|
|
Принципы структурной организации нуклеиновых кислотв гл. 18. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ Модифицированные нуклеозиды и нуклеотиды широко используются для изучения механизма ферментативных реакций и как химиотерапев-тические прапараты. В этой главе рассмотрены только некоторые соединения, представляющие наибольший интерес со структурной точки зрения. Так, нуклеозиды, в которых образуются дополнительные кова-лентные связи между основанием и сахаром, имеют жесткую конформацию и могут использоваться в качестве эталонов в спектроскопии. Важную биологическую роль играют циклические нуклеотиды с 2',3'-и 3',5'-диэфирными связями. Первые являются промежуточным соединением, образующимся при ферментативном гидролизе РНК, а вторые, в виде сАМР и cGMP, служат гормональным посредником. Скорость гидролиза циклических фосфатов коррелирует с их внутренней напряженностью. Из всех нуклеозидов с замещенным сахаром рассмотрены лишь галогензамещенные, арабино- и а-нуклеозиды, причем последние являются энантиомерами Р-нуклеозидов. Примерами нуклеозидов с модифицированными основаниями служат цитокинины и минорные составляющие тРНК. Довольно хорошо изучены химические аспекты тио-кетозамещения, алкилировання эндоциклического атома азота и насыщения двойной связи С5=С6 в пиримидинах. В нуклеозидах, у которых С8—Н (пурин) или С6—Н (пиримидин) замещен на аза-N, наблюдается необычная высокая-аннш-конформация относительно гликозиднои связи, что частично объясняет их биохимические свойства. Если атом кислорода фосфатной группы заменить на серу, то фосфодиэфирная группа станет хиральной и может использоваться при изучении механизма взаимодействия ферментов с нуклеотидами. Замена Р—О на Р—S приводит к существенным стереохимическим изменениям, что сказывается на работе фермента. Пирофосфатные группы, входящие в состав высокоэнер- Модифицированные нуклеозиды и нуклеотиды 219 гетических ди- и трифосфатов, а также некоторых коферментов, обладают значительной гибкостью; они являются ненапряженными структурами и, следовательно, в структурном плане не могут играть роль энергетических депо (гл. 4). Из всех нуклеозидных антибиотиков рассмотрен только пуромицин. В структурном отношении он аналогичен ССА-кон-цу тРНК, нагруженной аминокислотой, и ингибирует синтез белка. ГЛАВА 8 Связывание ионов металлов с нуклеиновыми кислотами Нуклеиновые кислоты содержат четыре функциональные группы, с которыми могут связываться ионы металлов: отрицательно заряженные атомы кислорода фосфатных групп, гидроксильные группы Сахаров, эн-доциклические атомы азота и экзоциклические кетогруппы оснований (рис. 8.1). Ионы таких металлов, как Mg(II), Са(Щ Na(I), К(1), содержатся в клетке в миллимолярных концентрациях (табл. 8.1), поэтому нуклеиновые кислоты и нуклеотиды обычно присутствуют в виде комплексов с ионами металлов. Эти комплексы, которым и посвящена данная глава, играют важную роль в функционировании нуклеиновых кислот, нуклеотидов, коферментов, а также нуклеозидди- и нуклеозид-трифосфатов. 8.1. ВЛИЯНИЕ СВЯЗЫВАНИЯ ИОНОВ МЕТАЛЛОВ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ Насколько велика роль связывания ионов металлов с нуклеиновыми кислотами и с ферментами, участвующими в процессах репликации, транскрипции и трансляции, стало ясно уже давно [723-726]. Однако вопрос о том, как именно ионы металлов осуществляют свою функцию во всех этих процессах, до конца не выяснен. Известно, что Mg(II) играет важную роль в стабилизации третичной структуры тРНК, сшивая друг с другом фосфатные группы разных сахарофосфатных цепей молекулы. Как видно из рис. 6.17, при увеличении концентрации щелочных металлов температура перехода спираль-клубок повышается. Возможно, это связано с частичной нейтрализацией заряда фосфатных групп и, следовательно, с уменьшением их взаимного отталкивания. Однако ионы металлов могут приводить и к дестабилизации двухце-почечной структуры ДНК, если они связываются не с фосфатными группами, а с основаниями. Способность ионов к образованию комплексов с основаниями возрастает в следующем порядке: Mg(II), Со(П), Ni(II), Mn(II), Zn(II), Cd(II), Cu(II). При добавлении Mg(II) Tm ДНК повышается, т.е. двухцепочечная структура стабилизируется. В присутствии Cu(II), напротив, Тт значительно уменьшается, т.е. облегчается переход в состояние разупорядоченного клубка. С другой стороны, Связывание ионов металлов с нуклеиновыми кислотами 221 Рис. 8.1. Схема расположения мест координационного связывания с ионами металлов в нуклеотиде. СиЛ1) способствует ренатурации [729]. Аналогичным образом ведут себя Hg(II) и Ag(I) [724, 730-734]. Связывание двухвалентных катионов, таких, как Cu(II), Zn(II), Pb(II), с РНК сопровождается еще большими структурными изменениями, поскольку они катализируют неферментативное расщепление фосфодиэфирных связей [735, 736, 736а]. Обнаружение противоопухолевых свойств у иыс-дихлордиамин-платины (П) еще более активизировало исследования комплексов ДНК с ионами металлов [737-739]. Опыты in vitro четко показывали, что этот реагент атакует гуанин по атому N7, а кроме того, взаимодействует с атомом 06 [740-742]. Относительно механизма связывания его in vivo пока нет единого мнения [743], однако можно с достаточным основанием утверждать, что при этом подавляются матричные функции ДНК и, следовательно, ингибируется синтез ДНК. Благодаря этим свойствам соединения платины (II) нашли применение при лечении некоторых форм рака [744, 745]. Комплексам ионов металлов с нуклеиновыми кислотами посвящен ряд обзорных статей; в них рассматривается стереохимия связывания Таблица 8.1. Концентрация ионов металлов в организме человека в целом, в плазме крови и внутриклеточной жидкости Катион Концентрация в организме в целом, г/70 кг Концентрация в плазме крови, ммоль-л~* Концентрация во внутриклеточной жидкости, ммоль-л-1 Na 100 142 10 К 140 4 160 Са 1100 3 1 Mg 35 1 13 Fe 4 0,018 Си 0,15 0,016 Zn 3 0,018 Mn 0,02 Со 0,001 Мо < 0,001 Глава 8 ионов металлов с основаниями, нуклеозидами и нуклеотидами [725, 746-750]. Две статьи посвящены связыванию платины с моно- и поли-нуклеотидами [751, 752]. Термодинамические и кинетические характеристики комплексов нуклеотидов с ионами металлов были установлены в основном спектроскопическими методами и описаны в обзорах [753-759]. 8.2. СПОСОБЫ СВЯЗЫВАНИЯ ИОНОВ МЕТАЛЛОВ С НУКЛЕОТИДАМИ И ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЕ МЕСТА КООРДИНАЦИОННОГО СВЯЗЫВАНИЯ В этой главе мы обсудим только те стереохимические аспекты связывания ионов металлов с нуклеиновыми кислотами, которые основаны на кристаллографических данных. Хотя методы спектроскопии в растворе в ряде случаев являются более чувствительными и с их помощью можно обнаружить относительно непрочные комплексы, для однозначного определения координационного числа, установления места координационного связывания и расположения лигандов вокруг иона металла этих методов, как правило, бывает недостаточно. Ионы металлов связываются с природными нуклеотидами по атомам кислорода и азота. Оба атома относятся к классу а, т.е. представляют собой «жесткие» лиганды [760, 761] (рис. 8.1). Поэтому с ними могут связываться только определенные типы катионов, а именно: ионы щелочных, щелочноземельных и переходных металлов. Они перечислены в табл. 8.2, где для каждого типа катионов указаны места Таблипа 8.2. Ионы металлов, взаимодействующие и сокристаллизующиеся с компонентами нуклеиновых кислот, и места их предпочтительного связывания Щелочные металлы Li, Na, К, Rb, Cs Щелочноземельные металлы Mg, Са, Sr, Ва Переходные металлы Mn(II), Ru(III), Os^fVI, в виде осмата), Со (III), Со (II), Ni(II), Pd(II), Pt(II), Cu(II), Ag(I), Au(III), Zn(II), Cd(II), Hg(II) Места предпочтительного связывания: Атомы кислорода кетогрупп оснований и экзоциклические атомы азота Кислород фосфатной Гидроксил сахара !_группы_ Переходные металлы Щелочные и щелочноземельные металлы 11 Os в виде осмата (VI) присоединяется по двойной связи С5=С6 пиримидинов и связывается с цис-гидроксилами рибозы, образуя циклический эфир. Классификация ионов металлов по типу участков связывания их с ДНК приводится в работе [724]. Связывание ионов металлов с нуклеиновыми кислотами 223 предпочтительного связывания, выявленные при изучении кристаллических комплексов. Места координационного связывания, расстояния между атомами металлов и лигандами и конформация нуклеозидов и нуклеотидов для ряда типичных комплексов с ионами металлов указаны в табл. 8.3. Наиболее интересные структурные особенности этих соединений таковы: A. Фосфатные группы. Эти группы связываются со всеми ионами металлов, перечисленными в табл. 8.2, при этом образуются ионные связи между отрицательно заряженными атомами кислорода и положительно заряженными ионами металлов (рис. 7.15, 7.16, 8.2). Б. Гидроксильные группы Сахаров. Эти группы образуют комплексы со щелочными и щелочноземельными катионами, но не с переходными металлами. Известное на сегодняшний день исключение -Cd(II) (см. работу [762]). Во всех этих комплексах в координационную сферу иона металла входит неподеленная пара электронов атома кислорода гид-роксильной группы. Такая же картина наблюдается при взаимодействии гидроксильных групп Сахаров со щелочными и щелочноземельными катионами в составе других соединений ([763, 764], рис. 8.2). B. Эндоциклические атомы азота. Эти атомы несут неподеленную пару электронов и поэтому являются хорошими лигандами для щелочных металлов, металлов переходной группы и щелочноземельных катионов [764]. Как видно из табл. 8.4, при создании координационных связей с пурином, в котором атом N9 не замещен, ионы металлов в первую очередь связываются именно с этим атомом (либо создают мостик между атомами N9 и N3), затем с атомом N7 и, наконец, с атомом N1? т.е. связывание с имидазольным кольцом является более предпочтительным, чем с пиримидиновой частью индольного кольца. В случае Nj-незамещенных пиримидинов в тимине и урациле сначала происходит связывание с атомом Nt, а затем с атомом N3; в цитозине наблюдается обратный порядок связывания. Связывание с ионом металла приводит к сдвигу таутомерного равновесия в пуринах в сторону N7—Н, а в пиримидинах (в тимине и урациле)-в сторону N3-H. Когда между сахаром и основанием образуется гликозидная связь, атомы N9 пурина и Nt пиримидина оказываются блокированными. Поэтому в пуриновых нуклеозидах катионы в первую очередь присоединяются к атому N7, затем к Nt и, наконец, к N3. Из пиримидиновых нуклеозидов у одного лишь цитидина в образовании комплекса может участвовать гетероциклический атом азота N3 (рис. 7.15, 7.16, 8.2-8.4). Г. Кетогруппы оснований также способны образовывать комплексы с ионами металлов. В пиримидиновых нуклеотидах происходит прямое I связывание иона металла с атомом 02 цитидина и с атомами 02 и 04 тимидина и уридина. В пуриновых основаниях-гуанине и гипоксанти-не-прямого связывания 06 с ионом металла не происходит, вероятно, из-за того, что атом N7 является более предпочтительным лигандом для катиона. Одновременное связывание с атомами N7 и 06 приводит 224 Глава 8 Таблица 8.3. Некоторые данные о комплексах между ионами металлов и нуклеозидами и нуклеотидами, полученные в результате кристаллографических исследований [749] Комплекс" Геометрия окружения металла М2> Место Рас- Кон. свя- сто- форма-зыва- яние ция ния М- сахара ли- 1Л ганда А L Область коиформации Y X рН крис-тал-лиза-ции Пуриновые нуклеозиды [Os (Ado-2H) (пиридин)202] OKT. о2 1,91 C2- + СК син > 7 эндо оэ. 1,99 [Со (dAdo) (acac)2(N02)] OKT. N7 1,99 с,- + CK анти ~ 7 эндо Су- + СК анти эндо [Pt(Guo)2(en)]2 + пл., KB. N7 1,97 Су + СК анти < 7 эндо Muc-[Pt(Guo)2(NH3)2]2+ пл., KB. N7 2,01 Су- + СК анти ~ 7 эндо [Hg(Guo)(n^op)Cl]„ иск., N7 2,16 С2- —ск анти ~3 пл., кв. эндо Пиримидиновые нуклеозиды [Cu(Cyd)(glygly)] кв., пир. 2,01 Су- + СК анти <7 эндо o2 2,76 mpeKC-[Pt(Cyd)(Me2SO)Cl2] пл., кв. N3 2,03 ~ 7 Пуриновые нуклеотиды [Cd(5'-GMP)(H20)5] окт. N7 2,37 Су + СК анти 4,5 эндо [Co(5'-IMP)(H20)5] окт. N7 2,16 Су + СК анти 4,5 эндо [Ni(5'-IMP)(H20)5] окт. N7 2,11 Су- + СК анти 4,5 эндо [Ni(5'-AMP)(H20)5] окт. N7 2,08 + СК анти 5,0 u«c-[Pt(5'-IMP)2(NH3)2]2- пл., кв. N7 2,02 Сг- + СК анти 6,85 эндо [Pt(5'-IMP)2(en)]2- пл., кв. N7 2,07 Сг- + СК анти ~ 7 эндо [Cu(5'-IMP)2(dien)]2_ окт. N7 1,92 Сг- — СК анти > 7 эндо [Cu (З'-GMP) (o-phen) (H2Q)]2 кв., О 1,93 С2- + СК анти 6,8 пир. (фосф.) эндо Связывание ионов металлов с нуклеиновыми кислотами 225 Таблица 8.3. (продолжение) Комплекс" Мес- ^ то Геомет- свя- рия ок- зыва- ружения " ния металла ганда L Расстояние М-L3', А Конформация сахара Область конформации рН крис-тал-лиза-ции [Cu(5'-IMPH)(bipy)(H20)2]+ кв., N7 1,99 С3- + СК анти 6 пир. эндо [Zn(5'-IMP)]„ тет. N7 1,99 О 1,95 (фосф.) [Cu(5'-GMP)3(H20)8]„ кв., N7 2,24 С3- + СК анти ~ 7 пир. эндо О 1,95 С3- + СК анти (фосф. ) эндо Сг- + СК анти эндо [Cd (5'-ШР) (5'-IMPH)2 окт. N, 2,36 С2- + СК анти^ 1 (H20)6]„ эндо 1 Ь,88 О 2,23 С2- (фосф.) эндо + ск анти о2. 2,42 2,32 Пиримидиновые нуклеотиды [Си (5'- UMPH) (dpa) (Н 20)]2 кв., О 1,93 о4- — ск анти 7 пир. (фосф.) эндо С2- — ск син экзо [Co2(5'-UMP)2(H20)4]„ окт. О 2,12 — 6,8 (фосф.) [Cd(5'-CMP)(H20)]„ иск., N3 2,33 С3- + СК анти 4,6 кв., эндо пир. О 2,25 (фосф.) [Со(5'-СМР)(Н20)]„ тет. N3 1,96 С2- + СК анти 5,4 эндо О 1,95 (фосф.) [Zn(5'-CMP)(H20)]„ тет. N3 2,04 с2,- + СК анти 3,5 эндо О 1,90 (фосф.) [Pt(5'-CMP)(en)]2 пл., кв. N3 2,06 с,- — ск анти 6-7 эндо О 1,97 С2- (фосф.) эндо + СК анти |
< 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] |