Структура молекул РНК

Молекула рибонуклеїнової кислоти - це одноланцюговий полінуклеотид. Відрізняється від ДНК наявністю цукру – рибози та заміною азотистої основи тиміну на урацил. РНК не формує подвійні спіралі, однак комплементарне спарювання може відбуватися всередині і між молекулами РНК. Якщо за якоюсь послідовністю слідує комплементарна їй послідовність, то полінуклеотид ланцюга може скластися і утворити антипаралельну дволанцюгову структуру - шпильку. Вона складається зі спарених основ, що утворюють двуспиральну ділянку – стебло, часто з петлею з неспарених основ. Такі взаємодії мають важливе біологічне значення. Вміст РНК в клітині в декілька разів більше, ніж ДНК.

Третинна структура ДНК. Для вивчення третинної структури ДНК необхідно мати її в інтактному (неушкодженому) вигляді. На сьогодні таким чином виділені деякі ДНК вірусів, мітохондрій і хлоропластів. Довжина двоспіральної молекули в хромосомі людини у витягнутому стані могла б досягти 8 см; насправді її довжина 5 нм. Таке надзвичайно ощадливе упакування досягається за рахунок суперспіралізації вторинної структури. Ступінь суперспіралізації (наявність додаткових супервитків чи суперспіралей) встановлюється за зміною константи седиментації. Суперспіралі часто зустрічаються в кільцевих молекулах ДНК. Так, хромосома Е.соlі — це єдине замкнуте кільце. Кільцеві молекули ДНК часто виявляються в мітохондріях, деяких вірусах, ядрі еукаріот. Кільцеві молекули, як правило, закручуються самі на себе, утворюючи суперспіральні молекули із супервитками. Скручування подвійної спіралі самої на себе призводить до утворення суперскрученої правозакрученої структури. Це явище називається негативною суперспіралізацією. У результаті суперспіралізації на кожен супервиток припадає 20–25 витків подвійної спіралі. Завдяки суперспіралізації дуже довга молекула ДНК (1360 мкм в Е.соlі і 990 тис. мкм у людини) упаковується в малому об’ємі бактеріальної клітини чи ядрі клітини еукаріот. Виділено ферменти ДНК-топоізомерази, що каталізують процес суперспіралізації (ДНК-гірази). Факт перебування ДНК у стані суперспіралізації підтверджений за допомогою методу електронної мікроскопії. Процес суперспіралізації ДНК в еукаріот проходить за участю гістонових білків, серед яких залежно від вмісту лізину й аргініну розрізняють п’ять основних класів. Полікатіонна природа гістонів забезпечує їхню взаємодію з поліаніонним пентозофосфатним каркасом і поряд з водневими зв’язками стабілізує структуру ДНК еукаріот. У ДНК мітохондрій, хлоропластів і прокаріотичних клітин фактором, що стабілізує структуру цих поліаніонних макромолекул, є неорганічні катіони, а не білок.

Рис. 3. Схема будови нуклеосоми (за Албертсом Б. та ін., 1986)

Взаємодія ДНК із гістонами приводить до формування нуклеосом — структурних одиниць хроматину (рис. 3). У кожній нуклеосомній часточці фрагмент ДНК довжиною 100–200 нуклеотидних пар закручений навколо гістонового кора, що являє собою октамерну структуру, до складу якої входить по дві молекули кожного з гістонів Н2а, Н2b, Н3 і Н4. Сусідні нуклеосоми зв’язані між собою ділянками лінкерної ДНК (спейсерні ділянки) довжиною близько 50 пар основ; спейсерні ділянки включають по одній молекулі гістона Н1, а також негістонові білки. Висловлюється думка про можливу участь гістонів у регулюванні генної активності. Структурна гетерогенність хроматину та пов’язана з його структурою функціональна активність значною мірою обумовлені ковалентними модифікаціями (ацетилювання, фосфорилювання, метилювання й ін.) амінокислот гістонових білків.

Суперспіралізовану молекулу ДНК можна перевести у відкриту (релаксовану) кільцеву форму, розірвавши один чи обидва ланцюги подвійної спіралі за допомогою короткочасної обробки її ферментом. Релаксована форма молекули, що утворюється, седиментує повільніше. Суперспіральність впливає на в’язкість розчинів ДНК і на електрофоретичну рухливість макромолекул. У деяких випадках наявність супервитків можна спостерігати за допомогою електронного мікроскопа. ДНК являє собою динамічну структуру, що легко модифікується. Перехід суперспіральної ДНК у відкриту кільцеву молекулу є необхідним етапом процесу реплікації. Оскільки водневі зв'язки нековалентні, вони легко розриваються і відновлюються. Ланцюжки подвійної спіралі можуть розходитися як замок-змійка під дією ферментів (гелікази) або при високій температурі. Різні пари основ утворюють різну кількість водневих зв'язків. A-T зв'язані двома, G-C — трьома водневими зв'язками, тому на розрив GC потрібно більше енергії. Відсоток GC пар і довжина молекули ДНК визначають кількість енергії, необхідної для дисоціації ланцюжків: довгі молекули ДНК з великим вмістом GC більш «тугоплавкі».

Суперспіральна структура ДНК може бути також виявлена розривом спіралі (одного чи обох ланцюгів) під впливом інтеркаліруючих з’єднань (інтеркаляція — це вбудовування плоских

ароматичних кілець між парами основ ДНК). До реагентів, які викликають інтеркаляцію, належать деякі лікарські препарати, барвники й інші речовини. Застосування таких речовин пов’язане з певним ризиком, тому що інтеркалюючі сполуки мають мутагенну дію. По мірі зростання ступеня інтеркаляції відбувається розкручування витків вторинної структури ДНК: кожне інтеркалююче кільце викликає розкручування спіралі на 26°. В інтактних клітинах інтеркалюючими агентами можуть бути ароматичні кільця бічних ланцюгів амінокислот при взаємодії білків з ДНК. Зміна в щільності супервитків, викликана інтеркаляцією чи зміною іонного оточення, може мати біологічне значення щодо генетичної регуляції і насамперед у дотриманні послідовності у взаємодії ДНК із внутрішньоклітинними ферментними системами. Можливі й інші способи укладання ДНК у просторі.