В дальнейшем Сундаралингам и Иенсен [6, 7] классифициро вали конформации рибозы в следующих соединениях, кристалли ческие структуры которых были к тому времени определены: 5-фтордезоксиуридин [9], цитидиловая [8], адениловая [10]итимидиловая кислоты [11], дезоксиаденозин [12]. Как выяснилось, все четыре указанные конформации встречаются в нуклеозидах и ну клеотидах, однако вероятность появления каждой из них неоди накова. Чаще всего наблюдаются э«до-конформации, причем вы ход атома С3' из средней плоскости других четырех атомов коль ца почти столь же вероятен, как и выход атома Сг-. экзо-Конфор мации весьма редки: они были обнаружены только в двух струк турах— дезоксиаденозине [12] и тимидине [13].
Можно ли предсказать равновесные конформации углеводного остатка и оценить относительные энергии эндо- и экзо-форм? Оче видно, что, располагая эмпирическими потенциальными функ циями и пользуясь приемами, описанными в гл. 2, это нетрудно сделать. А. А. Луговской и В. Г. Дашевский 114] рассматривали энергию напряжения p-D-рибозы (или дезоксирибозы) в следую щем виде
^ = 2 £ |
/ М |
+ 4 - с оЬ *о + ~т Сс Ц |
Аас + |
|
i>) |
|
|
|
|
|
|
|
+ |
о + cos3<р<-)+ - Y 2 |
2! о + « |
* + |
|
' =1 |
|
|
|
/= 4 |
|
|
|
|
+ |
1 |
( |
9 |
- |
1 |
) |
|
|
|
*>/ |
|
|
|
|
где f{rtj) — потенциалы невалентных взаимодействий, Да0 — де формация угла СиОС4', Аас — деформации других валентных углов, в вершинах которых лежат атомы углерода; последние вклады соответствуют торсионным напряжениям и кулоновским взаимодействиям.
Конформация пятичленного цикла с жесткими валентными связями, очевидно, может быть полностью описана четырьмя (2п — 6) независимыми параметрами. Выбрав в качестве этих па
раметров углы вращения вокруг связей С—О ( ф 4 и ф 5) |
и два |
валентных угла, авторы построили конформационную |
карту’ |
( ф 4 . фб ). каждая точка которой соответствует минимуму энергии по несущественным параметрам — валентным углам. Эта карта при ведена на рис. 9.1.
Конформации Су-эндо и Су-эндо оказываются в минимумах, причем вторая конформация выгоднее первой на 3,7 ккал/моль. экзо-Конформации расположены на дне оврага потенциальной функции и значительно удалены от минимумов. То обстоятельство, что экзо-конформации все же встречаются в некоторых нуклео зидах, по-видимому, обусловлено межмолекулярными водородны ми связями.
6! 403
Заметим, что формы рибозы, расположенные по дну оврага коиформационной карты (ф4, ср5), существенно неплоские: как показывает расчет, один из атомов углерода (С2или С3') выходит из средней плоскости других четырех атомов на 0,4—0,6 А. Полу чающаяся при этом структура значительно ближе к конверту (Cs), чем к иолукреслу (С2).
Рис. 9.1. Конформационная карта (<р4, ф6) (3-£>-рибозы при оп тимизированных валентных углах.
Значения энергии приведены в ккал/моль. Крестиками указаны коорди наты рибозы в нуклеозидах, нуклеотидах и нуклеиновых кислотах.
Интересно, что все экспериментальные точки, соответствую щие конформациям углеводного кольца в нуклеозидах, нуклеоти дах и нуклеиновых кислотах, расположились по дну оврага. Лишь несколько точек имеют сравнительно большие энергии, однако почти все они относятся к структурам, расшифрованным более 10 лет назад, когда точность определения координат атомов в та ких сложных молекулах была еще недостаточно высокой. Впро чем, вопрос об относительных энергиях конформеров не так прост, ибо электростатические взаимодействия играют здесь далеко не последнюю роль: без учета кулоновских взаимодействий энергии всех эндо- и э/езо-конформаций были бы примерно одинаковыми. Имея в виду, что современные методы расчета электростатической энергии далеки от совершенства, карте на рис. 9.1 следует при давать лишь качественное значение.
Азотистые основания и фосфатные группы
Следующим важным элементом структуры нуклеиновых кислот являются азотистые основания. Во всех рентгеноструктурных ис следованиях пуриновых и пиримидиновых оснований нуклеино вых кислот отмечается, что атомы, составляющие кольца, лежат приблизительно в одной плоскости (отклонения от средней плоско-
н |
н |
|
|
|
|
|
|
V11,328 |
|
|
|
О |
|
|
|
|
|
11,23% |
М |
|
м |
Н ч |
<*120а^12Во £ |
|
|
113' |
с |
|
|
N |
|
|
120° \5 |
|
|
|
|
о|3127° |
120 |
,5 |
|
1,38/1 |
11,398 |
1.3Щ |
|
|
1,ЗЬ° |
|
^ 1 2 2 °Q m ' |
|
|
|
С 118° |
119 С |
|
|
|
О |
|
|
|
|
'Н |
СГ |
I |
|
f |
| ; |
^ |
|
|
|
|
|
|
|
н |
|
|
|
н |
|
|
|
|
|
цитозин |
|
|
урацил |
|
|
Рис. 9.2. Средние величины длин связей и валентных 'углов гетероцикличе
ских оснований нуклеиновых кислот.
сти находятся в пределах ошибок эксперимента). Однако экзоциклические связи нередко выходят на небольшие углы из этой плос кости. Так, в молекуле аденозин-5'-фосфата [10] плоскость ами ногруппы составляет с основанием угол 25°, атом С5 лежит на 0,043 А ниже, а атом Nx — на 0,051 А выше плоскости основания. Во всех структурах нуклеозидов и нуклеотидов отклонение атома Си углеводного остатка от плоскости основания довольно великопорядка 0,2 А, вследствие чего угол гликозидной связи с плоско стью основания составляет 5—8°.
На рис. 9.2 приведены оценки средних (усредненных по много численным экспериментальным данным) значений длин связей и валентных углов в основаниях [15, с. 167]. Большие расхождения между структурными параметрами, полученными в разных ра
ботах для одного и того же основания, зависят в ряде случаев от того, является ли основание протонированным или непротонированным. Помимо этого определенное влияние на структуру осно вания оказывают и межмолекулярные водородные связи. Тем не менее в расчетах конформаций моно- и полинуклеотидов имеет смысл использовать усредненные величины.
Структура фосфатной группы детально проанализирована в ря де работ ЦБ, 16]. Таким образом, средние значения длин связей и валентных углов в нуклеотидах и соответствующих полимерах известны в настоящее время с достаточно хорошей точностью. На рис. 9.3 приведены структурные параметры нуклеотида, ис пользовавшиеся Арноттом 116] в рентгеноструктурных исследова ниях нуклеиновых кислот. Можно ожидать, что в реальных ну клеотидах и нуклеиновых кислотах отклонения длин связей от значений, указанных на рис. 9.3, не будут превышать 0,02 А, а валентных углов — 1—2°.
О
|
|
Рис. 9.4. |
Нумерация атомов и |
но |
рые валентные углы отрезка полинукле- |
менклатура |
конформацнонных |
уг |
отидной цепи для конформации саха |
лов мономерной единицы полину |
ра С3,-9ндо (для |
С2,-эядо-конформацни |
клеотида. |
|
|
валентные углы |
при С2, должны быть |
|
|
|
вменены на углы приС3, и наоборот).
Разумеется, знание длин связей и валентных углов необхо димо для конформационного анализа полинуклеотидов. Однако существенными параметрами потенциальных функций этих макро молекул являются, как и в случае стереорегулярных полимеров и полипептидов, двугранные углы — углы вращения вокруг оди нарных связей рибознофосфатного скелета, а также угол враще ния вокруг глнкозидной связи.
Арнотт и Хакинс 117] предложили удобную номенклатуру кон формаций полинуклеотидов. На рис. 9.4 приведена мономерная единица полинуклеотида и указаны обозначения углов вращения.
Движение по полинуклеотидной цепи, согласно этой номен клатуре, происходит в направлении от С5' к С3'. Конформационные углы для /-го остатка обозначаются срг-, фг, 0г, | г, <хг, сог. Углы вращения отсчитываются от г^цс-конформаций (аналогично рас смотренной в гл. 7 номенклатуре конформаций стереорегулярных
макромолекул), положительное направление соответствует вра щению по часовой стрелке, угол у отсчитывается от цис-конфор мации связи N4—С2 пиримидина (или N9—С4 пурина) по отноше нию к связи Сг —С2- сахара. Некоторая неоднозначность возни кает в описании конформаций углеводного кольца: если двугран ный угол Сб'С гСз'О обозначить через а, а Сз'С^Сз'Сг' —через о', то а' = 125° + о.
Конформации нуклеозидов
Рассмотрим сначала угол у, характеризующий взаимное положе ние основания и углеводного кольца. Очевидно, если заданы угол у и конформация углеводного кольца, то структуру нуклеозида можно считать полностью определенной. До того, как была пред ложена рассмотренная выше номенклатура конформаций, для описания вращения вокруг гликозидной связи обычно использо вался угол <pCN, введенный Донохью и Трубладом [18] и опреде ляемый как угол, образованный следом плоскости основания и проекцией связи О/ —О рибозы (или дезоксирибозы) на плоскость, перпендикулярную гликозидной связи. Положительные углы от считываются по часовой стрелке, если смотреть вдоль связи Сц—N от Q' к N; (pCN считается равным 0°, когда угол между проекци ями связей Ci— О и N9—С4 в пурине (или N4—С2 в пиримидине) равен 180°. Из рассмотрения молекулярных моделей авторы за ключили, что существуют две предпочтительные области торсион ных углов. Первая — с <pCN, равным —30 ± 45° (анти-область), вторая — с cpCN, равным + 150 ± 45° (спн-область). Например, для аденозина:
н о о н
(Хотя дальнейшее обсуждение будет проведено в терминах (pCN, надо иметь в виду, что cpCN и у связаны простым соотношениемФеи ~ 1 4- 63°, точнее, для Су-зндо-конформации сахара cpCN = = у +64,8°, а для С3'-зядо-конформации cpCN = у +61,6°.
Из рентгеноструктурных данных следует, что в подавляющем большинстве кристаллических нуклеозидов и нуклеотидов основа ния находятся в анпш-ориентации; исключение составляет дезоксигуанозин [19], в котором срем = + 138°. Непосредственные све дения о конформациях нуклеотидов и нуклеозидов в растворемож-
но получить из экспериментов по дисперсии оптического враще ния и спектрам ЯМР высокого разрешения. В частности, в работе [20] было подтверждено, что пиримидиновые мононуклеотиды в растворе находятся в ан/ли-конформации.
Хашемейер и Рич [21] детально исследовали вопрос о двугран ных углах (pCN в нуклеозидах. Предполагалось, что свобода вра щения и разрешенные конформации определяются расстояниями между атомами оснований и углеводного кольца. Области допу стимых значений (f>cN были найдены с использованием условий Рамачандрана. При этом для улучшения согласия между вычи сленными и наблюдаемыми значениями cpCN в ряде случаев при шлось использовать несколько уменьшенные радиусы атомов.
Расчеты показали, что в пиримидиновых нуклеозидах про странственные затруднения при вращении вокруг гликозидных связей возникают в основном из-за взаимодействия боковых групп при углеродных атомах углеводного остатка со связями С2 = 0 и Ctl—Н основания. Вращение в пуриновых нуклеозидах ограни чено возникновением укороченных контактов с атомом N3 шести членного кольца. Однако при использовании уменьшенных ван- дер-ваальсовых радиусов cpCN может принимать любые значения, лежащие в пределах между син- и ан/лы-конформациями.
В работах [22, р. 77; 23, 24] энергия вращения вокруг гликозидной связи вычислялась с использованием потенциалов нева лентных взаимодействий. При этом было показано, что для уридина, цитидина и аденозина ан/ли-конформации являются самыми выгодными; в гуанозине наиболее устойчива слн-конформация. Согласно работе [22], разность энергий между син- и анти-кон- формациями для аденозина и гуанозина составляет 1—2 ккал/моль, а для уриднна и цитидина — 5—7 ккал/моль. Таким образом, пи римидиновые нуклеозиды и нуклеотиды обычно имеют анти-кон- формацию, а пуриновые — как син-, так и анти-. На рис. 9.5 по казаны потенциальные функции вращения вокруг гликозидной связи для тех конформаций рибозы, которые наблюдались в со ответствующих нуклеозидах (расчеты проводились с потенциала ми Дашсвского).
Интересно, что энергия электростатических взаимодействий практически не оказывает влияния на ход кривых, и потому не определенности, связанные с параметризацией (монопольным при ближением и зарядами, вычисленными по методу Дель Ре), не столь существенны. Более подробный анализ потенциалов вращения для различных конформаций сахарного кольца имеется в работе
[23].
Все изложенные результаты по конформациям нуклеозидов были получены в предположении, что рибоза или дезоксирибоза имеют фиксированные координаты атомов. Однако нельзя думать что при поворотах основания вокруг гликозидной связи углы вра щения фуранозного кольца останутся неизменными. В связи с этим А. А. Луговской, В. Г. Дашевский и А. И. Китайгородский
