Биологический каталог




Принципы структурной организации нуклеиновых кислот

Автор В.Зенгер

в гл. 18.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Модифицированные нуклеозиды и нуклеотиды широко используются для изучения механизма ферментативных реакций и как химиотерапев-тические прапараты. В этой главе рассмотрены только некоторые соединения, представляющие наибольший интерес со структурной точки зрения. Так, нуклеозиды, в которых образуются дополнительные кова-лентные связи между основанием и сахаром, имеют жесткую конформацию и могут использоваться в качестве эталонов в спектроскопии. Важную биологическую роль играют циклические нуклеотиды с 2',3'-и 3',5'-диэфирными связями. Первые являются промежуточным соединением, образующимся при ферментативном гидролизе РНК, а вторые, в виде сАМР и cGMP, служат гормональным посредником. Скорость гидролиза циклических фосфатов коррелирует с их внутренней напряженностью. Из всех нуклеозидов с замещенным сахаром рассмотрены лишь галогензамещенные, арабино- и а-нуклеозиды, причем последние являются энантиомерами Р-нуклеозидов. Примерами нуклеозидов с модифицированными основаниями служат цитокинины и минорные составляющие тРНК. Довольно хорошо изучены химические аспекты тио-кетозамещения, алкилировання эндоциклического атома азота и насыщения двойной связи С5=С6 в пиримидинах. В нуклеозидах, у которых С8—Н (пурин) или С6—Н (пиримидин) замещен на аза-N, наблюдается необычная высокая-аннш-конформация относительно гликозиднои связи, что частично объясняет их биохимические свойства. Если атом кислорода фосфатной группы заменить на серу, то фосфодиэфирная группа станет хиральной и может использоваться при изучении механизма взаимодействия ферментов с нуклеотидами. Замена Р—О на Р—S приводит к существенным стереохимическим изменениям, что сказывается на работе фермента. Пирофосфатные группы, входящие в состав высокоэнер-

Модифицированные нуклеозиды и нуклеотиды

219

гетических ди- и трифосфатов, а также некоторых коферментов, обладают значительной гибкостью; они являются ненапряженными структурами и, следовательно, в структурном плане не могут играть роль энергетических депо (гл. 4). Из всех нуклеозидных антибиотиков рассмотрен только пуромицин. В структурном отношении он аналогичен ССА-кон-цу тРНК, нагруженной аминокислотой, и ингибирует синтез белка.

ГЛАВА 8

Связывание ионов металлов с нуклеиновыми кислотами

Нуклеиновые кислоты содержат четыре функциональные группы, с которыми могут связываться ионы металлов: отрицательно заряженные атомы кислорода фосфатных групп, гидроксильные группы Сахаров, эн-доциклические атомы азота и экзоциклические кетогруппы оснований (рис. 8.1). Ионы таких металлов, как Mg(II), Са(Щ Na(I), К(1), содержатся в клетке в миллимолярных концентрациях (табл. 8.1), поэтому нуклеиновые кислоты и нуклеотиды обычно присутствуют в виде комплексов с ионами металлов. Эти комплексы, которым и посвящена данная глава, играют важную роль в функционировании нуклеиновых кислот, нуклеотидов, коферментов, а также нуклеозидди- и нуклеозид-трифосфатов.

8.1. ВЛИЯНИЕ СВЯЗЫВАНИЯ ИОНОВ МЕТАЛЛОВ

НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

Насколько велика роль связывания ионов металлов с нуклеиновыми кислотами и с ферментами, участвующими в процессах репликации, транскрипции и трансляции, стало ясно уже давно [723-726]. Однако вопрос о том, как именно ионы металлов осуществляют свою функцию во всех этих процессах, до конца не выяснен. Известно, что Mg(II) играет важную роль в стабилизации третичной структуры тРНК, сшивая друг с другом фосфатные группы разных сахарофосфатных цепей молекулы. Как видно из рис. 6.17, при увеличении концентрации щелочных металлов температура перехода спираль-клубок повышается. Возможно, это связано с частичной нейтрализацией заряда фосфатных групп и, следовательно, с уменьшением их взаимного отталкивания.

Однако ионы металлов могут приводить и к дестабилизации двухце-почечной структуры ДНК, если они связываются не с фосфатными группами, а с основаниями. Способность ионов к образованию комплексов с основаниями возрастает в следующем порядке: Mg(II), Со(П), Ni(II), Mn(II), Zn(II), Cd(II), Cu(II). При добавлении Mg(II) Tm ДНК повышается, т.е. двухцепочечная структура стабилизируется. В присутствии Cu(II), напротив, Тт значительно уменьшается, т.е. облегчается переход в состояние разупорядоченного клубка. С другой стороны,

Связывание ионов металлов с нуклеиновыми кислотами

221

Рис. 8.1. Схема расположения мест координационного связывания с ионами металлов в нуклеотиде.

СиЛ1) способствует ренатурации [729]. Аналогичным образом ведут себя Hg(II) и Ag(I) [724, 730-734]. Связывание двухвалентных катионов, таких, как Cu(II), Zn(II), Pb(II), с РНК сопровождается еще большими структурными изменениями, поскольку они катализируют неферментативное расщепление фосфодиэфирных связей [735, 736, 736а].

Обнаружение противоопухолевых свойств у иыс-дихлордиамин-платины (П) еще более активизировало исследования комплексов ДНК с ионами металлов [737-739]. Опыты in vitro четко показывали, что этот реагент атакует гуанин по атому N7, а кроме того, взаимодействует с атомом 06 [740-742]. Относительно механизма связывания его in vivo пока нет единого мнения [743], однако можно с достаточным основанием утверждать, что при этом подавляются матричные функции ДНК и, следовательно, ингибируется синтез ДНК. Благодаря этим свойствам соединения платины (II) нашли применение при лечении некоторых форм рака [744, 745].

Комплексам ионов металлов с нуклеиновыми кислотами посвящен ряд обзорных статей; в них рассматривается стереохимия связывания

Таблица 8.1. Концентрация ионов металлов в организме человека в целом, в плазме крови и внутриклеточной жидкости

Катион Концентрация в организме в целом, г/70 кг Концентрация в плазме крови, ммоль-л~* Концентрация во внутриклеточной жидкости, ммоль-л-1

Na 100 142 10

К 140 4 160

Са 1100 3 1

Mg 35 1 13

Fe 4 0,018

Си 0,15 0,016

Zn 3 0,018

Mn 0,02

Со 0,001

Мо < 0,001

Глава 8

ионов металлов с основаниями, нуклеозидами и нуклеотидами [725, 746-750]. Две статьи посвящены связыванию платины с моно- и поли-нуклеотидами [751, 752]. Термодинамические и кинетические характеристики комплексов нуклеотидов с ионами металлов были установлены в основном спектроскопическими методами и описаны в обзорах [753-759].

8.2. СПОСОБЫ СВЯЗЫВАНИЯ ИОНОВ МЕТАЛЛОВ С НУКЛЕОТИДАМИ И ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЕ МЕСТА КООРДИНАЦИОННОГО СВЯЗЫВАНИЯ

В этой главе мы обсудим только те стереохимические аспекты связывания ионов металлов с нуклеиновыми кислотами, которые основаны на кристаллографических данных. Хотя методы спектроскопии в растворе в ряде случаев являются более чувствительными и с их помощью можно обнаружить относительно непрочные комплексы, для однозначного определения координационного числа, установления места координационного связывания и расположения лигандов вокруг иона металла этих методов, как правило, бывает недостаточно.

Ионы металлов связываются с природными нуклеотидами по атомам кислорода и азота. Оба атома относятся к классу а, т.е. представляют собой «жесткие» лиганды [760, 761] (рис. 8.1). Поэтому с ними могут связываться только определенные типы катионов, а именно: ионы щелочных, щелочноземельных и переходных металлов. Они перечислены в табл. 8.2, где для каждого типа катионов указаны места

Таблипа 8.2. Ионы металлов, взаимодействующие и сокристаллизующиеся с компонентами нуклеиновых кислот, и места их предпочтительного связывания

Щелочные металлы Li, Na, К, Rb, Cs Щелочноземельные металлы Mg, Са, Sr, Ва

Переходные металлы Mn(II), Ru(III), Os^fVI, в виде осмата), Со (III), Со (II), Ni(II), Pd(II), Pt(II), Cu(II), Ag(I), Au(III), Zn(II), Cd(II), Hg(II)

Места предпочтительного связывания: Атомы кислорода кетогрупп оснований и экзоциклические атомы азота Кислород фосфатной Гидроксил сахара

!_группы_

Переходные металлы Щелочные и щелочноземельные металлы

11 Os в виде осмата (VI) присоединяется по двойной связи С5=С6 пиримидинов и связывается с цис-гидроксилами рибозы, образуя циклический эфир. Классификация ионов металлов по типу участков связывания их с ДНК приводится в работе [724].

Связывание ионов металлов с нуклеиновыми кислотами

223

предпочтительного связывания, выявленные при изучении кристаллических комплексов.

Места координационного связывания, расстояния между атомами металлов и лигандами и конформация нуклеозидов и нуклеотидов для ряда типичных комплексов с ионами металлов указаны в табл. 8.3. Наиболее интересные структурные особенности этих соединений таковы:

A. Фосфатные группы. Эти группы связываются со всеми ионами металлов, перечисленными в табл. 8.2, при этом образуются ионные связи между отрицательно заряженными атомами кислорода и положительно заряженными ионами металлов (рис. 7.15, 7.16, 8.2).

Б. Гидроксильные группы Сахаров. Эти группы образуют комплексы со щелочными и щелочноземельными катионами, но не с переходными металлами. Известное на сегодняшний день исключение -Cd(II) (см. работу [762]). Во всех этих комплексах в координационную сферу иона металла входит неподеленная пара электронов атома кислорода гид-роксильной группы. Такая же картина наблюдается при взаимодействии гидроксильных групп Сахаров со щелочными и щелочноземельными катионами в составе других соединений ([763, 764], рис. 8.2).

B. Эндоциклические атомы азота. Эти атомы несут неподеленную пару электронов и поэтому являются хорошими лигандами для щелочных металлов, металлов переходной группы и щелочноземельных катионов [764]. Как видно из табл. 8.4, при создании координационных связей с пурином, в котором атом N9 не замещен, ионы металлов в первую очередь связываются именно с этим атомом (либо создают мостик между атомами N9 и N3), затем с атомом N7 и, наконец, с атомом N1? т.е. связывание с имидазольным кольцом является более предпочтительным, чем с пиримидиновой частью индольного кольца. В случае Nj-незамещенных пиримидинов в тимине и урациле сначала происходит связывание с атомом Nt, а затем с атомом N3; в цитозине наблюдается обратный порядок связывания. Связывание с ионом металла приводит к сдвигу таутомерного равновесия в пуринах в сторону N7—Н, а в пиримидинах (в тимине и урациле)-в сторону N3-H.

Когда между сахаром и основанием образуется гликозидная связь, атомы N9 пурина и Nt пиримидина оказываются блокированными. Поэтому в пуриновых нуклеозидах катионы в первую очередь присоединяются к атому N7, затем к Nt и, наконец, к N3. Из пиримидиновых нуклеозидов у одного лишь цитидина в образовании комплекса может участвовать гетероциклический атом азота N3 (рис. 7.15, 7.16, 8.2-8.4).

Г. Кетогруппы оснований также способны образовывать комплексы с ионами металлов. В пиримидиновых нуклеотидах происходит прямое I связывание иона металла с атомом 02 цитидина и с атомами 02 и 04 тимидина и уридина. В пуриновых основаниях-гуанине и гипоксанти-не-прямого связывания 06 с ионом металла не происходит, вероятно, из-за того, что атом N7 является более предпочтительным лигандом для катиона. Одновременное связывание с атомами N7 и 06 приводит

224

Глава 8

Таблица 8.3. Некоторые данные о комплексах между ионами металлов и нуклеозидами и нуклеотидами, полученные в результате кристаллографических исследований [749]

Комплекс"

Геометрия окружения металла М2>

Место Рас- Кон. свя- сто- форма-зыва- яние ция ния М- сахара ли- 1Л ганда А L

Область коиформации

Y X

рН

крис-тал-лиза-ции

Пуриновые нуклеозиды

[Os (Ado-2H) (пиридин)202] OKT. о2 1,91 C2- + СК син > 7

эндо

оэ. 1,99

[Со (dAdo) (acac)2(N02)] OKT. N7 1,99 с,- + CK анти ~ 7

эндо

Су- + СК анти

эндо

[Pt(Guo)2(en)]2 + пл., KB. N7 1,97 Су + СК анти < 7

эндо

Muc-[Pt(Guo)2(NH3)2]2+ пл., KB. N7 2,01 Су- + СК анти ~ 7

эндо

[Hg(Guo)(n^op)Cl]„ иск., N7 2,16 С2- —ск анти ~3

пл., кв. эндо

Пиримидиновые нуклеозиды

[Cu(Cyd)(glygly)] кв., пир. 2,01 Су- + СК анти <7

эндо

o2 2,76

mpeKC-[Pt(Cyd)(Me2SO)Cl2] пл., кв. N3 2,03 ~ 7

Пуриновые нуклеотиды

[Cd(5'-GMP)(H20)5] окт. N7 2,37 Су + СК анти 4,5

эндо

[Co(5'-IMP)(H20)5] окт. N7 2,16 Су + СК анти 4,5

эндо

[Ni(5'-IMP)(H20)5] окт. N7 2,11 Су- + СК анти 4,5

эндо

[Ni(5'-AMP)(H20)5] окт. N7 2,08 + СК анти 5,0

u«c-[Pt(5'-IMP)2(NH3)2]2- пл., кв. N7 2,02 Сг- + СК анти 6,85

эндо

[Pt(5'-IMP)2(en)]2- пл., кв. N7 2,07 Сг- + СК анти ~ 7

эндо

[Cu(5'-IMP)2(dien)]2_ окт. N7 1,92 Сг- — СК анти > 7

эндо

[Cu (З'-GMP) (o-phen) (H2Q)]2 кв., О 1,93 С2- + СК анти 6,8

пир. (фосф.) эндо

Связывание ионов металлов с нуклеиновыми кислотами 225

Таблица 8.3. (продолжение)

Комплекс"

Мес-

^ то Геомет-

свя-

рия ок-

зыва-

ружения

" ния

металла

ганда L

Расстояние М-L3', А

Конформация сахара

Область конформации

рН

крис-тал-лиза-ции

[Cu(5'-IMPH)(bipy)(H20)2]+ кв., N7 1,99 С3- + СК анти 6

пир. эндо

[Zn(5'-IMP)]„ тет. N7 1,99

О 1,95

(фосф.)

[Cu(5'-GMP)3(H20)8]„ кв., N7 2,24 С3- + СК анти ~ 7

пир. эндо

О 1,95 С3- + СК анти

(фосф. ) эндо

Сг- + СК анти

эндо

[Cd (5'-ШР) (5'-IMPH)2 окт. N, 2,36 С2- + СК анти^ 1

(H20)6]„ эндо 1 Ь,88

О 2,23 С2-

(фосф.) эндо + ск анти

о2. 2,42

2,32

Пиримидиновые нуклеотиды

[Си (5'- UMPH) (dpa) (Н 20)]2 кв., О 1,93 о4- — ск анти 7

пир. (фосф.) эндо

С2- — ск син

экзо

[Co2(5'-UMP)2(H20)4]„ окт. О 2,12 — 6,8

(фосф.)

[Cd(5'-CMP)(H20)]„ иск., N3 2,33 С3- + СК анти 4,6

кв., эндо

пир.

О 2,25

(фосф.)

[Со(5'-СМР)(Н20)]„ тет. N3 1,96 С2- + СК анти 5,4

эндо

О 1,95

(фосф.)

[Zn(5'-CMP)(H20)]„ тет. N3 2,04 с2,- + СК анти 3,5

эндо

О 1,90

(фосф.)

[Pt(5'-CMP)(en)]2 пл., кв. N3 2,06 с,- — ск анти 6-7

эндо

О 1,97 С2-

(фосф.) эндо + СК анти

страница 26
< 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)