Биологический каталог




Принципы структурной организации нуклеиновых кислот

Автор В.Зенгер

-эндо

ь 87 - 171 -53 49 -74 С3--эндо [1255] Глицеральдегид-З-фосфат- NAD

дегидрогеназа («зеленая» I А + ак + ак an an син С3--эндо

1 субъединица | N + ск + ак + ск ак— син С2>-эндо [1256]

[«красная» J А + ак an — ск an анти С2--эндо

[субъединица | N + ск ск + ск + ак син С2-эндо

Малатдегидрогеназа NAD+,

субъединица 1

j А 58 - 167 -78 - 166 -70 С3.-эндо [1257]

\ N 147 160 -40 88 -48 С2--эндо

Алкогольдегидрогеназа V

печени ADP-рибоза [А 175 167 159 39 - 102 С3--эндо

R 51 152 154 112 — [1258] Алкогольдегидрогеназа 8-Br-ADP- А 165 167 171 39 -80 С2--эндо

печени рибоза R 51 152 154 112 — [1258] Дигидрофолатредуктаза NADPH А 77 122 161 - 112 -93 С3--эндо

N -74 - 156 - 68 -74 -39 С2--эндо [1259] Белок Нуклеотид1' а Торсионные углы Р у град р> Конформа-—ция сахара Ссылка Тирозил-тРНК -синтетаза Тирозил-5'-аденилат 170 140 — ск 30 анти С3--экзо [1260'

Фактор элонгации Tu GDP 60 160 + ск анти Су-эндо 126Г

Гексокиназа Комплекс кобальта an анти С2--эндо 1262=

с 8-Вг-АТР

Панкреатическая рибо- UpcA (уридилил-JU — — + ак анти Су-эндо

нуклеаза S -3',5'-5'-мети- |А + ск an an — анти Су-эндо [1263]

ленаденозин

Панкреатическая рибо- Ср(2',5')А |С 270 - 107 Су-эндо [1264] нуклеаза S (цитидилил-2', J А -42 173 153 121 -82 Су-эндо

5'-аденозин)

Стафилококковая нуклеаза pdTp (дезокситимидин- an анти С2-эндо [1265] Вирус табачной мозаики4' 3',5'-дифосфат) -

РНК (три [1 145 220 170 70 - 70 СТ-эндо

нуклеотида {2 40 185 195 275 - 10 С2.-эндо [1266]

на субъединицу 13 150 135 270 290 - 75 С2'-эндо

белка)

11 А, С, N, R-аденозин, цитидин, никотинамидрибоза, рибоза.

2) У NAD+, NADPH и ADP Г,-это торсионный угол О,—Р—О—Р.

3* Чтобы получить соответствие с нашей номенклатурой, из значений х, приведенных в соответствующих работах и отвечающих торсионному углу 04.—Сг—N—С (8 или 6), мы вычли 180°.

*• У всех трех рибоз S = 135°, торсионные углы е равны 250° (1); 210° (2); 210° (3). В недавно опубликованной работе [1267] для всех трех нуклеотидов приводится конформация сахара С3.-энйо.

438

Глава IS

Рис. 18.9. Структура NAD+ -связывающего домена в глицеральдегидфосфат-де-гидрогеназе [1271]. Сложный ход белковой цепи представлен схематически: 0-структура изображена в виде стрелок, идущих от N-конца к С-коицу, а-спирали-в виде цилиндров. Номера на стрелках и цилиндрах соответствуют номерам аминокислот в последовательности белка (еще более схематичное описание структуры дано на рис. 18.10). Обратите внимание, что NAD+ связывается в «россмановском» домене, рхрхр, где х обозначает либо а-спираль, либо Р-цепь; при этом аденозин-5'-фосфат взаимодействует с элементами рА, (*в и Bg, а никотинамидрибозо-5'-фосфат-с элементами PD, аЕ и РЕ.

Специфические и неспецифические «гидрофобные карманы». NADPH связывается с дигидрофолатредуктазой-ферментом, катализирующим NADPH-зависимое восстановление дигидрофолатов в тетрадигидрофо-латы. Примечательно, что при связывании аденин располагается в гидрофобном кармане и не образует ни одной водородной связи (табл. 18.4). Хотя между аденином и His64 имеет место стэкинг-взаимодействие, его нельзя считать специфическим, поскольку His64 не является инвариантным остатком в этом классе ферментов. В противоположность этому 02-фосфат NADPH образует водородные связи с остатками ТЬгбЗ, His64 и Arg43, причем последний инвариантен во всех дигидрофолатредуктазах и таким образом обеспечивает как общее, так и специфическое связывание. Пирофосфат и никотинамидрибоза взаимодействуют с пептидными группами основной цепи, а кроме того, образуют водородные связи с боковыми группами и участвуют в электростатическом взаимодействии, особенно с Arg44. Важную роль

«B

"D "E

Аденил ткин

«В

Рис. 18.10. Схематическое изображение нуклеотид-связывающих доменов в различных белках [1270]. а-Спирали и элементы Р-структуры изображены в виде кружков и треугольников соответственно. Буквами N и А обозначены никотин-амидриботид и аденозин-5'-фосфат. ЛДГ-лактатдегидрогеназа, МДГ-малатде-гидрогеназа, АДГ-алкогольдегидрогеназа печени, ГАФД-глицеральдегид-3-фосфат-дегидрогеназа. Во всех перечисленных случаях нуклеотид связывается с доменами роф.

440

Глава 18

Таблица 18.4. Описание взаимодействия нуклеотид-белок для двух комплек-

сов, структура которых определена с высоким разрешением

1)

Нуклеотидная группа

Связывание посредством

солевого мостика

водородной связи

гидрофобного взаимодействия

Дигидрофолатредуктаза в комплексе с NADPH [1259] Аденин

Leu62, His64, Thr63, Ilel02, His77, Asp78

Аденин-2'-моно- Arg43 Thr63 (фосфат) Ilel02, Gly42

нуклеотидрибоза (фосфат) His64 (фосфат)

Glu 101 (03.)

Пирофосфат Arg44 NH-Thr63, NH- Gly99

AlalOO, Thr45,

Thrl26

Никотинамидмоно- CO-Glyl7(Oj.), Ilel3, Glyl4

нуклеотидрибоза CO-His(03.),

Ser48(02.)

Никотинамид NH-Ala6(07), Trp5, AIa6, lie 13,

CO-Ala6(N7) Leu 19, Trp21,

CO-Ilel3(N7) CO-Ala97

Рибонуклеаза S в комплексе с Cp(2'^')A [1263]

Цитидин Thr45(N3) Thr45, Phel20

Рибоза Lys41(04),

Hisll9(05)

Фосфат Glnll(O), Hisl2(0), Phel20, Hisll9

NH-Phel20(O)

Аденин Glulll(N,), Cln69 Glulll, Alal09

(N6), Asn71(N6)

Рибоза Hisll9(04.) Hisll9

1} Боковые группы белков обозначены как Thr64, lie 102 и т.д., пептидные карбонильные группы-как CO-Glyl7 и т.д., пептидные амидные группы-как NH-Ala6 и т.д. Группы, участвующие в образовании солевых мостиков, и акцепторы или доноры водородных связей со стороны нуклеотида указаны в круглых скобках [например, (Оэ.), (фосфат)].

играют инвариантные остатки Gly42 и Gly99, которые, по-видимому, отвечают за соответствие кофермента белковой матрице,-их замена на аминокислоты с более объемными боковыми группами привела бы к стерическим затруднениям при связывании. В отличие от аденинового кармана область связывания никотинамида более специфична-амидные группы главной цепи «узнают» 3-карбоксамидную группу никотинамид-ного кольца. Следует заметить, что совсем иной характер носит связывание с NAD-зависимыми дегидрогеназами, которые узнают никотин-амидный остаток главным образом благодаря его взаимодействию с боковыми цепями белка [1271].

Сильное связывание фосфатов и неспецифическая гидрофобная впадина в стафилококковой нуклеазе. Хорошо изучены еще две нуклеотидыо-бел-

Взаимодействия между белками и нуклеиновыми кислотами 441

ковые системы-комплекс между цитидилил-2',5'-аденозином [Ср(2', 5') А] и панкреатической рибонуклеазой S [1264] и тройной комплекс Са2 + -дезокситимидин-3',5'-дифосфат (pdTp)-стафилококковая нуклеаза [1265]. В последнем комплексе, который схематически изображен на рис. 18.12, pdTp действует как ингибитор, а Са2+-как активатор нуклеазы, которая гидролизует связь 05.-Р в ДНК и РНК, высвобождая нуклеотид или фрагмент нуклеиновой кислоты со свободной 05-Н-группой. Ингибитор хорошо «закреплен» в активном центре с помощью водородной связи между гидроксильной группой фенольного кольца Туг85 и З'-фосфатом. Между 5'-фосфатом и остатками Arg87 и Arg35 образуются солевые мостики с бидентатными водородными связями, аналогичные тем, которые показаны на рис. 18.6. Кроме того, 5'-фосфат связан с ионом Са2 +, который расположен в центре окта-здрического комплекса и образует координационные связи с Asp40, Asp21, с карбонильной группой основной цепи Val41 и с двумя молекулами воды. Такое довольно сильное и жесткое связывание двух фосфатных групп не должно распространяться на основание и рибозу, потому что фермент не специфичен ни к виду основания, ни к типу сахара (РНК или ДНК). Действительно, мы видим, что тиминовый остаток располагается в узкой гидрофобной впадине на поверхности нуклеазы, а все контакты между белком и специфическими нуклеотидными атомами-02., 04., N3H-осуществляются через водные мостики, т.е. по-видимому, фермент «узнает» все четыре вида оснований.

Слабое связывание фосфата и узнавание пиримидиновых оснований панкреатической РНКазой S. РНКаза S, как и стафилококковая нуклеаза, представляет собой «5'-гидролазу»; тем не менее механизмы расщепления фосфодиэфирной связи этими ферментами совершенно разные. РНКазе S для функционирования не нужны ионы Са2 +, но необходима гидроксильная группа 02.Н, потому что промежуточным продуктом ре-; акции является 2',3'-0,0-циклофосфат; следовательно, она гидролизует только цепи РНК. Кроме того, РНКаза расщепляет только те связи, которые расположены после пиримидиновых нуклеотидов, т. е. в результате реакции высвобождаются фрагменты РНК с З'-концевыми пирими-дин-З'-фосфатами.

В цитидилил-2',5'-аденозине [Ср(2',5')А] и уридилил-3',5'-метиленаде-тюзине (UpcA) фосфодиэфирные связи модифицированы, и поэтому эти соединения являются ингибиторами РНКазы S. В противоположность сильному связыванию фосфатов в стафилококковой нуклеазе, в РНКазе эти взаимодействия довольно слабы; они затрагивают остатки His 12, |Hisll9 и Gin 11 (табл. 18.4). Аденин, хотя и не является специфическим для этого фермента основанием, связывается с ним; при этом образуются водородные связи с JNg-аминогруппой и атомом N,. Что касается пиримидиновых оснований, то они располагаются в пиримидин-связывающем участке в немного различающихся ориентациях; пептидная NH-группа Thr45 образует водородную связь с 02-атомом UpcA, тго не с атомом 02 Ср(2', 5') А (здесь расстояние N-02 равно пример-

442

Глава 18

Взаимодействия между белками и нуклеиновыми кислотами 443

Рис. 18.11. А. Схема связывания кофермента в тройном комплексе лактатдегадрогеназа-1^АО+ -пируват [1255]. Обратите внимание на вытянутую конфигурацию NAD+ —пирувата и солевые мостики между фосфатом и ArglOl и между пируватом и Argl71. Аденин размещен в гидрофобном кармане и не образует водородных связей с белковыми группировками, тогда как атом кислорода карбоксамидной группы никотинамида образует связь с Hisl95. Все 02-Н- и 03.Н-группы остатков рибозы также участвуют во взаимодействии с белком, образуя водородные связи с амидными группами основной цепи и боковой группой Asp53. Б. Сравнение конформации NAD + в активном центре лак-татдегидрогеназы (в цвете) и в кристаллическом комплексе с ионами Li + . Ориентация молекул выбрана так, чтобы никотинамидные остатки совместились друг с другом. При такой ориентации видно, что в обеих структурах нико--тинамид и аденин почти перпендикулярны друг другу и разнесены на расстояние ~ 12 А, т. е. в целом структура молекулы NAD+ в этих комплексах одинакова. В комплексе с Li+ все торсионные углы имеют обычные значения и угол у (угол вращения вокруг связи С4.—Os.) лежит в области + ск. Однако в комплексе с белком угол у меняется и попадает в область — ск, при этом пирофосфатная группировка оказывается направленной от никотинамида и аденина, и фосфаты экспонируются в область активного центра белка; в комплексе hi* — —NAD + нуклеозиды сильнее закрывают пирофосфат. Структуры построены по координатам, приведенным в работах [709, 1255].

444

Глава 18

Рис. 18.12. Схематическое изображение нуклеотид-связывающего центра в стафилококковой нуклеазе [1265]. З'-фосфатная группа ингибитора pdTp присоединена к остатку Туг85 слабой связью, тогда как 5'-фосфат связывается с активным центром очень прочно; он образует связи с двумя боковыми группами аргининовых остатков Arg35 и Arg87, связь через водный мостик с Glu43 (черные кружки-это молекулы воды) и координационную связь с ионом Са2 + . Связь Р—05. расщепляется во время ферментативного гидролиза нуклеиновых кислот (ДНК и РНК). Основание локализовано в узкой впадине активного центра, и какие бы то ни было детерминированные взаимодействия основания с белком отсутствуют. Поэтому стафилококковая нуклеаза не проявляет специфичности к виду основания.

но 4 А). Гидроксильная группа боковой цепи Thr45 выступает в роли донора при образовании водородной связи с атомом N3 цитозина, но действует как акцептор в случае группы N3H урацила (рис. 18.13). Способность отличать пуриновые основания от пиримидиновых при помощи только гидроксильной группы Thr45 и «якорной» пептидной группы NH того же остатка находится на грани возможного, поскольку расположение функциональных групп оснований в обоих случаях почти одинаково. Однако участок полипептидной цепи с остатком Thr45, прохо-

Взаимодействия между белками и нуклеиновыми кислотами

445

Рис. 18.13. Схема водородных связей между остатком Thr45 в РНКазе S и пиримидиновыми основаниями урацилом и цитозином (вверху) и 8-оксо-аденином (внизу). Атомы Н, С, N и О изображены в виде кружков возрастающего радиуса.

8-оксоА

дящий перед атомами N3 и 02 пиримидинового основания, стал бы для пуринов стерической помехой, если бы фосфат и сахар оставались в тех же положениях, в которых они находятся в комплексах UpcA и Ср(2',5')А с РНКазой S. В связи с этим интересно отметить, что 8-ок-соаденозин-З'-фосфат связывается с пиримидиновым «центром» РНКазы S в сын-ориентации, при этом оксогруппа имитирует атом 02 пиримидина, а атом N7 аденина атом N3 цитозина [1272].

Специфическое узнавание гуанина рибонуклеазой Т, путем взаимодействия с остовом и боковыми группами белка. В отличие от рибонуклеазы А эукариот рибонуклеаза Tt (РНКаза Tt), выделенная из гриба Aspergillus oryzae, функционирует строго специфично и узнает только одно основание-гуанин. Изучение кристаллического комплекса этого фермента с ингибитором-2'-гуаниловой кислотой (2-GMP)-позволяет получить детальную схему комбинированных взаимодействий (водородных связей и стэкинга) с атомами основной цепи и боковых групп белка, которые окружают и связывают гуанин. Как видно из рис. 18.14, водородные связи с основанием образуют только атомы основной цепи-(Asn43)NH ¦ - ¦ 06 (гуанин) и (гуанин) jN1H--0=C(Asn44). Такое взаимодействие позволяет белку отличать G от А и С, но не обязательно от U, функциональные группы которого 04 и N3H могут образовывать ана-

446

Глава 18

Рис. 18.14. Фермент рибонуклеаза Т, расщепляет РНК специфически, по гуано-зину. Изображена часть кристаллической структуры комплекса рибонуклеазы Т, с ингибитором -2'-гуаниловой кислотой в сын-форме. «Узнавание» гуанина обеспечивается благодаря образованию водородных связей (пунктир) между функциональными группами основной цепи белка и группами 06 и N,H гуанина; N2-aMHH

страница 53
< 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)