Биологический каталог




Принципы структурной организации нуклеиновых кислот

Автор В.Зенгер

роме того, в связывании участвуют пять ^-орбиталей атома фосфора (рис. 4.21), из которых 3dx2-y2- и Зя^-орбитали вносят больший вклад в связывание, чем менее вытянутые 3dxy-, 3dyz- и Зй'хг-орбитали [335-337].

Из-за наличия этих дополнительных л-связей длина связи Р—О, рассчитанная по методу Шомейкера-Стивенсона, линейно уменьшается с увеличением порядка связи от величины 1,71 А [338], отвечающей идеальной одинарной связи, до предельного значения 1,40 А, которое соответствует длине «чистой» двойной связи [339] (рис. 4.22). Теоретически порядок каждой л-связи в фосфатной группе должен быть равен 1 /2, поскольку вклад в образование л-связей с четырьмя атомами кислорода вносят как 3dxl_y2-, так и 3dz2- орбитали:

(\/4)(dx2_y2) + (l/4)(dz2) = (l/2)(d).

z г г

Рис. 4.21. А. Форма и пространственная ориентация пяти атомных d-орбиталей [400]. Три из wx-dxy, dxz и ^-располагаются вдоль диагоналей между осями х, у, z декартовой системы координат (вверху), а орбитали dxl_y2 и dzl вдоль самих осей (внизу). Вклад в образование связи Р—О тс-электронной системы имеет место только для орбиталей 3dxZ_y2 и 3dzZ.

Рис. 4.21. Б. Схематическое изображение перекрывания Зй-орбиталей атома фосфора с 2р-орбиталями атомов кислорода в фосфатной группе [335]. Слева -перекрывание 3dxl_y2 и 2рп; справа-3dz2 и 2ртг/.

7*

100

Глава 4

0,4 0,6

Порядок гг-свнзи

Рис. 4.22. Зависимость между длиной Р—О-связи и порядком тс-связи [395].

Следовательно, в идеальном случае длина Р—О-связи в фосфатной группе будет равна 1,54 А.

Сумма длин Р—О-связей фосфатных групп неорганических солей, полифосфатов или органических моно-, ди- и триэфиров постоянна [335]. Средняя ее величина, полученная по 45 кристаллическим структурам, составляет [337]

d4-(P—о) =6,184 А, откуда среднее значение длины связи Р—О равно

dP-o= 1,546 А.

Как мы видим, это значение практически совпадает с длиной идеальной Р—О-связи с порядком л-связи 1/2. Все сказанное выше свидетельствует о том, что в фосфатной группе между Р—О-связями существует прочная взаимозависимость; это позволяет использовать формулы, описывающие зависимость силы связей от их длины [340-342]. Интересно, что полная энергия связей фосфатной группы равна

?ро4 = 395,8 ккал-моль-1

независимо от соединения, в состав которого входит эта фосфатная группа [337].

Длины различных Р—О-связей в фосфолиэфирах существенно различаются. Длина фосфоэфирной связи фосфатной группы в моно- и ди-эфирах колеблется от 1,59 до 1,62 А (рис. 4.23), что существенно меньше длины идеальной одинарной связи, равной 1,71 А. Это указывает на то,

Рис. 4.23. Геометрия моно- и диэфиров фосфатной и пирофосфатной групп. Данные для моноэфиров взяты из работы [191], а для диэфиров и эфира пиро-фосфата-из работы [163]. В скобках приведено стандартное отклонение о, которое рассчитывалось по формуле, приведенной в подписи к рис. 4.1. N в случае ди- и моноаниона моноэфира составляло 11 и 15 соответственно, в случае диэ-фира-33, а в случае эфира пирофосфата-4.

102

Глава 4

что вклад я-связи составляет примерно 35%. Вследствие этого валентный угол при атоме кислорода Р—О—R увеличивается до 1184-120°, т.е. в данном случае проявляется вклад яр2-гибридизации. В изолированных протонированных фосфомоноэфирах длина Р—ОН-связи равна примерно 1,57 А. Это меньше длины фосфоэфирной связи, но больше длин двух Р—О-связей в группировке, несущей отрицательный заряд. Длины последних обычно различаются (1,46-1,56 А) из-за разного окружения в кристаллах. Они гораздо больше длины двойной связи Р=0, которая равна 1,40 А. Если фосфомоноэфир находится в виде дикатиона, то три неэтерифицированные Р—О-связи имеют одинаковую электронную структуру. В кристаллах длины этих связей практически одинаковы и равны 1,51 А, что совпадает с длиной Р—О-связи в фосфодиэфирных группах.

Валентный угол О—Р—О зависит от заместителей кислорода. Валентные углы, в образовании которых участвуют фосфоэфирные связи, обычно лежат в диапазоне 105-109°, валентные углы О—Р—О-, где атомы кислорода заряжены,-в интервале 115-118°, углы НО—Р—О"-между 105 и 114°, а углы НО—Р—ОС-между 100 и 108°. Такое распределение значений валентных углов обычно наблюдается в моно-, ди- и триэфирах. Разброс значений угла О—Р—О (от 100 до 120°) указывает на то, что основным фактором, влияющим на величину валентного угла, является отталкивание между заряженными атомами кислорода в О—Р—О", однако определенную роль играет и различие длин связей. Такие различия обусловлены в основном поляризацией связей из-за координационного связывания ионов металлов или образования водородных связей. Их существование вряд ли можно предсказать, и они имеют значение только при рассмотрении кристаллического состояния. В растворе различие между атомами кислорода, не принимающими участия в образовании эфирной связи, и протониро-ванными атомами кислорода нивелируется из-за постоянной миграции ионов водорода и металлов, однако различия между атомами кислорода, принимающими участие в образовании эфирной связи, остаются такими же, какими они были в кристаллах.

Чем примечательны «богатые энергией» фосфаты? Структурные, кван-тово-химические н термодинамические данные. Пирофосфатную группу нуклеозидди- и нуклеозидтрифосфатов называют «богатая энергией группа» [343]. Со структурной точки зрения, однако, атомное окружение в такой группе самое обычное и соответствует окружению двух связанных фосфатных групп. Длины пирофосфатных связей Р—Освяз и Р—Оэфир примерно одинаковы (рис. 4.23), а свободные Р—О-связи, где атом кислорода несет отрицательный заряд, имеют ту же длину, что и в моно- и диэфирах, т.е. 1,50-155 А, и близки к длине двойной связи.

Относительно длинные связи Р—Освяз образуют тупой угол Р—О—Р, равный ~ 130°. Благодаря этим геометрическим особенностям атомы Р ¦ ¦ ¦ Р далеко отстоят друг от друга. Это приводит к практически беспрепятственному вращению вокруг пирофосфатной Р—О-

Структура оснований, Сахаров и фосфатных групп

103

Рис. 4.24. Каждая радиальная линия конформационного круга соответствует значению торсионного угла О—Р—О—Р, взятому из кристаллографических данных для соединений, содержащих пирофосфатную группу [344]. Почти равномерное распределение торсионных углов по конформационному кругу указывает на то, что вращение вокруг связи Р—Освяз происходит практически свободно. (CDPx-CDP-холин; Р-Нафт-РР-ди-Р-нафтилпирофосфат; тиамин-РР-тиаминпирофосфат; тиамин- РР-НС1 - тиаминпирофосфатгидрохлорид)

связи, так что торсионные углы могут принимать такие значения, которые приводят даже к заслоненной конформации группы О—Р—О—Р (рис. 4.24).

Как показали квантово-химические расчеты с использованием расширенного метода Хюккеля [345], удлинение связи Р—Освяз и увеличение угла Р—О—Р обусловлены электростатическим отталкиванием между двумя отрицательно заряженными фосфатными группами и отсутствием резонанса. Вклад тс-взаимодействия в образование связи Р—Освяз равен примерно 35%, что существенно меньше вклада тг-взаи-модействия в образование связи между атомом кислорода и концевой (заряженной) фосфатной группой, составляющего 42-48%. Эти исследования поставили под сомнение результаты более ранних квантово-хими-ческих расчетов (обзор [346]), согласно которым атом ОСВяз в АТР должен быть заряжен положительно. На самом деле атомы фосфора несут небольшой положительный заряд, от + 0,17 до + 0,34 е, атом Освяз-небольшой отрицательный, от —0,12 до — 0,17 е, а концевые атомы кислорода-от —0,63 до —0,70 е. Все эти данные, структурные и теоретические, указывают на то, что термин «богатая энергией» относится к характеру изменения свободной энергии при гидролизе вблизи рН 7 и не подразумевает запасания энергии в Р—О-связи [345, 347].

104

Глава 4

При гидролизе АТР высвобождается неорганический фосфат или пирофосфат РР;:

АТР + Н20 *± ADP + Р; + Н + ,

АТР + Н20 г± AMP + РР; + Н + .

Изменение стандартной свободной энергии AG° для обоих процессов составляет —7,3 ккал-моль-1. Это значительно больше свободной энергии гидролиза эфирной связи в глицеро-З'-фосфате, которая составляет всего — 2,2 ккал моль-1 [347, 348]:

НОСН2СНОНСН2ОРОз + н2о <=> НОСН2СНОНСН2ОН + Р;.

Эффективность гидролиза АТР в сильной степени зависит от рН и концентрации Mg2+ [349, 350]. Все приведенные здесь величины соответствуют физиологическим значениям рН. Чем можно объяснить тот факт, что «потенциал переноса фосфата» в АТР выше, чем в глицеро-З'-фосфате? Во-первых, между фосфатными группами в пирофосфате существует отталкивание; во-вторых, продукты гидролиза АТР (ADP и Pi или AMP и РР;) обладают более стабильной резонансной структурой, чем АТР, и, в-третьих, при гидролизе АТР уменьшается энергия сольватации.

4.12. ОРИЕНТАЦИЯ ОТНОСИТЕЛЬНО ЭФИРНЫХ СВЯЗЕЙ С—О И Р—О

Продолжая описание конформационных свойств нуклеотидов, остановимся на вращении вокруг эфирных связей С—О и Р—О. Как мы увидим, вращение вокруг связи С—О более заторможено, чем вокруг связи Р—О. Таким образом, вращение вокруг связи Р—О является основным фактором, влияющим на структуру полинуклеотидов.

Вращение вокруг связей С—О и Р—О заторможено. В кристаллах моно-, олиго- и полинуклеотидов угол Р, описывающий вращение вокруг связи С5-—05. (см. рис. 2.3), лежит строго в an-области; отклонения в сторону областей + ак или — ак наблюдаются очень редко. Такая же тенденция характерна и для угла е, описывающего вращение вокруг связи С3.—Оэ., однако значения угла концентрируются в этом случае вблизи 220°, т.е. не в an-, а в — ак-области [166, 169, 351] (рис. 4.25).

Все эти наблюдения согласуются с данными ЯМР, которые были получены с учетом гетероядерных взаимодействий 31Р—'Н и 31Р—13С [130-132, 143-147, 175, 176, 178, 218, 293, 352-354], а также химического сдвига для моно-, олиго- и полинуклеотидов [330, 354, 355]. Независимо от конформацни сахарного кольца цепочка Н4—С4—С5'—05'—Р находится в основном в вытянутом состоянии, что соответствует + ск-ориентации по углу у и аи-ориентации по углу р. Это согласуется с результатами теоретических расчетов (рис. 4.19). Поскольку из данных

Структура оснований, Сахаров и фосфатных групп

105

е С X Р

Рис. 4.25. Радиальные линии конформационных кругов соответствуют разным значениям торсионных углов и фазовых углов псевдовращения Р, определенным по результатам кристаллографических исследований тРНК [396]. Отметим, что распределение по Р бимодально, причем область С3-эндо заселена больше, чем область С2.-э ндо. Такое же распределение наблюдается и для торсионного угла 5 относительно связи С3.—С4.: значения этого угла концентрируются вблизи 5 ~ 90" (С3.-эндо) и 5 ~ 140° (С2.-эндо). Торсионный угол а (Р—Os.) может меняться в более широких пределах, чем угол ? (Р—Оэ.), который лежит в основном в —ск-области. Соседние торсионные углы Р(05.—С5.) и е(Оэ.—С3.) находятся в основном в области an, причем значения последнего немного смещены в сторону — ап/ — ак. Наконец, угол у в основном лежит в области + ск, а %-в области анти; очень редко его можно обнаружить в высокой-анти( — ск-области, и только в одном случае он находился в области син.

по 31Р—^-взаимодействию можно оценить только одну константу взаимодействия-с атомом Н3., мы не в состоянии однозначно определить торсионный угол е относительно связи С3'—03 [131]. Из сравнения данных ЯМР для разных динуклеозидфосфатов следует, что угол е лежит в области an или — ск в зависимости от того, в какой конформации находится сахар-Ci-эндо или С3'-экзо [353]. Более прямые методы анализа [143] с использованием данных о взаимодействии между атомами 31Р и 13С2,, а также между 31Р и 13С4, показали, что значения торсионного угла е лежат в (— )-полусфере цикла Клайна-Прелога (рис. 2.5) и что этот угол зависит от температуры и от типа основания. Главным фактором, определяющим структуру динуклеотидов и олигонуклеотидов более высокого порядка, является стэкинг между основаниями. Именно он влияет на величину угла е.

Теоретические расчеты и согласующиеся с ними экспериментальные данные показывают, что строгие стерические ограничения, налагаемые взаимодействием между фосфатной группой и сахаром, сужают диапа-

Таблица 4.3. Значения торсионных углов для динуклеозидмонофосфатных фрагментов, полученные с помощью рентгеноструктурного анализа кристаллов, и для двухцепочечных полинуклеотидов, полученные методом дифракции на волокнах1' [383]

5(5'-конец) е ? а Р у 5(3'-конец)

с4—с3. с3.—о3. 03—Р Р—О,- о,.—с,. с5.—с4. с4.—с3.

Группа I

GpC 89 211 292 285 184 50 77

GpC(l) 79 222 294 291 181 47 79

GpC(2) 73 217 291 293 172 57 80

GpC(3) 96 224 290 286 167 63 74

GpC(4) 88 216 288 283 181 52 87

ApU(l) 84 213 293 288 177 57 74

ApU(2) 78 221 284 295 168 58 77

ApA+* 82 223 283 297 160 53 81

ApT«(l) 90 213 294 293 176 68 134

ApT«(2) 83 212 284 302 171 64 139

Группа II

Upa(2) 77 224 164 271 192 53 93

TpT** 157 252 163 288 187 41 158

TpA** 134 204 168 286 186 49 83

Группа III

Группа IV

Группа III

Upa(I) 86 206 81 82 203 55 85

А+рА+* 81 207 76 92 186 56 79

АрА*** 147 219 61 66 186 46 77

Группа IV 186

А-РНК 95 202 294 294 49 95

А-ДНК 83 178 313 285 208 45 83

В-ДНК 156 155 264 314 214 36 156

С-ДНК 141 211 212 315 143 48 141

D-ДНК 156 141 260 298 208 69 156

В-ДНК (левая) 140 200 212 282 165 40 140

" Конформация сахара определяется углом 8; интервал 74-95° соответствует С3-эн<)«-конформации, а интервал 134-158°-С2-энйо-конфор-мации Все данные объединены в четыре группы. Торсионные углы а/С, в группах I—III лежат в областях —ск/-ск, - ск/ап и +ск/+ск, а в полинуклеотидах, которые составляют группу IV, -в области — ск/— ск. Олиго меры, составляющие группы I и II, представляют собой фрагменты правых и левых спиралей, а группу III-фрагменты петель. В группу IV входят правые двойные спирали; параметры В-ДНК (левой) получены ие экспериментально, а теоретически (см. табл. 4.6). Числа в скобках указывают, что соответствующие данные получены для разных молекул, входящих в кристаллическую ячейку, либо в результате независимого рентгеиоструктурного анализа, ¦-фрагмент ApA+pA* [160]; "-сахар в дезоксиформе, ***-в виде Са2+-соли [383а].

108

Глава 4

60 120 180 240 300

С

Рис. 4.26. Разрешенные конформацни динуклеозидмонофосфатов, полученные классическим методом расчета потенциальной энергии. Символы Р, S и А соответствуют параллельной, «скошенной» и антипараллельной ориентации сахарных остатков друг относительно друга; ориентация сахара задается вектором, проходящим через середину связи С2.—С3. и атом Од.. Для С2--эндо- и С3.-эндо-конформаций сахара карты, по существу, одинаковы.

зон значений торсионных углов относительно связи С—О: р лежит в области an, а е-в обл

страница 12
< 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
(07.12.2019)