В.Зенгер

принципы структурной организации нуклеиновых

кислот

Springer Advanced Texts in Chemistry Charles R. Cantor, Editor

WOLFRAM SAENGER

Principles of

Nucleic Acid Structure

¦

Springer-Verlag

New York Berlin Heidelberg Tokyo

В.Зенгер

ПРИНЦИПЫ

СТРУКТУРНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

Перевод с английского канд. физ.-мат. наук Л. В. МАЛИНИНОЙ

и канд. физ.-мат. наук

В. В. МАХАЛДИАНИ

под редакцией акад. Б. К. ВАЙНШТЕЙНА

МОСКВА «Мир» 1987

УДК 547.96

356 ББК 24.239

Щ 3-S60

Зенгер В.

356 Принципы структурной организации нуклеиновых кислот. Пер. с англ.-М: Мир, 1987.-584 с, ил.

В книге известного ученого из ФРГ собраны и систематизированы практически все имеющиеся данные о структуре нуклеиновых кислот.

Рассмотрены структура, конформация и фи нко химические свойства компонентов нуклеиновых кислот; силы, стабилизирующие структуру нуклеиновых кислот. Описаны основные типы двойных спиралей ДНК (А, В, С, D, Z) и РНК; спирали, образуемые синтетическими гомополимера-ми нуклеиновых кислот; гипотетические (расчетные) спирализованные структуры Приведены данные по сверхспиральной организации ДНК, по структуре нукленново-белковых комплексов; описаны высшие формы организации ДНК (нуклеосомы, хроматин, хромосомы).

Предназначена для биофизиков, генетиков, молекулярных биологов.

2007020000-125

149^7, ч. 1

041(01)^7 ББК 24.239

Редакция литературы по биологии

ГОРЬКОГО М. Г.

© 1984 by Springer-Verlag New York Inc. All rights reserved

Authorized translation from English language edition published by Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York Tokyo © перевод на русский язык, «Мир», 1987

Предисловие редактора перевода

Строение и функционирование живых организмов определяются структурной информацией, самовоспроизводящимся носителем которой является молекула ДНК. В ДНК же накапливаются разнообразные мутационные изменения, которые приводят к изменчивости организмов и подлежат естественному отбору. Информация, закодированная в ДНК, передается РНК-посреднику и далее воплощается в структуре белков-носителей всех жизненных функций.

Начало великой славе ДНК было положено сравнительно недавно, в 1953 г., когда Джеймс Уотсон и Френсис Крик построили свою знаменитую модель. Мощная интуиция, романтизм в научном поиске позволили этим исследователям собрать в единое целое накопленные к тому времени факты и идеи относительно структуры ДНК. Это-сразу нашедшие свое место правила Чаргаффа о равенстве количеств аденина и тимина, а также гуанина и цитозина в ДНК. Это - выдвинутые Л. Полингом идеи о спиральности цепных биомолекул, получившие блестящее подтверждение в его знаменитой а-спирали. Это-развитые к тому времени строгие кристаллохимические представления о взаимном расположении атомов и связях между ними в органических соединениях.

Основой при построении любой модели, а также при проверке ее справедливости является эксперимент; в данном случае решающую роль сыграл рентгеновский структурный эксперимент. Как раз в то время Розалинде Франклин и Морису Уилкинсу впервые удалось получить хорошие рентгенограммы ДНК, из которых однозначно следовало, что основания в ДНК уложены одно над другим, как в стопке монет. Отказавшись от предположения о том, что сахарофосфатный остов ДНК находится на оси цепной молекулы и поместив его на периферии, Уотсон и Крик пришли к гениальной догадке о комплементарности А—Т и G—С, стабилизируемой водородными связями. Тем самым они дали принцип самокомплементарного воспроизведения генетического материала, вытекающий из самой его структуры.

Открытие структуры ДНК явилось по сути дела началом бурного развития молекулярной биологии в ее современном понимании. Другим краеугольным камнем этой науки стали быстро последовавшие за ним рентгеновские расшифровки структуры глобулярных белков. Предста-

6

Предисловие редактора перевода

влялось чрезвычайно заманчивым не только узнать, как построены биомолекулы, но и выяснить механизм их функционирования и взаимодействия на молекулярном уровне, т.е. проникнуть в самую основу жизненных процессов. Теперь на наших глазах совершается переход к следующему этапу-от познания этих процессов к сознательному вмешательству в них методами генной инженерии.

В ходе развития молекулярной биологии выявилось много новых функций нуклеиновых кислот. Стала все больше проясняться сложная сеть взаимоотношений между различными нуклеиновыми кислотами и белками. Несмотря на всю красоту модели Уотсона- Крика, простоту заложенных в ней принципов и вытекающих из нее следствий, сами авторы понимали, что нужны гораздо более прямые и строгие доказательства, и спокойно вздохнули лишь спустя 28 3L.T, когда все принципиальные черты исходной модели получили прямое подтверждение. Решающую роль здесь сыграл полный рентгеноструктурный анализ монокристаллов коротких синтетических олигомеров с заданной нуклеотиднои последовательностью.

Вместе с тем тот же рентгеноструктурный анализ, наряду с другими методами, как экспериментальными, так и теоретическими, продемонстрировал конформационное многообразие нуклеиновых кислот. Это многообразие прослеживается на всех уровнях организации, включая низкомолекулярные компоненты ДНК и РНК (основания, нуклеозиды, нуклеотиды), одно- и многоцепочечные полимерные системы и, наконец, комплексы нуклеиновых кислот со специфическими белками.

В книге В. Зенгера, которую мы предлагаем вниманию читателя, впервые подробно и систематически излагаются весьма обширные сведения о структуре нуклеиновых кислот, накопленные к настоящему времени. Главное место в книге уделено данным рентгеноструктурного анализа, включая данные по рентгеновской дифракции на волокнах и монокристаллах. Привлекаются также данные, полученные с помощью спектроскопических методов, в особенности ЯМР, и результаты теоретических расчетов.

Автору книги удалось собрать воедино весь имеющийся материал по конформационным характеристикам нуклеиновых кислот-все эти сведения представлены в многочисленных таблицах и проанализированы в тексте. При этом конформационные параметры полимерных молекул и комплексов оказываются как бы логическим развитием материала по различного рода взаимодействиям между отдельными элементами структуры. В книге подробно обсуждаются наиболее яркие и значительные достижения последних лет: открытие Z-формы ДНК, анализ сверхспиральной организации, данные по структуре нуклеиново-белковых комплексов, в том числе по структуре нуклеосом. Все это делает книгу В. Зенгера единственной в своем роде-все ранее написанные монографии, в которых в той или иной степени обсуждается структура нуклеиновых кислот, уже явно не соответствуют сегодняшнему уровню развития этой области.

Предисловие редактора перевода

7

Таким образом, данная книга, перевод которой на русский язык выполнен квалифицированными специалистами, будет чрезвычайно полезна всем, кто интересуется структурой важнейшего класса биологических макромолекул.

Несколько замечаний по терминологии. Мы отказались от принятой прежде номенклатуры желобков двойной спирали (большой и малый, широкая и узкая бороздка) и называем эти желобки главным и минорным. Мы сочли удачным введенные В. Б. Журкиным названия конформационных параметров спирали: угол наклона (6Т) и угол крена (6R). Несколько смущает принятая автором система нумерации атомов в виде подстрочных индексов (N3, Oz и т. д), что напоминает символику химических формул, имеющую совсем другой смысл. Однако во всех случаях контекст устраняет какие бы то ни было неоднозначности.

Разумеется, в книге, посвященной столь обширной области, трудно было рассчитывать на одинаково полный охват всей проблематики. Так, весьма сжато изложен материал по комплексам ДНК с антибиотиками, мало внимания уделено структуре нуклеиновых кислот в составе вирусов, не обсуждаются данные по строению рибосом. Необходимо отметить, однако, что все это является следствием многочисленных белых пятен в наших сегодняшних знаниях о структуре нуклеиновых кислот в различных системах.

Остается выразить надежду, что данная книга будет полезна в том числе и тем читателям, которые в дальнейшем примут активное участие в исследованиях, направленных на устранение этих белых пятен.

Б. К. Вайнштейн

Воспроизведено из статьи Campbell А. М. (1978), Straightening out the supercoil, Trends Biochem. Sci, 104-108.

Предисловие

Основой для этой монографии послужил обзор, посвященный структурной организации полинуклеотидов. Я написал его в 1976 г. для книги, которая так и не вышла в свет. Рукопись лежала в столе, пока издательство Springer-Verlag не предложило опубликовать ее как один из томов серии "Springer Advanced Texts in Chemistry". Когда я просмотрел рукопись в 1980 г., то обнаружил, что она безнадежно устарела. Прежде всего была открыта левая спираль ДНК, и это заставило отказаться от представления, что в природе существуют только правые двойные спирали. Фактически все надо было переписывать заново.

Когда я работал над рукописью, мне часто казалось, что я пытаюсь догнать уходящий поезд-такое множество открытий было сделано за последние два года. В настоящее время в структурных исследованиях ДНК наблюдается бум, вызванный, в частности, возможностью получать синтетические олигонуклеотнды любой последовательности. Их можно кристаллизировать либо per se, либо в комплексе с определенными ионами металлов, антибиотиками и белками. В изучении белков также открылись новые горизонты. Сейчас мы знаем пространственную структуру целого ряда белков, связывающихся с ДНК и РНК. Исследуются более сложные системы, включающие соответствующие комплексы, что стало возможным благодаря дальнейшему развитию методов кристаллографии.

Я не могу завершить это короткое предисловие, не поблагодарив тех, кто способствовал появлению моей книги. Это прежде всего Мейн-хард Хейдрих и Манфред Штейфа, которые работали с Кембриджским банком данных, извлекая из него нужные наборы координат атомов. Большинство приведенных в книге рисунков, изображающих структуры различных молекул, вычерчено с помощью программ SCHAKAL [1376] и ORTEP [1377]. Иллюстрации, которые нельзя было нарисовать на компьютере, сделал Людвиг Кольб по моим грубым наброскам.

Когда пишешь книгу, трудно обойтись без хорошей библиотеки и помощи ее персонала. Лучшая из библиотек, которые мне доводилось видеть, это библиотека Института экспериментальной медицины Общества Макса Планка. Благодаря помощи ее сотрудников М. Хеншель,

10

Предисловие

Б. Кюттнер и В. Геллерта я смог получить даже самые экзотические журналы. Перепечатыванием многочисленных вариантов рукописи пришлось заниматься секретарям Шанталь Челли, Дженни Глиссмейер и Петре Гроссе.

И наконец, я хотел бы поблагодарить своего учителя и научного руководителя профессора Фридриха Крамера за руководство и поддержку в течение последних 18 лет.

Геттинген, август 1983. Вольфрам Зенгер

ГЛАВА 1

Почему мы изучаем структуру нуклеотидов и нуклеиновых кислот?

Прежде чем приступить к описанию структуры нуклеотидов и нуклеиновых кислот, следует рассмотреть биологическую значимость этого класса молекул и определить цели изучения основ их структурной орга-' низации на атомном уровне.

Нуклеотиды выполняют множество функций в живых организмах. Наследственный материал-дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК)-представляет собой линейный полимер, мономерными единицами которого являются нуклеотиды. Но даже если бы нуклеотиды не были составной частью ДНК, их все равно следовало бы отнести к разряду наиболее важных биологических молекул.

Нуклеотид состоит из трех компонентов: сахара, гетероциклического основания и фосфата. Сахар (рибоза или дезоксирибоза) присутствует в виде фуранозного кольца, которое соединяется с одним из четырех гетероциклических оснований посредством Р-гликозидной связи с образованием четырех природных нуклеозидов: аденозина, гуанозина, цитидина и тимидина [уридина в рибонуклеиновой кислоте (РНК)]. Нуклеотид образуется в результате фосфорилирования 3'- или 5'-ги-дроксильной группы сахара в составе нуклеозида. Нуклеотид-это не только «кирпичик» для строительства полинуклеотидных цепей ДНК и РНК; он выполняет и другие, независимые функции.

На рис. 1.1 представлены производные аденозина, которые в зависимости от химической модификации выполняют в живой клетке совершенно разные биологические функции. В форме ди- и трифосфата аде-нозин является источником энергии для множества ферментативных реакций и процессов мышечного сокращения. Роль аденозинтрифосфата иллюстрирует тот факт, что скорость его оборота в живых организмах очень высока: для человека она примерно равна массе тела в сутки. Циклический 3'- и 5'-аденозинфосфат играет роль так называемого «второго посредника», опосредуя действие пептидных гормонов. В составе пуромицина аденозин является мощным ингибитором синтеза белка, а как арабино- или 8-азапроизводное проявляет свойства антибиотика. Адено-зиндифосфат, связанный через концевой фосфат с определенными биологическими молекулами, входит в состав двух коферментов: кофермен-

12

Глава 1

HNH

HO OH 8-Азааденоэин

HWH

но—сн2

CH3\N/CH3

¦9h2 HO I

HO

1 -0 D Арабинофураноэил -аденин

HO—CH? I HN OH

Проявляют свойства антибиотиков

сн2-

ф

I

с=о

-С—Н Пуромицин — I антибиотик, ин-^3 гибирующий синтез белка

»—о он

HNH

0f>

-сн3

HNH

Аденозин — ^ 1^ исходная // "Т|*^

W

молекула

но—сн2

HN— СН2 О

О—Р—о

ем о

Циклический 3 ,5-аденоэин монофосфат (сАМР) — второй посредник

Аденоэинтрифосфат (АТР) источник энергии

НО ОН

Кинетин — гормон роста у растений

HNH

о II

HO —Р-0

в

-Р—О—Р —0-

I I

о о

в в

V

"-JC

7

но он

СН2—О—Р—О—Р—о—сн2

о о в в

НО он

NN

Никотинамидадениндинуклеотид (NAD+) — кофермент

Рис. 1.1. Незначительные химические модификации могут приводить к существенным изменениям свойств биологических молекул. На этой схеме представлены аденозин (в центре) и некоторые из его производных, выполняющие совершенно разные биологические функции.

та А и NAD +, которые необходимы для функционирования специфических ферментов.

Чтобы понять биологическую роль нуклеотидов, нужно знать их структурные особенности. Химическая структура и функции производных аденозина, о которых говорилось выше, известны. Но почему они функционируют именно таким образом и каков механизм их действия? Почему, например, 8-азааденозин проявляет свойства антибиоти-

Почему мы изучаем структуру нуклеиновых кислот?

13

ка, в то время как с химической точки зрения замещение СН-группы на азагруппу в восьмом положении практически не влияет на электронную структуру соединения? Объяснение в данном случае нужно искать в изменении не электронной структуры нуклеозида, а его трехмерной структуры, т.е. конформации, которая и объясняет функциональные особенности 8-азааденозина.

Нуклеозиды и нуклеотиды взаимодействуют с белками на всех стадиях их метаболизма и в процессах регуляции, характер которых требует специфического узнавания двух (или большего числа) реагентов. Это предполагает, что взаимодействующие соединения и