Биологический каталог




Принципы структурной организации нуклеиновых кислот

Автор В.Зенгер

асти an и — ак [60, 182, 314, 316, 356, 357].

Гош-, или аномерный эффект затрудняет вращение вокруг эфирной связи Р—О: значения угла а ограничены областью — ск, а угла L, областью — ск или — an. В 5'- и З'-мононуклеотидах все три неэтерифици-рованные связи Р—О эквивалентны, поэтому характер вращения вокруг них-угол вращения а вокруг связи Р—05. и угол вращения ? вокруг связи Р—О j.-соответствует классической схеме заторможенных конформацни этана. Однако в динуклеозидмонофосфатах и олигонуклеотидах более высокого порядка начинают сказываться стерические ограничения, которые сужают диапазон значений углов а и

Рентгеноструктурные исследования олигонуклеотидов и тРНК пока-

Таблица 4.4. Свойства одноцепочечных полинуклеотидов, полученные из данных для семи основных коиформации по углам а и Е, (см. рис. 4.26) [360]

Ориентация Сахаров" Способность оснований располагаться параллельно Расположение оснований по отношению к оси поли-нуклеотида

Pi Одинаковая Да 270/90 От оси

р2 » » 270/170 »

Рз » » 280/290 К оси21

«Скошенная» Нет 200/110 От оси

s3 » » 160/250 »

А, Противополож- Да 80/80 —

ная

А2 » » 80/180 От оси

" Ориентация определяется вектором С3.—С2- -» Од. (см. подпись к рис. 4.26). Термин «одинаковая» означает, что все сахарные кольца в полинуклеотиде параллельны друг ДРУГУ-

2) Уотсон-криковская двойная спираль с параллельно расположенными основаниями, направленными к оси спирали, может образоваться только для Р3-конформации.

Структура оснований, Сахаров и фосфатных групп

109

Таблица 4.5. Влияние образования фосфодиэфирной связи на конформацию нуклеотида1'

Связь (группа) Мономер Димер

хС—N (гликозидная связь) > 225° -> 180°

Кольцо рибозы С2-эндо/С3^эндо С2.-эндо/С3,-эндо

(65/35) (40/60)

YQ-—С5. + ск (74%) + ск (85%)

рС5—05. ап(75%) а«(86%)

еС3—03. + ск^± — ск — ск

аР—05. Свободное вращение (320 и 80°)

?Р—03- + ск, - ск и/или сво- (330 и 50°)

бодное вращение

" В таблице представлены те изменения, которые наблюдаются при переходе от рА и Ар к АрА. Заметим, что с образованием олигомера диапазон возможных конформации сужается [131].

зали, что динуклеозидмонофосфаты могут находиться в двух конформациях: спиральной и неспиральной. Правая спираль образуется только тогда, когда углы а и ? находятся в области — ск, вблизи 270° (группы I и IV в табл. 4.3). Для неспиральных конформации существует несколько возможностей (рис. 4.26, табл. 4.3 и 4.4), которые соответствуют вытянутой, петлеобразной и левозакрученной конфигурациям. Такие структуры наблюдались в олигонуклеотидах UpA [317, 318], АрАрА [160], рТрТ [358] и d(pApTpApT) [359] (группы II и III в табл. 4.3). В тРНК (рис. 4.25) на угол ? налагаются более жесткие ограничения, чем на угол а: последний может принимать значения, лежащие и в — аи-области, в то время как значения ? лежат только в области — ск. Кроме того, заселенность областей + ск и аи для угла а больше, чем для Различие в свободе вращения вокруг двух эфирных связей Р—О обусловлено тем, что группа Р—05. присоединена к первичному С5.-атому, перемещение которого в пространстве менее ограничено, чем вторичного С3.-атома, с которым связана группа Р—03..

Исследования олигонуклеотидов в растворе методом ЯМР привели, по существу, к тем же диапазонам значений углов а и ?, что и кристаллографические методы. Поскольку — ск-ориентация относительно обеих Р—О-связей в «жестком» нуклеотиде обязательно приводит к образованию правой спирали [360], между основаниями наблюдается стэкинг-взаимодействие, что в свою очередь стабилизирует спиральную структуру (гл. 6). Формирование спирали влияет на конформационную гибкость нуклеотидов, наблюдается тенденция к образованию только таких нуклеотидов, у которых сахар находится в С3.-экдо-конформации, и чем длиннее становится цепь (от мономера к димеру, тримеру и т.д.), тем больше увеличивается «конформационная чистота» [130-132, 138-140, 143-148, 331] (табл. 4.5).

Теоретические расчеты показывают, что гош-эффект определяет ориентацию относительно Р—О-связи. Установление ориентации относи-

по

Глава 4

тельно эфирной связи Р—О является ключевым моментом в понимании структурной организации полинуклеотидов. Теоретические расчеты обычно начинают с рассмотрения простых модельных соединений, таких, как диметилфосфат [361-363] или этилметилфосфат [364]. На рис. 4.27 приведены энергетические карты, полученные в результате квантово-химических расчетов методами ab initio и расширенным методом Хюккеля. Карта для диметилфосфата (рис 4.27, А) указывает на наличие у этой молекулы симметрии 2-го порядка; минимумы энергии соответствуют углам вращения С—О—Р—ОэфИр, лежащим в областях ск, ск и — ск, — ск. На карте нет никаких указаний на наличие третьего минимума в ап-области, поскольку «аномерный», или «гош»-эффект [365-368] благоприятствует + ск- либо — ск-ориентациям. Гот-эффект проявляется в системе С—О—Р—ОэфИр с неподеленной парой электро-

360"

о

I

Ме2Р (В твердом сое тоянии и в растворе)

Ме2Р

(В твердом состоянии и в растворе)

180° { Ю3'-Р)

360°

Рис. 4.27. Конформационные карты для вращения вокруг связи Р—О, полученные классическими методами расчета потенциальной энергии с введением дополнительного члена, учитывающего гош-эффект (рис. 4.28). Приведены карты для диметилфосфата (А), дирибозофосфата (Б) и дирибозотрифосфата (В), в которых рибоза находится в С3.-эндо-конформации. Область разрешенных кон-формаций в случае В меньше. Это указывает на то, что конформациям, которые могут принимать полинуклеотиды, соответствуют только определенные значения углов а и ?. (По [375]; см. также работы [361, 369, 373].)

112

Глава 4

Рис. 4.28. Иллюстрация гош-эффекта. Гош ( + ск или — ск)-конформация С—О—Р—О-группы является предпочтительной, поскольку орбитали не-поделенной пары электронов атома кислорода находятся в ап-ориентации относительно соседней поляризованной связи Р—О и кислород может отдавать электроны (внизу). При пол-ностъю-транс (аи)-ориентации (вверху) орбитали и соседние Р—О-связи находятся в + ск- или — ск-конформации и вероятность переноса электронов уменьшается.

нов при атоме О и примьгеающей к нему полярной связью Р —О^фир. Он обусловлен частичной передачей электронов неподеленной пары на полярную связь в случае, когда орбиталь неподеленной пары и связь Р—0Эфир антипараллельны, т.е. когда торсионный угол С—О—Р—Оэфир находится в области +ск или — ск (рис 4.28). При полностью нытянутой зигзагообразной аи-конформации цепи С—О—Р—О—С орбитали неподеленных пар электронов не могут быть антипараллельны полярным связям Р—Оэфир. Такая ситуация соответствует значению энергии, на 7 ккал ¦ моль~1 превышающему глобальный минимум энергии. Следует добавить, что если при расчетах рассматривать З^-орбитали атома фосфора, то это существенно не повлияет на распределение энергии по углам а или С,. Была также отмечена некоторая взаимоснязь между искажением фосфатного тетраэдра и принадлежностью двух эфирных групп к левой или правой структуре [362].

В случае более общей модели, когда к центральной фосфатной группе присоединен сахар или нуклеозид, классический метод расчета потенциальной энергии [58-61, 369-371] и расширенный метод Хюккеля [316, 372] оказываются неприменимыми (см. критические обзоры [182, 370]). Оба они пренебрегают гош-эффектом и поэтому неправильно предсказывают значения углов а и С соответствующие минимуму энергии:

Структура оснований. Сахаров и фосфатных групп

113

согласно этим расчетам, а и ? лежат в аи-области. В таком случае следует применить более точные методы-ППДП [373] или КВВМО [182, 357, 374]-либо ввести дополнительный член при расчете классической потенциальной энергии [375]. Как видно из рис. 4.27, Б, расчетный минимум в этом случае соответствует наблюдаемым значениям а и которые в основном лежат в областях + ск, + ск и — ск, — ск. Значения угла ? могут лежать и в аи-области, поскольку, как мы уже говорили, первичный С5.-атом менее заторможен, чем вторичный С3-

Наличие второй фосфатной группы существенно сужает конформацион-ное пространство. Когда вместо динуклеозидмонофосфата в качестве модельного соединения рассматривается динуклеозидди- или динуклео-зидтрифосфат [369, 375, 376] (рис. 4.27, В), ситуация становится еще более сложной. В этом случае конформационное пространство очень сильно сужается и + ск, + ск-ориентации по углам а и ? становятся запрещенными из-за тесного контакта между соседними фосфатными группами. Отсюда следует, что олигонуклеотнды более ограничены по числу конформации и соответственно конформационно более «чисты», что и подтверждается результатами исследований с помощью ЯМР (табл. 4.5).

4.13. КОРРЕЛЯЦИЯ МЕЖДУ ТОРСИОННЫМИ УГЛАМИ В НУКЛЕОТИДАХ И НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТАХ

Связаны ли друг с другом разные торсионные углы? Как мы уже говорили, вращение вокруг одинарных связей в нуклеозидах и нуклеотидах зависит от структурных особенностей указанных молекул. Это и неудивительно, поскольку нуклеотид представляет собой довольно компактную молекулу и между несвязанными атомами имеется определенное взаимодействие. Возникает вопрос: не существует ли какой-либо корреляции между разными торсионными углами?

Независимым является только угол у. Детально проанализировав данные по кристаллической структуре 127 нуклеозидов и нуклеотидов с применением методов круговой корреляции торсионных углов и регрессионного анализа, Томита и др. показали, что почти все торсионные углы связаны друг с другом линейной зависимостью с коэффициентами корреляции, значения которых находятся в пределах 0,78-0,89 (полной корреляции соответствует коэффициент 1,0) [377]. Ниже приведена схема, на которой стрелками указана сильная корреляция, а пунктиром-слабая корреляция или ее отсутствие. Угол а на схеме не фигурирует, поскольку для нуклеозидов он не имеет смысла:

8-509

114

Глава 4

Очевидно, что углы 8 и v3 взаимосвязаны, поскольку они описывают вращение вокруг одной и той же связи (С3—С4.) и определяют конформацию сахара, которая в свою очередь зависит и от угла v0. Удивительно, что торсионный угол у не коррелирует ни с одним из других углов и соответствующие ему три заторможенные конформацни (разд. 4.8), по-видимому, существуют независимо от общей структуры нуклеозида. Однако для нуклеозида в целом в принципе можно предсказать остальные торсионные углы, так как они взаимосвязаны.

В спиральных полинуклеотидах коррелируют все торсионные углы остова. В спиральных структурах нуклеиновых кислот проявляются новые взаимосвязи между структурными параметрами [378, 379]. Вдоль остова наблюдаются следующие корреляции:

а+-*р, а+-*у, Р+-*е, ?+-*?.

В этом случае угол у уже не является независимым. Хотя коэффициенты корреляции здесь меньше, чем в мономерах (они варьируют от 0,65 до 0,71), можно утверждать, что торсионные углы сахарофосфатного остова и самого нуклеозида взаимосвязаны. Следовательно, конформационные изменения в спиральных полинуклеотидах сопряжены с согласованными изменениями всех торсионных углов (см. также обзор [894а]).

4.14. СПИРАЛЬ ИЛИ НЕСПИРАЛЬНАЯ СТРУКТУРА, А ЕСЛИ СПИРАЛЬ, ТО КАКАЯ ИМЕННО?

Тестом на спиральность полинуклеотида могут служить результаты расчета потенциальной энергии. Диапазон углов а и С, для уотсон-криков-ских двухцепочечных олиго- и полинуклеотидов ограничен рамками — ск-области, а нуклеотиды находятся в основном в одной из предпочтительных «жестких» форм: С2-эндо- или С3-энЭо-конформация сахара, антм-конформация относительно гликозиднои связи (угол %\ + ск-область для угла вращения вокруг связи С4-—С5- (угол у) и область an для углов вращения р и е относительно связи С—О. Для систематического анализа ограничений, которые налагаются геометрией нуклеотидов на структурную организацию одно- и двухцепочечных олиго- и полинуклеотидов, применяется классический метод расчета потенциальной энергии. Иными словами, исследуется вопрос: каковы возможные значения числа нуклеотидов на виток спирали (и) и расстояния между нуклеотидами вдоль оси спирали (й) [380-387]?

Теоретически могут быть образованы как правые, так и левые, как одинарные, так и двойные спирали. В предположении, что сахар находится в С2--эндо- и С3.-эн<)о-конформациях, была рассчитана зависимость и и h от торсионных углов а и ? относительно связи Р—О для трех диапазонов значений угла у: + ск, — ск и an. Во всех случаях получена только одна область, в которой может существовать спираль (рис. 4.29). Расположение этой области на графике зависимости а от ? указывает

Структура оснований, Сахаров и фосфатных групп

115

на то, что конформация сахара коррелирует прежде всего с углом вращения ? вокруг связи 03.—Р, а ориентация относительно связи С4.—С5. влияет на торсионный угол а относительно Р—05--связи. Наиболее интересным в этих расчетах является то, что изолиния с h = О А, отвечающая одинарной (или двойной) распрямленной «спирали-лестнице», проходит через все «спиральные» области и разделяет их на две части, соответствующие левым и правым спиралям. Этот факт демонстрирует то обстоятельство, что даже самые незначительные изменения углов а и при постоянных значениях других торсионных углов, могут приводить к изменению знака спирали. Для того чтобы правая спираль В-ДНК перешла в стереохимически разрешенную гладкую левоспираль-ную форму, торсионные углы должны измениться менее чем на 30" (кроме угла х. который находится в высокой-анти( — ск ^-области у пра-воспиральной формы и в ншкой-анти-области-у левоспиральной) (см. табл. 4.6).

Несмотря на это, стереохимически разрешенные гладкие левые спирали до сегодняшнего дня кристаллографическими методами не обнаружены. Кристаллические структуры олигонуклеотидных фрагментов ДНК и РНК, а также тРНК свидетельствуют о том, что все спирали в них правые. Построение молекулярных моделей показывает, что именно в правой спирали взаимодействие между нуклеотидами разных цепей оптимально. Тем не менее не исключено, что при определенных условиях образуется и левая спираль.

Такие условия могут реализовываться, например, при образовании комплексов с белками. При исследовании кристаллической структуры белка, активирующего катаболизм (БАК), возникло предположение, что он может связываться именно с гладкой левой двойной спиралью ДНК (см., однако, гл. 18). Предположения о существовании левоспирального дуплекса poly[d(I—C)]poly[d(I—С)] высказывались гораздо раньше; основанием для них послужили данные по дифракции рентгеновских лучей на волокнах и круговому дихроизму с сопутствующим построением молекулярных моделей [388]. Надо особо подчеркнуть, что описанные выше левые двойные спирали и Z-ДНК с зигзагообразным остовом-совершенно разные структуры. В Z-ДНК повторяющейся единицей является динуклеотид d(G—С), в котором dG и dC находятся в разных конформациях, тогда как структурные характеристики нуклеотидов в составе гладкой левой спирали практически идентичны.

Концепция виртуальной связи: нуклеотид как система, состоящая из двух блоков. Если нуклеотид рассматривать как систему, состоящую из двух блоков, т. е.

страница 13
< 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
(06.04.2020)