Биологический каталог




Принципы структурной организации нуклеиновых кислот

Автор В.Зенгер

шению к атому А73 и блокирует группы, участвующие в уотсои-криковском спаривании. Такое предположение согласуется с данными ЯМР для производных гЧ4-метилцитозина [205, 678]. Однако результаты кристаллографических исследований говорят об обратном: ацетильная группа располагается дистально, не мешая уот-сон-криковскому спариванию с гуанином. Такая структура стабилизируется тем, что ацетильный заместитель оттягивает электроны от гетероцикла и активирует водород при атоме С5. Об этом свидетельствует слабопольный сдвиг сигнала ЯМР для атома Н5 на 1,21 м.д. В свою очередь атом кислорода карбонильной группы вовлекается во взаимодействие Н---0; длина образующейся связи равна всего 2,15 А (рис 7.9). Если повернуть ацетильную группу так, что она будет располагаться проксимально по отношению к N3, то можно ожидать, что отталкивание между N3 и 07 будет дестабилизировать эту конформацию.

В других модифицированных основаниях, также встречающихся в тРНК, группы, участвующие в уотсон-криковском спаривании, свободны, а хугстеновские блокированы. Такие модификации были обнаружены в кьюозине (Q) [680] и 7-метилгуанозине (m7G). Что касается m7G, то его гетероцикл несет избыточный положительный заряд (рис. 7.6). В тРНК обнаружено множество 5-замещенных пиримидинов.

Модифицированные нуклеозиды и нуклеотиды

203

Рис. 7.9. Молекулярная структура Ы4-ацетилцитидина [679]. Водородная связь С5—Н---0 (пунктир) фиксирует ацетильную группу в дистальном положении относительно атома N3, поэтому может происходить уотсон-кри-ковское спаривание. Атомы С, N, О изображены в виде эллипсоидов (дополнение 3.1).

Рис. 7.10. Вверху: молекулярная структура минорного нуклеозида тРНК-уридин-5-оксиуксусной кислоты (его структурная формула приведена на рис. 7.6) [681]. Основание и боковая группа компланарны. Внизу: если атом кислорода, через который присоединена боковая группа, заменить на метальную группу (как это имеет место в 2-тио-5-метиламинометилури-дине), то планарность нарушится и боковая цепь окажется расположенной перпендикулярно плоскости основания [683].

204

Глава 7

Таблица 7.4. Длина связей С—S и геометрические характеристики водородных связей с участием серы [685, 686]

Длина связи С—S в пуриновых и пиримидиновых нуклеозидах 1,645-1,690 А Длина «идеальной» одинарной связи С—S 1,812 А

Длина «идеальной» двойной связи C=S 1,607 А

Геометрия водородных связей

Длина, А Длина, А Угол, град

Донор---акцептор H---S Донор-Н"8

Для О—H---S от 3,13 до 3,47 от 2,27 до 2,74 от 120 до 173

Для N—H---S от 3,27 до 3,55 от 2,27 до 2,78 от 139 до 176

Если заместитель присоединяется через 5-оксигруппу, то он, как правило, бывает компланарен с гетероциклом (рис. 7.10) [681]. При связывании через метиленовую группу боковая цепь располагается перпендикулярно плоскости гетероцикла и препятствует стэкингу между соседними основаниями [682, 683].

Тиокетопроизводные нуклеозидов представляют интерес как противоопухолевые препараты, как минорные составляющие тРНК и как спектроскопические зонды. Производные пиримидинов с тиокетогруппами во 2-м, в 4-м или в обоих этих положениях одновременно могут быть выделены из тРНК (см. две модификации 4-тиоуридина на рис 4.14). Тиокетопроизводные 6-меркаптопурин и 6-меркаптогуанин применяются при лечении раковых заболеваний [21, 684].

Во всех изученных структурах тиокетозамещенных оснований и нуклеозидов связь С—S проявляет свойства двойной связи. Длина ее несколько больше, чем для «идеальной» связи C=S, и заметно меньше, чем длина одинарной связи (табл. 7.4). В кристаллических структурах тиокетогруппа в енольной форме не обнаружена, хотя при замещении кето-кислорода на атом серы рК амидоподобных оснований уменьшается (см. рис. 5.4).

Атомы серы в тиокетогруппах оснований могут служить акцепторами при образовании водородных связей и замещать в этом смысле кето-кис-лород [686] (разд. 6.1). Однако геометрия системы в таком случае немного меняется. Во-первых, связь С—S становится на 0,4 А длиннее, чем С—О-связь; во-вторых, вандерваальсов радиус атома серы, 1,85 А, больше, чем у атома кислорода, 1,4 А (рис. 3.1). Поэтому, когда в роли акцептора выступает атом серы, водородная связь становится длинее на 0,4-0,8 А (табл. 7.4); этого вполне достаточно, чтобы изменить биологические свойства соединения. В уотсон-криковской паре А—s4U геометрия комплекса искажена. В парах типа s6G—С или G—s2C картина еще более усложняется, поскольку одна из водородных связей удлиняется примерно на 0,6 А, что приводит либо к ослаблению остальных водородных связей (N—Н • - • О и N—Н • • • N), либо к отчетливо выражен-

Модифицированные нуклеозиды и нуклеотиды

205

X

н

цис—син

NH

1

цис-анти

5 5'

6 6'

Л

Н

транс-син

1

Н

-А.

5 6'

6 5'

г

NH

транс—анти

Рис. 7.11. Структурные формулы четырех урациловых (или тиминовых) циклобутановых димеров [689].

Рис. 7.12. Молекулярная структура двух циклобутановых тиминовых димеров, показанных на рис. 7.11. Вверху -цис-син [718], внизу-транс-анти [718].

Ьому повороту плоскостей оснований друг относительно друга (пропел-hep) [687].

Высокая поляризуемость атомов серы приводит к стабилизации стэ-кинга, поскольку поляризационные эффекты вносят большой вклад в дисперсионные силы (разд. 6.7). В кристаллических структурах пуринов и пиримидинов, содержащих тиокетогруппы, наблюдается регулярный стэкинг, при котором атом серы располагается над пиримиди-

206

Рис. 7.13. Молекулярная структура минорного нуклеозида тРНК-дитидроури-дина [720]. Обратите внимание на изгиб пиримидинового кольца с насыщенной связью С5—С6. Если атом водорода при С6 замещен более объемной метальной группой, то атом Os смещается от рибозы. Кроме того, sp3-CH менее кислотна, чем sp2-CH, поэтому связь С—H---Os. в дигидроурациле слабее.

новым гетероциклом [686], чаще всего вблизи экзоциклических атомов азота [453]. Как будет показано в гл. 13, такое стэкинг-взаимодействие, когда 2-тиокето-сера располагается над атомом Nt соседнего основания, существенно повышает стабильность двухцепочечных нуклеиновых кислот.

И наконец, немаловажной особенностью тиокетопроизводных нуклеозидов является то, что полоса поглощения тиокетогруппы находится в видимой области (А.тах для 4-тиоуридина равна 330 нм). Они охотно присоединяют амино-, кето- и другие группы и, являясь «мягкими» основаниями, охотно взаимодействуют с «мягкими» металлами, например с платиной. К этому вопросу мы вернемся в гл. 8.

Еще одним важным нуклеозндом, входящим в состав тРНК, является дигидроуридин-производное уридина с насыщенной С5—С6-связью [589, 590, 667, 668]. Сходные соединения могут быть получены при облучении УФ-светом ДНК или замороженных растворов тимина или урацила [688, 689]. В этих случаях молекулы тимина, находящиеся рядом друг с другом, вступают в реакцию с образованием тиминовых димеров (иногда образуются также тримеры и тетрамеры). Наиболее интересным со структурной точки зрения моментом является то, что мономеры, объединяясь в димер, образуют циклобутановое кольцо, замыкающееся двумя С5—С6-связями. Остатки тимина могут ассоциироваться друг с другом по-разному: возможны четыре структурные формы димера-с цис/транс- и син/анти-ориентацией гетероциклов (рис. 7.11 и 7.12).

Основной структурной особенностью насыщенных пиримидиновых оснований является увеличение длины связи С5—С6 от 1,50 до 1,55 А [689]. Заместители при атомах С5 и С6, для которых характерна теперь яр3-гибридизация, перекрываются и, чтобы избежать этого, выходят из

Модифицированные нуклеозиды и нуклеотиды

207

плоскости остальных четырех атомов кольца примерно на 0,3-0,7 А (рис. 7.13). Из-за сравнительно большого объема С6-метиленовой группировки в дигидроуридине изменяется конформация сахара: он практически фиксируется в С2'-эн<)о-конформации и немного дестабилизирует + ск-ориентацию относительно С4.—С5.-связи как в кристаллическом состоянии, так и в растворе [351, 690].

Непланарность основания в производных дигидроуридина препятствует стэкингу параллельно ориентированных оснований, необходимому для образования двойной спирали. Создается впечатление, что подобные молекулы специально созданы природой для нарушения спирального порядка. Такой вывод согласуется с результатом кристаллографических исследований тРНК. В этих молекулах имеются так называемые дигидроуридиловые петли, в состав которых обязательно входят два примыкающих друг к другу остатка дигидроуридина.

Азануклеотиды находятся только в высокой-анти\\ — ск)-конформации и являются эффективными химиотерапевтическими препаратами. С чисто химической точки зрения замещение С—Н-группы основания азагруп-пой не должно приводить к большим структурным и функциональным изменениям, поскольку модификация идет по изоэлектронному типу и не влияет на л-электронную систему. Такая точка зрения подтверждается экспериментально в том смысле, что все валентные углы и длины связей в азануклеооснованиях сохраняются, за исключением того, что замена С—Н-группы на менее объемный атом N приводит к уменьшению длин соответствующих связей [289]. В то же время в пуриновых и пиримидиновых гетероциклах распределение заряда меняется довольно существенно, причем в свободных пуринах наблюдается даже переход к другим таутомерным формам [691]. Благодаря этому азазамещенные основания и их нуклеозиды становятся весьма эффективными канцеростатическими агентами [586-588, 692]. • В азануклеотидах, содержащих аза-азот в opmo-положении относительно гликозидной связи (как это имеет место в 6-азапиримидинах И 8-азапуринах), наблюдаются характерные конформационные изменения, которые приводят к появлению у них особых биохимических свойств. В таких системах можно было бы a priori ожидать образования довольно прочной водородной связи 05.—H---N. Однако реально ее никто не наблюдал, поскольку, как это следует из квантово-химических расчетов, аза-азот практически не несет никакого остаточного заряда [289, 691, 693, 694]. Согласно результатам кристаллографических исследований [289, 691, 695] и исследований в растворе [173], + ск-ориентация относительно связи С4.—С5., обычно являющаяся предпочтительной, дестабилизируется в результате отталкивания или по крайней мере отсутствия притяжения между аза-группой и атомом 05.. Из-за отсутствия С6—Н-группы в пиримидинах и Св—Н-группы в пуринах основания могут поворачиваться вокруг гликозидной связи и принимать шсокую-анти{ — ск)-конформацию, которая в природных нуклеозидах не наблюдается (рис. 4.16). Аналогичные структурные

208

Глава 7

Рис. 7.14. Сравнение молекулярной структуры уридин-5'-фосфата и 6-азаури-дин-5'-фосфата (изображена в цвете) [288]. Молекулы расположены таким образом, что атомы рибозы С,.—04.—С4. налагаются друг на друга. Уридин-5'-фос-фат находится в стандартной конформацни: сахар С3.-эндо и торсионные углы X и у лежат в областях анти и + ск соответственно. В 6-азааналоге конформация сахара становится С2--экдо, торсионный угол % располагается в высокой-анти( — ск)-области, а угол у—в необычной an-области. Такое значение угла у не наблюдалось ни в одной из кристаллических структур 5'-рибонуклео-тидов, кроме тех случаев, когда их кристаллизацию проводили совместно с антибиотиками, металлами или белками.

характеристики -высокая-анти(— ск)-конформация относительно гликозиднои связи и аи-ориентация относительно С4-—С5.-связи-были обнаружены у 6-азауридин-5'-фосфата и никогда не наблюдались в не-модифицированных рибонуклеотидах [за исключением комплексов аденозин-5'-фосфата с переходными металлами (гл. 8)]. Конформационные различия между 6-азауридин-5'-фосфатом и его природными аналогами наглядно демонстрирует рис. 7.14. На основании этих различий были высказаны некоторые предположения относительно механизма фармакологической активности 6-азауридина (дополнение 7.2 [288, 696]).

7.5. ХИРАЛЬНЫЙ АТОМ ФОСФОРА в НУКЛЕОЗИДФОСФОТИОАТАХ

Использование фосфотиоаналогов нуклеотидов, в которых один из не-этерифицированных атомов кислорода замещен на серу, является мощным орудием для изучения механизма ферментативных реакций, протекающих с участием фосфора [697, 698]. В отличие от имидодифос-фатных аналогов нуклеотидов с нереакционноспособными концевыми группами, являющихся ингибиторами различных киназ, фосфотиоатные аналоги представляют собой субстраты этих ферментов и взаимодей-

Модифицированные нуклеозиды и нуклеотиды

209

ствуют с ними (правда, в большинстве случаев с меньшей эффективностью, чем их природные аналоги).

Наиболее важной особенностью нуклеозидфосфотиоатов является хи-ральность атома фосфора. В обычных фосфомоно- и фосфодиэфирах атом фосфора прохирален, поэтому по стереохимии субстрата и продуктов реакции нельзя судить о том, как протекала реакция: с сохранением или с инверсией конфигурации окружения фосфора.

Дополнение 7.2

Механизм действия цитостатика 6-азауридина объясняется его необычной конформацией

Цитостатик 6-азауридин успешно используется для лечения лейкозов. В организме под действием уридинкиназы он превращается в 6-азауридин-5'-фосфат, который ингибирует фермент декарбоксилазу оротидиловой кислоты, блокируя тем самым синтез de novo уридин-5'-фосфата из оротидиловой кислоты (схема 4). Чем объясняется такое поведение 6-азауридин-5'-фосфата?

о о

(\ .? Лг

N. А0 ""JO Н^Л0

Уридин -У\г°1 киназа / \—/ он он / он он

6-Азауридин '6-Азауридин-/ 5-фосфат

о ' с

°-| 0 I -1» °-| 0 ]

\ ~1 Декарбокси-к n \—' паза оротиди-]—( он онловой кислотыон он Оротидиловая Уридин-5-фосфат кислота

Схема 4. Механизм ингибирования декарбоксилазы оротидиловой кислоты 6-азауридином [696].

Оротидиловая кислота должна находиться в син-конформации, поскольку карбоксильная группа, связанная с атомом С6 урацила, слишком объемна, чтобы располагаться над рибозой в стандартной анти-ориентации. В син-кон-формации, однако, ориентация относительно связи С4.—С5. не может соответствовать обычной + ск-области из-за стерически неблагоприятных контактов между атомами 05. и 02- Вследствие этого угол у может находиться либо в ап-либо в — ск-области. В кристаллах 6-азауридин-5'-фосфата угол у лежит в ап-области, а все нормальные 5'-рибонуклеотиды находятся в стандартной + ск-ориентации (рис. 7.14).

14-509

210

Глава 7

Итак, 6-азауридин-5'-фосфат имитирует оротидиловую кислоту и связывается с активным центром декарбоксилазы. Это позволяет думать, что сходным образом будут вести себя и все 5'-нуклеотиды с син-ориентированными основаниями и с основаниями, в которых аза-группа находится в opmo-положении относительно гликозиднои связи. Такая ситуация действительно наблюдается в серии нуклеотидных аналогов, в которых 6-азаурацил заменен на оксипуринол, ксантин и аллопуринол; все они ингибируют декарбоксилазу оротидиловой кислоты (схема 5).

R

Схема 5. Ингибиторы декарбоксилазы оротидиловой кислоты. Символом r обозначены атомы, к которым могут присоединяться рибозил-5'-фосфатные остатки. Наиболее эффективным ингибитором является 1-рибозилоксипуринол-5'-фосфат (N в орто-положении). За ним в порядке убывания эффективности ингибирования с

страница 24
< 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
(26.06.2019)