только функциональные. Краткое обозначение данного фрагмента таково: pApGpUpCp или pAGUCp. В дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК) вместо гидроксильной группы, связанной с атомом С2., находится атом водорода, а вместо урацила-тимин. (Формулы для G и С содержат ошибки: связи С6—в гуанине и Nt—С2 в цитозине одинарные.)

Таблица 2.1. Сокращения и символы, используемые для обозначения оснований, нуклеозидов и нуклеотидов [38]

Основание

Нуклеотид

Нуклеозид

Название

Символ Название

Символ

Название

Символ

Другие названия и обозначения

1. Рибонуклеозиды и рибоиуклеотиды

Урацил Ura Уридин Urd или U Уридиловая 5'-UMP или

кислота Ри

Цито- Cyt Цитидин Cyd или С Цитидиловая 5'-СМР или

зин кислота рс

Аденин Ade Адеиозин Ado или А Адениловая 5'-АМР или

кислота рА

Гуанин Gua Гуанозин Guo или G Гуаниловая 5'-GMP или

кислота pG

2. Дезоксирибонуклеозиды и дезоксирибонуклеотиды1)

Тимин Thy Дезокситимидин dThd или dT Дезокситими ли- 5'-dTMP или

ловая кислота pdT

Цито- Cyt Дезоксицитидин dCyd или dC Дезоксицитиди- 5'-dCMP или

зин . ловая кислота pdC

Аденин Ade Дезоксиаденозин dAdo или dA Дезоксиаденило- 5'-dAMP или

вая кислота pdA

Гуанин Gua Дезоксигуанозин dGuo или dG Дезоксигуанило- 5'-dGMP или

вая кислота pdG

11 Символы, использующиеся для обозначения 2-дезоксирибонуклеозидов и нуклеозидов и рибонуклеотидов только наличием приставки d.

Уридин-2'-моиофосфат (2'-UMP) Уридин-З'-монофосфат (З'-UMP, Up) Цитидиндифосфат (CDP, ррС) Цитидилил-(3',5')-уридин (CpU)

Аденозинтрифосфат (АТР, рррА)

Гуанозин-2',3'-циклофосфат(2',3'-GMP, G > р, cGMP)

Полиадениловая кислота [poly (А)]; сополимер с чередующейся последовательностью dA и dT, poly (дезоксиаденилат - дезокситими-дилат), poly d (А—Т) или poly (dA— —dT) или (dA—dT) или d(A—T)„; для случайного сополимера dA, dT вместо дефиса между символами ставится запятая polyd(A,T) и т.д. Комплекс между poly (А) и poly(U) обозначается poly (А) ¦ •poly(U).

Аланин-специфичная транспортная РНК из Е. coli [тРНКА1а (?. coli)]. 2-дезокснрибонуклеотидов, отличаются от таковых для рибо-

24

Глава 2

Аденин Гуанин Цитозин Урацил Тимин

Ada Gua Cyt Ura Thy

H03- O7H HOy H21 HOy H

Уридин Дезоксиаденозин Арабиноцитидин

Urd.U dAdo dA araCyd.araC

Рис. 22 Структурные формулы некоторых оснований, нуклеозидов, нуклеотидов и кофермента NAD + .

фосфодиэфирных связей между 2'- и З'-гидроксилами или между 3'-и 5'-гидроксилами в рибонуклеотидах и между 3'- и 5'-гидроксилами в дезоксирибонуклеотидах. Одним из таких диэфиров является адено-зин-3',5'-циклофосфат (3',5'-АМР, сАМР, А > р), который играет важную роль так называемого «второго посредника». В богатых энергией ди-и трифосфатах олигофосфатный остаток присоединяется к сахару по 5'-положению; в результате образуется, например, аденозинтрифосфат (АТР, рррА, Ado-5'РРР). В зависимости от степени гидролиза аденозин-трифосфата могут образоваться аденозиндифосфат (ADP, ррА) или аде-нозинмонофосфат-адениловая кислота (5'-AMP). Аналогичным образом образуются олигофосфаты других нуклеотидов. Все они играют важную роль в биосинтезе полинуклеотидов. Особое место • занимает кофермент никотинамидадениндинуклеотид (NAD +), состоящий из разделенных пирофосфатной группировкой Ado и никотинамидрибозида (Nir): Ado-5'PP5'-Nir [12] (рис. 2.2).

Нуклеотиды в составе олиго- и полинуклеотидов соединяются друг с другом 3',5'-фосфодиэфирной связью. Тринуклеозиддифосфат с последовательностью G—С—U называют гуанилил-3'-5'-цитидилил-3',5'-ури-дином и обозначают GpCpU или просто GCU; при этом 5'-концевьгм нуклеотидом является G, а З'-концевым-U. 2',5'-Фосфодиэфирная связь между нуклеотидами может существовать только в полимерах рибонук-леотидов. В природе такие соединения не обнаружены, они могут быть синтезированы только искусственно. В последнее время интерес к синте-

Описание структуры нуклеиновых кислот: термины

он о i Iе

25

он

i

0-^р—о,

он

i

он он он он

Адениловая кислота, 5;АМР, рА Аденозиндифосфаг, ADP. ррА Аденоэин-5-фосфат

0«=^Р—О—Р—О—Р—о

Аденоэинтрифосфат, АТР, рррА

Р—О—| 7 но—| v

ОН ОН о он

0"=г|Ц-0

Аденозин-З^фосфат 3-АМР. Ар

Циклический Он Ьг

аденозин-2',3'-цик-лофосфат, 2^3'-АМР

Циклический аденозин-3,5^фосфат 3*, 5' -AMP, циклический AMP

н^/н

У\2 ь ?* чХа

I г0-?"0-?-0-! о

он он он он

Никотинамидадениндинуклеотид, NAD*

1тическим олигорибонуклеотидам заметно возрос, поскольку оказалось, что они стимулируют активность интерферона.

Полинуклеотиды типа ро1у(уридилат), ро1у(дезоксиаденилат) или,

короче, poly(U), poly(dA) и т.д. называют синтетическими гомополи-мерами. Poly (дезоксиаденилат - дезокситимидилат) - poly (dA - dT) - называют гетерополимером с чередующейся последовательностью. Ес-

I ли dA и dT распределены вдоль цепи случайным образом, то в обозначении полимера дефис заменяется запятой-poly (dA, dT). Poly(U) и poly (А) могут образовывать комплексы в соотношении 1:1 или 2:1. В обозначениях таких комплексов на это указывает точка между символами, отвечающими отдельным цепям: poly (А) -2 poly(U). В обозначении различных тРНК, например TPHKphe (дрожжи), верхний символ указывает на специфичность тРНК к определенной аминокислоте, а в скобки заключено название источника, откуда выделена данная ¦тРНК (табл. 21).

26

Глава 2

2.2. СИСТЕМА НУМЕРАЦИИ АТОМОВ

На рис 2.1-2.3 представлена принятая для нуклеотидов система нумерации атомов. Символы, обозначающие атомы сахара, отличаются от таковых для атомов оснований значком «штрих». Остов полинуклеоти-да описывают в направлении Р -» 05- -» С5- -» С4- -» С3- -» Оэ- -» Р. В сахарном кольце нумерация такова: С,- -» С2- -» С3- -» С4- -» 04- -» -» С5' (обратите внимание, что ранее принятое обозначение Ot' заменено на 04' [19]).

Двум атомам водорода при атоме С5- и при атоме С2- в дезоксири-бозе, а также двум свободным атомам кислорода при атомах фосфора приписываются номера I и 2, причем это делается следующим образом: если смотреть вдоль цепи в направлении 05- -» С5% то, двигаясь по часовой стрелке, мы будем последовательно проходить атомы С4-, Н5',, Н5'2. Аналогично если смотреть вдоль цепи в направлен™ Оэ- -» Р -» -» 05', то при движении по часовой стрелке мы будем последовательно проходить атомы Оу, 0Pi, Ор2 (рис. 2.3).

Направление —. цепи

Чс, A v° *cv с*

(пурины) ?2 (лиримидины)

Рис. 2.3. Система нумерации атомов и определение торсионных углов для поли-рибонуклеотидной цепи. Порядковый номер нуклеотида увеличивается сверху вниз, т. е. в направлении Os. -» Оэ.. Индексы 1 и 2 приписываются атомам водорода при атоме С5. и атомам кислорода при атоме Р согласно правилу, указанному в тексте. В дезоксирибозе атому водорода, замещающему атом 02., приписывается индекс 1, а второму атому водорода-индекс 2. Полное описание торсионных углов дается в табл. 22

Описание структуры нуклеиновых кислот: термины

27

2.3. ТОРСИОННЫЕ УГЛЫ (УГЛЫ ВРАЩЕНИЯ) И ИНТЕРВАЛЫ ИХ ЗНАЧЕНИЙ

¦ рехмерную структуру молекул обычно описывают посредством длин связей, валентных углов и углов вращения групп атомов вокруг связей [торсионных углов). Торсионные углы, описывающие вращение вокруг (связи В—С, задаются последовательностью четырех атомов №.—В—С—D. Торсионный угол (или угол вращения) 6 на рис. 2.4-это угол между проекциями связей А—В и С—D на плоскость, перпендикулярную связи В—С. Торсионный угол, равный нулю, соответствует наложению связей А—В и С—D друг на друга при проецировании (компланарная, или i/wc-конформация). Торсионный угол считается положительным, если дальняя от наблюдателя, смотрящего вдоль связи В—С, связь повернута по часовой стрелке относительно ближней связи. Значения торсионных углов обычно указывают либо в интервале 0-360°, либо в интервале - 180 Ч- + 180° [19, 22].

Торсионный угол может быть определен и как угол между двумя плоскостями, в которых лежат атомы А, В, С и В, С, D соответственно.

Рис. 2.4. Определение торсионных и двугранных углов. А. Торсионный угол 9 (А—В—С—D), описывающий ориентацию связей А—В и С—D относительно центральной связи В—С. Б. Вид вдоль связи В->С. 9-это торсионный угол, равный углу между проекциями связей А—В и С—D на плоскость, перпендикулярную связи В—С; дополнительный ему угол ф называется двугранным углом. Если связи А—В и С—D i/мс-планарны (совпадают при проецировании), то угол 9 равен 0°, а ф-180°; если дальняя связь С—D повернута относительно ближней связи А—В по часовой стрелке, то углы считаются положительными. В. 9 определяется как угол между плоскостями А—В—С и В—С—D. Г. Двугранный угол ф-это угол между нормалями к этим плоскостям.

28

Глава 2

иис

Рис. 2.5. Связь между системой обозначений торсионных углов, используемой в спектроскопии (цис, транс, + гош, — гош), и системой, введенной Клайном и Прелогом (син, или синперипланарный, анти, или антиперипланарный, +¦ синклинальный, — синклинальный, + антиклинальный, — антиклинальный). Последняя рекомендована комиссией IUPAC-IUB по номенклатуре нуклеотидов [19] и используется в данной книге. Интервалы значений син, анти имеют особое значение в стереохимии нуклеотидов (см. рис. 2.10).

Для определения торсионного угла может быть использован и угол между нормалями к этим плоскостям. Этот двугранный угол ф есть не что иное, как угол, дополнительный к торсионному. В литературе торсионный и двугранный углы часто используют как синонимы, тем не менее путать их друг с другом не следует.

Молекулы со свободным вращением вокруг одинарных связей принимают не все возможные конформации, а предпочитают только некоторые из них, стерически разрешенные. Поэтому часто бывает удобно

Описание структуры нуклеиновых кислот: термины

29

описывать структуру молекул интервалами значений торсионных углов. В органической химии обычно используют разбиение, предложенное Клайном и Прелогом: сын (~ (Г), анти (~ 180°), + синклинальный (~ + 60°) и + антиклинальный (~ + 120°) [23, 24]. В работах по спектроскопии и кристаллографии чаще всего используют такие обозначения: цис (~0°), транс (~ 180"), + гош (~+60°). Обе эти системы представлены на рис. 2.5. Мы будем придерживаться системы Клайна-Прелога, поскольку именно она рекомендована подкомиссией ШРАС-IUB по номенклатуре нуклеотидов.

2.4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОРСИОННЫХ УГЛОВ В НУКЛЕОТИДАХ

Конформация сахарофосфатного остова в направлении Р 05' -» -> С5' -> С4' и т. д. описывается торсионными углами а, Р, у, 8, е, ? в алфавитном порядке, причем а определяет вращение вокруг связи Р -» 05-(см. табл. 2.2 и рис 23). Пять эндоциклических торсионных углов сахара обозначаются через v с нижними индексами от 0 до 4; угол, определяющий ориентацию основания относительно сахарного кольца, обозначается через х- Заметим, что v3 и 5 описывают ориентацию относительно одной и той же связи: С3—С4-. v3 определяет ориентацию в кольце сахара, а 5-вне кольца. Связь между этими углами детально описана в гл. 4.

Таблица 2.2. Определение торсионных углов в нуклеотидах [16]1'

Торсионный угол

Атомы, образующие этот угол

а

(п - i)03<—Р—os»— с5<

р

р—о5.—с5.—с4. о5.-с5—с4—с3. cr-c4.-c3.-o3. с4—с,.—о,,—р

у 6

6

X

04.—Cj-—N9—С4 (пурины)

v

С4<—04'—С]' С2' 04. С,- С2. С3. С,. С2. С3. С4.

с2— с3.-с4—о4.

С3.- С4/ 04- Су

Х) Атомы с индексами (и — 1) и (и + 1) принадлежат соседним нуклеотидам.

30

Глава 2

2.5. КОНФОРМАЦИЯ САХАРНОГО КОЛЬЦА. ЦИКЛ ПСЕВДОВРАЩЕНИЯ

11 ятичленное фуранозное кольцо обычно непланарно. Оно может принимать конформацию, подобную конверту (Е, от англ. envelope), в которой четыре атома из пяти находятся в одной плоскости, а один атом выходит из нее на расстояние до 0,5 А, либо изгонутую твист-конфор-мацию (Т, от англ. twist), в которой любые два соседних атома смещены в разные стороны от плоскости, построенной по трем оставшимся атомам сахарного кольца [25] (рис. 2.6). В обоих случаях атомы, выходящие из плоскости в ту же сторону, что и атом С5', называют эн-do-атомами, а атомы, смещенные в противоположную сторону, экзо-атомами [26] (рис. 2.7). Соответствующим образом обозначаются

Рис. 26. Конформация конверта (Е) и твист-конформация (Т) пятичленного кольца. В Е-конформации четыре атома компланарны, а пятый выступает из плоскости; в Т-конформации компланарны три атома, а два отходят в разные стороны от плоскости.

Рис. 2.7. Различные конформации сахара. А. Исходное состояние с несуществующим плоским пятичленным сахаром. Треугольник Сг—04.—С4. заштрихован. Б-Д. Плоскость треугольника перпендикулярна плоскости рисунка. Б. Конверт С3.-эндо, или 3Е. В. Конверт С2.-эндо, или 2Е. Г. Симметричная твист-конформация, или полукресло С2-экзо-С3,-эндо, или |Т. Д. Несимметричная твист-конформация с главным С3.-эндо-выступом и минорным С2'-экзо-выступом, или 3Тг.

Описание структуры нуклеиновых кислот: термины 31

[и конформацни сахарных колец. Следует заметить, что переход из Е-в Т-конформацию происходит очень легко; обычно четыре атома, определяющие плоскость кольца в Е-конформации, редко бывают строго компланарными, а смещение атомов от плоскости кольца в Т-конфор-мации редко бывает симметричным. Большее отклонение от планарно-1ти называют главным выступом (major puckering), меньшее-ми-Ьорным (minor puckering).

При сокращенной записи символы, отвечающие эндо- и экзо-атомам, ¦тавят либо перед буквами Е и Т, либо после них в зависимости от того, о каком выступе идет речь-о главном или минорном. Несиммет-ричная чС3'-эндо-С2'-экзо-твист-конформация, с С3-главным и Рг'-минорным выступами, обозначается 3Т2. Подобная же, но симметричная конформация обозначается как |Т. Символ 2Е отвечает Рг'-экдо-конверту, а 3Е-С3-экзо-конверту (рис. 2.7).

Цикл псевдовращения. Описанные способы обозначения конформа-ший сахара являются приближенными и не могут отразить все промежуточные состояния, в которых находятся эти соединения. Конформацни 1гятичленных колец были проанализированы весьма изящным методом, основанном на понятии псевдовращения. Впервые этот метод был вве-ден для анализа конформацни циклопентанов [27, 28] и позже применен 1к замещенной фуранозе [29].

В циклопентанах конформационные изменения происходят не через рбразование плоских промежуточных форм: максимальный выступ еремещается по кольцу фактически без энергетических барьеров, что риводит к бесконечному числу возможных конформацни, которые Ьписываются максимальным торсионным углом (степенью изгиба кольца vmax) и фазовым углом псевдовращения Р [30, 31] (рис. 2.8). Если пя-тичленное кольцо замещено асимметрично, как в нуклеотидах, возникает энергетический барьер, ограничивающий псевдовращение и приводящий к тому, что кольцо находится предпочтительно в каких-то определенных конформациях (гл. 4).

Фазовый угол псевдовращения Р связан с эндоциклическими торсионными углами следующим соотношением [31]:

tgP= (у* + у1>-(уз+Уо)

Б 2v2 (sin 36° + sin 72°)' 1 ' '

Фазовый угол определен таким об