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

Анализ результатов рентгеноструктурных исследований А и В форм ДНК, а также РНК подтверждает важную роль стзкингвзаимодействий в полинуклеотидах. Перекрывание оснований в форме А ДНК и в РНК больше, чем в форме В ДНК, и, вероятно, по этой причине молекулы ДНК, имеющие в клетке конформацию, близкую к В, менее стабильны, чем молекулы РНК. (первые су­ ществуют в виде двойных спиралей в более узком интервале тем­ ператур).

Интересно поставить вопрос — является ли перекрывание ос­ нований в молекулах ДНК и РНК оптимальным и определяет ли оно геометрию двойных спиралей? Клаври 155], первым детально исследовавший этот вопрос, рассматривал взаимодействия валент­ но не связанных атомов двух уотсон-криковских пар оснований, используя модифицированные потенциалы Китайгородского и учи­ тывая электростатическую энергию в монопольном приближении. При этом взаимное положение оснований описывалось лишь двумя параметрами: d — расстоянием между параллельными парами ос­ нований и т — углом поворота их друг относительно друга. Как показали расчеты, минимум энергии взаимодействия двух распо­ ложенных друг над другом пар оснований соответствует d » 3,4А, однако т ^ 30—40° (угол спирального вращения, характерный для нуклеиновых кислот) не всегда находится в области миниму­ ма.

В работе В. Г. Дашевского и А. Э. Кистера [56, с. 91] потен­ циальная функция взаимодействия оснований минимизировалась по пяти параметрам — 0lf 02, D, d и т. Значения этих пяти пара­ метров в кристаллических полинуклеотидах для большинства пар оснований не соответствуют минимуму энергии. Что же касается координат минимумов, то они в значительной степени определяют­ ся предположениями, сделанными относительно электростатичес­

ниями на геометрию двойной спирали, накладываемыми рибозофосфатным остовом. Впрочем, о роли остова свидетельствует и тот факт, что персистентная длина полинуклеотидов, которая может быть найдена как вторая производная потенциальной энергии по величине, обратной радиусу кривизны (в равновесном положе­ нии), получается заниженной на порядок, если учитывать только взаимодействия оснований. Следовательно, за геометрию и свой­ ства нуклеиновых кислот ответственны не только основания, т. е. не только стэкинг-взаимодействия, но и конформационные воз­ можности рибозофосфатного скелета, и потому для предсказания структуры нуклеиновых кислот имеет смысл искать минимум энергии взаимодействия всех атомов полинуклеотидной цепи по всем важнейшим геометрическим параметрам и в первую оче­ редь по ф, ф, 0, £, (о и х-

Арнотт и Хакинс [17] отметили некоторые важные черты кон­

формации мономерных компонентов и полинуклеотидов, которые могут быть полезны для теоретического конформационного анали­ за. В отличие от элементарных фрагментов полипептидов, конформационные углы мономерных компонентов и нуклеиновых кис­ лот ограничены совсем небольшими интервалами значений. Более того, углы, наблюдающиеся как в мономерных компонентах, так и в полинуклеотидах, почти идентичны.

Для угла вращения ср (см. рис. 9.4) в мономерных компонен­

такой же интервал, £ — 51° ± 4°, характерен идля полинуклеоти­ дов.

Только для угла вращения ш вокруг связи О—С3- (угол со) не имеется соответствия между углами, наблюдающимися в моно­ мерных компонентах и полинуклеотидах: для первых характерен интервал 252° ± 16°, а для вторых — 196° ± 10°. Возможно, что второй ряд значений ие был обнаружен в мономерных компонен­ тах по той причине, что мы располагаем только тремя простран­ ственными структурами нуклеозид-З'-фосфатов.

Наконец, угол вращения х вокруг гликозндной связи (мы уже указывали его связь с tpCN) имеет интервал значений 299° ± 31° для ош-конформации и два интервала для awmw-конформации в мономерных компонентах: 84° ± 7° и 110° ± 10°, причем первый интервал возникает в тех случаях, когда углеводное кольцо нахо­ дится в конформации С3'-эндо и Сз’-экзо, а второй интервал — для конформации С„'-эндо. В полинуклеотидах, для которых характер­ на конформация углеводного кольца С3- -эндо, т. е. в форме А ДНК, в РНК, а также в некоторых синтетических полинуклеотидах угол X ограничен очень узким интервалом значений, 77° ± 3°, в то же время для форм В и С ДНК (конформация сахара С2- -эндо) раз­ брос значений довольно велик: 173° и 139° соответственно.

Конформации углеводного остатка, которые можно характери­ зовать углами o', а", о '" (см. рис. 9.4), имеют интервалы значений этих углов в мономерных компонентах: 204° ± 2°, 37°±4°, 97°±6

420

для конформации С3'-эндо и 266° ± 4°, 323° ± 4°, 152° ± 3°

для конформации Сг’-эндо; в полинуклеотидах эти углы практи­ чески не имеют разбросов значений, а именно (o', о", о'") — = (205°, 38°, 94°) для конформации сахара С3-эндо и соответствен­ но (266°, 323°, 158°) для Сг-андо.

Таким образом, конформационные углы мономерных компо­ нентов и полинуклеотидов имеют весьма малые интервалы экспе­ риментально наблюдаемых значений, причем в полинуклеотидах эти интервалы значительно меньше. Замечательно, что значения

Ф, ф, 0, |, со, х . а ,> °'"> а'"> равные приблизительно (соответ­ ственно) 290°, 294°, 188°, 51°, 196°, 77°, 205°, 38°, 94°, почти адекват­ но описывают конформации всех полинуклеотидов, изученных ме­ тодами рентгеновской кристаллографии, кроме форм В и С ДНК. Для этих последних необходимы только изменения в значениях о', о", о’" и у, соответствующие дискретному изменению кон­ формации сахара и сопутствующему ему сдвигу в значении у- Почти все наблюдавшиеся конформации имеют близкое к скрещен­ ному расположение связей рибозофосфатного скелета, однако фак­ торы, определяющие выбор того или иного интервала, пока еще не ясны.

Приведенные в этом разделе данные показывают, что в на­ стоящее время уже? имеется богатый экспериментальный материал, необходимый для теоретического конформационного анализа син­ тетических полинуклеотидов и нуклеиновых кислот. Наиболее ин­ тересными представляются следующие вопросы, которые могут быть решены методом атом-атом потенциалов: 1. Соответствуют ли локальные или абсолютные минимумы энергии динуклеозидфосфатсв и однетяжевых полинуклеотидов геометрии, характерной для двойных спиралей нуклеиновых кислот? 2. Каковы относи­ тельные энергии форм А и В двойных спиралей и какие расчетные параметры дают минимумы энергии, соответствующие этим фор­ мам? 3. По какому пути осуществляется кенформацпонньш пере­ ход форма В ----* форма А, необходимо ли при этом преодоление потенциального барьера? 4. Каковы возможности для посадки мо­ лекул воды в желобе двойной спирали ДНК и как влияет структу­ рированная вода на выбор оптимальной конформации? Помимо ответов на эти вопросы, метод атом-атом потенциалов, вероятно, даст возможность получить и некоторые величины, характеризую­ щие свойства нуклеиновых кислот в растворах, например перси­ стентную длину ДН К и PH К-

421

p.930.

■422