Властивості азотистих основ

Вільні піримідини та пурини через присутність атомів азоту в гетероциклах володіють слабкими основними властивостями, тому саме і були названі основами. Обидва види основ є резонансними молекулами з великою кон’югованих зв’язків, що визначає їх основні властивості у плані структури, розподілу електронної щільності та поглинання світла молекулами НК.

Явище резонансу між атомами кілець основ дає більшості із зв’язків частково подвійний характер. Це призводить до того, що кільця піримідинів є повністю плоскими, в той час як пурини майже плоскі з невеликою складкою.

Вільні основи обох типів можуть існувати у декількох таутомерних формах в залежності від рН. Так, урацил може бути у формі лактаму (кето-), лактиму (дигідрокси-) та лактам-лактиму (кето- та гідрокси-). Також існують форми амінні та імінні (наприклад, для аденіну або гуаніну). На слайді 5 показані таутомери, які домінують за рН =7,0.

Ще одним наслідком резонансності структур основ є те, що всі вони інтенсивно поглинають УФ-промені, тому всі НК характеризуються сильним поглинанням за довжини хвилі 260 нм (слайд 9).

За нейтрального рН (у клітинах) основи є гідрофобними та практично не розчиняються у воді. За кислого або лужного рН бази отримують заряд, тому їхня розчинність у воді зростає. Саме гідрофобна природа основ дозволяє їм вступати між собою у:

1. Ван-дер-Ваальсові взаємодії,

2. диполь-дипольні зв’язки,

3. стекінг-взаємодії.

Такі види взаємодій є дуже важливими для мінімізації контакту основ з водою і є основним фактором стабільності вторинної структури НК.

Найбільш важливими функціональними групами основ є атоми азоту кілець, карбонільні групи та екзоциклічні аміногрупи. Саме водневі зв’язки між основами, що здійснюються через дані групи, є другими важливими факторами стабільності будови НК.

Енергетичні параметри спарювання азотистих основ

Можливість спарювання основ між собою лягла в основу компліментарності ланцюгів ДНК ще у моделі Уотсона-Крика, про яку ми детально поговоримо пізніше. Напочатку, в 1953 році, вважали, що обидві види пар основ А-Т та Г-Ц мають однакову кількість водневих зв’язків – по 2. Одначе через 3 роки по тому було запропоновано існування 3 зв’язків між Г та Ц (слайд 10).

У 1976 році Річ з колегами за допомогою кристалографічних досліджень високої роздільної здатності (0,8-0,9 ангстрем) для дуплексів рибонуклеотидмонофосфатів GpC та ApU встановили геометрію пар основ (слайд 10). Отримані результати вказували на те, що різниця у розмірі пар є мінімальною, що видно з відстаней між глікозидними атомами вуглецю у парі. Так, відстань між першими атомами пентози у парі Г-Ц складає 10,67 А, в той час, як у парі А-Т – 10,48 А.

За допомогою симуляції молекулярної динаміки у водному середовищі було визначено вільну енергію зв’язків між парами основ: - 4,3 ккал/моль для А-Т та – 5,8 ккал/моль для Г-Ц. Причому у парах, де здійснювали обертання основ на 180⁰, значення вільної енергії не змінювалося. Пізніше ці дані підтвердилися у експериментах з використанням квантово-механічних методів а також за допомогою тестів у силовому полі.

Ентальпії взаємодій гідратованих пар А-Т та Г-Ц складають 14,0 та 27 ккал/моль відповідно (тобто приблизно по 7-9 ккал/моль на кожен водневий зв’язок).