Биологический каталог




Принципы структурной организации нуклеиновых кислот

Автор В.Зенгер

разом, что Р = 0°, когда торсионный угол v2 достигает максимального положительного значения, что соответствует симметричной С2-экзо-С3-эндо-твист-конформации-|Т (рис. 2.1,Г). Зеркальному отображению этой конформацни соответствует фазовый угол Р = 180° (рис. 2.8). Если известен фазовый угол Р, то все пять эндоциклических торсионных углов определяются из соотношения

У/ + 2 = vmax cos (Р + уф), (2.2)

OI О

Щ

° il

32

Глава 2

720°

где j = 0, ...4, а ф=—— =144°. vmax определяется при j = 0:

v2

cosF

(2.3)

Заметим, что изменение Р в формуле (2.2) на 180° меняет знак всех углов v, что приводит к зеркальному отображению конформации, соответствующей данному фазовому углу Р.

Рис. 2.9 иллюстрирует теоретически рассчитанные изменения всех пяти эндоциклических торсионных углов в пределах одного полного цикла псевдовращения. Для любого значения Р сумма положительных торсионных углов равна сумме отрицательных углов, т.е. во всех слу-

Рис. 2.8. Цикл псевдовращения для фуранозного кольца в нуклеозидах [31]. Приведенные значения фазовых углов кратны 36°. Конформация конверта Е и твист-конформация Т чередуются каждые 18°. Поворот на 180° приводит к зеркальному отображению исходной конформации. Указаны знаки эндоциклических торсионных углов рибоз (расположенных по окружности): (+) положительный, ( —) отрицательный, (0) отвечает 0°.

Описание структуры нуклеиновых кислот: термины

33

о ч

г

j_L_i_I_i_I_i_I_i_1 ' 1

80 120 160 200 240 280 320 360

Фазовый угол псевдовращения P, град

Рис. 2.9. Изменение пяти эндоциклических торсионных углов фуранозы при полном цикле псевдовращения [32J.

их выполняется условие

Обратите внимание, что в цикле псевдовращения конформация конверта (Е) и изогнутая твист-конформация (Т) чередуются через каждые |8°. Четной кратности соответствует конформация Т, а нечетной-Е. Лнализ структуры нуклеотидов показывает, что их конформацни соответствуют в основном двум областям цикла псевдовращения: север-рой N (north), с 0° < Р< 36° (С3-эндо-конформация), и южной S (south), с 144° < Р < 190° (С2-эндо-конформация).

2.6. СИЯ/ЛНТИ-КОНФОРМАЦИЯ. ВРАЩЕНИЕ ВОКРУГ ГЛИКОЗИДНОИ СВЯЗИ

1В зависимости от взаимной ориентации основания и сахарного кольца Дт. е. от величины угла вращения вокруг гликозиднои связи Ct—N) раз-1(личают две основные конформацни -син и анти [33, 34] (рис. 2.10). Они определяются торсионным углом % (рис. 2.3; табл. 2.2):

f 04—CV—Ng—С4 (пурины)

I 04-—Ct—Nt—С2 (пиримидины) ^

В ян^ш-конформации шестичленное кольцо пурина и 02-атом пиримидина направлены от сахара, тогда как в смн-конформации они нави-

3-509

V0 + Vl + V2 + V3 + V4 = °-

(2.4)

34

Глава 2

сают над кольцом либо направлены в его сторону (рис. 2.10). По системе Клайна-Прелога анетш-конформация обозначается как an (антипла-нарная), а смн-конформация-си (син-планарная). В литературе встречаются и другие определения угла %. Связь между ними представлена в табл. 2.3 [35].

В кристаллах некоторых природных и химически модифицированных нуклеозидов наблюдается особая анетш-конформация, в которой связь Ct—С2' фактически совмещается в проекции со связью Nt—С6 в пиримидинах и со связью N9—С8 в пуринах. По системе Клайна-Прелога эту предельную высокую-анетш-конформацию [36] оснований с углом % ~ — 90° обозначают сокращенно — ск. Поскольку термин «высокая-анти», согласно нашему определению угла %, отвечает просто торсионным углам, меньшим чем у анти, во избежание путаницы для обозначения подобной конформации к термину «высокая-анти» будет добавляться символ — ск в круглых скобках -высокая-анти ( — ск).

Рис. 2.10. А. Схема, иллюстрирующая общую геометрию нуклеозида в син- или акти-конформациях. Аденозин [39] и уридин [40] находятся в акют-ориентации, тогда как 8-бромгуанозии [41] и 6-метилуридин [42]-в снк-коиформации из-за наличия объемных заместителей в opmo-положении относительно гликозидной связи. Стабилизирующая снк-конформацию 8-бромгуанозина внутримолекулярная водородная связь Os. Н • ¦ • N3 обозначена пунктиром. Отметим, что в анти-нуклеозидах сахар предпочитает находиться в С3.-экдо-коиформации, а в снк-ну-клеозидах-в С2.-эк0о-конформации. Сферы с наименьшим диаметром отвечают атомам Н и далее, по мере увеличения диаметра,-атомам С, N, О соответственно; положение атомов установлено с помощью кристаллографических данных.

Описание структуры нуклеиновых кислот: термины

35

an

180° ангц 180°

сп

Рис. 210. Б. Конформацни анти и син в соответствии с рекомендациями 1IUPAC-IUB [19] на примере пиримидинового нуклеозида. х~эт0 торсионный 1тол 04.—Су—Nj—С2 (табл. 22). Пиримидиновое основание направлено к читателю; основание поворачивается относительно неподвижного сахара. Шысокая-анти( — ск)-областъ (х ~ — 90°) фактически является частью области Инн, а высокая-cvHf + ак)~ частью анти.

Таблица 2.3. Связь между различными определениями торсионного угла относительно гликозиднои связи С,.—N [^принятое = Хдругое + Разность] [35]

^принятое Другие определения Разность между ^принятое и ЗСдругое» гРаЛ

¦1урин 04.—С,— N9—С8 + 180

Пиримидин 04.-C1.-N1-Ce

¦Турин 04—Су -N9—С4 С2—Су—N9—С8 -62,5

1 Пиримидин Ov—Cy -N,—С2 С2— С,.— N,— С6

¦Турин С2— С,.—N9—С4 + 116,5

Пиримидин С2.—Cv—Nj—С2

Й.7. ОРИЕНТАЦИЯ ОТНОСИТЕЛЬНО СВЯЗИ С4—С5-

[Вращаясь вокруг связи С4—С5., атом 05- по-разному ориентируется относительно фуранозного кольца. Это вращение реально приводит к трем конформациям (рис. 2.1 IX которые принято описы-рать двумя торсионными углами: ф00(05—С5—С4—04.) и 'Фос(05—С5—С4—С30 [37] либо угловыми интервалами ( + ) или ( —) 1гош или транс) (табл. 2.4). Для описания ориентации атома 05- относительно связи С4-—С5' ШРАС-ШВ рекомендует использовать угол у( = = Фос) [19]. з*

36

Глава 2

Таблица 2.4. Разные обозначения интервалов значений торсионного угла относительно экзоцикличе-ской связи С4—С5.

Принятое Другие обозначения ориентации

относительно связи С4.—С5.

+ ск гош, гош; (+)гош; гг; (+)г

— ск транс, гош; транс; тг; т

an гош, транс; ( — )гош; гт; ( — )г

Рис. 2.11. Определение интервалов углов вращения вокруг связи С4.—С5. (наблюдатель смотрит в направлении С5,—С4.).

Описание структуры нуклеиновых кислот: термины

37

2.8. ПАРАМЕТРЫ СПИРАЛИ. СИСТЕМА ВОДОРОДНЫХ (СВЯЗЕЙ МЕЖДУ ОСНОВАНИЯМИ

Полинуклеотиды, имеющие спиральную структуру, могут быть описаны [спиральными параметрами. Шаг спирали-это расстояние вдоль оси спирали, соответствующее одному полному витку (повороту на 360°). Если и-число нуклеотидов на один виток, a h- расстояние между двумя соседними нуклеотидами вдоль оси спирали, то шаг спирали Р будет свя-юан с этими величинами соотношением Р = nh. Для целочисленных спиралей п целое, но, вообще говоря, оно может быть любым. Угол t = 360°

[ =- между двумя соседними нуклеотидами называется углом

и

.спирального вращения (рис. 2.12).

Полинуклеотцдные цепи в двойной спирали удерживаются вместе в результате комплементарного спаривания оснований [7, 33] (рис. 2.13). Шары оснований AU и GC изоморфны, т.е. сходны по форме. Расстояния С,- ... CV в обеих парах практически одинаковы. Связи С^—N и со-

/=360°/Л

ис. 2.12. Параметры спи-али. Р-шаг спирали, h -расстояние между остатками вдоль оси спирали и t-угол спирального вращения. Рассмотрена правая спираль с п = 5 остатками на виток.

f Н

Су,

н

О—H-N

Рис. 2.13. Схематическое изображение пар оснований AU(T) и GC, которые входят в состав РНК (ДНК). Водородные связи N—H---N и N—Н• • ¦ О обозначены жирными цветными линиями. С|.—N-гликозидная связь одного основания связана с гликозиднои связью спаренного с ней основания (двойная цветная стрелка внизу рисунка) псевдоосью симметрии 2-го порядка (тонкая цветная линия). Указано расположение главного и минорного желобков.

Ось

Рис. 2.14. А. Два спаренных основания ие лежат в одной плоскости: обычно они повернуты друг относительно друга и образуют пропеллер. Угол пропеллера обозначается через Bp и определяется двугранным углом между плоскостями оснований; ВР считается положительным, если ближнее к наблюдателю, смотрящему вдоль длинной оси пары, основание повернуто относительно дальнего по часовой стрелке. Б. Ориентация пары оснований относительно оси спирали задается углом спирального вращения t, углом наклона 6Т и углом крена Br усредненной плоскости пары (затенена). Поворот на угол 6Т происходит вокруг псевдооси 2-го порядка (см. рис. 2.13), а поворот на угол 9R -вокруг перпендикулярной ей оси, проходящей примерно через атомы С6 (пиримидина) и С8 (пурина). Углы 6Т и Br положительны, если поворот происходит по часовой стрелке (направление поворота указано жирными стрелками). Углу 0° соответствует плоскость рисунка, перпендикулярная оси спирали. При положительных значениях 6Т ниже плоскости рисунка оказывается основание, находящееся справа (цитозин), а при положительных значениях угла BR-атомы, смотрящие в главный желобок (верхняя часть затененной области).

Описание структуры нуклеиновых кислот: термины

39

ответствующие сахарофосфатные остовы, находящиеся в антипараллельной ориентации, связаны псевдоосью симметрии 2-го порядка. Такая же псевдосимметрия характерна для двухцепочечных ДНК и РНК.

Обычно центр пар не совпадает с осью спирали, а смещен от нее на некоторое расстояние D (рис.ч 2.14). Кроме того, плоскость пар не строго перпендикулярна оси. Ее отклонение от перпендикулярного положения определяется двумя углами-углом наклона 0Т (tilt) и углом крена 0R (roll) пары (см. рис. 2.14). Спаренные основания не обязательно компланарны. Они могут быть повернуты друг относительно друга (вокруг длинной оси пары, проходящей через С6-атом пиримидина и С8-атом пурина) на угол пропеллера 8Р (propeller), который равен двугранному углу между нормалями к плоскостям оснований.

Молекулы двухцепочечных РНК и ДНК имеют характерные желобки. Как мы уже говорили, пары оснований смещены от оси спирали на некоторое расстояние D. Кроме того, две гликоэидные связи пары направлены в одну сторону (рис. 2.14). Это приводит к тому, что поверхность спирали не является гладкой, как у цилиндра, а имеет два желобка разной ширины и глубины. Минорный желобок находится там, где располагаются 02-атом пиримидина и Nj-атом пурина, а главный-с противоположной стороны (рис. 2.13). В тех случаях, когда ось симметрии 2-го порядка либо любая другая ось симметрии совпадает с осью спирали, как это имеет место в [poly(AH + )]2 или [poly(G)]4, спираль имеет желобки только одного типа (разд. 13.3 и 13.6).

Для описания положения атомов в спиральной молекуле используют [цилиндрические координаты г, ф, z, где г—расстояние от оси спирали,

40

Глава 2

ф азимутальный угол поворота, отсчитываемый от некоторого нулевого направления, a z расстояние вдоль оси спирали (рис. 2.15). Если двойная спираль обладает осью симметрии 2-го порядка, перпендикулярной оси спирали, то начало координат выбирают таким образом, чтобы положению псевдооси соответствовали координаты ф = 0° и z = 0.

При обозначении водородных связей N—H---N или N—Н---0 в парах оснований (рис. 2.13) вначале указывают атом, служащий донором протона, а затем атом-акцептор. В паре GC водородные связи обозначают как GNt: CN3, GN2 : С02 и CN4 : GOe.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ

В этой главе описана номенклатура, которая используется в данной книге. Она соответствует рекомендациям комиссии IUPAC-IUB и иногда отличается от обозначений, применяемых разными исследователями.

Интервалы значений торсионных углов обозначаются в соответствии с системой Клайна-Прелога, в которой обычно использующиеся обозначения + гош, — гош и транс заменены на + синклинальный ( + ск), — синклинальный ( — ск) и антиперипланарный (an). Торсионные углы сахарофосфатного остова обозначаются буквами греческого алфавита а, р, у, 8, е, начиная от связи Р—05> вниз по спирали до следующей связи 03'—Р. В сахарном кольце торсионные углы обозначаются буквой v с нижними индексами от 0 до 4; угол % описывает вращение вокруг гликозидной связи 04—Су—Nt—С2 в пиримидинах и 04-—Ct'—N9—С4 в пуринах.

Изложен подход к описанию конформации сахарного кольца, основанный на понятии псевдовращения, и проведено его сравнение с С2-эндо- и С3'-эндо-номенклатурой. Определена геометрия пар оснований, водородных связей и двойных спиралей нуклеиновых кислот.

ГЛАВА 3

Методы: рентгеновская кристаллография, расчеты потенциальной энергии и спектроскопия

Структуру нуклеозидов, нуклеотидов и нуклеиновых кислот исследуют в основном методами рентгеновской кристаллографии. Информативность этих методов зависит от молекулярной массы объекта и от сте-пени его упорядоченности в кристаллической или квазикристаллической матрице. Читателю, не знакомому с методами рентгеновской кристаллографии, следует уяснить те принципы, на которых они основаны. Тогда ему будет легче понять, почему результаты рентгеноструктурного [анализа малых молекул-таких, как олигонуклеотиды-вполне однозначны, тогда как установление тонких деталей структуры макромолекул-таких, как тРНК-основано на менее прямой интерпретации шанных рентгеноструктурного анализа, с той или иной степенью произвола. Анализ дифракционных картин от квазикристаллических волокон ДНК и РНК позволяет приблизительно оценить ряд общих структурных параметров; построение же по этим параметрам удовлетворительной структурной модели невозможно без привлечения данных, ¦олученных другими методами.

' Расчеты потенциальной энергии позволяют получить общее представление о внутренней подвижности молекулы. Они часто используются при уточнении структуры макромолекул и применяются как дополнение к рентгеноструктурному анализу волокон.

Спектроскопические методы, среди которых особое место занимает |ЯМР, обсуждаются в этой книге лишь вкратце. Они дополняют данные, ¦олученные кристаллографическими методами, которые носят несколько ограниченный характер из-за статического состояния объекта, т дают представление о динамической структуре молекул в растворе. 'Наиболее полную картину молекулярной структуры и свойств макромолекул может дать лишь совместное применение спектроскопических fa кристаллографических методов, а также теоретических расчетов.

АНАЛИЗ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ МАЛЫХ МОЛЕКУЛ

Термин «малые молекулы» используется нами применительно к молекулам, мол. масса которых не превышает 2000, в отличие от глобулярных f и фибриллярных макромолекул. Такое разграничение связано с тем, что

42

Глава 3

Рис. 3.1. Кристаллический порядок молекул. А. Двумерное изображение асимметричной части элементарной ячейки с параметрами а, с, р. Ось симметрии второго порядка, перпендикулярная плоскости рисунка (символ •), переводит одну асимметричную часть ячейки (в цвете) в другую (темную); эти две части и образуют элементарную ячейку. Б. Периодическое повторение такой плоской решетки в пространстве дает трехмерную кристаллическую решетку. В. Элементарная ячейка кристаллической решетки описывается параметрами а, Ъ, с (оси ячейки) и ос (< Ь, с), р (< а, с), у(< а, Ь).

и сами рентгеновские дифракци

страница 4
< 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)