Биологический каталог




Принципы структурной организации нуклеиновых кислот

Автор В.Зенгер

ледуют: 7-рибозилоксипуринол-5'-фосфат (сик-форма), 3-рибо-зилксантин-5'-фосфат (сик-форма), 1-рибозилаллопуринол-5'-фосфат (N в орто-положении). 9-рибозилксантин-5'-фосфат практически неактивен: в нем и атом N не находится в орто-положении, и основание не фиксировано в сик-ориента-ции (см. [288]). '

Чтобы ответить на этот вопрос, нужно сделать атом фосфора хи-ральным. Наиболее изящный способ состоит в замещении одного из двух неэтерифицированных атомов кислорода фосфатной группы в составе фосфодиэфира или пирофосфатного эфира атомом серы [698] или другим изотопом кислорода [697]. Если замещения одного типа оказывается недостаточно, используют оба. Поскольку нуклеозид, связанный с модифицированной таким образом фосфатной группой, тоже становится хиральным, две стереохимически различные формы фосфотиоатов будут не энантиомерами, а диастереоизомерами.

В процессе химического синтеза образуются оба изомера, которые затем можно разделить хроматографическими методами или с по-

Модифицированные нуклеозиды и нуклеотиды

211

мощью частичной деградации соответствующими ферментами. В качестве иллюстрации применения нуклеозидфосфотиоатов в дополнении 7.1 прослежен весь ход исследования механизма действия панкреатической РНКазы.

Основные структурные характеристики тиофосфатных групп связаны с некоторыми особенностями замещения кислорода серой. Длина связи Р—S, равная 1,8 А, примерно на 0,3 А превышает длину связи Р—О, а вандерваальсов радиус атома серы, равный 1,85 А, на 0,45 А больше вандерваальсового радиуса кислорода [699] (см. табл. 3.1). В результате сера находится на 0,8 А дальше от атома фосфора, чем кислород. Поскольку электроотрицательность кислорода (3,5) и серы (2,5) существенно различается, отрицательный заряд в тиофосфатной группе распределен неравномерно: он локализован в основном на атоме кислорода, а сера при этом остается практически нейтральной, вследствие чего связь Р—S приобретает характер двойной связи. Кроме того, сера легче поляризуется и является более гидрофобной, чем кислород. Поэтому в целом тиокетофосфатная группа существенным образом отличается от фосфатной группы и по характеру, и по структуре, и это отличие распознается ферментами, которые хоть и воспринимают нуклеотиды с се-розамещенным фосфатом как субстраты, но работают гораздо менее эффективно, чем в случае обычных нуклеотидов. Тем не менее оба субстрата связываются с активным центром по одному механизму, что позволяет применять нуклеозидфосфотиоаты для исследования механизма действия ферментов.

7.6. ПИРОФОСФАТНАЯ ГРУППА В СОСТАВЕ НУКЛЕОЗИДДИ-И НУКЛЕОЗИДТРИФОСФАТОВ, А ТАКЖЕ НУКЛЕОТИДНЫХ КОФЕРМЕНТОВ

Важную роль играет пирофосфатная группа, входящая в состав богатых энергией нуклеозидди- и нуклеозидтрифосфатов (например, в состав ADP и АТР), а также нуклеотидных коферментов, таких, как NAD +, ци-тидилфосфохолин и кофермент А. Длины связей и валентные углы в пи-рофосфатной группе рассматривались нами в разд. 4.11; здесь речь пойдет о ее конформационных свойствах. К этой теме мы вернемся в разд. 8.4, где пойдет речь о Д- и А-стереоизомерах, образуемых хела-тами полифосфатов с металлами.

В упомянутых выше нуклеотидах пирофосфатная или трифосфатная вруппа связывается только с 5'-гидроксильной группой сахара; не обнаружено ни одного нуклеотида, в котором пирофосфат присоединялся бы к Оэ.- или 02'-гидроксилу (исключение - ppGpp). Конформация самого нуклеотида при такой модификации не изменяется. Сахар остается в С2- или Сз-эндо-конформации, а его ориентация относительно гликозидной и С4—С5'-связей- анти- и + ск в соответствии с концепцией жесткого нуклеотида. Несмотря на то что результаты квантово-химиче-ских расчетов, проведенных для условий in vacuo, указывают на суще-

14*

Рис. 7.15. Структура комплекса Na2H2ATP ¦ ЗН20 [721]. Два иона натрия образуют координационные связи с атомами N, и с двумя концевыми у-фосфатами обеих молекул АТР; остальные положения октаэдрической координационной оболочки ионов Na + заняты молекулами воды. Обратите внимание на различие коиформации молекул АТР: конформацни сахара-С2-эндо и С3.-эноо-С2.-экзо, а трифосфатные цепи создают левую и правую спиральные формы соответственно (см. цветные стрелки).

Рис. 7.16. А. Кристаллическая структура комплекса NAD+ с Li + . Структурная формула NAD+ приведена на рис. 2.2. Молекула NAD+ образует координационные связи с двумя симметрично расположенными катионами Li+, которые изображены в цвете вместе с их тетраэдрическими координационными связями и атомами N и О, которые принадлежат соседним молекулам NAD+. Оба нуклеотида в молекуле NAD+ находятся в стандартной конформацни: сахар С2.-эндо (аденозин) и С3.-эндо (никотинамидрибозид), торсионные углы % и у лежат в областях анти и +ск соответственно. Торсионный угол р (Р—05.—С5.—С4.) в аденозин-5'-фосфате лежит не в обычной an (180°)-области, а в области + ак (120°). Возможно, это обусловлено одновременным образованием координационных связей между Li+, с одной стороны, и атомом N, и пи-рофосфатом-с другой, что должно приводить к напряжению в молекуле. Б. В растворе NAD+ может находиться в двух конформациях: в вытянутой или в спиральной. В спиральной конформацни никотинамид и аденин располагаются на расстоянии 3,4 А друг от друга и вступают в стэкинг-взаимодействие [704, 709].

214

Глава 7

Рис. 7.17. Три конформацни пирофосфатной группы. Z/uc-планарная (заслоненная) конформация невыгодна {вверху), поскольку из-за слишком сильного сближения атомов кислорода в молекуле возникает напряжение. Поворот одной (или обеих) фосфатной группы Р—Освяз-мостика приводит либо к заторможенной, либо к заслоненной полностью транс-конформации (в середине и внизу), которые не запрещены энергетически. Последняя наиболее выгодна при образовании би-дентатного комплекса с металлом; см. трифосфатную цепь на рис. 7.16. А.

ствование внутримолекулярной водородной связи между концевым фосфатом и основанием [700], экспериментально такие взаимодействия не наблюдались. Однако, как видно из рис. 7.15 и 7.16 и будет подробно обсуждаться в гл. 8, и в растворе, и в кристаллах между концевым фосфатом и атомом N7 пурина может образоваться мостик через ион металла [701-703].

Конформационные свойства пирофосфата определяются вращением фосфатной группы вокруг Р—О-мостика пирофосфатной связи [59]. Одно из трех представленных на рис. 7.17 конформационных состояний, с мис-планарной организацией цепи О—Р—О—Р—О, практически не может реализоваться из-за пространственного наложения концевых атомов кислорода. Поворот на 60° вокруг Р—О-мостика приводит к более благоприятной (заторможенной) конформацни, при которой атомы кислорода фосфатных групп располагаются зигзагообразно. Еще один поворот на 60° вокруг другого Р—О-мостика приводит к заслоненной конформацни, т.е. к полному наложению двух фосфатных групп. Эти две промежуточные конформацни, а также ряд других форм наблюда-

Модифицированные нуклеозиды и нуклеотиды

215

лись в кристаллах соединений, содержащих пирофосфатные группы. Поскольку в заторможенной конформации атомы кислорода двух фосфатных групп отстоят друг от друга дальше, чем в заслоненной, последняя конформация оказывается более благоприятной для образования бидентатных комплексов с металлами (разд. 8.4).

Пирофосфатная группа обычно является конформапионно подвижной [59, 704], и взаимный переход между двумя указанными выше формами осуществляется довольно легко. В зависимости от углов вращения вокруг связи Р—О цепочка атомов от С4. до концевого фосфата может принимать линейную, вытянутую или левовинтовую (правовинтовую) конформацию. Кристаллографические исследования выявили пока только винтовую структуру. Примером такого рода служит комплекс Na2H2ATP-ЗН20. В независимой части элементарной ячейки кристаллов этого комплекса содержатся две молекулы АТР (рис. 7.15). Ориентация их относительно гликозидной и С4.—С5.-связей одинакова: анти и + ск соответственно, однако конформация сахарных колец различается: в одной молекуле она С2.-эндо, а в другой-С3.-эндо-С2.-экзо. Знак винта у трифосфатных пепей разный: у нуклеотида с С2.-эндо-конформацией сахара винт левый, а у нуклеотидов с С3.-эндо-правый. Картина еще более усложняется тем, что три фосфата каждого из АТР образуют координационные связи с ионами натрия, в результате чего формируются тридентатные хелаты с противоположными хиральностями (разд. 8.4). Остальные положения октаэдриче-ской координационной системы иона натрия заняты атомом N7, молекулой воды и атомом кислорода соседней молекулы АТР. Может возникнуть вполне резонный вопрос: почему стереохимия столь важной молекулы так сложна? В ответ на это можно только заметить, что ионы некоторых металлов, например Mg2 +, связываются, по-видимому, только с атомами кислорода Р- и у-фосфатных групп и не связываются с атомом N7 аденина и что недавно получены новые данные о стабильных комплексах ADP и АТР с кобальтом и хромом, которые, возможно, несколько прояснят этот вопрос (разд. 8.4).

Внутренняя гибкость пирофосфатной группы детально изучена в случае кофермента NAD+. Это соединение является кофактором некоторых ферментов, катализирующих окислительно-восстановительные реакции. Оно состоит из двух нуклеотидов-AMP и никотинамидрибозо-5'-фосфата, связанных между собой пирофосфатным мостиком (рис. 2.2 и 7.16). В растворе эта молекула, как и ее восстановленный аналог NADH, существует в двух основных структурных формах: вытянутой, в которой основания аденина и никотинамида удалены друг от друга примерно на 12 А, и компактной, в которой два гетероцикла располагаются параллельно друг над другом на расстоянии 3,4 А (рис. 7.16, Б). Далее, в зависимости от того, находится ли аденин над никотинамидом или под ним, компактная форма дает два конформационных изомера: право- или левозакрученные спиральные структуры. Все эти конформации переходят одна в другую. В растворе преобладает вытянутая фор-

216

Глава 7

ма; количество NAD + , находящегося в компактной форме, зависит от свойств раствора, таких, как рН, содержание спирта, и от температуры.

Спектроскопические данные [175, 705-707], результаты расчетов потенциальной энергии [708] и анализ кристаллической структуры [704, 709] показывают, что структурные параметры двух нуклеотидов, составляющих молекулу NAD+, соответствуют обычным стандартам, а именно: остатки рибозы находятся в С2- или С3.-эндо-конформации, ориентация относительно С4.—С5.-связи соответствует + ск-области, а ориентация гетероциклов-анты-конформации. В никотинамиде переход син +± анти происходит практически свободно, поскольку заместитель в opmo-положении, мешающий указанному переходу в пиримидиновых нуклеотидах, отсутствует. Это создает необходимую основу для взаимодействия с дегидрогеназами А- и Б-типа, которые присоединяют гидрид-ион с разных концов никотинамидного гетероцикла (см. также гл. 18). В остальном два нуклеотида ведут себя как жесткие структурные единицы, а конформационная гибкость NAD + определяется пирофосфатной связью.

7.7. НУКЛЕОЗИДНЫЕ АНТИБИОТИКИ: ПУРОМИЦИН

В разд. 7.3 мы уже упоминали о важном классе нуклеозидных антибиотиков-арабинонуклеозидах. В разд. 4.2 обсуждались структурные аспекты других антибиотиков, химические свойства которых рассматриваются в работе [587]. В данном разделе речь пойдет о пуромицине-представителе этого важного для фармакологии класса соединений, для которого структурно-функциональная корреляция наиболее очевидна.

Пуромицин-антибиотик широкого спектра действия, продуцируемый Streptomyces alboniger. Он состоит из нуклеозидного и аминокислотного фрагментов, а именно из З'-дезокси-З'-амино-^-диметил-аденозина и и-метокси-Ь-фенилаланина, соединенных пептидной связью (рис. 7.18).

Пуромицин является структурным аналогом З'-конца аминоацил-тРНК. Кристаллографические исследования были проведены для дигид-рохлоридной формы пуромицина, в которой протонированы атом Nt аденина и аминогруппа фенилаланина [710, 711]. Было показано, что нуклеозидная часть находится в стандартной конформацни, при которой ориентация относительно С4.—С5.- и гликозиднои связей отвечает областям + ск и анти соответственно, а сахар находится в С3.-эндо (3Т2)-конформации. Пептидная группа С3.—N3.—С—Са анты-перипла-нарна, а торсионный угол Н3.—С3.—N3.—С находится в сын-перипла-нарной области, причем пептидная группа направлена от сахарного кольца. Эта особенность расположения атомов, по-видимому, характерна для всех (плоских) карбоксильных или пептидильных групп, связанных с С3,-атомом фураноз: аналогичная картина наблюдается и в З'-О-ацетилнуклеозидах [195, 712, 713]. Остаток и-метоксифенилалани-на находится в обычной конформацни, значения торсионных углов

Модифицированные нуклеозиды и нуклеотиды 217

Рис. 7.18. Химическая и молекулярная структуры антибиотика пуромицина (в виде дигидрохлорида) [711]. Обратите внимание на то, что аденозиновая часть находится в стандартной конформации, с сахаром С3.-эндо и с торсионными углами х и у в анти- и + ск-областях соответственно. Отличительной структурной особенностью этого соединения является син-перипланарная ориентация цепи Н3.—С3.—N3.—С и вытянутая форма цепи N3.—С—Са—N. Вероятно, такие же структурные особенности характерны для ССА-конца тРНК, нагруженной аминокислотой (с заменой N3. на 03.)-

N—Са—Ср—Су и N3.—С—Са—Ср соответствуют стандартным вытянутой (an) и заторможенной (— ск) конформациям.

Пуромицин имитирует ССА-конец нагруженной аминокислотой молекулы тРНК. Поскольку образование пептидной или эфирной связи с фуранозным кольцом существенно ограничивает структурные возможности образующегося соединения, независимо от того, какая аминокислота присоединяется к З'-гидроксилу рибозы нуклеозида, предпочтительной является вытянутая конформация, подобная той, которая наблюдается в случае пуромицина. В структурном отношении молекула пуромицина аналогична З'-концу (ССА-концу) тРНК, нагруженной аминокислотой. ССА-конец играет ключевую роль в биосинтезе белка. Именно к нему присоединяется аминокислота, которая переносится к рибосоме и включается в растущую полипептидную цепь. Следующий шаг состоит в переносе пептидильной цепи на аминокислоту, присоеди-

218

Глава 7

ненную к ССА-концу тРНК. Если цепь свяжется не с тРНК, а с пуроми-цином, то ее рост остановится и будут синтезироваться незаконченные полипептидные фрагменты.

Кристаллическая структура пуромицина может служить моделью для изучения взаимодействия нуклеиновых кислот с аминокислотами. Упаковка молекул пуромицина в кристаллической решетке оказалась на удивление удачной: молекулы уложены стопками из чередующихся остатков Ng-диметиладенина и и-метоксифенила, которые располагаются на расстояния 3,4 А друг от друга; иными словами, и-метоксифенильные группы интеркалируют между аденинами. Существуют два типа стэкинга, в которых принимает участие шестичленное кольцо аденина. В первом оно взаимодействует с метокси-кислородом, а во втором-с бензольным кольцом аминокислоты. Последний случай является хорошей моделью интеркаляции ароматической боковой цепи аминокислоты в спираль нуклеиновой кислоты. Этот вопрос детально обсуждается

страница 25
< 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
(16.09.2019)