Биологический каталог




Принципы структурной организации нуклеиновых кислот

Автор В.Зенгер

пары, стоящей вслед за ней, т.е. в данном случае мы имеем дело с кооперативным эффектом [1134, 1135].

16.5. ПОЛНОСТЬЮ РАСКРУЧЕННАЯ L-ДНК,

ОБРАЗУЮЩАЯСЯ ПРИ СВЯЗЫВАНИИ С ПЛАТИНОСОДЕРЖАЩИМ ЛЕКАРСТВЕННЫМ ПРЕПАРАТОМ В УСЛОВИЯХ НАСЫЩЕНИЯ. СТРУКТУРА «ВЕРЕВОЧНОЙ ЛЕСТНИЦЫ»

Если ДНК тимуса теленка обработать избытком этилендиамин-(2,2'-би-пиридин)-платины (II)-препаратом, принадлежащим к семейству платиновых соединений, описанных в табл. 8.6 как [(bipy)Pt(en)]2 + (см. рис. 16.1),-то образуется комплекс, на основе которого удается получить пригодные для рентгеноструктурного анализа волокна. Рентгенограмма этих волокон приведена на рис. 16.7. Распределение рефлексов на рентгенограмме уникально. Она имеет простой вид и не похожа ни на одну из тех рентгенограмм, которые получены на волокнах двухцепочечных спиральных ДНК (см. рис. 3.9); расстояние между слоевыми линиями показывает, что параметр элементарной ячейки вдоль оси волокна равен 10,2 А.

L-ДНК похожа по своей структуре на веревочную лестницу и обладает конформационными особенностями, напоминающими Z-ДНК. Анализ рентгенограмм показывает, что при насыщении ДНК молекулами интеркалятора двойная спираль полностью раскручивается, превращаясь в линейную двухцепочечную конструкцию, по виду напоминающую веревочную лестницу (ladder-отсюда и название L-ДНК) [1100] (рис. 16.8). Уотсон-криковская схема спаривания оснований сохраняется. Сохраняется также стопкообразное расположение пар с характерным расстоянием 3,4 А, однако место каждой третьей пары занято теперь молекулой интеркалятора. Чтобы разойтись на расстояние, достаточное для того, чтобы поместилась молекула интеркалятора, нуклеотиды принимают довольно необычные конформацни; участок из двух последовательных пар напоминает скорее CpG-ступеньки Z-ДНК (гл. 12), чем А- или В-ДНК (табл. 16.1). Так, в каждой уотсон-криковской паре L-ДНК одно из оснований находится в смн-конформации, а другое-в анти. Смн-конформация сопряжена с С3.-эндо-конформацией сахара, а аншм-конформация-с С2-эндо. В Z-ДНК соблюдается строгая корреляция: пурин -син, пиримидин -анти, которая, как это следует из сте-реохимических соображений, вероятно, имеет место и в L-ДНК. Однако, поскольку L-ДНК .совершенно не закручена, некоторые торсионные углы, например е, ? и % (вращение вокруг связей с атомом Оэ. и гликозиднои связи), имеют необычные значения, которые отличаются от соответствующих значений для CpG-фрагментов Z-ДНК (табл. 16.1).

Интеркаляция

389

Рис. 16.7. Рентгенограмма ДНК тимуса теленка, насыщенной интеркалирую-щим агентом [(bipy)2Pt(en)]2 + [1100]. Расстояние^ между слоевыми линиями отвечает параметру ячейки вдоль оси волокна 10,2 А. ДНК полностью раскручена и имеет форму «веревочной лестницы» (L-ДНК) [1100].

16.6. АКТИНОМИЦИН D ИНТЕРКАЛЯТОР, СПЕЦИФИЧЕСКИ СВЯЗЫВАЮЩИЙСЯ С ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬЮ GpC

Актиномицин D состоит из феноксазиновой системы колец, связанной с двумя циклическими пентапептидами, которые содержат необычные аминокислоты-саркозин, L-метилвалин и D-валин (рис. 16.1). Этот антибиотик, как показывают биохимические исследования, интеркалирует не в CpG-, а в GpC-участки ДНК, при этом важную роль в связывании играет 2-аминогруппа гуанина [1136, 1137]. По своей специфичности к последовательности GpC актиномицин D резко отличается от всех лекарственных препаратов и красителей, представленных в табл. 16.1, для которых характерна общая схема участка связывания пиримидин-3',5'-пурин. Чем же отличается от этих соединений актиномицин?

390

Глава 16

Рис. 16.8. Структура ДНК тимуса теленка, полностью насыщенной [(bipy)2Pt(en)]2 + (структурную формулу соединения см. в табл. 8.6) [1100]. Двойная спираль ДНК раскручивается и вырождается в структуру «веревочной лестницы». В соответствии с принципом исключения ближайших мест связывания интеркалятор заполняет лишь каждое второе место возможного связывания (интеркалятор показан в цвете)

В кристаллах комплекса дезоксигуанозина с актиномицином D между пептидами и гуанином образуются специфические водородные связи. Молекулярная структура этого антибиотика обладает осью симметрии 2-го порядка, которая связывает друг с другом два циклических пентапепти-да. Пептиды имеют почти эквивалентные конформацни, и вся структура поддерживается водородными связями между остатками D-валина

Рис 16.9. Структура комплекса актиномицина D с дезоксигуанозином. Черным цветом изображены нуклеозиды. Обратите внимание на специфические водородные связи между остатками гуанина и L-треонина. Структура построена по координатам атомов, опубликованным в работе [1138]. Описание деталей изображения см. в подписи к рис. 10.1.

392

Глава 16

[1136, 1138] (рис. 16.9). В комплексе симметрия сохраняется, поскольку один дезоксигуанозин располагается «над», а другой «под» феноксази-новой системой колец. В образовании специфических водородных связей между актиномицином и основанием участвуют атом N3 и Nj-аминогруппа гуанина, а также пептидная группа L-треонина. Очевидно, что это взаимодействие перекрывает все те преимущества, которые дает связывание с последовательностью пиримидин-3',5'-пурин, характерное для более простых интеркаляторов.

Если путем компьютерного моделирования присоединить к обоим дезоксигуанозинам дезоксицитидины, образовав две уотсон-криковские пары и стэкинг с феноксазиновой системой колец, то получится модель комплекса актиномицина с GpC. Эту модель легко экстраполировать на случай двойной спирали В-ДНК. При интеркаляции актиномицина пептидные кольца попадают в минорный желобок и сохраняется симметрия 2-го порядка [1136, 1139]. Модель симметричного ДНК-пептидного комплекса позволила выдвинуть ряд гипотез относительно более сложных белковых систем, взаимодействующих с ДНК, поскольку для многих из них тоже характерно образование комплексов с симметрией 2-го порядка [1144)].

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Взаимодействие ДНК с лекарственными препаратами имеет большое значение для фармакологии. Здесь рассматривались только интеркаля-ционные комплексы с препаратами, обладающими плоскими группировками. Связывание таких препаратов с двойной спиралью протекает в две стадии: на первой происходит их присоединение по периферии спирали, на второй осуществляется интеркаляция, которая сопровождается раскручиванием и удлинением спирали, а также увеличением ее жесткости. В соответствии с принципом исключения ближайших мест связывания молекулы интеркаляторов заполняют лишь половину таких мест. Расхождение оснований при интеркаляции сопровождается изменениями конформацни сахара и торсионных углов % и р. В комплексе между дауномицином и гексадезоксинуклеотидом обнаружены нарушения дальнего порядка; образуются также водородные связи между молекулами антибиотика и ДНК, которые могут обусловливать специфичность такого связывания. Лекарственные препараты с планарной структурой, содержащие хелатный комплекс Pt с бипиридином, очень сильно меняют структуру ДНК, которая принимает вид «веревочной лестницы» (L-ДНК); при этом в каждой уотсон-криковской паре один нуклеотид находится в смн-форме, а другой-в анти, как у Z-ДНК. Обнаружена высокая специфичность комплексов актиномицина D, который связывается исключительно с участками d (GpC), поскольку лишь в этом случае могут образовываться стабилизирующие комплекс водородные связи.

ГЛАВА 17

Вода и нуклеиновые кислоты

Мы уже неоднократно говорили о том, насколько велика роль водного окружения нуклеиновых кислот. Вода-это не просто среда, в которой растворены те или иные молекулы. Вода взаимодействует с растворенными молекулами, и именно она главным образом стабилизирует вторичную и третичную структуру макромолекул [525, 1146-1148]. Это относится и к белкам, и к ДНК, причем к ДНК, пожалуй, даже в большей степени, поскольку высокая диэлектрическая проницаемость воды и гидратированные противоионы ослабляют электростатическое отталкивание фосфатов. Молекулы воды принимают участие и в процессе самосборки оснований в упорядоченные структуры, так как этот процесс в значительной степени обусловлен гидрофобными взаимодействиями. Степень гидратации ДНК имеет определяющее значение для ее конформации: при высокой относительной влажности ДНК находится в В-форме, уменьшение влажности (или увеличение ионной силы) приводит к переходу ДНК из В- в С-, А- или (если позволяет последовательность) в D- и Z-формы.

i7.1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВА СУЩЕСТВОВАНИЯ ПЕРВИЧНЫХ И ВТОРИЧНЫХ ГИДРАТНЫХ ОБОЛОЧЕК ДВОЙНЫХ СПИРАЛЕЙ ДНК

Параметр Г-мера гидратации. Сольватацию, или гидратацию макромолекулы определяют параметром Г, который в случае ДНК равен числу молей воды, приходящихся на один моль нуклеотидов. Вторичная структура ДНК тесно связана с параметром Г [1149, 1150], который в свою очередь непосредственно связан с активностью воды aw, увеличивающейся с понижением концентрации соли в растворе [1151]. Хотя влияние катионов на активность воды определяется ионной силой и в первом приближении не зависит от вида катиона, разные катионы по-разному влияют на вторичную структуру ДНК, что свидетельствует об определенной специфичности взаимодействия ДНК с катионами [1150]. | Две гидратные оболочки двойной спирали ДНК. Экспериментальные данные, полученные при равновесном центрифугировании [1151-1155],

394

Глава 17

Рис. 17.1 Места предпочтительного связывания молекул воды с В-ДНК [1158]. Числа от 1 до 5 указывают порядок, в котором уменьшается сила связывания. Вблизи фосфатной группы находится примерно 5 молекул воды.

изопиестических [1156] и гравиметрических [1157] измерениях, методами ИК-спектроскопии [1158-1160] и рентгеновской дифракции на волокнах (гл. 9), свидетельствуют о том, что молекула ДНК, представляющая собой полиэлектролит, сильно и неравномерно гидратирована. Вокруг нее образуются два дискретных слоя молекул воды-первичная и вторичная гидратные оболочки.

Первичная гидратная оболочка непроницаема для катионов и по структуре не похожа на лед. В соответствии со схемой, приведенной на рис. 17.1, первичная гидратная оболочка двойной спирали включает по крайней мере 11-12 молекул воды на нуклеотид. Эти молекулы в соответствии с уменьшением силы связывания можно разбить на три класса: связанные с фосфатами (I), с фосфодиэфирными связями и остатками Сахаров (II) и с основаниями (III). По данным ИК-спектроскопии атомы кислорода фосфатов гидратированы даже при относительной влажности меньше 65%; при этом на нуклеотид приходится 5-6 молекул воды. Атомы кислорода фосфодиэфирной связи и кислород 04. фуранозы при относительной влажности ниже 60% гидратированы лишь частично. Гидратация функциональных амино-, имино- и кето-групп оснований происходит при относительной влажности выше 65% и приводит к дополнительному связыванию 8-9 молекул воды. При относительной влажности ~ 80% первичная гидратная оболочка двойной спирали ДНК заполняется, при этом на нуклеотид приходится примерно 20 молекул воды. Дальнейшее увеличение степени гидратации приво-

Вода и нуклеиновые кислоты

395

дит к набуханию образца, о чем свидетельствуют результаты рентгеновской дифракции на волокнах ДНК [1161] (рис. 17.2).

Как показывает ИК-спектроскопия, первичная гидратная оболочка отличается по своей структуре от обычной воды. В прямом контакте с ДНК находятся не все 20 молекул; 8-9 из них связаны с остальными 11-12 молекулами внутренней части гидратной оболочки. Внутренняя оболочка непроницаема для катионов [1155] и «не замерзает» (т.е. не образует структуры льда) при температурах значительно ниже 0°С [1160] (рис. 17.3). Вместо искаженных шестиугольных колец, характерных для структуры льда I, гидратная оболочка, по-видимому, образует другие более или менее упорядоченные структуры (разд. 17.5).

Вторичная гидратная оболочка не отличается от обычной воды по проницаемости для ионов и по способности образовывать структуру льда I. Однако в структурном отношении, она, по-видимому, все-таки отличается от воды, которая находится вдали от полиэлектролитной молекулы ДНК, из-за эффектов доннановского типа [1151].

(число мопеи Н20 на моль нуклеотида)

Рис. 17.2. Вверху. Связь между активностью воды (Ощ) и степенью гидратации ДНК (Г) [1153]. Активность воды варьировали, меняя концентрации различных солей Cs + . Полученная зависимость показывает, что для пезиевых солей ДНК степень гидратации практически перестает расти, когда на нуклеотид приходится ~ 20 молекул воды. Внизу. Зависимость процентного содержания В-ДНК от степени гидратации Г [1151]. Нужную степень гидратации получали путем изменения концентрации хлоридов щелочных металлов. Значения Г при содержании В-ДНК 0% и 100% показывают, что минимальная степень гидратации двойной спирали ДНК (ее структура при этом отличается от В-формы) равна 3,6 молекулы воды на нуклеотид а когда на нуклеотид приходится ~ 20 молекул воды, ДНК полностью переходит в В-форму. При дальнейшем увеличении концентрации воды образец ДНК набухает, но конформация ДНК при этом не меняется.

396

Г лава 17

0,24 I 1 1 1 1 А 1 \-150°С Б /~\ I 1 1- 130°С 0,16

0,18 - /Л\ X 0,12 Ш

X О 3 1 0,12 II VV+22°c / / \ JL+25°C X i 0,08 g

о с: 1 ч \\ // о с:

0,06 - у X 0,04

0 1 1 V / 1 1 1 1 I 0

2700 2500 2300 2700 2500 2300

Частота, см'

Рис. 17.3. ИК-спектры препаратов ДНК в HDO при относительной влажности 76% (А) и 86,5% (Б) [1160]. А. На каждый нуклеотид приходится ~ 9 молекул воды, которые образуют внутренний слой первичной гидратной оболочки, непроницаемый для катионов и неспособный к образованию структуры льда. Б. С ну-клеотидом связано ~ 14 молекул воды; 5 из них образуют наружный слой, который не так прочно связан с ДНК и может кристаллизоваться в структуру льда I (на это указывает появление характерной полосы поглощения 2410 см~ *)

17.2. РАЗНЫЕ СОСТОЯНИЯ ГИДРАТАЦИИ А-, В- И С-ДНК

При высокой активности воды, когда катионы не нарушают первичную гидратную оболочку, состоящую из 20 молекул воды на нуклеотид, ДНК находится в В-форме. По мере уменьшения относительной влажности в волокне или пленке или при увеличении концентрации соли в растворе степень гидратации уменьшается и при некотором пороговом значении Г, соответствующем ~ 20 молекулам воды на нуклеотид, наблюдается структурный переход ДНК из В-формы в С- или А-форму в зависимости от природы присутствующего противоиона (рис. 17.2). В->С-переход происходит «непрерывно» [1151], как это и должно быть в случае двух структурно близких форм. Что касается переходов В->А и С-»А, то из-за изменения конформацни сахара С2-эндо -»С3--эндо они должны происходить скачком, кооперативно.

Структурные переходы при высокой концентрации соли и в спиртовых растворах. За переходами ДНК из одной структурной формы в другую можно следить по изменению спектров кругового дихроизма (рис. 17.4). По мере увеличения концентрации соли идет «непрерывный» внутрисе-мейственный структурный переход В->С; когда концентрация соли достигает определенной величины, наблюдается резкий кооперативный меж^семейственный переход С-»А или В-*А

страница 47
< 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
(13.11.2019)