Биологический каталог




Принципы структурной организации нуклеиновых кислот

Автор В.Зенгер

orpynna гуанина и атом N7 в связывании не участвуют. В структуре комплекса осуществляется стэкинг между феноксигруппой Туг45 и гуанином, при этом феноксигруппа Туг42 (не показана) располагается за атомом 06 гуанина на расстоянии вандерваальсова контакта. Такая конфигурация напоминает сэндвич, в котором гуанин находится между двумя остатками тирозина [1272а].

логичную систему связей. Однако вдобавок ко всему над гуаниновым кольцом на расстоянии 3,5 А располагается боковая цепь Туг45, так что возникает стэкинг-взаимодействие, которое в случае пуриновых оснований, конечно, более выгодно, чем в случае пиримидиновых (см. гл. 6 и предыдущий раздел), а кроме того, гуанин находится в смн-ориента-ции, почти неприемлемой для пиримидиновых оснований.

Взаимодействия между белками и нуклеиновыми кислотами

447

ос-Спираль действует как диполь, и ее /V-конец притягивает фосфатные группы. Все пептидные группы и все водородные связи ориентированы в а-спиралях одинаково. Это приводит к появлению довольно значительного дипольного момента, направленного вдоль оси спирали, с положительным зарядом на N-конце. Потенциал на расстоянии ~ 5 А от N-конца а-спирали длиной 10 А (примерно два витка) равен ~0,5 В. Отсюда следует, что связывание с единичным отрицательным зарядом (фосфатом) должно привести к выигрышу в энергии 0,5 эВ, т.е. ~12 ккал • моль ~1; это довольно значительная величина даже в предположении, что одновременно с этим происходит вытеснение молекул воды, на которое затрачивается ~0,2 ккал-моль-1 [1273].

Такой тип взаимодействия а-спиралей с фосфатами обнаружен у ряда белков. Особенно интересен в этом отношении «россмановский домен» с pap-конфигурацией в дегидрогеназах и связывание фосфатных групп в дигидрофолатредуктазе, триозофосфатизомеразе, тирозил-тРНК-синтетазе и и-гидроксибензоат-гидроксилазе [1259, 1260].

РНК при связывании с вирусом табачной мозаики приобретает вытянутую конфигурацию. В вирусах идентичные белковые субъединицы уложены в сферическую или спиральную структуру, образующую капсид, в который упакована молекула ДНК или РНК (в зависимости от природы вируса). Так как у сферических вирусов симметрия наружной оболочки не совпадает с симметрией расположенной внутри молекулы нуклеиновой кислоты, на карте электронной плотности эта молекула имеет вид пятна, которое не поддается интерпретации [1274]. У палочковидного вируса табачной мозаики (ВТМ) ход цепи одноцепочечной молекулы РНК согласован со спиральной укладкой субъединиц, и цепь РНК можно увидеть, хотя основания из-за «случайной» нуклеотидной последовательности выглядят на карте как усредненные диски.

Капсид ВТМ состоит из 2140 белковых субъединиц с мол. массой 17420 каждая, которые уложены по спирали с числом субъединиц на

1 виток 16— и шагом 23 А. По периферии внутренней полости обвивается одноцепочечная молекула РНК длиной 6400 нуклеотидов. Белковая субъединица состоит из 158 аминокислотных остатков; 60 из них образуют четыре а-спирали-LS, RS, LR и RR. Все они ориентированы примерно вдоль радиуса спирали вирусной частицы (рис. 18.15) [1266-1268, 1275]. Цепь РНК идет по спирали с радиусом 40 А и удерживается в данном положении главным образом с помощью а-спирали LR, к которой присоединяется нуклеотидный триплет. Наиболее важными компонентами связывающегося участка являются остатки Aspll5 и Aspll6; они взаимодействуют с 02-Н-группами рибозных остатков 1 и 3, образуя мотив, который обнаружен также в комплексах NAD+-зависимых дегидрогеназ. Соответствующие основания располагаются в полостях в окружении гидрофобных остатков; они прижаты к а-спирали. Основание 2, которое находится в смн-ориентации (тогда как 1 и 3-в анти), расположено дальше от оси спирали и может образовы-

448

Глава 18

Z

О 20 40 60 80

А

Рис. 18.15. А. Схематическое изображение взаимодействия РНК (черный цвет) с двумя субъединицами белка вируса табачной мозаики (коричневый цвет). Последние уложены по спирали, небольшой фрагмент которой -из двух субъединиц показан на рисунке. РНК в первую очередь связывается с остатками 114-123 спирали LR (см. рис. Б] и эта спираль оказывается зажатой между основаниями, которые изображены на рисунке в виде черных овалов. Другое место сильного связывания-остатки Arg90 и Arg92 спирали RR (показаны символами ©), которая принадлежит субъединице, расположенной непосредственно под данной; эти остатки связываются с фосфатами РНК (показаны символами G). Б. Другая проекция РНК-связывающего центра: вид вдоль оси спирали ВТМ. Показаны два повторяющихся элемента РНК и LR-спирали. Обратите внимание на вытянутую конформацию цепи РНК и на то, как основания нуклеотидов 1 и 3 (изображенные в виде эллипсов) «обхватывают» спираль LR. Такое слишком близкое расположение нуклеотидов 1 и 3 заставляет пуриновый нуклеотид 2 сдвигаться дальше от оси спирали [1268].

вать водородную связь с Serl23. Тесный контакт нуклеотидов 1 и 3 со спиралью LR сжимает цепь РНК и фосфаты приближаются друг к другу, образуя при этом солевые мостики с остатками Arg90 и Arg92 спирали RR, принадлежащей другой субъединице, которая располагается непосредственно под данной.

Некоторые общие выводы относительно взаимодействий между белками и нуклеиновыми кислотами. Совершенно очевидно, как это отмечалось в начале раздела, что существует широкий спектр нуклеиново-белковых взаимодействий. Сюда относятся не только контакты с боковыми группами аминокислот, но и взаимодействия с пептидными группами, выступающими в роли акцепторов или доноров при образо-

Взаимодействия между белками и нуклеиновыми кислотами

449

вании водородных связей. Как оказалось, основания более охотно вступают в контакт с пептидными функциональными группами, чем с боксовыми радикалами аминокислотных остатков. Это весьма удивительно, если принять во внимание разнообразие последних (от положительно заряженных до отрицательно заряженных), но вполне объяснимо с точки зрения геометрических требований, которые должны выполняться при узнавании. Так, боковые группы довольно подвижны и не всегда занимают фиксированное положение, тогда как основная цепь находится в определенной, строго детерминированной конфигурации. Она образует некую матрицу, которую основание может легко проска-нировать с помощью своих комплементарных функциональных групп.

29 509

450

Глава 18

Кроме того, повороты и изгибы основной цепи и ее положение и ориентация в области активного центра являются мощным инструментом для модуляции и тонкой настройки взаимодействий; гораздо менее пригодны для этой цели аминокислотные боковые цепи, несущие бифункциональные группы гуанидиновую, карбоксильную и карбоксамидную, т.е. группы с фиксированной геометрией.

В противоположность этому фосфатные группы более охотно образуют солевые мостики с боковыми цепями аминокислот - Arg, Lys и His, хотя образуются также и водородные связи с другими группами, включая группы основной цепи. Кроме того, фосфаты притягиваются к а-спиралям, обладающим дипольным моментом. Что касается гидрокси-лов рибозы, то для них тоже не выявлено какой-либо общей схемы связывания, хотя чаще всего они образуют водородные связи с карбоксильными группами белка. Стэкинг-взаимодействие оснований с боковыми группами ароматических аминокислот обнаружено лишь в нескольких комплексах, и часто упоминаемый гидрофобный «карман» в большинстве случаев действительно является просто карманом, т. е. не проявляет никакой специфичности к типу основания и его ориентации.

18.6. БЕЛКИ. СВЯЗЫВАЮЩИЕСЯ С ДВОЙНЫМИ СПИРАЛЯМИ И ОДНОЦЕПОЧЕЧНЫМИ ДНК

К настоящему времени методом рентгеноструктурного анализа установлена пространственная структура пяти разных ДНК-связывающих белков: его- и >.-репрессоров, белка, активирующего катаболизм (БАК), белка гена 5 фага fd и олигопептида нетропсина. Предложенные модели ДНК-белкового взаимодействия являются пока предметом дискуссий, поскольку установлена структура только белков, а не их комплексов с ДНК. Тем не менее можно сделать некие предварительные выводы, представляющие определенный интерес в связи с рассматриваемыми здесь проблемами.

Антибиотик нетропсин олигопептид, связывающийся с АТ-богатыми участками В-ДНК. Константа связывания равна ~ 108 л - моль ~ 1 (измерена для poly (dA)-poly (dT) [1276]), длина участка связывания составляет ~5 пар оснований [1277]. Молекула нетропсина (рис. 18.16) имеет вытянутую дугообразную конфигурацию, и все NH-группы потенциальные доноры водородных связей-обращены внутрь дуги. Построение моделей комплекса нетропсина с В-ДНК показывает, что связывание происходит в минорном желобке ДНК, при этом антибиотик располагается почти параллельно оси спирали, а NH-группы образуют водородные связи с атомами 02 пиримидинов и N3 пуринов, которые в спирали В-ДНК расположены примерно одинаково, так что связывание с парами А-Т и Т-А равновероятно.

Взаимодействие В-ДНК с а-спиралью и Р-слоем сто-репрессора [1278]. Белок его бактериофага Х-полипептид длиной 66 аминокислотных остатков-узнает определенные операторные участки на фаговой ДНК,

Рис. 18.16. А. Структура ДНК-связывающего антибиотика нетропсина. Все потенциальные доноры водородных связей (затененные NH-группы) направлены в одну сторону (обращены внутрь дуги). Б. Модель комплекса нетропсина с В-ДНК; антибиотик (показан жирными линиями) располагается в минорном побке В-ДНК (показана в цвете). Концевая гуанидиновая группа не участвует связывании и образует пропионамидные мостики с соседней молекулой ДНК. [1277].

452

Глава 18

Thr 17

62

Рис. 18.17. А. Ход полипептидной цепи сто-репрессора; показаны только Са-атомы. Предполагаемые участки связывания с ДНК-а-спираль (остатки 27-38) и С-концевые аминокислотные остатки 53-62 (закрашенные кружки); последние образуют антипараллельный Р-слой с другой молекулой сто, связанной с данной осью симметрии 2-го порядка Q. Две другие оси 2-го порядка, Р и R, переводят димер его в тетрамер. Концевые остатки обладают повышенной подвижностью и на карте электронной плотности не видны. Возможно, С-концы при узнавании ДНК выполняют роль «щупалец». Б и В. Модель комплекса димера сго-репрессора с В-ДНК. Ось димера Q совпадает с осью симметрии В-ДНК. Б. Вид вдоль оси димера Q. Жирными линиями выделены а-спирали и Р-слой, связывающиеся с желобками В-ДНК. Белок расположен за спиралью ДНК. В. Проекция, представленная на рис. Б. повернута вокруг вертикали на 90 . Теперь ось Q расположена в плоскости рисунка. [1278].

имеюшие специфическую (и почти палиндромную) последовательность; связываясь с этими участками, он препятствует экспрессии гена ^-репрессора. В растворе cro-репрессор существует в виде димера или тетрамера, в кристалле в виде тетрамера с приблизительной точечной симметрией 222; в комплексе с ДНК он, по-видимому, также должен находиться в виде димера или тетрамера. Субъединица его состоит из антипараллельного Р-слоя, образованного тремя отрезками цепи (остатки 2-6, 39^5, 48-55), и трех а-спиралей (остатки 7-14, 15-23 и 27-36).

Взаимодействия между белками и нуклеиновыми кислотами 453

В димере С-концевые участки двух соседних молекул его, связанных осью симметрии Q (рис. 18.17), образуют еще один элемент Р-структуры. Другая ось симметрии, R, преобразует димер в тетрамер, и далее из тетрамеров формируется кристалл.

• Если посмотреть вдоль оси димера Q (рис. 18.17, Б), то мы сразу рвидим, что спирали, образованные остатками 27-36, находятся на расстоянии ~ 34 А друг от друга, антипараллельны и наклонены к вертикали под углом 32°, т.е. идеально вписываются в двойную спираль В-ДНК. Р-Слой, образованный С-концевыми участками двух молекул, оказывается между этими спиралями. Была предложена модель комплекса, в которой димер сго-репрессора располагается с одной стороны ДНК; при этом а-спирали размещаются в главном желобке, а Р-слой-в минорном, что согласуется с результатами химических исследований [1279]. Ось Q совпадает с собственной осью симметрии 2-го порядка двойной спирали В-ДНК, и, таким образом, собственная симметрия почти палиндромной операторной области, с которой связывается сго-ре-

454

Глава 18

прессор, совпадает с симметрией белкового димера. Рассмотрим теперь более подробно детали взаимодействия двойной спирали нуклеиновой кислоты с элементами белковых структур-а-спиралью и р-слоем, не забывая при этом, что комплекс cro-репрессора с ДНК-это пока лишь модель.

Можно предположить, что положение остатков а-спирали Ser28, Ala29, Asn31, Lys32, А1аЗЗ и His35 позволяет им взаимодействовать с функциональными группами, расположенными в главном желобке ДНК [1279]. Lys32 и близлежащие остатки Arg38 и Lys39, по-видимому, связываются с фосфатами. Кроме того, антипараллельный Р-слой, образованный концевыми участками Glu54, Val55 и Lys56 двух молекул, вероятно, располагается в минорном желобке, как описано в разд. 18.1. На карте электронной плотности cro-репрессора четыре С-концевых остатка каждого мономера не видны. Это указывает на их разупорядо-ченность, а следовательно, и на повышенную подвижность, которая может иметь место и в растворе. Возможно, гибкие концы, снабженные двумя лизиновыми остатками (Lys62, Lys63), действуют как «щупальца», инициируя и направляя связывание с ДНК.

Поскольку имеется столь детальная модель комплекса сторепрессо-ра с ДНК и известны аминокислотная последовательность белка и ну-клеотидная последовательность операторного участка, была предпринята попытка установить причину специфичности взаимодействия. Оказалось, что боковые цепи остатков Arg38, Lys32, Ser28, Gln27 и Tyr26 могут образовывать водородные связи с функциональными группами гуанинов и аденинов [1279а], расположенными со стороны главного желобка (рис. 18.3). Это объясняет химические аспекты взаимодействия, но окончательное доказательство правильности модели можно будет получить лишь тогда, когда комплекс cro-репрессора с оператором удастся закристаллизовать и установить его пространственную структуру с помощью рентгеноструктурного анализа.

Домен ^.-репрессора, связывающийся с оператором, обладает теми же структурными особенностями, что и его [1279b, 1279с]. Интактный репрессор фага Х-это белок из 236 аминокислотных остатков, образующих двухдоменную структуру. Мягкий гидролиз с помощью папаина приводит к отщеплению N-концевого фрагмента из 92 остатков, который, как и сам Х-репрессор, специфически связывается с оператором ДНК. Рентгеноструктурный анализ кристаллов N-концевого домена X-репрессора показал, что он состоит из пяти а-спиралей; две спирали (2 и 3) располагаются почти перпендикулярно друг другу, т.е. образуют такую же структуру, как спирали 2 и 3 (остатки 15-23 и 27-36) в сго-ре-прессорах и спирали Е и F в белке БАК (см. ниже). И у его-, и у Х-ре-прессоров спирали 3 легко встраиваются в главный желобок В-ДНК (рис. 18.17); кроме того, N-концевые «руки» Х-репрессора «обхватывают» ДНК, располагаясь в главном желобке двойной спирали с противоположной стороны.

N-концевые последовательности репрессоров, являющиеся местами

Взаимодействия между белками и нуклеиновыми кислотами

455

предполагаемого связывания с ДНК, гомологичны. N-конпевую последовательность

страница 54
< 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)