Биологический каталог




Принципы структурной организации нуклеиновых кислот

Автор В.Зенгер

билизирующие ассоциаты оснований: водородные связи и стэкинг-взаимодействие

Прежде чем переходить к описанию структуры нуклеотидов и их олиго-и полимерных комплексов, остановимся вкратце на особенностях взаимодействия между основаниями. Эти взаимодействия могут быть двух типов: а) между основаниями, лежащими в одной плоскости,-горизонтальное взаимодействие, реализующееся путем образования водородных связей, и б) между основаниями, уложенными одно над дру-гим,-стэкинг-взаимодействие, которое обусловлено в основном дисперсионными лондоновскими силами и гидрофобными эффектами. Образование водородных связей выражено наиболее сильно в неполярных растворителях, где стэкинг пренебрежимо мал. В водных растворах основной вклад во взаимодействие вносит стэкинг, поскольку с донорами и акцепторами водородных связей между основаниями конкурируют молекулы воды. Оба типа взаимодействий были тщательно исследованы, особенно водородные связи, поскольку они выполняют очень важную функцию в процессах передачи генетической информации (см. обзоры [448, 449]).

6.1. СВОЙСТВА ВОДОРОДНЫХ СВЯЗЕЙ

Водородные связи имеют электростатическую природу. Они играют ключевую роль в стабилизации вторичной структуры белков и нуклеиновых кислот, и им посвящено множество монографий и обзорных статей [192, 198, 450-452, 455, 456]. Мы рассмотрим только некоторые особенности образования водородных связей между основаниями.

Водородная связь X—H-Y образуется в том случае, когда атом водорода Н связан с двумя электроотрицательными атомами X и Y. Сила связи (а следовательно, ее длина) зависит от заряда на атомах X Н и Y. О водородных связах, в которых Х-это атом углерода, a Y-атом кислорода, мы уже говорили в разд. 4.9 (относительно распределения плотности заряда см. рис. 5.1).

Водородные связи между основаниями могут быть двух типов: N—Н • • • N и N—Н - О. В обоих случаях донором является N—Н-груп-па в амино- или иминоформе. В некоторых модифицированных основаниях, содержащих тиокетогруппу, образуется водородная связь типа

Силы, стабилизирующие ассоциаты оснований 135

Таблица 6.1. Энергия некоторых ковалентных и водородных связей

Тип связи Длина связи, А Энергия связи, ккал ¦ моль'1 Энергия, необходимая для удлинения связи на 0,1 А, ккал ¦ моль-1

Ковалентная связь

С—С 1,54 + 0,02 83,1 3,25

С—Н (в этане) 1,09 + 0,02 [197] 98,8 [198] 3,60 [455]

Водородная связь

О—НО 2,75 + 0,2 [456] 3-^6 [455] 0,1 [198]

(расстояние О... О)

N—Н • • • S, однако сера обычно является более слабым акцептором, чем кислород [453, 454].

Водородные связи-это слабые связи с изменяющейся геометрией. Они в 20-30 раз слабее, чем ковалентные, имеющие совершенно определенную длину, силу и ориентацию (табл. 6.1). Водородные связи легче изгибаются и растягиваются, вследствие чего геометрия системы X—Н • ¦ • Y является непостоянной (табл. 6.2). Обычное требование, согласно которому расстояние Н • • • Y должно быть меньше суммы вандерваальсовых радиусов атомов X и Y, в случае предельно длинной связи Н • • • Y может не выполняться. В таких случаях используется менее жесткое требование, основанное на значениях радиусов по Аллингеру (см. табл. 3.1) [158, 451]. Относительно длинные и слабые водородные связи образуются в разветвленных системах типа

„у

х-н::""""

— Y2

в которых два акцептора Y, и Y2 конкурируют за один атом водорода [321, 451].

Аддитивность и кооперативность водородных связей. При образовании водородных связей происходит перераспределение зарядов: Н становится еще более электроположительным, а X и Y-еще более электроотрицательными. Это способствует тому, что X и Y образуют водородные связи и с другими атомами. Если Y представляет собой атом кислорода гидроксильной группы, то из-за поляризации связанного с ним водорода он становится еще лучшим донором. Подобная кооперативность [451] обычно наблюдается в бифункциональных системах типа X—Н • - • X—Н • • • X—Н • • -, в которых каждый донор одновременно выступает также в роли акцептора и наоборот. Примерами такого рода

136

Глава б

Таблица 6.2. Некоторые геометрические параметры водородных связей, образующихся при спаривании оснований [192, 321, 450, 453, 454]

Система Расстояния или углы минимум максимум — Среднее

N-H • • • N

N • - • N

N-H

Н • • • N

N-H N • • N-H Н • •

• О

О

О

О

о

о-н о • • о-н

Н • • О

N-N • • • !

N • • • S N-H

Н • • S

О

2,75 0,86 1,78

2.74 0,83 1,83

2,60 0,68 1.74

3,25 0.84 2.27

3,15 1.02 2,02

17°

3,07 1.06 2.17

23°

3,05 1.16 2.20

20°

3,55 1,04 2.57

25=

2,90 0,95 1,99

2,95 0.95 1,95

2,73 0,86 1,95

3,32 0,95 2,40

15°

могут служить гидроксилы нуклеозидов и основания, имеющие формально одинаковую электронную структуру:

Н

\ / N

I

ч

Здесь Z-это эндоциклический атом азота (незамещенный) или атом кислорода (кетогруппы). Эквивалентность простой X—Н-системе становится еще более наглядной, если представить схему делокализации электронов:

Силы, стабилизирующие ассоциаты оснований

137

Акцептор

| Акцептор

Донор—-Н

Донор -у- Н

Эта схема иллюстрирует не только геометрию образования водородных связей; она позволяет предположить, что основания преимущественно образуют комплексы, стабилизируемые по крайней мере двумя водородными связями. Более того, можно ожидать, что вследствие описанной кооперативности атомы водорода будут согласованно переходить от донора одного из партнеров к акцептору другого:

Такой переход лишь слабо повлияет на геометрию пары и не скажется на уотсон-криковском спаривании, поскольку комплементарность в пределах пары по-прежнему сохранится. Результаты недавних исследований тРНК методом ЯМР показали, что в водном растворе в любой момент времени от 5 до 15% всех пар находится в имино-енольной форме, правда соответствующая константа скорости невелика: 100 ~ 300 с ~1 [456а]. Однако спектры ЯМР можно объяснить и по-другому, с привлечением анизотропных эффектов, и кажется более правдоподобным, что атомы водорода остаются на амино/кето-группах и не переходят от доноров к акцепторам.

6.2. ТИПЫ ВОДОРОДНЫХ СВЯЗЕЙ МЕЖДУ ОСНОВАНИЯМИ: СИММЕТРИЯ ПОЛИНУКЛЕОТИДНЫХ КОМПЛЕКСОВ

Взаимодействия между одинаковыми (гомо) и разными (гетеро) основаниями были выявлены при анализе кристаллических структур как изолированных оснований, нуклеозидов и нуклеотидов, так и комплексов, составленных из двух или более соединений этого типа (см. обзор [192]).

Если предположить, что стабильная пара оснований должна содержать как минимум две водородные связи, N—Н • • • О и N—Н • • • N, то четыре основания, замещенные по гликозидному азоту (N, в пиримидинах и N9 в пуринах), могут образовать 28 различных пар (рис. 6.1) [33, 457].

Н

Н

N

Гомопурин

Симметричные

Асимметричные

VI

VII

Гетеропурин

Симметричная

Асимметричные

VIII

IX

X XI

Гомопиримидин

Симметричные

XII " XIII XIV XV

Асимметричная

-

Гетеропиримидин

Только симметричные

XVII XVIII

Пурин - пиримидин

Симметричные

XIX

Уотсон-кри ковские

Асимметричные

Обратные уотсон-криковские

Обратная хугстеновская

XXIV

XXV XXVI XXVII XXVIII

Силы, стабилизирующие ассоциаты оснований

139

Среди 28 пар оснований имеются пары с осью симметрии 2-го порядка, с псевдоосью симметрии 2-го порядка и пары, вовсе не обладающие симметрией. На рис. 6.1 представлены 28 пар оснований, разделенных на группы в соответствии с тем, какие основания образуют пару: пурин -пурин, пиримидин-пиримидин или пурин - пиримидин. В каждой группе гликоэидные связи Сг—N либо не связаны друг с другом никакими элементами симметрии (асимметричны), либо связаны осями симметрии 2-го порядка, которые располагаются в плоскости, перпендикулярной плоскости оснований, или в плоскости оснований. На рис. 6.2 они обозначены символами # и t соответственно. Обратите внимание, что в гомопуриновых и гомопиримидиновых парах оснований (I-IV и XII-XV) ось симметрии 2-го порядка в точности переводит одно основание в другое. Однако в гетеропуриновых и гетеропиримидиновых парах (VIII и XVII, XVIII), а также в уотсон-криковских пурин-пирими-диновых парах (XIX и XX) ось симметрии связывают только гликоэидные связи Су—N, но не основания в целом, и поэтому называется псевдоосью симметрии.

Элементы симметрии присутствуют и в полинуклеотидных комплексах. Элементы симметрии в полинуклеотидных комплексах (гл. 9-13) представляют особый интерес, поскольку они связывают друг с другом не только гликозидные связи, но и сахарофосфатные остовы. Если основания в паре связаны друг с другом осью симметрии 2-го порядка, расположенной в плоскости, перпендикулярной плоскости оснований (символ •), то направления 3' -»5' обоих остовов совпадают и сами остовы являются идентичными. Если же основания в паре связывает ось симметрии 2-го порядка, лежащая в плоскости оснований (символ t), то остовы ориентированы антипараллельно (рис. 6.2). Сахарофосфатные остовы параллельны, например, в [poly(AH+)]2, где основания спариваются по схеме II, представленной на рис. 6.1 [458]. Антипараллельная направленность имеет место в ДНК, РНК и ро1у(А) • poly(U), в которых спаривание оснований является уотсон-криковским [8]. Особое место занимают poly(U) и его 2-тиокето-производное poly(s U), которые образуют антипараллельные двойные спирали с асимметричными парами

Рис. 6.1. 28 возможных пар оснований, при формировании которых образуются как минимум две водородные связи [33, 457]. Атомы водорода и азота изображены маленькими и большими темными кружками соответственно, атомы кислорода-светлыми кружками, а гликозидные связи-жирной линией; R-Cj.-атом рибозы. Пары оснований разбиты на группы в соответствии с их составом и симметрией. Группы состоят из симметричных или асимметричных пар, содержащих только пурины, только пиримидины, или из пар, представляющих собой смешанные пурин-пиримидиновые ассоциаты. Символами | и t обозначены оси симметрии 2-го порядка, лежащие в плоскости, перпендикулярной плоскости рисунка, и в плоскости рисунка соответственно (рис. 6.2). Уотсон-криковские пары XIX и XX, а также VIII и XVIII псевдосимметричны: ось симметрии связывает только гликозидные связи, но не атомы самих оснований.

140

Глава 6

и *

CD

Цепи направлены параллельно

о

'180°

0

Цепи направлены антипараллельно

Рис. 6.2. В зависимости от ориентации гликозидной связи С,.—N в парах может иметь место симметрия 2-го порядка двух типов. На этом рисунке гликоэидные связи обозначены отрезками, отходящими от прямоугольников, которые изображают пары оснований. Оси симметрии 2-го порядка (диады) могут располагаться как в плоскости, перпендикулярной плоскости пары (слева), так и в самой плоскости оснований (справа); этим задается ориентация связанных с основаниями сахарофосфатных групп, т.е. остовов полинуклеотидных цепей. Если двойная спираль имеет ось симметрии 2-го порядка, которая лежит в плоскости, перпендикулярной плоскости пары (и соответственно совпадает с осью спирали; слева), то цепи будут направлены параллельно друг другу. Если же ось симметрии двойной спирали располагается в плоскости пары и соответственно перпендикулярна оси спирали, то направление цепей будет антипараллельным (справа). В уотсон-криковских ДНК и РНК цепи направлены именно таким образом (см. также рис. 6.3, А и Б).

оснований типа XVI. В этом случае два сахарофосфатных остова неидентичны друг другу и имеют разную конформацию [459-461] (гл. 13).

Термин «связанные операцией симметрии», строго говоря, применим только к кристаллическим полинуклеотидным комплексам. В этих комплексах кристаллографические оси совпадают с осями, связывающими гликозидные связи (рис. 6.2). Поэтому вступают в силу все ограничения, налагаемые пространственной группой симметрии, молекулы располагаются в строгом порядке в соответствии с кристаллографическими правилами. Если кристалл растворить, т.е. разрушить кристаллическую решетку, симметрия молекулы в общих чертах сохранится, но строгой кристаллографической симметрии уже может и не быть. Наглядным примером такого рода является кристаллическая структура волокон ДНК. В В-форме ее «пронизывает» кристаллографическая ось симметрии 2-го порядка, и структура в точности повторяется через каждые 10 пар (один виток, или один период по оси с). В растворе или в случае, когда ДНК адсорбирована на плоскую поверхность, период равен 10,4 + 0,1 и 10,6 ±0,1 парам оснований соответственно [462, 463]. В кри-

Силы, стабилизирующие ассоциаты оснований

141

сталличожом двухцепочечном ДНК-додекануклеотиде вообще ни одна из кристаллографических осей не совпадает с осью симметрии, связывающей основания в паре; период равен 10,3-10,4 парам оснований [464], а для центральных шести пар-9,8 (гл. 10).

6.3. ДЕТАЛЬНАЯ ГЕОМЕТРИЯ УОТСОН-КРИКОВСКИХ И ХУГСТЕНОВСКИХ ПАР ОСНОВАНИЙ

Рассмотрим уотсон-криковские и хугстеновские пары более подробно (рис. 6.3 и 6.4). Все углы и расстояния, приведенные на рис. 6.3, для неводородных атомов получены по результатам рентгеноструктурного анализа ApU [465] и GpC [466]. Положения атомов водорода рассчитывались по координатам атомов С, N и О. Геометрические параметры хугстеновской пары 9-этиладенин—1-метилтимин были установлены методом дифракции нейтронов. В этом случае положения атомов водорода определялись экспериментально.

Геометрический изоморфизм и пропеллерный поворот. Уотсон-криковские AU- и GC-пары изоморфны, т. е. близки по форме и имеют одинаковые размеры. В AU-nape расстояние Су-Су примерно на 0,3 А меньше, чем в паре GC, а углы между прямой, соединяющей эти атомы, и гликозидными связями Су—N лежат в интервале 54,4—57,4°. Если пренебречь этой незначительной разницей в 3°, можно считать, что гликозидные связи связаны друг с другом псевдоосью симметрии 2-го порядка (рис. 6.3, Б).

Два основания в парах AU и GC некомпланарны, они повернуты друг относительно друга, подобно лопастям пропеллера. Угол пропеллера в паре AU равен 12°, а в паре GC—7°. Примерно такую же величину имеют углы пропеллера и в других парах оснований [192].

В противоположность этому основания в хугстеновских парах, изображенных на рис. 6.4 [467], строго компланарны, так как в кристаллах они лежат в кристаллографической плоскости зеркального отражения. Однако в других кристаллических структурах, где хугстеновские AU-пары свободны от подобных кристаллографических ограничений, наблюдается такой же пропеллерный поворот, как и в уотсон-криковских. Угол пропеллера в паре 9-метиладенин—1-метил-5-иодурацило составляет 9° [468]. В хугстеновской паре расстояние Су "'-Су на 2 А меньше, чем в уотсон-криковской, и составляет 8,645 А, а угол между соответствующей прямой и гликозиднои связью Су—N для пуриновых и пиримидиновых оснований различается более чем на 10°; иными словами, псевдоось симметрии 2-го порядка отсутствует.

Структурная неупорядоченность: хугстеновские и обратные хугстеновские пары оснований. Методом дифракции нейтронов в кристаллической структуре комплекса 1-метилтимин—9-метиладенин была выявлена некая неупорядочен

страница 16
< 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
(13.11.2019)