — к)

Если переходить от химической структуры ДНК к пространственной, то, как и в случае любой другой молекулы, ее геометрия определяется длинами химических связей, валентными углами входящих в нее атомов, а также двугранными (торсионными) углами химических связей (см. рис. 1.5). Поскольку внешние орбитали всех атомов, формирующих остов цепи ДНК и фуранозное кольцо (С, О, Р), находятся в состоянии 8р³-гибридизации (см. рис. 1.5, а), длины химических связей различаются незначительно, а учитывая высокую протяженность молекул, наибольшее влияние на принятие цепью определенных конформаций оказывают именно двугранные углы. Так, конформация полинуклеотидной цепи определяется набором торсионных углов остова цепи (а, р, у, 5, е и Q, внутренними торсионными углами сахарного остатка (v₀—v₄) и торсионным углом определяющим ориентацию азотистого основания (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Торсионные углы, определяющие конфигурацию остова нуклеотидной цепи, и угол %, определяющий ориентацию азотистого основания (а); торсионные углы фуранозного кольца (б); возможные конформации фуранозного кольца (в) Несмотря на то что двугранные углы остова цепи должны иметь возможность свободного, пусть и стерически ограниченного, вращения, углы фосфатной связи аи (дополнительно заторможены в силу аномерного эффекта (рис. 1.7), стремящегося соориентировать свободную электронную пару 0₃' атома со связью Р—0₅' (и наоборот — пару 0₅'-атома со связью Р—0₃'). К этому эффекту добавляется антиперипланарная (транс-) конфигурация С₅'—0₅'- и С₃'—0₃'-связей (углы Р и е на рис. 1.8), что в сочетании с ограничениями угла 8 (см. далее) приводит к фиксации этих фрагментов цепи в ригидный участок. Вращение вокруг оставшейся связи С₄'—С₅' (у) также стерически ограничено синклинальным ротамером (см. рис. 1.5, г и 1.8, а). В результате последовательности связей Р—0₅'—С₅'—С₄' и Р—0₃'—С₃'—С₄' часто рассматривают как пару «виртуальных» связей между атомами Р и С_л'.

Рис. 1.7. Пример аномерного эффекта для атома 03' и связи Р—05'.

Видно, что одна из свободных sp³ орбиталей кислорода (темно-серая), ориентируется вдоль связи Р—0₅'.

Рис. 1.8. Транс-конфигурация связей С5'—05' (а) и СЗ'—03' (б).

Наиболее распространенными формами конфигурации молекулы ДНК являются Аи В-формы. В обоих случаях это двуцепочечная антипараллельная двойная правая сунерспираль (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Схематичное изображение Аи В-форм ДНК.

Хорошо видны отличия между малой и большой бороздами в В-форме.

Отличия конфигураций Аи В-форм обеспечиваются различной конформацией фуранозного кольца — Сз'-эндо для А-формы (8 = +80°; ^ = -80°) и С₂'-эндо для В (8 = +130°; = -120°) (см. рис. 1.6, в). В пользу формирования спиральных конформаций действует пятичленность сахарного остатка, поскольку торсионный угол 8 в этом случае превышает 60°. Также спираль стабилизируется межцепочечными водородными связями и стэкинг-взаимодействиями циклов азотистых оснований. Как правило, в растворе ДНК находится в В-форме, однако практически всегда есть участки с деформацией классической структуры. Обычно на двойной суперспирали выделяют большую и малую борозды. Для нас большая борозда важна тем, что выстилка ее дна формируется азотистыми основаниями и, таким образом, ее «ландшафт» определяется последовательностью мономеров. Именно через взаимодействие с большой бороздой чаще всего происходит узнавание специфичных последовательностей ДНК различными молекулярными машинами.

• [1] Подчеркнем важность наличия «направления» в нуклеиновых кислотах, так как практически все процессы с их участием идут только в определенную сторону.
• [2] Упомянутые взаимодействия называются классическими (или, но фамилиям первооткрывателей уотсон-криковскими). Следует также иметь в виду, что в природе встречаютсяи другие комплементарные пары, однако классические (канонические) пары в количественном отношении доминируют.