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

i25] исследовали проблему конформаций нуклеозидов с гибким фуранозным кольцом. Хотя основные выводы относительно раз­ решенных областей <pCN в этом случае меняются мало, интересно, что между конформацией сахара и положением основания (син­ или анти-) имеется определенная корреляция.

водного кольца на 0,2 А, штрихпунктирная кривая — плоское расположение валентны* связей атома N, участвующего в образовании гликозидной связи, пунктирная кривая — расчет с учетом электростатических взаимодействий); в — уридин; г — цитидин.

Конформации мономерной единицы попинуклеотидной цепи

Рассмотрим возможные конформации фрагментов полинуклеотидной цепи, считая вращение вокруг гликозидной связи и двугран­ ные углы в рибозофосфатном скелете независимыми. На рис. 9.6 показан фрагмент, детально исследованный методом жестких сфер Рамачандраном и сотр. [26, v. 2, р. 641] (этот фрагмент несколько отличается от мономерной единицы, предложенной Арноттом и Хакинсом, см. рис. 9.4). Необходимо отметить, что для полного описания конформации нуклеозид-З'-фосфата необходимы сведе­ ния об угле ф, а для нуклеозид-5'-фосфата — об угле ф. Однако поскольку вращения, по крайней мере, с той точностью, которую дает метод жестких сфер, не коррелированы, а ф и ф не играют большой роли в случае мономерной единицы цепи, можно считать, что рассмотрение этого фрагмента дает информацию о разрешен­ ных и запрещенных областях для мононуклеотидов.

409

Для нахождения разрешенных конформаций каждое вращение представляется матрицей, и координаты атомов ротаметра вычи­ сляются по методике, описанной в разделе 5 гл. 2. Включение в расчет атомов водорода оказывает заметное влияние на разрешен­ ные области. В то же время существенно, что введение пуриново­ го или пиримидинового основания практически не изменяет конформационной свободы фрагментов, откуда следует независимость углов вращения в рибозофосфатном скелете и угла <pCN (или х). Возможные конформации характеризуются следующим набором торсионных углов: 0 около 180°, £ около 60°, 180° и 300°, со в пре­ делах от 210° до 260°.

Индийские авторы [27] провели конформационный анализ ука­ занного фрагмента с использованием атом-атом потенциалов. Они

поиск глобального экстремума потенциальной энергии фрагмен­ та, показанного на рис. 9.6,— задача далеко не тривиальная, не говоря уже о том, что выбор его в значительной степени опреде­ ляется параметризацией.

В регулярном однотяжевом полимере (например, поли-А) рибознофосфатный стержень содержит уже пять независимых пара­ метров, т. е. в дополнение к рассмотренным выше углам необхо­ димо включить еще ср и ф. Углы ср и ф появляются только в динуклеозидфосфатах, и по этой причине разрешенные конформа­ ции макромолекулы могут быть найдены из |рассмотрения динуклеозидфосфатов (с аналогичной ситуацией мы встречаемся при исследовании олиго- и полипептидов — все основные закономер­ ности следуют из анализа конформационных карт дипептидов).

Индийские авторы [28] исследовали методом атом-атом потен­ циалов конформации динуклеозидфосфата, представляющего со­ бой два нуклеозидных остатка, соединенные фосфорноэфирными свя­ зями. Конформационная карта (ср, ф), согласно их расчету, имеет семь сравнимых по глубине минимумов, причем выбор глобаль­ ного минимума практически полностью определяется параметри­ зацией— выбором парциальных зарядов, постоянной е и «имма­ нентных» потенциалов связей Р—О. Можно только сказать, что

410

предпочтительны гош-конформации с углами вращения ср, ф, рав­ ными соответственно 60°, 60° или 300°, 300°, менее выгодны дру­ гие комбинации гош-конформаций. Такого типа конформации наб­ людались в экспериментальных исследованиях подобных моле­ кул.

Итак, в отличие от пептидных производных, двумерные конформационные карты которых позволяют найти положение и фор­ му минимумов мономерной единицы, при решении подобных задач для производных нуклеотидов мы сразу же сталкиваемся с проб­ лемой многих минимумов, и решение ее, вероятно, будет не про­ сто.

2. КОНФОРМАЦИИ ОДНОТЯЖЕВЫХ ОЛИГО- И ПОЛИНУКЛЕОТИДОВ

Рассматривая мономерные единицы или нуклеотидные фрагмен­ ты, содержащие не более одного основания, мы могли ограничить­ ся учетом только атом-атом потенциалов. При переходе к олиго­ мерам и полимерам важно принять во внимание большую роль гидрофобных, точнее, сольватофобных взаимодействий. Действи­ тельно, нативные нуклеиновые кислоты, в которых основания рас­ положены стопкообразно, существуют только в водных растворах в определенном интервале температур; в органических раствори­ телях или при повышении температуры они денатурируют.

Важную роль гидрофобных взаимодействий в формировании пространственной структуры олиго- и полинуклеотидов впервые подчеркнули и попытались теоретически объяснить Синаноглу и Абдульнур [29]. Эта роль сводится к тому, что в системе поли­ нуклеотид — растворитель возникают силы, препятствующие кон­ тактам неполярных оснований с полярной жидкостью (водой), и они способствуют сближению оснований и возникновению стопко­ образной конформации (подобным же образом стремятся прийти в соприкосновение друг с другом неполярные группы R в белках).

Следует еще сказать, что если мы хотим оценить свободную энергию полинуклеотида, то непременно должна быть учтена кон­ фигурационная энтропия. В принципе ее можно рассчитать, ис­ пользуя потенциальные функции, как это делал Флори для поли­ пептидов, с той лишь разницей, что интегрирование придется ве­ сти не в двумерном, а в шестимерном пространстве. Большая роль конфигурационной энтропии следует из того, что при создании жесткой столкообразной конформации вращение вокруг одинар­ ных связей резко ограничивается. Во всяком случае именно кон­ фигурационная энтропия несет основную ответственность за раз­ ность свободных энергий двухтяжевых полинуклеотидов (в кото­ рых внутреннее вращение вокруг 10 связей практически полно­ стью заторможено) и однотяжевых полинуклеотидов, образующих­ ся в результате денатурации.

411

Изменение свободной энергии полинуклеотида при любой конформационной перестройке (в частности, при переходе от упорядо­ ченной стопкообразной конформации к неупорядоченной) может быть записано в виде

где A/Vb — изменение энергии невалентных взаимодействий, вы­ ражаемой с помощью атом-атом потенциалов; AF3„ — изменение электростатической энергии и AS — изменение энтропии, вклю­ чающее энтропию растворения (т. е. гидрофобные взаимодействия) и конфигурационную энтропию.

Впервые вопрос о количественном вкладе различных сил, опре­ деляющих конформацию, в полную энергию полинуклеотида был поставлен в работе Де Во и Тиноко |30]. Невалентные взаимодей­ ствия оценивались весьма сложным и спорным образом, но полу­ ченные значения по порядку величины сопоставимы с результа­ тами более поздних работ. Вычисление электростатической энер­ гии проводилось в диполь-днпольном приближении, причем то­ чечными диполями служили целые осногаиия. Величина измене­ ния энтропии растворения (AS = +28 з. е. на моль) была взята авторами из работы Козмана 131 i, изучавшего растворение бензо­ ла в воде. Изменение конфигурационной энтропии рассчитыва­ лось по формуле AS = Д’ InZ, где Z — статистическая сумма, и составляет по разным подсчетам —4,6 или —13,1 э. е., в зависимо­ сти от числа устойчивых конформационных состояний при вра­ щении Еокруг одинарных связей в полинуклеотиде.

В последующих многочисленных работах 132—351 количествен­ ные оценки, сделанные Де Во и Тиноко, неоднократно критико­ вались, в частности все авторы указывали на недопустимость при­ ближения точечных диполей и проводили учет кулоновских взаи­ модействий, центрируя заряды на атомах оснований. Коррект­ ность той или иной параметризации для различных составляю­ щих свободной энергии полинуклеотида и в настоящее время не может быть доказана с определенностью. Между тем основные идеи были высказаны именно Де Во и Тиноко и ими же теорети­ чески было установлено наличие сильных стэкинг-взаимодей- ствии, стабилизирующих структуру однотяжевых п двухтяжевых полинуклеотидов, в то время как водородные связи, на которых основывалась модель Уотсона и Крика, играют второстепенную роль. Анализируя результаты расчетов различных авторов, мож­ но отметить, что хотя между ними нет количественного согласия, качественный вывод Де Во и Тиноко о доминирующей роли стэ- кинг-взакмодействий в стабилизации конформаций дикулеозкдфосфатов, олигомеров, а также однотяжевых и двухтяжевых по­ линуклеотидов разделяется всеми авторами.

Приведем несколько цифр, характеризующих взаимодействия оснований, уложенных в стопку 1351. Для двух молекул аденина, расположенных одна под другой, энергия электростатических вза­

412

имодействий составляет 0,98 ккал/моль, энергия притяжения не­ связанных атомов 10,96 ккал/моль и энергия отталкивания 2,47 ккал/моль; для молекул тимина соответствующие значения равны 0,62; 7,00 и 2,34 ккал/моль и т. д. Таким образом, наиболь­ ший вклад принадлежит дисперсионным взаимодействиям, отно­ сительно слабо зависящим от последовательности оснований и быстро убывающим с расстоянием (для оснований, отделенных одно от другого всего лишь одним нуклеотидным звеном, дисперсион­ ная энергия уменьшается в 30—40 раз по сравнению с энергией взаимодействия соседних оснований). Электростатическая энер­ гия почти во всех вариантах имеет знак - f, т. е. противодействует укладке оснований в стопку.

Конечно, ценность такого рода оценок снижается вследствие того, что влияние растворителя в них никак не учитывается, и по­ лученные цифры справедливы для вакуума. В водных растворах, полинуклеотидов гидрофобные взаимодействия должны дополни­ тельно стабилизировать укладку оснований в стопку. Действи­ тельно, стабилизации невалентнымп взаимодействиями (5— 8 ккал/моль-основание) еще недостаточно, чтобы сделать энергию системы полинуклеотид — растворитель минимальной для этой конформации: в органических растворителях (например, поли-С в этиленгликоле [36]), которые, как известно, являются эффектив­ ными денатурантами, минимум свободной энергии соответствует беспорядочной конформации полинуклеотида. За возникновение беспорядочной конформации ответственна при этом конфигура­ ционная энтропия, которая резко повышается при «разморажива­ нии» вращений вокруг одинарных связей рибозофосфатного ске­ лета.

Имеется немало доказательств того, что пуриновые и пирими­ диновые основания (сами по себе или в составе различных произ­ водных) в водных растворах благодаря сильным стэкинг-взаимо- действиям укладываются в стопку: работы но исследованию спек­ тров ЯМР [37], измерению дисперсии оптического вращения [38], кругового дихроизма [39] и поглощения в ультрафиолетовой обла­ сти [40], измерению осмотического давления [11] и ряд других ра­ бот. Наконец, надо отметить единственные структурные данные для аденилилуридина [42], полученные из анализа рентгено­ грамм. В этой структуре оба основания находятся в анти-кон­ формации, характерной для нуклеозидов, причем основания при­ близительно параллельны (с точностью до 15°) и отстоят одно от другого примерно на 3,4 А.

Не следует, однако, думать, что стэкинг — это непременно пол­ ное наложение плоскостей одного основания на другое. Напро­ тив, в большинстве случаев основания перекрываются лишь час­ тично. Авторы работы [43], проанализировавшие стэкинг в 70 кристаллических структурах нуклеозидов, нуклеотидов и поли­ нуклеотидов, отметили, что, хотя частичное перекрывание осно­ ваний — явление весьма распространенное, нередки случаи стэ-

413