ДНК

структура ДНК
формы ДНК
нуклеотидный состав ДНК
плавление ДНК
топология ДНК
ДНК - молекула, состоящая из двух антипараллельных молекул соединенных водородными связями по принципу комплементарности с образованием спиральной структуры.

Структура ДНК

Структурной единицей цепи ДНК является дезоксирибонуклеозид, состоящий из фосфата, сахара-дезоксирибозы и четырех нуклеотидов: аденина (A), цитозина (C), гуанина (G) и тимина (T). У некоторых фагов Тимин замещен Урацилом (фаг PBS1), который обычно входит в состав РНК. Нуклеотиды двух цепей ДНК соединены водородными связями по принципу комплементарности: А-T, G-C.пурины (2кольца) -Аденин, Гуанин пиримидины -Тимин, Цитозин |
d DNA=20A; - на пурин-12A, на пиримидин-8A |
В паре A-Т 2 H-связи, в паре Г-Ц – 3 |
Вращающаяся молекула ДНК [1 Mb]
Tаутомерия оснований
В гетороциклах протоны связанные с азотом могут переходить
на другие атомы азота или на атомы кислорода кетогруппы и в растворах будет существовать равновесие различных таутомерных структур быстро переходящих друг в друга.
В результате таутомерых превращений U и G в енольной форме при спаривании могут имитировать С и А, а С и А в иминоформе - U и G, что может привести к мутациям в ДНК (рис.).
Стекинг взаимодействие
Основания в цепи ДНК лежат друг над другом в стопке, что обеспечивает дополнительную стабилизацию цепи - стекинг взаимодействие.
Величина стекинг взаимодействия между основаниями: пурин-пурин>пиримидин-пурин>пиримидин-пиримидин
В олиго- и полинуклеотидах стэкинг между соседними основаниями приводит к формированию стабильной одноцепочечной спиральной структуры (polyA) а отсутствие стекинга к разупорядоченному клубку (polyU)
Энергия стекинг взаимодействий ~ -3 - -15 ккал/моль
Сахарофосфатный остов снаружи основания внутри дезоксиробозофосфаты соединены фосфодиэфирными связями. ОН-группы фосфата соединены
с ОН-группой 3'- и 5'-углеродами дезоксирибозы.
Ошибочное спаривание может происходить, когда тимин находится в енольной форме или цитозин находится в имино форме.


Напишите здесь подпись к рисунку

Модификации нуклеотидов

рис.1 Модифицированные нуклеотиды [Сингер].

Нуклеотиды в ДНК могут подвергаться модификациям: 5-метилцитозин,
5-гидроксиметилцитозин, 5-гидроксиметилурацил,
N-метиладенин. В ДНК некоторых бактериофагов к гидроксиметильной группе гидроксиметилцитозина присоединены с помощью гликозидной связи моно- или дисахариды. ДНК большинства низших эукариот и беспозвоночных содержат относительно мало 5-метилцитозина и
N6-метиладенина. У позвоночных метилирование оснований играет
важную роль в регуляции экспрессии генов, причем наиболее распространен 5-метилцитозин. Показано, что
более 95% метильных групп в ДНК позвоночных содержится в остатках цитозина редко встречающихся CG-динуклеотидов и более 50% таких динуклеотидов метилировано. У растений 5-ме-тилцитозин можно обнаружить в динуклеотидах CG
и тринуклеотидах CNG (N – C, А или Т).

 

Формы ДНК

Параметры B-форма А-форма С-форма Z-форма
спираль правозакручена правозакручена правозакручена левозакручена
ед. повтора 1 пн 1пн 1пн 2пн
пн в обороте 10,4 10,7 9.3 12
диаметр 23,7А 25,5А   18,4А
вращение/пн 35,9 33,6 38,7 60/2
наклон пн к оси -1,2 +19   -9
раст. м-у пн вдоль оси 0.332 nm 0.23 nm   0.38 nm
длина оборота 34А 28А 31А 34,4А
         
         
         

При исследовании ДНК различными методами обнаружено наличие различных форм ДНК образуемые при различных условиях (концентрации солей, влажность), некоторые из которых способны существовать в живых организмах.

Существуют A, B, C, D, T-семейства форм ДНК, которые могут быть подразделены на различные подтипы (C', C'').
В-ДНК
- основное состояние ДНК показанное на кристаллах и в водных растворах.
С-ДНК - форма существующая при пониженной концентрации Na и влажности 44-66%, если GC=31-72%.
А-ДНК - такая форма образуется у гибридов ДНК-РНК, следовательно при транскрипции ДНК переходит в А-форму, в месте контакта RNA-pol. Для этой формы характерно наличие внутренней пустоты диаметром 5A.

Z-ДНК - левозакрученная формаПереходу B-->Z способстует наличие GC-5' последовательности являющейся местом метилирования у организмов. Такие последовательности в плазмидах при сверхспирализации переходят из B в Z форму.
При B-->Z переходе участок в 11 пн имеет переходную форму между левой и правой спиралью.
Z-ДНК обнаружена в междисках политенных хромосом D. melanogaster.

Полинуклеотид GC-5' находясь в В-форме при низкой концентрации соли образует нуклеосомы. При высоких концентрациях соли полинуклеотид GC-5' переходит в Z-форму которая не образует нуклеосом.
А-, Z- формы не могут существовать в водном растворе без дополнительных воздействий (белки, суперспирализация).

D-DNA - AT-богатые участки ДНК фага Т2, у которого цитозин заменен на 5'-гидроксиметилцитозин, единственная из известных природных ДНК находится в D-форме. Кроме того ДНК фага гликозилирована более чем на 70%.
Двойная спираль D-ДНК закручена сильнее чем B-ДНК и имеет глубокий малый желоб - удобнуюю полость для размещения воды и катионов.

3D-структуры ДНК

Искривление ДНК

Нуклеотидный состав ДНК

Правила Чаргафа
Нуклеотидный состав ДНК некоторых
организмов
[Сингер].

Источник А G C T A+T/G+C A+G/T+C G+C, мол.%
Бактериофаг λ
Бактериофаг Т2
Escherichia coli
Bacillus subtilis
Вирус папилломы Шоупа
Saccharomyces cerevisiae
Chlamydomonas
Цыпленок
Мышь
Корова
Пшеница
26,0
32,5
23,8
29,0
26,6
31,3
19,6
27,9
28,9
27,3
27,2
23,8
18,2
26,0
20,7
24,5
18,7
30,2
21,2
21,1
22,5
22,6
24,3
16,72
26,4
21,3
24,2
17,1
30,0
21,5
20,3
22,5
22,8
25,8
32,6
23,8
29,0
24,7

32,9
19,7
29,4
30,0
27,7
27,4
1,08
1,86
0,91
1,38
1,05
1,79
0,65**
1,34**
1,44**
1,22**
1,20**
0,99
1,03*
0,99
0,99
1,04
1,00
0,99**
0,96**
1,00**
0,99**
0,99**
48
35*
52
42
49
36
60**
43**
41**
44**
45**

* 5-гидроксиметилцитозин
** включая 5-метилцитозин

У эукариот частота встречаемости 5'-CG-3'выше, чем 5'-GC-3', т.к. динуклеотид 5'-GC-3' подвергается метилированию, участвующему в регуляции экспрессии генов. У прокариот соотношение 5'-CG-3'/5'-GC-3' близко к случайному (см.таблица).

Источник 5'-CG-3'/5'-GC-3' 5'-AG-3'/5'-GA-3'
Вирусы бактерий
λ
Т2
Бактерии

Escherichia coli
Micrococcus lysodeikticus
Bacillus subtilis
Вирусы животных
SV40
Полиомавирусы
Вирус папилломы Шоупа
Одноклеточные эукариоты
Saccharomyces cerevisiae
Chlamydomonas
Многоклеточные эукариоты
Цыпленок
Человек
Мышь
Корова
Пшеница

1,02
0,82

0,95
1,15
0,82

0,14
0,35
0,44

0,87
0,68

0,21
0,23
0,23
0,36
0,78

0,90
0,96

1,0
0,75
0,87

1,35
1,28
1,16

0,96
1,36

1,28
1,15
1,15
1,10
0,97

Размер молекул ДНК

Размер ДНК выражается в парах нуклеотидов (пн), или в тысяче пар нуклеотидов (тпн)

Источник М, Да Длина пн Тип структуры
Бактериофаг φХ174
SV40
Бактериофаг Т2
Хромосома Hemophilus influenzas
Хромосома Escherichia coli
Saccharomyces cerevisiae
Хромосома 1
Хромосома 12
Drosophila melanogaster
Хромосома 2
Хромосома 3
Хромосома 4
1,6•106
3,5•106
1,2•108
7,9•108
2,6•108

1,4•108
1,5•109

4•1010
4,2•1010
4•109
1,6 мкм
1,1 мкм
50 мкм
300 мкм
1 мм

50 мкм
500 мкм

15 мм
16 мм
1,5 мм
5•103
5,2•103
2•105
1,2•106
4•106

2,1•105
2,2•106

6,0•107
6,3•107
6•106
Кольцевая одноцепочечная
Кольцевая двухцепочечная
Линейная двухцепочечная
Неизвестен
Кольцевая двухцепочечная

Линейная двухцепочечная
Линейная двухцепочечная

Линейная двухцепочечная
Линейная двухцепочечная
Линейная двухцепочечная

Плавление ДНК

Денатурация или плавление - расхождение цепей ДНК при нагревании ДНК ~1000C или при повышении pH.
Расхождение цепей происходит из-за разрушения слабых водородных
связей и плоскостных взаимодействий между основаниями.
На денатурацию также влияют: ионы одно- и двухвалентных металлов, белки, нейтрализующие отрицательные заряды фосфатных групп.
Температура плавления ГЦ выше чем АТ. Для разрушения двух Н-связей АТ-пар требуется меньше энергии, чем для разрыва трех H-связей GС-пар, значения температуры и рН, при которых происходит денатурация, зависят от нуклеотидного состава ДНК.
кривая плавления ДНК
Денатурация – процесс обратимый, последующее восстановление двухцепочечной структуры ДНК может происходить даже при полном расхождении цепей. Процесс воссоединения, называемый ренатурацией, реассоциацией или отжигом, происходит при
понижении температуры или рН
При резком понижении температуры или рН правильное воссоединение комплементарных цепей затрудняется из-за спари-
вания оснований локально комплементарных участков в пределах одной или разных цепей.

Ренатурация ДНК происходит при температупе на ~200C ниже температуры плавления.
При ренатурации сначало соединяются участки цепей с повторенной ДНК и затем с уникальными участками
кривая ренатурации ДНК
кривая зависимости т плав от конц. соли


Свойства ДНК

Ультразвук режет ДНК на равные фрагменты ~500 пн в длину.
ДНК нерастворима в неполярных растворителях.
Щелочь гидролизует ДНК.
Благодаря заряду фосфатных групп, ДНК имеет отрицательный заряд.

Топология молекул ДНК

Литература: 
  1. Сингер: Гены и геномы т.1
  2. Зенгер.В: Принципы структурной организации нуклеиновых кислот. М., Мир, 1987