Полинг и кори постулаты

Содержание статьи

Справочник химика 21

МОДЕЛИ ПОЛИПЕПТИДОВ ПОЛИНГА И КОРИ [c.21]

Вскоре появляется знаменитая серия работ Л. Полинга и Р. Кори (1951 г.), в которых авторы рассмотрели все ранее известные структурные модели полипептидов, в том числе предложенные Брэггом, Кендрью и Перутцем, и отвергли их. Вместо них они предложили две новые низкоэнергетические регулярные пространственные формы — а-спираль и р-складчатый лист. Один виток а-спирали включает 3,6 аминокислотных [c.70]

Первое краткое сообщение о результатах исследования Полингом и Кори пространственной структуры полипептидов и белков появилось в ноябре 1950 г. [57]. В апреле следующего года в одном номере журнала было опубликовано сразу восемь работ Полинга и Кори с подробным изложением полученных результатов, а вскоре появились еще четыре их работы [58-65]. Они сразу же обратили на себя внимание научной общественности, вызвали огромный резонанс и оказали сильное влияние на последующее развитие молекулярной биологии и прежде всего исследований пространственной структуры пептидов и белков. В связи с чем вполне обоснованно разделить исследования, проводимые в этой области, на работы до 1951 г. и последующего периода. Читая какой-либо труд, посвященный структуре пептидов, можно, не зная даты публикации, почти наверняка определить, написан ли он до или после появления в печати работ этих ученых. Исследования Полинга и Кори (1951 г.) имеют теоретический характер. Сделанные авторами предсказания возможных структур полипептидной цепи основаны на следующих постулатах 1) приняты одинаковые значения для длин связей и валентных углов всех пептидных групп полипептидной цепи. В литературе они получили название геометрических параметров Полинга- Кори 2) пептидная группа считалась плоской. Возможны две плоские конфигурации группы, отличающиеся взаимным расположением связей N-Н и С=0, цис- и трамс-переход между ними связан с преодолением высокого потенциального барьера (-20 ккал/моль). При построении моделей Полинг и Кори отдали предпочтение транс-конфигурации пептидной группы. По оценке Р. Кори и Дж. Донахью, отклонение от плоского строения группы на 10° вызывает повышение энергии приблизительно на 1,5, а на 30° — на 6 ккал/моль [66] 3) предполагалась полная насыщенность полипептидной цепи водородными связями. Для водородной связи N-Н…О = С были приняты следующие геометрические и энергетические оценки расстояние N…0 считалось равным 2,8 А, максимальное отклонение от линейности N-Н…0 не должно превышать 30° и энергия связи — 8,0 ккал/моль 4) при построении моделей пептидной цепи выбирались наиболее благоприятные ориентации пептидных групп, разделенных атомом С , с учетом потенциалов внутреннего вращения вокруг связей С -N и С -С и ван-дер-ваальсовых контактов между атомами 5) конформационные состояния всех звеньев пептидной цепи считались эквивалентными. [c.21]

Кори нашли, что все они не удовлетворяют приведенным требованиям и должны быть отвергнуты. Авторы предложили две новые структуры (а и у) и структуру складчатого листа (Р). Как известно, до работ Полинга и Кори было разработано большое число молекулярных моделей полипептидов, а Брэгг, Кендрью и Перутц проанализировали этот вопрос в общем виде и как будто предусмотрели все возможные варианты. Как же в таких случаях удалось предложить совершенно новые структуры Это объясняется двумя обстоятельствами. Одно из них связано с более жесткими требованиями, предъявленными Полингом и Кори к геометрии полипептидов другое, сыгравшее решающую роль, — с предположением о реализации спиралей с нецелочисленными винтовыми осями симметрии. Во всех предпринимавшихся ранее поисках структур полипептидов использовались элементы симметрии атомных и низкомолекулярных кристаллов. В этом случае винтовые оси, действительно, могут быть только целочисленными. По отношению к отдельной макромолекуле требование, чтобы спираль содержала только целое число аминокислотных остатков на виток, не может быть оправдано соображениями физического порядка. Использование до Полинга и Кори целочисленных винтовых осей — результат автоматического перенесения кристаллографического принципа симметрии на спиральные полимерные объекты, т.е. в область, где он не работает. [c.22]

В первых моделях пространственного строения белковых молекул водородная связь служила главным стабилизирующим фактором. Молекулы фибриллярных белков представлялись слоистыми структурами, а молекулы глобулярных белков — пакетом слоистых структур, состоящих или из плоских пептидных цепей, скрепленных водородными связями, или из свернутых, регулярных цепей, также стабилизированных внутренними водородными связями. Отклонение от регулярности, повороты цепей и нарушение оптимальных условий образования внутримолекулярных водородных связей допускались лишь в местах аминокислотной последовательности, где находятся остатки пролина. Среди тех, кто считал водородную связь не только главной, но и единственной упаковочной силой, был М. Хаггинс [10, 11]. Все предложенные им структуры полипептидов были полностью насыщены водородными связями. Этот же принцип был положен в основу конструирования пептидных моделей Л. Брэггом, Дж. Кендрью и М. Перутцем [12], а также а-спирали и -структуры складчатых листов Л. Полингом и Р. Кори [1,2]. [c.233]

Может ли полипептидная цепь быть уложена в структуру, состоящую из регулярно повторяющихся участков Чтобы ответить на этот вопрос, Полинг и Кори сравнили ряд потенциально возможных конформаций полипептидов, построив их точные молекулярные модели. При этом строго соблюдались экспериментально установленные для аминокислот и небольших пептидов величины углов связей и межатомных расстоя= ний. В 1951 г. они предложили две периодические полипептидные структуры, названные соответственно о -спираль и р-складчатый слой. [c.34]

Под конформацпоннымн превращениями в макромолекулах до самого недавнего времени понимали превращения (переходы) спираль — клубок в полипептидах и нуклеиновых кислотах. Предполагалось, что, в отличие от макромолекул нативных белков, нуклеиновых кислот и их синтетических моделей — полипептидов и полинуклеотидов, где внутримолекулярные взаимодействия (в основном, водородные связи) обеспечивают наличие вторичной структуры, внутримолекулярные силы у обычных синтетических поли.меров недостаточны для поддержания уиорядоченности в цепи. Макро.молекулы первых существуют в растворах в конформации одионитевых (белки, полипептиды) или двунитевых (нуклеиновые кислоты, полинуклеотиды) спиралей (см. [251, 510]). Двойная спираль Крика — Уотсона [511] для дезоксирибонуклеиновой кислоты и а-сиираль Полинга — Кори [512] для полипептидов — наиболее известные примеры вторичной молекулярной структуры. Макромолекула в спиральной конформации подобна по своей структуре одномерному кристаллу. Изменением температуры или других условий (состав смешанного растворителя, pH растворителя - [c.252]

При поиске решения структурной проблемы белка особенно вдохновляющими примерами явились результаты теоретических исследований Л. Полинга и Р. Кори регулярных структур полипептидов [53] и Дж. Уотсона и Ф. Крика двойной спирали ДНК [54]. В этих работах с помощью простейшего варианта конформационного анализа — проволочных моделей, получивших позднее название моделей Кендрью-Уотсона, а также ряда экспериментальных данных, прежде всего результатов рентгеноструктурного анализа волокон (в случае ДНК еще и специфических соотношений оснований Э. Чаргаффа), удалось предсказать наиболее выгодные пространственные структуры полимеров. Собственно, предсказана была как в случае пептидов, так и нуклеиновых кислот, геометрия лишь одного звена, которое в силу регулярности обоих полимеров явилось трансляционным элементом. Белок же — гетерогенная аминокислотная последовательность, и поэтому таким путем предсказать его трехмерную структуру нельзя. Но то обстоятельство, что простейший, почти качественный, конформационный анализ привел к количественно правильным геометрическим параметрам низкоэнергетических форм звеньев, повторяющихся в гомополипептидах и ДНК, указывало на большие потенциальные возможности классического подхода и его механической модели в описании пространственного строения молекул. [c.108]

На рис. 54 приведены данные по оптическому вращению (для О-линии натрия) олигомеров у-метил-Ь-глутамата в четырех растворителях. Поведение полипептида в дихлоруксусной кислоте — растворителе, способствующем образованию конформации статистического клубка,- такое, которого следует ожидать для конфигурационной оптической активности, т. е. вращение постепенно приближается к асимптоте, когда п очень велико. Было обнаружено, что для нескольких изученных высокомолекулярных поли-у-метил-Ь-глутаматов средняя величина [а] приблизительно равна -33°, что очень близко к ожидаемой предельной величине [0)1) на рис. 54, а (Доти и Янг, неопубликованные данные). Совершенно другая картина на рисунках 54, б-г, на которых удельное вращение проходит через минимум, соответствующий пентамеру, и затем становится положительным при высоких СП. Из ранних работ Доти, Блоута с сотр. [30, 31 ] известно, что диметилформамид, л-крезол и диоксан — растворители, способствующие образованию конформации а-спирали. В соответствии с моделью а-спирали, предложенной Полингом и Кори, на виток спирали приходится 3,6 остатка и первая водородная связь образуется внутримолекулярно между первым и пятым остатками. Таким образом, результаты, приведенные на рис. 54, можно интерпретировать в терминах образования а-спирали для пентамера и высших гомологов. О диоксане также известно, что он вызывает ассоциацию молекул и появление так называемой Р-формы у полипептидов низкого молекулярного веса (раздел Г-7). Гудман и др. пришли к выводу о том, что данные, приведенные на рисунке 54, г, являются результатом одновременного влияния внутримолекулярных водородных связей и межмолекулярной ассоциации. [c.101]

Читайте также: Корь если раньше болел

В 1950 г., за несколько месяцев до опубликования серии исследований Л. Полинга и Р. Кори, появилась большая работа Л. Брэгга, Дж. Кендрью и М. Перутца [56], которая как бы подвела черту под структурными исследованиями белков и полипептидов начального периода. В этой работе анализируются структурные модели Астбери, Хаггинса, Цана и других авторов и предлагается ряд новых моделей. Однако, по-прежнему, речь идет о возможных типах укладки основной пептидной цепи. Авторы также рассматривают свои первые результаты рентгеноструктурного изучения гемоглобина и миоглобина. При анализе возможных структур пептидного остова Брэгг, Кендрью и Перутц принимают геометрические параметры пептидной группы, близкие к параметрам Хаггинса и согласующиеся с более поздними данными Кори. Так, длина связи С -С считается равной 1,52 А, С -М — 1,36 А и С =0 — 1,24 А. Валентные углы при атоме С приняты тетраэдрическими (109°28 ), а при атоме N — или тетраэдрическими, или тригональными (120°). Длина водородной связи М-Н…С=0 составляет 2,85 А. Ее направленность строго не лимитируется, но авторы по мере возможности стремятся к линейному расположению связей К-Н и С=0. Л. Брэгг, Дж. Кендрью и М. Перутц приняли постулат М. Хаггинса о спиральной симметрии полипептидной цепи с целочисленным порядком винтовой оси, но отвергли его второй постулат о том, что каждый элемент основной цепи должен находиться в одинаковых отношениях с соседними элементами (принцип эквивалентности). Так же как и Хаггинс, они придают огромное значение водородной связи М-Н…С = 0 в формировании структуры основной цепи и считают наиболее стабильными только те из них, которые полностью насыщены ими. Предложенная авторами классификация спиральных структур является общепризнанной и в настоящее время [56]. В основу ее положено разделение структур по симметрии пептидного остова и размеру циклов с водородными связями. [c.19]

Картер и Краут показали, что весьма распространенная вытянутая конформация полипептидных цепей (р-складчатая структура по Полингу и Кори) соответствует стабильной правозакрученной двойной спирали, т. е. существует двойная полипептидная спираль. Ее шаг и радиус примерно такие же, как и у двойной спирали нуклеиновых кислот. Авторы весьма тщательно построили пространственные молекулярные модели и увидели, что полипептидная двойная спираль в точности комплементарна двойной спирали РНК, причем полипептидная двойная спираль точно входит в малую бороздку двойной спирали РНК. В результате образуются водородные связи между 2 -0Н Группами рибозы (что, по-видимому, и объясняет особые свойства РНК, у ДНК нет этого гидроксила) и кислородом карбонила пептидной связи. Авторы отмечают, что такую точную комплементарность ста- бильных конформаций РНК и полипептидов вряд ли можно считать простым совпадением. Они предположили, что обе эти двойные спирали взаимно катализировали сборку друг друга из активированных предшественников на ранних стадиях эволюции. В самом деле, комплементарное соответствие двух двойных спиралей представляется весьма важным, но оно обеспечивает ускорение синтеза лишь основных каркасов — полипептидного и полинуклеотидного, тогда как для преодоления обсуждаемого нами кризиса на начальной стадии биологической эволюции необходимо установление полного однозначного соответствия определенных аминокислотных и нуклеотидных радикалов. Для этого нужно, чтобы взаимная полимеразная активность поли- [c.59]

Источник

Цветовая схема моделей Кори — Полинга — Колтуна

В химии, раскраска по CPK (англ. Corey-Pauling-Koltun, рус. Кори-Полинг-Колтун) — популярная схема цветового обозначения атомов различных химических элементов в молекулярных моделях. Данная схема названа в честь молекулярной модели CPK, созданной Робертом Кори и Лайнусом Полингом и усовершенствованной Уолтером Колтуном.

История[править | править код]

В 1952 году, Кори и Полинг опубликовали описание объёмной модели белков и других биомолекул, которую они создали в Калифорнийском технологическом институте.[1] Их модель представляла атомы деревянными шариками, раскрашенными в яркие цвета, соответствующие химическим элементам. Их цветовая модель включала:

белый для водорода
чёрный для углерода
голубой для азота
красный для кислорода

Они также построили уменьшенные модели, используя пластиковые шарики такой же цветовой схемы.

В 1965 году Колтун запатентовал улучшенную версию модели Кори-Полинга.[2] В своём патенте он упоминает следующие цвета:

белый для водорода
чёрный для углерода
синий для азота
красный для кислорода
тёмно-жёлтый для серы
пурпурный для фосфора
оттенки от светло- до тёмно-зелёного соответственно для галогенов (F, Cl, Br, I)
серебряный для металлов (Co, Fe, Ni, Cu)

Типичные цветовые обозначения[править | править код]

Типичные цветовые обозначения в CPK включают:

водород (H)	белый
углерод (C)	чёрный
азот (N)	синий
кислород (O)	красный
фтор (F), хлор (Cl)	зелёный
бром (Br)	тёмно-красный
иод (I)	тёмно-фиолетовый
благородные газы (He, Ne, Ar, Xe, Kr)	циановый
фосфор (P)	оранжевый
сера (S)	жёлтый
бор (B), большинство переходных металлов	бежевый
щелочные металлы (Li, Na, K, Rb, Cs)	фиолетовый
щелочноземельные металлы (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra)	тёмно-зелёный
титан (Ti)	серый
железо (Fe)	темно-оранжевый
другие элементы	розовый

Некоторые из цветов CPK мнемонически связаны с цветами чистых элементов или их соединений. Например, водород — бесцветный газ, углерод в виде угля или графита чёрный, многие формы серы имеют жёлтый цвет, хлор — зеленоватый газ, бром — тёмно-красная жидкость, иод в эфире фиолетовый, одна из аллотропных модификаций фосфора имеет красный цвет, железная ржавчина имеет тёмно-оранжевый оттенок, и т. д. В случае других элементов, таких как кислород и азот, выбор цвета менее понятен. Вероятно, красный цвет для кислорода был выбран потому что он часто ассоциируется с горением, а голубой цвет для азота обусловлен тем, что это главный компонент земной атмосферы, имеющей голубой оттенок.

Современные варианты[править | править код]

Следующая таблица представляет собой цвета, назначаемые каждому элементу в популярных компьютерных программах. Колонка C содержит изначальные цвета Кори и Полинга,[1] колонка K содержит цвета из патента Колтуна.[2] Колонка J описывает цветовую схему, используемую молекулярным визуализатором Jmol.[3] Колонка R описывает цветовую схему, используемую программой RasMol; в случае если указаны два цвета, второй актуален для версий 2.7.3 и выше.[3][4] Все цвета даны приблизительно и могут зависеть от дисплея и настроек видео.

Примечания[править | править код]

↑ 1 2 Robert B. Corey and Linus Pauling (1953): Molecular Models of Amino Acids, Peptides, and Proteins. Review of Scientific Instruments, Volume 24, Issue 8, pp. 621-627. doi:10.1063/1.1770803
↑ 1 2 Walter L. Koltun (9165), Space filling atomic units and connectors for molecular models. U. S. Patent 3170246.
↑ 1 2 Jmol color table на sourceforge.net.
↑ Rasmol color table Архивировано 13 мая 2001 года. на bio.cmu.edu.

Ссылки[править | править код]

What is the basis for the CPK color scheme? Which colors is used for which atom?
Physical Molecular Models
Модель Кори-Полинга-Колтуна: стандарт «молекулярного конструктора»

Источник

Как все закручено. 21 вариант того, как может выглядеть ваша ДНК

Мы привыкли представлять себе ДНК в виде двойной спирали — но это лишь одно из множества ее обличий. С тех пор, как Уотсон и Крик опубликовали свою модель, в клетках человека нашли тройную и четверную спираль ДНК, а еще кресты, шпильки и другие варианты переплетения — некоторые проще нарисовать, чем описать словами.

Набросать идей

Уотсон и Крик не были единственными, кто корпел над трехмерной моделью ДНК. Они даже не были первыми. На обрывках биохимических данных можно было построить самые разные молекулярные формы, и вариантов было множество.

Условия задачи у всех были одинаковы. На начало 1953 года уже было понятно, как устроен нуклеотид:

остаток фосфорной кислоты,
сахар,
одно из азотистых оснований: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т) или цитозин (Ц).

Еще было известно, что азотистые основания разбросаны по цепи не случайно: в любой молекуле ДНК суммарное количество аденинов и гуанинов строго равнялось количеству тиминов и цитозинов. Кроме того, на всех рентгеновских снимках Розалинд Франклин и Рэймонда Гослинга, независимо от того, какой участок ДНК на них был запечатлен, сама нить имела одну и ту же толщину. Это означало, что форма остается неизменной при любой последовательности нуклеотидов.

Из этих вводных Лайнус Полинг и Роберт Кори собрали свою модель — тройную спираль, ощетинившуюся со всех сторон азотистыми основаниями (фосфату и сахару биохимики отвели роль внутреннего стержня). Эта конструкция выглядела неустойчивой: было непонятно, почему отрицательно заряженные фосфатные группы в центре спирали не отталкиваются друг от друга.

Структура ДНК по версии Полинга и Кори

Linus Pauling, Robert B. Corey / PNAS, 1953

Эту проблему решил Брюс Фрезер, вывернув конструкцию наизнанку: в его варианте три нити смотрели фосфатами наружу. Азотистые основания были обращены внутрь, однако Фрезер так и не смог объяснить, по какому принципу они соединены.

Модель Уотсона и Крика с закрученной вправо двойной спиралью оказалась самой устойчивой. Как и Фрезер, ученые расположили фосфаты снаружи, а азотистые основания — внутри. Был в этой модели и четкий принцип их противопоставления: А на одной цепи всегда соединялся с Т на другой, а Г — с Ц. Это объясняло, почему толщина конструкции стабильна — пары А-Т и Г-Ц примерно одинакового размера.

Карандашный набросок структуры ДНК, сделанный Фрэнсисом Криком

Wellcome Images / CC BY-SA 4.0

Потом были и другие попытки пересобрать ДНК в новую форму. Голландский биохимик Карст Хугстин, например, заметил, что можно соединить те же самые пары нуклеотидов другими гранями, — так спираль тоже оставалась стабильной, но получалась тоньше. Другие авторы изображали ДНК в виде спирали с чередующимися правым и левым поворотами, или даже в виде двух двойных спиралей, которые образуют единую четверку. И хотя существование Уотсон-Криковской двойной спирали с тех пор много раз подтвердилось, в XXI веке продолжают размышлять о том, какие формы принимает нить ДНК внутри клетки, где ее разглядеть намного сложнее, чем в пробирке. Правда, ни одна из альтернативных идей до сих пор не оказалась достаточно хороша, чтобы отказаться от классической правозакрученной двойной спирали.

Уотсон и Крик сделали нечто большее, чем просто разрешили споры о форме ДНК. Их модель сразу же объяснила, как эта форма работает: взаимно однозначное соответствие делает каждую нить шаблоном для другой. Имея только одну из цепей, по ней всегда можно восстановить вторую — на этот принцип опираются все современные модели передачи генетической информации.

Тем не менее, большинство «отвергнутых» идей в чем-то оказались верны. За почти 70 лет пристального разглядывания ДНК в ней удалось обнаружить практически все возможные виды соединения оснований, другие спирали и даже левый поворот.

Свернуть не туда

Уже сама по себе двойная спираль может быть устроена по-разному. Это заметила еще Розалинд Франклин, хотя и не предполагала, что перед ней спираль, да еще и двойная. В обычных условиях, напоминающих внутриклеточные, ДНК на снимках биолога имела «рыхлую» форму, которую Франклин назвала В-ДНК. Но если влажность в пробирке опускалась ниже 75 процентов, получалась А-ДНК, пошире и поплотнее.

А (слева) и В (справа) формы ДНК, какими их увидела Розалинд Франклин

Rosalind Franlkin, Raymond Gosling / Acta Crystallographica, 1953

Как выяснилось потом, А-ДНК действительно закручена туже: в ней на виток спирали уходит 10 нуклеотидов, а не 11, как в В-ДНК. И расположены они не перпендикулярно оси симметрии спирали, а под углом: если в В-ДНК нуклеотиды обычно изображают горизонтальными черточками, в А-ДНК их следовало бы рисовать косыми.

Уотсон и Крик выбрали В-ДНК в качестве основы для своей модели и не прогадали. Позже оказалось, что В-вариант действительно встречается в клетке гораздо чаще, и сейчас его считают основной формой существования ДНК, а все отклонения часто обозначают общим термином «не-В ДНК».

Более того, реальная двойная спираль почти никогда не соответствует своей идиллической модели. В живых системах В-ДНК, как правило, скручена чуть сильнее, чем предсказывали Уотсон и Крик, и среднее число нуклеотидов на виток спирали в ней — не 10 и не 11, а около 10,5. Кроме того, отдельные пары нуклеотидов постоянно отклоняются от положенной «горизонтали» (это называют «пропеллерным поворотом») поэтому спираль никогда не бывает абсолютно гладкой и ровной — то тут, то там по ее бокам торчат шероховатости: концы нуклеотидов под разными углами.

«Пропеллерный» поворот нуклеотидов в В-ДНК

James D. Watson et al. / Molecular Biology of the Gene, 2008

Позже оказалось, что витки спирали могут не только лежать туже или расслабленнее, но и вовсе закручиваться против часовой стрелки (например, влево закручена спираль башни «Эволюция» в Москва-сити, явно символизирующая нить ДНК). По странному стечению обстоятельств, именно такую ДНК увидели в 1979 году, когда появилась наконец возможность рассмотреть нуклеиновые кислоты с высоким разрешением. Это все еще была двойная спираль, но совсем другой формы: 12 нуклеотидов на виток, еще тоньше, чем В-ДНК и закрученная не вправо, а влево. Торчащие ее на поверхности фосфатные группы образовывали не плавную спираль, а зигзаг, поэтому новый вариант назвали Z-формой.

А-ДНК (слева), B-ДНК (по центру), Z-ДНК (справа)

Mauroesguerroto / wiki commons / CC BY-SA 4.0

Это, конечно, не означало, что Уотсон-Криковская модель неверна. Z-форму удалось получить при достаточно экзотических условиях — в растворе с высокой концентрацией солей. И в клетке она тоже получается из В-ДНК лишь при определенных обстоятельствах: например, когда «напряжение» на цепи слишком высоко и его необходимо сбросить. Напряжение появляется из-за чрезмерного скручивания: нити ДНК и так завернуты друг относительно друга, но образованная ими двойная спираль накручивается на какой-нибудь белок (например, гистон), возникает так называемая суперспирализация. Переход в Z-форму помогает сбросить напряжение и развернуть лишние витки — а это, в свою очередь, важно, чтобы с ДНК могли связываться новые белки, например, полимераза при транскрипции.

Поэтому ДНК часто принимает Z-форму при транскрипции генов. Более того, чем больше при этом Z-ДНК, тем активнее идет транскрипция. Гистоны с Z-ДНК связаться не могут, поэтому полимеразе никто не мешает заниматься своим делом. И этим, кстати говоря, активно пользуются опухолевые клетки, у которых левозакрученная спираль вовремя возникает перед нужными им генами.

Башня «Эволюция» (на переднем плане) имеет вид левозакрученной ДНК

mos.ru / CC BY-SA 4.0

Потом нашлись и другие формы двойной спирали. В зависимости от влажности, содержания солей и последовательности нуклеотидов в конкретном участке, ДНК может еще сильнее удлиняться (Е-ДНК) или сжиматься (C- и D-ДНК), включать в себя ионы металлов (М-ДНК) или вытягиваться так, что вместо азотистых оснований в центре спирали оказываются фосфатные группы (S-ДНК). А после того, как в список добавились другие типы внутриклеточной ДНК, вроде ядерной N-ДНК и рекомбинантной R-ДНК (которые, впрочем, попали в этот список не из-за своей формы, а положения в клетке или происхождения), в английском алфавите для вариантов ДНК практически закончились буквы. Тому, кто решит открыть еще какую-нибудь неканоническую форму, придется выбирать из пяти свободных: F, Q, U, V, и Y.

Алфавитный перечень форм ДНК

A-ДНК — двухцепочечная, чуть толще, чем В.

B-ДНК — та, которую построили Уотсон и Крик.

C-ДНК — двухцепочечная, 9,3 нуклеотида на виток.

D-ДНК — двухцепочечная, узкая: 8 нуклеотидов на виток, содержит много тиминов.

E-ДНК — двухцепочечная, еще уже: 15 нуклеотидов на два витка.

G-ДНК — четверная спираль с гуаниновыми тетрадами.

H-ДНК — тройная спираль.

I-ДНК — две двойные спирали, которые держатся вместе притяжением своих цитозинов.

J-ДНК — еще одна тройная спираль, которую образуют повторы АЦ.

K-ДНК — ДНК трипаносом, особенно богатая аденинами.

L-ДНК — ДНК, в основе которой лежит L-дезоксирибоза (а не D-, как обычно).

M-ДНК — В-ДНК в комплексе с двухвалентными металлами.

N-ДНК — ядерная ДНК.

O-ДНК — точка начала удвоения ДНК у бактериофага λ.

P-ДНК — тройная спираль Полинга и Кори.

R-ДНК — рекомбинатная ДНК (полученная встраиванием чужеродного фрагмента).

S-ДНК — двухцепочечная, вытянута в 1,6 раз сильнее, чем В-форма.

T-ДНК — похожа на D-форму, встречается у бактериофага Т2.

W-ДНК — синоним Z-ДНК.

X-ДНК — двухцепочечная спираль, которую образуют повторы АТ.

Z-ДНК — двухцепочечная левозакрученная.

Попасть в переплет

Помимо всевозможных форм двойной спирали и способов ее плетения, ДНК иногда распадается на отдельные нити, которые образуют в шпильки, кресты и другие двуцепочечные фигуры. Случается и так, что уже существующая двойная спираль обрастает новыми соседями.

В 1985 году выяснилось, что Полинг и Кори тридцать лет назад были правы: тройная спираль ДНК (H-ДНК) существует. Однако устроена она совсем не так, как они предполагали. В настоящей тройной спирали две цепи соединяются стандартным, Уотсон-Криковским способом, а третья примыкает к ним сбоку, ложась в большую бороздку между цепями. При этом азотистые основания третьей, дополнительной нити соединяются с основными парами не классическим способом, а как бы сбоку — теми самыми связями, которые предсказывал Карст Хугстин. Он тоже, в некотором роде, оказался прав.

Тройная спираль, как и многие альтернативные формы ДНК, тоже возникает в ответ на суперспирализацию цепи. Однако, в отличие от Z-формы, она не поддерживает транскрипцию, а наоборот, ей препятствует. РНК-полимераза, которая привычно расплетает две нити перед собой, не всегда справляется с тем, чтобы разделить триплекс. Поэтому если в гене или его регуляторных областях образуется тройная спираль, он работает хуже прочих.

Варианты образования тройной спирали. Уотсон-Криковские пары обозначены черным, добавочный третий нуклеотид выделен цветом

Yutaro Yamagata et al. / Chemistry Europe, 2015

Бывает и так, что соединяются не две и не три, а сразу четыре цепи ДНК. Чтобы это произошло, в одном месте должны встретиться четыре гуаниновых нуклеотида — и неважно, находятся они на двух цепях одной нити или на четырех разных нитях, не связанных друг с другом. Каждый гуанин образует неклассическую, хугстиновскую пару с двумя соседями, а все вместе они создают квадратную гуаниновую тетраду. Если рядом с ними находятся другие гуанины, способные создать квадрат, то из них складывается стэк — стопка, которая удерживает рядом четыре цепи ДНК.

Гуаниновая тетрада (сверху) и варианты расположения цепей в квадруплексе (снизу)

Jochen Spiegel et al. / Trends in Chemistry, 2020

Все 30 лет, что прошли с момента открытия квадруплексов, количество процессов, в которых они так или иначе замешаны, растет. Известно уже больше двух сотен белков, которые могут избирательно распознавать гуаниновые тетрады — вероятно, последние выполняют роль своего рода генетической разметки, очередного способа регулировать упаковку и транскрипцию генов. Например, они часто встречаются в промоторах (регуляторных участках, с которых начинается транскрипция) разных генов. Совсем недавно ученым даже удалось отличить разные типы рака груди через наборы квадруплексов — от них, в свою очередь, зависело, какие гены в опухолевых клетках были гиперактивны.

Чем дальше мы вглядываемся в молекулу ДНК, тем больше замечаем отклонений от давно привычной модели. Двойная спираль — не единственная и не окончательная структура ДНК, а лишь одна (пусть и самая частая) из поз, которую та принимает в непрерывном танце. Повинуясь велению нуклеотидной последовательности, нить ДНК сжимается и разжимается, изгибается, закручивается и принимает бесконечное число (прекрасных) форм. Ни одна из них — не окончательная: альтернативные структуры ДНК переходят друг в друга, конкурируют с В-формой и между собой, подчиняются сигналам клеточных белков и сами направляют их работу.

Найти и возглавить

Неканонические формы ДНК, при всем своем разнообразии, не возникают в случайных местах. Устойчивость им придает определенный набор нуклеотидов в их составе, поэтому и появляются они лишь в тех участках цепи, где для них есть «удобная» последовательность.

Так, например, в ДНК есть определенные участки, которые особенно охотно сворачиваются в зигзаг. Это места, где чередуются пары Г-Ц: после левого поворота в них каждый второй нуклеотид принимает «неправильную» форму, отсюда и ломаный профиль всей Z-формы. Это означает, что последовательности, склонные принимать Z-форму, можно найти прямо в тексте — если видите ГЦГЦГЦГЦГЦГЦ, то вряд ли прогадаете. Так в одной работе, например, насчитали 391 такой участок в человеческом геноме.

Места, в которых может образоваться тройная спираль, тоже можно узнать по характерной последовательности нуклеотидов. Третья цепь присоединяется либо по принципу комплементарности — то есть к паре Г-Ц добавляется еще один Г, образуя Г-Ц*Г — либо «к своему» — и получается Г*Г-Ц. Поэтому часто такая конструкция возникает в тех местах ДНК, где подряд идет несколько одинаковых (например, ГГГГГ) или химически близких (АГГААГ) нуклеотидов и где они образуют палиндромные (зеркальные) повторы.

Точно также по тексту ДНК можно предсказать и появление квадруплексов. По результатам только одного секвенирования (собственно, прямого перевода ДНК в буквы), в геноме человека их нашлось более 700 тысяч. Не все они, вероятно, встречаются in vivo — для этого соответствующем нитям ДНК нужно оказаться рядом в одной точке сложно устроенного клеточного ядра — однако это может означать, что четырехспиральным структурам отведена какая-то специфическая роль в жизни клетки.

Далеко не всегда образование альтернативных форм ДНК идет клетке на пользу: большинство из них куда менее прочны, чем обычная В-ДНК, и гораздо чаще рвутся. Поэтому последовательности, которые склонны образовывать не-В формы, становятся участками генетической нестабильности и повышенного мутагенеза. Одни исследователи видят в этом двигатель эволюции — если такие участки появляются в генах, связанных с развитием организма. Другие же винят альтернативные формы ДНК во всех видах болезней, связанных со случайными мутациями и перестановками в геноме — от опухолей до шизофрении и аутизма.

Получается, что ДНК содержит не только информацию о строении клеточных белков и РНК, но и о том, какие формы эта информация может принимать, помимо Уотсон-Криковского стандарта. А уже от этих форм, в свою очередь, зависит то, что с этой информацией произойдет: сможет ли клетка ее реализовать или ген, будет вечно молчать, а то и вовсе сломается, породив какие-то дополнительные мутации.

Вероятно, мы научимся однажды вмешиваться в этот процесс — можно было бы, например, построить цепь нуклеотидов, которая имитировала бы третью цепь в спирали и «подсунуть» ее в нужное время в нужном месте, чтобы заблокировать работу какого-нибудь нежелательного гена в клетке. Были даже более смелые предложения — использовать тройную спираль для прицельного редактирования генома: ввести в клетку нуклеотид, который сможет образовать с целевым участком ДНК тройную спираль и побудить систему репарации заменить этот участок на «здоровый» вариант с другой хромосомы.

А пока мы этому только учимся, остается признать структуру ДНК еще одним видом информации — помимо генетической (нуклеотидного «текста») и эпигенетической (доступности генов для считывания) — который несет в себе наш геном. И нам еще предстоит научиться с ним работать, влияя через форму на содержание, или наоборот.

Полина Лосева

Оригинал