Диссертация (Взаимодействие молекулы ДНК с синтетическими аналогами антибиотиков и алкалоидов различной структуры), страница 3

Основной благоприятный вкладво взаимодействие вносит гидрофобная составляющая свободной энергии,которая включает в себя энтропийный вклад за счет разрушения гидратнойоболочкимакромолекулывзаимодействийиэнтальпийныйДНК-лиганд.вкладСледовательно,засчетпригидрофобныхобразованииинтеркаляционного комплекса энергетические затраты на изменения в структуреДНК с избытком компенсируются благоприятными изменениями энтропии иэнтальпии взаимодействия.1.1.2.

Бороздочное связываниеДругим способом связывания с ДНК различных биологически активныхнизкомолекулярных соединений является бороздочное связывание.Большая и малая бороздки двойной спирали образуют места связывания длямногих соединений, которые не являются интеркаляторами, что подтверждаетсяотсутствием типичных признаков интеркаляции, таких, как раскручивание иудлинение спирали. Несмотря на то, что большая бороздка содержит большевозможностей для таких взаимодействий, почти все низкомолекулярныесоединения,образующиесДНКкомплексынеинтеркаляционноготипа,локализуются в малой бороздке. Это в большой степени связано с соответствиемширины малой бороздки и толщины (поперечным размером) этих лигандов, и,тем самым, со стабилизацией этих комплексов водородными связями, Ван-дерВаальсовыми и гидрофобными взаимодействиями молекул лигандов со стенкамималой бороздки.Наиболее известными соединениями, связывающимися в малой бороздкедвойной спирали, являются дистамицин А и нетропсин (рис.1.3) [32,33].13Рис.1.3.

Структура дистамицина А (а) и нетропсина (б).Эти два антибиотика являются природными олигопептидами и связываютсяв малой бороздке с участками, богатыми АТ парами оснований. [32,34,35]. Крометого, дистамицин А сначала образует комплекс со стехеометрией 1 молекулалиганда – 1 место связывания, а при избытке соединения образуется димер сантипараллельно расположенными молекулами дистамицина, расположенный вмалой бороздке [36].Соединения, связывающиеся в малой бороздке, обычно содержат несколькогетероциклических колец, таких как пиррол, фуран или пиперидин, которыесоединены связями, дающими вращательную свободу. Чаще всего такиесоединения имеют изогнутую форму, которая облегчает взаимодействие по малойбороздке посредством Ван-дер-Ваальсовых взаимодействий. Кроме того, этилиганды могут образовывать водородные связи с основаниями, обычно по N3аденина и O2 тимина [37].

АT-специфичность также обуславливается болеедоступными Ван-дер-Ваальсовыми взаимодействиями на этом участке двойнойспирали, т.к. участок АТ у́же, чем GC, а также из-за стерической помехи у GC ввиде С2 аминогруппы гуанина.При таком типе связывания лиганда с двойной спиралью ДНК ненаблюдается заметных изменений в структуре макромолекулы. В то же время, каки в случае интеркалирующих лигандов, связанные по бороздке соединенияпроявляют изменения в спектральных свойствах.14ПривзаимодействиисДНКклассическихбороздочныхлигандов(нетропсин, дистамицин, ХЕХСТ и др.) наблюдаются изменения в их спектрахпоглощения, аналогичные наблюдаемым при интеркаляционном связывании:гипохромныйибатохромныйэффекты,тольконесколькослабеевыраженные [38].Одним из главных признаков связывания лигандов по малой бороздке ДНКявляется появление индуцированного кругового дихроизма (ИКД), сопряженногос длинноволновой полосой поглощения лиганда и имеющего положительный знак[39].При бороздочном связывании константы связывания ~105 – 109 М-1 [26], чтосоответствует изменению свободной энергии ΔG -6 – -12 ккал/моль.

количествомест связывания зависит от размера молекулы лиганда.В работе [40] была подробно исследована термодинамика взаимодействиянетропсина с ДНК методом калориметрического титрования. Было показано, чтоэтот классический бороздочный лиганд связывается с ДНК двумя способами состехеометрией комплекса 1:1. При этом изменение энтальпии при первом способесвязывания, ΔH1, в несколько раз меньше энтальпии при втором способесвязывания, ΔH2.

В то же время константа связывания первым способом, k1, надва порядка превышает константу связывания вторым способом, k2. Расчетэнтропийного вклада в изменение свободной энергии при связывании показал,что в первом случае изменение энтропии имеет положительный знак, а вовтором – отрицательный. Следовательно, первый способ связывания носитпреимущественно энтропийный характер, а второй – энтальпийный.При калориметрическом исследовании связывания различных диамидинов смолекулой ДНК [41] наблюдались как положительные, так и отрицательныезначения энтальпии, а также для разных соединений исследованного ряда былиобнаружены различные соотношения энтропийно/энтальпийного вкладов.151.1.3. Внешнее связываниеТретьим возможным способом взаимодействия малых молекул с ДНКявляется образование внешнего комплекса.Некоторые лиганды способны связываться с фосфатными группами ДНК.Такое внешнее неспецифичное связывание имеет электростатическую природу иконстанты связывания более низкие, чем при интеркаляционном и бороздочномсвязывании (~104 М-1) [26].

Такой тип взаимодействия обычно возникает улигандов, несущих положительный заряд [42].Наличие внешней «оболочки» вокруг молекулы ДНК, компенсирующейэлектростатическое расталкивание между фосфатными группами ДНК, можетприводить к уменьшению объема макромолекулы вплоть до ее конденсации.Этот процесс изучался в работах Блюмфельда с соавторами [42-45], в которыхметодамикалориметрии,спектрофотометрии,круговогодихроизмаисследовалось взаимодействие ДНК со спермидином, спермином, гексаминомкобальта (рис.1.4).Рис.1.4.

Структура спермидина (а), спермина (б).В отличие от интеркаляционного и бороздочного связывания, внешнеесвязывание носит преимущественно энтропийный характер. Это объясняется тем,что при образовании комплекса с положительно заряженным лигандом,происходит высвобождение с поверхности ДНК ранее связанных с ней молекулпротивоионов [26].Следует отметить, что внешнее электростатическое связывание соединенияна поверхности двойной спирали ДНК свойственно для многих интеркалирующих16лигандов, так как они часто имеют в своем составе положительно заряженныегруппы. Помимо электростатических взаимодействий с фосфатными группами,этиструктурыстабилизируютстэкинг-взаимодействиягетероциклическими хромофорами молекул лиганда.междуплоскимиВ спектрах поглощениялигандов, образующих агрегаты на поверхности ДНК, наблюдается гипохромныйэффект с отсутствием сдвига, обусловленный стэкинг-взаимодействием [46].1.1.4. Сложные комбинированные взаимодействияК настоящему времени исследовано взаимодействие с ДНК большогоколичества низкомолекулярных соединений, обладающих достаточно сложной иразнообразной структурой.

Это привело к появлению различных модификацийклассических моделей связывания.Наличие громоздких заместителей у гетероциклического хромофора,способного интеркалировать в двойную спираль ДНК (акридин, фенантридин,феноксазин, феназин), либо препятствует интеркаляции хромофора [47], либоприводит к значительным отклонениям от классической интеркаляции по моделиЛермана.При наличии двух громоздких заместителей вдоль длинной оси хромофоранаблюдается, так называемая, «проникающая интеркаляция».

При проникающейинтеркаляции, хромофор встраивается между парами оснований ДНК такимобразом, что один заместитель связывается по большой бороздке, а другой помалой. Примером соединения, связывающегося таким образом, может служитьнафталин диимид (рис.1.5).17Рис.1.5. Структура нафталин диимида.Исследование взаимодействия с ДНК этого соединения [48] показали, чтоконстанты связывания при проникающей и классической интеркаляции близки посвоим значениям. Главным отличием от классической интеркаляции являетсяочень медленная кинетика связывания.Некоторые антрациклиновые антибиотики также связываются с ДНК такимобразом, что аминосахарный заместитель агликона оказывается в малой бороздке,а кольцо с метоксигруппой – в большой (рис.1.6) [49].Рис.1.6.

Структура дауномицина.В работе [50] было показано, что при интеркаляционном связыванииантрациклиновогожесткостьантибиотикамакромолекулыдауномицинаувеличиваетсяклассической интеркаляции лиганда.сДНК,значительнотермодинамическаябольше,чемпри18В некоторых случаях наличие у соединения громоздкого заместителя,препятствующего встраиванию между парами оснований ДНК, может приводитьк возникновению неполной (частичной) интеркаляции, при которой изменения вгидродинамических свойствах макромолекулы выражены значительно слабее.Такое связывание актиноцинового хромофора наблюдается при взаимодействии сДНК противоопухолевого антибиотика актиномицина D.Молекула актиномицина D состоит из плоского гетероциклическогохромофора (актиноцина) и двух пентапептидных лактонных колец (рис.1.7).Рис.1.7.

Структура актиномицина D.Актиноциновый хромофор является классическим интеркалятором [13].Однако при связывании актиномицина D с ДНК не наблюдается увеличенияхарактеристической вязкости ДНК, а оптическая анизотропия комплекса дажеуменьшается по сравнению с анизотропией свободной ДНК [51]. В то же времяпроисходит раскручивание двойной спирали ДНК, аналогичное наблюдаемомупри интеркаляции [19]. Для объяснения наблюдаемых изменений в свойствахмакромолекулы при ее связывании с актиномицином D была предложена модельнеполной интеркаляции, согласно которой актиноциновый хромофор лишьчастично встраивается в двойную спираль ДНК, вызывая в этом месте изгибдвойной спирали (кинк) [52]. Этот изгиб наилучшим образом способствует Вандер-Ваальсовым контактам пептидных лактонов в малой бороздке.19Таким образом, актиномицин D является фактически бифункциональнымили гибридным соединением в отношении его взаимодействия с ДНК.