Биологический каталог




Принципы структурной организации нуклеиновых кислот

Автор В.Зенгер

НЕКОТОРЫЕ СТЕРЕОХИМИЧЕСКИЕ КОРРЕЛЯЦИИ, ЗАТРАГИВАЮЩИЕ ТОРСИОННЫЕ УГЛЫ %, б И а, С,

Стереохимия нуклеотидов тРНК подробно рассмотрена в нескольких статьях [87, 396, 1032, 1046, 1047, 1058-1060]. Здесь мы обсудим только наиболее характерные особенности, связанные с конформацией нуклеотидов тРНК.

Общие структурные характеристики, представленные с помощью кон-формационного круга. Если изобразить графически функциональную зависимость торсионных углов а, р, у, 6, е и % от нуклеотиднои последовательности, представленной в кольцевой форме, то мы получим картину, изображенную на рис. 15.8 [1061, 1062]. Из такого суммарного представления видно, что в двух- и одноцепочечных спиралях значения всех торсионных углов согласуются со стандартной геометрией нуклеотидов, описанной в гл. 4. Однако в области петель наблюдаются значи-

тРНК-сокровищница стереохимической информации

365

Рис. 15.8. Конформационный круг для моноклинной формы дрожжевой тРНКРЬе, построенный по координатам, опубликованным в работе [1058]. На периферии круга приведена нуклеотидная последовательность и показаны уотсон-криковские пары в спиралях стеблей. Концентрические окружности разбивают круг на зоны, соответствующие интервалам углов по 60° (углы пропорциональны радиусу). Условные обозначения для торсионных углов (от периферии к центру): а и стрелочки; конец стрелки отвечает значению а, а начало-значению ?, е-кружки, Р-плюсы, 6-ромбы, у-звездочки, х-точки. х-это торсионный угол 04.—Cv—N— (С8 или С6). Чтобы привести его в соответствие с нашей номенклатурой, где используется угол 04.—С1.—N— (С4 или С2), нужно к указанным значениям прибавить 180°. Спиральной конформации фосфодиэ-фирной связи отвечают значения а и ?, лежащие в области — ск, т.е. 270-300°; на рисунке они заключены в рамку из сплошных линий. Пунктирные рамки отвечают одноцепочечным участкам. Пики указывают на нарушения конформа-ционной регулярности. Они приходятся на области D-, V- и Т-петель [1062].

366

Глава 15

360

300

240

а 180

120

80

0

60

120

180 4

240

300

360

Рис 15.9. Корреляция между углами вращения а и С вокруг связей Р—О с конформацией сахара 2Е, 3Е и углом вращения у вокруг связи С4.—С5. для различных динуклеозидфосфатов тРНК [1063]. Конформация рибозы С^-эндо обозначена цифрой 2, а С3.-эндо- цифрой 3. Комбинация 2-3 отвечает фрагменту рибоза(2?)-фосфат-рибоза(3?). Области значений угла у указаны как + ск, — ск и an.

тельные отклонения, которые отвечают радиальным пикам на круговой диаграмме. При более внимательном анализе рисунка обнаруживается, что в большинстве случаев пики появляются в тех местах, где величина угла 6, описывающего конформацию сахара, возрастает от нормального для С3.-эн<)с>-конформации значения 90° до типичного для С2--эн«)о-конформации значения 140°. Изменение 5 сопровождается изменением х_гликозидного торсионного угла (который теперь в некоторых случаях отвечает высокой-анти ( — ск)-конформации), а также изменением углов а, ? и у (рис 15.9).

Связь между конформацией сахара, торсионным углом у (вращение вокруг связи С4.—С5.) и углами вращения а и ? вокруг связей Р—О. Данные, представленные на рис. 15.9, отвечают обобщенной геометрии дирибозотрифосфатных фрагментов дрожжевой тРНКр|к, полученной расчетным путем [1063]. Если конформация одной или двух рибоз в таком фрагменте С2.-эндо, т.е. конформация всего фрагмента 2Е-3Е, 2Е-2Е или 3Е-2Е, то торсионный угол ? (вращение вокруг связи Р—Оэ.) для центрального фосфата принимает значения 120, 180 и 240° соответственно. В спиральных же участках, где конформация фрагмента 3Е-3Е, угол ? уже попадает в типичную область в окрестности 270°. Что касается торсионного угла а (вращение вокруг связи Р—05.), то

тРНК-сокровищница стереохимической информации

367

его значение сильнее коррелирует с величиной угла вращения у вокруг связи С4,—С5.. Если значение у отвечает + ск-конформации, то а лежит в окрестности 270°; если же у принадлежит области an или — ск, то а смещается в область + ск. В отличие от ? торсионный угол а, по-видимому, определяется не конформацией сахара, а величиной у.

Правила, сформулированные в гл. 4 для обобщенной конформации нуклеотида, справедливы также для тРНК. Вернувшись к рис. 4.25, на котором представлены торсионные углы полинуклеотидного остова и гликозидный угол х Для тРНК, мы увидим, что в целом картина согласуется с теми положениями, которые сформулированы для моно-и олигонуклеотидов, т.е. стереохимия нуклеотидов сохраняется даже тогда, когда полимер укладывается в такую сложную структуру, как структура тРНК. Совершенно очевидно, что из двух углов вращения вокруг связи Р—О а меняется в больших пределах, чем В паре углов вращения вокруг связи С—О Р лежит в области an, тогда как угол е смещен в область — ак, и его значения концентрируются в окрестности 235°. Из двух углов, определяющих повороты вокруг связей С—С остова, у в подавляющем большинстве случаев предпочитает находиться в области + ск, иногда лежит в + ок-области и только в нескольких случаях обнаружен в областях — ск и — ак; значения 6, напротив, всегда ограничены областью + ск при конформации Су-эндо и областью + ак при конформации С2--эндо, причем, судя по углам псевдовращения Р, преобладает первая из них. Наконец, гликозидный торсионный угол X в основном ограничен областью анти и лишь у нескольких нуклеозидов лежит в высокой-анти (— ск)-области.

Следует подчеркнуть, что численные значения углов, которые приведены на рис. 4.25 и 15,8, не очень точны; они немного изменяются от одного уточнения структуры к другому. Но общий вид распределения остается неизменным даже при сравнении результатов для разных кристаллических форм дрожжевой тРНКРЬе.

il5.6. СВЯЗЫВАНИЕ С тРНК КАТИОНОВ МЕТАЛЛОВ И ПОЛИАМИНОВ

^Поскольку тРНК представляет собой полианион, не удивительно, что она связывает ионы металлов и полиамины биологического происхождения, например путресцин, спермидин и спермин (схема 15.1), которые при физиологических условиях представляют собой поликатионы [1064, 1065].

Схема 15.1. Химические формулы некоторых биологических полиаминов при физиологических условиях

[Гутресцин H3N + — (СН2)4—N + H3

Спермидин H3N + —(СН2)3—N + Н2—(СН2)4—N + Н3

Спермин H3N + —(СН2)3—N + Н2—(СН2)4—N + Н2—(СН2)3—N + Н3

368

Глава 15

Клубок

"Клеверный лист"

или близкие ^<

формы

Вытянутые формы

"Нативная" структура

Lg [Na+]

Рис. 15.10. Фазовая диаграмма для тРНК Е. coli, показывающая зависимость конформационного состояния молекулы от log[Na + ] и температуры. Ниже некоего определенного значения концентрации Na+ у молекулы исчезает третичная структура. По мере повышения концентрации Na+ температура структурных переходов (третичная структура-»вторичная структура-»клубок) постепенно повышается. (Из работы Cole P. Е., Yang S. К., Crothers D. М., Biochemistry, 1972, 11. 43-58. Приведено с разрешения издателя.)

Снизывание ионов двухвалентных металлов осуществляется кооперативно. Самое удивительное, что присутствие определенных катионов является обязательным условием стабилизации нативной структуры тРНК [1027, 1039, 1066]. Более того, в тРНК имеются места сильного и слабого связывания двухвалентных катионов. Об этом свидетельствуют результаты самых разных исследований: с помощью равновесного диализа, ЯМР, тушения флуоресценции, калориметрии [1067-1075].

Сильное связывание, которое характеризуется константами связывания ~ 105 л ¦ моль ~ 1, вообще говоря, кооперативно [1068]. В случае Mg2 + равновесие устанавливается очень медленно, постоянная времени представляет собой величину порядка секунд. Это обусловлено высокой энергией активации (~ 30 ккал-моль ~ 1), характерной для реакции замещения сильно связанного Mg2 + [1074]. Все эти данные предполагают, что, связываясь с Mg2 +, молекула тРНК из денатурированной формы переходит в нативную. Вместо ионов Mg2 + с тРНК могут связываться одновалентные ионы, и (по крайней мере в случае натрия) процесс протекает ступенчатым образом в соответствии со схемой «Беспорядочный клубок -* Вторичная структура -* Третичная структура» (рис. 15.10) [1076]. Число мест сильного связывания у различных тРНК неодинаково и меняется от единицы для тРНК™61 Е. coli [1067] до 17 (из которых кооперативны только пять) для дрожжевой тРНКРЬе [1069]. Ион Mg2 +

тРНК-сокровищница стереохимической информации

369

можно также заменить на Мп2+ [1069, 1070] и ионы других переходных металлов, связывающихся в виде разнообразных координационных комплексов [1071]. Слабое связывание, которое характеризуется константами порядка 103 л • моль ~ 1 [1068], не является кооперативным, и соответствующие места связывания менее специфичны, чем в случае сильного связывания.

Где происходит связывание катионов Mg2 + ? Рентгеноструктурные данные для моноклинной и орторомбической модификаций кристаллов дрожжевой тРНКРЬе показывают, что Mg2 + связывается с тРНК в виде октаэдрических комплексов [Mg(H20)6]2+ и в обеих кристаллических формах занимает примерно одни и те же места [85, 1032, 1077-1079]. Взаимодействие с тРНКРЬе осуществляется либо путем образования водородной связи с молекулой воды из гидратной оболочки Mg2 +, либо путем замещения одной или двух молекул воды на атом кислорода фосфатных групп (табл. 15.1; рис. 15.2). Все четыре гидратированных катиона магния локализованы в неспиральных областях н, по-видимому, нужны для того, чтобы стабилизировать пространственную структуру петель; в целом это представление согласуется с данными ЯМР [1079, 1080].

Связывание с переходными металлами. С тРНК могут связываться не только ионы Mg2 + , но и другие катионы. По результатам рентгеноструктуриого анализа не удается однозначно локализовать ионы натрия. Однако места связывания некоторых переходных металлов установлены, причем эти металлы представляют интерес не столько для

Таблица 15.1. Связывание катионов магния (II) с дрожжевой тРНК

Phe

Комплекс Место связывания

Атомы, участвующие в образовании координационных связей

Атомы, участвующие в образовании водородных связей

Mg(H20)|+ D-петля

Mg(H20)4+ D-петля

Mg(H20)|+ Поворот, образованный остатками U8-Ui2

Mg(H20)|+ Антикодоновая петля

Атом кислорода фосфатной группы G19

Атомы кислорода фосфатных групп G20 и А21

Атом кислорода фосфатной группы Y3V

Атомы кислорода фосфатных групп G19 и оснований

G20. U59 и С6о Молекулы воды

Атомы кислорода фосфатных групп Ug, А9, Сп и U12

Основания С32, Y37, А38 и Ч'з,

Примечание. Здесь перечислены четыре места сильного связывания [1079].

24-509

370

Глава 15

биохимиков, сколько для кристаллографов, так как они используются при решении фазовой проблемы (гл. 3). В большинстве случаев такие катионы связываются с тРНК при помощи координационных связей с основаниями, как это описано в гл. 8. Так, транс-дихлордиамино-платина (II) образует координационные связи с атомами N7 и Об гуанина G34. Связывание с атомами N7 гуанинов обнаружено в нескольких случаях: осмий—бипиридин—G30, Mn2 + —G20 и Со2 + —G15. В этих комплексах молекулы воды образуют дополнительные водородные связи с кислородом Ое кетогруппы гуанина и с основаниями и фосфатами соседних нуклеотидов (см. рис. 8.5) [1077]. В связывании с AuClJ участвуют одновременно атомы N7 и N6 аденина А31 и атомы N7 и Об гуанина Gm34 [1047]. Лантаниды, которые подробно рассматривались на примере Sm3 +, присоединяются преимущественно к двум соседним фосфатным группам, когда последние располагаются достаточно близко друг к другу [85, 1077].

Связывание спермина. Присутствие поликатиона спермина (схема 15.1) необходимо для получения больших и высокоупорядоченных кристаллов, пригодных для рентгеноструктурного анализа. Поэтому можно было ожидать, что спермин, связанный с дрожжевой тРНКРЬе, будет обнаружен в кристаллической решетке. Действительно, удалось выявить несколько мест связывания этого поликатиона с тРНК. Место самого сильного связывания локализовано в главном желобке, в области контакта антикодонового стебля и D-стебля; заряжелшые аминогруппы спермина располагаются вблизи фосфатов А44, G43 if*G42 одного участка цепи и фосфатов А23 и G24 комплементарного участка цепи (рис. 15.2). Молекула спермина не просто заполняет желобок, она заметно влияет на его геометрию. Это очевидно из сравнения расстояний между противоположными фосфатами в желобке-в данном случае оно равно 8,6 А, а для спирали «акцепторный стебель/Т-стебель», где нет спермина, стягивающего края желобка, оно составляет 12 А. Кроме того, спермин стабилизирует излом в 26° между антикодоновым стеблем и D-стеблем [1079].

Другая молекула спермина, которая несколько хуже просматривается на карте электронной плотности, связывается с верхней частью D-стебля, в районе резкого изгиба, образованного остатками 8-12. Вдоль всего этого участка тянется цепочка отрицательных зарядов, однако при этом фосфат 10 всего на 7 А удален от фосфата 47. Спермин, необходимый для нейтрализации этого заряда, располагается возле фосфатов 9, Юн 11 одного участка цепи и фосфатов 45, 46 н 47 другого [1079]. Обе молекулы спермина были обнаружены в орторомбических кристаллах дрожжевой тРНКР1ю. Для моноклинных кристаллов упоминалось о дополнительных местах связывания спермина, расположенных в акцепторном стебле [85].

В разд. 18.3 описано взаимодействие тРНК с еще более длинным поликатионом-природным протамином AI.

тРН К-сокровищница стереохимической информации

371

15.7. СТРУКТУРА АНТИКОДОНА ТАКОВА, ЧТО ОН МОЖЕТ БЫСТРО УЗНАВАТЬ КОДОН, ОБРАЗУЯ С НИМ ДВОЙНУЮ МИНИ-СПИРАЛЬ

В процессе биосинтеза белка связанная с рибосомой аминоацил-тРНК должна узнавать «свой» комплементарный кодон на информационной РНК путем образования уотсон-криковских и «качающихся» пар. Можем ли мы, не зная детально, как устроена рибосома, предложить сте-реохимическую модель этого взаимодействия?

Одноцепочечная спиральнаи структура антикодонового триплета. В гипотезе, выдвинутой задолго до того, как была установлена пространственная структура тРНК, предполагалось, что три основания антикодона укладываются в стопку, образуя одноцепочечную спираль на антикодоновом стебле, а инвариантный уридин U34 и полуинвариантный (пиримидин)зз отходят в сторону и стэкинг-взаимодействие между ними практически отсутствует [579] (рис. 15.11). Структура, которая действительно образуется в области антикодоновой петли в дрожжевых тРНКРЬе [85, 86, 1032], tPHKAsp [1042] и тРНКШе* [1049], а также в тРНК™", выделенной из Е. coli [1050], оказывается очень близка к этой модели. По существу, верен основной элемент модели — структура антикодона. Такая особая форма антикодоновой петли, как оказалось, наиболее предпочтительна-она сохраняется даже при разных условиях кристаллизации. Дополнительное подтверждение тому дают работы по изучению связывания различных тРНК с комплементарными нуклеотидными триплетами; эти работы показывают, что ан-тикодон имеет довольно жесткую структуру, способствующую взаимодействию кодон антикодон [1081, 1082].

Мини-спираль, образуемая кодоновым и антикодоновым триплетами. Развитие этой гипотезы привело к предположению, что

страница 44
< 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)