Биологический каталог




Принципы структурной организации нуклеиновых кислот

Автор В.Зенгер

кодон информационной РНК образует с антикодоном уотсон-криковские и «качающуюся» пары и таким образом на антикодоновом стебле появляется двойная мини-спираль (рис. 15.11). Поскольку «качающаяся» пара располагается на дальнем конце спирали, антикодон может найти оптимальное положение для спаривания. Другими словами, чтобы образовалась «качающаяся» пара, кодону не нужно принимать какие-то необычные конформации, что и было показано ранее с помощью теоретических расчетов [1083]. Это согласуется с предположением о том, что на рибосоме все кодоны должны находиться в одной и той же структурной конфигурации, чтобы были обеспечены их геометрическая эквивалентность и быстрое считывание. Кроме того, гипермодифицированное полуинвариантное основание в положении 37 («алкилированный» пурин на рис. 15.11) правильным образом локализует кодон и предотвращает неверное считывание со сдвигом рамки.

По современным представлениям, обнаруженный в дрожжевой тРНКр1ж излом в 26° между антикодоновым стеблем и D-стеблем не является постоянным, а зависит от типа рассматриваемой тРНК. По-видимому, место контакта «антикодон/D» играет роль шарнира, обеспе-

24»

372

Глава 15

Рис. 15.11 Предполагаемая структура антикодона во время взаимодействия с мРНК [579]. В цвете изображен антикодоновый участок тРНК, фрагмент мРНК выделен серым цветом. Обратите внимание на хорошее согласие между этой гипотетической структурой антикодона и структурой, обнаруженной в кристаллах тРНК (рис. 15.2, 15.3).

чивающего функциональную гибкость и соответствующую настройку антикодона в процессе биосинтеза белка [1049].

15.8. «ОПЛАВЛЕННАЯ АРХИТЕКТУРА» ДРОЖЖЕВОЙ тРНК°1у

Пространственные структуры дрожжевых тРНК°1у и тРНКр1ж соотносятся между собой так же, как архитектура известного собора Гауди в Барселоне с архитектурой других европейских соборов,-их общая форма одинакова, но детали архитектуры сильно различаются.

Кристаллы дрожжевой тРНК°1у были получены в необычных условиях: при температуре Т=32°С и в 50%-ном диоксане; среднее время кристаллизации составляло ~ 6 мес. Совершенно очевидно, что ионы

тРНК-сокровищница стереохимической информации

373

Mg2 + и полиамины поддерживали общую пространственную структуру этой тРНК, но не могли предотвратить разрушения вторичной структуры, которое, судя по результатам спектроскопических исследований, должно происходить при высокой концентрации спирта и диоксана [1084].

Кристаллическая структура тРНКЬ1у определена не с таким высоким разрешением, как структура других тРНК, и мы можем описать ее только в общих чертах (рис. 15.12) [1051]. У этой тРНК сохраняются привычная Г-образная форма и пространственный ход цепи, характерные для всех других тРНК. Остатки 18 н 19 в D-петле сближены с инвариантными основаниями *?55 и С56 в Т-петле и образуют наружную часть угла буквы Г. Антикодоновая область такая же, как в других тРНК. Однако акцепторный стебель имеет совершенно иную структуру-3'- и 5'-концы не образуют единой спирали. Они раскрутились й разошлись в разные стороны и в этих новых положениях образовали двухцепочечные спирали с соседней молекулой в кристаллической ячейке (рис. 15.12). Есть ли в образовании такого димера какой-либо биологический смысл-пока неясно [1051, 1085].

Рис. 15.12. «Оплавленная архитектура» дрожжевой тРНК°1у (слева); конформа-ционный остов показан в той же ориентации, что и для молекулы тРНК на рис. 15.2 и 15.3 [1051]. Обратите внимание на общее соответствие формы и пространственных контактов в этих молекулах, которое имеет место, несмотря на большие различия во вторичной структуре. В кристалле две соседние молекулы, связанные осью симметрии, образуют димер (справа) с водородными связями между акцепторными стеблями.

374

Глава 15

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Рентгеноструктурный анализ кристаллов тРНК позволил установить такие детали стереохимии полинуклеотидов, которые невозможно определить в случае других систем. Последовательность тРНК насчитывает от 75 до 90 нуклеотидов, включает ~ 10% минорных компонентов и может образовывать вторичную структуру, известную под названием «клеверный лист»; эта структура состоит из четырех двухцепочечных спиральных стеблей и трех петель. В последовательности имеются инвариантные основания, т.е. основания, присутствующие во всех тРНК. Они участвуют главным образом в «третичных» взаимодействиях, которые возникают тогда, когда молекула тРНК сворачивается в нативную Г-образную структуру. Одну часть буквы Г образуют уложенные друг за другом антикодоновый и дигидроуридиновый стебли, а другую -тимидиловый и акцепторный стебли. Третичные взаимодействия включают стэкинг, интеркаляцию и необычное спаривание оснований, при котором образуются не только пары, но и триплеты. В двухцепочечных спиральных стеблях нуклеотиды имеют ту же конформацию, что и в А-РНК, однако в области петель часто встречается сахар в коиформации С2-эндо; иногда торсионный угол у лежит в области an или — ск, что указывает на растяжение цепи. Взаимодействие фосфат-основание стабилизирует резкие повороты в тимидиловой и антикодоновой петлях, названные л3-поворотами, при которых цепь меняет свое направление на противоположное. Спермин связывается с тРНК в желобках стеблей за счет электростатического взаимодействия с фосфатными группами. Двухвалентные катионы Mg2 + связываются в виде комплекса [Mg(HzO)6]2+ в окружении атомов фосфатных групп, Сахаров и оснований. Антикодон имеет жесткую архитектуру, которая позволяет ему быстро «читать» информационную РНК путем образования мини-спирали. Третичная структура тРНК°|у, закристаллизованной из 50%-ного раствора диоксана, несколько отличается от структуры тРНКРЬс, однако основная ее особенность-Г-форма-сохраняется.

ГЛАВА 16

Интеркаляция

ДНК-носитель генетической информации-взаимодействует со многими лекарственными препаратами, канцерогенными и мутагенными веществами, а также с красителями, характерной особенностью которых является наличие вытянутых (гетеро) циклических ароматических хромофоров. Поскольку ДНК играет ключевую роль в процессах репликации и биосинтеза белка, ее модификация при взаимодействии с этими соединениями оказывает сильное влияние на клеточный метаболизм, замедляя, а в некоторых случаях прекращая рост клеток [1086-1090]. Все эти свойства упомянутых выше соединений вызвали к ним большой интерес, особенно возросший за последние три десятилетия. Обнаружилась возможность их применения в медицине; широкое использование они нашли также и в лабораториях при изучении структуры и функции ДНК.

1 Одну из категорий таких соединений образуют вещества, приводящие к химической модификации ДНК (причем мишенью является в первую очередь гуанин), другую-те, которые связываются с двойной спиралью. Связывание происходит либо по периферии молекулы, либо, как в случае представленных на рис. 16.1 лекарственных препаратов, путем интеркаляции между соседними парами оснований без нарушения уот-сон-криковского спаривания. Поскольку стереохимия интеркаляции достаточно ясна и весьма интересна со структурной точки зрения, мы в данной главе рассмотрим ее более подробно [1089, 1090].

16.1. ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ИНТЕРКАЛЯЦИИ В ДВОЙНЫЕ СПИРАЛИ ДНК И РНК

При интеркаляции физические свойства двойных спиралей изменяются.

Впервые предположение о возможном встраивании плоских ароматических молекул между соседними парами оснований было высказано на основании результатов гидродинамических и рентгеноструктурных исследований ДНК в присутствии акридиновых красителей [1092]. Если в раствор ДНК добавить акридиновый краситель, а затем приготовить волокно и поместить его в рентгеновский пучок, то получится рентгенограмма, на которой рефлексы, обусловленные наличием регулярной

376

Глава 16

NH2

I

н

сн3 н

СГ) 9-Аминоакридин ® Акридиновый ^ оранжевый

I

СН3

снэ

СН2-СН20Н

2-Гидрооксиэтантиолат-2.2',2"-терпиридин - платина (II)

СНэ-Г ^„7-СНз

СНз

3,5,6,8-Тетраметил-М-метил -

®„ /кч фенантролин

Эллиптицин Vg/

|Т1сцв;Га"

СНз

он

н3с^

о он "9

•0

HO>j SNH3 Дауномицин

Sar4 ^Sar.

D-Vtil 0 DVal о Ъпг' eThr' >IH NH

CH3 снз

Актиномнцин

Рис. 16.1. Структурные формулы некоторых интеркалирующих лекарственных препаратов и красителей, образующих с олигонуклеотидами кристаллические комплексы, структура которых определена методом рентгеноструктурного анализа.

спиральной структуры, расплываются или пропадают. Остаются только экваториальные рефлексы, указывающие на регулярную упаковку молекул вдоль волокна, и сильный меридиональный рефлекс (3,4 А), отвечающий межплоскостному расстоянию между парами [1092-1094]. Вообще говоря, при встраивании ароматических молекул «толщиной» 3,4 А общая схема стэкинга может и не нарушаться. Однако, чтобы ин-теркаляция произошла, пары должны раздвинуться, а это приведет к изменению геометрии сахарофосфатного остова и разрушению регулярной спиральной структуры (рис. 16.2). В соответствии с этим представлением молекула ДНК по мере добавления в систему красителя должна удлиняться. Именно об этом свидетельствуют наблюдаемые увеличение вязкости и уменьшение коэффициента седиментации; оба эффекта предполагают также увеличение жесткости двойной спирали ДНК [1092].

Двухстадийный процесс связывания. Поскольку для интеркалирующих агентов характерно наличие хромофорных групп, их взаимодействие с ДНК и РНК можно изучать с помощью спектроскопических методов [1095], которые позволяют определить как термодинамические,

Интеркаляция

377

так и кинетические параметры связывания [1096, 1097]. Судя по нелинейным графикам Скэтчарда и кинетическим параметрам, связывание представляет собой двухстадийный антикооперативный процесс. Из кинетических данных следует, что самой интеркаляции с характерными временами порядка миллисекунд предшествует лимитируемое диффузией быстрое связывание по периферии двойной спирали. Константы связывания для этих двух процессов тоже различаются: для интеркаляции она больше, чем для наружного присоединения [1095-1097].

Принцип исключения ближайших мест связывания. Характер удлинения молекулы ДНК фага Т2 при связывании профлавина говорит о том, что из всех потенциальных мест интеркаляции занято только 44% [1098]. Это означает, что каждое второе место (ближайший сосед вдоль оси двойной спирали ДНК) остается свободным, по-видимому, из-за нарушения геометрии нуклеотидов, примыкающих к интеркалято-рам. Принцип исключения ближайших соседей подтверждается результатами рентгеноструктуриого анализа волокон ДНК в комплексе с пла-тиносодержащим интеркалирующим агентом, показанным на рис. 16.1 [1099, 1100]. Вместе с тем при изучении бифункциональных интеркаля-.торов были получены данные, заставляющие усомниться в справедливости этого принципа [1101]; с другой стороны, такие молекулы могут обладать структурными особенностями, которые у монофункциональных аналогов отсутствуют [1102].

Рис. 16.2. Интеркаляция плоских молекул лекарственных препаратов (черные пластины) в двойную спираль ДНК [1089]. Обратите внимание, что регулярный ход сахарофосфатного остова (справа) в местах интеркаляции нарушается (слева).

378

Глава 16

О 0,05 0,10 0,15

Число связанных молекул дауномицина на нуклеотид

Рис. 16.3. Влияние связывания дауномицина на коэффициент седиментации репликативной формы кольцевой ДНК фХ174 [1103]. Красная кривая-ДНК с разрывом (некольцевая форма). Черная кривая-кольцевая ДНК с правыми сверхвитками (слева), без сверхвитков (в центре) и с левыми сверхвитками (справа).

Интеркаляция приводит к раскручиванию молекулы ДНК. Чтобы освободить место для интеркалятора, пары оснований должны раздвинуться. Это осуществляется за счет одновременного растяжения двойной спирали В-ДНК вдоль оси и ее раскручивания, которое нужно для того, чтобы сахарофосфатный остов при растяжении не разорвался [1093]. О том, что раскручивание действительно происходит, свидетельствуют результаты экспериментов по интеркаляции ряда соединений в плазмидную ДНК-кольцевую замкнутую двойную спираль (гл. 19), которая образует правую сверхспираль. При интеркаляции наблюдается раскручивание двойной спирали (10-20° на каждую интеркалированную молекулу), при котором число правых сверхвитков уменьшается до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие, т. е. пока ДНК не станет простым кольцом без сверхвитков. При дальнейшей интеркаляции двойная спираль продолжает раскручиваться, и в результате образуется левая сверхспираль. За процессом легко наблюдать по изменению коэффициента седиментации [1103] (рис. 16.3).

Кристаллографические исследования дают наглядную картину интеркаляции. Результаты всех описанных выше экспериментов лишь позволяют предположить, что плоские ароматические молекулы могут интер-калировать между парами оснований ДНК и РНК. Прямое доказательство того, что такие комплексы действительно образуются, дают

Интеркаляция

379

кристаллографические исследования, которые позволяют оценить различные стерические факторы, играющие роль в этом процессе. Результаты соответствующих исследований опубликованы в нескольких обзорных статьях [1089, 1090, 1104-1107, 1112].

16.2. СТЕРЕОХИМИЯ ИНТЕРКАЛЯЦИИ В ДНК-И РНК-ДИНУКЛЕОЗИДФОСФАТЫ

Информацию о геометрии комплексов между двойными спиралями ДНК и РНК и интеркалирующими соединениями можно получить, изучая любые комплексы, в которых молекула того или иного лекарственного препарата встраивается между двумя уотсон-криковскими парами. Здесь мы остановимся именно на таких комплексах; системы, в которых интеркаляция отсутствует, или системы с не-уотсон-криковскими парами мы рассматривать не будем [1108-1110]. Во всех случаях, о которых пойдет речь ниже [за исключением комплекса дауномицина с гексаде-зоксинуклеотидом (разд. 16.3)], мы будем иметь дело не с ДНК и РНК, а с динуклеозидмонофосфатами. Следовательно, чтобы можно было делать правильные обобщения, нам придется учитывать концевые эффекты. Наконец, большинство комплексов с интеркаляторами включают РНК-динуклеозидмонофосфаты, и справедливость экстраполяции этих результатов на случай ДНК, вообще говоря, сомнительна, особенно если вспомнить, что двойные спирали ДНК гораздо более конфор-мационно подвижны, чем РНК, которые всегда принадлежат А-семей-ству.

Специфическая последовательность пиримидин-3',5'-пурин [1111]. Во

'всех известных кристаллических комплексах интеркаляторы располагаются между двумя уотсон-криковскими парами, образованными (и гв случае рибо-, и в случае дезоксириборяда) самокомплементарными динуклеозидмонофосфатами, у которых нуклеозид на 5'-конце всегда является пиримидином, а на З'-конце-пурином (рис. 16.4; табл. 16.1). Если поменять основания местами, то либо не образуются кристаллы, либо комплекс будет иметь неспиральную структуру [1110]. Даже в случае некомплементарного комплекса СрА • Профлавин, который образуется при интеркаляции профлавина между парами А—А и С—С параллельной двойной спирали, последовательность тем не менее ается такой же-пиримидин-3',5'-пурин [1109]. Эта специфическая зависимость интеркаляции от последовательности обнаружена также и для водных растворов (по результатам ЯМР-спектроскопии [1

страница 45
< 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)