ДНК и РНК

Нуклеиновые кислоты — ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота) — являются полимерами нуклеотидов, каждый из которых состоит из азотистого основания, сахара и фосфатной группы. Для физики конденсированного состояния ключевое значение имеют топологическая организация, структурная стабильность и взаимодействие молекул с окружающей средой.

Нуклеотиды и полимерная цепь Каждый нуклеотид содержит:

  • азотистое основание (аденин, тимин, гуанин, цитозин для ДНК; урацил вместо тимина для РНК),
  • пятиуглеродный сахар (дезоксирибоза в ДНК, рибоза в РНК),
  • фосфатная группа, формирующая фосфодиэфирную связь между соседними нуклеотидами.

Эти фосфодиэфирные связи определяют линейность и направление цепи (5’ → 3’). Цепь ДНК и РНК является полярной и гибкой макромолекулой, способной к конформационным изменениям под действием температуры, ионной среды и механических нагрузок.

Вторичная структура ДНК

Двойная спираль ДНК в биологически активной форме обычно существует как двойная спираль. Основные типы спиралей:

  • B-ДНК — наиболее распространённая, правая спираль с диаметром ~2 нм, шагом спирали ~3,4 нм на 10,5 пар оснований.
  • A-ДНК — более плотная правая спираль, образуется в условиях низкой влажности.
  • Z-ДНК — левая спираль, формируется при чередовании пуринов и пиримидинов, имеет значительное значение для регуляции генов.

Водородные связи и стабильность Стабильность двойной спирали обеспечивается водородными связями между комплементарными основаниями:

  • Аденин–Тимин (или А–У в РНК) образует 2 водородные связи,
  • Гуанин–Цитозин образует 3 водородные связи.

Дополнительную стабильность придают π–π взаимодействия между соседними основаниями (stacking interactions) и гидратная оболочка, которая формируется вокруг фосфатного остова.

Третичная и супервитковые структуры

ДНК в клетке не находится в виде свободной спирали. Важнейшими структурными элементами являются:

  • Нуклеосомы — DNA обвита вокруг белковых гистонов, формируя хроматин,
  • Супервитки — положительная или отрицательная суперспирализация при упаковке длинных молекул в ограниченном объёме.

Энергетическая характеристика супервитков определяется балансом упругих деформаций двойной спирали и межцепочечных взаимодействий.

РНК и её конформации

В отличие от ДНК, РНК обычно одноцепочечна, что позволяет формировать сложные вторичные структуры:

  • шпильки (stem-loops),
  • внутренние петли и пузырьки,
  • псевдоузлы и трио-ветви (junctions).

Эти структуры стабилизируются как водородными связями, так и кооперативными взаимодействиями между основаниями. В функциональных РНК (рибосомная, тРНК) вторичная структура определяет каталитическую активность и связывание с белками.

Динамика и гибкость нуклеиновых кислот

Флуктуации цепей ДНК и РНК демонстрируют тепловые флуктуации и конформационные изменения, которые можно описать моделями полимерной физики:

  • Модель гибкой цепи (freely-jointed chain) — подходит для оценок макроскопических свойств длинных фрагментов,
  • Модель Ворм-Лайк (worm-like chain) — учитывает упругую жёсткость и изгиб цепи, характеризуемую параметром упругости (persistence length).

Для B-ДНК persistence length составляет ~50 нм, что соответствует примерно 150 пар оснований, тогда как РНК обычно более гибкая (10–20 нм).

Тепловая денатурация При нагревании ДНК происходит разрыв водородных связей между основаниями, ведущий к денатурации и разделению цепей. Температура плавления Tm зависит от содержания G–C, длины цепи и ионной силы среды. РНК также может денатурироваться, но её одноцепочечная природа создаёт более сложный профиль плавления.

Электростатика и взаимодействие с ионами

Фосфатные группы нуклеиновых кислот несут отрицательный заряд, что приводит к сильной электростатической отталкиваемости цепей. Для стабилизации структуры:

  • в растворе присутствуют катионы (Na+, Mg2+), которые экранируют заряд,
  • белки, связывающиеся с ДНК, также компенсируют отрицательный заряд.

Эти эффекты определяют конформационную стабильность, а также механические свойства и упаковку в клетке.

Механические свойства

Растяжение и скручивание Нуклеиновые кислоты обладают упругими свойствами:

  • удлинение и сжатие цепи под действием внешней силы,
  • торсионная жёсткость, характеризующая сопротивление к скручиванию,
  • критические силы для разворачивания двойной спирали, измеряемые в экспериментах с оптическими пинцетами.

Эти параметры имеют важное значение для процессов транскрипции, репликации и упаковки в хроматине.

Влияние химических модификаций

Метилирование, гидроксилирование и другие химические модификации оснований могут существенно изменять:

  • стабильность двойной спирали,
  • взаимодействия с белками,
  • структурную гибкость и динамику.

Физическая оценка этих эффектов проводится с помощью термодинамических и механических измерений.

Взаимодействие с белками и лиганд-нуклеиновая связь

Нуклеиновые кислоты образуют специфические комплексы с белками:

  • регуляторные белки связываются с определёнными последовательностями,
  • ферменты репликации и транскрипции создают локальные искажения спирали,
  • структурные белки упаковывают ДНК в компактные формы.

Физические модели таких взаимодействий учитывают энергию связывания, упругие деформации и электростатические эффекты.

Оглавление