Биологический каталог




Принципы структурной организации нуклеиновых кислот

Автор В.Зенгер

о энергетического барьера (рис. 4.6), разделяющего два минимума энергии, которые отвечают конформациям Сг- и С3.-эндо. Харак-, тер изменения энергии при движении по циклу псевдовращения показывает, что в релаксированных системах, в которых в соответствии с этим циклом меняется лишь один угол v3, энергия 04'-э«до-конформации примерно на 0,6 ккал • моль ~ 1 выше энергии, рассчитанной для Сг- и Сз-эндо-конформаций, тогда как разделяющий их энергетический барьер, который отвечает 04.-экзо-конформации, равен 2,5 ккал • моль ~ 1 (рис. 4.7). Рассчитанные для рибозы и дезоксирибозы значения энергии > различаются примерно на 0,1 ккал - моль ~1. I Полученные результаты неоднократно подвергались критическому анализу [170, 171], поскольку в некоторых случаях наблюдалось резкое нарушение геометрии (угол при атоме 04 увеличивался на 5-6°). Профиль энергии, приведенный на рис. 4.6, представляется более разумным, хотя значения энергии, отвечающие О^.-эндо- и 04.-экзо-конформациям, >в этом случае выше: 1,8 и 5,8 ккал моль-1 для дезоксирибозы и 3,8 и 7,5 ккал - моль ~ 1 для рибозы [216].

Почему непланарно фуранозное кольцо? Результаты всех приведенных | расчетов качественно согласуются между собой и указывают на то, что 'фуранозное кольцо непланарно. Почему фуранозное кольцо предпочитает находиться в непланарной конформации? Очевидно, плоская конформация энергетически невыгодна; поскольку в этом случае все торсионные углы равны 0°, их конформация по отношению к заместителям по С-атомам является полностью заслоненной. При нарушении планар-'ности энергия системы уменьшается, а так как энергетический барьер

74

Глава 4

Рис. 4.6. Энергетический профиль для фуранозы в составе нуклеозидов, рассчитанный в интервале 35° < 5 < 185° методом силового поля (А). Отметим, что угол 8 прямо связан с углом v3 и, таким образом, определяет значения эндоцик-лических торсионных углов (Б), которые в свою очередь задают конформацию сахара. По [32].

Структура оснований, Сахаров и фосфатных групп

75

при вращении вокруг связи С—О меньше, чем при вращении вокруг связи С—С (табл. 3.3), фуранозное кольцо принимает конформации, в которых значения углов v0 и v4 (относительно связей С—О) примерно равны 0°, а углы vl5 v2 и v3 (относительно связей С—С) максимальны. Это приводит к Сг-эндо- или С2.-экзо-конформациям при v4 = 0° и к С3,-эндо- или С3.-экзо-конформациям при v0 = 0°. Иными словами [217], когда из плоскости выступает атом Сг, вращение происходит вокруг связей С4.—С*4. и С2.—С3.; это частично устраняет невыгодные контакты между заместителями при атомах С2. и С3., хотя конформация заместителей при атомах С3. и С4. остается заслоненной (рис. 4.8). Энергетическое состояние системы становится еще более выгодным, когда из плоскости выступает атом С2.. В этом случае вращение происходит вокруг связей 04.—С,, и С3.—С4., при этом торсионный угол относительно связи С4.—04. (v4) остается равным нулю и ни один из заместителей не остается в заслоненной конформации. Смещения атомов С4. и С3. приводят к таким же последствиям, что и смещения атомов Cv и С2.. Углы С—О—С менее вариабельны, чем углы, в вершине которых находится атом углерода [32], а поскольку эндоциклический валентный угол при выступающем атоме меньше, чем тот же угол

Рис. 4.7. А. Изменение полной энергии фуранозы при движении по циклу псевдовращения [32]. Сплошная кривая отвечает случаю, когда все эндоциклические углы vn меняются в соответствии с циклом псевдовращения, пунктирная-случаю, когда в соответствии с этим циклом меняется только один угол v3, а харак-Vep изменения других углов отличается от «идеальных кривых», представленных %а рис. 2.9. Гистограмма соответствует значениям фазовых углов Р, полученным при анализе кристаллов. Более точные значения энергии приведены в работе [216], однако характер энергетического профиля остается прежним.

76

Глава 4

Рис. 4.7. Б. Другое, более полное представление энергетической карты конформацни фуранозы [32]. Фазовый угол псевдовращения Р отсчитывается по часовой стрелке, при этом значению Р = 0° отвечает вертикальное положение стрелки. Степень изгиба vmax, определяемая по формуле (2.3), возрастает в радиальном направлении от центра, которому соответствует планарная конформация фуранозы. Окружность отвечает истинному циклу псевдовращения с vmax = 0,4 А. Черные кружки соответствуют значениям энергии, рассчитанным для случая, когда все пять торсионных углов v„ меняются в соответствии с циклом псевдовращения, а светлые кружки-значениям, полученным при соответствующем изменении только угла v3. Обратите внимание на большие отклонения от истинного цикла в области Р ~ 270° (04.-экзо-конформация). Изображенные на рисунке конформацни отвечают ближайшим светлым кружкам. Числа (в ккал • моль ~ х) равны разности между энергией данной конформацни сахара и энергией точки глобального минимума. При более точных значениях энергии, приведенных в работе [216], характер приведенной энергетической карты не меняется.

Структура оснований, Сахаров и фосфатных групп

77

Рис. 4.8. Изгиб фуранозного кольца 'предотвращает образование заслоненных конформации [217]. А. Фуранозное кольцо планар-но, все заместители, изображенные в цвете, расположены так, что создается полностью заслоненная конформация. Б. С1.-эндо-конформация; заместители при атомах С3. и С4. (в цвете) все еще создают заслоненную конформацию. В. С2.-эндо-конформация, заслоненные конформации отсутствуют. Ситуация, изображенная на нижнем рисунке, имеет место и при С2.-экзо-, С3,-эндо- и С3--экзо-конформациях сахара.

в плоскости кольца (разд. 4.3), этот факт можно считать еще одним аргументом против того, что атом С*4. выходит из плоскости кольца. Итак, С2.- и С3.-эндо-конформации являются наиболее предпочтительными, поскольку слабые взаимодействия между заместителями фу-ранозы в этих случаях минимальны.

Спектроскопические данные свидетельствуют о быстром взаимном превращении Съ.-эндо (N) т± Сг-эндо (S). Выводы, к которым приводят анализ кристаллических структур и расчеты энергии, подтверждаются спектроскопическими данными. Исследования методом ЯМР в растворе показали, что между С2.- и С3.-эндо-конформациями осуществляется быстрый равновесный переход. Это следует из отношения констант взаимодействия между вицинальными 1Н: 3Ji-2- и 3J3-4- [уравнение (3.13)]. Иными словами, в пиримидиновых рибонуклеозидах и рибону-клеотидах рибоза предпочитает находиться в С3.-эндо-(1\Г)-конформации, а в пуриновых-в С2.-эндо(8)-конформации (термин <шредпочитает» означает 60-80%-ную заселенность данной конформации). Дезоксирибоза находится в основном в С2-эн<)о-конформации [31, 126, 130, 138, 173-176, 218-222]. Энергетический барьер этого перехода настолько мал, что его удается измерить только в особых условиях, используя дейтерированный аммиак и работая в интервале температур от — 60 до

78

Глава 4

+ 40°С. Для пуриновых рибоиуклеозидов энергия активации составляет в среднем 4,7+0,5 ккал-моль-1. Для пиримидиновых нуклеозидов эта энергия выше, но ее пока не удалось измерить экспериментально [223].

4.3. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ

НА КОНФОРМАЦИЮ ФУРАНОЗЫ

С помощью ЯМР было обнаружено, что равновесие С3-эндо(1Ч) ?±C2-3H<)Эти результаты были получены на нуклеозидах, когда в качестве растворителя применялись дейтерированный диметилсульфоксид или вода. Если растворителем служит дейтерированный аммиак (ND3) [231], то для аденозинов, у которых 2'- или З'-гидроксил замещен аминогруппой, наблюдается обратный эффект. Таким образом, либо конформация сахара существенным образом зависит от растворителя, либо 2'- и З'-аминозамещенные нуклеозиды не являются типичными представителями этого класса молекул. В пользу последнего предположения говорит тот факт, что в кристаллах Р-В-2'-амино-2'-дезоксиаденозина [232] наблюдается образование внутримолекулярных водородных связей N2.—Н---Оэ., которые не обнаружены в других производных (за исключением одного модифицированного нуклеозида в необычной 04.-эн<)о-конформации; см. рис. 4.10 [233]).

1 В работах [216, 228а] подчеркивается, что тип наиболее предпочтительной коиформации сахара определяется описанным в разд. 4.12 гош-эффектом. Этот эффект приводит к тому, что группировка X—С—С—Y, где X и Y-электроотрицательные заместители, подобные ОН или F, старается сохранить + или — гош ( + или — синклинальную) конформацию и избежать антиперипланарной. В рибозе найдено множество таких группировок, например O4-Cj.C2.O2-; О4.С4.С3.О3.; (основание)- С,,С2,02,.

Структура оснований, Сахаров и фосфатных групп

79

Н NH2CI N3 О ОН F

2 3 СН3 4 6R

Рис. 4.9. Зависимость мольной доли XN пиримидиновых нуклеозидов, с сахаром в С3.-э«до(К)-конформации, от электроотрицательности eR заместителей при атоме С2. в интервале от 2,1 (Н) до 4,0 (F) [230].

Конформация сахара зависит также от характера модификации оснований [173]. Наиболее наглядно это проявляется в случае присоединения к атому С8 пурина или к атому С6 пиримидина какой-нибудь объемной группировки, сдвигающей равновесие син <=* анти в сторону сын (разд. 4.5). Обычно смн-конформация коррелирует с С2.-эн<)о(8)-конформацией сахара, особенно в пуринах. Диапазон кон-формаций, которые может принимать фураноза, сужается при образовании циклов между атомами 02. и 03. или между 03. и Об., а также внутримолекулярных связей между сахаром и основанием (как в 02,2-циклоуридине) ([126,170-172]; см. гл. 7). Если основание заменить атомом водорода или группировкой —О—СН3, то, по данным ЯМР, фураноза будет находиться в основном в С3.-эндо-конформации.

Полирибо- и полидезоксирибонуклеотиды проявляют интересные конформационные свойства (гл. 11). Нуклеотиды в составе олиго- и полинуклеотидов не являются независимыми единицами; между ними осуществляется стэкинг-взаимодействие, и обычно они образуют структуру, имеющую форму правой спирали. Молекула ДНК-одного из дезоксирибонуклеотидов-ведет себя совершенно иначе, нежели ее рибо-нуклеотидный аналог-РНК. Эти различия обусловлены отчасти различиями в свойствах составляющих их мономерных единиц. Для ДНК характерны две основные конформации: Сэ,-эндо и С3.-экзо (разновидность С2.-энд0-конформации), переход между которыми определяется активностью молекул воды окружающей среды, а для РНК всегда на-

80

Глава 4

Рис. 4.10. Структура молекулы 6-амино-10-(Р-В-рибофуранозиламин-пирими-до[5,4-й]пиримидина, производной нуклеозида с обычной 04--э«до-конфор-мацией сахара (две проекции) [233]. Поскольку связи С2.—02. и С3.—Оэ. создают заслоненную конформацию, появляется возможность образования внутримолекулярной водородной связи 03,Н---02, (пунктир), не наблюдающейся ни в одной из конформацни сахара, в которых связи С2.—02. и С3.—03. ориентированы по-другому. Кроме того, длина связи С2.—С3. больше, чем обычно, и равна 1,557 А, а валентный угол Cv—04.—С4. меньше и составляет 103,4° (сравните с рис. 4.13).

блюдается С3.-эндо-конформация. Был высказан ряд гипотез, которые объясняют это различие присутствием в молекуле РНК гидроксильной группы 02.Н. Построение молекулярных моделей РНК [234, 235], данные по ИК- [236] и ЯМР-спектроскопии [237], а также рентгеноструктурный анализ тРНК, который свидетельствует о наличии в этой молекуле по крайней мере слабых водородных связей 02.—Н---04. [87] (рис. 4.11, А), привели к предположению, что структура РНК стабилизируется водородными связями между гидроксильной 02.Н-группой (донор) одного нуклеотида и атомом кислорода 04. соседнего нуклеотида (акцептор). Однако метилирование кислорода 02. [238-240] или замена его на С1 [241], F [242-244] или на азидную группу [245] не сопровождается существенным уменьшением конформационной стабильности синтетических РНК, и, следовательно, водородная связь 02 — Н-04. не может считаться основным фактором, стабилизирую-

Структура оснований. Сахаров и фосфатных групп

81

Рис. 4.11. Стабилизация вторичной структуры РНК и С3,-эндо-конформации сахара путем образования (А) внутрицепочечной водородной связи 02.Н---04. и (Б) водного мостика 02. ¦ • - Фосфат. (См. обсуждение в тексте и рис. 4.9.)

6-509

82

Глава 4

щим данную конформацию. Результаты исследований методом ЯМР, проведенные несколько позже, свидетельствуют о возможности образования водного мостика между гидроксилом 02.Н и З'-фосфатом, чем можно отчасти объяснить конформационную стабильность РНК [246, 247] (рис. 4.11, Б). Поскольку 2'-хлор- или 2'-фторзаместители в молекуле РНК не могут образовывать таких водородных связей и в лучшем случае играют роль слабых акцепторов, то С3.-эндо-конформация стабилизируется в данном случае за счет сильной электроотрицательности указанных заместителей [229, 230] (рис. 4.9). Впрочем, не исключено, что все другие конформацни РНК запрещены просто из-за стерических препятствий, обусловленных наличием гидроксильной 02.Н-группы [248]. В заключение можно сказать, что мы пока не знаем, какие силы стабилизируют С3--эндо-конформацию в РНК. Скорее всего, эта стабильность обусловлена не одним, а несколькими факторами.

4.4. ДЛИНЫ СВЯЗЕЙ И ВАЛЕНТНЫЕ УГЛЫ В ФУРАНОЗАХ

Для исследования параметров псевдовращения и геометрии связей для те-трагидрофурана, незамещенного прототипа пятичленного сахарного кольца нуклеозидов, были использованы методы дифракции электронов [249, 250], микроволновой техники [251] и теоретические методы [252]. Длины связей н валентные углы в тетрагидрофуране указаны на рис. 4.12. Длины связей согласуются со значениями стандартных длин связей С—С и С—-О (табл. 4.1), однако валентные углы существенно меньше, чем угол 109,5°, который наблюдается при «р3-гибридизации, а также меньше 108°-величины внутреннего угла плоского фуранозного кольца, сумма углов в котором равна 5 -108° = 540°. Сумма углов в тетрагидрофуране составляет 524,9°, т.е. на 15,1° меньше указанной величины. Нетрудно показать, что это обусловлено наличием атомов, выступающих из плоскости кольца [253, 254]. Углы уменьшаются неодинаково, и при этом наблюдается следующая закономерность: С—О—С> > С—С—О > С—С—С [255].

В составе нуклеозидов длины связей С—С в фуранозах уменьшаются лишь на ~ 0,02 А, тогда как значения торсионных углов относительно этих связей изменяются от 0 до 40°, в результ

страница 9
< 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)