Биологический каталог




Принципы структурной организации нуклеиновых кислот

Автор В.Зенгер

с катионами и целой группой природных ионофоров и синтетических краун-эфиров, в которых лигандами, специфически связывающими катион, являются атомы кислородов эфиров и кетогрупп, а отбор катионов осуществляется главным образом за счет пространственных эффектов [989].

• Геометрические характеристики структуры геля сохраняются н в случае четырехцепочечных спиралей [poly(G)]^ и ро/у(/)]4. Самые разные физические данные свидетельствуют о том, что тетрамерные структуры, обнаруженные в гелях из производных гуанозина, образуются и в случае четырехцепочечных спиралей poly(G) и ро1у(1)-2-дезаминированно-го аналога poly(G) [990, 991]. Авторы двух независимых кристаллографических работ, в которых исследовались волокна двух полимеров, пришли к одинаковому выводу и показали, что обе спирали являются правыми. Высота витка 39,5 А отвечает числу нуклеотидов 11,5 (т.е. расстояние между остатками вдоль оси спирали равно 3,4 А), или, говоря другими словами, структура повторяется через каждые 23 нуклеотида

22*

340

Глава 13

1 Li2GMP J I

Na2 GMP j j 1 0.62M j \ 1 1* / \J

*г GMP Л \ 0,94 M / V \ * ~ .J V Rt>2 GMP 0,42 M I

Cs2 GMP 0.92M J I

Рис. 1313. Спектры ЯМР гуанозин-5'-фосфата (полученные при рабочей частоте 220 МГц), на которых видно изменение сигнала для протона Н8 в присутствии ионов различных щелочных металлов [988]. Концентрация растворов GMP близка к насыщающей (0,4-0,9 М), Т= 1 —5°С, растворитель D20. В присутствии ионов Li+ и Cs + спектр не изменяется, а в присутствии ионов Na +, К+ и Rb + пик резонансного поглощения Hs расщепляется из-за образования тетрамерно-го комплекса, в котором ион располагается в центральной полости в окружении четырех атомов 06 гуанозинов.

8,55 8,14 7,88 7,54 7,25

(или через каждые два витка); таким образом, симметрия спирали 232 [990, 992]. Конформационные углы в такой модели близки к значениям, характерным для А-семейства полинуклеотидных спиралей (табл. 9.3). Результаты этих двух исследований позволяют фактически исключить из рассмотрения спирали 4-го порядка с конформацией сахара С2-эндо [993], а также все спирали 3-го порядка, предложенные на основании более ранних рентгеновских данных [994], и, наконец, отказаться от левой спирали, которая предложена на основании спектроскопических данных [990]. Структурное сходство между четырехцепочечными спиралями poly(G) и poly(I) было установлено также с помощью иммунологических экспериментов, из которых следовало, кроме того, что помимо четырехцепочечных образуются и одноцепочечные спирали [995].

Структура синтетических гомополимеров

341

Poly(G) и polyil) образуют не только четырехцепочечные, но также одно- н двухцепочечные спирали. Упомянутые выше иммунологические данные и данные по круговому дихроизму [990] и инфракрасной спектроскопии [996] указывают на то, что в растворах обоих типов полимеров при низкой концентрации соли присутствуют упорядоченные одноцепочечные, по всей вероятности, спиральные структуры со стэкингом оснований. В случае poly(G) такая форма метастабильна в присутствии ионов металлов, но стабильна в присутствии большего по размерам и, следовательно, обладающего меньшим экранирующим эффектом иона тетраметиламмония. Это означает, что электростатическое отталкива-

Рис. 13.14. Четырехцепочечная спираль poly(G) [992]. Сахар находится в С3.-эндо-конформации, шаг спирали 39,2 А, число нуклеотидов на виток 11,5. Структура повторяется через каждые два витка, т.е. симметрия спирали 232. Вверху показана четверка нуклеотидов-аналог пары в двойной спирали, вни-зу-одна из цепей четырехцепочечной спирали.

342

Глава 13

ние между соседними отрицательно заряженными фосфатами одной цепи или между различными полинуклеотидными пепями вносит существенный вклад в стабилизацию данной спиральной структуры [996].

И наконец, на основании рентгеновских данных для волокон poly (G), полученных в присутствии 0,03 М НС1, была предложена последняя модель-модель двухцепочечной спирали с восемью нуклеотидами на виток [997]. В этих условиях происходит протонирование атома N7, и легко представить себе пары оснований GH + —GH+ с такой же геометрией водородных связей, как у дуплекса poly (АН+ )-poly (АН+ ), в котором образуются связи N7---HN6 (см. рис. 13.1). Хотя рентгенограмма в данном случае слишком бедна, чтобы можно было говорить о каких бы то ни было деталях структуры, аналогия между дуплексами poly (АН+ )-poly (АН+ ) и poly (GH + )• poly (GH +) очевидна, поскольку обе структуры стабильны только тогда, когда протонированы основания.

Такие же гели, как и в случае мономерного гуанозина и его производных, образуются из дезоксирибоаналогов [978]. В случае полимеров сколько-нибудь детальная структурная информация отсутствует, но результаты электронно-микроскопических исследований позволяют предположить, что полинуклеотид может формировать одно-, двух-и трехцепочечные структуры; впрочем, они могут быть просто денатурированными формами четырехцепочечной спирали [998].

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Синтетические РНК-гомополимеры (в отличие от природных РНК) могут существовать в виде различных структурных форм-от одноцепочечных до четырехцепочечных правых спиралей. Гомополимер poly (С) и его 02'-метилированный аналог образуют одноцепочечные спирали 6-го порядка, a poly (А) в денатурирующих условиях (в присутствии фор-мамида)-одноцепочечную зигзагообразную спираль 2-го порядка, которая при переходе к физиологическим условиям трансформируется в правую спираль 9-го порядка. В структуре олигонуклеотида АрАрА, закристаллизованного в кислой среде, представлены и спиральная конформация, и поворот цепи; в молекуле образуются пары АН+ •••АН + , обнаруженные у полученной в кислом растворе двухцепочечной спирали poly (АН+ ), у которой полинуклеотидные цепи ориентированы параллельно. Более привычные анишпараллельные спиральные структуры А-РНК-типа образуются в случае poly(s2U), poly(U) и poly(X). Для poly(dT) исходя из кристаллической структуры d(pTpT) построена модель одноцепочечной спирали. Очень интересные структуры образует гуанозин в гелях-стопки из нуклеозидных ассоциатов, обладающих симметрией 4-го порядка. Такой же структурный мотив повторяется в спиральных тетрамерах [poly(G)]4 и [ро1у(Г)]4.

ГЛАВА 14

Гипотезы и спекуляции: модель „бок о бок", ДНК с изломами и „вертикальная" двойная спираль

Прежде чем закончить рассмотрение упорядоченных спиральных молекул РНК и ДНК, следует упомянуть о некоторых гипотезах, касающихся их структуры и динамики. Наибольший интерес представляют альтернативная модель двухцепочечной ДНК, в которой отсутствует закручивание полинуклеотидных цепей друг относительно друга,-модель «бок о бок», а также «вертикальная» модель ДНК, предложенная для двойной спирали с основаниями в высокой-анти (— ск)-конформации. Модель ДНК с изломами («кинками») вначале была предложена для того, чтобы объяснить способность «жесткой» спиральной молекулы ДНК обвиваться вокруг гистонового кора в хроматине, но затем ее стали использовать для объяснения механизма «дыхания» ДНК.

14.1. МОЖНО ЛИ СЧИТАТЬ МОДЕЛЬ «БОК О БОК» АЛЬТЕРНАТИВОЙ ДВОЙНОЙ СПИРАЛИ?

Топологическая проблема, возникающая при раскручивании двойной спирали, решается так же, как проблема гордиева узла, путем разрезания.

В уотсон-криковской двойной спирали две полинуклеотидные цепи закручены вокруг одной оси и, следовательно, друг относительно друга. Поскольку в процессе репликации полинуклеотидные цепи расходятся и связываются с новосинтезированными дочерними комплементарными непями [999], исходная родительская ДНК должна раскручиваться. Понятно, что раскручивание такой длинной нитевидной молекулы (гл. 1), сопряженное с многократным поворотом всей молекулы (один полный оборот на каждый виток спирали), требует чрезвычайно интенсивного вращения. Следует еще учесть, что в хроматине, где осуществляется репликация, ДНК плотно упакована. Попытки представить себе все эти процессы вращения и раскручивания выглядят совершенно безнадежными [1000], и тем не менее в конце концов эта проблема была решена: «гордиев узел» из ДНК был разрублен. Этому способствовало открытие целого ряда специфических ферментов, названных впоследствии то-поизомеразами. Они создают в молекуле ДНК разрывы и делают возможным локальное раскручивание двойной спирали, а после того, как

344

Г лава 14

I

с

1

Н-2а—Ч

-га-

Рис. 14.1. Схематическое изображение двойной спирали (слева) и структуры «бок о бок» (справа) [112]. Обратите внимание, что общие размеры (с = шаг спирали и 2а = диаметр спирали) и ось симметрии 2-го порядка (обозначена символом •) в обоих случаях одинаковы.

Рис. 14.2. Схематическое изображение двух проекций модели «бок о бок» [112]. Одна из цепей нарисована в цвете, чтобы показать ее зигзагообразный (неспиральный) ход.

раскручивание произойдет, вновь соединяют концы молекулы, восстанавливая ее исходную структуру [1001].

Другое решение проблемы: модель «бок о бок». Можно ли представить себе комплекс из двух пепей ДНК, в котором основания образуют уотсон-криковские пары, но цепи не перекручиваются и который при этом удовлетворяет экспериментальным рентгенограммам, полученным на волокнах ДНК? Ответ на этот вопрос был получен независимо двумя группами ученых [112, 113, 1002-1004]. Они построили модели двухцепочечных ДНК, имитирующие спиральную геометрию, но вместо спирального вращения одного знака-правого-ввели в модели чередование знака вращения через каждые пол-оборота (рис. 14.1 и 14.2).

Как стереохимически представить себе точки поворота? В пределах чередующихся право- и левоспиральных участков особых стереохимиче-ских проблем не возникает. Однако изменение знака спирали сопряжено с некоторыми трудностями, которые удалось обойти путем введения нестандартных, но стереохимически приемлемых углов вращения вокруг связей С4.—С5., гликозиднои и фосфодиэфирной связей, а также с по-

Гипотезы и спекуляции

345

мощью изменения конформации сахара с С2-эндо на С3.-эндо и наоборот. В модели, предложенной позднее [ИЗ], меняется также ориентация Сахаров-сахарные остатки вдоль цепи ориентированы поочередно то вверх, то вниз, как в левой спирали Z-ДНК (гл. 12). Наконец, поскольку правоспиральное вращение энергетически более выгодно, чем вращение противоположного знака, молекула ДНК в модели «бок о бок» представляет собой слабозакрученную правую сверхспиралъ [112].

Модель «бок о бок» имеет то преимущество, что она не требует раскручивания ДНК при репликации-достаточно разорвать водородные связи, и цепи разойдутся сами [1004а]. Структура обладает значительной гибкостью; такую ДНК легче изогнуть при укладке в хроматине, чем двойную спираль (гл. 19). Кроме того, в модели «бок о бок», как и в спиральной структуре, имеются главный и минорный желобки; и наконец, сахарофосфатный остов все время остается на некой «плоской» поверхности (рис. 14.2), что создает условия для тесного контакта между соседними молекулами и тоже облегчает плотную упаковку в хроматине.

Модель «бок о бок» согласуется с результатами кристаллографических расчетов [1005] и биохимических исследований, которые показывают, что кольцевые одноцепочечные ДНК образуют некий дуплекс, названный ДНК V [1006]. Предполагается, что это особая форма ДНК, у которой число правых и левых витков одинаково. Такую ДНК можно представлять либо в виде структуры «бок о бок», либо в виде структуры, в которой чередуются протяженные право- и левоспиральные участки одинаковой длины.

Однако авторы работы [122] считают, что метод рентгеновской дифракции на волокнах ДНК в принципе не может решить вопрос о том, можно ли считать модель «бок о бок» альтернативой двойной спирали, поскольку он не дает необходимого количества данных. Более сильным аргументом против модели «бок о бок» являются результаты гель-электрофореза сверхспиральных кольцевых замкнутых ДНК, которые показывают, что молекулам одного размера, но с разным числом сверхвитков отвечает на электрофореграмме серия дискретных полос [1007]. Наличие дискретности легче объяснить в рамках модели двойной спирали, чем модели «бок о бок», если предположить, что все молекулы ДНК в полосе имеют одинаковый порядок зацепления (гл. 19).

Наконец, со структурной точки зрения трудно понять, почему через каждые 5 нуклеотидов спираль ДНК должна менять знак вместо того, чтобы просто оставаться непрерывной правой спиралью. Особенно непонятно, что является «сигналом» к повороту полинуклеотидной цепи в случае гомополинуклеотидов, таких, как poly (dA) • poly (dT). И наконец, чем можно объяснить существование различных форм ДНК-А, В, С и D, если не структурными модификациями двойной спирали?

Конечно, при взаимодействии ДНК с белками ситуация может измениться. В настоящее время мы не можем полностью отвергнуть возможность существования структуры «бок о бок», однако следует рас-

346

Глава 14

сматривать такую структуру скорее как особый топологический вариант двухцепочечной ДНК.

14.2. МОЖЕТ ЛИ ЦЕПЬ ДНК СВОРАЧИВАТЬСЯ ПУТЕМ ОБРАЗОВАНИЯ ИЗЛОМОВ?

В хроматине двухцепочечная ДНК в В-форме наматывается на белковый кор, образуя сверхспираль радиусом ~ 50 А (гл. 19). Вначале казалось невероятным, чтобы спираль ДНК диаметром 20 А плавно изгибалась с образованием такой компактной структуры. Поэтому было высказано предположение, что через каждые 20 пар в молекуле появляется излом [1008, 1009]. Эта гипотеза на первый взгляд подтверждалась результатами частичного гидролиза ДНКазой I хромосомных ДНК-белковых комплексов. После обработки комплексов этим ферментом образовывались фрагменты ДНК, имеющие длину, кратную 10 парам, и это рассматривалось как результат расщепления молекулы в местах изломов [1008]. Хотя позднее такая интерпретация была признана ошибочной [907], изломы в двойной спирали по-прежнему считают возможным структурным элементом ДНК.

Геометрическое описание излома в ДНК. Анализ структурных моделей показывает, что излом в двойной спирали ДНК легче всего образуется в том случае, если изгибать ее в сторону минорного желобка (рис. 14.3). Даже такой большой угол излома а, как 100°, можно получить путем изменения одного торсионного угла у (вращение вокруг связи С4.—С5.) от обычных значений, лежащих в области + ск, до значений, лежащих в ап-области. Энергетические расчеты показали, что такое конформационное изменение, связанное с разрушением стэкинг-взаимодействия, легче всего происходит между двумя АТ-парами. Необходимая для этого энергия по оценкам составляет не больше 5 ккал • моль ~1 в зависимости от принятого теоретического приближения [1010, 1011].

Излом имеет следующие макроскопические характеристики: 1) оси двух прилегающих к месту излома спиральных участков не обязательно пересекаются, они могут быть смещены в любую сторону друг от друга на расстояние ~ 1 А (расстояние d на рис. 14.3); 2) соседние спиральные участки связаны псевдоосью симметрии 2-го порядка, совпадающей с биссектрисой угла излома; 3) расстояние D между точкой излома и ближайшей парой оснований может достигать 7-8 А; 4) вообще говоря, излом сопровождается

страница 41
< 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
(21.11.2019)