Русский изменить

Ошибка: нет перевода

×

глава 8

Main page / Генетика XXII века / ГЕНЫ. ДНК. РНК / Уотсон-криковское и хугстиновское связывание. G-квартет. Точки начала репликации. Репликоны. Репликативные вилка и пузырь. Реплисома. Rep и DnaB. Белок 58B. ДНК-полимеразы I, III. ДНК-полимеразы α, γ, δ, ε. ДНК- и РНК-зависимые ДНК-полимеразы. Лидирующая и отстающая цепи. Фрагмент Оказаки. POLA1 и POLA2. Праймазные субъединицы PRIM1 и PRIM2. РНК-ДНК-праймер. 3’-5’-экзонуклеазная активность. Экзонуклеазы. Фосфодиэфирная связь. С2- и С3-эндоконформации рибозы. Анти- и синконформация нуклеозида. А-, В-семейства хромосом. Z-хромосома. Стэкинг-взаимодействие.

Содержание

    Как связываются азотистые основания в комплементарных парах мы хорошо знаем. Теперь давай взглянем немного более пристально на эту картину. Для начала возьмем пару А-Т.

    Чтобы более четко запомнить взаимную ориентацию оснований, просто погуляем взглядом по рисунку и отметим характерные моменты. Первое, что сразу бросается в глаза – это то, что тимин развернут к аденину обоими своими кислородами. Это настолько характерный и запоминающийся момент, что забыть его практически невозможно.

    Далее. Мы знаем, что аденин с тимином образуют лишь две водородные связи, отсюда сразу понятно, что со стороны тимина в установлении этих связей участвует один кислород и находящийся между кислородами азот пиримидинового кольца.

    С аденином еще проще: у аденина имеется выпирающий хвост NH2, и понятно, что он должен быть в игре, как и выпирающий азот пиримидинового кольца – в точности как у тимина.

    Ну и понятно, что связь-то водородная, значит она осуществляется между парами «кислород-водород» и «азот-водород».

    Отметим, что в обоих парах АТ и ЦГ основания расположены так, что их пиримидиновые кольца обращены друг к другу, а имидазольные группы пуринов отвернуты в сторону.

    По понятным причинам такое связывание оснований называется уотсон-криковским.

    Теперь взглянем на гликозидную связь, связывающую аденин с сахаром, и вспомним, что она является очень вертлявой, очень подвижной. Водородные связи не очень прочные, поэтому если по какой-то причине в результате внешнего воздействия возникнет сильный крутящий момент, закручивающий аденин вокруг оси гликозидной связи, то они прервутся, а когда аденин повернется на 180 градусов, смогут ли они образоваться по-новому и, таким образом зафиксировать эту новую конформацию?

    Ответ положительный – да, такое возможно. Симметричный тимин не предоставляет сторонним силам рычагов для того, чтобы придать ему крутящий момент, а вот асимметричный аденин такую возможность предоставляет, и после совершения поворота оказывается, что существует отличная возможность для того, чтобы снова установились две водородные связи.

    И, по сути, даже мало что изменилось. Тимин попросту остался на своем месте, и в образовании новых водородных связей участвуют те же атомы, а в аденине пиримидиновое кольцо отошло в сторону, и «лицом» к тимину повернулось имидазольное кольцо, и по-прежнему два азота создают базу для возникновения водородных связей:

    Такое альтернативное связывание оснований называется хугстиновским (поскольку именно Карст Хугстин спустя 10 лет после открытия Уотсоном и Криком структуры двойной спирали обнаружил возможность такой конфигурации).

    С гуанином и цитозином ситуация другая, и это вполне предсказуемо. Вполне можно представить, что после поворота одной из молекул они развернутся таким образом, чтобы между ними снова образовалось две водородных связи. Но чтобы после разворота атомы встали вновь таким удачным образом, чтобы целых три водородных связи восстановились, на такое рассчитывать не приходится, и такого в самом деле не происходит. После поворота гуанина вокруг гликозидной оси на 180 градусов, он способен образовать лишь две водородные связи с цитозином, так что теперь обе пары оснований имеют одинаковую прочность.

    В результате поворота выделенная на схеме группа разворачивается «лицом» к цитозину.

    В природе хугстиновские пары изредка, но встречаются, и в зависимости от неких условий они могут переходить в уотсон-криковские и обратно.

    Теперь будет интересно взглянуть еще раз на схему G-квадруплекса, а точнее – на тот его слой, который образован четырьмя гуанинами (такой слой G-квадруплекса называется G-квартетом). Легко заметить, что в G-квартете гуанины связываются друг с другом таким образом, что та трехатомная группа [одного гуанина], которая обычно участвует в уотсон-криковском связывании, связывается лишь двумя водородными связями с той двухатомной группой [соседнего гуанина], которая участвует в хугстиновском связывании. Можно сказать иначе: один гуанин пытается образовать привычную тройную водородную связь, подсовывая для этого нужные три атома, но второй может предложить ему только два атома.

    Теперь перейдем к очень важной и насыщенной теме удвоения хромосом перед делением клетки. Репликация ДНК проходит в три этапа: инициация, элонгация (удлинение) и терминация (завершение), и сейчас мы рассмотрим эти процессы.

    Соответствие между азотистыми основаниями пары ДНК, образующих одну хромосому, является взаимно-однозначным: напротив гуанина — цитозин, напротив тимина – аденин. Представим себе, что некий фермент проходит вдоль всей хромосомы и разрушает водородные связи между азотистыми основаниями. В результате обе цепочки ДНК будут обособлены друг от друга, двойная спираль разойдется на две отдельные нити.

    Сможем ли мы теперь восстановить исходную хромосому, добавляя к отдельным азотистым основаниям каждой отдельной нити по одному комплементарному азотистому основанию? Конечно сможем, ведь соответствие между азотистыми основаниями взаимно однозначное.

    Именно так в наших клетках и происходит удвоение хромосом перед тем, как клетка разделится на две дочерние. Каждая из двух цепей, полученная разделением исходной материнской хромосомы, служит матрицей, на которой выстраивается вторая, комплементарная цепь – так из одной материнской получаются две дочерние хромосомы.

    Такое расщепление исходной хромосомы может начинаться только в определенных её местах, которые называются точками начала репликации. Так как в такой точке хромосома под действием особого фермента должна расслоиться на две отдельных нити ДНК, то не удивительно, что эта область хромосомы особенно богата парами А-Т, ведь это слабая пара, связанная только двумя водородными связями. Расслоением хромосомы на две нити занимаются хеликазы, с которыми мы уже шапочно знакомы. Хеликаза, продвигаясь по хромосоме вдоль сахарофосфатного остова, расщепляет двойную спираль. Разные виды хеликаз могут двигаться или в направлении 5′ → 3′, или в направлении 3′ → 5′. Всего в клетках человека насчитывают 24 вида хеликаз.

    Точка начала репликации и прилегающие к ней фрагменты ДНК называются репликоном. Количество репликонов в геноме животных может достигать 100 тысяч. Когда хеликаза присоединяется к репликону, она начинает расплетать двойную спираль. Вся та область, где происходит расщепление материнской хромосомы и построение дочерних хромосом, называется репликативной вилкой (или репликационной вилкой), а те участки хромосомы, где нити ДНК разошлись и началась репликация, называются репликативным пузырем (или, иначе, репликативным глазком). Бактерии, в отличие от нас, имеют кольцевую ДНК, и у большинства из них имеется единственная точка начала репликации.

    Так как в хромосомах эукариот точек начала репликации очень много, это позволяет начинать процесс удвоения хромосом сразу во многих местах и, таким образом, быстро выполнять эту операцию. Как правило, в каждой точке начала репликации возникают сразу две репликационные вилки, которые начинают двигаться в обе стороны, и каждая репликативная вилка движется до тех пор, пока не наткнется на встречную. Такая репликация называется двунаправленной.

    Сложный механизм, в работу которого вовлечено немало ферментов на разных стадиях, позволяющий удваивать каждую хромосому перед делением клетки, называется реплисомой. Морфема «сома» может вводить в заблуждение, так как невольно начинаешь представлять себе цельный объект типа хромосомы, лизосомы, соматической клетки или протеасомы, но на самом деле реплисома – это обозначение целой группы разных белковых комплексов, вовлеченных в процесс удваивания хромосом, главную роль в котором играют знакомые нам ДНК-полимеразы. Так что этот термин я считаю очень неудачным, но он прижился, и пока не будут предприняты специальные усилия для его замены, он так и будет использоваться. Лично я не хочу его использовать, и вместо него буду писать «репликативный комплекс» (для себя я придумал слово «репликокс»:)). Мы до сих пор не знаем в точности ни полного состава участников репликативного комплекса, ни всего разнообразия их функций, потому что процесс реплицирования ДНК очень сложный.

    Если рассмотреть работу репликативного комплекса у кишечной палочки, то мы увидим, что двойную спираль бактериальной кольцевой хромосомы расплетают две хеликазы. Первая обозначается как Rep, вторая — DnaB. В результате работы этих хеликаз образуются две изолированные друг от друга цепочки ДНК, которые нуждаются во временной защите, ведь одиночные цепочки ДНК очень уязвимы перед факторами разной природы. Эту защитную функцию выполняет белок 58B, который к тому же не дает нитям перепутываться или еще как-то изгибаться неудобно для ДНК-полимеразы. Запомнить название «58В» очень легко, только я не знаю как…

    Теперь в работу включается главное действующее лицо процесса удвоения хромосом у бактерий: ДНК-полимераза III, которая перемещается по одной из матричных цепей в том же направлении, в котором движется и раскрывающаяся репликативная вилка, и шаг за шагом синтезирует дочернюю цепь ДНК.

    Вполне вероятно, что в состав репликативного комплекса входят и некоторые белки, которые занимаются биосинтезом дезоксирибонуклеозидов (что было бы вполне логичным, ведь они нужны в клетке только для синтеза ДНК), но этого мы пока не знаем.

    Скажем несколько слов про разные виды ДНК-полимераз у прокариот и у эукариотов.

    У бактерий пока что обнаружено пять их видов. Они обозначаются римскими цифрами от одного до пяти. Из этих пяти, упомянутая мною третья является основной у прокариот и состоит примерно из десятка субъединиц. В принципе, в клетке можно обнаружить и неполные репликативные комплексы, которые могут выполнять некоторые отдельные функции, но полноценную репликацию может производить только полный комплекс, т.е. холофермент ДНК-полимеразы III.

    Говоря про работу ДНК-полимеразы III, часто подчеркивают, что этот комплекс является именно холоферментом, т.е. нуждается в кофакторе, без которого не сможет эффективно функционировать.

    У бактерий кроме хромосомной ДНК имеются еще и плазмиды, которые являются отдельными репликонами, при этом плазмиды обладают собственным механизмом контроля над тем – сколько именно их копий необходимо производить перед делением. Если хромосомы должны удвоиться лишь один раз, то плазмиды у разных бактерий могут проходить несколько этапов удвоения за один клеточный цикл: от одного раза до нескольких тысяч.

    Теперь отложим бактерии в сторону и займемся эукариотами.

    Разнообразие ДНК-полимераз у эукариот намного выше: уже сейчас нам известно более 15 их видов, и обозначаем мы их греческими буквами, но самые важные из них, которые сейчас можно запомнить, это следующие четыре: α (альфа), γ (гамма), δ (дельта) и ε (эпсилон), причем из этих четырех ДНК-полимеразы α и δ являются самыми основными ферментами репликации, и им мы уделим сейчас максимум внимания.

    Далее в тексте этой главы я не буду каждый раз писать «ДНК-полимераза», а буду писать только названия соответствующих им греческих букв.

    Альфа обладает уникальным свойством: она может работать и как ДНК-праймаза, т.е. она может своими силами синтезировать праймер в виде кусочка РНК, после чего уже продолжать работать дальше, как и все остальные ДНК-полимеразы, присоединяя уже дезоксинуклеозид-монофосфаты один за другим, создавая растущую дочернюю цепь ДНК, комплементарную матричной. То есть на начальном этапе синтеза дочерней цепи ДНК, альфа работает как РНК-полимераза, и ни одна другая ДНК-полимераза этого делать не может. А вот отщепить созданный ею праймер и альфа не может, и заменой этого кусочка РНК на ДНК занимаются другие ферменты.

    Здесь есть один тонкий момент. Две из четырех субъединиц, которые все вместе и составляют полностью собранную альфу, образуют домен, который по своей сути и является ДНК-праймазой. Поэтому тут вопрос вкуса, как считать. Можно считать, что все-таки ни одна ДНК-полимераза не в состоянии «сама по себе» создавать праймер. С другой стороны, альфа только тогда и является собой, когда состоит из всех субъединиц, включая и домен, обладающий свойствами ДНК-праймазы:)

    Гамма хоть и работает у эукариот, но причислить ее к эукариотным ДНК-полимеразам можно с определенной оговоркой. Дело в том, что она работает только в митохондриях, синтезируя именно митохондриальную ДНК. Поэтому неудивительно, что фермент, очень похожий на гамму, работает и в хлоропластах растений. Больше мы эту ДНК-полимеразу рассматривать в этой главе не будем.

    То, какие роли играют дельта и эпсилон, будет описано ниже.

    Здесь же мы отметим, что ДНК-полимеразы можно разделить на два типа, принципиально отличающиеся друг от друга. Первый – это ДНК-зависимые ДНК-полимеразы. Они так называются, потому что строят ДНК в соответствии с другой, материнской (или, иначе, матричной) ДНК, которую используют в качестве матрицы для построения по ней дочерней цепочки ДНК. Понятно, что как ДНК-полимераза III, так и альфа относятся именно к этому типу. Второй тип — РНК-зависимые ДНК-полимеразы. Они так называются, потому что строят ДНК на матрице РНК, а не ДНК. Другое, очень распространенное обозначение РНК-зависимой ДНК-полимеразы – это обратная транскриптаза. Обратная транскриптаза – очень важный фермент, поскольку именно она строит в клетках куски ДНК по матрице из впрыснутых в клетку РНК ретровирусов, после чего вставляет эти куски ДНК в геном клетки-мишени.

    У бактерий репликационная вилка движется с поистине огромной скоростью: репликативный комплекс создает около 1000 пар дезоксирибонуклеозид-монофосфатов в секунду! У эукариот это происходит в 10-100 раз медленней: от 10 до 100 пар в секунду (смотря какая ДНК-полимераза работает, см. ниже), что позволяет проводить работу копирования ДНК более точно, а такой небольшой скорости оказывается вполне достаточно, учитывая огромное количество репликонов.

    И вот теперь мы можем немного подробней взглянуть на то – как работают ДНК-полимеразы в компании с другими ферментами, обеспечивающими копирование хромосомы.

    Первое, что надо запомнить: в отличие от хеликаз, ДНК-полимеразы работают только в направлении 3’-5’, то есть они добавляют нуклеотиды к 3’-концу и движутся в направлении 5’. В обратном направлении они работать не могут и никогда не работают. Посмотрим на рисунок. На нем видны уже знакомые нам топоизомераза и хеликаза.

    Той нити ДНК, которая остается вверху, на рисунке нет, потому что с ней особая ситуация, а пока посмотрим на нижнюю ДНК. Она расположена так, что ДНК-полимераза двигается слева направо по мере расплетания двойной спирали, т.е. она движется в нужном направлении 3’-5’ и спокойно строит дочернюю комплементарную ДНК, и позади нее закручивается одна из двух дочерних хромосом. Эта матричная цепочка нуклеотидов называется лидирующей цепью.

    Важный момент заключается в том, что альфа хоть и может самостоятельно стартовать, зато двигается она медленно, и поэтому она занимается лишь инициацией репликации, то есть начинает этот процесс и доводит его примерно до того момента, когда создан праймер длиной около 30 единиц, после чего в дело вступает дельта, которая создавать праймеры не умеет, зато умеет очень быстро строить дальше цепочку из нуклеотидов.

    Если рассмотреть этот момент чуть подробней, то надо отметить, что альфа состоит из четырёх субъединиц. Первые две — малая и большая праймазные субъединицы: соответственно PRIM1 и PRIM2 (легко запомнить: «примы-балерины начинают процесс, выступая в качестве единой праймазы). Третья и четвертая субъединицы — это каталитическая субъединица POLA1 и регуляторная субъединица POLA2 (мнемоническое правило: «полагаю, что они делают важную часть работы»).

     

    Сначала, когда альфа только начинает свою работу, праймазный домен, состоящий из вышеуказанных двух субъединиц, садится на изолированную ДНК и синтезирует первый, короткий РНК-праймер примерно из 12 нуклеотидов. Затем на ДНК садится полимеразный домен, состоящий из POLA1 и POLA2, который удлиняет праймер ещё примерно на 20 единиц, но это уже мономеры ДНК, а не РНК. Теперь у нас есть и полностью собранная альфа, и характерный для эукариот гибридный РНК-ДНК-праймер. Теперь, когда праймер готов, надо с максимальной скоростью начать наращивать цепочку дочерней ДНК, и поэтому в дело вступает дельта.

    Иногда происходит подмена полимераз, и вместо дельты ее функцию синтеза 3’-5’-цепочки выполняет эпсилон. Почему это происходит, и чем еще занята эпсилон, остается неизвестным.

    С этим понятно. А что же происходит с верхней ДНК расщепленной спирали (она называется отстающей цепью)? Понятно, что ДНК-полимераза не может на нее сесть и тоже двигаться слева направо параллельно нижней, строя свою дочернюю хромосому, ведь в направлении 5’-3’ она двигаться не может.

    Поэтому в отстающей цепи синтез дочерней ДНК производится короткими фрагментами именно в направлении 3’-5’, то есть здесь ДНК-полимераза движется прерывисто в направлении, противоположном тому, в котором непрерывно движется дельта или эпсилон по лидирующей цепи. Когда очередной кусок верхней дочерней ДНК сделан (он называется фрагментом Оказаки), ДНК-полимераза отсоединяется и перескакивает ближе к репликационной вилке, а получившийся фрагмент Оказаки присоединяется ДНК-лигазой к той дочерней ДНК, которая уже была сделана раньше: ДНК-лигаза создает ковалентную связь между 5′-фосфорильной и 3′-гидроксильной группами соседних дезоксинуклеозид-монофосфатов. Эта связь, которая связывает между собой мономеры ДНК (или мономеры РНК), создавая тем самым сахаро-фосфатный остов, имеет свое собственное название: фосфодиэфирная связь.

    У кишечной палочки фрагменты Оказаки имеют длину в 1000-2000 мономеров, а у эукариот – в 10 раз меньше: 100-200, и у этого есть важное последствие: у эукариот копия отстающей цепи всегда синтезируется только дельтой, и это вполне логично: если бы построением праймеров относительно коротких фрагментов Оказаки занималась бы альфа, то постройка дочерней ДНК по верхней цепи безнадежно стала бы отставать от нижней, что привело бы к невозможности согласованного удвоения хромосомы. Поэтому на верхней цепи согласованно работают праймазы и дельта. И вот так, один фрагмент Оказаки за другим, строится дочерняя хромосома на матрице отстающей цепи.

    У бактерий тоже практикуется разделение труда ДНК-полимераз: цепочку на лидирующей цепи, а также фрагменты Оказаки на запаздывающей цепи производит ДНК-полимераза III, а ДНК-полимераза I работает на запаздывающей цепи, где удаляет РНК-праймеры и устанавливает на их место дезоксинуклеозиды.

    Есть лишь одно известное исключение в том правиле, что ДНК-полимераза движется только в направлении 3’-5’. Дельта и эпсилон имеют встроенный механизм контроля качества, и если оказывается, что вставлено неверное основание, то ДНК-полимераза останавливается и делает шаг назад, исправляет ошибку и движется дальше. Описывая это их свойство, говорят, что они обладают 3’-5’-экзонуклеазной активностью. Альфа таким умением не обладает, но поскольку она движется очень медленно, то и ошибок не делает. В отличие от нее, стремительно несущиеся дельта и эпсилон обязаны уметь исправлять ошибки.

    На данный момент это всё на тему репликации ДНК – пусть эта общая картина уложится в голове, чтобы в будущем было легко добавлять к ней новые детали.

    Есть одна любопытная вещь, которая касается фосфодиэфирной связи: ее свойства сильно зависят от того – есть ли у сахара (рибозы) гидроксил у второго углерода, или его там нет.

    Это вполне логично, потому что то место, где может быть расположен этот гидроксил, находится вплотную к связи. Если там есть гидроксил, значит перед нами РНК, и влияние этого гидроксила таково, что фосфодиэфирная связь становится менее крепкой. Это можно понять, учитывая, что кислород в гидроксиле обладает довольно большим частичным отрицательным зарядом, и он оказывает влияние на близлежащие атомы, также имеющие частичный электрический заряд, а фосфатная группа в целом как раз имеет частичный отрицательный заряд. Это, возможно, одна из причин того, почему именно ДНК, а не РНК, в результате эволюции стала носителем генетической информации. Чем более щелочная среда, тем легче гидролизуются фосфодиэфирные связи в РНК.

    Есть еще один момент, который надо учитывать в этой теме. Когда мы рассматриваем присоединение ко второму углероду рибозы гидроксила и его влияние на фосфодиэфирную связь, мы ведь как-то представляем себе пространственное расположение атомов рибозы? Азотистые основания плоские, поэтому они и образуют такие узнаваемые плоские ступеньки в хромосоме.

    А молекула сахара тоже плоская? Нет, она плоской не является – ей это просто энергетически невыгодно, поэтому существуют две ее возможные конформации в составе нуклеозида – С2-эндоконформация и С3-эндоконформация.

    «Эндо» — значит этот атом приподнят над плоскостью. Например, в рибозе, находящейся в С3-эндоконформации, третий углерод находится в эндоконформации, а второй углерод находится немного ниже плоскости, поэтому говорят, что он находится в слабой экзоконформации.

    Еще оказалось, что существуют две возможные конформации взаимного расположения аминокислотных остатков и рибозы. Для примера посмотрим на пару «рибоза – пиримидиновое основание», например – на уридин (урацил + рибоза).

    В реальном нуклеозиде урацил может принимать одно из двух возможных положений. При антиконформации самым ближним атомом урацила ко второму атому рибозы оказывается водород при шестом атоме кольца (углероде). Мнемоническое правило: «оба кислорода урацила отвернуты от рибозы, они антипатичны друг другу». При синконформации самым ближним атомом урацила ко второму атому рибозы оказывается кислород при втором атоме кольца (углероде).

    Аналогичная ситуация и с пуриновыми нуклеозидами.

    В антиконформации аденин «отвернут» от рибозы, и ближе всего к пятому углероду рибозы оказывается водород у 8-го углерода.

    Если взять изолированные нуклеозиды и посмотреть на них, то мы увидим, что переходы между этими двумя конформациями происходят без затруднений – гликозидная связь позволяет делать это легко, и все же даже в таком свободном состоянии нуклеозиды имеют свои предпочтения, и пиримидиновые нуклеозиды предпочитают все же находиться в антиконформации. Но если нуклеозид находится в полинуклеозидной цепочке, то в каком положении он туда будет встроен, в таком уже и останется, и потребуются уже специальные усилия, чтобы перевести его в другую конформацию.

    Все это справедливо и для дезоксинуклеозидов.

    Раньше мы уже говорили о том, что существует привычная B-форма хромосомной спирали, и еще существует А-форма. В привычной B-форме дезоксинуклеозиды имеют антиконформацию (поэтому в справочниках приводится именно она), но если конформация будет изменена на синконформацию, тогда мы и получим А-форму хромосомы.

    Переход между С3-С2-эндоконформациями дезоксирибозы (как и рибозы) и является процессом перехода хромосомы между В- и А-формами, при этом В-форме соответствует С2-эндоконформация дезоксирибозы, а А-форме – С3-эндоконформация.

    Запомнить это легко: мы видим, что при С2-эндоконформации имеет место ситуация, при которой фосфодиэфирная связь уходит вниз от третьего углерода дезоксирибозы, который сам по себе расположен ниже плоскости сахара, так что в итоге там имеется достаточно места для того, чтобы без помех создать связь с фосфатной группой нижележащего дезоксинуклеозида, и мы в результате получаем обычную, свободно скомпонованную В-форму хромосомы. В условиях же С3-эндоконформации, третий углерод сахара висит очень высоко, так что фосфатная группа нижнего дезоксинуклеозида, образуя с ним фосфодиэфирную связь, вынуждена почти что вторгнуться своими частичными электрическими зарядами в область дезоксирибозы, так что там все становится плотно упаковано и немного иначе развернуто из-за этой тесноты, и мы в результате и получаем А-форму хромосомы.

    Понятно, что в А-форме разные уровни комплементарных пар размещаются плотнее друг к другу, чем в В-форме, и на один виток спирали приходится уже не 10, а 11 уровней. Диаметр двойной спирали у А-формы, наоборот, увеличивается по сравнению с В-формой, так как атомам тесно и они вынужденно расталкивают друг друга, что и увеличивает диаметр двойной спирали.

    Еще одно важное изменение в конфигурации А-формы заключается в том, что из-за увеличения диаметра двойной спирали комплементарные пары азотистых оснований уже не могут быть позиционированы по ее центру, а немного сдвигаются к ее периферии, что и приводит к тому, что внутри А-формы возникает полость диаметром около 0.4 нм. Большая бороздка А-хромосомы становится более глубокой, чем у В-хромосомы, а малая – более мелкой. И все это в свою очередь приводит к тому, что плоскости, в которых лежат комплементарные пары А-хромосомы, уже не перпендикулярны к оси двойной спирали, а лежат к ней под углом в 20 градусов. Ходить по такой лесенке уже будет довольно трудно:)

    Жизнь оказывается зачастую гораздо более разнообразной, чем те схемы, которые мы используем для того, чтобы постепенно углублять и усложнять наши знания. Это верно и для этой темы о формах хромосомы. Тщательное изучение показало, что на самом деле существует несколько вариантов А-форм, и еще большее количество вариантов В-форм, так что правильным было бы говорить не о А- и В-форме хромосомы, а о А- и В-семействах форм. Оба семейства являются правыми спиралям, т.е. если смотреть вдоль ее оси в любом из двух направлений, ящерица, ползущая по спирали и удаляющаяся от нас, будет в этой проекции двигаться по часовой стрелке (мнемоническое правило: «уходить по часовой стрелке — правильно, поэтому такая спираль — правая»). Напомню, что в А-В-формах все дезоксинуклеозиды имеют анти-конформацию.

    Структуру Z-хромосомы (точнее – участков хромосомы, имеющую Z-форму) мы детально изучать сейчас не будем, чтобы информация не путалась. Достаточно сказать, что участки Z-формы встречаются там, где есть целый ряд следующих друг за другом комплементарных пар Ц-Г. Z-форма, как мы уже знаем, сильно отличается от А-В-форм хотя бы тем, что эта двойная спираль закручена влево. И еще одна ее особенность заключается в том, что если в А-В-формах все дезоксинуклеозиды имеют анти-конформацию, то в Z-форме в Ц-звене мы имеем «С-2-эндо + анти» (т.е. обычную), а в Г-звене: «С-3-эндо + син». Отсюда понятно, что Z-участок хромосомы не сможет выглядеть такой правильной спиралью, как привычная нам форма В-форма. Если поставить рядом обе эти хромосомы и соединить линиями их фосфатные остатки, то эта разница сразу бросится в глаза, и сразу станет понятным, почему эта форма названа именно Z-формой (от слова «zigzag» — зигзаг).

     

    Получается, что в обычной В-хромосоме мы можем вдруг встретить области Z-формы, и это играет важную роль в нормальном функционировании хромосомы, так как есть такие белки, которые взаимодействуют именно с Z-формой, но ни с какой другой.

    В завершение этой главы отметим, что в целом молекулярная структура хромосомы определяется двумя типами взаимодействий. Первое – это конечно взаимодействие друг с другом комплементарных оснований (А-Т, Ц-Г), но есть еще и другой важный фактор – взаимодействие азотистых оснований со своими соседями на верхнем и нижнем этажах, и это взаимодействие называется стэкинг-взаимодействием.

    Конфигурация стэкинг-взаимодействий в Z-форме резко отличается от тех, что мы видим в А-В-формах.

    Интересно, что стэкинг-взаимодействие также способствует укреплению такой структуры хромосомы, при которой плоские пары азотистых оснований выстраиваются друг над другом. Причина этого состоит в том, что гетероциклические азотистые основания выраженно гидрофобны, так что в водном растворе им энергетически выгодно уменьшить контакт с молекулами воды, т.е. как раз расположиться друг над другом, как бы прикрывая друг друга сверху и снизу (помним, что физическая суть гидрофобного взаимодействия заключается в том, что молекулы воды оттесняют со всех сторон гидрофобные молекулы, так что те занимают такое положение, чтобы минимально контактировать с молекулами воды, после чего между ними начинают возникать силы Ван-дер-Ваальса и др.). При стэкинг-взаимодействиях возникает взаимодействие между торчащими «хвостиками» одного уровня (т.е. аминогруппой -NH2 пурина и карбонильной группой >С=О пиримидина) с π-электронной системой соседней по вертикали комплементарной пары. Отсюда понятно, что сила стэкинг-взаимодействия в некоторой области двойной спирали зависит от того, в какой последовательности там размещены друг под другом комплементарные пары.