Биологический каталог




Принципы структурной организации нуклеиновых кислот

Автор В.Зенгер

ДНК и преальбумина, то окажется, что обе эти величины отрицательны, а следовательно, образование комплекса невозможно. Этот пример показывает, что даже хорошего соответствия моделей макромолекул предполагаемого комплекса еще недостаточно и кроме структурной комплементарности важную роль в образовании комплекса играет ком-плементарность зарядов [839а].

Взаимодействия между белками и нуклеиновыми кислотами 463

JCPATKOE СОДЕРЖАНИЕ

Взаимодействия между белками и нуклеиновыми кислотами весьма разнообразны: это могут быть солевые мостики, водородные связи, стэкинг и гидрофобные контакты. В них могут быть вовлечены любые части обеих макромолекул. Двойная спираль ДНК может взаимодействовать с полипептидами несколькими способами: (I) при помощи образования специфических водородных связей между уотсон-криковскими парами оснований и боковыми цепями аминокислот; (II) путем ^интеркаляции боковых цепей ароматических аминокислот между парами оснований (модель «книжной закладки»), при которой также проявляется некоторая специфичность, (III) путем непосредственного связывания белковых а-спиралей и Р-слоев в желобках ДНК. Предполагается, что последний тип взаимодействия (правильнее сказать «два типа взаимодействия») имеет место в комплексах ДНК с сго-репрессором (в модели комплекса а-спираль и Р-слой попадают в главный и минорный желобки двойной спирали соответственно) и с белком, активирующим катаболизм (БАК), для которого были предложены две модели связывания а-спиралей с левой и правой двойной спиралью В-ДНК. На основании данных о кристаллической структуре преальбумина предложена гипотетическая модель комплекса преальбумина с ДНК; однако в действительности такой комплекс, по-видимому, не образуется. И полилизин, и полиаргинин присоединяются к ДНК необратимо; в обоих случаях процесс присоединения носит кооперативный характер, однако .структура соответствующих комплексов различается.

Нуклеотиды и одноцепочечные РНК и ДНК при связывании с белками обычно принимают вытянутую форму, т.е. торсионный угол у для них лежит в области — ск или an. Такое изменение угла у происходит при связывании NAD + с дегидрогеназамй (в «россмановском» домене), 'при связывании динуклеозидфосфатов с рибоиуклеазами А и S и при связывании РНК с белком вируса табачной мозаики. Взаимодействия в комплексе могут представлять собой контакты любого типа и затрагивать любую часть молекулы каждого из партнеров. Например, в случае специфического комплекса рибонуклеазы Т1 с гуаниловой кислотой узнавание гуанина осуществляется за счет образования водородной связи с пептидным остовом и стэкинга с боковой группой тирозина. Оказалось, что взаимодействия между нуклеотидами и атомами основной цепи белка вообще встречаются чаще и являются более специфичными, чем взаимодействия с боковыми группами аминокислот.

Связывание ДНК с белком гена 5 фага fd способствует расхождению цепей двойной спирали. Если (одноцепочечная) ДНК и белок образуют комплекс, т.е. если ДНК присоединяется к «активному центру» белка, который состоит исключительно из элементов Р-структуры, начинается ~йразование белковых агрегатов; при этом молекулы белка выстраиваются одна за другой, формируя спираль, на которую навиваются ВДноцепочечные участки ДНК.

ГЛАВА 19

Более высокие уровни структурной организации ДНК

Для одно- и двухцепочечных РНК нет никаких более высоких уровней структурной организации, помимо рассмотренных нами ранее, если не считать структур, которые образуются при взаимодействии РНК с белками оболочки вирусных частиц и рибосом (рис. 18.15). Совершенно иная картина наблюдается для ДНК. В хроматине (комплексе ДНК с белками, из которого состоят хромосомы) ДНК навивается на глобулы гистоновых октамеров, образуя кор-частицы нуклеосом. Нуклеосомы располагаются вдоль молекулы ДНК, в результате чего хроматин становится похожим на нитку бус. Такая нить может компактизоваться и дальше, образуя соленоидальные, сверхспиральные структуры. Закручиваясь вокруг гистоновых октамеров, ДНК образует сверхвитки, при этом возникают топологические проблемы, которые требуют особого обсуждения (разд. 19.7).

Молекула ДНК образует упорядоченную компактную структуру не только при взаимодействии с гистоновым октамером. Она обладает способностью компактизоваться и сама по себе, например в присутствии солей или инертных полимеров. В таких условиях происходит спонтанная конденсация с образованием агрегатов, в которых молекулы ДНК уложены параллельно бок о бок. Такое же явление наблюдается и при добавлении в систему полиаминов или этанола. При очень медленном, постепенном увеличении концентрации этанола можно получить и более упорядоченные структуры типа ламеллярных микрокристаллов. Самоорганизация такого типа моделирует упаковку ДНК в головке фага и поэтому представляет значительный интерес [1161, 1290-1294]. Описанию структурной организации ДНК в составе таких структур и посвящена данная глава.

19.1. КОНДЕНСАЦИЯ ДНК С ОБРАЗОВАНИЕМ \[/-ФОРМЫ, СВЕРХСПИРАЛЕЙ, БУС, ПАЛОЧКООБРАЗНЫХ И ТОРОИДАЛЬНЫХ СТРУКТУР

Если в водном растворе постепенно увеличивать концентрацию Mg2 + [1295], полиаминов или основных полипептидов [1295-1301], полиэти-леноксида или других инертных полимеров [1300], а также этанола

Более высокие уровни структурной организации ДНК

465

[1302-1306], то полианионная молекула ДНК компактизуется в конденсированные формы с различной морфологией. Из этих форм наименее изучена макроскопически плотная \|/-ДНК, которая образуется в присутствии «инертного» полимера и избытка соли. В других условиях, например при добавлении полиаминов и этанола, ДНК образует структуры, напоминающие сверхспирализованные нити, нити с бусинами, а также прямые или слегка изогнутые палочки. Конкретный вид структуры зависит главным образом от ионной силы раствора и природы катиона. Следует подчеркнуть, что во всех этих конденсированных структурах ДНК, вообще говоря, находится в обычной В-форме.

\|/-форма: почти параллельное расположение молекул ДНК в слабоупо-рядоченных агрегатах. При добавлении к водному раствору ДНК соли (до высоких концентраций) и этанола или таких макромолекул, как по-лиэтиленоксид, полиакрилат и поливинилпирролидон, происходит обратимый кооперативный переход ДНК в компактную форму, названную \|/-ДНК (\|/ результат сокращения английского выражения "polymer-and salt-induced condesation") [1295, 1296]. Опыты по рассеянию рентгеновских лучей показали, что в \|/-ДНК двойные спирали обычной В-формы ориентированы более или менее параллельно и находятся на расстоянии ~ 38 А друг от друга; отсутствие рефлексов высокого порядка свидетельствует об относительно слабой упорядоченности \|/-ДНК. При увеличении концентрации инертного полимера расстояние между соседними молекулами уменьшается до 25 А, т. е. мало отличается от межмолекулярного расстояния (~ 23,9 А) в микрокристаллах ДНК (разд. 19.2). \|/-ДНК образуется также при добавлении к водному раствору ДНК NaCl в различной концентрации и этанола. Исследование спектров КД показало, однако, что ситуация в этой и других подобных системах оказывается несколько сложнее [1296а]. При низкой концентрации соли и концентрации этанола 35% ДНК тимуса теленка конденсируется в форму, имеющую положительную эллиптичность в диапазоне 250-300 нм (ф+ -форма). При повышении концентрации NaCl иптичность уменьшается и меняет знак (образуется \|/~ -форма); при этом структура проходит несколько промежуточных состояний. Предполагается, что во всех этих состояниях изменяется лишь характер агрегации молекул, а ДНК неизменно остается в В-форме.

Три вида компактных форм ДНК, которые образуются в растворах разной ионной силы прн осаждении спиртом. При концентрации этанола 50-95% ДНК конденсируется в различные структуры, морфология которых определяется величиной ионной силы. Следовательно, упаковка двойной спирали ДНК зависит не только от способности ДНК укладываться в упорядоченные структуры, но также от плотности электростатического заряда вокруг этой полиэлектролитной молекулы [1305].

При низкой ионной силе ДНК компактизуется в левую сверхспираль. При осаждении из раствора, содержащего 95% этанола и 1 мМ Трис (рН 7,5), ДНК компактизуется примерно в 9 раз и образует волокна почти постоянного диаметра 80-90 А. Эти волокна по структуре представ-

30-509

в

\

1 л П

> ГТ~> у I I пш

Рис. 19.1. Конденсация ДНК фага X в 95%-ном этаноле при различных значениях ионной силы [1305]. Отрезок на электронных микрофотографиях соответствует 2000 А. А. Перекрученные волокна, которые образуются при низкой ионной силе: 1 мМ Трис, рН 7,5. Слева малое увеличение, справа -большое; видны элементы левой сверхспиральной структуры (указаны стрелками). Б. Волокна в виде нитей с бусинами, которые образуются при промежуточных значениях ионной силы: 1 мМ Трис, рН 7,5, 10 мМ ацетат аммония Вверху-нерастянутые волокна, вниз}'-волокна, вытянутые при сорбции на угольную пленку-подложку, чтобы можно было видеть структуру нити с бусинами. В. Палочкообразные структуры, образующиеся при высокой ионной силе: 1 мМ Трис, рН 7,5, 0,5 М ацетат аммония. На вставках I, II и Ш показаны те же структуры при большем увеличении. «Палочки» образуются при складывании молекулы ДНК самой на себя с изменением направления цепи через каждые 2000 А.

Более высокие уровни структурной организации ДНК

467

ляют собой левые сверхспирали (рис. 19.1, Л), которые образуются, по-видимому, из-за постепенной дегидратации ДНК [1305].

При промежуточных значениях ионной силы ДНК образует волокна в виде нитей с бусинами. Если перед осаждением спиртом в раствор добавить ацетат аммония или другую соль до концентрации 10 мМ, то молекулы ДНК образуют волокна диаметром ~150А; это отвечает компактизации ДНК в 30-35 раз. Иногда волокна имеют вид нитей с бусинами (рис. 19.1, Б).

При высоких значениях ионной силы ДНК образует палочкообразные структуры. Если концентрацию ацетата аммония повысить до 0,15-0,5 М, то осаждение 95%-ным спиртом приведет к появлению палочкообразных частиц. Эти частицы имеют одинаковую длину (примерно 2000 А) и пропорциональное молекулярной массе ДНК поперечное сечение. Возможно, такая структура образуется в результате многократного складывания молекулы ДНК самой на себя с изменением направления хода цепи через каждые 2000 А. Волокна приблизительно такой же длины, но большего диаметра получаются при осаждении комплекса ДНК с полилизином или при замене этанола на спермидин [1305].

По своей способности складываться ДНК напоминает некоторые синтетические полимеры, которые образуют ламеллярные кристаллы. Молекула полимера может заполнять также несколько ламеллярных слоев [1307, 1308]. Такая же картина наблюдается в микрокристаллах ДНК (разд. 19.2), поэтому палочкообразные частицы ДНК можно рассматривать как фрагменты кристаллов.

Под электронным микроскопом кроме палочкообразных структур видны и тороидальные («бублики»). Они образуются при слипании двух концов одной палочкообразной частицы друг с другом. Соотношение между числом «палочек» и «бубликов» зависит от природы присутствующего в растворе катиона. Так, вероятность образования тороидальной структуры значительно возрастает в присутствии двухвалентных катионов типа Mg(II) [1299-1301, 1305]. Существование -тороидальных структур свидетельствует о значительной гибкости «палочек». Они легко замыкаются в кольца, которые мы и наблюдаем, когда концы «палочек» достаточно прочно скреплены.

(9.2. ЛАМЕЛЛЯРНЫЕ МИКРОКРИСТАЛЛЫ ФРАГМЕНТИРОВАННОЙ ДНК

При обработке ДНК ультразвуком она расщепляется на фрагменты, для которых характерно широкое распределение по длинам. Оказалось, «то в отличие^ от нативной ДНК фрагменты, средняя длина которых равна ~ 2000 А, при увеличении концентрации этанола до ~ 50% образуют ламеллярные гексагональные пластинки толщиной 1600-2400 А и диаметром несколько микрометров [80, 89] (рис. 19.2).

Толщина кристаллов равна длине фрагмента ДНК. Электронная микроскопия реплик таких кристаллов, полученных методом заморажива-

30*

468 Глава 19

Рис. 19.2. Электронная микрофотография кристаллов, образованных фрагментами ДНК (2000 А) спермы лосося [88]. Условия кристаллизации: 2-Змг-мл-1 ДНК, обработанной ультразвуком, в 0,05 М натрий-какодилатном буфере, рН 6,5. Этанол добавляли по каплям до появления мутности. Затем осадок растворяли, повышая температуру до 60-70°С, и медленно охлаждали раствор для того, чтобы получить кристаллы.

ния- скалывания -травления, и результаты рентгеновской дифракции на порошкообразных образцах привели к выводу, что кристаллы состоят из почти прямолинейных молекул ДНК В-формы, плотно упакованных в гексагональную решетку. Расстояние между соседними молекулами ДНК равно 23,9 А. Молекулы ориентированы перпендикулярно поверхности гексагональных пластинок и вытянуты по толщине кристалла от одной поверхности до другой [89]. Поскольку длина фрагментов ДНК, из которых состоят кристаллы, колеблется от 1000 до 5000 А [88], на-

Более высокие уровни структурной организации ДНК

469

иболее длинные молекулы должны сложиться по крайней мере вдвое. Следует отметить, что при этом два участка одной и той же молекулы не могут быть ближайшими соседями, поскольку ДНК не должна изгибаться слишком резко. Угол, на который изгибается молекула ДНК при складывании, должен отвечать значению персистентной длины [1304] или по крайней мере быть равным углам гипотетических изломов, которые обсуждались в разд. 14.2 и 14.3. Здесь уместно вспомнить, что длина палочек, которые образует ДНК (разд. 19.1), также составляет 2000 А. Таким образом, 2000 А, т. е. 60 витков спирали В-ДНК с шагом ,34 А,-это некая «магическая» величина для процессов, связанных с упаковкой ДНК.

19.3. в КЛЕТКАХ ДНК ОРГАНИЗОВАНА в ХРОМОСОМЫ

,По мере повышения уровня эволюционного развития организма количество содержащегося в клетке генетического материала-ДНК увеличивается от 104 до — 1010 пар нуклеотидов. Иногда, например у некоторых бактериофагов Е. coli, ДНК линейна. Однако у бактерий ДНК гораздо чаще (если не всегда) представляет собой кольцевую (или по крайней мере квазикольцевую) замкнутую молекулу, у которой два конца соединены вместе и не могут свободно вращаться [1310, 1311]. Кроме основной хромосомной ДНК в бактериях присутствуют небольшие кольцевые плазмидные ДНК. Молекулы ДНК такого типа обнаружены также в митохондриях и хлоропластах эукариотических клеток. Мол. масса типичной плазмиды составляет всего 10-Ю6 [1314]. В последние годы такие малые кольцевые ДНК нашли важное применение в качестве векторов в генетической инженерии. В разд. 19.7 будут обсуждаться некоторые топологические проблемы кольцевых молекул ДНК.

Простое устройство бактериальной хромосомы. В таких бактериях, как Е. coli, кольцевая хромосомная ДНК организована сравнительно просто. В клетке диаметром ~ 5 мкм находится молекула ДНК, контурная длина которой равна 1,36 мм, что отвечает числу пар 4 ¦ 106 и мол. массе 2,8 - Ю9. Очевидно, что молекула ДНК в клетке должна сильно компактизоваться. Этой цели служит особая структура кор, в состав которого входят РНК и бело

страница 56
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79

Скачать книгу "Принципы структурной организации нуклеиновых кислот" (9.68Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(21.07.2019)