Файл: Дашевский, В. Г. Конформации органических молекул.pdf

Разумеется, трудно ожидать, что атом-атом потенциалы объяс­ нят все тонкости, связанные с конформацией олиго- и полинуклео­ тидов в растворах; наибольшие затруднения, естественно, воз­ никнут при учете гидрофобных взаимодействий и конфигурацион­ ной энтропии. Поэтому в ряде случаев более грубые модели, в частности комбинаторные, могут иметь больший успех.

Сказанное выше в значительной мере относится к предсказа­ нию вторичной структуры однотяжевых полинуклеотидов в рас­ творах. Еще несколько лет назад, решая вопрос о равновесной конформации однотяжевого полинуклеотида, считали по аналогии с двухтяжевой нативной ДНК, что в этой структуре необходимо комплементарное спаривание оснований между участками той же цепи [46]. При этом образуется так называемая шпилькообразная структура.

Подобные представления легли в основу комбинаторных моде­ лей, предназначенных для предсказания пространственной струк­ туры (или вторичной шпилькообразной структуры) тРНК и иРНКЭти модели основывались на критерии максимального спарива­ ния оснований в шпильках. В частности, В. Г. Туманян [47] раз­ работал общий алгоритм нахождения структуры с максимальным спариванием для любой последовательности оснований в полину­ клеотидах и применил его к расчетам оптимальной структуры аланиновой тРНК (рис. 9.7а).

Однако теперь уже стало ясно, что не водородные связи между основаниями являются определяющими для макроструктуры полинуклеотидов, как считали Уотсон и Крик. Поэтому истинным критерием для нахождения вторичной структуры тРНК и иРНК должна стать максимальная длина регулярного комплементарно­ го участка, в котором основания располагаются стопкообразно (критерий максимального спаривания дает для случайных после­ довательностей весьма дефектные структуры, как это видно, в частности, из рис. 9.7а). Еще лучше, если эти критерии войдут в комбинаторные расчеты с соответствующими весами.

Из-за недостатка места мы не можем сколько-нибудь детально остановиться на интереснейшей проблеме — пространственной структуре тРНКЗаметим лишь, что первичная структура аланиновой тРНК впервые была полностью расшифрована Холли [48]. Им же предложена модель клеверного листа, согласно которой молекула тРНК может быть представлена в виде четырех шпилек (рис. 9.76). К 1970 г. в различных лабораториях мира были рас­ шифрованы нуклеотидные последовательности еще 16 тРНК [49]. Как показал анализ, проведенный, в частности, Левиттом [50], все известные тРНК могут быть представлены в виде клеверных листов с достаточно большим числом спаренных оснований, так что минорные компоненты (псевдоуридин, дигидроуридин и др.) всегда оказываются в петлях, а обычные основания составляют спиральные участки. Разумеется, модель, представленная на рис. 9.76,— еще не пространственная модель; если же в дополне-

415

ние к модели спаривания (вторичной структуре) описать относи­ тельные положения каждой из шпилек, то пространственная струк­ тура тРНК (третичная структура) станет вполне определенной. Согласно современным представлениям, наиболее вероятной иро-

a

Рис. 9.7. Модели вторичной структуры аланиновой тРНК:

а — модель, найденная комбинаторным методом с критерием максимального спарива­ ния; б — «клеверный лист» Холли.

странственной моделью тРНК в растворе считают клеверный лист со шпильками (I) и (III), уходящими за плоскость рисунка, и шпильками (II) и (IV), смотрящими вперед.

3. ДВОЙНЫЕ СПИРАЛИ ПОЛИНУКЛЕОТИДОВ

На протяжении 60-х годов соли щелочных металлов нуклеиновых кислот и синтетических полинуклеотидов интенсивно исследова­ лись методами рентгеноструктурного анализа кристаллов. Кри­ сталлическая ДНК, в зависимости от влажности, а также содержа­ ния солей щелочных металлов, может иметь три конформации полинуклеотидной цепи. При влажности выше 92%, вне зависимо­ сти от природы противоиона (катиона), ДНК существует в кон-

416

формации В [51]. При 75%--ной относительной влажности натрие­ вая соль ДНК переходит в конформацию А [52], тогда как литиевая соль остается в конформации В даже при относительной влаж­ ности 66%. При 44 % влажности литиевая соль переходит в кон­ формацию С [53]. Природные молекулы, существующие в клетке при высокой относительной влажности, вероятно, имеют конфор­ мацию, близкую к В, хотя в этом случае уже не приходится гово­ рить о строгом дальнем порядке в укладке оснований.

Прежде чем обсуждать сходство н отличие этих кристалли­ ческих модификаций, необходимо условиться об обозначениях, характеризующих конформации двойных спиралей. Как и в слу­ чае кристаллических стереорегулярных полимеров, для кристал­ лов полинуклеотидов можно выделить ось макромолекулы; рент­ генограммы волокна дают сведения о периоде (в данном случае о числе уотсон-криковских пар оснований). Разумеется, этих дан­ ных недостаточно для воспроизведения координат всех атомов — как мы указывали, конформация регулярного полинуклеотида характеризуется шестью независимыми углами вращения.

В структурных работах конформации полинуклеотидов обычно описывают взаимным расположением оснований. Арнотт и;др. [54] предложили характеризовать взаимное расположение оснований пятью параметрами: 04 — углом поворота вокруг оси у' , 02 — углом поворота вокруг оси х ', D — расстоянием начала системы координат со штрихами (х , у , z!) от оси z и двумя пара­ метрами спирали — трансляцией вдоль оси d и углом поворота т вокруг оси спирали (т = 2л/я, где я — число пар оснований в пе­ риоде; d — clti, где с — период идентичности) — см. рис. 9.8.

Рис. 9.8. Параметры, определяющие положение пар оснований в полинуклеотндной цепи.

Система координат на рис. 9.8 выбрана таким образом, что при 0j = 02 = 0 ось х' проходит через атом С4 пиримидина и парал­ лельна прямой, соединяющей атомы углерода гликозидных свя­ зей комплементарной пары. Основания при этом предполагаются плоскими, и для уотсон-криковских пар принимаются средние параметры, которые, по-видимому, практически не должны ме­

няться при переходе от одной конформации макромолекулы к дру­ гой, в частности длина отрезка, соединяющего атомы углерода гликозидных связей комплементарной пары, равна 10,85 А. Ра­ зумеется, в дополнение к указанным параметрам необходимо вве­ сти еще хотя бы один параметр, чтобы полностью определить по­ ложение всех атомов (конечно, мы предполагаем, вслед за Арноттом 154], что связи и валентные углы в полинуклеотиде абсолютно жесткие). Этим одним параметром может быть угол у (или cpCN), или, например, одна из цилиндрических координат атома фосфо­ ра — Арнотт приводит обычно все три координаты.

Форма А ДНК представляет собой двойную спираль с перио­ дом идентичности 28,15 А и 11 уотсон-криковскими парами осно­ ваний в периоде. Согласно проведенному недавно уточнению мо­ лекулярной структуры [54], в основе которого лежало предполо­ жение о неизменности длин связей и валентных углов во всех фор­ мах двойных спиралей ДНК и РНК, форма А имеет следующие параметры 0Ь 02, D d и т: 20°, 8°, 4,75 А, 2,56 А и 32,7°; цилин­ дрические координаты атома фосфора г, 0, zb системе хуг рис. 9.8: 8,84 А, 67,2°, 3,93 А.

Конформация В имеет следующие параметры оснований: —2°, —5°, —63 А, 3,38 А и 36°; координаты атома фосфора: 9,05 А, 94,8°, 2,04 А. Как видим, отличие между конформациями А и В очень велико: если в форме В основания располагаются недалеко от оси двойной спирали и притом почти перпендикулярно этой оси, то в форме А они отстоят от нее на значительном расстоянии

ирасположены наклонно. Кроме того, в конформации В фуранозное кольцо имеет конформацию С2'-эндо, а в форме А — С3'-эндо*.

Форма С ДНК очень близка к форме В. Она характеризуется следующими параметрами оснований: —6°, 5°, —2,13 А, 3,32 А

и38,6°; положение атома фосфора : 9,05 А, 107,5°, 2,95 А; конфор­ мация сахара С„>-Рндо.

Молекулы двухтяжевых РНК имеют несколько кристалличес­ ких модификаций, которые, по-видимому, содержат идентичную

(по геометрии) двойную спираль. Арнотт [541 высказывает мне­ ние, что все исследованные до сих пор РНК имеют 11-кратную спираль (в некоторых исследованиях ранее предполагалась и 10- кратная спираль). Уточненные им геометрические параметры име­ ют следующие значения: 14°, 0°, 4,25 А, 32,7°, 2,73 А; коорди­ наты фосфора: 8,84 А, 68,5°, —3,62 А. Таким образом, молекулы РНК существуют в конформации, очень близкой к форме А ДНК.

* Недавно Арнотт и Хакинс [57] провели еще одно уточнение струк­ туры А и В форм ДНКПри этом выяснилось, что С3>-экзо-конформация углеводного кольца несколько лучше согласуется с наблюдаемым распреде­ лением интенсивности рентгенограмм, чем С2' -эндо-конформация. В связи с этим значения углов внутреннего вращения формы В потребовали неко­ торого пересмотра. Что же касается формы А, то для нее вновь была про­ демонстрирована наибольшая вероятность С3' -эиЗо-конформации сахара.

418