Биологический каталог




Принципы структурной организации нуклеиновых кислот

Автор В.Зенгер

15-509

226

Глава 8

Таблица 8.3 (продолжение)

Комплекс11

Геометрия окружения металла М2'

Место связывания лиганда L

Расстояние M L3', А

Конформация

сахара

Область коиформации

рН

крис-

тал-

лиза-

ции

[Мп(5'-СМР)(Н20)]„ иск., 02 2,08 Сэ- + ск анти 5,2

окт- эндо

О 2,21 (фосф.)

Источник. По работе [749]. Литературу см. там же.

11 асас-ацетилацетонат; Ыру-2,2'-бипиридил; dien-диэтилентриамин; с1ра-2,2'-дипи-ридиламин; еп-этилендиамин; glygly-глицилглицинат; o-phen-opmo-фенантролин.

2) иск.-искаженная; окт.-октаэдрическая; пл.-плоская; пир.-пирамидальная: кв.-квадратная; тет.-тетраэдрическая.

31 Расстояния между ионом металла и эквивалентными лигандами усреднены.

к неблагоприятной геометрии комплекса [765, 766]. Однако кислород 06, входящий в состав кетогруппы, может образовывать водородные связи с другими лигандами координационной сферы иона металла. Такие взаимодействия между лигандами косвенно способствуют комплек-сообразованию (рис. 8.5) [767].

Д. Аминогруппы оснований никогда не принимают участия в прямом связывании ионов металлов. Как уже говорилось в разд. 4.1, атом азота экзоциклической аминогруппы вносит в л-электронную систему связанного с ней гетероцикла два электрона, поэтому эти группы не способны к связыванию с ионами металлов. Однако аминогруппы, как указывалось в п. Г, могут выступать в роли доноров при образовании водородных связей с другими лигандами ионов металлов, косвенным образом способствуя комплексообразованию. В сильнощелочных условиях аминогруппы депротонированы и становятся хорошими лигандами для ионов переходных металлов (рис. 8.3).

Е. Тиокетозаместители в составе 6-меркаптопурина, 2-тиоцитозина и 2- и 4-тиоурацила являются «мягкими» группами и поэтому хорошими лигандами для ионов переходных металлов [760, 761]-гораздо лучшими, чем атомы азота и кислорода пуринов и пиримидинов. В пользу этого говорит исключительно высокое сродство ртутных и платиновых реагентов к 4-тиоуридину в составе тРНК?а1со/; [751].

Ж. Ocmhh(IV) образует координационные связи в форме циклического диэфира. В комплексе 0803(пиридин)2-тРНКдроЖжи осмий образует координационную связь с атомом N7 гуанина. Кроме того, в виде осма-

Связывание ионов металлов с нуклеиновыми кислотами

рода фосфатных групп и молекулами воды в аденозиндифосфатном комплексе [787]. Хелатная группа, состоящая из калия и пирофосфат-ной группы, имеет Д-конфигура-цию (см. с. 236).

Рис. 8.3. Образование координационных связей Ag(I) с 1-метилти-мином [788]. Соединение было получено в сильнощелочных условиях, когда группа N3—Н депрото-нируется. Ag(I) связывается со всеми тремя электроотрицательными группами: N3, 04 и (слабо и не обозначено на рисунке) 02.

15'

228

Глава 8

Таблица 8.4. Предпочтительные места связывания ионов металлов в основаниях нуклеиновых кислот

Свободное основание

Основание в составе нуклеозида

Пурины

N9 or

N.

> N7» N„ N3

Тимин, урацил Nt » N3 > 02 или 04 Цитозин N3 » Nt > 02 или 04

N7»N„NS

N3> Os or

N^OJ 02 > 04 Урацил, Тимин

Цитидин

Примечание. Знак ^ч,^ соответствующими атомами.

означает, что ион металла образует мостик между

та циклического диэфира он связывается с имс-гидроксильной группой концевой рибозы [768] и присоединяется по двойной связи CS=C6 к цитидину [769]. Это последнее взаимодействие, по-видимому, типично для пиримидиновых оснований, поскольку оно наблюдалось и в случае тимина [770-772].

3. Корреляция между координационным числом и местом связывания иоиов металлов в комплексах с пуринами и пиримилинами [748]. В пуринах атом N7 располагается на поверхности молекулы, поэтому координационное число связанного с ним иона металла может быть равно

Рис. 8.4. Лигандами Cd(II) в комплексе с цитидин-5'-фосфатом являются атом N3, свободные атомы кислорода фосфатной группы и молекулы воды [789].

Связывание ионов металлов с нуклеиновыми кислотами

229

Рис. 8.5. В комплексе Со (II) с инозин-5'-фосфатом и водой катион образует координационные связи непосредственно с атомом азота N7 основания и через молекулы воды создает водородные связи с фосфатной группой и атомом 06 гуанина [767]. В данной кристаллической структуре атомы водорода водных лигандов не были локализованы; они приводятся здесь для большей наглядности схемы координационных связей. Следует отметить, что реально наблюдается лишь одна водородная связь-с 06-атомом гуанина; для реализации картины, показанной на рисунке, необходим несколько иной разворот одной из молекул воды.

6 (октаэдрическая координация) и даже больше. Связывание же с атомом N3 цитозина стерически затруднено присутствием фланкирующих кет о- и аминогрупп, которые ограничивают доступное для иона металла пространство, что приводит к уменьшению координационного числа до 4 или 5.

И. Координационное связывание ионов металлов и протонирование.

Для гуанина и цитозина места протонирования и координационного связывания с ионами металлов совпадают, а в аденине и урациле (тимине) нет (табл. 8.5). Другое различие между этими двумя процессами состоит в том, что при протонировании атома азота, находящегося в вершине валентного угла С—N—С, этот угол увеличивается (разд. 4.1), тогда как при координационном связывании с ионом металла он остается неизменным [747].

К. Избирательное координационное связывание ионов металлов с основаниями. Подводя итог, мы можем сказать, что координационное связывание ионов металлов с основаниями является избирательным

230

Глава 8

Таблица 8.5. Сопоставление мест протонирования и мест координационного связывания с ионами металлов в нуклеозидах

Координационное связывание Протонирование

Аденин N7>N, N,>N7

Тимин о2>о4 о4>о2

Гуанин NV>N3 N7>N3

Цитозин N3 N3

процессом. Будучи «мягкими» лигандами, тиокетозаместители (п. Е) великолепно подходят для координационного связывания с ионами переходных металлов; в этом они заведомо превосходят жесткие лиганды—

атомы азота и кислорода. При связывании с эндоциклическими атомами азота оснований наблюдается некоторая избирательность: атом N3 цитозина пространственно защищен соседними кето- и аминогруппами, поэтому координационное число иона металла, образующего с ним координационную связь, меньше 6; в то же время с атомом N7 в пуриновых основаниях могут связываться ионы и щелочных, и щелочноземельных, и переходных металлов (п. Ж). Наконец, еще один элемент избирательности вносит водородная связь между атомом N6 аминогруппы аденина или атомом Ов кетогруппы гуанина и другими лигандами ионов металлов (пп. Б и В) [748].

Л. Влияние связывания ионов металлов с нуклеотцдом на его конформацию. Даже при беглом просмотре табл. 8.3 становится ясно, что сахарное кольцо находится в основном в Сг-эндо- или С3.-эндо-конформации, а ориентация относительно гликозиднои связи (описываемая торсионным углом %) почти всегда соответствует анти-конформапии; смн-конформация структуры [Cu(5'-UMP)(dpa)(H20)]2 является редким исключением [773]. Как отмечалось в гл. 4, в нуклео-тидах ориентация относительно связи С4.—С5. такова, что атом 05. располагается над рибозным кольцом, а соответствующий торсионный угол у находится в области + ск. В комплексах с ионами металлов это строгое правило (жесткий нуклеотид) уже не соблюдается. Хотя

+ ск-область по-прежнему является предпочтительной, в некоторых случаях, в частности когда ион металла одновременно связывается с атомом кислорода фосфатной группы и громоздким лигандом, например с opwo-фенантролином или 2,2'-дипиридиламином, угол у и в пуринах, и в пиримидинах переходит в — ск-область. По-видимому, изменение геометрии нуклеотида при подобном координационном связывании следует отнести на счет объемной группировки, связанной с ионом металла. Влияние ионов металлов, образующих координационные связи только с основанием или только с рибозой, менее выражено, и за недостатком данных мы на нем останавливаться не будем.

Связывание ионов металлов с нуклеиновыми кислотами

231

8.3. КООРДИНАЦИОННОЕ СВЯЗЫВАНИЕ ПЛАТИНЫ

Связывание платины с ДНК имеет огромное биохимическое и фармакологическое значение. По характеру взаимодействия с ДНК соединения, представленные в табл. 8.6, можно разбить на две группы. В первую группу входят платиновые комплексы, содержащие плоский терпириди-новый лиганд с расположенными в центре платиной (II) или палладием (II). Они не образуют координационных связей с ДНК, а интеркали-руют между уложенными в стопку парами оснований (гл. 16). Ко второй группе относятся платиновые комплексы цис- и транс-дихлордиа-минового типа, которые образуют координационные связи с мономерными составляющими нуклеиновых кислот, присоединяясь в основном к атомам N7 (и одновременно 06) гуанина [741, 752]. Они реагируют также с урацилом и тимином, образуя соединение «платиновый синий»-олигомер, способный к дальнейшему взаимодействию с ДНК. Структура «платинового синего» неизвестна; предположительно она аналогична структуре комплекса мис-диаминоплатина—а-пиридон синий [751].

В табл. 8.7 представлен возможный механизм действия нмс-дихлор-диаминоплатины (II). Подавление опухолевого роста при относительно низких дозах платины указывает на то, что препарат активен в растворенном состоянии. В межклеточной жидкости эффективность препарата существенно уменьшается из-за ингибирующего действия хлорид-ионов, концентрация которых здесь очень высока (~ 100 мМ). Однако после проникновения в клетку, где концентрация хлорид-ионов значительно меньше (всего 4 мМ), препарат гидролизуется с образованием продукта HMc-[(NH3)2Pt(H20) (ОН)]+ [774], который связывается с ДНК более эффективно, поскольку молекула воды является хорошей уходящей группой [751]. Не исключено также, что вначале образуется комплекс с урацилом или тимином, который затем вступает в реакцию с ДНК.

Почему противоопухолевой активностью обладает только цис-, а не транс-дихлордиаминоплатина, пока неясно. Возможно, замена иона хлора на эндоциклический азот основания в мис-изомере дестабилизирует и активирует транс-аминогруппу. Это может привести к образованию новых координационных связей Pt-ДНК, так что в конечном счете ион платины может оказаться связанным с четырьмя группами ДНК. Однако при исследовании комплексов мис-дихлордиаминоплатины (II) с poly (I) и poly(I) • poly(C) методом ЯМР подобный комплекс обнаружен не был.

Судя по этим данным, наблюдается только однократное или двукратное замещение платины атомом N7 инозина [775]. Это вполне согласуется с результатами кристаллографических исследований комплексов между указанным соединением платины (И) и ДНК-додекамером (рис. 8.6).

232 Глава 8

Таблица 8.6. Химические формулы некоторых соединений платины, способных интеркалировать между парами оснований в ДНК и связываться с атомом N7 гуанина [751].

Интеркапирующие между парами оснований ДН К

[(terpy) Pt (cys)]* [(terpy) Pt Cl]* l(terpy) Pd Cl]+

8.4. КООРДИНАЦИОННОЕ СВЯЗЫВАНИЕ ИОНОВ МЕТАЛЛОВ С НУКЛЕОЗИДДИ- И НУКЛЕОЗИДТРИФОСФАТАМИ: НОМЕНКЛАТУРА ГЕОМЕТРИИ БИДЕНТАТНЫХ Л/А И ТРИДЕНТАТНЫХ Л/Д/эндо/экзс ХЕЛАТОВ

Концентрация свободного Mg(II) в клетке составляет примерно 20 мМ. В этих условиях равновесие в реакциях

ADP3 ~ + Mg2 + *± [MgADP] ", log К = 3,21,

АТР4" + Mg2+ <=> [MgATP]2", log К = 4,05

должно быть сдвинуто в сторону образования комплекса. Поэтому ADP, АТР и их нуклеотидные аналоги представлены в основном в виде хелатов Mg(II) [776]. В этой форме они играют главенствующую роль как субстраты и как источники энергии во многих ферментативных реакциях.

Связывание ионов металлов с нуклеиновыми кислотами 233

Таблица 8.6 (продолжение)

2+

2+

, [(o-phen) Pt (en)]

[(bipy)Pt(en)]3

[(py)j Pt (en)]

H2

H2C NH2 H2N —Pt—CI CI

[(en) Pt Cl2]

Связывающиеся с гуанином

H3N

H,N—Pt—CI I

CI

j/t/c-IINHjljPt Cl2]

H3N

CI—Pt—CI I

NH3 гране-[(NH3)2PtCI2]

Примечание. Платиновые комплексы с большими плоскими органическими лигандами, такими, как терпиридин (terpy), opmo-фенантролин (o-phen) или бипиридил (bipy), способны интеркалировать между парами оснований в двойной спирали ДНК. Если Л комплекс входят небольшие лиганды, подобные С1 или NH3, то происходит непосредственное связывание с атомом N7 гуанина. Структурные формулы других комплексов приведены в работах [738, 739, 752].

Много лет назад Сент-Дьердьи высказал предположение, что в составе комплекса [MgATP]2- ион металла образует координационные связи с атомом N7 аденина и с атомом кислорода фосфатной группы [777]. Эта весьма привлекательная гипотеза была подкреплена результатами иммунохимических исследований, из которых следовало, что в присутствии Mg(II) конформации ADP и АТР отличаются от конформации AMP [778]. Однако выполненные недавно спектроскопические исследования показали, что Mg(II) и другие двухвалентные катионы не связываются с основанием и фосфатной группой одновременно, а предпочтительно связываются только с фосфатом [779-782].

В растворе комплексов нуклеозидди- и нуклеозидтрифосфатов с Mg(II) содержится большое количество координационных изомеров, которые быстро переходят друг в друга (103-105 с-'). Спектры ЯМР дают некую усредненную по времени картину и поэтому не позволяют

234 Глава 8

Таблица 8.7. Механизм действия i^uc-дихлорплатиновых (II) комплексов [751] ПРОТИВООПУХОЛЕВЫЕ ПЛАТИНОСОДЕРЖАЩИЕ АНТИБИОТИКИ

Н,

H3NX уС\ Pt

/ ч

H,N CI

___N CI

Pt

N

Н.2

Активные

Cl NH, Pt

LNX ЧС1

Неактивный

Vuc-[(NH3)2PtCl2]->uuc-[(NH3)2Pt(H20)(OH)]+->Связывание с ДНК Высокая концент- рК, = 5,61 Подавляется активность

рация хлорид- рК2 = 7,3 j ионов в межклеточной жидкости

при 20°С ДНК как матрицы

Низкая концентрация хлорид-ионов в клетке

СН,

Комплекс платины Активные антибиотики Комплекс платины

с урацилом с пониженной токсичностью с тимином

("платиновый синий") для почек ("платиновый синий")

(NH3)2Pt(UXOH) (NH3)2Pt(T)(OH)

Примечание. При высокой концентрации хлорид-ионов (— 100 мМ) эффективность антибиотика уменьшается. В цитоплазме, где концентрация этих ионов намного меньше (~ 4 мМ), антибиотик частично гидролизуется и становится активным. Активированный комплекс либо непосредственно реагирует с ДНК, либо вначале образует комплекс с урацилом или тимином и лишь затем связывается с ДНК.

разрешить отдельные изомеры и соответственно получить какие-либо данные о структуре отдельных хелатов [783].

Если используются такие ионы, как Сг(Ш) и Со(Ш), то ситуация меняется. С нуклеозидди- и нуклеозидтрифосфатами они образуют стабильные комплексы. Если ионы других металлов образуют связи солевого типа, то координационные связи между атомами кислорода фосфатной группы и Сг(Ш) и Со(Ш) по характеру ковалентны. Об этом свидетельствует существенное уменьшение рК вторичной фосфатной группы от 7 в нормальных условиях (см. рис. 5.2) до 3-4 в присутствии

Связывание ионов металлов с нуклеиновыми кислотами

235

Рис. 8.6. Координационные связи, образуемые ^ис-дихлордиаминоплатиной (II) с гуанином, входящим в состав додекамера CGCGAATTCGCG [742]. Комплекс напоминает структуру, изображенну

страница 27
< 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
(22.10.2019)