Биологический каталог




Принципы структурной организации нуклеиновых кислот

Автор В.Зенгер

112, 1113]). Она получила и теоретическое обоснование [1114^1118, 1118а]. Показано, что как для ДНК, так и для РНК при интеркаляции в последовательность пиримидин-3',5'-пурин происходит Гораздо более сильное перекрывание оснований с интеркалятором, чем при интеркаляции в последовательность пурин - 3',5'- пиримидин. Поэтому в первом случае интеркаляция оказывается на 7-13 ккал • моль ~ 1 выгоднее, чем во втором [1119]. Это межмолекулярное взаимодействие

Интеркаляция

381

стабилизируется внутримолекулярными электростатическими силами, также обеспечивающими предпочтительную интеркаляцию в последовательность пиримидин - 3',5'- пурин [1115]. Кроме того, в случае перевернутой последовательности могут возникать стерически невыгодные контакты, затрудняющие интеркаляцию [1115, 1117].

Характерное распределение конформации Сахаров при интеркаляции. У всех одиннадцати комплексов, приведенных в табл. 16.1, сахар, присоединенный к пиримидину и расположенный на 5'-конце, имеет конформацию С3.-эндо. Сахар, находящийся на З'-конце и присоединенный * пурину, в большинстве случаев находится в конформации С2-эндо, но иногда и в С3.-эндо. Эти исключения показывают, что предположение о наличии общей схемы смешанных конформации С3.-эндо-3',5'-С2.-эндо Т1101] несостоятельно и необязательно конформация сахара представляет собой именно тот параметр, который отвечает за «раздвигание» пар при интеркаляции. Тот факт, что при интеркаляции наблюдаются характерные изменения торсионных углов % и Р, также подтверждает этот вывод [1120].

Данные табл. 16.2 позволяют провести сравнение средних значений торсионных углов в ДНК, РНК и мини-спиралях динуклеозидмонофос-|фатов с величинами этих углов в комплексах с интеркаляторами. Видно, Wro в обоих случаях углы более или менее одинаковы, за исключением .углов р и % на З'-конце. Углы % и р при интеркаляции увеличиваются более чем на 50°, при этом угол % сдвигается в высокую-анти( — ск)-рбласть [1107, 1120]. Построение модели с помощью компьютеров подтверждает, что если в уотсон-криковскую мини-спираль внести такие изменения, то пары действительно разойдутся на расстояние, необходи-ое для интеркаляции (т. е. раздвинутся еше на 3,4 А) (рис. 16.5).

Раскручивание и повороты пар. Интеркаляция в случае кольцевых амкнутых сверхспиральных ДНК сопровождается раскручиванием ДНК. Мерой раскручивания может служить изменение угла между направлениями С1 .•••С,., спроецированными на некую среднюю плоскость. В случае комплексов динуклеозидмонофосфатов с интеркаляторами никаких закономерностей в углах раскручивания не наблюдается, вероятно, из-за того, что картина смазывается концевыми эффектами. Это подтверждают данные, полученные для комплекса дауномицина с гексадезоксинуклеотидом (разд. 16.3). Модельные построения позволяют предположить, что угол раскручивания зависит не только от конформации сахара, он определяется комбинацией небольших изменений

Рис. 16.4. Кристаллическая структура комплексов профлавина с d(CpG) (вверху) и с CpG (внизу) (по результатам рентгеноструктуриого анализа). Показаны вид ебоку и сверху. Сходная структура характерна для большинства комплексов ди-иуклеозидфосфатов с лекарственными препаратами, приведенными в табл. 16.1. гИолекулы антибиотика изображены в цвете, атомы водорода не указаны. Описание деталей изображения см. в подписи к рис. 10.1; соответствующие ссылки введены в табл. 16.1.

" ¦ Конформационные углы и углы раскручивания для комплексов интеркаляторов с динуклеозидфосфатами и

для L-ДНК

Комплекс а р-о5. Р о5-с5. у с5.-с4. б" Q.-C У е С3-03. 03-Р C,-N Конформация сахара C,-N 5-ко- 3-ко-нец нец Углы раскручивания, град Ссылка

А. Ряд дезоксирибонуклеозидов Профлавин - dCpG 290 287 219 218 46 73 210 203 290 300 -164 -170 -100 -67 3? 3? 3? \ 2Е J 17 [1107]

Терпиридин - Pt ¦ dCpG3) 282 308 226 217 57 84 201 194 287 292 -148 -146 -66 -63 3? 3? 2? \ 2Е J 23 [1107, 1141]

ДНК[(Ыру)Р1(еп)]2+, или L-ДНК 82 300 198 227 180 221 76; 76; 147 147 276 171 98 125 26 26 167 167 3? 3? 2? \ 2Е ] 36 [1100]

Б. Для рибоиуклеозидов Профлавин • CpG Акридиновый оранжевый -•CpG 287 288 297 234 237 226 53 50 40 75; 79 204 211 225 292 301 298 -162 -171 -172 -93 -75 -65 3? 3? 3? 3? 2? 1 2? } 23 [1120] [1142]

Этидий - 5-nofl-CpG 286 291 210 224 72 55 87: 84; 131 134 226 225 281 291 -151 -156 -79 -71 3? 3? 2? { 2? } 26 [1143]

Этидий ¦ 5-иод-ирА 291 276 236 230 52 70 98; 95; 133 118 207 218 286 302 -154 -166 -81 -80 3? 3? 2? \ гЕ ] 26 [1119]

9-аминоакридин • 5-иод-Ср<} 280 300 220 229 67 38 72; 85; 110 130 236 216 311 296 -163 -142 -61 -81 3? 3? 3Е \ 2Е } 26 [1144]

295 294 208 222 58 45 99; 105; 106 156 216 209 310 287 -163 -160 -97 -78 3? 3? 3? I 2? } 23 [1144]

Профлавин • 5-HOfl-CpG 305 323 273 206 3 53 102; 79; 122 119 224 273 294 273 -176 -161 -77 -95 3? 3? 3? { 3? } -35> [1132]

Акридиновый оранжевый • ¦ 5-иод-СрО 291 299 235 228 58 60 84; 81; 145 139 217 226 294 284 -161 -165 -85 -90 3? 3? 2? I 2? J 23 [1132]

Эллиптицин - 5-HOfl-CpG 281 214 65 91; 145 199 285 -155 -100 3E гЕ

315 194 47 104; 141 234 258 -166 -106 3E гЕ

ТМР-5-иод-Ср06) 283 219 71 93; 141 203 278 -158 -94 3E 2E

303 206 55 95; 143 212 285 -167 -111 3E гЕ

}

}

22 [1145] 22 [1145]

Примечание. Структурные формулы интеркаляторов приведены на рис. 16.1; L-ДНК-это комплекс ДНК¦ [(bipy)Pt(en)]2+. 11 Первая из приведенных величин относится к пиримидину, вторая-к пурину.

11 Если угол определять последовательностью Од.—С,.—N—С6/С8, как в ранних работах, то для того, чтобы получить приведенные здесь значения, нужно вычесть 180°.

31 Терпиридинплатииа-это 2-гидроксиэтантиолат-2,2',2"-терпиридин—платина (II). 41 Пары не раскручиваются, а сдвигаются в горизонтальном направлении на 1,8 А.

5) Вместо раскручивания происходит закручивание. Кроме того, пары сдвигаются в горизонтальном направлении на ~ 1.3 А.

6) 3,5,6,8-тетраметил-М-метилфенантролин.

Таблица 16.2. Сравнение средних конформационных углов для комплексов динуклеозидмонофосфатов с интеркаляторами и для динуклеозидфосфатов А-РНК, А-ДНК и В-ДНК без интеркаляторов [1107]

Конформация сахара

а р у 6 в ? Х(5')" хР')1' 5'-конец З'-конец

Усредненные значения углов для комплексов с

интеркаляторами 290(8) 225(9) 59(14) 211(11) 293(7) - 162(10) -76(12) С3, ¦эндо С3.-эндо

Динуклеозидмоно- 290(6) 174(7) 57(7) 217(5) 289(4) С2.-эндо

фосфаты

А-РНК 300 175 49 83 213 281 - 166 - 166 С3 ¦эндо

А-ДНК 270 211 47 83 175 315 - 153 - 153 С3 ¦эндо

В-ДНК 321 209 31 157 159 261 -95 -95 с2- ¦эндо

Примечание. Данные для конкретных интеркаляционных комплексов см. в табл. 16.1. В круглых скобках приведено стандартное отклонение. " Вначале эти углы определялись последовательностью 04.—С,.—N—С6/С8. Приведенные здесь значения получены путем вычитания

180°.

Рис. 16.5. Увеличение расстояния между парами в дуплексе CpG при изменении торсионных углов х и Р [1120]. А. Геометрия А-РНК: % = -166°, Р=175°. Б. Конформация при %= —140° и р = 200°. В. Дуплекс с раздвинутыми парами: X = — 100°, Р = 225°. Красные стрелки, которые проходят через середину связи С2-—С3. и атом 04., показывают ориентацию сахара. При спиральной коиформации (А) они попарно параллельны, но в структуре (В) ориентированы по-разному. Это служит подтверждением принципа исключения ближайших мест связывания, основанного на предположении о нарушении укладки пар, примыкающих к месту интеркаляции.

Интеркаляция

385

в торсионных углах остова и геометрии пар, что в совокупности выглядит как изгиб и поворот [1120, 1121]. Существует также корреляция между углом раскручивания спирали и формой интеркалирующего агента [1122].

16.3. УЛУЧШЕНИЕ МОДЕЛИ ИНТЕРКАЛЯЦИИ. КОМПЛЕКС ДАУНОМИЦИНА С ОЛИГОНУКЛЕОТИДОМ d(CpGpTpApCpG)

Чтобы избавиться от концевых эффектов, следует использовать более длинные фрагменты нуклеиновых кислот. Эти эффекты удалось в какой-то мере ослабить в случае комплекса дауномицина с d (CpGpTpApCpG). Хотя в дуплексе, образованном самокомплементарным гексануклеоти-дом, интеркаляция дауномицина (см. формулу на рис. 16.1) затрагивает как раз концевые участки CpG, соседние молекулы в кристалле уложены друг над другом так, что получается псевдонепрерывная спиральная структура и концевые эффекты оказываются пренебрежимо малы [1123].

Общая геометрия интеркаляции дауномицина отличается от геометрии интеркаляции других лекарственных препаратов. При образовании комплекса дауномицина с гексадезоксинуклеотидом (рис. 16.6) встраивающийся хромофор развернут к парам оснований не боковой кромкой, как обычно, а передним кольцом. Кольцо D выступает в главный желобок, а кольцо А с присоединенным к нему сахаром остается в минорном, т. е. структура выглядит именно так, как предполагалось на основании спектроскопических данных [1124-1126]. Комплекс стабилизирован не только стэкинг-взаимодействием, но и водородными связями с гидроксиль-ной и карбонильной группами хромофора, отходящими от атома С9, при этом наличие гидроксильной группы существенно для активности дауномицина [1127, 1128]. Сахарный остаток дауномицина почти полностью закрывает минорный желобок, и именно этим объясняется тот факт, что при интеркаляции связывается не более одной молекулы дауномицина на три пары оснований. Положительно заряженная аминогруппа дауномицина (в положении С3. сахара) не принимает участия в связывании с олигонуклеотидом, хотя на основании спектроскопических данных предполагалось, что такой контакт осуществляется [1125].

Нарушения «дальнего» порядка. Структура гексануклеотида в комплексе в целом подобна структуре В-ДНК, однако на самом деле лишь две центральные АТ-пары располагаются точно так же, как в В-ДНК. Пара, примыкающая к интеркалятору, и пара, которая следует за ней, смещаются: первая сдвигается в сторону главного желобка на 0,4 А, вторая раскручивается на 8°. Раскручивание (которое, таким образом, в месте самой интеркаляции равно 0°) обусловлено в первую очередь изменениями углов вращения е и ? вокруг связей С3.—03. и 03.—Р соответственно. Угол раскручивания, равный 8°, .в целом согласуется

25-509

386

Глава 16

Рис. 16.6. Две проекции комплекса дауномицина с d(CpGpTpApCpG) [1123]. А. Пары лежат в плоскости рисунка. Б. Пары перпендикулярны плоскости рисунка. Дауномицин показан в цвете. На рис. Б изображена только половина структуры. Другая половина точно такая же и связана с первой осью симметрии 2-го порядка, расположенной ниже пары А4-Т3. Обратите внимание на водородные связи между гидроксилом при атоме С9 дауномицина и гуанином G2, а также на водный мостик W между ацетилкетогруппой при С13 и атомом 02 цитозина Сг На рис. А жирными линиями показана ближайшая к наблюдателю пара G2-C5, а тонкими-пара C^-Gg, расположенная дальше.

с оценкой 11°, полученной в экспериментах с кольцевой ДНК [1103, 1129].

Конформация остова не подчиняется каким-либо простым закономерностям. Конформация сахарных остатков гексануклеотида, вообще говоря, характерна для В-ДНК, т.е. Сг-эндо. Индивидуальные же сахарные остатки (считая от дезоксирибозы 1 к дезоксирибозе 6) находятся в следующих конформациях: С2.-эндо, Су-экзо, О^.-эндо, С2.-эндо, С2.-эндо, Су-экзо. С ними связаны следующие значения углов %: — 153, — 93, — 131, — 107, — 82, — 85° (низкое значение % для первого остатка, по-видимому, обусловлено концевыми эффектами).

Проявляется ли у дауномицина специфичность к нуклеотиднои последовательности? Схема образования водородных связей между молекулой дауномицина и CpG-элементами дуплекса (рис. 16.6) предполагает,

Интеркаляция

387

что дауномицин будет легко интеркалировать и в участки с другой последовательностью, если на месте атома N3 гуанина будет находиться другой акцептор водородной связи (атом N3 пурина или 02 пиримидина). Другая существующая в этом комплексе связь-водный мостик между кетогруппой и атомом 02 цитозина-может образоваться и при замене цитозина на другие основания. Отсутствие у дауномицина специфичности к нуклеотидной последовательности сочетается со специфичностью его к знаку спирали (спираль должна быть правой), которая возникает из-за несимметричного размещения заместителей в положениях С7 и Сд дауномицина. Таким образом, для интеркаляции дауномицина не обязательно наличие последовательности CpG; достаточно, чтобы двойная спираль была правой.

16.4. ЭКСТРАПОЛЯЦИЯ МОДЕЛЕЙ ИНТЕРКАЛЯЦИИ НА СЛУЧАЙ ДНК В А- И В-ФОРМАХ

Модели интеркаляции в случае полимерных молекул А- и В-ДНК были построены с помощью ЭВМ. Построение основывалось на известной стереохимии ДНК и стереохимии взаимодействия между интеркаляторами и парами оснований в динуклеозидмонофосфатах [ИЗО, 1131].

• А-ДНК и А-РНК: расхождение пар без раскручивания спирали. При интеркаляции в двойные спирали А-типа все сахарные остатки могут оставаться в С3.-эн<)о-конформации. Расхождение пар осуществляется главным образом за счет изменения конформационных углов остова (, и у, значения которых сдвигаются в область an; при этом процесс происходит без раскручивания и приемлемыми моделями образующихся структур, по-видимому, являются комплексы профлавина с CpG и с 5-иод-СрО (табл. 16.1) [1120, 1132]. Так как конформация и ориентация Сахаров, по существу, не меняются (для сравнения см. рис. 16.4), можно предположить, что при интеркаляции в А-ДНК и А-РНК принцип исключения ближайших мест связывания не выполняется.

Типичные интеркаляционные явления в В-ДНК. В случае В-ДНК, у которой при интеркаляции углы а и 7 сдвигаются в область an, наблюдается иная картина. В наилучшей с точки зрения интеркаляции модели [1131] конформация сахара, расположенного с 5'-стороны от места интеркаляции, меняется с С2--эндо на С3.-эндо в соответствии с тем, что наблюдалось для комплексов динуклеозидмонофосфатов с интеркаляторами. Конформационные изменения не ограничиваются нарушением положения двух прилегающих к интеркалятору пар, а простираются и на другие, дальние пары. Связанное с внедрением каждой молекулы интер-калятора раскручивание на 18° затрагивает по крайней мере по три пары до и после места интеркаляции.

Это «дальнодействие» отчетливо прослеживается у комплекса дауномицина с гексадезоксинуклеотидом и согласуется с принципом исключения ближайших мест связывания. О таких же эффектах дальнего порядка свидетельствуют и 31Р-спектры ЯМР для комплекса актиномицина

25*

388

Глава 16

с гексануклеотидом в растворе [1133]. Как показали эксперименты по дихроизму, плоскость интеркалятора не перпендикулярна оси спирали, а наклонена к ней под углом ~ 20°. Это влияет на расположение как ближайшей пары, так и

страница 46
< 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
(22.11.2019)