1.3.3.Конформация нуклеозидов и нуклеотидов

Нуклеозиды и нуклеотиды представляют собой сложную конформационную систему. Для удобства обычно отдельно рассматривают конформацию трех частей молекулы: гликозидной связи, фуранозного цикла и экзоциклической 5-СH₂OR-группы. В простейшем случае взаимным влиянием конформаций этих частей молекулы пренебрегают (нет смысла говорить, что это является достаточно грубым приближением).

В настоящее время конформация нуклеозидов изучена достаточно хорошо как в водном растворе (в основном методом ядерного магнитного резонанса), так и в кристалле (рентгеноструктурный анализ с разрешением на атомном уровне).

Конформация гликозидной связи

В растворе для всех нуклеозидов характерно равновесие двух гликозидных конформаций — анти и син. В первом случае (Рис. 2 .21) над фуранозным циклом расположены относительно маленькие по объему заместители — Н6-атом пиримидинового или Н8-атом пуринового основания.

Рис. 2.21. Анти-конформации 2-дезоксиаденозина (слева) и цитидина (справа). Над фуранозным циклом расположены маленькие атомы водорода

В син-конформации (Рис. 2 .22) нуклеиновое основание повернуто вокруг гликозидной связи на ~180° и над сахарным остатком расположены объемные заместители — 2‑карбонильная группа пиримидинового или пиримидиновый цикл пуринового основания.

Рис. 2.22. Син-конформации 2-дезоксиаденозина (слева) и цитидина (справа). Над фуранозным циклом расположены большие по объему атомы

Количественно конформацию относительно гликозидной связи описывают двугранным углом между плоскостями, образованными атомами С2–N1–C1 пиримидинового (или С4–N9–C1 пуринового основания) и атомами N1(N9)–C1–О4Рис. 2 .23. Этот угол обозначают греческой буквой  (“кси”) и измеряют по часовой стрелке от ближней связи к дальней. Для анти-конформации угол  находится в области 180300° (или –60180°), для син-конформации — в области 0120°.

Рис. 2.23. Измерение гликозидного торсионного угла 

Пиримидиновые нуклеозиды существуют в водном растворе преимущественно в анти‑конформации. Пуриновые нуклеозиды представляют собой смесь син- и анти-конформаций в соотношении, близком к 1:1. В растворе как пиримидиновых, так и пуриновых 5‑нуклеотидов преобладает анти-конформация.

Конформация фуранозного цикла

Пятичленное кольцо рибозного остатка является неплоским, что вызвано отталкиванием заместителей при атомах углерода цикла. В плоской системе эти заместители (атомы водорода, нуклеиновое основание и СН₂ОН-группа) находились бы в заслоненной конформации (напомню, что заслонение даже таких маленьких по объему заместителей, как атомы водорода, повышает энергию молекулы на 1 ккал/моль). Неплоские искажения уменьшают отталкивание заместителей. Такие искажения могут быть двух типов.

1. Один из атомов цикла выведен из плоскости, образованной четырьмя остальными. Такую конформацию называют «конвертом» и обозначают буквой Е (Рис. 2 .24).

2. Два соседних атома выведены из плоскости трех остальных в противоположные стороны. Это — конформация «твист» (T) (Рис. 2 .24).

Рис. 2.24. Идеализированные конформации фуранозного цикла: конверт _1Е и твист ^2T_3 (В — нуклеиновое основание); стрелками указано направления вывода атомов кольца из плоскости

Как показывают экспериментальные данные сахарный остаток в растворе нуклеозидов (и нуклеиновых кислот) может принимать две устойчивых конформации, схематически представленные на Рис. 2 .25.

Рис. 2.25. Стабильные конформации фуранозного цикла (В — нуклеиновое основание)

Обе конформации представляют собой нечто среднее между идеализированным “твистом” и “конвертом”. Первую обозначают как С3-эндо-, а вторую — как С2-эндо-конформацию. За основу названия берется тот атом цикла, который сильнее выведен из плоскости Cl–О4–C4. Если этот атом выведен в ту же сторону, что и 5-CH₂OH-группа, то такую конформацию называют эндо-конформацией (в противном случае — экзо-конформацией). В растворе как нуклеозидов, так и нуклеотидов наблюдается динамическое равновесие С3‑эндо- и С2-эндо-конформаций, причем для пуриновых соединений несколько преобладает вторая конформация (60:40), а для пиримидиновых — первая (так же 60:40).

Такое описание конформации фуранозного цикла является качественным и весьма упрощенным. На количественном уровне конформацию фуранозного цикла количественно описывают в терминах концепции псевдовращения, основные понятия которой будут рассмотрены ниже.

Конформация экзоциклической 5-СН₂ОН-группы

Экзоциклическая 5-CH₂OH-группа в своем вращении вокруг С4–C5-связи может занимать три устойчивых положения (скошенные конформации), представленных на Рис. 2 .26.

Рис. 2.26. Стабильные конформации (ротамеры) относительно С4–C5-связи

В растворе сосуществуют все три ротамера, но наиболее устойчивым является гош⁺.

Концепция “жесткого” нуклеотида

Таким образом, в растворе нуклеозидов может присутствовать 12 конформеров (2 [две конформации относительно гликозидной связи — син и анти] х 2 [две конформации фуранозного цикла — С2‑эндо и С3-эндо] х 3 [три конформации относительно связи С4–С5 — гош⁺, гош^– и транс]). Как уже говорилось выше, конформации отдельных частей молекулы нуклеозида взаимосвязаны. За счет такой корреляции некоторые из конформеров оказываются существенно более стабильными, чем другие и в растворе нуклеозидов в существенных количествах (более 5%) присутствует лишь часть из 12 возможных конформеров (4–6 для пиримидиновых и 6–8 для пуриновых). Энергетические барьеры между этими конформерами достаточно низки и они быстро взаимопревращаются друг в друга. Присоединение остатка фосфорной кислоты к 5-гидроксилу рибозы (переход от нуклеозидов к 5-нуклеотидам) должно было бы увеличить число конформеров в три раза. Однако на практике этого не наблюдается. Наоборот, число конформеров в равновесной смеси существенно уменьшается. Это связано с тем, что электростатическое взаимодействие между отрицательным зарядом фосфатной группы и частичным положительным зарядом при С8 пуриновых или С6 пиримидиновых нуклеотидов стабилизирует, с одной стороны, анти-конформацию нуклеинового основания, а с другой, гош⁺-конформацию экзоциклической гидроксиметильной группы. Поэтому в растворе присутствуют лишь два конформера — анти-(С2-эндо)-гош⁺ и анти-(С3-эндо)-гош⁺, различающиеся конформацией фуранозного цикла. Энергетический барьер между ними достаточно высок, что делает эти конформеры “конформационно жесткими”. В этом смысле можно говорить о “жесткой” нуклеотидной единице. Пространственное строение двух “жестких” конформеров 5-нуклеотидов представлены на Рис. 2 .27.

Рис. 2.27. “Жесткие” мономерные единицы. Цифрами показано расстояние между центрами атомов Р и О3

Концепция “жесткой” мономерной единицы сыграла положительную роль в изучении конформации нуклеиновых кислот. Дело в том, что анти-(С2-эндо)-гош⁺-конформер является основой двойной спирали дезоксирибонуклеиновой кислоты, а анти-(С3-эндо)-гош⁺ — основой двуспиральных участков рибонуклеиновых кислот.