Структура и свойства поли(dA) · поли(dТ) и А : Т-участков ДНК. Расчеты энергии невалентных взаимодействий в системе, состоящей из регулярного полинуклеотида и двух слоев воды в его гликозидном желобе
Под влиянием взаимодействия поли(dA) · поли(dT) в волокнах и растворах с двумя слоями воды, образующей водный хребет, подобный обнаруженному в средней части двуспирального фрагмента d(CGCGAATTCGCG) в кристалле, формируется специфическая конформация полинуклеотида....
Збережено в:
| Дата: | 1988 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут молекулярної біології і генетики НАН України
1988
|
| Назва видання: | Биополимеры и клетка |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/153940 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Структура и свойства поли(dA) · поли(dТ) и А : Т-участков ДНК. Расчеты энергии невалентных взаимодействий в системе, состоящей из регулярного полинуклеотида и двух слоев воды в его гликозидном желобе / А.Г. Головинская, В.И. Полтев, В.П. Чуприна // Биополимеры и клетка. — 1988. — Т. 4, № 4. — С. 182-187. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-153940 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1539402025-02-09T17:36:01Z Структура и свойства поли(dA) · поли(dТ) и А : Т-участков ДНК. Расчеты энергии невалентных взаимодействий в системе, состоящей из регулярного полинуклеотида и двух слоев воды в его гликозидном желобе Головинская, А.Г. Полтев, В.И. Чуприна, В.П. Структура и функции биополимеров Под влиянием взаимодействия поли(dA) · поли(dT) в волокнах и растворах с двумя слоями воды, образующей водный хребет, подобный обнаруженному в средней части двуспирального фрагмента d(CGCGAATTCGCG) в кристалле, формируется специфическая конформация полинуклеотида. Під впливом взаємодії полі(dA) · полі(dT) у волокнах і розчинах з двома шарами води, що утворює водний хребет, подібний виявленому в середній частині двоспірального фрагмента d(CGCGAATTCGCG) у кристалі, формується специфічна конформація полінуклеотиду. Interaction of poly(dA)·poly(dT) with two hydration shells forming a hydration spine similar to that found in the central part of the double-helical fragment d(CGCGAATTCGCG) in crystal to a considerable extent determines the existence of a specific polynucleotide conformation in fibers and in solutions. Atom-molecular models of these conformations with a narrow minor groove, a negative tilt and a positive propeller of the bases have been proposed. They explain a number of experimental facts concerning biologically important structural properties of DNA. 1988 Article Структура и свойства поли(dA) · поли(dТ) и А : Т-участков ДНК. Расчеты энергии невалентных взаимодействий в системе, состоящей из регулярного полинуклеотида и двух слоев воды в его гликозидном желобе / А.Г. Головинская, В.И. Полтев, В.П. Чуприна // Биополимеры и клетка. — 1988. — Т. 4, № 4. — С. 182-187. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. 0233-7657 DOI: http://dx.doi.org/10.7124/bc.000227 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/153940 547.963.3 ru Биополимеры и клетка application/pdf Інститут молекулярної біології і генетики НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Структура и функции биополимеров Структура и функции биополимеров |
| spellingShingle |
Структура и функции биополимеров Структура и функции биополимеров Головинская, А.Г. Полтев, В.И. Чуприна, В.П. Структура и свойства поли(dA) · поли(dТ) и А : Т-участков ДНК. Расчеты энергии невалентных взаимодействий в системе, состоящей из регулярного полинуклеотида и двух слоев воды в его гликозидном желобе Биополимеры и клетка |
| description |
Под влиянием взаимодействия поли(dA) · поли(dT) в волокнах и растворах с двумя слоями воды, образующей водный хребет, подобный обнаруженному в средней части двуспирального фрагмента d(CGCGAATTCGCG) в кристалле, формируется специфическая конформация полинуклеотида. |
| format |
Article |
| author |
Головинская, А.Г. Полтев, В.И. Чуприна, В.П. |
| author_facet |
Головинская, А.Г. Полтев, В.И. Чуприна, В.П. |
| author_sort |
Головинская, А.Г. |
| title |
Структура и свойства поли(dA) · поли(dТ) и А : Т-участков ДНК. Расчеты энергии невалентных взаимодействий в системе, состоящей из регулярного полинуклеотида и двух слоев воды в его гликозидном желобе |
| title_short |
Структура и свойства поли(dA) · поли(dТ) и А : Т-участков ДНК. Расчеты энергии невалентных взаимодействий в системе, состоящей из регулярного полинуклеотида и двух слоев воды в его гликозидном желобе |
| title_full |
Структура и свойства поли(dA) · поли(dТ) и А : Т-участков ДНК. Расчеты энергии невалентных взаимодействий в системе, состоящей из регулярного полинуклеотида и двух слоев воды в его гликозидном желобе |
| title_fullStr |
Структура и свойства поли(dA) · поли(dТ) и А : Т-участков ДНК. Расчеты энергии невалентных взаимодействий в системе, состоящей из регулярного полинуклеотида и двух слоев воды в его гликозидном желобе |
| title_full_unstemmed |
Структура и свойства поли(dA) · поли(dТ) и А : Т-участков ДНК. Расчеты энергии невалентных взаимодействий в системе, состоящей из регулярного полинуклеотида и двух слоев воды в его гликозидном желобе |
| title_sort |
структура и свойства поли(da) · поли(dт) и а : т-участков днк. расчеты энергии невалентных взаимодействий в системе, состоящей из регулярного полинуклеотида и двух слоев воды в его гликозидном желобе |
| publisher |
Інститут молекулярної біології і генетики НАН України |
| publishDate |
1988 |
| topic_facet |
Структура и функции биополимеров |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/153940 |
| citation_txt |
Структура и свойства поли(dA) · поли(dТ) и А : Т-участков ДНК. Расчеты энергии невалентных взаимодействий в системе, состоящей из регулярного полинуклеотида и двух слоев воды в его гликозидном желобе / А.Г. Головинская, В.И. Полтев, В.П. Чуприна // Биополимеры и клетка. — 1988. — Т. 4, № 4. — С. 182-187. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. |
| series |
Биополимеры и клетка |
| work_keys_str_mv |
AT golovinskaâag strukturaisvojstvapolidapolidtiatučastkovdnkrasčetyénergiinevalentnyhvzaimodejstvijvsistemesostoâŝejizregulârnogopolinukleotidaidvuhsloevvodyvegoglikozidnomželobe AT poltevvi strukturaisvojstvapolidapolidtiatučastkovdnkrasčetyénergiinevalentnyhvzaimodejstvijvsistemesostoâŝejizregulârnogopolinukleotidaidvuhsloevvodyvegoglikozidnomželobe AT čuprinavp strukturaisvojstvapolidapolidtiatučastkovdnkrasčetyénergiinevalentnyhvzaimodejstvijvsistemesostoâŝejizregulârnogopolinukleotidaidvuhsloevvodyvegoglikozidnomželobe |
| first_indexed |
2025-11-28T20:16:05Z |
| last_indexed |
2025-11-28T20:16:05Z |
| _version_ |
1850066569510518784 |
| fulltext |
9. Molecular structure of a left-handed double helical DNA fragment at atomic reso-
l u t i o n / A . H.-J. Wang, G. J. Quigley, F. J. Kolpak et al. / / Nature.— 1979.—282,
N 5813.—P. 680—684.
10 Стабникое В. Η., Ройтер И. Μ., Процюк Т. Б. Этиловый спирт — Μ . : Пищ. пром-
сть, 1976.—С. 106.
11. Different conformations of double-stranded nucleic acids as revealed by circular
d ich ro i sm/V. I. Ivanov, L. E. Minchenkova, A. K. Schyolkina, A. I. P o l e t a y e v / / B i o -
polymers.—1973.—12, N 1.—P. 89—110.
12 Веденов А, Дыхне Α., Франк-Каменецкий Μ. Д. Переход спираль — клубок в
' Д Н К / /Успехи физ. наук.— 1971.—105, Ns 3.—С. 479—519.
13 Peck L. JWang J. С. Energetics of B-to-Z transition in D N A / / P r o c . Nat. Acad.
Sci. USA.— 1983.—80, N 10.—P. 6206—6210.
14. Cooperative transitions in DNA with no separation of s t r a n d s / V . I. Ivanov, L. E. Min-
chenkova, Ε. E. Minyat, A. K. Schyo lk ina / /Co ld Spring Harbor Symp. Quant. Bi-
ol.—1983.—47.—P. 243—250.
Ин-т молекуляр. биологии АН СССР, Москва Получено 09.03.87
Кировакан. пед. ин-т
УДК 547.963.3
СТРУКТУРА И СВОЙСТВА
ПОЛИ(dА) ПОЛИ(dТ) И А : Т-УЧАСТКОВ ДНК.
РАСЧЕТЫ ЭНЕРГИИ НЕВАЛЕНТНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ
В СИСТЕМЕ, СОСТОЯЩЕЙ ИЗ РЕГУЛЯРНОГО
ПОЛИНУКЛЕОТИДА И ДВУХ СЛОЕВ ВОДЫ
В ЕГО ГЛИКОЗИДНОМ ЖЕЛОБЕ *
А. Г. Головинская, В. И. Полтев, В. П. Чуприна
Введение. Целый ряд экспериментальных данных [1—4] позволяет
предположить, что участки двойной спирали ДНК, содержащие после-
довательности (dA)n-(dT)rt, имеют специфическую конформацию, от-
личающуюся от В-формы Д Н К со случайной последовательностью,
В качестве структурной модели последовательности (άΑ)η- (άΎ)η часто
рассматривают «гетерономную» Д Н К Арнотта [1]. Предложенная па
основании рентгеновских исследований волокон натриевой соли по-
ли(с1А) ·поли(сіТ) эта модель имеет существенно разные копформации
сахаро-фосфатных цепей, Α-подобную конформацию цепи поли(сІА) и
В-подобную — поли(сГГ). Но данные ЯМР и Раман-спектроскопии
[5, 6] не подтверждают существования такой конформации в растворе.
Недавно [7] на основании рентгеновских исследований кальциевой соли
поли(сІА)-поли(сГГ) показана эквивалентность конформаций двух це-
пей, а на основании анализа данных Арнотта сделан вывод о близости
конформации натриевой соли поли(dA) · поли(dT) к конформации каль-
циевой соли.
Характерной чертой двуспирального фрагмента d(CGCGAATTCG-
CG) в кристалле является наличие в его средней части водного «хреб-
та», состоящего из двух слоев молекул воды [8]. Молекулы воды пер-
вого слоя соединяют Η-связями атомы N(3) аденина и 0 ( 2 ) тимина
оснований соседних пар разных цепей. Молекулы воды второго слоя
связаны Η-связями с атомами кислорода воды первого слоя. Этот хре-
бет, по предположению Дикерсона и соавт. [8], играет важную роль
в стабилизации В-формы и механизме В—А-перехода.
* Представлена членом редколлегии В. И. Ивановым.
Принятые сокращения: п о л и ( А : Т ) — р е г у л я р н ы й двуспиральный полинуклеотид
поли (dA) · поли (dT); поли (А : Τ : Н 2 0 ) — р е г у л я р н а я система, состоящая из поли(А:Т)
и двух слоев воды в гликозидном желобе, расположенных подобно «водному хребту»
в кристалле d (CGCGAATTCGCG) [8]; А : Т-участки Д Н К —участки ДНК, содержа-
щие пары А : Τ без шага ТрА; L — ширина сахарного желоба двойной спирали, рас-
стояние между ближайшими атомами фосфора противоположных цепей; R — расстоя-
ние между атомами N(3) аденина и атомом 0 ( 2 ) тимина соседней пары.
182 БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА. — 1988. — Т. 4, № 4 182·
Ранее в работе [9] изучалась возможность формирования такого
хребта на В-подобных конформациях Д Н К с разной последователь-
ностью оснований. При этом влияние хребта моделировалось «подтя-
гиванием» расстояний между N(3) и (или) 0 ( 2 ) и между атомами
кислорода соседних молекул воды к значениям, характерным для кри-
сталлов додекамера. Авторами был сделан вывод о возможности фор-
мирования протяженного водного хребта па А : Т-участках Д Н К и
изменении при этом конформации полинуклеотида. Вместе с тем в ра-
боте [9] не было представлено доказательств того, что в таких случаях
хребет действительно будет формироваться и вызывать структурные
перестройки. В данной статье мы приводим результаты расчетов энер-
гии невалентных взаимодействий систем, состоящих из регулярного дву-
спирального полинуклеотида поли(сІА) · поли(сГГ) и двух слоев воды
в гликозидпом желобе. На основании расчетов предложена атомно-
молекулярпая структура последовательностей (dA)«· (dT)«.
Методика расчетов. Для поиска низкоэнергетических конформаций применены
расчеты и минимизация энергии невалентных взаимодействий как функции выбранных
независимых переменных по методике, примененной нами ранее для регулярного дву-
спирального полинуклеотида [10, 11]. Параметры потенциальных функций для расчета
внутримолекулярных взаимодействий взяты из работы [12], а взаимодействия вода —
вода и вода — Д Н К — из работы [13]. Конформация полинуклеотида определялась
следующими независимыми переменными: 1) двумя параметрами спирали (расстояние
между соседними парами вдоль спиральной оси, Н, и угол поворота пары относитель-
но соседней вокруг этой оси, τ ) ; 2) пропеллером, TW (половина угла между основа-
ниями в паре); 3) параметрами D и SL, определяющими смещение центра пары отно-
сительно оси спирали, и углами TL (тилт) и RL (ролл) наклона пары оснований к
плоскости, перпендикулярной оси спирали; 4) гликозидными двугранными углами χ;
5) параметрами, определяющими конформации сахарных колец двух цепей (по два
валентных и два двугранных угла). Все эти параметры, кроме RL и SL, учитывались
и в наших предыдущих работах [10, 11].
При рассмотрении поли (А : Τ : Н 2 0) учитывались еще 12 степеней свободы — по
шесть для молекул первого и второго слоев воды. Положение молекул воды внутри
каждого слоя предполагалось регулярным и определялось параметрами Н и х .
Фосфатные группы предполагались полностью нейтрализованными, если специаль-
но не оговорена степень их нейтрализации, которая моделировалась изменением заря-
дов на фосфатных кислородах, как в работе [14]. При расчетах с полностью нейтра-
лизованными фосфатными группами взаимодействием несоседних нуклеотидов и вза-
имодействием между сахаро-фосфатными цепями пренебрегали. Если фосфатные груп-
пы не были полностью нейтрализованы, учитывалось их взаимодействие для шести со-
седних нуклеотидных пар. Атомы водорода СН3-группы тимина ориентированы, как в
работе [14]. Диэлектрическая постоянная принималась равной 4.
Суммарная энергия поли (А : Τ : Н 2 0) предполагалась состоящей из энергии внут-
римолекулярных взаимодействий полинуклеотида Еп, энергии взаимодействия поли-
нуклеотида с водой Епв, энергии взаимодействия между молекулами воды Ев. Значе-
ния энергии отнесены к одной нуклеотидной паре (учитывались взаимодействия моле-
кул воды с шестью нуклеотидными парами).
Результаты и обсуждение. На рисунке представлены машинные
изображения низкоэнергетических конформаций поли(А:Т) и поли(А:
: Т : Н 2 0 ) . В таблице приведены характеристики низкоэпергетических
конформаций поли(А:Т) и поли(А : Τ : Н 2 0) при / / = 0,323 нм и τ =
= 36° (конформации 1 и 2 соответственно), низкоэнергетической кон-
формации, полученной при минимизации по всем конформационным
параметрам и заряде на фосфатной группе, равном ~ 0 , 6 заряда элек-
трона (конформация 3), и для сравнения модели, построенной для
кальциевой соли поли(сІА) · поли(сІТ) в волокнах [7] (конформация 4)..
Η и з к о э н е ρ г е т и ч е с к и е к о н ф о р м а ц и и п р и ф и к с и -
р о в а н н ы х з Η а ч е и и я х H = 0 , 3 2 3 нм и τ = 36°. С р а в н е н и е
с о с т р у к т у р о й поли(сІА) · поли(сіТ) в в о л о к н а х . Сравнение
конформаций (см. таблицу) показывает, что взаимодействие с водным
БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА. — 1988. — Т. 4, № 4 183·
хребтом на 0,04 нм уменьшает R; на 0,14 нм уменьшает ширину гли-
козидного желоба L и делает отрицательным тилт. При этом рассчи-
танная низкоэнергетическая конформация поли (А : Τ : Н 2 0) становится
похожей на конформацию поли(сІА) ·поли(сіТ) в волокнах практически
по всем конформационным параметрам, в частности, по двугранным
углам сахаро-фосфатного остова, фазовым углам псевдовращения Са-
харов, ширине гликозидного желоба. Конформация средней части до-
декамера d(CGCGAATTCGCG), где расположен водный хребет, похо-
жа на конформации 2 и 4. Кроме того, по-видимому, водный хребет
Стереоизображения низкоэнерге-
тических конформаций п о л и ( А : Т )
(а) и поли (А : Τ : Н 2 0) (б), по-
лученные минимизацией по всем
конформационным переменным.
Вид со стороны гликозидного же-
лоба. Видно уменьшение его шири-
ны, увеличение τ, возникновение
положительного пропеллера и от-
рицательного тилта при наличии
водного хребта
Stereo view of low-energy confor-
mations of p o l y ( A : T ) (a) and po-
ly (A : Τ : H 2 0 ) (6) obtained by all
conformation variables minimizati-
on. View from the minor groove.
Narrowing of the groove, an incre-
ase of τ, a positive propeller and a
negative tilt can be observed with
the presence of hydration spine
ответствен за тот факт, что из всех исследованных рентгеновским ме-
тодом полинуклеотидов в волокнах [15] только те, на которых, соглас-
но нашим представлениям, может формироваться водный хребет, су-
ществуют в виде В-конформации и не переходят в другие формы при
изменении влажности и типа катионов. Это поли(сІА) · поли(сІТ), по-
ли(сіі) ·поли(сіС) и поли(с!А—(П)-поли(сІТ—dC).
Энергия внутримолекулярных взаимодействий в полипуклеоти-
де для конформации 2 выше, чем для конформации 1, всего па
1 ккал/моль, что связано в основном с ухудшением стэкипга оснований.
Н и з к о э н е р г е т и ч е с к и е к о н ф о р м а ц и и поли (А : Τ :
Характеристики найденных низкоэнергетических структур (конформации 1—3)
и структуры noAu(dA) · поли(сіТ) в волокнах [7] (конформация 4)
Parameters of the obtained low-energy structures (conformations 1—3) and of the
poly(dA) - poly(dT) structure in fibers [7] (conformation 4)
Конформационный
параметр
Номер конформации
Конформационный
параметр
Номер конформации
Конформационный
параметр 1 2 3 4
Конформационный
параметр 1 2 3 4
α —69 —61 —65 —50 Η 0,323 0,323 0,334 0,323
β 178 181 180 188 τ 36 36 36 36
У 61 54 58 41 D 0,11 0,1 0,1 0,08
6 128 132 133 137 TW 7,5 7,5 6,1 10
ε 183 179 181 174 TL —0,1 —5,3 —6 — 6
ζ — 101 — 103 — 105 — 102 L 0,108 0,94 0,95 0,923
% — 120 — 118 — 120 — 112 R 0,37 0,33 0,34 0,332
Ρ 141 146 145 149
П р и м е ч а н и е . Значения двугранных углов и фазового угла псевдовращения Саха-
ров (Р) приведены усредненными по двум цепям (разница соответственных углов двух
цепей не превышала 4°). Значения Н, Z), L и R указаны в нм.
184 БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА. — 1988. — Т. 4, № 4 184·
: Н2О) п р и ф и к с и р о в а н н о м τ = 3 6 \ Для п о л и ( А : Т ) при т =
= 36° имеется довольно протяженная область минимальных значений
энергии, подобная найденной нами ранее для поли(сіА) · (поли(сШ).
Эта область включает конформации с большими значениями пропелле-
ра и со значениями TWy близкими к 0°, с положительными и отрицатель-
ными значениями TL. Для поли(А : Τ : Н 2 0 ) эта область существенно
уже, и наблюдается более резкая зависимость между TW и TL для
низкоэнергетических конформаций. При этом существуют низкоэнерге-
тические конформации как с небольшим (TW ~ 3°, TL~ —12°, Н~
~ 0,349 нм, D ~ 0,07 нм, L ~ 0,91 нм), так и с большим пропеллером
(TW~ 10°, TL 4°, Η~ 0,326 нм, D ~ 0 , 1 нм, L ~ 0 , 9 4 нм). Разница
в энергии этих конформаций составляет несколько десятых ккал/моль.
Оптимальная конформация поли(А : Τ : Н 2 0 ) близка к конформации
З в таблице. При этом энергия внутримолекулярных взаимодействий
полинуклеотида всего на несколько десятых ккал/моль выше, чем опти-
мальная энергия поли(А : Т) при т = 3 6 ° .
Н и з к о э н е р г е т и ч е с к и е к о н ф о р м а ц и и , п о л у ч е н -
н ы е о п т и м и з а ц и е й п о в с е м к о н ф о р м а ц и о н н ы м п а -
р а м е т р а м . По результатам расчетов равновесный угол для по-
л и ( А : Т ) при условии полной нейтрализации фосфатов равен 36° [14].
При помещении отрицательных зарядов на фосфаты спираль раскручи-
вается, при заряде ~ 0 , 6 е угол τ становится равным ~ 3 3 ° (при этом
L ~ 0 , 1 2 нм, і ? ~ 0 , 4 нм). Эти результаты расчетов подтверждают экспе-
риментальные данные о том, что с возрастанием ионной силы увеличи-
вается τ [16]. Наши расчеты поли(А : Τ : Н 2 0 ) показывают, что при
заряде ~ 0 , 6 е низкоэнергетическая структура характеризуется τ = 36°
(конформация 3 в таблице). Поскольку водный хребет в гликозиднохм
желобе увеличивает т, можно считать, что именно с его существова-
нием в растворе поли(сІА) ·поли(сГГ) связан тот факт, что только этот
полинуклеотид имеет т = 3 6 ° [2], а для других τ меньше.
В г л и к о з и д н о м ж е л о б е поли(с1А—сПГ)-поли(с1А—dT),
п о - в и д и м о м у , н е т в о д н о г о х р е б т а . Это следует из на-
ших предварительных расчетов низкоэнергетических конформаций дву-
спиральных фрагментов АрТ и ТрА. Мы провели минимизацию энергии
этих фрагментов из двух исходных конформаций, характерных для
структуры поли(А : Τ : Н 2 0 ) . Одна из них имела небольшой пропеллер
(TW^3°, TL^ —12°, L^ 0,94 нм), а другая — большой (TW= 10°,
TL^—4°; L ^ 0 , 9 5 нм). Минимизация фрагмента ТрА из обеих этих
конформаций (при фиксированном TW) приводит к понижению энергии
на 4 ккал/моль и к положительным значениям TL. Энергетическая
невыгодность существования конформаций этого фрагмента, характер-
ных для поли(А : Τ : Н 2 0 ) , связана в основном с ухудшением стэкинга
оснований. А для фрагмента АрТ минимизация энергии приводит к по-
нижению энергии всего на несколько десятых ккал/моль и небольшим
изменениям конформационных параметров. Это позволяет сделать вы-
вод, что водный хребет может формироваться только на А : Т-участ-
ках Д Н К .
З а м е ч а н и я о п р а в и л а х К а л л а д и н а — Д и к е р с о н а .
В соответствии с этими правилами [8, 17], вдоль цепи двуспиральной
Д Н К в зависимости от последовательности пуринов и пиримидинов
закономерно изменяется ряд конформационных параметров, в том числе
τ, TW, RLy SL. Эти изменения связаны с перекрыванием пуринов со-
седних нуклеотидных пар, принадлежащих разным цепям. Правила
Калладина—Дикерсона выведены и апробированы на основании рент-
геноструктурных данных для небольшого количества кристаллов дву-
спиральных олигонуклеотидов, в первую очередь нескольких модифи-
каций додекамера d(CGCGAATTCGCG). Эти правила должны выпол-
няться в соответствии с работами [8, 17] при больших положительных
значениях пропеллера (что имеет место в кристалле додекамера), а
причины больших значений пропеллера не вполне ясны. На наш взгляд,
большой пропеллер в В-подобной структуре додекамера в значитель-
БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА. — 1988. — Т. 4, № 4 185·
ной степени обусловлен существованием в средней его части водно-
го хребта.
Конформации с узким гликозидным желобом, необходимым для
формирования водного хребта, могут иметь, по нашим данным, как
большой TW (тогда TL будет небольшим), так и небольшой ( ~ 3 ° ) ,
но при этом должен быть большим отрицательный тилт. Однако послед-
няя конформация энергетически невыгодна для последовательностей
пиримидин—пурин, для которых TL стремится к положительным зна-
чениям. Так что последовательности CpG, примыкающие к средней
части додекамера, уменьшают из-за стэкинг-взаимодействий TL и в той
его части, где существует водный хребет. А это приводит к большим
значениям TW.
Для последовательностей, на которых не формируется водный хре-
бет в гликозидном желобе, и в условиях, когда хребет разрушается
(например при нагревании), зависимости параметров В-копформации
от чередования пуринов и пиримидипов, выведенной Калладином и Ди-
керсоном, может не наблюдаться. При раскручивании спирали (умень-
шение τ от 36° до 33—34°, характерных для Д Н К в растворе [2]) про-
исходит уширение гликозидного желоба, a TL и TW становятся близ-
кими к 0° (это наглядно демонстрируют результаты наших расчетов па
рисунке), что исключает перекрывание пуринов соседних пар, необхо-
димое для выполнения правил Калладина—Дикерсона.
С этим согласуются данные о структуре двуспирального фрагмента
d(AAGTGTGACAT) · d(ATGTCACACTT) в растворе, полученные с по-
мощью ядерного эффекта Оверхаузера [18]. Проведенный нами анализ
рентгеновских данных для волокон поли((іО—сіС)-поли(сЮ—dC) [19]
показал, что угол τ больше для шага CpG (около 42°), чем для шага
GpC (около 30°), что противоречит правилам Калладина—Дикерсона.
Б и о л о г и ч е с к и в а ж н ы е с л е д с т в и я с у щ е с т в о в а -
н и я с п е ц и ф и ч е с к и х к о н ф о р м а ц и й , х а р а к т е р н ы х
д л я поли(А : Τ : Н20)„ По данным Крозерса и соавт. [4], на стыке
обычной В-конформации и специфической структуры, образованной по-
вторяющимися парами А : Т, происходят изгибы двойной спирали. По
нашим данным, эта специфическая В-подобная конформация образуется
в значительной степени под влиянием взаимодействий с водным хреб-
том. Наблюдаемое при нагревании уменьшение изгиба [4] связано
с разрушением водного хребта.
По данным работы [3], на А : Т-участках Д Н К существенно за-
медляется разрыв сахаро-фосфатного остова под действием ДНКазы I.
При повышении температуры эта аномалия исчезает. Авторы работы
[3] связывают аномалию в поведении этих участков с узостью глико-
зидного желоба, который расширяется при нагревании. Наши резуль-
таты позволяют понять причины такого поведения: с участием водного
хребта создается специфическая конформация, не соответствующая сте-
реохимии ДНКазы I. При нагревании хребет разрушается, увеличивает-
ся ширина гликозидного желоба и уменьшается τ. Это уменьшение т,
по-видимому, можно зарегистрировать по изменению при повышении
температуры электрофоретической подвижности кольцевых ДНК, бога-
тых А : Т-участками.
Таким образом, многие экспериментальные данные — от структур-
ных данных по исследованию кристаллов и волокон двойных спиралей
до результатов биохимического изучения влияния последовательностей
оснований на ферментативные реакции — могут быть объяснены с по-
мощью наших расчетов и вывода о формировании специфической кон-
формации А : Т-участков двойной спирали при взаимодействии с вод-
ным хребтом в гликозидном желобе.
186 БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА. — 1988. — Т. 4, № 4 186·
STRUCTURE AND PROPERTIES OF poly(dA)-poly(dT) AND A : Τ SITES
IN DNA. CALCULATIONS OF THE ENERGY OF NONVALENT
INTERACTIONS IN THE SYSTEM CONSISTING OF A REGULAR
POLYNUCLEOTIDE AND TWO HYDRATION SHELLS IN ITS MINOR GROOVE
A. G. Golovinskaya, V. I. Poltev *, V. P. Chuprina
Research Computer Center, Academy of Sciences of USSR, Pushchino
* Institute of Biology Physics, Academy of Sciences of the USSR, Pushchino
S u m m a r y
Interaction of poly(dA)-poly(dT) with two hydration shells forming a hydration spine
similar to that found in the central part of the double-helical fragment
d(CGCGAATTCGCG) in crystal to a considerable extent determines the existence of a
specific polynucleotide conformation in fibers and in solutions. Atom-molecular models
of these conformations with a narrow minor groove, a negative tilt and a positive pro-
peller of the bases have been proposed. They explain a number of experimental facts con-
cerning biologically important structural properties of DNA.
1. Heteronomous DNA / S. Arnott, R. Chandrasekharan, I. H. Hall, L. C. P u i g j a n e r / /
Nucl. Acids Res.— 1985.—11, N 2,—P. 4141—4156.
2. Rhodes D., Klug A. Sequence-dependent helical periodicity of D N A / / N a t u r e . —
1981.—292, N 5821,—P. 378—380.
3. Drew II. R.f Trauers A. A. DNA structural variations in E. coli tyrt promoter / /
Cell.— 1984,—37, N 2,—P. 491—502.
4. Koo H.-S., Wu H.-M., Crothers D. M. DNA bending at adenine thymine t r a c t s / / N a -
ture.— 1986,—320, N 6062,—P. 501—506.
5. Sarma Μ. H., Gupta G., Sarma R. H. Untenability of heteronomous DNA model for
polv(dA)-poly(dT) in s o l u t i o n / / J . Biomol. Struct, and Dyn.— 1985,—2, N 6.—
P. 1057—1084.
6. Wartell R. M., Harrell J. T. Characteristics and variation of B-type DNA conformati-
ons in solution / /Biochemistry.— 1986.—25, N 9.—P. 2665—2671.
7. Алексеев Д. Г., Липанов Α. Α., Скуратовский И. Я· Структура кальциевой соли
poly(dA) -poly(dT) по данным рентгеновской дифракции в волокнах/ /Биополиме-
ры и клетка.— 1986.—2, № 4,—С. 189—195.
8. Dicker son R. Ε., Kopka Μ. L., Ρ jura F. Base sequence, helix geometry, hydration and
helix stability in B-DNA//Bio logica l macromolecules and assemblies / Eds
F. A. Jurnak, A. McPherson.—New York: Wiley, 1985.—Vol. 2 .—P. 37—126.
9. Chuprina V. P. Regularities in formation of the spine of hydration in the DNA mi-
nor groove and its influence on the DNA s t r u c t u r e / / F E B S Lett.— 1985.—186, N 1.—
P. 98—102.
10. Chuprina V. P., Khutor sky V. E., Poltev V. /. Theoretical refinement of A- and
B-conformation models of regular polynucleot ides / /Stud, biophys.— 1981.—85,
N 2,— P. 81—88.
11. Poltev V. /., Chuprina V. P. Relation of maeromolecular structure and dynamics of
DNA to the mcchanisms of fidelity and errors of nucleic acids biosynthesis / / Structu-
re and motion: membranes, nucleic acids and proteins / Eds E. Clementi et al.— New
York: Adenine press, 1985,—P. 433—460.
12. Журкин В. БПолтев В. И., Флорентьев В. А. Атом-атомные потенциальные функ-
ции для конформационных расчетов нуклеиновых кислот / / Молекуляр. биология.—
1980.-14, № 5.—С. 1116—1130.
13. Poltev V. I., Grokhlina Τ. I., Malenkov G. G. Hydration of nucleic acid bases studied
using atom-atom potential functions / / J. Biol. Struct, and Dyn.— 1984.—2, N 2 . —
P. 413—429.
14. Torsional flexibility of B-DNA as revealed by conformational a n a l y s i s / V . B. Zhur-
kin, Yu. P. Lvsov, V. A. Florentiev, V. I. I v a n o v / / N u c l . Acids Res.— 1982.—10,
N 5,—P. 1811 — 1830.
15. Polymorphism of DNA double hel ices /A. G. W. Lesli, S. Arnott, R. Chandrasekharan,
R. L. Ratliff / / J. Мої. Biol.— 1980,—143, N 1,—P. 49—72.
16. Iliuton D. M., Bode U. C. Purification of closed circular deoxyribonucleic acid and
its sedimentation properties as a function of sodium chloride concentration and etidi-
um b i n d i n g / / J . Biol. Chem.— 1975,—250, N 3,—P. 1071 — 1079.
17. Calladine C. R. Mechanics of sequence-dependent stacking of bases in B - D N A / / J .
Мої. Biol.— 1982.—161, N 2.—P. 343—352.
18. Clore G. M., Gronetiborn A. M. The solution structure of a B-DNA undecamer / /
EMBO J.— 1985.—4, N 3.—P. 829—835.
19. Wrinkled D N A / S . Arnott, R. Chandrasekharan, L. C. Puigjaner et a l . / / N u c l . Acids
Res—1985,—11, N 5,—P. 1457—1473.
Н.-и. ВЦ АН СССР, Пущино Получено 15.12.86
Ин-т биол. физики АН СССР, Пущино
БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА. — 1988. — Т. 4, № 4 187·
|