Биологический каталог




Принципы структурной организации нуклеиновых кислот

Автор В.Зенгер

показано, что в нейтральном водном растворе poly(C), вероятно, существует в виде левой одноцепочечной спирали, у которой виток состоит из восьми нуклеотидов [950а]. Расстояние между нуклеотидами вдоль оси спирали составляет 2,9 А, и, следователь-do, шаг спирали равен 23,2 А. По-видимому, здесь мы имеем дело с совершенно новым видом спиральной структуры, геометрические характеристики которой очень сильно отличаются от характеристик, полученных с помощью рентгеновской дифракции на волокнах poly(C). Это следует и из общего вида левой спирали-рибозофосфатный остов находится внутри структуры, а основания снаружи, как у правой спирали poly(dT) (разд. 13.4). Следовательно, стэкинг между остатками цитозина в данном случае отсутствует, и два соседних остатка цитозина взаимодействуют друг с другом путем образования водородной связи N4H---02. Предложенную (гипотетическую) спиральную структуру стабилизирует еще одна водородная связь: между группой 02 Н и фосфатом, расположенным на З'-конце того же нуклеотида. Сахара имеют конформацию С3.-эндо, основания -анти. Необычен угол вращения Y вокруг связи С4.—С5-он лежит в области сп; углы вращения а и ? вокруг связей Р—О находятся в области — ск.

21*

324

Глава 13

13.2. ОДНОЦЕПОЧЕЧНЫЕ СПИРАЛИ POLY(A) 9-го И 2-го ПОРЯДКОВ С ОСНОВАНИЯМИ «ВНУТРИ» И «СНАРУЖИ»

В зависимости от рН poly(A) существует либо в виде одноцепочечной, либо в виде двухцепочечной спирали. Подобно poly(C), poly(A) также образует упорядоченные структуры двух типов: при нейтральных и щелочных рН преобладает одноцепочечная спираль, которая превращается в двухце-почечную, если остатки аденина (в положении N,) протонируются, т.е. при рН ниже ~ 4. Эти две модификации poly(A) стали объектом целого ряда термодинамических исследований, опирающихся на спектроскопические [331, 930-932, 951, 952] и теоретические методы [955, 956]. Переход «одноцепочечная спираль ?± двойная спираль» зависит от температуры, рН и концентрации соли [954]. Переход спираль-клубок кооперативен для двойной спирали и некооперативен в случае одноцепочечной спирали [952].

Структурные особенности одноцепочечной спирали poly(A) 9-го порядка. Согласно спектроскопическим данным, одноцепочечная спираль poly(A) является правой спиралью и принадлежит А-семейству, поскольку сахарные остатки находятся в С3.-эндо-конформации. Основания находятся в антм-конформации и уложены параллельно друг над другом. Отвечающая этим характеристикам структурная модель, приведенная на рис. 13.3, построена по результатам рентгеноструктурного анализа монокристаллов тринуклеозиддифосфата АрАН+ рАН+. Этот олиго-цвиттерион, подробно описанный в разд. 13.3, имеет спиральный участок АрАН + , структура которого была математически размножена до структуры спирали [957]. Полученная таким образом одноцепочечная спираль poly(A) содержит девять нуклеотидов на виток, высота которого равна 25,4 А. Соответствующие значения расстояния между нуклеотидами вдоль оси спирали (2,82 А) и наклона оснований (24°) вновь не согласуются с линейной зависимостью между h и ут (см. рис. 9.4). Фосфаты расположены на расстоянии 8,07 А от оси спирали, что несколько меньше «фосфатного» радиуса двойной спирали А-РНК, равного 8,59 А. Как и в poly(C), торсионный угол в, составляющий — 145°, ближе к значениям для мононуклеотидов, чем для двойных спиралей А-РНК (табл. 9.3).

В дезоксирибоаналоге poly(dA) сахар находится в другой коиформации. С3.-эндо-конформация сахара и такой же стэкинг, как у спирали ро!у(А), характерны и для структуры oligo(A) в водном растворе [331]. По данным ЯМР, в случае дезоксианалога предпочтительной становится С2.-эндо-конформация и появляется четко выраженный стэкинг [958]. По мере увеличения длины олигомера число С2.-эндо-конформеров растет и соответственно увеличивается конформационная чистота, о которой говорилось в табл. 4.5. Структурные различия между poly(A) и poly(dA) выявляются также с помощью иммунологических тестов [959].

Структура синтетических гомополимеров

325

Рис. 13.3. Модель одноцепочечной спирали poly (А), построенная на основании кристаллической структуры АрАН + рАН + . Использованы координаты, приведенные в работе [957]. Описание деталей изображения и масштаб даны в подписи к рис. 10.1.

Поведение одноцепочечной спирали poly[A) 2-го порядка в денатурирующих растворителях. Картина резко меняется, если в качестве растворителя использовать не воду, а денатурирующий агент, например фор-мамид, диметилсульфоксид или этанол. Известно, что эти соединения разрушают стэкинг и, следовательно, изменяют термодинамические и спектроскопические свойства'нуклеиновых кислот [960, 961] (см. рабо-

326

Глава 13

Рис. 13.4. Рентгенограмма волокна poly (А), полученного из раствора формами-да [963]. Ось волокна наклонена к плоскости, перпендикулярной направлению рентгеновского пучка, на угол 8°. Расстояние между остатками вдоль оси спирали равно 2,9 А (на это указывает меридиональный рефлекс, отсутствующий на рисунке). Расстояние между слоевыми линиями равно 5,8 А и дает шаг спирали. Стрелкой отмечен меридиональный минимум на первой слоевой линии; наличие этого минимума означает, что 5,8 А не есть расстояние между остатками вдоль оси спирали.

ту [962], в которой использовался 80%-ный этанол). Удивительно, что даже при таких условиях удается получить упорядоченные волокна poly(A), которые дают почти идентичные рентгенограммы в случае всех перечисленных растворителей. Следовательно, полимер в денатурирующих растворителях имеет совершенно определенную упорядоченную вторичную структуру [963]. Как же выглядит такая «денатурированная» структура, в которой нет стэкинга оснований?

Рентгенограмма волокон poly(A), полученных из раствора формами-да, очень сильно отличается от рентгенограммы уотсон-криковской

Структура синтетических гомополимеров 327

Рис. 13.5. Структура полученной в денатурирующих условиях одноцепочечной спирали poly (А) 2-го порядка, построенная на основании рентгенограммы, приведенной на рис. 13.4. Вверху: ось спирали лежит в плоскости рисунка. Внизу: ось спирали расположена почти вертикально. Молекулы растворителя (формамида), изображенные серым цветом, образуют водородные связи с аденинами. Структура построена по координатам, приведенным в работе [963]. Описание деталей изображения и масштаб даны в подписи к рис. 10.1.

двойной спирали (рис. 13.4 и 3.9, В). Видно тем не менее, что исследуемая молекулярная структура представляет собой спираль с шагом 5,8 А и с двумя нуклеотидами на виток. Характер кристаллической упаковки молекул и данные по двойному лучепреломлению указывают на значительный наклон оснований (~ 36°), полное отсутствие взаимодействия между основаниями и сильную сольватацию (3,5 молекулы формамида на нуклеотид) (рис. 13.5).

- Последовательность тт-поворотов (реверсивных поворотов). Значения торсионных углов для спирали poly(A) 2-го порядка приведены в табл. 9.3. Обращает на себя внимание тот факт, что сахар находится в Сз'-экзо-конформации, а два угла вращения вокруг фосфоэфирных связей лежат в области + ск, что радикально отличается от ситуации для спиральных полинуклеотидов, у которых эти углы находятся в области

— ск.

р Эта особая относительно вращений вокруг Р—О-связей конформация была ранее обнаружена у неспиральных олигонуклеотидов UpAH+, АрАН+рАН+, а также у тРНК. Поскльку при этом подразумевается, что направление цепи изменяется на противоположное, т.е. происходит поворот полинуклеотидной цепи на угол п, ее назвали л-поворотом [964] (разд. 15.4). Здесь уместно заметить, что одноцепочечную спираль poly(A), которая образуется в денатурирующих условиях, можно рассматривать как структуру, состоящую из последовательных л-поворотов.

328

Глава 13

13.3. ДВОЙНАЯ СПИРАЛЬ POLY(AH + )-POLY(AH+)

С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМИ ЦЕПЯМИ, ОБРАЗУЮЩАЯСЯ ПРИ КИСЛЫХ рН. СПИРАЛЬ, ПОВОРОТ И СТЭКИНГ ПАР В ДИМЕРЕ АрАН + рАН+

При рН < 4 остатки аденина в poly(A) (в положении Nt) протонируют-ся. Цепи полимера агрегируют и образуют двойную спираль, которая сохраняет свою структуру в водном растворе [965]; агрегаты можно осадить на холоде [966] и вытянуть в волокна [458, 967].

Поворотная симметрия пар и взаимодействие «основание-фосфат» в полицвиттерионе. Из рентгенограммы волокон poly (АН +) • poly (АН +) следует, что данная структура представляет собой спираль 8-го порядка (угол спирального вращения равен 45°) с высотой витка 30,4 А, значит, расстояние между нуклеотидами вдоль оси спирали равно 3,8 А [458] (рис. 13.6). Поворотная ось 2-го порядка совпадает с осью спирали, в результате чего появляется поворотная симметрия внутри пары, показанная на рис. 13.1. Наличие той же оси 2-го порядка обусловливает параллельную ориентацию полинуклеотидных цепей друг относительно друга (см. начало главы). Особенно интересно взаимодействие N6—Н-О"—Р между атомом N6 аминогруппы и свободным кислородом фосфата (рис. 13.6). Эту водородную связь, по-видимому, стабилизирует протонирование аденина в положении Nx, при котором дуплекс poly(AH + )-poly(AH + ) превращается в полицвиттерион. С такой моделью согласуются также данные ЯМР, полученные для водных растворов poly(AH + )poly(AH + ) [967а].

АрАН+рАН +-АрАН + рАН +-дуплексный олигоцвиттерион, в котором представлены спиральная структура, поворот и стэкинг. Фрагмент poly (А), АрАрА, кристаллизуется в слабом кислом растворе в виде дуплекса из олигоцвиттерионов - Ар ~ АН + р ~ АН + • Ар ~ АН + р ~ АН +, в котором два отрицательных заряда фосфатных групп нейтрализуются положительными зарядами протонов второго и третьего остатков аденина в положении N, [986] (другую схему протежирования см. в работе [191]). Можно было бы думать, что димер образует двойную спираль, аналогичную спирали poly (АН +) • poly (АН +) (рис. 13.7). Однако в действительности конфигурация отдельной молекулы оказывается более сложной и включает элементы как спиральной, так и неспиральной структуры. Это согласуется с результатами исследования олигомеров Ар(Ар)„А с помощью кругового дихроизма, которые показывают, что в кислых растворах двойная спираль образуется только тогда, когда длина цепи превышает критическую величину и = 6. При и < 6 образуются неспиральные дуплексы с неустановленной пока структурой. Это означает, что инициация образования двойной спирали poly (АН+ )-• poly (АН+ ) с параллельными цепями подразумевает наличие устойчивого зародыша спирали большей длины, чем в случае уотсон-криков-ской двойной спирали, где размер зародыша равен трем парам (рис. 6.12).

В димере АрАН + рАН+ молекулы располагаются ангпипараллелъно

Структура синтетических гомополимеров

329

Рис. 13.6. Структура двойной спирали poly(AH + )-poly(AH + ), которая образуется в кислом растворе. Ось 2-го порядка совпадает с осью спирали, поэтому полинуклеотидные цепи параллельны. Обратите внимание, что имеется только один тип желобка, поскольку пара обладает осевой симметрией (рис. 13.1). Водородные связи между основаниями и связи N6H---0~— —Р изображены серыми линиями. Описание деталей изображения и масштаб даны в подписи к рис. 10.1. Структура построена по координатам, приведенным в работе [458].

(рис. 13.7, В). Однако при формировании дуплекса образуются пары АН+ —АН+, для чего необходима параллельная ориентация цепей (рис. 13.1). Это несоответствие приводит к тому, что спиральную конфигурацию принимает только часть молекулы, а именно сегмент АрАН + ; второй сегмент, АН + рАН + , образует поворот.

Несмотря на общую сложную структуру молекулы, отдельные ну-ялеотиды сохраняют стандартную конформацию: сахар находится в С3.-эндо-конформации, основания-в анти, у лежит в области + ск, т.е.

330

Глава 13

®

-р Р-

-р р-

ft

А

®

О-Р.

о'

Неспиральнап 1

Спиральная Оч / часть Р\~

©

часть

Рис. 13.7. Ожидаемая (А) и реально наблюдаемые (Б, В) конфигурации АрАН + рАН+ [968]. В случае А ди-мер образует короткую двойную спираль с такими же, как на рис. 13.1, парами, с такой же, как на рис. 13.6, структурой и с параллельно ориентированными цепями. Однако в кристаллическом дуплексе молекулы, содержащие спиральный и неспиральный участки (Б), объединены в антипараллельную структуру (В), стабилизируемую теми же парами АН+ ---АН* (жирные линии), образование которых предполагает параллельную организацию. Это противоречие приводит к повороту олигонуклеотидной цепи, показанному на рис. 13.8.

атом Os, располагается «над» рибозой. Однако ориентация нуклеозидов относительно фосфоэфирных связей Р—О у двух динуклеозидфос-фатных фрагментов совершенно разная: у фрагмента АрАН + она имеет спиральный характер (— ск), а у фрагмента АН + рАН + указывает на наличие я-поворота (+ ск) [964] (разд. 15.4).

Какие силы стабилизируют димер АрАН + рАН+ ? Из рис. 13.8 видно, что это в первую очередь стэкинг оснований, благодаря которому дуплекс приобретает вид глобулярной, почти спиральной структуры. Кроме того, между концевой 03.Н-группой и предпоследним фосфатом образуется водородная связь, которая стабилизирует АН + рАН + -поворот.

13.4. ОДНОЦЕПОЧЕЧНАЯ СПИРАЛЬ POLY{dT) БЕЗ СТЭКИНГА И С ВЫВЕРНУТЫМИ «НАРУЖУ» ОСНОВАНИЯМИ, ПОСТРОЕННАЯ ПО ДАННЫМ О СТРУКТУРЕ ДЕЮКСИДИНУКЛЕОТИДА d(pTpT)

В отличие от poly(U), который может образовывать двойную спираль (по крайней мере при низких температурах), его дезоксирибоаналог poly (dT) и олигомеры oligo (dT), судя по спектроскопическим данным, не упорядочены [146, 147, 969, 970].

Динуклеотид й {рТрТ) был закристаллизован в виде натриевой соли из водного раствора, содержащего этанол [358]. Основной особенностью молекулярной структуры d(pTpT) является то, что конформацни двух нуклеотидов фактически идентичны: сахарные остатки находятся в С2.-эк0о-конформации, основания-в анти, а угол вращения у вокруг связи С4.—С5, лежит в области + ск. Эти структурные параметры со-

Структура синтетических гомополимеров

331

храняются и в случае водного раствора d(pTpT) [970], что не так уж неожиданно, поскольку молекула в кристалле сильно гидратирована-на динуклеотид приходится 26 молекул воды, т.е. кристалл больше похож на концентрированный раствор.

Вытянутая молекулярная структура d(pTpT). Угол вращения а вокруг фосфодиэфирной связи лежит в области — ск, как при спиральной конформации, но угол ? находится в области an, и вследствие этого молекула d(pTpT) вытягивается (рис. 13.9). Основания оказываются слиш-

Рис. 13.8. Молекулярная структура мономера АрАН + рАН+ (вверху) и димера АрАН + рАН + • АрАН + рАН + (внизу) [968]. Пунктирными линиями показаны водородные связи 03Н---0~Р. Атомы водорода не указаны, чтобы не загромождать рисунок.

332

Глава 13

Рис. 13.9. Молекулярная структура d(pTpT). В кристалле молекулы сильно гидратированы и оба атома кислорода 02 кетогрупп образуют координационные связи с ионом Na+, который, кроме того, окружен молекулами воды и атомами кислорода фосфатных групп, заполняющими его ок-таэдрическую координационную оболочку. Оба нуклеотида имеют, по существу, одинаковые конформационные параметры, и, следовательно, можно размножить структуру динук-леотида до структуры одноцепочечной спирали (см. рис. 13.10). Структура построена по

страница 39
< 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)