Биологический каталог




Принципы структурной организации нуклеиновых кислот

Автор В.Зенгер

еханизма «флип-флоп». Подобные системы в циклических структурах должны быть более выгодны, чем изолированные О—Н---0-связи. Поэтому предполагается, что динамические системы «флип-флоп»-циклов образуют «осциллирующие» гидратные оболочки.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Гидратация нуклеиновых кислот играет важную роль в формировании их структуры и отвечает за А +± В-переходы в ДНК. Вокруг молекулы ДНК образуются две гидратные оболочки. Первая из них, состоящая из ~ 20 молекул воды на нуклеотид, непроницаема для катионов и по структуре не похожа на лед; вторая оболочка неотличима от обычной воды. Если известна структура, то доступная молекулам растворителя поверхность ДНК или РНК может быть определена расчетным путем. Результаты таких расчетов объясняют некоторые особенности поведения ДНК в растворе и, в частности, показывают, что при сворачивании в двойную спираль молекула ДНК становится более полярной. Рентге-ноструктурный анализ монокристаллов олигонуклеотидов показал, что на участках, состоящих из АТ-пар, в минорном желобке В-ДНК обра-

412

Глава 17

зуется «хребет» из молекул воды, связанных водородными связями с основаниями; в А-ДНК образуются водные «нити», которые сшивают фосфатные группы, лежащие на краях главного желобка. Такие различия в структуре гидратных оболочек проливают свет на природу В-> -> А-перехода, происходящего при уменьшении содержания воды в ДНК. В кристаллах некоторых циклодекстринов и комплекса d(CpG) с профлавином обнаружены четырех-, пяти- и шестичленные циклические структуры, которые образуют соединенные водородными связями атомы кислорода или О—Н-группы. Возможно, такие структуры входят в гидратные оболочки макромолекул. Водородные связи в гидратных оболочках, по-видимому, образуют «флип-флоп»-циклы, для которых характерно динамическое равновесие О—Н - • - О «± О - • • Н—О.

ГЛАВА 18

Взаимодействия между белками и нуклеиновыми кислотами

Взаимодействия между белками и нуклеиновыми кислотами осуществляются на всех этапах репликации и экспрессии ДНК, а также в ходе многочисленных процессов регуляции, и, следовательно, их роль чрезвычайно велика. Тем не менее наши знания о механизме таких взаимодействий весьма ограничены. Мы не понимаем, каким образом эидоиуклеазы рестрикции присоединяются к ДНК и разрезают ее в специфических местах. Точно так же мы не имеем ясного представления о геометрии узнавания репрессором операторных участков и о том, как аминоацил-тРНК-синтетазы узнают «свои» тРНК. Главная трудность при изучении этих сложных систем состоит в том, что нужно одновременно наблюдать за каждой из взаимодействующих макромолекул. При этом спектроскопические методы, за редким исключением, дают неадекватные результаты, а кристаллизация комплексов белков с нуклеиновыми кислотами сопряжена со многими трудностями. Тем не менее недавно появились публикации, авторам которых удалось получить специфические комплексы белков с ДНК [1189, 1190] и тРНК [1191] в форме, пригодной для рентгеноструктуриого анализа. Таким образом, мы можем надеяться, что в ближайшие несколько лет удастся решить проблему нуклеиново-белкового узнавания.

Чтобы упростить процесс изучения столь сложных систем, проводят исследования модельных соединений с применением как теоретических, так и экспериментальных подходов. Главная цель таких исследований-установить специфичность узнавания четырех типов оснований нуклеиновых кислот боковыми группами двадцати аминокислот. При этом используют как мономерные составляющие обоих партнеров, так и полимеры, в некоторых случаях синтетические. Изучается также связывание нуклеотидов (ингибиторов или коферментов) в активных центрах ферментов. Совсем недавно были получены кристаллы нескольких белков, узнающих специфические последовательности ДНК, и определена их пространственная структура. Это, пожалуй, максимум того, что можно сделать, не имея кристаллов специфических ДНК-белковых комплексов. Такие структуры дают представление об общих принципах нуклеиново-белковых взаимодействий, однако последнее слово в конечном счете остается за исследованиями самих комплексов. В этой главе, прежде

414

Глава 18

чем приступить к обсуждению конкретных фактов, мы рассмотрим общие представления о взаимодействии между белками и нуклеиновыми кислотами и обсудим некоторые гипотезы.

18.1. ОБЩИЕ СООБРАЖЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНО НУКЛЕИНОВО-БЕЛКОВЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ

Если внимательно проанализировать строение боковых групп аминокислот и полипептидного остова (рис. 18.1), то мы увидим, что существуют четыре потенциально возможных типа взаимодействий между белками и нуклеиновыми кислотами [1192-1195] (рис. 18.2).

1. Солевые мостики между фосфатами и положительно заряженными группами аминокислот (^-аминогруппой лизина, гуанидиновой группой аргинина и протонированным остатком His).

2. Водородные связи между фосфатами, сахарами, основаниями нуклеиновых кислот и пептидными группами или гидрофильными боковыми цепями аминокислотных остатков.

3. Стэкинг-взаимодействия между боковыми группами ароматических аминокислот (Trp, Туг, Phe, His) и основаниями.

4. Гидрофобные взаимодействия между основаниями нуклеиновых кислот и боковыми группами неполярных аминокислот.

Энергия этих четырех типов взаимодействия в целом уменьшается в том порядке, в каком они здесь перечислены. Поскольку притяжение разноименных зарядов играет основную роль, в табл. 18.1 суммированы данные о распределении заряда в боковых цепях аминокислот и в пептидной группе. Их нужно сопоставить с аналогичными данными для компонентов нуклеиновых кислот, приведенными в табл. 5.1, и тогда можно предсказать некоторые взаимодействия. Однако на самом деле наблюдается более сложная ситуация, поскольку многочисленные слабые взаимодействия могут подавлять специфические взаимодействия типа «заряд-заряд» (разд. 18.6).

Взаимодействия между отдельными компонентами. Если рассмотреть взаимодействие между отдельными аминокислотами и нуклеотидами, то обнаружится, что структуру комплексов определяет не стэкинг и не гидрофобные силы, а притяжение между заряженными группами и водородные связи, которые в наибольшей степени могут обеспечить избирательность взаимодействий. Можно предложить целый ряд гипотетических моделей взаимодействия компонентов нуклеиновых кислот с аминокислотами (рис. 18.2). Получены количественные характеристики связывания оснований с боковыми группами аминокислот [1196-1198] (табл. 18.2), которые согласуются с результатами квантово-механиче-ских расчетов (по крайней мере для комплексов гуанина и цитозина с аргинином, глутамином и лизином, образованных при помощи водородных связей [1202]). Оказалось, что эти взаимодействия особенно выгодны в том случае, когда одновременно образуются по крайней мере две водородные связи, что может осуществляться разными способами

Взаимодействия между белками и нуклеиновыми кислотами

415

Рис. 18.1. Структура боковых групп 20 аминокислот [1289]. Функциональные группы показаны в цвете, С-атомы углерода изображены в виде черных кружков.

416

Глава 18

Фосфат Arg

Рис. 18.2 Возможные типы взаимодействий между боковыми цепями аминокислот, основаниями нуклеиновых кислот и фосфатными группами. Если ввести в рассмотрение еще и пептидные группы и допустить одновременное связывание двух аминокислот с одним нуклеотидом, то схемы связывания будут существенно сложнее.

[1203]. Ситуация здесь такая же, как при спаривании оснований (гл. 6): одна водородная связь является слишком слабой и малоспецифичной, чтобы обеспечить системе нужную стабильность.

Взаимодействия между уотсон-криковскими парами и боковыми группами аминокислот. Если рассматривать не отдельные основания, а двойные спирали ДНК и РНК. то ситуация меняется, потому что теперь некоторые атомы оснований участвуют в уотсон-криковском спаривании (рис. 18.3). Построение моделей [1204, 1205] и теоретические расчеты [1206] показывают, что в соответствии со сказанным выше специфическое взаимодействие пар оснований в составе двойной спирали с боковыми группами аминокислот (или пептидными группами) подра-

Таблица 18 1 Распределение заряда в пептидной связи и в боковых группах некоторых аминокислот, интересных с точки зрения взаимодействия с нуклеиновыми кислотами. Более полные сведения представлены в работе [1298], откуда взяты приведенные данные

Пептидная связь

Цистеин Серии

Лизин®

Аргинин

Аспарагиновая и глутаминовая кислоты®

Аспарагин и глутамин

Гйстидин

Гйстидин

Тирозин

Триптофан

О ,384

II

Q? 4<0XN -ОМ ,064 |

Н ,176

,ои ,010 -СНг—S — Н

-,310 ,170

-СН,—О—Н

Н.320

,320 /

-СН,—СН,—СН,—СН,—N — Н.320

\

Н.320

н

\

N—Н

,300 /

—СН,—СН,—СН2—N—С,'«о

\ -,390

Н

,230

N-Н.280

/

Н,280

—СН

—сн

27-509

Взаимодействия между белками и нуклеиновыми кислотами

419

Таблица 18.2. Константы связывания для комплексов между основаниями нуклеиновых кислот и аминокислотами или между соответствующими аналогами

Нуклеозид или основание" К, л моль 1

L-аргинин L-лизин L-глутамин L-глутамат L-глицин

Тимин Цитозин Инозин Аденозин Гуанозин 0,6 ± 0,1 1,5 + 0,2 1,26 ± 0,09 1,14 ± 0,08 1,91 ± 0,10 0,63 ± 0,20 0,04 ± 0,15 0,06 ± 0,10 0,85 ± 0,14 0,31 ± 0,24 0,46 ± 0,21 1,02 ±0,18 0,78 ± 0,14 1,05 ± 0,15 0,26 ± 0,15 0,71 ± 0,12 0,27 ±0,12 0,12 ±0,09 0,51 ± 0,07

Основание2' Аминокислота Условия/методы К, Ссылка

или аналог л-моль"1

9-этилгуанин Na-ацетат DMCO/H20, 303 К/ ЯМР ПО ±30 [1197]

9-этиладенин Масляная кислота СНС13, 308 К/ИК 130 ± 30 [1200]

Циклогексил- Масляная СНС13, 308 К/ИК 60 ±20 [1200]

урацил кислота

Циклогексил- и-Крезол CDC13, 219 К/ЯМР 69 ±4 [1200]

урацил ( = Тирозин)

Диметил- и-Крезол CDC13, 300 К/ЯМР 6,3 ± 0,2 [1200]

урацил ( = Тирозин)

9-этиладенин и-Крезол CDC13, 303 К/ЯМР 6,32 ±0,15 [1201]

(= Тирозин)

Определены по растворимости в водном растворе при нейтральных рН и 25°С [1198]. Определены спектроскопическими методами для неводных растворителей.

зумевает образование по крайней мере двух водородных связей. В этом смысле со стороны минорного (малого) желобка только гуанин «отличается» от остальных оснований (из-за наличия уникальной группировки N2H). Главный (широкий) желобок предоставляет больше возможностей для узнавания и поэтому действительно является главным, когда

Рис. 18.3. Различные суперпозиции пар AU и GC, показывающие, как эти пары могли бы различаться при образовании ими водородных связей с другими молекулами [1204]. Верхние буквы у каждого из оснований относятся к паре, изображенной жирными линиями, нижние (в скобках)-к паре, изображенной двойными линиями. Места W в главном (широком, wide) желобке и S в минорном (малом, small) связаны с местами W и S' осью симметрии 2-го порядка, присущей двойным спиралям ДНК и РНК. Эти места выделены цветом в том случае, если при переходе от нижней пары к верхней (или наоборот) меняются донорно-акпепторные характеристики пары, т.е. по этим местам боковые аминокислотные цепи могут различать данные пары.

27*

Глава 18

Рис. 18.4. Основные элементы структуры белка. А. а-Спираль содержит 3,6 остатка на виток высотой 5,4 А и стабилизируется водородными связями, параллельными оси спирали. Боковые группы (цветные кружки) выступают из спирали и ориентированы почти радиально. Б. В Р-структуре (или Р-слое) полипептидные цепи располагаются либо параллельно, либо антипарал-лельно друг другу и соединены водородными связями. Боковые группы аминокислот направлены попеременно то вверх, то вниз. Тонкими цветными стрелками указаны атомы, которые могут образовывать водородные связи с другими молекулами (отсутствующие в а-спирали). Разное направление черных стрелок указывает на антипараллельность цепей Р-слоя, изображенного на данном рисунке.

Взаимодействия между белками и нуклеиновыми кислотами 421

требуется отличить одну комбинацию пар оснований от другой. Минорный желобок в свою очередь может быть основным местом связывания ионов металлов и молекул воды (гл. 8 и 17).

Взаимодействие между двойными спиралями нуклеиновых кислот и антипараллельными Р-слоями полипептидов. Анализ кристаллических структур ряда глобулярных белков показал, что антипараллельный Р-слой (рис. 18.4), как правило, закручен в правую спираль [1207], кривизна которой очень хорошо согласуется с кривизной поверхности двухцепочечных РНК [837] и ДНК [1208]. При моделировании комплексов этих двух макромолекулярных компонентов сразу становится видно, что Р-слой легко укладывается в минорный желобок А-РНК. Структура стабилизируется водородными связями между гидроксильными группами 02'Н рибозы и карбонильными атомами кислорода пептидных групп, а кроме того, водными мостиками между пептидными NH-rpyn-пами и атомами кислорода рибозы -04. и 02,, причем последний принадлежит предыдущему остатку рибозы. Полярность у связанных друг с другом цепей - 5' -»3' у РНК и NH2->COO~ у полипептида-совпадает, и из-за антипараллельности Р-слоя в комплексе сохраняется симметрия 2-го порядка, присущая РНК.

Так как у В-ДНК минорный желобок уже, чем у А-РНК, сначала предполагалось что Р-структура не способна принимать участие в ДНК-белковом узнавании. Оказалось, однако, что можно построить две модели, которые полностью удовлетворяют необходимым стереохимиче-ским требованиям [1208], в предположении, что в минорный желобок не попадают пролины и триптофаны. В одной из этих моделей цепи ДНК и полипептида параллельны (как в" описанном выше комплексе с РНК), а в другой антипараллельны. Тем не менее схема образования водородных связей в обеих моделях одинакова, причем она состоит исключительно из связей (пептид) NH-03- (нуклеотид) (рис. 18.5).

Комплекс между Р-структурой и двойной спиралью В-ДНК образуется, по-видимому, при связывании с ДНК сто-репрессора (разд. 18.6); возможно, он играет определенную роль и в узнавании /ас-репрессором «своего» оператора. Аминокислотная последовательность первых 60 N-концевых остатков (малого N-концевого домена) /ас-репрессора предполагает преобладание в этом домене Р-структуры [1209] (другую интерпретацию см. в работе [1209а]). Однако связывание Р-слоя с минорным желобком В-ДНК само по себе не может объяснить обнаруженной высокой специфичности комплекса. На основании данных о связывании двух других пептидных молекул-нетропсина и дистамишша-с АТ-бо-гатыми участками В-ДНК, а также структурных данных была выдвинута гипотеза, в которой предполагается, что, когда Р-слой «узнает» специфические последовательности В-ДНК, он становится несимметричным. Две цепи ДНК, как полагают, слегка отличаются друг от друга по своей конформации, что позволяет белку различать AT- и GC-пары и тем самым узнавать нужную последовательность ДНК при ус-

422

Глава 18

Рис. 18.5. Схематическое изображение комплекса двойной спирали В-ДНК с р-слоем [1208]. Последний располагается в минорном желобке так, что его ось симметрии 2-го порядка совпадает с осью симметрии В-ДНК. А. Полярность цепей нуклеиновой кислоты (5' -» 3') и полипептида (N -» СОО ~) различается. Б

страница 50
< 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)