Биологический каталог




Принципы структурной организации нуклеиновых кислот

Автор В.Зенгер

ньшается от 4,4 А (для двойной спирали А-РНК) до 2,8 А [для трехцепочечной спирали poly(U) ¦ poly(A) • poly(U)]. Это обусловлено присутствием третьей цепи-ее можно подогнать под уотсон-криковекую двойную спираль с разумной геометрией только в том случае, если ось спирали будет проходить через «центр» триплета оснований, располагаясь одинаковым образом по отношению ко всем трем гликозидным связям Сг—N. Это в свою очередь приводит к тому, что все нуклеотиды имеют одинаковую конформацию, о чем свидетельствуют значения торсионных углов (табл. 9.3).

Poly(I)-poly(C)- сильнодействующий агент, который индуцирует образование интерферона. Именно в таком качестве его использовали при ле-

Структура РНК

265

чении инфекционных заболеваний, вызванных вирусом простого герпеса [882]. Структурно изоморфный полинуклеотидный комплекс poly(A) • poly(U) значительно менее эффективен в этом отношении [883], по-видимому, из-за того, что в ионных условиях, характерных для тканей живых организмов, происходит перегруппировка цепей и комплекс находится не в виде двойной спирали.

10.3. ДВОЙНАЯ СПИРАЛЬ С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМИ ЦЕПЯМИ И ХУГСТЕНОВСКИМИ ПАРАМИ, ОБРАЗОВАННАЯ POLYfUJ И 2-ЗАМЕЩЕННЫМ POLYf А)

Если уотсон-криковское спаривание стерически затруднено, может образоваться хугстеновский комплекс poly(A) ¦ 2poly(U). При рассмотрении тройных спиралей типа poly(A) • 2poly(U) возникает вопрос, нельзя ли отделить цепь poly(U), образующую уотсон-криковские пары с poly(A), сохранив при этом двойную спираль с хугстеновскими парами и параллельной ориентацией цепей? Действительно, такие двойные спирали были обнаружены, но не в случае обычных poly(A) и poly(U), а тогда, когда в положение 2 остатков аденина в poly(A) введены метил-, метилтио-, этилтио- или диметиламиногруппы, т. е. объемные группировки, затрудняющие уотсон-криковское спаривание оснований.

Двойные спирали хугстеновского типа с неэквивалентными параллельными цепями. Физические свойства и структурные характеристики двойных спиралей с 2-замещенной цепью poly(A) исследовались спектроскопическими методами [884-886] и методом рентгеновской дифракции на волокнах [887]. Такие спирали термодинамически менее устойчивы, чем их аналоги с обычной цепью poly(A). «Размытая» рентгенограмма волокна ро1у(2-метилтио-А) ¦ poly(U) была проинтерпретирована как результат дифракции на двойной спирали хугстеновского типа с высотой витка 31,6 А, 10 парами оснований на виток и углом наклона пар ~ 10°. Интересно, что две полинуклеотидные цепи этой спирали кон-формационно неэквивалентны: сахарные остатки poly(ms2A) имеют конформацию Су-эндо, а у poly(U) они находятся в С3-эндо—С2-экзо-конформации. Однако обе конформации относятся к одному классу iCy-эндо, поэтому данная спираль принадлежит А-семейству (табл. 9.2 }и 9.3).

Описанная спиральная структура стабилизируется главным образом благодаря стэкингу оснований (рис. 10.3), при этом 2-метилтиогруппа «верхней» пары располагается над атомом N3 аденина «нижней» пары. Такие взаимодействия S---N, по-видимому, существенно увеличивают термостабильность спирали: ее температура плавления 7^ выше, чем у тех полинуклеотидных аналогов, которые не содержат атомов серы в положении 2. Как отмечается в разд. 13.5, аномальная термостабильность двойной спирали poly(s2U), у которой 7^ на 57° выше, чем у спирали poly(U) с незамещенными урацилами, также обусловлена взаимодействием S---N.

266

Глава 10

Рис. 10.3. Проекции хугстеновской двойной спирали poly (2-метилтио-А)-poly (U) на плоскости, параллельные и перпендикулярные оси спирали [887]. Части молекулы, расположенные ближе к наблюдателю, изображены жирными линиями. Обратите внимание на стэкинг-взаимодействие S---N3 между соседними остатками аденина (цветной овал); это взаимодействие, по-видимому, стабилизирует структуру данного комплекса.

Структура РНК

267

10.4. ДВОЙНЫЕ МИНИ-СПИРАЛИ, ОБРАЗОВАННЫЕ ApU И GpC

Самокомплементарные динуклеозидмонофосфаты ApU и GpC кристаллизуются из водных растворов в виде натриевой соли [465, 466]. Кроме того, ApU можно получить в виде аммонийной соли [888], a GpC-в виде кальциевой [889]. Во всех случаях образуются мини-дуплексы со структурными параметрами, характерными для А-РНК (рис. 10.4).

Дуплексы ApU и GpC проявляют все основные структурные свойства двойной спирали А-РНК. Как в кристаллах ApU, так и в кристаллах GpC образуются пары оснований уотсон-криковского типа. В случае GpC это не удивительно: с аналогичной ситуацией мы встречались в кристаллах мономерных GC-nap. Но, как мы видели в гл. 6, при со-кристаллизации мономерных производных аденина и урацила происходит только хугстеновское спаривание (структуры XXIII или XXIV на рис. 6.1). Однако в случае ApU конформация сахарофосфатного остова и в особенности стэкинг-взаимодействие налагают определенные ограничения на структуру молекулы, и это приводит к образованию исключительно уотсон-криковских пар.

Общие конформационные характеристики обоих динуклеозидмоно-фосфатов сходны с таковыми для А- и А'-РНК (табл 9.3). Оба дуплекса, ApU и GpC, представляют собой лишь две «ступеньки» двойной спирали РНК, а «бесконечные» спирали, структура которых описана в табл. 10.1, были получены путем математической экстраполяции [890]. Структурные параметры синтетических ApU- и GpC-спиралей характерны для двойных спиралей А-, но не В-семейства. Это означает, что архитектура двойных спиралей полинуклеотидов определяется микроскопическими конформационными свойствами отдельных моно- и ди-нуклеозидфосфатов и их взаимодействием, а не общими свойствами всей системы.

Молекулы ApU и GpC в кристаллах сильно гидратированы, так что кристаллы напоминают концентрированные водные растворы. Это позволяет предположить, что обнаруженные структурные свойства не являются следствием «упаковочных» эффектов и сохраняются также в случае водных растворов. В связи с этим интересно отметить, что в натриевой соли GpC через димер проходит кристаллографическая ось 2-го порядка, которая связывает между собой две молекулы GpC одного и того же дуплекса (рис. 10.4), точно так же, как, согласно рентгеновской дифракции на волокнах, ось симметрии в двойных спиралях ДНК и РНК связывает разные цепи одной молекулы. В других кристаллических структурах GpC и ApU кристаллографическая ось 2-го порядка отсутствует, однако имеется псевдоось, которая точно так же связывает две молекулы одного дуплекса, и отклонение от идеальной (кристаллографической) симметрии весьма незначительно.

Схема координационных связей иона натрия с ApU свидетельствует о специфичности связывания натрия. В натриевой соли ApU один из двух присутствующих в структуре ионов натрия находится на псевдооси 2-го

268

Глава 10

Рис. 10.4. Молекулярная структура динуклеозидфосфатов GpC и ApU, полученная методом рентгеноструктурного анализа монокристаллов. В комплексе GpC (вверху) две молекулы связаны кристаллографической осью 2-го порядка, в ApU (в середине и внизу, две разные проекции)-псевдоосью 2-го порядка. Цветом выделены ионы натрия и координационные связи Na+ с атомами 02 кетогрупп, атомами кислорода фосфатов и молекулами воды. Один из двух ионов натрия в ApU образует координационные связи с атомами кислорода двух остатков урацила и иллюстрирует специфическое связывание катиона с нуклеиновой кислотой. Структуры построены по координатам атомов, взятым из работ [465, 466]; атомы водорода и молекулы свободной воды не изображены, чтобы не загромождать рисунок.

Структура РНК

269

Таблица 10.1. Сравнение параметров двойных спиралей А- и В-типа с параметрами, рассчитанными для «бесконечных» ApU- и GpC-спиралей [890]

ApU GpC А-РНК А'-РНК А-ДНК В-ДНК

Трансляция, А 2,36 2,59 2,81 3,0 2,59 3,38

Вращение, град 30,2 34,7 32,7 30,0 32,7 36,0

Шаг, А 28,1 26,9 30,9 36,0 28,5 33,8

Число остатков на 11,9 10,4 11,0 12,0 11,0 10,0

виток

Наклон оснований, 23 28 13 14 19 -6

град

порядка и образует координационные связи с атомами 02 кетогрупп обоих остатков урацила, расположенными в минорном желобке. Остальные положения в октаэдрической координационной системе натрия заняты четырьмя молекулами воды (рис. 10.4). Лигандами другого иона натрия являются молекулы воды и атомы кислорода фосфатных групп, причем, когда в кристаллической структуре GpC этот ион заменен на ион кальция, лиганды не меняются.

Специфичность координационного связывания иона натрия с остатками урацила в ApU-дуплексе обусловлена тем, что в данном случае расстояние между атомами 02 составляет всего 4 А, т.е. является идеальным для образования системы двух связей Na + • ¦ ¦ — О с симметрией 2-го порядка. Для сравнения укажем, что в изоморфном дуплексе UpA расстояние 02 • ¦ ¦ 02 было бы равно ~ 8 А, а что касается последовательностей GpC и CpG, то у них связыванию катиона с атомами 02 цитозинов мешала бы аминогруппа гуанина [465].

Специфические взаимодействия катионов с основаниями, подобные тем, которые обнаружены в натриевой соли ApU, потенциально важны для нуклеиново-белкового узнавания. Можно предположить, что они изменяют локальную структуру двойной спирали и влияют на общую конфигурацию молекулы, особенно в случае ДНК (табл. 9.1).

10.5. ПОВОРОТЫ И ИЗГИБЫ В СТРУКТУРЕ UpAH +

UpA, как и ApU, представляет собой самокомплементарный динуклео-зидфосфат, который в принципе мог бы образовывать мини-спираль уотсон-криковского типа. Однако при кристаллизации из кислых растворов (10 ~3 М НС1) происходит протонирование аденина в положении Nt, что приводит к появлению цвиттериона Up ~ АН +, который не может образовывать уотсон-криковские пары. Вместо мини-спирали элементарная ячейка содержит две кристаллографически независимые и различные молекулы динуклеозидфосфата А и В, причем обе они имеют неспиральную конфигурацию [317, 318, 891].

Стандартная геометрия нуклеозидов и неспиральные углы вращения вокруг связей Р—О. В обеих молекулах UpAH + (рис. 10.5) нуклеозиды

А

В

Спиральная А РНК

Рис. 10.5. Относительная ориентация нуклеозидов в молекулах А и В UpAH+ (слева) и в А-РНК (справа; стрелкой показана ось спирали) [891]. Чтобы указать ориентацию рибозы, вместо атома кислорода 04. нарисованы руки. Обратите внимание на противоположное направление рук (резкий поворот) в молекуле А и параллельные, но по-разному повернутые относительно вертикальной оси руки в молекуле В. Поворот уридина в соответствующем направлении (см. рис.) на угол 110° переводит молекулу В в спиральную форму. Молекула В UpAH+ изображена на рис. 4.20.

Структура РНК

271

имеют стандартную конформацию: основания находятся в антм-ориен-тации, сахара-в С3.-эндо-конформации и угол у относительно связи С4-—С5. лежит в области +ск, т.е. нуклеозиды имеют такую геометрию, которая стабилизируется короткими водородными связями типа С—Н---05. (рис. 4.20). Однако значения торсионных углов а и ? относительно связей Р—О у молекул А и В различаются. У молекулы А оба угла находятся в области + ск, поэтому два сахарных остатка смотрят в противоположные стороны (рис. 10.5). В молекуле В угол а лежит в типичной для спиральной конформации области — ск, а угол ?-в области an, т.е. отличается от «спирального» на 110°. Как показано в разд. 15.4, первая структура представляет собой я^-поворот, обнаруженный в некоторых петлях тРНК, для которых характерны резкие изменения в направлении полинуклеотидной цепи. Вторую структуру правильнее назвать неспиральным изгибом.

Межмолекулярные контакты «основание-основание» и «основание — сахар». В молекулах UpAH+ угы вращения вокруг связей Р—О таковы, что не позволяют основаниям сблизиться на расстояния, достаточные для образования внутримолекулярного стэкинга, поэтому появляется л<еэ*смолекулярный стэкинг между аденином и урацилом. Кроме того, каждое основание взаимодействует с атомом 04. ближайшей рибозы. Это характерное взаимодействие было ранее обнаружено в кристаллических структурах некоторых нуклеозидов (рис. 6.8). Оно реализуется также в левых двойных спиралях (гл. 12). Дополнительно к этим «вертикальным» взаимодействиям основания образуют «горизонтальные» связи в парах АН+ -АН+ и UU (структуры II и XVI на рис. 6.1).

краткое содержание

В синтетических комплементарных дуплексах РНК и в различных природных РНК, таких, как тРНК, рибосомные РНК, РНК некоторых вирусов и мРНК, образуются структурно близкие уотсон-криковские двойные спирали А- и А'-РНК. А-РНК-это двойная спираль 11-го порядка, тогда как А'-РНК-форма, наблюдающаяся при высоких концентрациях соли,-спираль 12-го порядка. В обоих случаях сахарные остатки в цепи имеют конформацию С3.-эндо, следовательно, обе спирали принадлежат А-семейству. В случае poly(A) • poly(U) может происходить перегруппировка цепей, приводящая к образованию тройной спирали poly(A)-2poly(U), в которой одновременно с уотсон-криковскими присутствуют хугстеновские пары. Хугстеновские пары оснований обнаружены также в комплексе ро1у(и)ро1у(2-метилтио-А). Самокомплементарные динуклеозидмонофосфаты ApU и GpC образуют двойные мини-спирали, тогда как динуклеозидфосфат UpAH+ не может образовывать уотсон-криковского дуплекса. В необычной изогнутой структуре UpAH+ индивидуальные нуклеотиды находятся в «стандартной» конформации, но торсионные углы а и С относительно связей Р—О отличаются от спиральных.

ГЛАВА 1 1

Структура ДНК

РНК может' находиться только в двух близких конформациях: А и А', причем обе они принадлежат А-семейству двойных спиралей (гл. 10). Напротив, ДНК в зависимости от окружающих условий (природы про-тивоиона и относительной влажности), а также в зависимости от нуклеотиднои последовательности и нуклеотидного состава в случае синтетических полинуклеотидов из повторяющихся блоков может принимать и другие конформацни (гл. 9). Двойные спирали ДНК относятся либо к А-типу, где единственной представительницей является А-ДНК, либо к В-типу, который включает В-, В'-, С-, С'-, С"-, D-, Е- и Т-ДНК. Все перечисленные спирали являются правыми. Кроме того, было открыто семейство левых спиралей (Z-ДНК), и это еще раз подчеркивает «хамелеоновскую» природу ДНК, ее способность к адаптации.

А, В, С и D- традиционные полиморфные модификации ДНК. Как следует из гл. 9 (табл. 9.1 и 9.2), методом дифракции рентгеновских лучей на волокнах обнаруживаются и другие формы, но все они представляют собой незначительные модификации четырех основных структур.

Интересно поведение ДНК, выделенной из фага Т2, в которой цитозин замещен на 5-гидроксиметилцитозин, на 70% гликозилированный и еще на 5% дигликозилированный (схема 11.1). При высокой относительной влажности эта ДНК находится в В-форме. При понижении влажности она, минуя стадию образования А-формы, непосредственно переходит в Т-форму [858]-0-подобную двойную спираль с симметрией 8Х. Это напоминает поведение синтетических ДНК, у которых гуанозин замещен на инозин [824]. Если удалить гликозидные остатки, ДНК фага Т2 становится похожей на обычную ДНК и в зависимости от окружающих условий находится в А-, В- или С-форме (ниже мы остановимся на этих формах подробнее).

Для структуры двойных

страница 32
< 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
(15.09.2019)