Биологический каталог




Принципы структурной организации нуклеиновых кислот

Автор В.Зенгер

зоксиполинуклеотидов наблюдается обратная ситуация: комплекс poly(dA) • poly(dT) более стабилен, чем чередующийся сополимер poly(dA—dT) • poly(dA—dT) [558]. Низкая 7^ последнего объясняется образованием коротких шпилек с пониженной термостабильностью. Поскольку РНК-аналоги также способны образовывать шпильки (это известно из данных по тРНК), то, по-видимому, различие в стабильности коррелирует с типом спиральной структуры, а не с нуклеотидным составом: для дезоксианалогов предпочтительными являются В-и D-типы спирали, тогда как рибополинуклеотиды могут существовать только в А-форме (гл. 9).

Шпильки, малые и боковые петли. При оценке стабильности двухцепочечных РНК необходимо учитывать не только взаимодействие между соседними нуклеотидами, но и эффект образования разнообразных петель: шпилечных, малых и боковых [557-561] (табл. 6.10; рис. 6.21). Согласно имеющимся данным, боковые и малые петли более стабильны,

100

20

0,01 м ро//

0.001М ЭДТА /

0.15М NaCl* / 0.015М Цитрат Na /

-1_d

60

100

110

Рис. 6.17. Зависимость температуры плавления Тт ДНК от GC-содержания [549]. Препараты ДНК готовили в буфере 0,15 М NaCl+ 0,015 М цитрат Na, рН 7,0. Точки 1 и 41, соответствующие poly(dA — dT) и poly(dG — dC), не ложатся на прямую Тт = 69,3 + 0,41 (%GC), проведенную через экспериментальные точки методом наименьших квадратов.

(at)

(GO

(at)

(1)

Рис. 6.18. Схематическое изображение процессов денатурации и ренатурации двухцепочечных ДНК и РНК [550]. В первую очередь плавятся АТ-богатые участки.

Силы, стабилизирующие ассоциаты оснований Таблица 6.9. Оценка стабильности двойной спирали ДНК [555]

167

(А) Матрица стабильности для спаренных динуклеотидов с геометрией В-ДНК

5' 3'

А Т G С

Т 36,73 54,50 54,71 86,44

А 54,50 57,02 58,42 97,73

С 54,71 58,42 72,55 85,97

G 86,44 97,73 85,97 136,12

11 Значения 7^, (в °С) приведены для 19,5 мМ Na4.

(Б) Значения Тт, полученные исходя из данных табл. А, для ряда синтетиче-

ских дезоксирибополинуклеотидов с заданной последовательностью

Полинуклеотид эксперимент1* теория2' разность3'

Poly (dA—dT) • poly (d A— 45,0 46,9 - 1,9

—dT)

Poly (dA—dA—dT) • poly (dA— 49,2 49,4 -0,2

—dT—dT)

Poly (dA)-poly (dT) 53,0 54,5 - 1,5

Poly (dG—dA—dA) - poly (dT— 64,5 66,5 -2,0

—dT—dC)

Poly (dG dT—dA) • poly (dT— 66,8 64,3 2,5

—dA—dC)

Poly(dA—dA—dC)- 70,2 69,0 1,2

•poly(dG dT—dT)

Poly (dG—dA) • poly (dT—dC) 71,3 72,4 - 1,1

Poly (dG—dA—dT) • poly (dA— 72,0 66,1 5,9

—dT—dC)

Poly(dG—dG—dA)- 76,3 76,9 -0,6

•poly(dT—dC—dC)

Poly (dG—dT) • poly (dA—dC) 77,4 76,2 1,2

Poly (dG)- poly (dC) 87,8 86,0 1,8

Poly (dG—dC) • poly (dG—dC) 99,2 104,3 -5,1

11 Приведенные значения являются результатом интерполяции экспериментальных значений, полученных при разных ионных силах, к точке 19,5 мМ Na+.

21 Рассчитаны по данным табл. 6.9 (/4) с учетом частоты встречаемости ближайших соседей в каждом полимере.

3) Гт(эксп.)-Гт(теор.).

чем шпилечные; оптимальный размер последних соответствует шести неспаренным основаниям.

Следует подчеркнуть, что в двухцепочечных ДНК и РНК могут раскрываться как концевые пары, так и пары, расположенные внутри спи-

168

Глава 6

Таблица 6.10. Экспериментально полученные значения свободной энергии двухцепочечных участков и петель в РНК при 25~С1) [557]

Участки со спаренными основаниями

А-А-

U-U-

A-U- -U-A

U-A -A-U

-А-С--U-G-

-С-А- -A-G- -G-A--G-U-'-U-C-'-C-U-

-C-G--G-C-

-G-C -C-G-

G-G-

' С С-

-G -и

-и -G

-G -X-

-и -Y-

AG (ккал) ± 10% -1,2 -1,8 -2,2 -3,2

-5,0

-0,3

Участки с неспаренными основаниями AG (ккал) + 1 ккал

Число неспаренных оснований 2-6

7- 20 т(> 20)

1

2-3 4-7

8- 20 т(> 20)

3

4-5 6-7 8-9 10-30 т(> 30)

Боковые петли + 2 + 3

1 + 2 log m Внутренние петли + 3 + 4 + 5 + 6

4 + 2 log m

Шпилечные петли

оканчивающиеся

парой GC

+ 8

+ 5

+ 4

+ 5

+ 6

3,5 + 2 log те

оканчивающиеся

парой AU

> 8

+ 7

+ 6

+ 7

+ 8

5,5 + 2 log т

11 Приведенные значения свободной энергии AG для участков со спаренными основаниями представляют собой изменение свободной энергии при присоединении одной пары к уже существующей спирали и поэтому определяются последовательностью только двух пар.

Силы, стабилизирующие ассоциаты оснований 169

Рис. 6.19. Кривая плавления ДНК (вверху) и ее первая производная cL4/dT (внизу). Четко видны 9 пиков, каждый со своей собственной температурой, высотой и шириной. Представлены расчетные кривые; экспериментальные кривые приведены в работе [557].

78 80 82 84

Температура. ° С

Рис. 6.20. Корреляция между температурой плавления Тт, определенной экспериментально (табл. 6.9), и энергией стэкинга, полученной расчетным путем (табл. 6.8), для спаренных динуклеотидов с геометрией в-ДНК. Примечательно, что два разных подхода к одной и той же проблеме дают согласующиеся результаты, коэффициент корреляции между которыми составляет 0,97. Значения энергии, приведенные на графике, взяты из работы [536] и мало отличаются от тех, которые указаны в табл. 6.8 [555].

170

Глава 6

-А-A" YJ

( U

\

U . А

I I А . U

I I А . U

I I G . С

I I G . С

I I ,U . А

\ U

У

. А

I I

А . U

I I

А . U

А . U

/ \

Внутренняя (J U

С . Gv

Боковая петля

Внутреняя петля

А . U/

I I U . А

I I

G . С

I I

С . G

I I

U . А

I I U . А

I I

с и

V У G . С

I I G . С

I I U . G

б' V

+6

-1,8 -1,2 -2,2 -5,0 -2,2

-1,2 + 3 -1,8 -1,2 -1,2

+2

-2,2 + 3

-1,8

-2,2

-3,2

"2,2

-1,2

-2,2

+2

-5 0

Рис. 6.21. Возможная вторичная структура фрагмента РНК вируса R17 длиной 55 нуклеотидов, построенная по данным табл. 6.10 и 6.11 [557]. Д^полн при 25°С равна — 21,8 ккал • моль ~ Уточненные и незначительно отличающиеся от приведенных данные представлены в работе [556].

ральных участков. Однако частота раскрытия в последнем случае (по данным для двухцепочечных олигорибонуклеотидов) довольно низка [563, 566] (табл. 6.11). Обычно GC-napa примерно в 100 раз более стабильна, чем пара AU; при этом важную роль играют и фланкирующие

Силы, стабилизирующие ассоциаты оснований

171

Таблица 6.11. Вероятность раскрытия AU- и GC-nap в двухцепочечной РНК [561]

Пара и ее окружение AG раскрытия центральной пары при 25°С, ккал-моль-1 Вероятность раскрытия

С—G—G С—С—С 7,5 0,3-10~ 5

G—G—А С—с—и 6,75 1,2-10"5

А—G—G U—С—С 6,75 1,2-Ю-5

А—G—А и—С—и 6,0 4,2-10" 5

А—А—А и—и—и 4,0 120-10"5

A—A—G и—и—с 4,15 100-10 5

G—А—А с—и—и 4,15 100-Ю-5

G—А—G С—и—С 4,3 70-10"5

пары оснований. В молекуле РНК со случайной последовательностью длиной в 106 нуклеотидов при 25 °С примерно 10 GC-nap и 500 AU-nap не будут связаны водородными связями и не будут участвовать в стэ-кинг-взаимодействии с соседними парами. Из всего этого следует, что двухцепочечные нуклеиновые кислоты представляют собой не статичные цилиндрические структуры, а конформационно подвижные, «дышащие» объекты, реагирующие на любые химические модификации [563].

6.9. ТАУТОМЕРИЯ ПАР ОСНОВАНИЙ И «КАЧАНИЕ»: СТРУКТУРНЫЕ АСПЕКТЫ СПОНТАННЫХ МУТАЦИЙ И ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД

Если бы в живых организмах не происходило мутаций и спаривание оснований осуществлялось строго в соответствии с принципом Уотсона— Крика, то флора и фауна нашей планеты не были бы столь разнообразны. Модифицированная генетическая информация передается в ходе репликации последующим поколениям, затем подвергается транскрипции и трансляции, в результате чего синтезируются видоизмененные белки (рис. 6.22).

Репликация, транскрипция, трансляция и генетический код. Наиболее важным моментом во всех трех процессах является узнавание основаниями друг друга в соответствии с принципом Уотсона—Крика, в ре-

ДНК -> мРНК

Репликация Транскрипции /А-Т/

\тРНК^

Белок

Трансляция

Образование комплементарной мРНК

Ь

I

Серии

Тирозин

Пролин

Одна цепь

Генетический код

Рис. 6.22. Схематическое представление центральной догмы молекулярной генетики [584]. Двухцепочечная ДНК реплицируется и передается от одного поколения другому. Последовательность нуклеотидов в ДНК несет информацию о последовательности аминокислот в белке. Для того чтобы мог синтезироваться белок, ДНК транскрибируется с образованием информационной, или матричной, РНК (мРНК). Последовательность нуклеотидов в этой мРНК переводится на язык последовательности аминокислот (трансляция). Нуклеотидный триплет кодирует одну аминокислоту в соответствии с генетическим кодом (рис. 6.23). Трансляция осуществляется при участии транспортной РНК-молекулы-адапто-ра, которая содержит антикодон, комплементарный кодону в мРНК, и связывается с аминокислотой, специфичной данному антикодону.

Рис. 6.23. Генетический код, представленный в радиальной форме [585]. Триплеты, кодирующие разные аминокислоты (их обозначения располагаются по периферии окружности), читаются от центра (5') к периферии (3')- Во всех триплетах первые два основания строго фиксированы, а последнее может различаться (вырожденность). Исключение составляют триплеты, кодирующие аминокислоты Тгр и Met. Аминокислоты, отмеченные звездочкой, встречаются дважды; точками и треугольниками указаны терминальные и инициирующие кодоны соответственно.

Силы, стабилизирующие ассоциаты оснований

173

Рис. 6.24. Возможные механизмы возникновения случайных мутаций в АТ-паре при транзиции и трансверсии [566]. Аналогичную схему можно нарисовать и для GC-пары. Оба мутационных процесса проходят через образование редких таутомерных имино- и енольных форм оснований, которые на схеме обозначены звездочкой. В результате трансверсии образуется пурин-пуриновая пара, в которой одно основание находится в сын-конфор-мации, как это показано на рис. 6.25. Размеры пи-римидин-пиримидиновой пары слишком малы, чтобы она осталась незамеченной при коррекции. (По [570].)

Непра-Пара вильная оснований пара Мутация

А

А*

Т

и а

О)

m

и

А

Т

А

А*

А

С

то

а I-

т

G

зультате которого осуществляются прямое копирование ДНК (репликация) и преобразование последовательности нуклеотидов в ДНК в соответствующую последовательность информационной РНК (транскрипция). В процессе трансляции информация, содержащаяся в мРНК (матричная, или информационная РНК) в виде последовательности нуклеотидов, транслируется на рибосомах в последовательность аминокислот. Аминокислоты поставляются на рибосому молекулами тРНК, выступающими в роли посредников [564]. Каждая специфическая тРНК содержит антикодон-определенную последовательность из трех нуклеотидов (триплет), которая узнает комплементарный ему кодон в молекуле мРНК, в результате чего к растущей полипептидной цепи присоединяется следующая аминокислота в соответствии с генетическим кодом (рис. 6.23). Последовательность аминокислот в полипептидной цепи полностью определяется последовательностью триплетов в мРНК, которая читается от 5'- к З'-концу.

Образование пары, отличной от уотсон-криковской, может привести к мутации. Рассмотрим сначала процесс репликации ДНК. Случайные замены нуклеотидов, которые могут произойти в ходе этого процесса, бывают двух типов: 1) транзиции, когда пурин заменяется другим пурином или пиримидин-другим пиримидином; 2) трансверсии, когда пурин заменяется пиримидином и наоборот [565] (рис. 6.2^). Экспериментально наблюдаемая частота мутаций колеблется от Ю-8 до 10~ 11 на одну синтезированную пару [566]. Эти цифры указывают, как часто ускользает из-под двойного контроля со стороны ДНК-полимеразы синтез неправильных, отличных от уотсон-криковских пар. Фермент ДНК-полимераза перемещается вдоль молекулы ДНК в направлении 5' -» 3', присоединяя нуклеозидтрифосфаты к растущей новосинтезиро-ванной цепи ДНК, комплементарной цепи-матрице [567]. Правильность каждого шага синтеза проверяется и подвергается последующей коррекции. Если присоединенный нуклеотид будет признан неправильным, его вырежет из цепи смещающаяся в обратном направлении (3' -> 5') экзо-нуклеаза [568, 569].

174

Глава 6

Обычная уотсон-криковскан пара

G:C

Качающаяся' пара оснований

^ G:U

G*:T

Рис. 6.25. Некоторые таутомерные не-уотсон-криковские пары, которые могут встречаться в схемах, изображенных на рис. 6.24. Подобные пары приводятся и в работе [570]. Редкие таутомерные формы оснований обозначены звездочкой.

u.-i

Рис. 6.26. Сравнение структуры уот-сон-криковской и «качающихся» пар. Отклонение от стандартной геометрии показано цветной стрелкой. Пары, состоящие из оснований в енольной или имино-формах, описаны в работе [580].

Силы, стабилизирующие ассоциаты оснований

175

Как отмечалось в разд. 5.3, примерно одно из каждых 104-|- 105 оснований находится в редкой таутомерной енольной или иминоформе, и это может приводить к образованию пар, отличных от уотсон-криков-ских (рис. 6.25). Если геометрия таких пар и уотсон-криковских пар одинакова, то при дупликации и коррекции эта пара может быть и не выявлена.

Общую частоту мутаций можно оценить, перемножив концентрации редких таутомерных форм, присутствующих в исследуемой системе. Это дает величину 10~410_4Ч- 10"5-10'5, т.е. 10~810~ 10 мутаций на синтезированную пару, что соответствует экспериментальным данным [570].

Механизм транзиции и трансверсии различается. Для объяснения трансверсий был предложен несколько иной механизм (рис. 6.24). Он предполагает, что в результате трансверсии образуется не пурин-пири-мидиновая неправильная пара, а пурин-пуриновая. «Стандартная» пу-рин-пуриновая пара длиннее, чем пурин-пиримидиновая, и не может остаться незамеченной аппаратом репликации и коррекции. Поэтому предполагается, что в ней при присоединении к растущей цепи происходит анти -» сын-переход и она приобретает «нормальные» размеры. Это требует одновременного образования редких таутомерных форм указанных оснований (рис. 6.25). Анти -» син-переход уменьшает вероятность мутаций еще на 1-2 порядка, и суммарная частота мутаций становится равной 10— 10 Ч- 10— 12 трансверсий на один присоединенный нуклеотид, что опять-таки согласуется с экспериментом [570, 571],

«Качание» оснований: мутации и узнавание тРНК-мРНК. Образование редких таутомерных форм оснований хорошо объясняет природу мутаций в ДНК, связанных не только со случайной заменой нуклеотидов, но и с включением, например, 5-бромурацила и 2-аминопурина (т. е. природу химических мутаций). С другой стороны, в некоторых случаях, по крайней мере при образовании неправильных GT-nap, возникновение мутации можно объяснить простым несоответствием партнеров, без привлечения редких таутомерных форм. Эта так называемая гипотеза «качания» оснований была предложена Криком [572] и в дальнейшем подтверждена экспериментально [573-576].

Гипотеза «качания» была выдвинута для объяснения вырожденности генетического кода, который переводит информацию с языка нуклеотиднои последовательности

страница 20
< 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
(21.07.2019)