Биологический каталог




Принципы структурной организации нуклеиновых кислот

Автор В.Зенгер

1045].

В нескольких лабораториях были получены кристаллы тРНК [1044], и три независимые группы ученых успешно провели рентгеноструктур-ное исследование орторомбических [396, 1046] и моноклинных [85, 87, 1047] кристаллов дрожжевой тРНКРЬе. Позднее была определена структура дрожжевой tPHKAsp [1048], инициаторных тРНКШй из дрожжей [1049] и Е. coli [1050] и дрожжевой тРНК01* [1051].

Г-форма состоит из двух почти перпендикулярных друг другу спиралей А-РНК. Результаты рентгеноструктурного анализа кристаллов показали, что все тРНК имеют более или менее одинаковую Г-образную конфигурацию; длина обеих частей буквы Г составляет около 70 А, а толщина-20 А и равна диаметру двойной спирали А-РНК. Молекулярная структура двух (независимо исследованных) кристаллических форм дрожжевой тРНКРЬе оказалась практически одинаковой, хотя упаковка молекул в моноклинных и орторомбических кристаллах различна. При сравнении со структурой tPHKAsp и инициаторной тРНК"1*6' обнаружены небольшие, но все же заметные различия, которые здесь рассматриваться не будут.

Два конца буквы Г образованы ССА-концом и антикодоновой петлей, которые находятся друг от друга на расстоянии около 80 А (рис. 15.1 и 15.2). Наружный край угла буквы Г образован Т-петлей. Акцепторный и Т-стебли уложены один вслед за другим и образуют единую двойную спираль А-РНК из 11 пар оснований. В аналогичную структуру организованы антикодоновый и D-стебли, но в образуемой ими общей спирали имеется излом: угол между двумя осями равен 26° [396].

тРНК -молекула с псевдосимметрией 2-го порядка. Если рассматривать структуру тРНК в общих чертах, то вертикальная и горизонтальная части буквы Г оказываются связанными псевдоосью 2-го порядка, которая делит пополам угол «Г» и связывает друг с другом спирали «антикодон/D» и «акцептор/Т» (рис. 15.2). Так как аминоацил-тРНК-еинтетазы (ферменты, которые катализируют присоединение к тРНК специфических аминокислот) существуют в виде мономеров, димеров и структур с большим числом субъединиц, можно предположить, что симметрия тРНК обусловлена димерным (с симметрией 2-го

тРНК-сокровищница стереохимической информации

357

Рис. 15.2. Схематическое представление структуры молекулы тРНК [396]. Непрерывная лента -сахарофосфатный остов. Пары оснований изображены в виде длинных полосок, неспаренные основания-в виде коротких. Цветными линиями показаны третичные водородные связи, которые сконцентрированы в шарнирной области и с наружной стороны угла буквы Г. Четыре ветви «клеверного листа» по-разному затенены. Катионы Mg2 +, расположенные в местах аильного связывания, обозначены серыми кружками, две молекулы спермина— серыми изогнутыми линиями.

порядка) состоянием фермента или его агрегацией более высокого порядка-она облегчает узнавание ферментом и субстратом друг друга и обеспечивает наличие симметрии 2-го порядка в структуре комплекса [1052]. Эта привлекательная гипотеза пока не доказана, так как не определена структура ни одного комплекса с тРНК-синтетазой.

15.3. СТАБИЛИЗАЦИЯ ВТОРИЧНОЙ И ТРЕТИЧНОЙ СТРУКТУРЫ тРНК ГОРИЗОНТАЛЬНЫМИ И ВЕРТИКАЛЬНЫМИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯМИ МЕЖДУ ОСНОВАНИЯМИ

Кроме уотсон-криковских пар, ответственных за большую часть горизонтальных взаимодействий между основаниями (особенно в стеблях), в тРНК имеется ряд нестандартных пар и триплетов. Нестандартные пары располагаются преимущественно с наружной стороны угла и

358

Глава 15

Рис. 15.3. Спаривание оснований и стэкинг-взаимодействия в дрожжевой тРНКРЬе [1030, 1046]. Пары, стабилизирующие вторичную и третичную структуру, изображены в виде вытянутых пластин или в виде двух соединенных стержнем коротких пластин. Инвариантные и полуинвариантные основания (закрашены) сконцентрированы в антикодоновой петле, на ССА-конце акцепторного стебля, с наружной стороны буквы Г и в шарнирной области (ср. с третичными водородными связями, изображенными на рис. 15.2 цветными линиями). Обратите внимание на стэкинг оснований 34-38, расположенных в антикодоновой петле, в состав которой входит антикодон Gm34—А35—А36. Буквами от а до h помечены пары и триплеты, изображенные на рис. 15.4.

в шарнирной области буквы Г, где соединяются два спиральных домена. Нестандартное спаривание стабилизирует укладку «клеверного листа» с образованием третичной Г-образной структуры, а многочисленные вертикальные стэкинг-взаимодействия, наличие которых являет-

тРНК-сокровищница стереохимической информации

359

ся одной из главных характеристик архитектуры тРНК, укрепляют эту структуру (рис. 15.2, 15.3).

Не-уотсон-криковские пары, обнаруженные в дрожжевой тРНКРЬе, изображены на рнс. 15.4. Одна из них, «качающаяся» пара G4—U69, входит

Рис. 15.4. Необычные взаимодействия между основаниями, обнаруженные у дрожжевой TPHKphe. Их местонахождение в молекуле тРНК показано на рис. 15.3. Все остальные пары принадлежат к уотсон-криковскому типу. Флажки на гликозидных связях указывают ориентацию остова. В случаях с, е, f (m2Gi0, G45), g(A9, А23Х h(C13, m7G46) цепи параллельны, а во всех остальных случаях антипараллельны. Все эти пары уже были изображены на рис. 6.1.

360

Глава 15

в состав акцепторного стебля. По своей структуре она сходна с уотсон-криковской и поэтому не нарушает структуру двойной спирали, а лишь создает небольшую выпуклость в сахарофосфатном остове. Пара G15—С^-это обратная уотсон-криковская пара с параллельной ориентацией цепей. В обратной хугстеновской паре т1А58—Т54 наблюдается антипараллельная ориентация. Образование здесь уотсон-криковской пары блокируется метилированием основания т1А58. Следовательно, хугстеновское спаривание в данном случае является единственно возможным способом образования водородных связей с другим основанием. Вероятно, образованию хугстеновской пары благоприятствует также положительный заряд, который возникает из-за метилирования Nj. Пурин-пуриновая пара m2G26—А44 «длиннее», чем нормальная уотсон-криковская, а кроме того, она в значительной степени нешшщрна из-за стерического отталкивания между диметиламиногруппой G26 и группой С2Н аденина. Так как эта пара находится на стыке между ан-тикодоновым стеблем и D-стеблем и взаимодействует с обоими, то именно она ответственна за излом в 26° между двумя спиралями.

В тРНК имеется также несколько триплетов оснований, в которых кроме уотсон-криковской пары присутствует дополнительное основание, присоединенное со стороны главного желобка либо одной водородной связью, как в триплете m2G10—С25—G45, либо двумя, как в триплетах G22—С13—m7G46 и А23—U12—А9; в последнем триплете пара А-А выглядит так же, как пары оснований в двойной спирали poly(AH + )-¦ poly (АН+ ) (разд. 13.3). Во всех этих триплетах обязательно представлена одновременно и параллельная, и антипараллельная ориентация полинуклеотидных цепей.

Большинство «третичных» водородных связей образуется между постоянными основаниями. Из рис. 15.2 и 15.3 видно, что большая часть стабилизируюших третичную структуру водородных связей образуется между инвариантными и полуинвариантными основаниями. Так как все тРНК можно сложить в «клеверный лист», это означает, что их пространственная структура более или менее одинакова, т.е. имеет вид буквы Г [1053, 1054].

Стэкинг оснований как главная структурная особенность. В дрожжевой тРНКр1к только 42 основания из 76 входят в спиральные участки. Тем не менее в стэкинг-взаимодействиях участвует 71 основание. Свободные от стэкинга основания-это G20, U47, концевой аденин А74 и остатки дигидроурацила D16, D17. Последние, будучи неплоскими и неароматическими, в общем-то и не должны участвовать в стэкинге (разд. 7.4).

Схема стэкинга оснований в спиральных доменах практически такая же, как у двухцепочечных А-РНК. Однако перекрывание оснований несколько сильнее; по своей плотности спирали эквивалентны структуре с числом пар на виток, меньшим 11 [1052]. Хотя основания U7 и т2С49 непосредственно не связаны друг с другом, спиральная структура в этом месте (в месте контакта между акцепторным стеблем и Т-сте-

тРНК-сокровищница стереохимической информации 361

блем) не нарушается, потому что сохраняется регулярность стэкинга -оба основания взаимодействуют с примыкающими к ним парами.

Интересная схема стэкинга обнаружена у уотсон-криковской пары m2G10—С25, расположенной над основанием m2G26 упоминавшейся ранее «длинной» пурин-пуриновой пары. Она приводит к излому 26° между антикодоновым стеблем и D-стеблем. Далее в Т-петле обратная хугстеновская пара т1А58—Т54 между инвариантными основаниями и инвариантная пара G18—Ч*55 с единственной водородной связью образуют стэкинг с уотсон-криковской парой G53-C61, причем последняя также инвариантна во всех тРНК [1055]. Одно время считали, что расположенная в углу Г-образной молекулы тРНК инвариантная последовательность Ts^ssCjgGs, обусловливает связывание тРНК с рибо-сомной 5S-PHK [1056]. Более новые данные показывают, однако, что в процессе биосинтеза белка такое взаимодействие, вероятно, не осуществляется [1056а].

Интеркаляция оснований-особый вид стэкинга. Чтобы оптимизировать общую схему стэкинг-взаимодействий в молекуле, в отдельных местах основание из одной цепи встраивается между двумя основаниями другой цепи. Такое взаимодействие осуществляется там, где встречаются сразу три цепи: с внутренней стороны угла буквы Г и в области Т-петли. Кроме изображенного на рис. 15.5 случая интеркаляции основания А9 между основаниями G45 и m7G46 обнаружены еще три: С13 между U8 и А9; G18 между т1А58 и G57; G57 между G18 и Glg [1057]. Такое расположение основания подразумевает, что расстояние от него до каждого из соседей равно 3,4 А, поэтому сахарофосфатный остов в месте вставки основания должен перестроиться. К описанию того, как это происходит, мы теперь и перейдем.

15.4. ИЗМЕНЕНИЕ КОНФОРМАЦИИ САХАРА, л-ПОВОРОТ И ПЕТЛЯ СО СТЭКИНГОМ «ФОСФАТ—ОСНОВАНИЕ»: НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫЕ СТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ

Для того чтобы молекула тРНК могла свернуться с образованием столь сложной структуры, состоящей из спиралей и петель, конформация нуклеотидов в определенных участках молекулы должна отличаться от стандартной.

При изменении конформации сахара С3-эндо -> С2-эндо рибозофос-фатный остов вытягивается и расстояние Р • • • Р увеличивается от 5,9 до 7 А (рис. 9.3). Такое изменение происходит в интеркаляционных участках, включающих остатки А9, G19, m7G46 и m1A58, где примыкающие друг к другу основания должны раздвинуться еще на 3,4 А, чтобы могла произойти интеркаляция (рис. 15.5). С2.-эндо-конформация сахара встречается также в тех участках, где происходит резкое «переключение» структуры со спирали на петлю, т.е. в положениях U7, С48 и С60, а также там, где цепь вытягивается,-в положениях D17 и G18 [1057, 1058].

362

Глава 15

Рис. 15.5. Интеркаляция аденина А9 (изображен в цвете) между остатками гуанина m7Gn.6 и G4.5 [1054]. Этот особый вид стэкинг-взаимодействия сопряжен с расхождением остатков гуанина еще на 3,4 А; при этом конформация рибозы изменяется от С3.-эндо до С2.-эндо. Черными кружками изображены атомы фосфора.

л-поворот: изменение углов вращения вокруг связей Р—О остова в местах поворота цепи. Характерные отклонения значений этих углов от величин, свойственных спиральной конформацни, обнаружены в антикодоновой и Т-петлях дрожжевой тРНКРЬе, в дуплексе АрАН+ рАН+ ¦ •АрАН + рАН + , в UpAH+ и в комплексе ApU с 9-аминоакридином (разд. 10.5, 13.3 и 16.2). Во всех этих молекулярных структурах две рибозы, соединенные фосфодиэфирной связью, ориентированы не одинаково (как в спиралях), а смотрят в противоположные стороны (антипараллельны). Этот резкий поворот, названный по аналогии с полипептидными цепями л-поворотом, обусловлен в первую очередь изменением углов вращения вокруг связи Р—03. или Р—Os. (рис. 15.6). Существуют три типа л-поворотов, пх, л2 и л3, со значениями угла С, в окрестности 85, 170 и 285° соответственно (рис. 15.7). Степень поворота определяется углом а, величина которого в спиральных структурах лежит в области 290°. Таким образом, л3-поворот с величиной а = = 290°-это классическая спиральная конформация. Именно такой поворот чаще всего встречается во всех тРНК. У З'-концов нуклеотидов 9, 17, 33, 46 и 55 наблюдаются неспиральные л3-повороты с величиной угла вращения а вокруг связи Р—05. в области + ск или an. Нуклеотиды 33 и 55 находятся в антикодоновой и Т-петлях и стабилизируются в .соответствующей ориентации характерным взаимодействием «основание-фосфат». В дрожжевой тРНКРЬе л,-поворот обнаружен у З'-конца нуклеотида U47, а л2-поворот-в положении G15.

поворот

Рис. 15.6. Вверху. Схематическое представление гс3-поворота, который присут-—вует в антикодоновой и Т-петлях дрожжевой тРНКРЬе [964]. Сахарные остатки и фосфатные группы изображены соответственно в виде больших и малых сфер; основания показаны в виде пластинок, пары-в виде пластинок, соединенных стержнем; символом Н помечено гипермодифицированное основание. Полуинвариантные и инвариантные основания образуют стэкинг с парой, расположенной на верхнем краю петли, и в то же время самое нижнее основание антикодоновой петли участвует в стэкинг-взаимодействии с основаниями, расположенными справа. Фосфаты, изображенные в цвете, принимают активное участие в формировании поворота-они образуют водородные связи (пунктирная линия) и стэкинг (жирная стрелка); соответствующие углы вращения а и ? лежат в областях an и — ск, что отвечает тс3-повороту. Внизу. Детальное изображение петли, иллюстрирующее образование водородной связи, стэкинг и расположение фосфатов (закрашены) в области поворота. Стэкинг между фосфатной группой и урацилом показан двойной стрелкой, водородная связь между N3H-rpynnofi урацила и атомом кислорода фосфата-пунктирной линией [1060].

364

Глава 15

Рис. 15.7. Три типа тс-поворота различаются по величине угла С (вид вдоль связи Р—Оэ.) [964]. Степень поворота зависит от того, насколько угол а отличается от 290° — величины, отвечающей спиральной коиформации.

тсэ-повороты в антикодоновой и Т-петлях стабилизируются стэкннг-взаимодействием «основание-фосфат». В этих двух петлях наблюдается характерная и, по-видимому, идентичная укладка полинуклеотидной цепи (рис. 15.6) [1055]. В обоих случаях тс3-поворот происходит на уровне З'-фосфатов инвариантных нуклеотидов U33 и Ч*55. Последние образуют стэкинг с основаниями, непосредственно предшествующими спиралям, т.е. с полуинвариантным Стз2 и инвариантным Т54. Однако нуклеотиды Gm34 и С56, следующие за U33 и Ч*55, смещаются в результате гс3-поворота (углы а и ? лежат в областях an и — ск). За это нарушение ответственны фосфаты, расположенные на З'-конце данных нуклеотидов, которые находятся в стэкинг-взаимодействии с предшествующими основаниями U33 и 4*55 [1059]. Кроме того, между N3H-rpynnofi основания U33 и атомом кислорода фосфатной группы, присоединенной к атому Оэ. нуклеотида, стоящего по цепи на две позиции ниже, т.е. А35, образуется водородная связь, которая также способствует стабилизации этой структуры. Поскольку этот тип укладки цепи связан с полуинва-риантым и инвариантным основаниями, следует ожидать, что он будет структурным инвариантом во всех тРНК класса I.

15.5.

страница 43
< 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)