Биологический каталог




Принципы структурной организации нуклеиновых кислот

Автор В.Зенгер

взаимодействия в зависимости от ориентации атома водорода [1176]. Во-первых, может образоваться (слабая) водородная связь 02.—Н---04. между двумя соседними остатками рибозы.

26»

404

Глава 17

Во-вторых, если гидроксильная группа 02.—Н цис-планарна относительно связи С2.—С3., то молекула воды может образовать внутримолекулярный мостик между атомом 02. рибозы и атомом 02 пиримидина (или N3 пурина), т. е. связь От ¦ ¦ ¦ Н—О—Н • • • 02 (N3). В-третьих, образуется очень прочный водный мостик между атомами 02. и 03. одной и той же рибозы. Кислород 03. обладает заметной электроотрицательностью, поскольку участвует в образовании фосфодиэфирной связи (см. также разд. 4.3).

Гидратные оболочки со структурой типа «айсберг» не образуются. Расчеты показывают, что вопреки предположению об образовании вокруг макромолекул гидратных оболочек со структурой «айсберг» в случае двойных спиралей ДНК и РНК подобные структуры не образуются [1181]. Упорядоченная структура клатратов льда [1183], по-видимому, является слишком жесткой и не может сформироваться вокруг молекул с такой сложной поверхностью, как у нуклеотидов или нуклеиновых кислот. Это, однако, не исключает возможности образования гидратной оболочки хотя и не с такой упорядоченной, но все-таки с более или менее регулярной структурой (разд. 17.6).

17.5. ХАРАКТЕР ГИДРАТАЦИИ ТЕТРАМЕРА А-ДНК

И ДОДЕКАМЕРА В-ДНК В КРИСТАЛЛАХ ИА-. В-ПЕРЕХОД

Гидратный монослой и водный «хребет» в главном и минорном желобках В-ДНК. Кристаллическая структура В-додекамера ДНК d (CGCGAATTCGCG) дает информацию не только о геометрических особенностях двойной спирали В-ДНК, но и о структуре ее гидратной оболочки. При обычных условиях в кристалле на один додекамерный дуплекс приходится 72 более или менее упорядоченные молекулы воды [1168]. Если концентрацию спирта (2-метил-2,4-пентадиола) при кристаллизации увеличить до 60% или проводить эксперимент при 16 К, связывается еще 48 молекул воды [1183а]. В обычных условиях [1168] систематическая гидратация фосфатных групп отсутствует; исключение составляют молекулы воды, располагающиеся между метальной группой тиминов и 5'-фосфатами тех же нуклеотидов. При высокой концентрации спирта или при 16 К выявляются дополнительные молекулы воды, связанные с атомами кислорода фосфатных групп [1183а]. При этом на один атом кислорода приходится от 1 до 5 молекул воды (в среднем 3 ± 1,3), из которых почти 40% образуют мостики между двумя или большим числом атомов кислорода фосфатов. Такой тип гидратации осуществляется в главном желобке; кроме того, там же наблюдается монодентатное связывание молекул воды с атомами кислорода кето-групп и с аминогруппами пуриновых и пиримидиновых гетероциклов, а в нескольких случаях (и в меньшей степени)-с 1М7-атомами пуринов. Связанная с первичной вторичная гидратная оболочка слишком разупо-рядочена, и в рентгеновских экспериментах при комнатной температуре

Вода и нуклеиновые кислоты

405

ее не удается обнаружить [1168]. Однако некоторую информацию о вторичном гидратном слое дают низкотемпературные эксперименты й исследование кристаллов, полученных при высокой концентрации спирта [1183а]. Кроме упомянутых выше монодентатных взаимодействий встречаются бидентатные, когда одна молекула воды выступает в роли донора сразу двух водородных связей либо в роли акцептора двух связей, либо как донор и акцептор одновременно. Бидентатные мостики образуются преимущественно между N- и О-атомами двух соседних пар оснований. Молекулы воды, связанные с основаниями, вместе с водой, сгруппированной вокруг фосфатов, образуют цепочки водородных связей, которые соединяют фосфаты противоположных цепей через главный желобок, т.е. именно так, как это предсказывают теоретические расчеты [1178, 1179] («нити» в разд. 14.4).

В минорном желобке, вдоль центральной последовательности ААТТ, находятся высокоупорядоченные молекулы воды, соединяющие ©2-атомы тиминов и Nj-атомы аденинов. Эти два атома, связанные водным мостиком, принадлежат соседним парам оснований, при этом мостик соединяет те основания, которые относятся к разным олигонуклео-тидным цепям (рис. 17.8). К этому первому гидратному слою примыкает второй, который заполняет тетраэдрические связи молекул первого слоя и образует вместе с ними характерный водный «хребет» в минорном желобке спирали додекамера. Молекулы воды третьего и четвертого слоев видны не так отчетливо; по-видимому, они образуют водородные связи с фосфатными группами, окаймляющими края минорного желобка. На участках CGCG, фланкирующих центральную последовательность ААТТ, не обнаружено такой упорядоченной водной структуры, вероятно, из-за того, что присутствующие здесь объемные N2-aMHHorpynm>i, являющиеся донорами при образовании водородных связей, мешают формированию регулярного гидратного «хребта».

Водные мостики между фосфатами противоположных цепей в главном желобке А-ДНК. Анализ кристаллической структуры иодированного тетрамера d^CCGG) показал, что характер гидратации А-ДНК и В-формы существенно различается [893]. У А-ДНК ни в одном из желобков нет гидратного «хребта» и отсутствует явно выраженная первичная гидратная оболочка Сахаров и оснований. Фосфатные группы, однако, гидратированы, причем в отличие от В-ДНК гидратный слой высоко-упорядочен.

Вопреки теоретическим расчетам, предполагающим связывание молекул воды одновременно с двумя свободными атомами кислорода фосфатной группы, ни одного примера такого рода не обнаружено [1177-1179]. Тем не менее вдоль каждой цепи тянутся мостики, состоящие из 1-3 молекул воды, которые связывают друг с другом соседние фосфатные группы. Кроме того, имеются цепочки из четырех молекул воды (схематически изображены на рис. 17.8), которые пересекают главный желобок и соединяют О3.-атомы одной олигонуклеотидной цепи с Ор2-атомами другой (определение атома Ор2 дано на рис. 2.3); при

406

Глава 17

Рис. 17.8. А. Расположение молекул воды в минорном желобке на участке ААТТ додекамера В-ДНК [1168]. Первый гидратный слой образует водородные связи с атомами 02 пиримидинов и N3 пуринов, второй слой заполняет тетраэ-дрические координационные оболочки молекул воды первого слоя. Б. В А-форме ДНК через главный желобок тянутся «нити» из молекул воды, которые «сшивают» фосфатные группы друг с другом [893].

этом появляется ось симметрии 2-го порядка, связывающая две водные цепи, отходящие от одной фосфатной группы. Легко видеть, что систематически расположенные цепочки молекул воды, соединяющие противоположные фосфатные группы, «сшивают» края главного желобка и тем самым стабилизируют А-форму двойной спирали ДНК (или РНК). Существование таких водных мостиков между фосфатными группами было предсказано ранее на основании теоретических расчетов [1180].

А«-»В-переходы и гидратация. После экспериментального определения расположения молекул воды в гидратных оболочках стало понятно, почему при изменении активности воды происходят А *-» В-переходы. В условиях, когда активность воды высока (при низкой концентрации соли), монослоем молекул воды (и слоями более высокого порядка) окружены все функциональные группы фосфатов, оснований и Сахаров, что способствует сохранению структуры В-формы. Если полинуклеотид содержит протяженные участки, состоящие из АТ-пар, то в минорном же-

Вода и нуклеиновые кислоты

407

лобке образуется водный хребет, который еще сильнее стабилизирует данную конформацию. Поэтому в случае poly(dA) • poly(dT) перехода В -» А не происходит (разд. 11.4), а для poly(dA-dT)poly(dA-dT) А-форма является лишь метастабильным состоянием. Уместно вспомнить также, что полинуклеотиды, у которых гуанозины замещены на инозины (т.е. у которых отсутствуют 1Ч2-аминогруппы, мешающие образованию водного хребта), ведут себя подобно полимерам, состоящим из АТ-пар, т.е. также образуют только двойные спирали В-семейства (табл. 9.1).

При уменьшении активности воды гидратные оболочки оснований и Сахаров разрушаются, остаются гидратированными лишь наиболее полярные группы-атомы кислорода фосфатных групп. Такое изменение гидратации индуцирует В -> А-переход, при этом А-форму стабилизируют цепочки молекул воды, связывающие атомы кислорода противоположных фосфатов и «стягивающие» края главного желобка. Если снова увеличить активность воды, двойная спираль ДНК станет более гидратированной и произойдет переход А -» В.

17.6. ВОДНЫЕ ПЕНТАГОНЫ В КРИСТАЛЛАХ

ИНТЕРКАЛЯЦИОННОГО КОМПЛЕКСА ДИНУКЛЕОЗИДФОСФАТА. ОБЩЕЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О ЦИКЛИЧЕСКИХ ВОДОРОДНЫХ СВЯЗЯХ И «ФЛИП-ФЛОП»-МЕХАНИЗМЕ

Высокоу порядочеиная гидратная оболочка комплекса d (CpG) с профлави-иом. В кристаллической структуре сильно гидратированного интеркаля-ционного комплекса d(CpG) с профлавином в независимой части ячейки присутствуют 26 молекул воды [1184]. 15 из них связаны друг с другом водородными связями и образуют регулярную структуру из четырех соприкасающихся пятиугольников (пентагонов), ребрами которых являются водородные связи. Кластеры таких пятиугольников, расположенные в соседних элементарных ячейках, связаны между собой одной общей молекулой воды. Пятый Пентагон включает лишь 4 молекулы воды; в вершине пятого угла располагается атом кислорода фосфатной рруппы, связанной водородными связями с двумя молекулами воды (рис. 17.9).

Пятиугольники локализованы вблизи главного желобка и устроены таким образом, что образуют водородные связи через каждые 3,4 А. Это соответствует хорошо известному расстоянию между основаниями, связанными стэкингом, или между основанием и интеркалятором. Вследствие такой периодичности молекулы воды в главном желобке образуют водородные связи в первую очередь с атомами оснований и с гетероатомами интеркалированной молекулы профлавина. Все эти водородные связи лежат в плоскости оснований (или интеркалятора), как и предсказывалось теоретическими расчетами [1174].

Циклические водородные связи. Общее представление. Такие составленные из водородных связей пятиугольники встречаются и в нерегу-

408

Глава 17

\

Рис. 17.9. Схематическое изображение кристаллической структуры комплекса d(CpG)-профлавин-26Н20 [1184]. Линиями нарисованы молекулы d(CpG) и профлавина, молекулы воды обозначены цветными кружками. 15 молекул воды и одни атом кислорода фосфатной группы (черный кружок) образуют 5 соприкасающихся пятиугольников (показаны в цвете). Расстояния между молекулами воды в пятиугольниках составляют 2,8-3,1 А. Пятиугольники связаны водородными связями с гетероатомами профлавина и d(CpG). Локализовать в этих структурах атомы водорода не удается.

лярных структурах, например в гидратированном а-циклодекстрине-олигосахариде, состоящем из 6 соединенных а-1,4-связями молекул глюкозы и содержащем 6 первичных и 12 вторичных гидроксильных групп. Исследования гексагидрата циклодекстрина с помощью дифракции нейтронов и рентгеновских лучей показали, что гидроксильные группы и молекулы воды образуют сложную упорядоченную сеть связей, содержащую четырех-, пяти- и шестичленные циклы и бесконечные цепи, состоящие исключительно из ОН-групп [1185, 1186]. Поскольку в этих кристаллических структурах определены положения атомов водорода, а следовательно, и направления водородных связей, было установлено, что водородные связи образуют преимущественно два типа циклических структур (рис. 17.10)- гомодромные, когда все водородные связи О—Н---0—Н---0—Н в цикле ориентированы одинаково, и антидромные, когда две цепочки водородных связей О—Н • • • О—Н • • • О—Н идут от одной молекулы воды в противоположных направлениях и замыкают цикл, образуя связи с одним и тем же атомом кислорода (рис. 17.11). Гетеродромная структура, для которой характерна случайная ориентация водородных связей О—Н • • • О, реализуется редко. Квантово-механические расчеты показывают, что гомодромные циклы энергетически более выгодны, чем антидромные, из-за кооперативного

Вода и нуклеиновые кислоты

409

Q- кислород

О - водород

\Л/-молекула воды

Н016

0

W(2)C

О

3,

W(3)

Н016

Н043С

Цепь

)Н043

Рис. 17.10. Фрагмент кристаллической структуры а-циклодекстрина-6Н20 с указанием системы водородных связей [1185]. Большими и малыми кружками изображены атомы О и Н соответственно. Молекулы воды обозначены буквой W. 'Обратите внимание, что цикл Т является гомодромным, циклы II и \\\-анти-дромными (определение см. на рис. 17.11).

В I

о

\ о }

о-«-н-о

/

Гомодромные

< о Г \ /

и R

Антидромные

R Н

о— н-

о

/

н

R

Гетеродромные

Рис. 17.11. Определение гомо-, анти- и гетеродромных циклических водородных связей [1186]. Водородные связи могут быть ориентированы в одном направлении (гомодромные), в двух противоположных направлениях (антидромные) и случайным образом (гетеродромные).

Рис. 17.12. Переориентация водородных связей по механизму «флип-флоп» в кристалле Р-циклодекстрина • 12Н20 [1188]. Атомы углерода изображены серыми кружками, водорода-малыми черными, кислорода-большими белыми. Вверху. Места расположения водородных атомов А и В заселены лишь наполовину, потому что эти атомы водорода входят в систему связей О—Н---Н—О, способных к переориентации по механизму «флип-флоп».. Эта система является суперпозицией двух типов водородных связей-ОН •-••О (средний рисунок) и 0---Н—О (нижний рисунок). Если какая-то гидроксильная группа повернется так, как это показано двойными стрелками на верхнем рисунке, то остальные гидроксильные группы «флип-флоп»-цепи также должны будут совершить соответствующий поворот.

Вода и нуклеиновые кислоты

411

эффекта, который стабилизирует «бесконечную» цепь гомодромных линейных взаимодействий О—Н-О—Н-О—Н [1187].

По сравнению с клатратами льда структуры, образуемые циклическими водородными связями, менее регулярны; геометрия координационных связей вокруг молекул воды и гидроксильных групп может сильно искажаться. Возможно, первичные и вторичные гидратные оболочки макромолекул состоят именно из структур такого типа, поскольку они геометрически более гибки и не так строго детерминированы, как структура «айсбергов».

Некоторые представления о динамике водородных связей: механизм «флип-флоп» у системы О—Н • • • Н—О. С помощью дифракции нейтронов была определена также кристаллическая структура Р-циклодекст-рина [1188]. Кроме «нормальных» водородных связей О—Н-О в структуре этого соединения встречается 19 связей типа О—Н • • • Н—О, при этом расстояние О--О остается обычным: 2,8-3,0 А (рис. 17.12). Таким образом, расстояние Н • • • Н оказывается слишком малым (около 1 А) и два атома водорода не могут одновременно занимать указанные положения, о чем свидетельствует также величина коэффициентов заселенности, равная 0,5. Таким образом, на самом деле мы наблюдаем результат статистического усреднения двух состояний О—Н--0<=Ю--Н—О, и совокупность нескольких таких водородных связей образует системы больших размеров. Если одна из водородных связей перейдет из состояния О—Н • • • О в состояние О • • • Н—О или наоборот (как показано на рис. 17.12), то во всей системе должно будет произойти кооперативное изменение ориентации водородных связей. Такой механизм взаимопревращений цепей О—Н-О—Н-О—Н и Н—О-Н—О---Н—О носит название м

страница 49
< 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
(16.09.2019)