Биологический каталог




Принципы структурной организации нуклеиновых кислот

Автор В.Зенгер

Изучена структура ие только пиримидиновых и пуриновых оснований как таковых, ио н их структура в составе нуклеозидов и нуклеотидов. Замещенные и незамещенные основания имеют сходную структуру; различия касаются лишь деталей, связанных с окружением атома азота гликозидной связи. Основания в составе всех нуклеозидов и нуклеотидов замещены, и на рис. 4.1 [191, 192] они приводятся именно в таком виде. Нужно подчеркнуть, что в кристаллах нуклеозидов и нуклеотидов, исследованных к настоящему времени, наблюдались только те тауто-.мерные формы оснований, которые указаны на рис. 2.1 и 2.2. Заместители —NH2 и =0 всегда находятся в амино- и кетоформах соответственно и никогда не принимают имино- или енольной конфигурации. Расчеты и спектроскопические данные показывают, что в растворе в незначительных количествах присутствуют и другие таутомерные формы (гл. 5).

Пиримидиновые н пуриновые гетероциклические основания обычно пла-

5-509

66

Г шиа 4

парны1 Незначительные отклонения эндоциклических атомов (<0,1 А) и более заметные отклонения атомов заместителей (< 0,3 А) от плоскости кольца (построенной методом наименьших квадратов по атомам кольца) нерегулярны и обусловлены влиянием кристаллической упаковки. В растворе структура оснований и связанных с ними заместителей в среднем также является плоской.

Аминогруппы в пуринах и в цитозине участвуют в образовании резонансной структуры. На это указывает длина экзониклических С—NHj-связей, примерно равная 1,34(1) А (рис. 4.1). Это значительно меньше длины алифатической одинарной связи С—N, равной 1,472(5) А [196, 197] (табл. 4.1). Кроме того, С—гЧ[Н2-связи проявляют свойства двойной связи, что обычно наблюдается у сопряженных гетероциклических систем и у одинарных связей —С=0-групп (табл. 4.1). Порядок связи колеблется от 1,41 до 1,47 [70, 109], т.е. связь занимает промежуточное положение между одинарной и двойной.

Это приводит к тому, что экзоциклические аминогруппы и связанные с ними гетероциклы компланарны и вращение вокруг С—ЫН2-связи затруднено. Квантовохимические расчеты (ППДП/2) показали, что энергетический барьер при вращении равен 15-25 ккал • моль ~ 1 в зависимости от заместителей у атома азота (водород или метальная группа) в производных цитозина [200-202], аденина [203] и гуанина [203]. Согласно данным ЯМР, для пуринов энергетический барьер ниже, чем для цитозина [204], и составляет 15-18 ккал • моль ~" 1, что хорошо согласуется с расчетами. Из-за большого энергетического барьера скорость вращения вокруг экзоциклической С—N-связи в 1Ч4-метилцитозине очень мала: она варьирует от 90 до 270 с ~ 1 в интервале температур 20-30°С и зависит от растворителя [204-206]. Примечательно, что даже у такого соединения, как 1,5,1\[4,М4-тетраметилцитозин (рис. 4.2), все атомы строго компланарны, хотя наличие большого числа заместителей должно было бы мешать этому. Отталкивание соседних метальных групп-заместителей при атомах Cs и N4-ne может быть ослаблено вращением диметиламино-группы вокруг связи С4—N4, поэтому в данном случае наблюдается увеличение валентных углов [207, 208].

По сравнению с С—г^Нг-связями экзоциклические связи СО в гуанине и пиримндинах ближе по своим свойствам к двойной связи (1,84-1,89) [70, 199]. Длина связи С—О составляет 1,22(1)—1,24(1) А (рис. 4.1), т.е. очень близка к стандартной длине двойной связи С=0, равной 1,215(5) А (табл. 4.1). Это указывает на наличие лактамной таутомерной формы.

1 В кристаллической структуре некоторых пуриновых нуклеозидов двугранный угол между нормалями к плоскостям пиримидиновых и имидазольных колец принимает значения от 0,5 до Г, т.е. плоскость пурина может перегибаться по связи С4—С, [193-195].

Структура оснований. Сахаров и фосфатных групп 67

Рис. 4.1. Усредненные значения валентных углов (в градусах) и длин связей (в А) в 1-замещенных урациле и цитозине и в 9-замещенных аденине и гуанине (по данным работы [191]). Стандартное отклонение вычисляли по формуле а = = [Х(А\- — X)2/{N — I)]"2, где X, и Х-текущее и среднее значения, N-число измерений. Значения ст для углов лежат в интервале 0,3-1°, а для длин связей-в интервале от 0,005 до 0,016 А. N равно: для урацила 32, для цитозина 14, для аденина 21 и для гуанина 7. Значения углов при гликозидных связях взяты из работы [192] и на рисунке даны курсивом. Они определены с меньшей точностью, поскольку зависят от ориентации оснований и от конформации фуранозы.

Длины эндоциклических связей в пуринах и пиримидииах согласуются со всеми возможными резонансными структурами, которые могут существовать для этих соединений [129], и совпадают с длинами и порядками связей, рассчитанными методами квантовой химии [199]. Так, связь С2—N3 в пуринах короче соответствующей связи Nt—С2 в пиримидииах, а связь С5—С6 в пиримидинах короче, чем ее аналог-связь С4—С5

68

Глава 4

Таблица 4.1. Длины некоторых связей, определяющих геометрию нуклеотидов [196, 197]

Связь

Длина. А

Одинарная связь С-—С в парафинах

в группе С—С=С

в группе С—С=0 С—С в ароматических соединениях Двойная связь С=С в парафинах

в группе С=С—С—О

в группе С=С—С=С Одинарная связь С—N в парафинах

в группе С—N=

в группе N—С=0 I I

в сопряженных гетероциклах Одинарная связь С—О в парафинах в ароматических соединениях

(салициловая кислота) в карбоксильных группах и эфирах С—О

с=о

Двойная связь С=0 в альдегидах и кетонах

в группе О; =С—N I I

Одинарная связь С—S в парафинах I

Двойная связь в группе C=S

С—F в парафинах

в ароматических соединениях С—О в парафинах

в ароматических соединениях С—Вг в парафинах

в ароматических соединениях С—I в парафинах

в ароматических соединениях С—Н в парафинах

в ароматических соединениях Одинарная связь Р—О, расчетная величина Эфирная связь Р—О—R Р—О—Н в КН2Р04 Р—Ой_ в КН2Р04

Двойная связь Р=0, расчетная величина Р—S в PSC13 и т.д. Р—С

1,537 ±0,005 1,510 ± 0,005 1,506 ± 0,005 1,394 + 0,005

1.335 ± 0,005 1,36 ± 0,01

1.336 ± 0,005 1,472 ± 0,005 1,475 ±0,01

1,333 ± 0,005

1,339 ± 0,005 1,426 ± 0,005 1,36 ±0,01

1,358 ±0,005 1,233 + 0,005 1,215 ±0,005

1,235 + 0,005

1,817 ±0,005

1,71 ± 0,01

1,379 ± 0,005 1,328 ± 0,005 1,767 + 0,005 1,70 ± 0,01 1,938 ± 0,005

1.85 ± 0,01 2,139 ±0,005 2,05 + 0,01 1,096 + 0,005 1,084 + 0,005 1,71

1,60 ± 0,01 1,58+0,02 1,51 ±0,02 1,40

1.86 ± 0,02 1,841 + 0,005

Структура основании. Сахаров и фосфатных групп

69

Рис. 4.2. Разность (в градусах) между усредненными значениями валентных углов в I-замещенном цито-зине, изображенном на рис. 4.1, и 1,5,1М4,1М4-тетраметилцитозине [207]. Для того чтобы уменьшить стерически невыгодные контакты между метальными группами при атомах N4 и С, (двойная стрелка), соответствующие углы увеличены. Обе молекулы практически планарны.

в пуринах. У самих пуринов связь С8—N9 по своему характеру менее похожа на двойную, чем связь N7—С8; соответствующим образом различаются и длины этих связей.

Эндоциклическне валентные углы имеют одну интересную особенность [209, 210]. В пиримидиновых кольцах внутренний валентный угол при незамещенном атоме азота на 6-8с меньше, чем при замещенном (сравните угол С6—Nt—С2 в аденине и гуанине и угол С2—N3—С4 в цито-зине и урациле; рис. 4.1). В имидазольных кольцах различие в углах tT5—N7—С8 на 2-Зс меньше [192]. Увеличение валентных углов при замещенном атоме азота компенсируется уменьшением примыкающих валентных углов N—С—С, и в результате планарность оснований сохраняется. Такая же картина наблюдается и для оснований, в которых протонируются N-атомы либо депротонируются NH-группы. Данные по геометрии протонированных оснований, депротонированного урацила (урацил-анион) и аденина с двумя протежированными атомами азота суммированы в работе [191].

4.2. ОСНОВНЫЕ КОНФОРМАЦИИ САХАРА

В составе рибо- и дезоксирибонуклеозидов пятичленное фуранозное кольцо никогда не бывает плоским. Оно принимает либо конформацию конверта, либо твист-конформацию (конформация полукресла) (рис. 2.6 и 2.7). Номенклатура различных конформации фуранозного кольца, а также понятие псевдовращения рассмотрены в гл. 2. Как показал кон-формационный анализ рибозы в составе большого числа нуклеозидов, величина изгиба у них практически постоянна: <тт> = 38,6 + 3°. Это оз-

РИБО

Съ'-эндо

288 252

, 72 288

X /l08 252

216^__^144 216

108

(S)

108

С^-эндо

288 / '// \ 72 288

V }

216v^_|_^--x144 180 0

252

Рис. 4.3. Фазовые углы псевдовращения Р и торсионные углы х и у относительно гликозиднои и С4.—С5.-связей [170]. Каждая радиальная линия соответствует значению торсионного угла (в градусах), полученному с помощью рентгеноструктурного анализа 178 рибо- и дезоксирибонуклеозидов и их производных. Для рибоиуклеозидов области, соответствующие C2.-3h<)o(S)- и С3.-эндо(М)-конформациям сахара, заселены одинаково, тогда как для дезоксирибонуклеотидов С2.-эндо-область является предпочтительной. Вообще говоря, при С2.-эндо-конформапии фуранозы наблюдается большая конформационная свобода по торсионным углам % и у, о чем можно судить по заселенности син-(х) и ск- (у) областей, которые при С3.-эндо-конформации фуранозы либо мало заселены (%), либо не заселены вообще (у). В окрестности Р ~ 90° (04.-эндо-область) опущены пять точек. Они отвечают: производному, представленному на рис. 4.10, Р = 91,3°, хт = 45,8°; дезокснгуанозин-5'-фосфату, Р = 83,3°, хт = 40,8° [300]; дигидротамидину, Р = 84,3°, хт = 31,6° [397]; 5-гидрокси-5,6-ди-гидротнмидину, Р = 95,7°, хт = 37,6° [398]; l-P-D-арабинофуранозилтимину, Р = = 105,5°, хт = 41,4° [399]. На противоположном полюсе цикла псевдовращения (Р ~ 270°, 04.-экзо) нн одной экспериментальной точки не обнаружено.

Структура оснований, Сахаров и фосфатных групп 71

S

C2'-j«do Сз'-экзо С2'-э«во - С3-эю0 Суммарная

С2'"зюо C3'-3«do С2'-э«о - С3'-э«до Суммарная

N

Рис. 4.4. Схематическое изображение наиболее часто встречающихся конформации сахара [169]. Конформационные переходы по горизонтали происходят практически без преодоления энергетических барьеров, тогда как превращения по вертикали, N*±S, разделены невысоким энергетическим барьером. Отметим, что направление экзоцнклических связей Cv—N и С4.—С5. и конформапия сахара связаны между собой.

начает, что тт отражает внутренние свойства самих колец, содержащих атомы С и О, и не зависит от типа сахара, основания, угла псевдовращения Р или торсионных углов у и % [170].

Фуранозное кольцо находится в основном в двух конформациях: С3'-эндо(гЧ) и C2'-3Hdo(S). Фуранозное кольцо в составе нуклеозидов замещено несимметрично, поэтому в нуклеозидах и нуклеотидах, структура которых определена кристаллографическими методами, фазовые углы псевдовращения Р распределены по циклу неравномерно (рис. 4.3). Они образуют две труппы, концентрируясь в интервалах от — 1 до 34° (С^-эндо) и от 137 до 194е (С2'-эндо) [170]. В соответствии с расположением в цикле псевдовращения эти предпочтительные конформации называют северными (N) и южными (S), понимая под этим семейства сходных конформации, приведенные на рис. 4.4. Конформационные переходы вдоль горизонтальных рядов на рис. 4.4 соответствуют определенному интервалу в цикле псевдовращения. Потенциальная энергия конверта и твист-конформации примерно одинакова, поэтому указанный переход осуществляется «непрерывно». При переходах по вертикали меняется тип конформации сахарного кольца в соответствии со схемой N +± S в цикле псевдовращения и с изменением ориентации заместителя в сахаре от аксиальной к экваториальной (табл. 4.2).

Данные, полученные кристаллографическими методами (рис. 4.3), указывают иа энергетическую неэквивалентность двух возможных путей перехода от N к S. Переход через 04'-эндо-конформацию более «короткий» и характеризуется сравнительно низким энергетическим барьером, поскольку эта область конформации хотя и слабо, но заселена (см. под-

72 Глава 4

Таблица 4.2.0риентация заместителей при различных конформациях сахара

Конформация рибозы Атом

N Н,. Н2. о2. н3. о3. н4. с5.

С2--э«до э а а э э а с с

С3.-э«до с с э а а э а э

04.-э«до э а с с с с а э

04-экзо а э с с с с э а

1} Символы «э» и «а» обозначают квазиэкваториальную и кеазкаксиальную ориентации, поскольку точных экваториальных и аксиальных ориентации, свойственных шести-членным циклогексановым кольцам, в данном случае не существует. Символ «с» означает ориентацию, среднюю между «а» и «э».

пись к рис. 4.3). Напротив, «длинный» переход через 04'-экзо энергетически невыгоден и невозможен [170, 171]. Этот факт имеет чисто геометрическое объяснение: при конформацни сахара 04-экзо основание и экзоциклические заместители при атоме С5' располагаются аксиально, что приводит к стерическим ограничениям, тогда как при конформацни О^-эндо они ориентируются экваториально и поэтому удалены друг от друга (рис. 4.5; табл. 4.2).

Энергию С2'-экдо и С3'-экдо-конформаций рассчитывали методами квантовой химии (КВВМО [211], расширенным методом Хюккеля, ППДП [212]), а также классическими методами [213-215]. Эти расчеты показали, что для незамещенных рибозы и дезоксирибозы С2'- и Сз'-эндоконформации с энергетической точки зрения практически эквивалентны. Они разделены энергетическим барьером от 2 до 4 ккал • моль ~ \ практически одинаковым для перехода через неблаго-

Рис. 4.5. Экваториальное и аксиальное расположение заместителей N (основание) и С5. в сахарах при 04.-экзо-конформации [слева) и 04,-э«до-конформации (справа). Превращение С2-эндо *± Су-эндо может происходить только с образованием промежуточного продукта 04-э«до, поскольку в 04--экзо-конформации С5. и N располагаются слишком близко друг к другу.

Структура оснований, Сахаров и фосфатных групп

73

приятные 04'-экзо- и 04-эндо-конформации сахара [212, 214]. Однако, если к фуранозному кольцу присоединяется основание с помощью Ci-P-N-гликозидной связи, распределение энергии вдоль цикла псевдовращения становится асимметричным: минимумам энергии соответствуют конформации С^-эндо и Суэндо, а энергетический барьер умеренной высоты 2,5-5 ккал • моль ~ 04'-эндо-конформации. Барьер, отвечающий 04-экзо-конформации, повышается настолько, что становится практически непреодолимым. Итак, расчеты показывают: для того чтобы перейти от одной основной конформации сахара к другой ,с минимальными энергетическими затратами, надо следовать циклу ^севдовращения; плоские промежуточные конформации рибозы и де-зоксирибозы маловероятны.

Во всех описанных выше расчетах валентные углы и длины связей ,были фиксированы и варьировались только торсионные углы. Несколько позже [32] были проведены расчеты методом самосогласованного [поля [74], в которых допускались изменения длин связей и валентных [углов, что приводило к лучшему совпадению с экспериментом. Было показано, что вращение вокруг связи С3'—С4 (рис. 2.3) (которое прямо связано с конформацией сахарного кольца; рис. 4.6) менее заторможено, чем вращение вокруг обычной одинарной связи С—С. Было показано также, что переход в конформацию О^-эндо связан с преодолением ^небольшог

страница 8
< 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
(21.07.2019)