Биологический каталог




Принципы структурной организации нуклеиновых кислот

Автор В.Зенгер

ю на рис. 8.5; лиганды L1, L2 и L3 представляют собой Н20 или NH3.

ионов этих металлов [783]. Стабильность Сг(Ш)- и Со(Ш)-полифос-фатных комплексов становится особенно высокой при заполнении координационной сферы не водными, а аминными лигандами. Такие комплексы удается выделить и разделить с помощью хроматографии на колонке [783].

Методами ЯМР, по сигналам от протонов и ядер 31Р, можно идентифицировать структурные изомеры комплексов кобальт-амин с общей формулой [Co(NH3)„HATP] (п = 2,3 или 4) и [Co(NH3)„ADP] (п = 4 или 5). Комплексы с АТР существуют в виде семи разных стереохими-ческих вариантов: четыре тридентатных комплекса, в которых лигандами одного иона металла служат три атома кислорода, по одному на каждый из а-, Р- и у-фосфатов; два бидентатных, в которых координационные связи образуют Р- и у-фосфаты; один монодентатный, в котором с ионом металла связывается только у-фосфат. Для ADP удалось обнаружить только три стереохимически различные формы, а именно два бидентатных комплекса, в которых Со(Ш) образует координационные связи с атомами кислорода а- и Р-фосфатных групп, и один монодентатный, в котором координационную связь образует только одна, р-фосфатная группа (табл. 8.8) [784].

Что же представляют собой эти координационные соединения ADP и АТР? В монодентатных комплексах в связывании участвует только концевая фосфатная группа, и поэтому со стереохимической точки зрения они не представляют интереса. Однако в бидентатных комплексах обнаружены два конформационных изомера, которые отличаются друг от друга окружением иона металла. Стереохимию этих комплексов в принципе можно описать, используя хорошо известную Я,Х-номенкла-туру. Однако это неудобно с практической точки зрения, поскольку у Mg(II), например, атомный номер меньше, чем у Р, тогда как у Со(Ш) и подобных ему металлов он больше; в результате хелатные кольца одинаковой хиральности будут восприниматься как разные с точки зрения Я.Х-системы. Во избежание этого был предложен новый подход. Хиральности соответствующих изомеров обозначают символами Д и А по

236 Глава 8

Таблица 8.8. Координационные комплексы ADP и АТР с Со (III)

Образование ко-

Соединение Дентатность ординационных Число конфигура-

связей с фосфатны- ционных изомеров ми группами

Co(NH3)4ADP] Бидентатный а и Р 2

'Со (NH3)5ADP] Монодентатный р 1

=Co(NH3)2HATP] Тридентатный а, Р и у 4

Co(NH3)3HATP] Бидентатный Р и у 2

Co(NH3)4HATP] Монодентатный у 1

следующему правилу [784, 785]: если (шестичленное) хелатное кольцо расположить таким образом, чтобы связь, соединяющая его с лигандом, была направлена к наблюдателю, как это показано на рис. 8.7, и если при этом кратчайший путь вдоль кольца от металла до этой связи будет соответствовать вращению по часовой стрелке, то изомер называют правым (А, dexter-правый). Если же кратчайший путь соответствует вращению против часовой стрелки, изомер называют левым (Л, laevus-левый).

Если в составе нуклеозидтрифосфата р,у-бидентатный хелат образует еще одну координационную связь с неэтерифицированным атомом кислорода а-фосфатной группы, то позиция атома кислорода в координационной сфере иона металла будет определяться хиральностью существующего бидентатного хелата. В результате образуется дополнительное шестичленное хелатное кольцо, слитое с первым по связи между центральным Р-фосфатом и ионом металла. Нуклеозидную часть можно расположить двумя способами: непосредственно над бициклическим хелатом (эндо) и в удаленном от него положении (экзо). Поскольку обе эти стереохимически различающиеся структуры могут содержать как А-, так и А-бидентатные хелаты, возможно существование четырех триден-татных изомеров; все они были экспериментально обнаружены в комплексах [Co(NH3)4ATP] (рис. 8.7; дополнение 8.1).

Рис. 8.7. Вверху. Определение А-, А-, эндо- и экзо-конфигураций комплексов ион металла-пирофосфат. Шестичленное хелатное пирофосфатное кольцо располагается таким образом, чтобы нуклеотид был направлен к наблюдателю. Если в комплексе кратчайший путь вдоль кольца от металла до связи Р—05- в ну-клеотиде направлен по часовой стрелке, то его называют А-комплексом; направлению против часовой стрелки соответствует А-комплекс. Внизу. Дополнительная пирофосфатная группа в трифосфатах создает новые конформационные возможности: если атом 05. нуклеотида оказывается над хелатным кольцом, образованным Р- и у-фосфатами, то это соответствует конфигурации эндо, если же он повернут в сторону от хелатного кольца, конфигурация называется экзо. Ион металла изображен в виде цветной сферы, буква N внутри квадрата-это 5 -связанный нуклеозид

238

Глава 8

Дополнение 8.1

Выделение Л-стереоизомера [Co(NH3)4ATP] и установление его структуры

Комплексы нуклеозидди- и нуклеозидтрифосфатов с Со(Ш) и Сг(Ш) очень стабильны, поэтому их используют для изучения стереохимии активных центров тех ферментов, для которых эти соединения являются субстратами или кофакторами.

Д- и А-бидентатные диастереомеры комплекса [Co(NH3)4ATP] связываются с дрожжевой гексокиназой (или с другими гексокиназами и полимеразами [783, 786]) в присутствии глюкозы. Фермент специфически взаимодействует только с одним из изомеров и переносит его у-фосфат на глюкозу, образуя глюкозо-6-фосфат. Сформировавшийся при этом комплекс [Co(NH3)4ADP] легко отделяется от непрореагировавшего изомера [Co(NH3)4ATP]. Если комплекс ADP вновь обработать гексокиназой, то при добавлении глюкозо-6-фосфата его фосфатная группа перенесется обратно, с образованием активного изомера [Co(NH3)4ATP]. Полученный таким путем гомогенный изомер был обработан периодатом, а затем анилином. Образовавшийся в результате комплекс [Co(NH3)4PPP] был закристаллизован, после чего методом рентгеноструктурного анализа была определена его конфигурация [785].

[Co(NH3)4ATP]A+A + Глюкоза

(дрожжевая гексокиназа)

[Co(NH3)4ADP]A + Глюкозо-6-фосфат

(дрожжевая гексокиназа)

[Co(NH3)4ATP]A

(периодат, анилин)

[Co(NH3)4PPP],

По аналогичной схеме может быть изучена стереоспецифичность и других ферментов, использующих комплексы ADP и АТР с металлами.

Номенклатура Л/А/эндо/экзо может быть использована для описания известных кристаллических структур ADP, АТР и кофермента NAD+, содержащего фрагмент ADP (рис. 7.15, 7.16, 8.2). Калий в составе калиевой соли ADP (рис. 8.2) связан координационными связями с атомами кислорода а- и Р-фосфатов, образуя шестичленное хелатное кольцо, которое соответствует А-диастереомеру. В литиевой соли NAD + (рис. 7.16) ADP и никотинамидрибозодифосфатная часть имеют одинаковую хиральность (А). В комплексе АТР с двумя ионами натрия оба иона образуют координационные связи с одной и той же молекулой

Связывание ионов металлов с нуклеиновыми кислотами

239

АТР (рис. 7.15). Один ион Na+ связывается одновременно с атомом N7 основания и с концевым у-фосфатом, а другой образует тридентатный комплекс с гх-, р- и у-фосфатами. Шестичленное хелатное кольцо, образованное Р- и у-фосфатами, имеет хиральность А, и а-фосфат связывается таким образом, что аденозин располагается в ориентации эндо относительно хелата. Иными словами, АТР имеет конфигурацию А,зндо, которая изображена в правой нижней части рис. 7.15. В то же время другая молекула АТР в этом комплексе имеет иную конфигурацию, А, эндо. Это является прямым следствием того, что конформации трифосфатных цепей энантиморфны (могут быть описаны в терминах левого и правого винта) (разд. 7.6). В других комплексах АТР, Zn (II)—АТР—2,2'-бипиридил и Си (II)—АТР—фенантролин, как цинк, так и медь принимают участие в образовании тридентатного комплекса с АТР. Оба комплекса имеют конфигурацию А,экзо [786а, 786Ь].

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Ионы металлов при образовании комплексов с нуклеотидами связываются с четырьмя разными функциональными группами: с атомами кислорода фосфатной группы, с гидроксилами рибозы, с эндоцикличе-скими атомами азота и кетогруппами оснований. Аминогруппы оснований в координационном связывании с ионами металлов не участвуют. Атомы металлов переходной группы связываются с атомами кислорода фосфатных групп и с эндоциклическими атомами азота оснований, тогда как щелочноземельные катионы предпочтительно связываются с атомами кислорода фосфатных групп и с гидроксилами сахара. Ионы щелочных металлов при образовании комплексов одинаково легко взаимодействуют со всеми тремя типами лигандов. Сродство ионов металлов к функциональным группам нуклеотидов довольно специфично: связывание с атомом N7 в пуринах приводит к образованию шести-координационного комплекса, тогда как связывание с атомом N3 в пи-римидинах характеризуется более низкими значениями координационного числа. Эту специфичность усиливает межлигандная водородная связь между кето- и аминогруппами пуринов. При связывании с ионами металлов геометрия нуклеотида (ориентация относительно связи С4.-С5.) искажается в том случае, если в связывании принимают участие атомы кислорода фосфатной группы и объемный тройной лиганд; в других случаях геометрия нуклеотида не изменяется.

Для образования координационных связей с ионами металлов ну-клеозидди- и нуклеозидтрифосфаты используют в основном фосфатные группы, но не основания. В трифосфатах лигандные комплексы с ионами металлов могут быть моно-, би- или тридентатными в одной из Двух (А, Д) или четырех (А, Д, эндо, экзо) стереохимически различающихся конфигураций. Это было установлено экспериментально при исследовании комплексов с Сг(Ш) и Со(Ш) и, по-видимому, справедливо также для комплексов с другими металлами, в частности с Mg(II).

ГЛАВА 9

Полиморфизм ДНК и структурный консерватизм РНК. Классификация А-, В- и Z-типов двойных спиралей

Молекулярные структуры олиго- и полинуклеотидов тесно связаны между собой, поэтому в гл. 10-15 мы будем рассматривать одновременно и те и другие. Большинство известных кристаллических структур олигонуклеотидов-это двойные спирали, образованные самокомплементарными цепями. Хотя длина олигонуклеотидов ограничена (от 2 до 12 пар оснований), изучение их структуры позволяет понять тонкие детали самоорганизации полинуклеотидов, их гидратации и связывания с ионами металлов. Иногда олигонуклеотиды кристаллизуются в неспиральном виде, принимая вытянутую конфигурацию или образуя петли. Это показывает, как гибок нуклеотидный блок в цепи или, точнее, насколько подвижна шарнирная фосфодиэфирная связь между отдельными нуклеотидами.

Богатейшую структурную информацию о двойных спиралях и неспиральных участках полинуклеотидов дает анализ кристаллической структуры тРНК, описанной в гл. 15.

Напомним, что характер результатов рентгеноструктурного анализа полинуклеотидных волокон и олигонуклеотидных монокристаллов существенно различается (гл. 3). В последующих шести главах наряду с точной структурной информацией, полученной на монокристаллах олигонуклеотидов, представлены и менее точные данные о структуре полинуклеотидов, полученные при изучении волокон. Мы увидим, что наши представления о спиральной структуре полимеров ДНК и РНК и о многообразии форм существующих двойных спиралей в целом подтверждаются, хотя какие-то детали, возможно, и придется пересмотреть в ближайшие несколько лет.

Обзоры по рассматриваемым здесь вопросам приведены в работах [38, 790-793]. Кроме того, хотелось бы привлечь внимание читателей к некоторым последним публикациям, отобранным из обширного списка литературы, которые касаются конформационного анализа полинуклеотидов [794-808], гибкости двойных спиралей [809-817] и спектроскопических структурных исследований полинуклеотидов [818-824]. Биохимические данные о структурно-функциональных корреляциях в ДНК и РНК приведены в обзорах [792, 793].

Полиморфизм ДНК и структурный консерватизм РНК

241

9.1. ПОЛИМОРФИЗМ ДВОЙНЫХ СПИРАЛЕЙ

В табл. 9.1. перечислены основные спиральные формы, обнаруженные у природных и синтетических ДНК и РНК. Образцы волокон для рентгеноструктуриого анализа готовят в виде литиевой или натриевой соли, избыточную концентрацию которой регулируют путем изменения относительной влажности [165]. При различных экспериментальных условиях были обнаружены разнообразные формы двойных спиралей: А, А', В, а-В', Р-В', С, С, С", D, Е и Z [824]. Буквами от А до Z обозначены различные структурные полиморфные модификации, приставки а и Р относятся к чисто упаковочным отличиям, обусловленным симметрией кристаллической решетки, а штрихи указывают на незначительные вариации структуры внутри одного семейства. Так, если природная ДНК со случайной последовательностью при определенных условиях находится в С-форме, у которой число нуклеотидов на виток равно 9,33 (см. ниже), то для синтетического полинуклеотида poly (dA—dG—dC)poly(dG—dC—dT) с повторяющимся тринуклеотидным мотивом в тех же условиях наблюдается С"-форма с девятью нуклеотидами на виток, а структура poly(dA—dG)-poly(dC—dT) повторяется лишь через два витка (9-2 нуклеотидов) и представляет собой С'-ДНК.

Симметрию двойных спиралей описывают с помощью символа Nm.

Согласно этой номенклатуре, заимствованной из кристаллографии (дополнение 9.1), при движении вдоль оси спирали структурный мотив точно повторяется через каждые т витков {т шагов), состоящих из N нуклеотидов. В большинстве случаев т=\, т.е. мотив повторяется через виток, но, например, у С-ДНК с симметрией 9,331 структурный мотив воспроизводится лишь через три витка, или через 9,33 • 3 = 28 нуклеотидов, что можно описать также символом 28 3. Следует подчеркнуть, что в строгом смысле точное повторение мотива возможно только для синтетических полинуклеотидов с определенной последовательностью. В случае природных ДНК и РНК со случайной нуклеотидной последовательностью термин точное повторение относится к сахарофосфатно-му остову, а каждая отдельная пара оснований в данном случае рассматривается как некий усредненный элемент уотсон-криковских AT(U)- и GC-nap (гл. 6).

Полиморфизм ДНК и структурный консерватизм РНК. Из табл. 9.1 видно, что двухцепочечная РНК независимо от того, природная она или синтетическая, при различных экспериментальных условиях имеет структуру, относящуюся к одной из двух близких друг другу форм двойных спиралей: А или А'. Структурные возможности ДНК гораздо богаче (табл. 9.1 и 9.2). ДНК со случайными последовательностями могут находиться в А-, В- и С-формах (см. обобщенную схему на рис. 9.1). К этому списку следует добавить D-, Е- и Z-формы-полинуклеотиды, у которых повторяется определенный олигонуклеотидный мотив; при этом Z-форма представляет собой левую двойную спираль.

16-509

242

Глава 9

Дополнение 9.1

Симметрия спирали и кристаллографические винтовые оси

Для описания симметрии спиралей в табл. 9.1 используется кристаллографический символ Nm, которым обозначают винтовую ось. Если в случае простой поворотной оси порядка N структурный мотив повторяется при повороте вокруг этой оси на угол 2n/N, то для винтовой оси этот поворот сочетается с переносом параллельно оси на расстояние, равное (m/N)-fi доле размера ячейки вдоль винтовой оси. В кристаллографии встречаются винтовые оси 2, 3, 4 и 6-го порядков, обозначаемые символами

2i 3t32 4!4243 б!б2636465.

О

страница 28
< 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)