Биологический каталог




Принципы структурной организации нуклеиновых кислот

Автор В.Зенгер

мРНК на язык аминокислотной последовательности синтезируемого полипептида. Многочисленные эксперименты [577] показали, что определенный нуклеотидный триплет в мРНК (кодон) узнается комплементарным триплетом тРНК (антикодон), с З'-кон-цом которой связана специфичная для данного антикодона аминокислота, которая включается затем в растущую полипептидную цепь. Триплеты из четырех нуклеотидов A, U, G и С, которые должны кодировать 20 аминокислот, на самом деле могут образовать 43 = 64 слова, т.е. вырожденность кода заранее предопределена. Первые две «буквы» кодона в направлении 5' -» 3' прочитываются однозначно. Вся выро-

176

Глава 6

жденность заложена в третьей «букве», которой могут соответствовать от одного до четырех разных оснований (рис. 6.23).

Отвечает ли каждому из 64 кодонов своя тРНК или же одна тРНК узнает несколько кодонов с одинаковыми первыми двумя буквами и разными третьими? Верным оказалось второе из двух предположений, т.е. предположение в пользу гипотезы «качания».

Между кодоном в мРНК и антикодоном в тРНК образуются три пары оснований. Согласно гипотезе «качания», первые две из них являются обычными уотсон-криковскими парами, а в третьем положении допускается отклонение от этого принципа и образуются следующие пары:

Основания в третьем положении антикодона Основания в третьем положении кодона мРНК

уотсон-криковские «качающиеся»

и А G

С G

G С и

I С U, А

Обращает на себя внимание тот факт, что ни в одной из тРНК в третьем («качающемся») положении антикодона не обнаружено основания А [578]. Вероятно, после синтеза происходит его дезаминирование.

Разные «качающиеся» пары образуются с разной вероятностью. Согласно гипотезе «качания», образование пар между пиримидинами типа UU или UC (пары XVI и XVIII на рис. 6.1) крайне маловероятно, поскольку расстояние между гликозидными связями в этих парах составляет ~ 8,5 А, что на 2 А меньше соответствующего расстояния (10,6 А) в стандартной уотсон-криковской паре. По-видимому, сохранение уот-сон-криковской геометрии весьма существенно; в спаренных триплетах кодон-антикодон основания образуют стопки со спиральной конфигурацией и сильное отклонение от уотсон-криковской геометрии не допускается [579] (разд. 15.7). С этой точки зрения непонятно, как может происходить образование «качающейся» пары А—1, в которой гликоэидные атомы Сг находятся друг от друга на расстоянии 12,8 А. Возможно, имеет место спаривание А—1син [580], аналогичное тому, которое наблюдалось в паре 9-этил-8-бромаденин—9-этил-8-бромгипоксан-тин [581], размеры которой близки к уотсон-криковским.

«Качающиеся» пары, постулированные в работе [572], изображены на рис. 6.26, на котором для сравнения показана также обычная уотсон-криковская GC-napa. Все они образованы с помощью двух водородных связей, однако по своей геометрии отличаются от стандартных пар. Гликоэидные связи Сг—N не связаны осью симметрии 2-го порядка, и, таким образом, изоморфизм между AU- и GC-парами исчезает.

Об образовании «качающихся» пар свидетельствуют не только ре-

Силы, стабилизирующие ассоциаты оснований

177

зультаты исследования процесса трансляции: GU-napa непосредственно обнаружена в акцепторном стебле дрожжевой тРНКРЬе (гл. 15). Такие же пары, по-видимому, ответственны за стабилизацию двойной спирали pory(G) • poly(U) [582], а в комплементарных двухцепочечных олигону-клеотидах по своей стабильности они приближаются к AU-nape [583]. Что касается возможностей образования длинной пары А—1, то такого типа пары можно выявить, рассмотрев пуриновую двойную спираль ро1у(Л)ро1у(/) (гл. 13).

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ

В этой главе рассмотрены силы, стабилизирующие комплексы оснований, в основном ответственные за стабильность двойных спиралей. Наиболее важны водородные связи, образующиеся между одинаковыми (гомо) и разными (гетеро) основаниями. Спаривание оснований может осуществляться 28 разными способами. Из гетеропар регулярные двойные спирали образуются только в том случае, когда геометрия этих пар является уотсон-криковской; они изоморфны друг другу. AT(U)- и GC-пары псевдосимметричны: ось 2-го порядка связывает только гликозидные связи (и сахарофосфатные остовы), но не отдельные атомы пары. Образование водородных связей между основаниями специфично, в его основе лежит электронная комплементарность оснований; при этом GC-napa более стабильна, чем AU, а гомо- и все остальные гетеропары менее выгодны. В кристаллах компонентов нуклеиновых кислот и в двухцепочечных молекулах основания уложены в стопки, так что экзоциклические группы (С=0 и С—NH2) или эндо-циклический атом азота располагаются над гетероциклом соседнего основания. Стэкинг-взаимодействие в стопках осуществляется в основном за счет дисперсионных сил, взаимодействий между постоянным и индуцированным диполями и гидрофобных сил. Образование и разрушение двойных спиралей происходят кооперативно; это обусловлено геометрическими ограничениями, налагаемыми строением сахарофосфатного остова, а также особенностями горизонтальных и вертикальных взаимодействий между основаниями.

Уотсон-криковское спаривание систематически нарушается в процессе трансляции, при связывании антикодона тРНК с кодоном мРНК, когда образуются «качающиеся» пары. Нарушение уотсон-криковского спаривания наблюдается не только в процессе трансляции; такое нарушение в процессе репликации ДНК приводит к мутациям, частота которых определяется присутствием таутомерных имино- и енольных форм, а также наличием син- и онти-конформеров пуриновых нуклеотидов.

12-509

ГЛАВА 7

Модифицированные нуклеозиды и нуклеотиды; нуклеозидди-и нуклеозидтрифосфаты; коферменты и антибиотики

Модифицированные основания, нуклеозиды и нуклеотиды, о которых в основном пойдет речь в данной главе, представляют собой как природные соединения, так и продукты химического синтеза. Они играют важную роль в процессах биохимической регуляции и широко используются в химии, биохимии и фармакологии как модельные соединения для изучения механизмов различных биологических процессов. Они успешно применяются также как антибиотики и противоопухолевые препараты. Полное описание структуры и функций модифицированных нуклеозидов и нуклеотидов выходит далеко за рамки нашей книги, поэтому в данной главе мы коснемся только наиболее широко распространенных и наиболее важных со структурной точки зрения молекул. Детальную информацию по этим вопросам можно найти в работах [21, 586-590].

7.1. КОВАЛЕНТНЫЕ СВЯЗИ МЕЖДУ ОСНОВАНИЕМ И САХАРОМ, ФИКСИРУЮЩИЕ ИХ В ОПРЕДЕЛЕННОЙ КОНФОРМАЦИИ: ЭТАЛОНЫ ДЛЯ СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

Образование дополнительной ковалентной связи между основанием и сахаром или между гидроксильными группами сахара фиксирует конформацию нуклеозида. Используя это обстоятельство, нуклеозиды можно зафиксировать в син- или онти-конформации в зависимости от того, по каким атомам оснований происходит сшивание: С8 (пурин) или N3 (пурин), С6 (пиримидин) или С2 (пиримидин). Дальнейшая «подстройка» угла х определяется тем, какой из атомов сахара-С2-, С3. или С5-будет выбран для связывания (табл. 7.1).

Мостик между основанием и сахаром типа С2,—X—Обоснование). Если основание и сахар фиксированы друг относительно друга мостиком типа Сг—X—Обоснование), то образовавшееся пятичленное кольцо, которое содержит атомы Ct.—С2-—X, и гетероцикл будут компланарны и жестко связаны между собой. Это приведет к фиксации нуклеозида в одной из двух конформации: высокой-анти (— ск) или син в зависимости от того, какой из атомов основания принимает участие в связыва-

Таблица 7.1. Структурные характеристики ряда нуклеозидов, конформация которых фиксирована дополнительной связью между основанием и сахаром

Химическая структура

Название соединения1* Конформация сахара

Ориентация Ориентация Параметры относительно относительно псевдовраще- гликозидной связи С4.—С5. ния связи (х)*» (у)

р. vmax> об" гРаД град град ласть

об- град ласть

Ссылка

НО

NH2

2,2'-ангидро-1-Р-0-арабинофурано-зил-урацил (X = Y = О)

А Б

-2-тиоурацил (Х =

= S, Y=0) -цитозин (X = О,

Y = NH2)2>

6,2' -ангидро-1-P-D-арабинофурано-зил-6 - гидрокси-штозин

С^-эндо—С3.-экзо, 4Т3 С4.-экдо-Сэ--экзо, |Т С^.-эндо, 4Е

С4.-экдо-04.-экзо, 4Т0 С4'-экзо-04.-эндо, 4ТС

со-кая-ан-ти

227 29 син 115 an 175 '591

214 34 син ПО an 174 '592;

232 34 син 116 an 187 593;

247 22 син 119 ск 49 [594]

63 44 вы- 291 ск 57 [595] Таблица 7.1 (продолжение)

Химическая структура

Название соединения" Конформация сахара

Параметры псевдовращения

Ориентация Ориентация

относительно относительно

гликозидной связи С4—С5

связи (х)*' (у)

Р,

град

vmax' град

об- град ласть

область

град

Ссылка

НО

ОН

NH,

8,2'-ангидро-9-Р-Б-арабинофурано-зил-аденин (Х = 0)

- 8-меркаптоаде-нин (X = S)3)

С^-эндо-Су-экзо, |Т 218 19 вы- 287 ск 59 [596]

со-кая-ан-ти

232 34 вы- 299 an 163 [597] со-кая-ан-ти

С4,-эндо, 4Е

НО

ОН

NH,

8,3'-ангидро-8-меркапто-9-P-D-фуранозил-аденин

С2.-экзо, 2Е

345 45

вы-

со-

кая-

ан-

ти

256 ск 74 [598]

2,5'-ангидро-1 -(2',3'-О-взопропилидвн-P-D-урацил (Х = 0) 2-тиоурацил (X = S)

2',3'-0-изопропили-дин-аденозин

А

2',3'-0-метокси-метилен - уридин

С4--эндо-04.-экзо, JT 254 42 син 71

С4--эш)о-04.-экзо, оТ 250 35 сын 64

Плоская

С4.-эндо-С3.-экзо, *Т

Сг-эндо, 2Е

215 32

163 23

анти анти

анти

- 170 ск

— 164 an

124 ск

42

45

54 175

53

[599, 600]

[601]

[602]

[603]

" Символы А и Б относятся к двум независимым молекулам в асимметричной части элементарной ячейки. г) В форме 3',5'-дифосфата.

3) В форме 5'-монофосфата.

4) В оригинальных работах торсионный угол х определялся как угол 04.—С,.—N9—С8 (пурины) и 04.—С,.—N,—С6 (пиримидины). Для перехода к новой номенклатуре (гл. 2) к ним прибавляли или вычитали 180°. Приведенные значения х следует считать приблизительными (+ 3°).

182

Глава 7

Рис. 7.1. Молекулярная структура некоторых нуклеозидов с фиксированной кон-формацией, представленных в табл. 7.1. А. 2,2'-ангидро-1-Р-В-арабинофуранозил-урацил [591, 592]; конформация сахара С^-эндо, ориентация основания соответствует высокой-анти (— ск)-области. Б. 8,3'-ангадро-8-меркапто-Р-В-ксилофу-ранозиладенин [598], в котором сахар фиксирован в С2.-экзо-конформации 2Е, а ориентация основания соответствует высокой-анти-( — ск)-области. В. 2,5'-ан-гидро-1-(2',3'-0-изопропилидин)-Р-Б-рибофуранозилурацил [599, 600]; основание находится в сын-ориентации, а сахар-в 04--экзо-конформации 0Е, которая во всех других случаях запрещена. Г. 2,3'-0-изопропилидинаденозин [602]-нуклеозид с планарной рибозой, которая в немодифицированных нуклеозидах не обнаружена.

Модифицированные нуклеозиды и нуклеотиды

183

Рис. 7.2. Связывание основания с сахаром через атом 02 пиримидина изменяет электронную структуру гетероцикла и приводит к появлению положительного заряда у производных цитозина. Иминоформа (V) при кристаллографических исследованиях не обнаружена; преобладающие мезомерные структуры заключены в цветные прямоугольники.

нии (рис. 7.1, А). Поскольку подобная связь замораживает вращение вокруг гликозиднои связи Cv—N, а также вокруг связи Cv—Сг и жестко фиксирует эндоциклический торсионный угол vt(04.—Сг—С2-—С3.) вблизи 0°, из плоскости сахарного кольца может выступать только атом С4.. В результате сахар принимает конформацию конверта-С4.-экзо или СА.-эндо, которой соответствует фазовый угол псевдовращения Р, равный 240 или 60° (табл. 7.1).

Само собой разумеется, что циклизация основание-сахар по атому С2- приводит к существенному изменению геометрии соединения. Особенно это касается валентных углов, в образовании которых принимает участие гликозидная связь, и валентных углов при атоме С2.. Если в сшивании принимает участие атом 02 пиримидинового нуклеотида, меняется вся электронная система (а вместе с ней и свойства донорных и акцепторных групп, участвующих в образовании водородных связей), поскольку связанный двойной связью кето-кислород 02 заменяется кислородом, образующим две одинарные связи.

Среди возможных канонических электронных структур производных цитозина преобладает структура I, изображенная на рис. 7.2 [594]. Примечательно, что ни в одной из кристаллических структур, включая циклические производные цитозина, не удалось обнаружить основание в иминоформе типа V. Наблюдаются в основном мезомерные формы II

184

Глава 7

и III с положительно заряженным атомом Nt. Именно поэтому в циклических производных цитозина ориентация относительно связи С4.—С5. чаще всего соответствует области + ск, так что гидроксильная группа 05.—Н получает возможность вступить в выгодный контакт с положительно заряженным атомом Nt. Совершенно иная картина наблюдается для производных урацила: гетероцикл не несет на себе никакого заряда и атом 05. чаще всего направлен в сторону от него, в область an [604].

Мостик между основанием и сахаром типа Су—X—Обоснование). Искажения валентных углов, в образовании которых принимает участие гликозидная связь, и углов при атомах, принимающих участие в сшивании, оказываются менее существенными, если циклизация происходит не по С2-, а по С3.-атому. Вследствие стерических ограничений сахар в образовавшемся циклонуклеозиде будет находиться преимущественно в С2.-экзо- (или эквивалентной ей С3.-эндо-) конформации. Гликозидный торсионный угол х лежит в той же высокой-анти (— ск)- или син-обла-сти (в зависимости от того, с каким из атомов основания происходит сшивание), но отличается приблизительно на 40° от угла в соответствующем циклонуклеозиде, образованном по атому С2.. Примечательно, что в единственной известной на сегодняшний день кристаллической структуре соединения подобного типа-8,3'-ангидро-8-меркапто-9-Р-1> ксилофуранозил-аденине [598] (рис. 7.1,Б)-атом 05. все-таки находится над плоскостью рибозы, хотя участвующий в циклизации атом серы отталкивает его по направлению к атому 04.; об этом свидетельствует увеличение угла у до предельного в области ск значения 74,3° (табл. 7.1).

Мостик между основанием и сахаром типа С5—Х-—С(основание).

Этот мостик является последним из всех возможных, обеспечивающих циклизацию основания и сахара. Кристаллографические исследования были проведены для двух соединений такого рода: 2',-3'-0-изопропили-диновых производных 5',2-О-циклоуридина, в которых циклизация происходит по атомам кислорода и серы (табл. 7.1; рис. 7.1, В). В подобных соединениях атом С5, подходит к основанию ближе, чем в немодифици-рованных нуклеозидах, поэтому свободно реализуется обычно запрещенная 04.-экзо-конформация сахара.

Анализ молекулярных моделей показывает, что при образовании мостика типа С5-—X—С(основание) торсионный угол х может принимать два значения: в окрестности 0° (си) и 60° (ск). Вследствие этого атом X располагается над атомом 04. или над фуранозным кольцом. Первая ориентация приводит к неблагоприятному тесному контакту между атомами X и 04., поэтому единственно возможно

страница 21
< 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
(23.08.2019)