Схемы связывания

Молекула ДНК составляется из двух свитых в одну спираль нитей, или цепочек, в которых чередуются атомы фосфора и пятичленные кольца сахара [50]. К сахарофосфатному остову присоединены нуклеотиды — основания ДНК (рис. 1.3). Водородные связи между основаниями, принадлежащими разным цепочкам, объединяют эти цепочки в двутяжевую структуру, образуя двойную спираль. Эту спираль в упрощенном виде можно представить как двустороннюю витую лестницу, перилами которой служат цепочки сахарофосфатного остова, ступеньками — пары оснований. Внутренняя и внешняя стороны лестницы аналогичны так называемым малой и большой бороздкам реальной ДНК.

Рис. 1.3. Схема, позволяющая рассматривать двойную спираль ДНК как две параллельные линейные матрицы реакционных центров, а) Фрагмент двойной спирали ДНК (молекулярная модель), б) Схематическое представление участка ДНК, на котором происходит связывание лигандов (вид со стороны малой бороздки). Каждая нить ДНК соответствует одной матрице. Лунками показаны реакционные центры, черный цвет соответствует наружной стороне матрицы, белый — внутренней

Большая часть атомов пар оснований участвует в стекинг-взаимо-действиях, обусловленных вандерваальсовыми контактами между плоско стями ближайших соседних в последовательности пар оснований. Атомы фосфора и кислорода, составляющие сахарофосфатный остов, атомы кислорода, азота, и NH группы оснований, которые выходят в малую и большую бороздки ДНК, могут выступать в качестве реакционных центров ДНК.

Биологически активные соединения разных типов могут связываться с ДНК, используя разные наборы реакционных центров. Однако могут существовать и «универсальные» наборы реакционных центров, используемые лигандами одной природы. Гурский с соавторами [51, 52] сформулировал принципы, в соответствии с которыми лиганды пептидной природы (белки, а также содержащие пептидные или амидные группы антибиотики) могут узнавать определенные последовательности пар оснований ДНК. Ключевой чертой такого узнавания является образование водородных связей между «донорами» водородной связи, амидными группами лиганда и «акцепторами» этой связи, N3 атомами аденина или 02 атомами тимина и цитозина молекулы ДНК. Указанные атомы тимина, аденина и цитозина занимают в канонической В-форме молекулы ДНК положения, связанные спиральной симметрией (трансляция на 3,4 ангстрема вдоль оси спирали и поворот на 36° переводит их друг в друга с известной степенью точности). Эти атомы формируют регулярную решетку реакционных центров — акцепторов водородной связи. Рассматривая только эти ключевые для связывания атомы, мы можем представить двуспиральную молекулу ДНК в качестве решетки реакционных центров (рис. 1.3). Такая решетка является «двойной», т. е. имеет две параллельные линейные цепочки реакционных центров, и если участок ДНК содержит только АТ-пары, то такие центры, как акцепторы водородной связи, будут эквивалентны. Михаил Лившиц и Георгий Гурский с соавторами продемонстрировали, что подобная схема связывания приводит к реалистическим оценкам способности регуляторного белка найти специфическое место связывания среди случайной последовательности пар нуклеотидов ДНК [52].

Такие лиганды, как нетропсин, дистамицин А, хекст и целый ряд соединений, сконструированных на основании этих веществ и несущих пептидные и амидные группы, связываются по малой бороздке ДНК, используя именно эти принципы [5, 54-60]. Связывание соединений этого класса обусловлено не только взаимодействием доноров и акцепторов водородной связи, существенный вклад вносят вандерваальсовы контакты и разного рода взаимодействия, в которые вступают лиганды в малой бороздке молекулы ДНК. Выше уже было указано, что даже такое схематичное и упрощенное представление о связывании дистамицина А с ДНК позволило оценить размер связывающего места, число реакционных центров и, в конечном счете, предложить молекулярную модель связывания, под твержденную рентгеноструктурным анализом [5,6]. Таким образом, весьма упрощенная схема связывания, в рамках которой ДНК представлена в качестве линейной решетки реакционных центров, позволяет описывать связывание лигандов и анализировать экспериментальные данные.

Следует специально оговорить термины: решетку реакционных центров мы называем двойной, потому что атомы сахарофосфатного остова двойной спирали ДНК связаны осью симметрии второго порядка, которая направлена перпендикулярно длинной оси спирали (рис. 1.З.). N3 атом аденина и 02 атом тимина, которые могут выступать в качестве акцепторов водородной связи, тоже связаны осью симметрии второго порядка. Поэтому на участке ДНК, состоящем из АТ пар, мы будем иметь двойную решетку реакционных центров (то же самое касается ряда полимеров, например, поли (А) поли (Т), если пренебречь изгибами оси спирали ДНК).

В случае, когда лиганд при связывании закрывает центры только одной половины матрицы, связывание по разным половинам будет неконкурентным. При этом связывании возможно образование «сэндвича» — двух прижатых друг к другу лигандов, каждый из которых связан со своей решеткой реакционных центров (рис. 1.46, рис. 1.5а). Заметим, что к связыванию лигандов в виде сэндвичей с ДНК в последнее время привлечено особе внимание исследователей (см., например, недавно вышедшую монографию Костюкова и Евстигнеева [53]). Однако если один лиганд при связывании стерически закрывает все пространство в узкой бороздке ДНК, то такая двойная решетка по многим своим свойствам будет похожа на линейную решетку (см. рис. 1.56).

Рис. 1.4. Схемы связывания лигандов с ДНК. а) Показана адсорбция лиганда, который образует связи с тремя реакционными центрами на одной нити ДНК. б) Схематически показана адсорбция двух молекул лиганда на ДНК. Лиганды образуют «сэндвич» при связывании с двумя нитями ДНК, ограничивающими одну бороздку

Рис. 1.5. Варианты конкурентного и неконкурентного связывания лигандов с двойными матрицами, а) Схематически показана двойная матрица. «Внешняя» поверхность матрицы может иметь реакционные центры другого размера и типа, чем «внутренняя» (например, внешней может соответствовать сахарофосфатный остов, внутренней — атомы пар оснований, выходящие в малую бороздку). В случае, когда лиганд при связывании закрывает центры только одной половины матрицы, связывание по разным таким половинам будет неконкурентным, б) Случай, когда один лиганд при связывании закрывает внутренние центры сразу двух половин двойной матрицы (в этом случае можно представить двойную матрицу как линейную цепочку реакционных центров), в) Ситуация, когда возможно неконкурентное связывание двух разных лигандов по внутренней и внешней поверхностям матрицы

С другой стороны, если лиганд связывается не с парами оснований, а с фосфатами сахарофосфатного остова, и связывание на каждой из цепочек фосфатов происходит отдельно и независимо от связывания на другой цепочке, такая двойная решетка реакционных центров может представляться как две независимые одномерные решетки (рис. 1.5в).

Связывание лигандов с матрицами РНК и одноцепочечной ДНК тоже может рассматриваться как адсорбция на линейных, одномерных решетках реакционных центров. В этом случае множество конкретных молекулярных моделей связывания лиганда с НК в первом приближении может сводиться к небольшому набору простых схем связывания. Одна из таких схем проиллюстрирована на рисунке 1.6, где показано связывание лиганда, занимающего два реакционных центра на матрице.

Рис. 1.6. Схема адсорбции лиганда на ДНК: представление матрицы в виде линейной цепочки реакционных центров. Показано связывание лиганда, который стерически закрывает L = 2 реакционных центра на матрице ДНК