Биологический каталог




Принципы структурной организации нуклеиновых кислот

Автор В.Зенгер

62 А) [895, 899] (табл. 11.3).

3. Конформация сахара вдоль двойной спирали додекануклеотида непостоянна: она меняется от С3.-экзо- до 04.-эндо-формы (табл. 11.3). Если описывать конформацию сахара с помощью торсионного угла 8, то мы получим гауссово распределение с максимумом в области Cj.-экзо-конформации (8~ 123°). Как показывает рис. 11.6, конформация сахара четко коррелирует с величиной гликозидного торсионного угла X, а кроме того, для пиримидиновых нуклеозидов характерны более низкие значения угла 5 (04.-эндо), а для пуриновых-более высокие (С2'-эндо). При этом наблюдается поразительная антикорреляция: точки (X, 5), отвечающие двум разным нуклеотидам пары, располагаются на рис. 11.6 симметрично по отношению к средней точке (х, 8).

4. Правила Калладина и принцип антикорреляции эквивалентны. Как мы уже говорили в начале этой главы, модуляции структуры двухцепо-чечной ДНК можно объяснить на основе чисто механических соображений. Для последовательностей пиримидин—(3', 5')—пурин изменение

I углов крена 0R сопровождается «раскрытием» пар в минорный желобок, а для последовательностей пурин—(3', 5')—пиримидин-в главный; в случае гомопоследовательности 9R не меняется в соответствии с правилом 2 на с. 273. Правило 3 устанавливает прямую связь между горизонтальным сдвигом пары и торсионным углом 8. Так как этот сдвиг «вытягивает» пурины из стопки оснований в спирали, торсионный угол 8 для пуринов увеличивается до ~ 135° (рис. 11.6), а для пиримидинов уменьшается до ~ 110°, и в результате расстояние между фосфатами остается неизменным, равным ~6,8 А (см. также рис. 11.1, Б).

5. Угол пропеллера пары равен 11° для dG—dC и 17° для dA—dT, что существенно больше среднего значения 2,1°, полученного на основании

Структура ДНК

283

рентгеновских данных на волокнах [843]. Из кристаллической структуры додекамера следует, что наблюдающаяся для GC-пары тенденция к уменьшению угла пропеллера по сравнению с АТ-парой обусловлена не наличием дополнительной водородной связи, а тем, что, если бы этот угол был больше, происходило бы столкновение аминогруппы гуанина с соседними основаниями «сверху» и «снизу».

6. В последовательности dT—dC—dG основание dC выдвигается «из-под» dTvi сильнее перекрывается с dG (рис. 11.5). Отметим, что сходные тенденции наблюдаются при образовании стопок оснований в водном растворе (гл. 6).

Итак, анализ кристаллической структуры упомянутого выше В-доде-

в

Рии 113 Структура В-ДНК, построенная по координатам, указанным С. Ар-ноттом и Р. Чандрасекараном (1981). Описание деталей графического Представления и масштаб даны в подписи к рис. 10.1. Приведены вид сбоку и сверху. А. Скелетная модель. Б. Объемная модель. В. Спираль наклонена под углом 32° в направлении от наблюдателя; при таком наклоне хорошо видны'минорный (М) и главный (Г) желобки.

284

Глава 11

Рис. 11.4. Две проекции молекулярной структуры двойной спирали d(CGCGAATTCGCG), построенные по результатам рентгеноструктурного анализа монокристаллов [464]. Приведены две взаимно перпендикулярные проекции, поэтому можно рассмотреть оба желобка-главный (слева) и минорный (справа). На рисунке справа отчетливо видно, что двойная спираль искривлена. Фосфатные группы затемнены, атомы водорода не указаны.

камера показал, что двойную спираль ДНК не следует рассматривать как однородный стержень, каким она казалась на основании рентгеновских дифракционных данных на волокнах. В структуре ДНК наблюдаются систематические, зависящие от нуклеотиднои последовательности модуляции, которые, вероятно, важны при нуклеиново-белковом узнавании. С другой стороны, двойные спирали РНК и ДНК А-типа более однородные по структурным свойствам и не проявляют обнаруженного у В-ДНК полиморфизма, к подробному рассмотрению которого мы сейчас перейдем.

11.3. «В-ДНК С ЧЕРЕДОВАНИЕМ КОИФОРМАЦИИ»

И ТЕТРАНУКЛЕОТИД d(pATAT); й(ГрЛ)-ДИНУКЛЕОЗИДФОСФАТ,

ОБРАЗУЮЩИЙ СПИРАЛЕПОДОБНУЮ СТРУКТУРУ

Олигодезоксинуклеотид с чередующейся последовательностью d(pATAT) был закристаллизован в виде аммонийной соли при добавлении ацетона в водный раствор олигонуклеотида [359]. Можно было бы ожидать, что этот самокомплементарный тетрамер образует антипараллельную двойную спираль уотсон-криковского типа, аналогичную тем, которые мы только что рассматривали, или аналогичную дуплексам ApU и GpC [465, 466]. Однако такая структура реализовалась лишь частично: каждый тетрамер d(pATAT) оказался связан уотсон-криковски-

Структура ДНК

285

Рис. 11.5. Перекрывание 11 пар оснований в додекамере d(CGCGAATTCGCG) [895]. Последовательность оснований отвечает указанным сбоку номерам: от 1 до 12 в одной цепи и от 13 до 24 в другой. Заметим, что стэкинг оснований и конформация сахарных остатков в центральном гексамере d(GAATTC) (ступени 4-8) отличаются большей регулярностью, чем в случае «внешних» участков; сравните ступени 9 (подобна А-ДНК) и 10 (подобна D-ДНК). Все пары, за исключением концевых, представлены на рисунке дважды и показаны в одной и той же ориентации относительно наблюдателя.

286

Глава 11

Таблица 11.ЗА. Конформационные параметры в-спирали додекамера d (CGCGAATTCGCG) [899, 899а]

Углы в град

Остаток

Конформация сахара

Расстояние между соседними атомами Р одной цепи, А.

С1 - 105 — — 174 157 - 141 - 144 Сг.-эндо

G2 - 111 -66 170 40 128 - 186 -98 Cj.-экзо 6,64

сз - 135 -63 172 59 98 - 177 - 88 04.-экзо 6,47

G4 -93 - 63 180 57 156 - 155 - 153 С2.-экдо 6,83

А5 - 126 -43 143 52 120 - 180 -92 Cj.-экзо 6,88

А6 - 122 -73 180 66 121 - 186 - 89 С,.-экзо 6,90

Т7 - 127 -57 181 52 99 - 186 - 86 04.-экдо 6,29

Т8 - 126 - 59 173 64 109 - 189 - 89 Cj.-экзо 6,87

С9 - 120 - 58 180 60 129 - 157 -94 Cj.-экзо 6,70

G10 -90 -67 169 47 143 - 103 -210 С2.-экдо 6,55

СП - 125 -74 139 56 136 - 162 -90 С2.-экдо 7,05

G12 - 112 -82 176 57 111 — — Cj.-экзо

С13 - 128 _- _ 56 137 - 159 - 125 С2.-экдо

G14 - 116 - 51 164 49 122 - 182 -93 Cj.-экзо 6,62

С15 - 134 -63 169 60 86 - 185 -86 04.-экдо 6,45

G16 - 115 -69 171 73 136 - 186 -98 С2-эндо 7,12

А17 - 106 - 57 190 54 147 - 183 -97 С2.-экдо 6,77

А18 - 108 - 57 186 48 130 - 186 - 101 С2.-экдо 6,71

Т19 - 131 - 58 174 60 109 - 181 - 88 Cj.-экзо 6,70

Т20 - 120 - 59 179 55 122 - 181 -94 Cj.-экзо 6,70

С21 - 114 - 59 185 45 ПО - 177 -86 Cj.-экзо 6,17

G22 - 88 - 67 - 179 50 150 - 100 - 188 С2.-экдо 6,60

С23 - 125 -72 139 45 113 - 174 -97 Cj.-экзо 6,68

G24 - 135 -65 171 47 79 — — С3.-экдо

Среднее - 177 - 63 171 541' 123 169 - 108

+ SD 14 8 14 8 21 25 34

в- - 119 - 61 180 57 122 - 187 - 91

ДНК2> bf- - 102 - 41 136 38 139 133 - 157

ДНК3» Ар- - 154 - 90 - 149 47 83 175 - -45

ДНК3'

" При усреднении величина у для С1 не учитывалась, поскольку в данном

чае она отражает концевые эффекты.

2) По данным для энергетически уточненной структуры В-ДНК [836]. 3> По дифракционным данным на волокнах [304].

Структура ДНК

287

Таблица 11.ЗБ. Локальные параметры В-спирали додекамера d (CGCGAATTCGCG) [899, 899а]

Пара оснований Угол пропеллера 6р, град Угол спирального вращения1' t, град Число пар оснований и на виток Расстояние между парами вдоль оси спирали h, А

C1/G24 13,2 ±2,0

38,3 ± 1,1 9,40 ± 0,27 3,36 ± 0,01

G2/C23 11,7 ±2,1

39,6 ± 6,1 9,09 ± 1,40 3,38 ± 0,08

C3/G22 7,2 ± 2,1

33,5 ± 2,1 10,75 ± 0,67 3,26 ± 0,05

G4/C21 13,2 ± 1,9

37,4 ± 1,7 9,63 ± 0,44 3,30 ± 0,10

А5/Т20 17,1 ±2,1

37,5 ± 0,9 9,60 ± 0,23 3,27 ± 0,02

А6/Т19 17,8+2,1

32,2 ± 2,1 11,18 ±0,73 3,31 ±0,03

Т7/А18 17,1 ± 1,9

36,0 ± 2,8 10,00 ± 0,78 3,29 ± 0,01

Т8/А17 17,1 ±2,0

41,4 ± 2,1 8,70 ± 0,42 3,14 ± 0,02

C9/G16 18,6 ± 1,9

32,3 ± 1,3 11,11 ±0,45 3,56 ± 0,07

В10/С15 4,9 ± 1,9

44,7 ± 5,4 8,05 ± 0,97 3,21 ± 0,18

ldl/G14 17,2 ± 1,9

37,0 ± 1,9 9,73 ± 0,50 3,54 ± 0,19

JG12/C13 6,2 + 2,3

Среднее 13,4 ±4,9 37,3 ± 3,8 9,75 + 0,98 3,33 ± 0,13

А-ДНК 32,7 11,0 2,56

В-ДНК 36,0 10,0 3,38

С-ДНК 38,6 9,33 3,31

*>-ДНК 45,0 8,0 3,03

*' Эти параметры получены как углы между одного нуклеотида и вектором, соединяющим нуклеотида (см. гл. 2).

вектором, соединяющим атомы Ct и N такие же атомы следующего по цепи

ми парами с двумя партнерами, симметрично сдвинутыми в обе стороны на два нуклеотида относительно исходного тетрамера. В результате получились две короткие двойные спирали d(pApT) и неспиральный центральный фрагмент d(pTpA) (рис. 11.7).

Конформация фосфодиэфирных связей непостоянна. Торсионные углы а и описывающие ориентацию относительно связей Р—05. и Р—Оэ., для двух спиральных фрагментов d(pApT) каждой молекулы тетрамера лежат в области — ск, как того требует спиральная геометрия. Однако

Глава И

Структура ДНК

289

у центральной фосфодиэфирной связи угол ? находится в области an, а а-в области — ск, что характерно для структуры Р2, представленной на рис. 4.26. В результате остов в этом месте вытягивается и спиральная структура нарушается (рис. 11.7). Чтобы восстановить конформацию двойной спирали, нужно изменить величину угла ? от 168 до — 100° (см. об этом более подробно ниже).

Фуранозные кольца, связанные с пуринами, имеют конформацию Су-эндо, а связанные с пиримидннами-С2,-эндо. Наиболее удивительная структурная особенность молекулярного комплекса d(pATAT) состоит в том, что конформация сахарных остатков чередуется. Вследствие этого заметно различаются торсионные углы относительно гликозидной связи: для аденозинов угол х равен--160°, для тимидинов--110°.

Почему d(pATAT) ие образует непрерывной тетрануклеотидной двойной спирали? Сравнение с d(TpA). Неспособность тетрануклеотида d(pATAT) к образованию непрерывной спирали, по-видимому, обусловлена слабым перекрыванием оснований d(TpA) в спиральной структуре. Это в корне отличается от сильного перекрывания в двух фрагментах d(ApT): сравните последовательности пиримидин-3', 5'-пурин и пурин-3', 5'-пиримидин для В-ДНК на рис. 9.6. В гипотетической двойной спирали d(pATAT) с чередующейся конформацией сахара перекрывание оснований в последовательности пиримидин-3', 5'-пурин оказалось бы еще хуже [900]. Данные по динуклеотидам d(pTpA) и d(pApT) в водном растворе, полученные методом ядерного магнитного резонанса, подтверждают такую интерпретацию. Они четко указывают на то,

Рис. 11.6. Иллюстрация антикорреляционного принципа [895]. Вверху: линейная зависимость гликозидного угла х от конформации сахара, определяемой торсионным углом 6 (С5.—С4.—С3.—03.). Точки для нуклеотидов додекамера d(CGCGAATTCGCG) указаны с помощью последовательных номеров, точки для центрального участка комплекса d(CGTACG) с дауномицином (разд 16.3)-символами А4, ТЗ; точки для классических А-ДНК и В-ДНК по дифракционным данным на волокнах-символами AF и BF соответственно. Цветные символы отвечают пуринам, черные-пиримидинам. Нормированные гауссовы распределения (слева и внизу) показывают, что для пуринов характерны более высокие значения х и 6, чем для пиримидинов. Точки для двух оснований одной пары расположены почти симметрично относительно 6 = 123° (ср. точки для партнеров разных пар: 1 и 24, 2 и 23, 3 и 22 и т. д). Вдоль верхней горизонтальной оси указаны отвечающие данному значению 6 конформации сахара. Внизу: объяснение корреляции yjb. Чтобы расстояние 03. • • • С5. оставалось неизменным, а расстояние Р ¦ • - Р по всей длине додекамера было равно 6,68 А, при повороте сахара из положения (а) в положение (б) должно происходить уменьшение 6 и переход этого угла из области ак в область ск (от 150 до 85°). Как отмечалось в разд 4.5 и как видно из представленного на рисунке распределения величин х, для пуринов характерны меньшие по абсолютной величине отрицательные значения х, чем для пиримидинов.

19-509

290

Глава 11

Рис. 11.7. Кристаллическая структура олигонуклеотида d(pATAT) [359]. Чем ближе к наблюдателю расположены нуклеотиды, тем сильнее они затемнены; цветные линии-это водородные связи. Стрелками отмечены те связи Р—Оэ., углы вращения С вокруг которых лежат в области an; при этом спиральная структура разрушается.

что для второго типа молекул существенной структурной особенностью является наличие стэкинга, тогда как в молекулах d(pTpA) стэкинг практически отсутствует [901].

Для того чтобы объяснить, как выглядит «полимерная» структура, которую образует динуклеозидфосфат d(TpA), пришлось предположить, что стэкинг в молекуле d(TpA) отсутствует [902, 902а]. При выпаривании водного раствора аммонийной соли d(TpA) образуются пленки, рентгенограммы которых напоминают рентгенограммы волокон А-ДНК. Предполагается, однако, что из димеров d(TpA) формируется двойная спираль не с уотсон-криковскими, а с хугстеновскими парами оснований. При этом каждая молекула d(TpA) образует пары с двумя партнерами. В результате из элементов d(TpA) формируется спиралеобразная структура. Весь полимерный комплекс стабилизируется главным обра-

Структура ДНК

291

зом благодаря стэкинг-взаимодействиям dA—dA, значительно более сильным, чем стэкинг «аТ-на-dA», который имел бы место в уотсон-криковской структуре (см. обсуждение иерархии стэкинг-взаимодействий в разд. 6.6).

«В-ДНК с чередованием конформации»-это гипотетическая модель «В-ДНК-образной» двойной спирали, в которой, как и в тетрануклеотиде d(pATAT), соблюдается принцип чередования определенных конформации [900, 900а]. Чтобы сконструировать такую модель исходя из структуры d(pATAT), потребовалось перевести угол вращения вокруг связи Р—03 у центрального фрагмента d(TpA) из области an в область — ск. Это позволило получить двойную спираль В-типа, структуру которой затем уточняли путем минимизации энергии. Полученная модель существенно отличалась по своим структурным характеристикам от «классической» В-ДНК. Конформации Сахаров, как и в тетрануклеотиде, чередовались: у аденозинов С3--эндо, у тимидинов С2--эндо. Соответственно менялась ориентация сахара и основания относительно гликозидной связи. Для всех нуклеотидов В-ДНК углы вращения а и ? относительно связей Р—О были равны — 60 и — 90° соответственно, а у «В-ДНК с чередованием конформации» а = ?= —60° для фрагментов d(ApT) и а= -50°, С = - 120° для фрагментов d(TpA).

Существование «В-ДНК с чередованием конформации» подтверждается экспериментально и имеет биологический смысл. О том, что «В-ДНК с чередованием конформации» действит

страница 34
< 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)