Файл: Дашевский, В. Г. Конформации органических молекул.pdf

Г ЛАВА 9

КОНФОРМАЦИИ СИНТЕТИЧЕСКИХ И ПРИРОДНЫХ ПОЛИНУКЛЕОТИДОВ

В 1953 г. Уотсон и Крик, проанализировав рентгенограммы, про­ странственные модели и имевшуюся к тому времени химическую информацию, установили структуру ДНКМолекулы ДНК боль­ шинства организмов представляют собой две комплементарные полинуклеотидные цепи.

Несмотря на то, что от работы Уотсона и Крика нас отделяют всего лишь два десятилетия, представления о ДНК, как о двой­ ной спирали, давно уже стали классическими. Последующие фи­ зико-химические исследования нуклеиновых кислот и их компо­ нентов, в том числе рентгеноструктурные исследования, подтвер­ дили эти представления, однако в то же время они дали много нового для понимания биологических функций нуклеиновых кис­ лот, и притом именно на уровне стереохимии.

Открытие Уотсона и Крика касается только двухтяжевых ну­ клеиновых кислот. Вместе с тем в некоторых фагах были найдены однотяжевые ДНК, что следует хотя бы из того факта, что в этих макромолекулах содержание аденина не равно содержанию тими­ на, а содержание гуанина — содержанию цитозина 11]. Существо­ вание РНК в однотяжевой форме общеизвестно [2]. Особый ин­ терес представляет проблема конформаций тРН К — однотяжевых полинуклеотидов, состоящих из 75—85 мономерных единиц и играющих важнейшую роль в механизме синтеза белка на рибо­ соме [3]. Следовательно, вопрос о конформациях одногяжевых по­ линуклеотидов важен не только для понимания строения и функ­ ции «обычных» нуклеиновых кислот, но имеет и самостоятельное значение.

В этой главе рассмотрены три аспекта конформаций синтети­ ческих и природных полинуклеотидов (нуклеиновых кислот): 1) выявление строения наименьших структурных элементов и роль их в определении конформации макромолекулы; 2) выявление конформаций однотяжевых полинуклеотидов и условий, влияю­ щих на изменение этих конформаций; 3) структурные данные по двухтяжевым полинуклеотидам и возможность их теоретической интерпретации.

Заранее отметим, что как в однотяжевых, так и двухтяжевых полинуклеотидах, начиная с динуклеозидфосфатов, обычные си­

400

лы — ван-дер-ваальсовы и электростатические (т. е. невалентные взаимодействия) — проявляются весьма своеобразно: они при­ водят к сильному «стэкинг»-взаимодействию оснований и опреде­ ляют пространственную структуру полинуклеотида, состоящего из нескольких и даже двух мономерных единиц. Стэкинг-взаимо- действия способствуют сближению оснований в растворах поли­ нуклеотидов, так что между основаниями не остается пустот, в которые могли бы проникать молекулы растворителя.

Разумеется, пока мы имеем дело с мононуклеотидами и иуклеозидами, содержащими одно основание, этот эффект не проявляет­ ся, и их конформации определяются взаимным отталкиванием и притяжением валентно не связанных атомов молекулы. В этом случае влиянием растворителя можно пренебречь.

В чем же отличие полинуклеотидов от обычных полимеров и полипептидов? Прежде всего, гидрофобные силы, которые в по­ следних начинают проявляться при сравнительно большой длине цепи, когда могут образоваться «внутренние» и «внешние» обла­ сти, уже в динуклеотидах дают значительный вклад в стэкингвзаимодействия, который, как мы увидим, практически не уве­ личивается с ростом длины цепи. Далее, решающую роль в опре­ делении конформации полинуклеотида играют взаимодействия ближайших мономерных единиц, а взаимодействия более далеких единиц можно считать пренебрежимо малыми. Поэтому, напри­ мер, рассмотрение динуклеозидфосфатов раскрывает основные конформационные особенности однотяжевых полинуклеотидов.

В этом смысле мононуклеотиды и динуклеотиды резко разли­ чаются: конформационная свобода первых очень велика благода­ ря возможности вращения вокруг пяти одинарных связей рибозофосфатного «скелета» и гликозидной связи между основанием и фуранозным кольцом; в то же время в динуклеотидах конформа­ ционная свобода ограничена из-за стремления оснований распо­ ложиться одно под другим. По этой причине рассмотрение возмож­ ных конформаций наименьших структурных единиц полинуклео­ тидов (фрагментов, не превышающих по величине мононуклеотид) еще не приводит к полному пониманию конформаций макромоле­ кул.

1. СТРУКТУРНЫЕ ЕДИНИЦЫ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

В нуклеозидах гетероциклическое азотистое основание связано гликозидной связью с углеводным остатком. «Мономерной еди­ ницей» однотяжевого полинуклеотида является мононуклеотид, т. е. нуклеозид, содержащий фосфатную группу. В зависимости от того, с каким атомом кислорода рибозы или дезоксирибозы —

Конформация мономерной единицы определяется геометрией фуранозного кольца, структурой основания, фосфатной группы и, наконец, относительным положением основания и пятичленного кольца.

Углеводный остаток

Остановимся сначала на конформациях углеводного остатка — 2-дезокси-р-Д-рибозы в ДНК или |3-Д-рибозы в РНКПростран­ ственная структура 2-дезоксирибозы впервые была грубо опре­ делена в результате рентгеноструктурного исследования крис­ талла 5-бромтимидина. Эта структура была единственной, которой мог воспользоваться Спенсер [5] в конце пятидесятых го­ дов для построения модели, показавшей ряд структурных особен­ ностей фуранозного кольца. Прежде всего он нашел, что наиболее выгодные конформации соответствуют отклонению атомов С2' и С3< из средней плоскости остальных четырех атомов кольца.

Действительно, как показали более поздние исследования, фуранозное кольцо в нуклеозидах, нуклеотидах и нуклеиновых кис­ лотах имеет неплоскую конформацию, промежуточную между фор­ мами конверта (Cs) и полукресла (С2). Однако в отличие от цикло­ пентана, в котором эти две формы имеют одинаковые энергии, фуранозные кольца явно тяготеют к форме конверта. Ниже схе­ матически представлены четыре возможные конформации углевод­ ного кольца: если атом С2- (или С3-) выходит из плоскости Q-OCv в ту сторону, где расположен экзоциклический атом Cs-, то конформация называется эндо-, если в другую сторону, то экзо-.

.г г'

402