Биологический каталог




Биоорганическая химия

Автор Ю.А.Овчинников

и 100 °С образуется пентаацилироваиное производное. В мягких щелочных условиях избирательно снимаются бензоильные группы, связанные с гидрокс ильным и группами углевода и атомом N(3), но сохраняется бензоильная группа у экзоциклического атома азота

Реакции с альдегидами. Реакция аминогрупп гетероциклических оснований нуклеиновых кислот с формальдегидом приводит к образованию аминометилольиых соединений. Следует подчеркнуть.

390 что реакция обратима: при удалении формальдегида из реакционной

---¦-¦— смеси и даже при ее разбавлении наблюдается быстрая регенера-

Нуклеиновые кислоты ция исходных продуктов. В щелочной среде метилольное соединение

через промежуточно образующееся основание Шиффа может реагировать с экзо цикли чес кой аминогруппой другого нуклеозида, давая стабильное бис (нуклеозидил)метиленовое производное

Ft—полирибонукпеотидная цепь

Широко применяется реакция оснований нуклеиновых кислот с гх-дикарбоиильиыми соединениями, такими, как глиоксаль. Аденин и цитозин при этом дают амииометилольные производные, а гуанин образует три цикли чес кий продукт за счет конденсации амино- и иминогрупп с обеими карбонильными группами глиоксаля:

Реакция нуклеиновых кислот с глиоксалем может рассматриваться как специфическая по отношению к гуаниновым звеньям; скорость ее взаимодействия с одноцепочечными полинуклеотидами значительно выше, чем с двухцепочечными. Она применялась при изучении первичной структуры РНК как метод ограничения действия гуа нил рибо ну кл сазы Реакции с альдегидами широко используются для фиксации одноцепочечных участков нуклеиновых кислот при изучении их с помощью электронной микроскопии.

Взаимодействие с азотистой кислотой. Аминосодержащие основания нуклеиновых кислот при обработке HNO претерпевают

дезаминирование, в результате этого цитозин превращается в ура- 391

цил, аденин — в гипоксантин, а гуанин—в ксаитин. Реакция с -

HN02 применяется для исследования вторичной структуры тРНК. Химическая модификация

Необходимо также отметить, что азотистая кислота является силь- нуклеиновых кислот ным мутагеном.

Модификация углеводных остатков

Углеводно-фосфатный остов во многом определяет конформацию и физико-химические свойства нуклеиновых кислот. Расщепление нуклеиновых кислот различными ферментами связано со спецификой строения углеводно-фосфат ной цепи: а частности, многие ферменты отличают дезоксирибонуклеиновые кислоты от рибонуклеиновых, концевую фосфатную группу от группы, участвующей в образовании фосфодиэфирной связи, 5'-фосфат от З'-фосфата и т. п.

Ацилирование. При действии на нуклеозиды ангидридов или хлорангидридов уксусной или бензойной кислот в безводном пиридине в мягких условиях гладко ацилируются гидроксильные группы остатка углевода. В случае цитидина, аминогруппа которого более реакционное о об на чем у других оснований, а илируется также и аминогруппа. Избирательное ацилирование гидроксильных групп сахара достигается проведением реакции в ледяной уксусной кислоте. При действии уксусного ангидрида в нейтральных водных растворах также образуются только О ацильные производные нуклеозидов.

В реакциях ацилирования первичные гидроксильные группы более peaкцион неспособны, чем вторичные. Для избирательного ацилирования определенных гидроксильных групп углеводного остатка все другие необходимо защищать. Например, 3 ацнлирован ные дезоксинуклеозиды получают действием галогенангидридов в пиридине на 5'-0-защищенные нуклеозиды с последующим удалением защитной группы

(МеО)2Тг—ОСН2 В'с (МеО)2Тг—ОСИ2 Вао НОСН2 В

i\] |/1 Ру N И N 1/1

При ацилировании нуклеотидов в безводной среде в реакцию вступает также и фосфатная группа, образуя смешанные ангидриды, которые легко гидролизуются в водных растворах.

392 Ацилирование олиго- и полинуклеотидов обычно осуществляет-

- ся действием уксусного ангидрида в водных растворах при рН 7,0.

Нуклеиновые кислоты Олигодезоксинуклеотиды в таких условиях превращаются в 5'-0-

ацетаты, в олиго- и полирибонуклеотидах ацетилируются также

2/-ОН-группы.

Смешанные ангидриды в случае олигорибонуклеотидов могут образовываться в результате взаимодействия с гидроксильной группой межнуклеотидного атома фосфора, хотя его реакционная способность ниже, чем у концевых монофосфатоа. В определенных условиях эта реакция вызывает расщепление олигонуклеотидов и миграцию фосфатной группы от 3'- к 2 гидроксильной группе рибозы. Обе реакции объясняются атакой 2 гидроксильных групп рибозы на атом фосфора в смешанном ангидриде, в результате которой разрывается саязь фосфата с 3 -, либо с 5'-гидрокснльной группой

в,

—ОН

Bi

М

V

он \

Ас2Р

N

°ч»

—ОН Р

ОН \

он

О—Р.

\1 АсО \]

\1

ч"

—он

h0nJ

Рибонуклеотиды и рибонуклеозиды с ацилированными 3'- или 393

2'-гидроксигруппами легко претерпевают перегруппировки с мигра---

цией ацильной группы на соседний гидроксил, в результате чего из Химическая модификация

индивидуальных соединений образуются смеси 2'- и З'-изомеров. нуклеиновых кислот Скорость перегруппировки и состав смеси зависят от природы ациль-ного радикала:

он о о он

I I

OR R

и укле тидная и ь

Алкилирование. Из алкилирующих реагентов наиболее широкое применение нашли три фенил хлорметан и его производные, селективно взаимодействующие с пераичными гидроксильными группами углеводных остатков:

Чаще всего а синтезе олигонуклеотидов для блокирования 5'-гидрок-сильных групп используются монометокси и диметокеи три фенил ме ильные производные. Это связано с тем, что образуемые ими эфиры с нуклеозидами гидролизуются в значительно более мягких условиях, чем трифенилметильные Деблокирование проходит под действием кислот. Введение каждой метоксигру пы ускоряет процесс примерно в 10 раз, что существенно снижает побочные эффекты при синтезе олигонуклеотидов.

Для защиты гидроксильных групп углеводов используется также реакция с виниловыми эфирами, приводящая к образованию ацета-лей. Обычно в качестве алкилирующего реагента в этом случае применяют дигидропиран или 4 метокси 3 4 ди идропиран Реакция проводится в присутствии кислотных катализаторов в органических растворителях

Тетрагндропиранильные защитные группы снимаются в слабокислой среде.

Реакции с карбонильными соединениями. Рибонуклеозиды, содержащие незамещенные 2'- и 3*-гидроксильные группы, а присутствии кислотных катализаторов четко вступают а реакцию с альде гидами и кетонами, образуя циклические ацетали или кета пи В частности, для защиты а-диольных групп рибоиуклеозидов нередко используется взаимодействие с бензальдегидом или ацетоном. В первом случае образуются бензилиденовые, во втором — изо-пропилиденовые производные рибоиуклеозидов. Циклические производные легко расщепляются в слабокислой среде

ROCK. В ROCHj В ROCH. В

|>°\J с6н5сно L/OnJ <сизЬсо L>°\J

n—/ N |/1 ~~~~ Гу i/l

Я о он он о о

V у

/ \ / \

с«н* н сн3 сн,

R—полирибонуклеотидная цепь

ROCH. В ROCH. В

он он о } ^ о

R—полирибонуклестидная цепь

Окисление. Широкое применение а химии нуклеиновых кислот находит окисление унс-гликольной группы в рибонуклеозилах, олиго- и полирибонуклеотидах. Эта реакция проходит в мягких условиях под действием солей йодной кислоты с образованием диальдегида. Такого рода диальдегиды весьма pea кци он неспособны.

Они восстанавливаются боргидридом натрия до диолов, вступают в реакцию с гидразинами, давая гидразоны, и реагируют с аминами с образованием циклических производных:

ROCH2 В ROCHa В

LxOvJ CHjNH NH; L^°\J

HiCHN—N N—NHCh О H | H О

CH3HH3

ROCHa В

CH^

R—полирибонуклеотидная цепь

В том случае, если а-диольная группа принадлежит нуклеозид-5'-фосфату, олиго- или полинуклеотиду, окисление с последующей обработкой щелочью или аминами приводит к расщеплению фосфоэфирной связи с одновременным отщеплением основания. Реакция дает возможность избирательно отщеплять 3 концевые звенья у полирибонуклеотидов и используется при анализе последовательности РНК.

Расщепление N-гликозидиых связей. N-Гликозидные связи нук-леозидоа и нуклеотидов весьма устойчивы в нейтральной и щелочной средах и расщепляются при этих значениях рН только в жестких условиях. Однако они относительно лабильны в кислой среде, что послужило основой первых методов определения нуклеотидного состава нуклеиновых кислот (гидролиз хлорной кислотой в течение I ч при 100 °С). Для нуклеозидов, нуклеотидов и полинуклеотидов соблюдается закономерность: скорость гидролиза соединений дезок-сиряда на 2—3 порядка выше скорости гидролиза соединений риборяда, а в каждом ряду N-гликозидные связи пуриновых оснований значительно более лабильны, чем пиримидиновых. На этом различии основан метод селективного расщепления молекул ДНК по пуриновым звеньям (апуринизация). широко применяющийся а структурных исследованиях.

Расщепление фосфоэфирных связей

Расщепление фосфоэфирных связей может проходить с разрывом С—О или Р—О связей

Разрыв по связи С—О (^-элиминирование) становится возможным после удаление соответствующего гетероциклического основания и образования карбонильной группы в (^-положении к

396 фосфодиэфирной группировке. Если fi элиминирование происходит

- в углеводных остатках, содержащих 3'- и 5'-фосфаты, то на первой

Нуклеиновые кислоты стадии образуется непредельный альдегид с сопряженной системой

двойных связей, имеющий в р" положении 5'-фосфатную группу. Эта группа далее отщепляется по механизму р элиминирования с образованием гипотетического продукта, который, как любой виниловый спирт, претерпевает дальнейшие превращения.

R и R—полинуклеотидные цепн

Реакции р1 элиминирования широко используются при определении пераичной структуры нуклеиновых кислот. На них, в частности, основаны методы специфичных расщеплений ДНК и РНК после деструкции различного типа оснований химическими агентами.

Среди реакций, протекающих с разрывом связей Р—О, практически важны кислый и щелочной гидролизы РНК или олигорибо-нуклеотидов. При щелочном гидролизе РНК конечным продуктом являются нуклеозид-2'(3')-фосфаты; ДНК в тех же условиях не расщепляется.

Щелочной гидролиз до моно нуклеотидов применяется для определения нуклеотидного состава РНК.

Характерной особенностью поведения РНК и олигорибонуклео-тидов в кислой среде является изомеризация природной 3' 5'-фос-фодиэфирной связи в 2' Б'-фосфодиэфирную. Процесс идет конкурентно с расщеплением фосфодиэфирных связей. При неполном гидролизе РНК в образовавшихся олигонуклеотидах присутствует значительный процент олигомеров с изомерными связями. Продолжительный гидролиз в кислой среде, так же как и в щелочной, приводит к образованию моно нуклеотидов.

С возможностью изомеризации фосфодиэфирной связи в кислой среде следует считаться во всех случаях, где РНК подвергается кислотной обработке, например в процессе снятия защитных групп при синтезе олигорибонуклеотидов.

Нуклеозид-2'.З'-циклофосфаты, а которых фосфодиэфирная связь образована соседними гидроксильными группами рибозы, в

397

Нуклеопротеиды

кислой и в щелочной среде гидролизуются быстрее, чем 3' -»*¦ 5'-фос-фодиэфиры, что связано с напряженностью пятичлеиного цикла. Особенно быстро гидролиз происходит в кислой среде. Поэтому кислотную обработку применяют для раскрытия циклофосфатных групп олигонуклеотидов, образующихся при гидролизе РНК рибонуклеаза ми.

Основные химические реакции нуклеиновых кислот и их компонентов позволяют получить представление о многообразии химических превращений, в которых участвуют нуклеиновые кислоты in vivo и in vitro.

Нуклеопротеиды

Все функции нуклеиновых кислот в организме осуществляются в комплексах с белками. В то же время лишь некоторые белки выполняют свои функции в комплексе с нуклеиновыми кислотами. Такие комплексы называются иуклеопротеидами. Одни нуклеопротеиды существуют в течение длительного времени, например хроматин, рибосомы, вирусные частицы. Другие возникают на короткое время и, выполнив свою функцию, диссоциируют—к ним относятся комплексы, образуемые ДНК- и РНК-полимеразами, регулятор-ными белками, репрессоры или активаторы и т. п. Нуклеопротеиды осуществляют такие важные процессы в клетке, как репликация, транскрипция и трансляция, транспорт нуклеиновых кислот из ядра в клетку, секреция белков в эукариотических клетках и т. п

396

Нуклеиновые кислоты

Структура нуклеопротеидных комплексов

Нуклеопротеиды образуются, как правило, в результате некона лентных взаимодействий белков и нуклеиновых кислот. В связывании принимают участие электростатические и гидрофобные взаимодействия, водородные связи, а также уже упоминавшиеся «стэкинг-взаимодействия; стабилизирующую роль в комплексах часто играют ионы металлов и другие кофакторы.

Для ряда белков, образующих комплексы с полинуклеотидами, а в некоторых случаях и для самих комплексов по данным рентгено-структурного анализа построены достоверные трехмерные модели. Рис. 221. Miw-ib взаимодействия опера- Однако для сложных многокомпонентных иуклеопротеидов, таких, тора с ci репрессором бактериофага X. например, как рибосомы, этот метод пока неприменим Информацию

об их строении можно получить с помощью электронной микроскопии в сочетании с химическими, нммунохимическими и физическими методами, позволяющими оценить пространственную конфигурацию комплексов и взаимное расположение отдельных компо нентов. Широко используются модификация бифункциональными реагентами, моноклональные и поликлональные антитела, спектральные и расчетные методы, нейтронография.

Комплексы репрессоров с операторами. В качестве примера нуклеопротеидов, выполняющих а клетке регуляторную функцию, рассмотрим комплексы белков — репрессоров с ДНК. Репрессоры являются негативными регуляторами синтеза РНК на ДНК: связываясь со специальным участком ДНК, называемым оператором, они запрещают транскрипцию генов, находящихся под их контролем (см. с. 413). В результате этого взаимодействия образуются прочные комплексы, характеризующиеся константами связывания порядка 10'"—10'"* М '. Как правило, репрессоры представляют собой небольшие белки, состоящие из нескольких идентичных субъединиц. Так, репрессоры умеренных бактериофагов (с| репрессоры) состоят из двух субъединиц, репрессор лактозного оперона Е. coli — из четырех. Самым маленьким из известных репрессоров является так называемый cro-белок бактериофага У. — каждая из субъединиц димера содержит 66 аминокислотных остатков (субъединица cl-penpeccopa фага Я. состоит из 236, а lac-репрессора Е. coli — из 347 аминокислотных остатков).

В настоящее аремя установлены первичные структуры многих репрессороа и операторов. Характерной особенностью нуклеотидных последовательностей операторов является их симметричный характер.

Симметричная структура операторов и субъединичное строение репрессоров позволили предположить, что с каждым из симметричных участков оператора взаимодействует одна из субъедиииц соответствующего репрессора. Исследование доступности для различных химических реагентов участков оператора в комплексе с репрессором и в свободном состоя

страница 52
< 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 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113

Скачать книгу "Биоорганическая химия" (11.1Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(24.06.2017)