Биологический каталог




Принципы структурной организации нуклеиновых кислот

Автор В.Зенгер

N6 пиримидина или атомом N8 пурина и 05--гидроксильной группой [287-289].

Рис. 4.16. 6-азауридин в высокой-анти (— ск)-конформации [287]. Обратите внимание на ориентацию связей Сг—С2. и Nt—N6, при которой образуется почти заслоненная конформация. В обычных пиримидиновых нуклеозидах вместо атома N6 присутствует группа С6—Н, которая контактирует с атомом Н2.. Из-за электростатического отталкивания N6---Os. торсионный угол у относительно связи С4.—С5. лежит в области an (ср. с рис. 2.10, Л).

92

Глава 4

4.7. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА СООТНОШЕНИЕ МЕЖДУ СИН- И ЛН7ЛИ-КОНФОРМЕРАМИ. ИСКЛЮЧИТЕЛЬНОЕ ПОЛОЖЕНИЕ ГУАНОЗИНА

Соотношение между син- и акти-конформерами нуклеозидов и нуклеотидов изменяется в результате химической модификации сахара и основания. Особый интерес в этом отношении представляют нуклеозиды, замещенные по атомам С6 пиримидина и С8 пурина: при подходящем выборе заместителей электронная структура нуклеозида изменится незначительно, и в то же время эти заместители смогут прямо взаимодействовать с рибозой и смещать равновесие син +± анти в сторону син.

Кристаллографический и спектроскопический анализы показали, что 6-метилуридин [42, 261, 275, 278-280], 8-метиладенозин-3'-фосфат [290] и галогензамещенные по восьмому положению пуриновые нуклеозиды, такие, как 8-бромаденозин или 8-бромгуанозин [41, 271, 291-294], находятся в основном в смн-конформации как в кристаллическом состоянии, так и в растворе (рис. 2.10, А). Однако, когда 8-бромаденозин присоединяется к алкогольдегидрогеназе из печени лошади по месту связывания NAD + , он, как и NAD + , принимает аниш-конформацию [295]. Таким образом, присоединение галогена или н-бутиламиногруппы к С8-атому пурина [296] (рис. 4.17) мешает вращению вокруг гликозиднои связи.

Рис. 4.17. 9-Р-0-арабинозил-8-н-бутиламиноаденин-нуклеозид с объемным заместителем при атоме С8; он кристаллизуется в онти-конформации [296]. Как показывают исследования методом ЯМР [393] и квантово-химические расчеты [394], онти-конформация этой молекулы, а также 8-аминозамещенных аденози-нов обычно стабилизируется путем образования внутримолекулярной водородной связи NgH---Os.. 8-замещенные аденозины, в которых такая связь отсутствует, находятся предпочтительно в смн-конформации (см. рис. 2.10, Л).

Структура оснований, Сахаров и фосфатных групп

93

Рис. 4.18. Заместитель при атоме С8 в 8-гидроксиизопропиладенозине настолько велик, что нуклеозид находится только в син-конформации [298]. Пунктиром обозначена внутримолекулярная водородная связь 05.—H---N3.

Для полной фиксации сын-конформации были использованы более объемные заместители, такие как mpem-бутил (рис. 4.18) [297, 298].

Еще одним фактором, стабилизирующим смн-конформеры нуклеозидов, является наличие свободной гидроксильной группы 05,Н, которая может образовывать водородные связи Os.H---N3 (пурин) и 05.Н---02 (пиримидин) (см. рис. 2.10, Л). Такие связи были обнаружены во многих кристаллах сын-конформеров. Есть, однако, и другие данные [42, 258], указывающие на то, что сближение атомов N3 пурина и 02 пиримидина с атомом 05. еще недостаточно для образования водородных связей. Лнетш-ориентация основания, в особенности в 5'-нуклеотидах (разд. 4.9), стабилизируется водородной связью другого типа: С—Н-05..

Гуанозиновые нуклеозиды и нуклеотиды предпочитают находиться в аш-ориентации. Ориентация относительно гликозидной связи зависит не только от стереохимических и энергетических факторов, но и от природы основания. Так, 5'-гуаниловая кислота, по-видимому, отличается от всех других нуклеотидов [299]. Подобно своему дезоксианалогу, она кристаллизуется в смн-форме не только в виде мономера, но и в составе тетра- и гекса-нуклеотидов с чередующейся последовательностью: d(C-pGpCpG) [302] и d(CpGpCpGpCpG) [303], а также в составе соответствующих полимеров [304], образующих левую спираль (гл. 12). Исследования методом кругового дихроизма (в случае GpU [305]) и ЯМР [306] предполагают, что в растворе гуаниловая кислота также предпочитает смн-конформацию. К такому же выводу приводят классические расчеты потенциальной энергии [307, 308], расширенный метод Хюкке-ля [309] и другие методы квантовой химии [310]. Все эти исследования

94

Глава 4

показывают, что смн-конформация стабилизируется благодаря вандер-ваальсовым взаимодействиям и электростатическому притяжению между аминогруппой во 2-м положении и 5'-фосфатной группой, которое обусловлено делокализацией неподеленной пары электронов —NH2-rpynnbi и сопряжением ее с разрыхляющей л;*С2_ц3-орбиталью. Такой же эффект, только выраженный в меньшей степени, должен был бы проявиться и в случаях инозин-5'-фосфата, однако изучение кристаллической структуры этого соединения, проведенное независимо тремя группами исследователей, показало, что оно находится только в анти-конформации [310-312].

4.8. ОРИЕНТАЦИЯ ОТНОСИТЕЛЬНО СВЯЗИ С4—С5.

Вращение вокруг экзоциклической связи С4.—С5. в нуклеотидах и нуклеиновых кислотах играет решающую роль в расположении 5'-фосфатнов группы относительно сахара и основания. Этот вопрос был детально исследован кристаллографическими [35, 166-169], спектроскопическими [130, 144, 173-175, 218-222, 313] и теоретическими методами [212-215, 283-286, 314-316]. В отличие от вращения вокруг гликозиднои связи (угол %), которое дает два семейства конформацни, вращение вокруг связи С4-—С5. (угол у), как и в случае этана, приводит к появлению трех классических заторможенных конформацни (см. рис. 2.11). Имеется, однако, и сходство между этими двумя типами вращения: и %, и у в сип- и + ск-областях соответственно таковы, что основание и атом 05. располагаются над рибозой, а в анти- и — ск- или аи-областях они направлены от нее.

Распределение конформацни по интервалам + ск, —скиап торсионного угла у зависит от конформацни сахара и от типа основания, поэтому эти области заселены неравномерно. В кристаллах пуриновых нуклеозидов торсионный угол у с одинаковой вероятностью находится в +ск-и аи-областях, при этом сахар может иметь как С2.-, так и С3.-эндо-конформацию. В — ск-области у лежит очень редко, при этом сахар находится только в С2.-эн<)о-конформации. В пиримидиновых нуклеозидах у лежит в основном в + ск-области независимо от конформацни сахара. Описано лишь несколько конформацни, в которых у лежит в — ск- и аи-областях, при этом сахар всегда находится в С2.-эндо-конформации (см. рис. 4.3).

С этими данными согласуются результаты исследования ряда замещенных нуклеозидов методом ЯМР; это позволяет предположить, что между конформацией сахара и вращением вокруг связи С4.—С5. существует взаимосвязь. С помощью ЯМР нельзя различить — ск- и аи-кон-формеры (гл. 3), удается получить лишь суммарную заселенность обеих областей. Имеющиеся данные указывают на то, что преобладающей является С2-эндо-конформация, однако в конформерах с С3--эндо-конформацией сахара в основном наблюдается + ск-ориентация относительно связи С4—С5. [173, 313]. Замена основания группой

Структура оснований. Сахаров и фосфатных групп

95

360

300

240

У

180

120

60

0

60

120 160 240 300 360 0

Рис. 4.19. Конформационная энергетическая карта для 5'-рибонуклеотидов, полученная методом КВВМО [315]. Стерически разрешенная область, ограниченная изолинией 2 ккал ¦ моль ~ выделена цветом у считается функцией торсионного угла Р, а торсионные углы а, е и ? фиксированы и равны 300, 240 и 300° соответственно. Значения у лежат в основном в + ск-области. Энергия конформации, для которых у лежат в областях an и — ск, превышает 2 ккал ¦ моль ~ *. Заметим, что значения р ограничены областью an (см. разд. 4.12). Точки соответствуют данным, полученным кристаллографическими методами.

—О—СН3 приводит к заселению + ск- и an-, но не — ск-области ,[233а]. Поскольку торсионный угол 04—С4.—С5-—05- находится в пределах + ск- и — ск-областей, этот факт может служить наглядным примером наличия гош-эффекта, который будет описан в разд. 4.12. В модифицированном таким образом нуклеозиде, в отличие от обычных нуклеозидов, + ск-ориентация не является предпочтительной. Это позволяет предположить, что в последнем случае торсионный угол 7 фиксируется в области + ск благодаря взаимодействию между основанием и атомом 05-. Такие взаимодействия действительно наблюдались, были измерены и рассчитаны (разд. 4.9).

Расчеты, выполненные в рамках приближения потенциала жесткой сферы, и классические расчеты дают равномерное распределение всех конформеров, что противоречит эксперименту [283]. Ближе к экспериментальным данным находятся результаты расчетов методами квантовой химии (КВВМО), говорящие о том, что конформация, в которой угол у лежит в + ск-области, выгоднее других, причем выигрыш в энергии составляет 1-2 ккал моль-1 (рис. 4.19) [315]. Корреляция между конформацией сахара, типом основания и преобладающим значением угла у остается очевидной, даже если принять, что энергетический барьер составляет 0,5-1 ккал • моль ~ Энергетические карты показывают, что для пиримидиновых нуклеозидов предпочтительными являются + ск-область и С3.-эндо-конформация сахара; для пуриновых нуклеозидов + ск-область тоже предпочтительна, но в меньшей степени и независимо от конформации сахара.

96

Глава 4

4.9. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ОРИЕНТАЦИЮ ОТНОСИТЕЛЬНО СВЯЗИ СЛ,—С5.

Характер распределения по ориентациям относительно С4.—С5-связи позволяет предположить, что стабилизация или дестабилизация

+ ск-конформеров зависит от типа основания. Согласно рентгенострук-турным данным, расстояние между С6-атомом пиримидина и С8-атомом пурина, с одной стороны, и атомом Os., с другой, обычно равно 3,1-3,3 А, что существенно меньше значения 3,68 А, которое получится, если к сумме вандерваальсовых радиусов атомов О и Н прибавить длину связи С—Н [317-319] (рис. 4.20).

В нуклеозидах, у которых основания находятся в антн-ориентации,

+ ск-конформеры частично стабилизируются водородной связью (основание) С—Н--05. и поэтому являются преобладающими [320-322]. Атом Н, присоединенный к атому С, обычно не бывает донором при образовании водородной связи, однако именно на такую его роль указывают результаты экспериментов по дейтериевому обмену в пуриновых моно-и олигонуклеотидах, полученные методом ЯМР [268, 323, 324]. Эти результаты свидетельствуют о том, что атом С8 частично депротониро-

Рис. 4.20. Одновременная стабилизация конформацни относительно гликозиднои (%, анти) и Сл.—С5. (у, + ск)-связей с помощью образования водородной связи (основание) С—Н---05. (цветные линии) в кристаллах UpA [317, 318].

Структура оснований. Сахаров и фосфатных групп

97

ван и взаимодействует с атомом Os. фосфоэфирной группы. С5- и С6-атомы пиримидина тоже в значительной степени депротонированы [325].

Квантово-химический анализ (ППДП/2) взаимодействия С—Н--05. показывает, что энергия стабилизации + ск- и антн-ориентаций относительно гликозидной и С4-—С5.-связей [326] в уридине, тимидине и 5-фторуридине составляет 1,84-2,27 ккал-моль-1. Для аденозина энергия стабилизации, полученная расчетным путем, составляет лишь 1,11 ккал-моль-1, но это не противоречит тому экспериментальному факту, что пуриновые нуклеозиды предпочитают + ск-конформацию в меньшей степени, чем их пиримидиновые аналоги. Анализ сил, стабилизирующих водородную связь С—Н - О, показывает, что атом Os. притягивается не только водородным атомом. Группы, связанные с атомами С8 в пурине и С6 в пиримидине, способны оттягивать электроны; тем самым создается дефицит электронов при атоме углерода, и он тоже приобретает способность притягивать атом Os..

Еще больший вклад вносят межмолекулярные силы во взаимодействие С—Н---05. в случае 5'-нуклеотидов; фосфатная группа, связанная с атомом 05., делает его более электроотрицательным, чем в составе нуклеозида. Именно с этим связано понятие «жесткий нуклеотид», о котором пойдет речь в следующем разделе.

4.10. «ЖЕСТКИЙ НУКЛЕОТИД»

Систематический анализ кристаллических структур 5'-нуклеотидов, проведенный Сандаралингамом, показал, что обычно нуклеотиды менее гибки, чем нуклеозиды. Особенно это относится к вращению вокруг гликозидной и С4.—С5 -связей. В нуклеотидах торсионные углы у и % лежат в областях + ск и анти как в случае С2--, так и в случае С3-эн<)о-конформации сахара (S и N) [35, 58]. Концепция «жесткого нуклеотида» справедлива как для изолированных 5'-рибонуклеотидов, так и для олиго- и полинуклеотидов. Известно, однако, несколько исключений; так, аденозин-5'-фосфат в комплексе с терпиридил-платиной кристаллизуется в конформации, в которой угол у находится в аи-области [327], а для АрА в комплексе с профлавином наблюдается смн-ориента-ция основания и угол у тоже лежит в области an [328]. Среди дезокси-рибонуклеотидов исключения составляют: мономеры 5'-дезоксирибоу-ридиловая и 5'-дезоксигуаниловая кислоты, которые кристаллизуются в конформации с углом у в аи-области [301, 329, 330], тетра- и гексану-клеотиды d(CpGpCpG) и d(CpGpCpGpCpG), образующие левые двойные спирали, в которых 5'-гуаниловая кислота находится в снн-кон-•формации с углом у в аи-области [302, 303], а также poly d(GC), структура которого сходна со структурой соответствующего олигомера [304].

7-509

98

Глава 4

Спектроскопические данные не противоречат концепции «жесткого нуклеотида», если иметь в виду, что в растворе под «жестким нуклеоти-дом» понимается нуклеотид в наиболее предпочтительной конформацни, которая тем не менее находится в равновесии с другими конформе-рами с углом у, лежащим в областях-ск и an, и углом х, отвечающим смн-конформации [31, 130, 218, 221, 268, 269, 272, 292, 330].

Сравнение данных, полученных методом ЯМР для аденозина, его 3'-и 5'-моно- и дифосфорилированных производных и для олигомера Ар Ар Ар [331], результаты квантово-химических расчетов [310, 332] и данные о кристаллической структуре тРНК [333] не оставляют никаких сомнений в справедливости концепции «жесткого нуклеотида». Однако термин «жесткий» не следует понимать буквально, поскольку существуют и исключения, особенно в случае дезоксирибонуклеотидов. Как мы увидим позже (гл. 18), для нуклеотидов, связанных с белками, эта концепция становится несостоятельной (гл. 18). Результаты исследования кристаллической структуры тРНК также указывают на то, что термин «жесткий» надо употреблять с осторожностью. Однако для изолированных моно-, олиго- и полинуклеотидов эта концепция оказывается очень ценной. Она полностью применима в случае правоспиральных агрегатов [334] и подтверждается результатами последних исследований, показавшими, что между торсионными углами существует корреляция (разд. 4.13).

4.11. ФОСФОМОНО-, ФОСФОДИЭФИРНЫЕ ГРУППЫ И ПИРОФОСФАТНАЯ СВЯЗЬ. ХАРАКТЕР СВЯЗИ И ГЕОМЕТРИЯ

При обсуждении электронной структуры фосфатной группы необходимо учитывать ^-электроны. В отличие от атома азота и других элементов второго ряда периодической таблицы атом фосфора может использовать свободные rf-орбитали для образования гибридных связей с лигандами. Четыре атома кислорода фосфатной группы связаны с атомом фосфора с помощью ст-связей, причем каждый из них находится в вершине тетраэдра (яр3-гибридизация). К

страница 11
< 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)