Конформації площин пентоз

П’ятичленна дезоксирибоза у складі ДНК, по суті, не є планарною. Така відсутність справжньої плоскості називають складчастістю пентози. Конформація такої площини цукру описується п’ятьма основними ендоциклічними торсійними кутами, як показано на слайді 13.

Складчастість кільця пентози походить від ефекту нековалентних взаємодій між замісниками біля чотирьох атомів вуглецю цукру – найбільш енергетично стабільна з конформацій потребує, щоб усі замісники знаходилися якнайдалі один від одного. Таким чином, різні замісники можуть давати різну картину складчастості.

Складчастість можна охарактеризувати двома основними шляхами:

1. За допомогою простого аналізу положення атомів кільця, які не входять у площину кільця.

2. За допомогою більш складного аналізу торсійних кутів всередині кільця.

В принципі, існує певна кількість взаємоперетворюваних видів складчастості, які розділені між собою енергетичними бар’єрами. Основна причина змін конформації кільця полягає саме у зміні значення торсійних кутів. Для врахування таких кутів у різних конформаціях використовують так зване псевдоротаційне колесо пентоз (слайд 13).

Експериментально за допомогою кристалографії та ЯМР було доведено існування доволі широкого діапазону складчастостей кільця цукру. Коли один з атомів кільця відхиляється від загальної площини, говорять про конформацію конверта один.

Частіше зустрічається варіант, коли декілька атомів відхилено від площини, наприклад, двоє з них знаходяться не у площині інших трьох. Причому один з відхилених атомів віддаляється від площини більше, ніж інший, що навіть призводить до конформації, відомої як твіст.

Дуже важливим є напрямок відхилення атомів від площини пентози. Якщо відхилення спостерігається на стороні азотистої основи та зв’язку С4’-С5’, тоді відхилений атом називається ендо. Якщо ж відхилення йде на протилежному боці – екзо. Найбільш часто спостереженими варіантами складчастості пентоз у кристалічних структурах ізольованих нуклеозидів та нуклеотидів є типи С2’-ендо та С3’-ендо (слайд 14). Але на практиці такі чисті форми конвертної конформації присутні рідко через різні замісники на кільці.

Якщо брати до уваги конформації твісту, то тут також є свої особливості. Коли більше відхилення одного з атомів спостерігається з ендо-боку площини цукру, то менше відхилення – на екзо-боці. Чиста конформація твісту виявляється тоді, коли атоми, відхилені на обох боках від площини, йдуть один за одним, наприклад, С2’ендо – С3’екзо. Складчастості з родини С2’ендо часто називають «південними» (S) конформаціями через те, що вони розташовані внизу псевдоротаційного колеса пентоз (значення основного кута 140⁰-185⁰). Конформації С2’екзо, навпаки, отримали назву N – «північних» (кут має значення від -10⁰ до +40⁰). Такі «географічні» назви дуже поширені серед ЯМР-спектроскопістів.

З вигляду псевдоротаційного колеса можна зробити висновок, що наявні конформації цукрів здатні переходити одна в одну. На практиці існують певні енергетичні бар’єри, що перешкоджають таким переходам між головними формами. Ольсоном та Сусманом було доведено, що висота бар’єру залежить від величини шляху за псевдоротаційним колесом. Наприклад, для перетворення конформації С2’-ендо на С3’-ендо пентоза повинна перейти через стан О4’-ендо з теоретично розрахованим бар’єром у 2-5 ккал/моль (1,5 ккал/моль згідно даних моделювання молекулярної динаміки). Інші методи дали близьке значення 2,5-4 ккал/моль.

Відносну кількість та якість складчастостей можна прямо спостерігати за допомогою ЯМР, беручи до уваги співвідношення констант поєднання між Н1’-Н2’ та Н3’-Н4’ протонами. Такі дослідження показали, що у розчині нуклеотидів відбуваються дуже швидкі переходи між конформаціями цукрів. До того ж, напрямок цих переходів залежить від природи замісників:

1. В пуринах переважною є конформація С2’-ендо, тоді як у піримідинах - С3’-ендо.

2. Дезоксирибонуклеозиди переважно (більше 60%) знаходяться у формі С2’-ендо, а рибонуклеозиди – С3’-ендо, це пов’язано з тим, що дві гідроксильні групи у положеннях 2 та 3 цукру будуть знаходитись найдалі одна від одної саме у конформації С3’-ендо.

3. Рибонуклеозиди набагато більш обмежені у переходах між конформаціями, що має свій ефект на структуру полімерних нуклеотидів, про що ми поговоримо пізніше.

Загалом, вид складчастості пентози у нуклеотидах корелює з варіантами конформацій цукрово-фосфатного кістяка НК, як було показано за допомогою ЯМР на ізольованих олігонуклеотидах та індивідуальних нуклеозидах/нуклеотидах. Зміни складчастостей у цукрі є важливими детермінантами структури оліго- та полінуклеотидів, оскільки таким чином варіюються орієнтації замісників біля атомів С1’, С3’ та С4’, що призводить до важливих змін у формі кістяку та глобальній будові НК.