Биологический каталог




Принципы структурной организации нуклеиновых кислот

Автор В.Зенгер

• poly(U) и в разд. 11.3 при рассмотрении poly(dT) • poly(dA) • poly(dT). Что касается мелкого минорного желобка А-РНК, то для него была предложена модель связывания с полипептидным антипараллельным р-слоем: комплекс стабилизируется водородными связями между 02-Н-гидроксильными группами остатков рибоз и атомами кислорода карбонильных групп полипептидной цепи [837]. Аналогичным образом для узкого минорного желобка В-ДНК была построена модель связывания с гистоном Н2А; в этом случае комплекс стабилизируется водородными связями между пептидными NH-группами и Оэ.-атомами по-линуклеотида [838] (разд. 18.3).

Образование комплекса с ионом натрия в кристаллической структуре ApU, которая будет обсуждаться в разд. 10.4, свидетельствует о наличии специфического координационного связывания катиона в минорном желобке с атомами 02 урацилов. В полимерных двухцепочечных нуклеиновых кислотах такого рода взаимодействия могли бы привести к зависимости структуры молекулы от вида катиона. По-видимому, именно по этой причине некоторые структурные модификации ДНК, приведенные в табл. 9.1, наблюдаются только в присутствии определенных катионов. С другой стороны, катионы взаимодействуют с фосфатными группами, и имеются данные, указывающие на определенную степень специфичности этого взаимодействия [839]. Например, в ряду щелочных металлов радиус катиона от Li+ к Cs + увеличивается. Однако радиус гидратированных ионов уменьшается от 7,4 А для Li+ до 3,6 А для Cs +. Это означает, что Li+ по своим размерам должен хорошо встраиваться в широкий минорный желобок В-ДНК, a Cs + , расположенный на другом конце ряда,-в узкий минорный желобок D-ДНК; этот вывод согласуется с экспериментальными данными о «закручивающей» способности упомянутых ионов.

Распределение электростатического потенциала у поверхности молекул нуклеиновых кислот обеспечивает специфичность связывания. Во взаимо-

Полиморфизм ДНК и структурный консерватизм РНК 257

действии ДНК и РНК с другими молекулами важную роль играет не только стерическая комплементарность, но и комплементарность зарядов. Когда было рассчитано распределение электростатического потенциала для ряда олигомеров и полимеров ДНК в предположении, что противоионы Na+ располагаются на биссектрисах Р02 -групп, оказалось, что оно сильно зависит от нуклеотидной последовательности [839а]. В минорном желобке потенциал в местах расположения АТ-пар отрицателен, так как и N3-aTOMbi аденина, и 02-атомы тимидина несут частичный отрицательный заряд. У GC-nap потенциал близок к нулю, поскольку в данном случае отрицательный заряд атомов N3 гуанина и О 2 цитозина уравновешен положительным зарядом 1Ч2-аминогруппы гуанина. В области главного желобка потенциалы AT- и GC-nap также различаются. Для пары G—С схема расположения зарядов + — — у N706 • • • HN4, а для пары С—G (N4H • • • 06N7) схема инвертирована: — —h. В то же время для А—Т- и Т—А-пар и для N7N6H • - • 04, и для 04 - - - HN6N7 имеет место схема —I—. Это означает, что электростатический потенциал пар G—С и С—G различается, а для А—Т и Т—А он одинаков. Попытки рассчитать электростатический потенциал вблизи поверхности макромолекул были предприняты лишь недавно, и со временем такие расчеты послужат основой для выяснения природы межмолекулярных взаимодействий. Мы остановимся на вопросе об электростатическом потенциале позже, при обсуждении ну-клеиново-белковых комплексов и гидратации нуклеиновых кислот (см. также [839Ь, с]).

Стэкинг в двойных спиралях А- и В-типа различается (рис. 9.6). "В двойных спиралях В-типа стэкинг ограничен в основном взаимодействием между основаниями одной полинуклеотидной цепи (одноцепо-чечный стэкинг). В А-спиралях в стэкинге участвуют и основания, принадлежащие разным цепям (т.е. имеет место как одно-, так и двухцепочечный стэкинг). Это обусловлено двумя причинами. Во-первых, угол между соседними нуклеотидами в спиралях А-типа меньше (30 ~ 32,7°), чем в спиралях В-типа (36 -f- 45°), что благоприятствует образованию и одно-, и двухцепочечного стэкинга. Во-вторых, наклон пар, положительный в спиралях А-типа и отрицательный в спиралях В-типа, увеличивает перекрывание пар в первом случае и уменьшает во втором из-за того, что спирали правые. Все сказанное выше иллюстрирует рис. 9.6.

Нативная ДНК находится в В-форме. Порядок спирали В-ДНК равен в точности 10 только для кристаллического состояния и в растворе не сохраняется. В кристаллических волокнах на один виток молекулы ДНК, находящейся в В-форме, приходится 10 пар оснований, т.е. это целочисленная двойная спираль с симметрией 10j (табл. 9.1). Такая молекулярная структура связана с наличием кристаллической решетки [840] и практически не меняется даже в случае очень влажных волокон [841]. Однако, как только кристаллическая решетка разрушается и прямой контакт между спиралями исчезает, структурные ограничения, обусло-

П-509

258

(-Пиримидин Пурин-) 5- 3' Р Р 3' 5'

f-Пурин Пиримидин-)

Глава 9

(-Пурин Пиримидин-) У 3-Р Р 3' 5' (-Пиримидин Пурин-4

(-Пурин ПиримидинН

5' 3'

Р Р

3" 5'

(-Пурин Пиримидин-)

Ъ$к Щ\ Ъ$

Рис. 9.6. Стэкинг оснований в двойных спиралях А- и В-типа [845]. Сверху вниз: А-, В- и D-ДНК. Показаны АТ-пары в последовательностях: Т—А над А—Т, А—Т над Т—А и А—Т над А—Т. Т—А над Т—А-это то же самое, что А—Т над А—Т, если поменять местами верх и низ. Пары лежат в плоскости рисунка. Поскольку ось спирали не перпендикулярна плоскости пар, она проецируется на плоскость не в виде точки, а в виде стрелки, направленной от верхней пары оснований к нижней. Обратите внимание, что в А- и D-ДНК стрелки направлены в противоположные стороны, поскольку в первом случае угол наклона пары Вт положителен, а во втором отрицателен. Оси В-ДНК отвечает самая маленькая стрелка, потому что у этой ДНК угол наклона пар мал. Стэкинг оснований в С-ДНК занимает промежуточное положение между стэкингом в В- и D-ДНК.

вленные кристаллической упаковкой, устраняются, и молекула ДНК немного раскручивается, что приводит к увеличению числа пар оснований на виток до 10,3-г-10.6. О справедливости такой оценки свидетельствуют результаты рентгеноструктурного анализа додекануклеотида (разд. 11.2), который кристаллизуется так, что в независимой части ячейки присутствует полный виток ДНК В-типа [464]. На это же указывают данные по рассеянию рентгеновских лучей под большими углами [462], по ферментативному гидролизу [463], круговому дихроизму [835], а также теоретические расчеты [836].

Поскольку в волокнах при высокой влажности и в водных растворах ДНК находится в В-форме, принято считать, что именно эта форма отвечает состоянию нативной ДНК в клетке. Как будет показано в гл. 19,

Полиморфизм ДНК и структурный консерватизм РНК 259

ДНК имеет такую же молекулярную структуру и тогда, когда она намотана на гистоновый кор нуклеосом.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ

В этой главе описаны основные структурные свойства двухцепочечных спиралей нуклеиновых кислот. Показано, что конформационные возможности двойных спиралей РНК ограничены образованием двух близких форм, А и А', тогда как двойная спираль ДНК подвергается различным структурным перестройкам, приводящим к появлению целого ряда форм: правых спиралей А, В, С и D и левой Z (гл. 12). Структура молекулы. ДНК определяется в основном окружением (присутствием солей, спирта), но определенную роль играют также последовательность оснований и нуклеотидный состав. Правые спирали образуют два семейства: А (конформация сахарных остатков С3.-эндо) и В (конформация сахарных остатков С2--эндо); В-семейство включает также С-и D-ДНК. Различие в конформации сахарных остатков приводит к неодинаковым геометрическим характеристикам двойных спиралей: разному смещению пар относительно оси спирали, углу наклона пар и размерам минорного и главного желобков.

ГЛАВА 10

Структура РНК

В зависимости от биологической функции природные РНК либо представляют собой протяженную двойную спираль, либо имеют глобулярную структуру, в которой короткие двухцепочечные фрагменты образуются при сворачивании в глобулу одной цепи. Во многих случаях образование двухцепочечных участков можно предсказать, исходя из нуклеотиднои последовательности молекулы; для этого были разработаны специальные компьютерные алгоритмы [864].

Короткие двойные спирали обнаружены в тРНК (гл. 15), в рибосомных РНК [865-868], в генах, кодирующих белки оболочки бактериофагов MS2 [869] и R17 [870], в глобиновой мРНК, а также в других мРНК [872].

Четкую спиральную структуру имеют РНК вируса карликовости риса [873], реовирусная РНК [874-877], РНК вируса раневых опухолей [878] и биосинтетические полинуклеотидные комплексы [852, 853, 878]. В волокнах реовирусная РНК может находиться в двух структурных формах, а и Р, основное различие между которыми касается не молекулярной структуры, а кристаллической упаковки [874-877]. Синтетические гомополимеры poly(A) ¦ poly(U) и poly(I) ¦ poly(Q кристаллизуются так же, как Р-РНК реовируса, т.е. по своей структуре они похожи на природную РНК [852, 853]. Как описано в разд. 10.2, гомополимер poly(A) - poly(U) и его аналог poly(A) • poly(I), содержащий одни только пурины, с повышением концентрации соли перегруппировываются и образуют трехцепочечные спирали, в которых наряду с уотсон-кри-ковским осуществляется и хугстеновское спаривание оснований [853, 880-881]. Если в этих гомополимерных комплексах в положение 2 аденина ввести в качестве заместителя более объемную группировку, то будут образовываться двойные спирали, в которых наблюдается только хугстеновское спаривание оснований. Тем не менее во всех перечисленных примерах мы имеем дело только с полинуклеотидными цепями А-семейства.

В этом проявляется удивительный структурный консерватизм молекул РНК.

Структура РНК

261

10.1. ДВОЙНЫЕ СПИРАЛИ А-РНК

И А'-РНК СХОДНЫ МЕЖДУ СОБОЙ

В зависимости от концентрации соли в среде двойные спирали РНК находятся в одной из двух структурно близких форм. При низкой ионной силе преобладает двойная спираль А-РНК с 11 парами оснований на виток. Если концентрацию соли увеличить до 20%-ного избытка, то А-РНК перейдет в А'-РНК, у которой на виток приходится 12 пар оснований. Кроме того, высказывались предположения о наличии третьего типа конформации нецелочисленной двойной спирали с числом пар на виток 11,3 + 0,5; однако этот вопрос пока детально не исследован [879].

В 60-х годах считалось, что А-РНК-это двойная спираль 10-го порядка [92, 876]. Впоследствии более тщательные исследования показали, что на самом деле она представляет собой спираль 11-го порядка. Это подтвердили и последние рентгеноструктурные исследования волокон А-РНК. Геометрические детали структуры А-РНК были установлены при изучении синтетических полинуклеотидов poly(A) - poly(U) и poly(I) • poly(Q, а параметры структуры А'-РНК-при изучении комплекса poly(I) ¦ poly(C) в присутствии более высокой концентрации соли (табл. 9.3) [851, 852].

А- и А'-РНК обладают особенностями, характерными для структур с уотсон-криковским спариванием оснований. Полинуклеотидные цепи ан-типараллельны и образуют правую двойную спираль. Пары оснований смещены относительно оси спирали на 4,4 А, поэтому главный желобок получается очень глубоким, а минорный-мелким (гл. 9). Основное различие между А- и А'-РНК заключается в неодинаковом шаге спирали: для А-РНК он равен 30 А, для А'-РНК-36 А. Шаг спирали коррелирует с числом нуклеотидов на виток: 11 у А-РНК и 12 у А'-РНК. У А-РНК расстояние между нуклеотидами вдоль оси спирали меньше (2,73 -f- 2,81 А), чем у А'-РНК (3 А). Это различие отражается на величине угла наклона пары, который равен 16-1-19° для А-РНК и 10° для А'-РНК. В остальном конформация нуклеотидов в составе А- и А'-РНК одинакова, что видно из величин торсионных углов (табл. 9.3) и из рис. 10.1 и 10.2.

10.2. В ТРОЙНЫХ СПИРАЛЯХ РНК ОДНОВРЕМЕННО ОБРАЗУЮТСЯ УОТСОН-КРИКОВСКИЕ И ХУГСТЕНОВСКИЕ ПАРЫ

Перегруппировка цепей гомополимерных i етеро дуплексов приводит к образованию трехцепочечных спиралей. При увеличении концентрации соли в комплексах poly(A) • poly(U) и poly(I) • poly(C) происходит структурный переход А-РНК А'-РНК [848]. При этом poly(I) - poly(Q сохраняет конфигурацию А'-РНК, а цепи poly(A) • poly(U) перегруппировываются, образуя тройную спираль poly(U) • poly(A) ¦ poly(U) и одиночную Цепь poly(A) [880, 881]. Это происходит из-за того, что гетероцикл аденина способен образовывать одновременно уотсон-криковскую

Глава 10

Рис. 10.1. Молекулярная структура А-РНК, построенная с помощью компьютерной программы SCHAKAL [1376] по координатам атомов, приведенным в работе [848]. Размеры кружков отражают радиус соответствующих атомов и увеличиваются в ряду С, N, О; атомы водорода не указаны. Сахарофосфатный остов изображен черным цветом, основания-коричневым, водородные связи в спаренных основаниях-серым. Масштаб: 1 см = 5 А. Части молекулы, расположенные ближе к наблюдателю, изображены жирными линиями. Слева: вид сбоку и вдоль оси спирали. Справа: двойная спираль наклонена на угол 32°, чтобы показать, насколько главный желобок (Г) глубже минорного (М).

Структура РНК

Рис. 10.2. Структура А'-РНК, построенная по координатам атомов, приведенным в работе [848] (подробности см в подписи к рис. 10.1).

264

Глава 10

и хугстеновскую пары (рис. 6.7):

Антипараллельная Антипараллельная

уотсон- уотсон- Параллельная криковская Перераспраде- криковская хутстеновская I l ление цепей l-—i 1-1

2poly(A)poly(U)

poly(U)-poly (A)- poly(U)+poly (A)

Двойная спираль

Тройная спираль

Тройной комплекс включает в себя антипараллельную двойную спираль poly(А) • poly(U) с уотсон-криковскими парами оснований, которая аналогична А'-РНК при относительной влажности 92% и переходит в А-форму при относительной влажности 75%. Еще одна цепь poly(U) встраивается в глубокий главный желобок двойной спирали и образует хугстеновские пары с N7 и N6H цепи poly(A). При этом цепи хугстеновской двойной спирали poly( А) ¦ poly(U) параллельны друг другу (рис. 11.8).

У гипоксантина положение функциональных карбонильных и имино-групп такое же, как и у урацила, поэтому нет ничего удивительного в том, что у тройного комплекса poly(U) ¦ poly(A) • poly(U) имеется полностью пуриновый аналог - poly (I)- poly (A)- poly (I) [853], в котором также представлены и хугстеновские, и уотсон-криковские «качающиеся» пары (рис. 6.7). Продольный размер пары AI уотсон-криковского типа с расстоянием Ct,---Cy, равным 13 А, существенно больше, чем у хугстеновской; у последней это расстояние равно 10,8 А, что сравнимо с характерной для обычной уотсон-криковской пары величиной.

Все цепи в тройных спиралях имеют почти одинаковую конформацию. Во всех трехцепочечных спиралях наклон уотсон-криковских и хугстеновских пар оснований примерно одинаков и значительно меньше (7 Ч-13°), чем наклон пар в двойных спиралях А-РНК (16 Ч- 19°). Вследствие этого расстояние h между нуклеотидами вдоль оси спирали увеличивается до ~ 3 А (рис. 9.4), глубокий главный желобок становится более открытым, и в нем может поместиться еще одна полинуклеотидная цепь. Одновременно с этим смещение пар от оси спирали уме

страница 31
< 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)