ате чего уменьшается ван-дерваальсово отталкивание. Для длин связей С—О такой закономерности не наблюдается [172]. Наиболее существенное изменение валентных углов, от 3 до 5°, наблюдается в цикле псевдовращения ^170-172, 216]. Здесь мы остановимся на двух основных областях цикла псевдовраще-ння: C2--3ndo(S) и C3.-3ndo(N); данные по их геометрии представлены на рис. 4.13.

Значения эндоциклических валентных углов в фуранозах и в тетрагидрофуране одинаковы, практически совпадают и суммы углов (523° в фуранозах и 524,9° в тетрагидрофуране). Это означает, что образование кольца и его изгиб сильнее влияют на конформацию данных соедине-

Структура оснований, Сахаров и фосфатных групп

83

Рис 4.12. Геометрия незамещенного пятичленного кольца тетрагидрофура-на, установленная на основе данных по дифракции электронов. В скобках приведены стандартные отклонения длин связей С—С или С—О. Представлены данные, усредненные по результатам работ [249, 250].

Н

Н

С 103,8- С----Н

\ 107,5 U

Н

С-С

У/ 1.537(з> ^н

i i

н н

ний, чем природа заместителя при углеродных атомах. Длины всех эн-доциклических С—С-связей фуранозы в составе нуклеозидов значительно меньше длины обычной одинарной связи С—С (1,537 А) (табл. 4.1). По-видимому, это обусловлено наличием заместителей при атоме углерода: основания и атома 04. при атоме Сг и атома(ов) кислорода при атоме (ах) С3. (и С2.). Подобное уменьшение длин связей С—С наблюдается и в a-D-глюкозе [256]. В кристаллах всех нуклеозидов связь Сг—04. на 0,03 А короче, чем связь С4.—04., поскольку атом кислорода 04. сопряжен с основанием, связанным с С t.-атомом.

Экзоцик.тические валентные углы при атомах Ct и С4 близки к те-траэдрическому ( ~ 109°), однако те углы, в образовании которых участвуют атомы С2- и С3., увеличиваются до 112,6-f-116,8°. Такая же ситуация имеет место и для экзоциклических валентных углов, в вершине которых находятся атомы С2. и С3.. В С2.-эндо-конформации валентный угол С—С—02. увеличивается, а длина связи С2.—02. уменьшается. Аналогичная картина наблюдается и для С3.-эндо-конформации; это предполагает, что у атомов, выступающих из плоскости, «р2-гибридиза-ция проявляется в большей степени, чем у атомов в плоскости [257].

• В этом смысле интересна структура 6-амино-10-(Р-О-рибофуранози-ламино)пиримидо-[5,4d] пиримидина [233] (рис. 4.10). Это единственный рибонуклеозид (с модифицированным основанием), который находится в редкой 04.-эндо-конформации. Гетероциклическое основание связывается с Сг-атомом через экзоциклическую аминогруппу. Валентный угол при выходящем из плоскости атоме 04. равен 103,4(4)°; это на 6° меньше, чем такой же угол в рибозе с конформацией С2.- либо С3.-эндо, т.е. меньше характерного значения для валентных углов С—О—С, равного 109,5°. Более того, поскольку связи С2.—02. и С3.—03. синперипланарны, а соответствующий торсионный угол 02.—С2-—С3.—03. практически равен нулю (3,2°), длина связи С2.—С3., 1,557(4) А, оказывается больше, чем длина одинарной связи С—С (табл. 4.1). Таким образом, 04,-эндо-конформация, будучи переходной формой между конформациями С2.- и С3.-эндо, соответствует напряженному конформационному состоянию, что и предсказывала теория (разд. 4.2).

6*

84

Глава 4

Рис. 4.13. А. Геометрия С2--эн<к>- и С3.-эндо-конформаций рибозы и дезоксирибозы в составе нуклеозидов. Другие усредненные данные приводятся в работе [392]. Указанные на рисунке значения являются результатом усреднения данных, полученных по хорошо уточненным структурам (R < 0,08); стандартные отклонения ст рассчитывались по формуле, приведенной в подписи к рис. 4.1. В случае С2.-эндо- и С3.-эндо-рибоз N = 25, о"длсв = 0,006-^0,014 А, аутл = = 0,6—2,3°; в случае С2.-эндо-дезоксирибозы N = 7, отсв = 0,0094-0,018 А, °"угл = 0,5—3,2°; в случае С3.-эндо-дезоксирибозы N = 8, стдлсв = 0,007-^0,024 А, °"угл =0,5-2,1°.

4.5. КОНФОРМАЦНИ СИН И АНТИ

С' те ри чес кие препятствия, возникающие при вращении основание относительно сахара, приводят к появлению двух предпочтительных конформацни, син и анти [33, 34] (см. рис. 2.10). Как отмечалось в гл. 2, в анти-конформации нет никаких особых стерических ограничений; в то же время в смн-конформации основание нависает над сахарным кольцом, что приводит к тесным межатомным взаимодействиям. Эти взаимодействия уменьшаются, когда сахар находится в С2.-эндо-конформации, а основание и атом С5. располагаются экваториально и удалены друг от друга (рис. 4.4). Как показывает рентгеноструктурный анализ, когда нуклеозид находится в смн-конформации, сахар чаще принимает С2'-эндо-конформацию [42, 195]. Анализ всех данных по кристалличе-

Структура оснований, Сахаров и фосфатных групп

85

111 г

О 50 100 150 200 250 300 350 Фазовый угол Р'

Рис. 4.13. Б. Зависимость эндоциклических валентных углов фуранозы от фазового угла псевдовращения Р [170]. Имея в виду наличие такой зависимости, приведенные на рис. 4.13, Л данные следует рассматривать как идеализированные.

ской структуре нуклеозидов позволяет сделать вывод, что если сахар пребывает в С2.-эндо-конформации, то пуриновые нуклеозиды с равной ¦вероятностью принимают как син-, так и антм-конформации, если же |Конформация сахара С3.-эндо, это равновесие сдвигается в сторону анти [170]. В крайне редко встречающихся пиримидиновых рибонуклеозидах, находящихся в смн-конформации, сахар принимает как С2.-, так и 1С3.-эндо-конформации. Преобладающей для пиримидиновых рибону-1слеозидов является антм-конформация, и ей сопутствует С3.-эндо-конформация рибозы; в то же время пиримидиновые дезокси-¦рибонуклеотиды предпочитают С2.-эндо-, а не С3.-эндо-конформацию {35, 167-169].

Из водного раствора 4-тиоуридин кристаллизуется в смн-конформации [258], а если растворителем служит масляная кислота, 4-тиоуридин кристаллизуется в обычной антн-конформации [259] (рис. 4.14). Основное различие между этими двумя кристаллическими структурами состоит в том, что в кристаллическую решетку нуклеозидов в смн-конфор-

86

Глава 4

Рис. 4.14. Структура молекулы 4-тиоуридина, одного из минорных нуклеозидов, встречающихся в тРНК [259]. 4-тиоуридин из водного раствора кристаллизуется в син-конформации (вверху), а из масляной кислоты-в обычной янти-конфор-мации (внизу). В акти-ориентации конформация сахара представляет собой классический С3.-эн()о-конверт 3Е, а в случае син-ориентации сахар находится в С3.-эндо-, С4.-экзо-твист-конформации 3Т4. В син-конформации расстояние Os. • ¦ - 02 слишком велико (> 3,5 А), чтобы могла образоваться внутримолекулярная водородная связь. Атомы Н гидроксильных групп на рисунке не изображены.

мации включается гидратационная вода, которая стабилизирует упаковку молекул посредством образования водородных связей. В воде, однако, 4-тиоуридин находится в антм-конформации [260-262]. Этот пример показывает, с какой осторожностью следует делать выводы о конформацни гибкой молекулы, когда для нее известна лишь одна кристаллическая структура.

В пиримидиновых нуклеозидах анты-конформация основания тесно связана с конфирмацией сахара [263]. Значения торсионного угла % относительно связи Cv—N для С2.- и С3.-эндо-конформаций сахара лежат в следующих интервалах:

- 180° ^ % < - 138° для Су-эндо

- 144° < х - 115° для С2.-эндо

Структура оснований, Сахаров и фосфатных групп

87

По-видимому, эта закономерность отражает особенности стерических ограничений в двух данных структурах. Так, в С3.-эндо-конформации атом водорода при С3.-атоме ориентирован аксиально (табл. 4.2) и взаимодействует с группой С6—Н основания, поэтому угол х лежит в окрестности 180°. В С2--эндо-конформации атом водорода ориентирован экваториально и основание может поворачиваться в пределах области -ак до тех пор, пока кетогруппа 02 не начнет взаимодействовать с атомом Hj.. В случае пуринов такие взаимодействия между сахаром н основанием слабее, поскольку геометрия имидазольного кольца не позволяет атомам С8—Н и N3 вступить в тесный контакт с атомами сахара. В этом случае основание поворачивается в пределах области -ск. Такая закономерность в распределении интервалов торсионных углов наблюдается в додекануклеотиде d(CGCGAATTCGCG), что позволило сформулировать антикорреляционный принцип (разд. 11.2).

Существует еще одна структурная корреляция: между длиной гликозидной связи Cj.—N и торсионным углом х- Для пиримидиновых нуклеозидов [265, 266] длина связи Cr—N максимальна (1,52 А) при угле х> примерно равном 180°, и по мере его приближения к — 140° уменьшается до 1,48 А практически линейно. Этот факт указывает на то, что (по крайней мере в пиримидиновых нуклеозидах) атомы водорода при С3. и С2. не являются единственной помехой вращению [34]. Определенную роль играет также атом 04.; увеличение длины связи Сг—N обусловлено взаимодействием 04. с атомом водорода, связанным с С6.

В пуринах стерические ограничения менее существенны, чем в пири-мидинах, длина гликозидной связи менее вариабельна и составляет примерно 1,46 А. Это значительно меньше средней длины данной связи (1,49 А) в пиримидинах [256].

Равновесие син <=* анти в растворе. Результаты кристаллографического исследования смн/антм-конформаций нуклеозидов подтверждаются огромным количеством данных по ЯМР- и КД-спектроскопин. Все эти данные свидетельствуют о наличии в нуклеозидах быстрого взаимопревращения син+± анти [126, 141, 144, 145, 174, 175, 178, 219, 261, 262, 267-275]. Как показали исследования методом ультразвуковой релаксации, релаксационные процессы в пуриновых нуклеозидах осуществляются за времена порядка наносекунд, что, по-видимому, связано с вращением основания вокруг гликозидной связи [276, 277]. Исследуя зависимость релаксационных процессов от температуры, можно опреде-h лить термодинамические параметры перехода син <=* анти. Конформа-ционная подвижность пиримидиновых нуклеозидов более ограничена, чем пуриновых, поэтому никакого поглощения в интервале частот [10-250 МГц для них не наблюдается [276].

Данные по ЯМР тоже указывают на то, что между типом основания, конформацией сахара и ориентацией основания относительно сахарного кольца существует корреляция. В случае пуриновых нуклеозидов син- и антн-конформеры встречаются с одинаковой вероятностью, пиримидиновые же нуклеозиды чаще находятся в антн-конформации.

Дезоксирибонуклеотиды 360

Cy-3KfO

О. f-эндо 4

С^-эндо

С2' экэо

О^-эндо

Рис. 4.15. Конформационные энергетические карты, полученные методом КВВМО [211]. Торсионный угол % относительно гликозидной связи в рибо- и дезоксирибонуклеозидах коррелирует с конформацией сахара, которая связана с величиной фазового угла псевдовращения Р. Числа на изолиниях представляют собой разность (в ккал-моль ~ ') между соответствующим значением энергии и глобальным минимумом, принимаемым за нуль. Цветом выделены области разрешенных конформации, ограниченные изолинией 2. Точки соответствуют значениям энергии, полученным из кристаллографических данных.

90

Глава 4

Обычно в рибонуклеозидах сахар в С3.-эндо(1\[)-конформации связан с основанием в антм-ориентации, тогда как дезоксирибонуклеозиды в антм-конформации предпочитают С2--эш)о(8)-конформацию сахара. В пуриновых нуклеозидах смн-конформация сочетается с С2.-эндо-конформацией сахара, а если смн-конформацию пиримидиновых нуклеозидов стабилизировать посредством метилирования С6-углерода, то для обоих типов сахара будет наблюдаться возвращение к С3-эндо-конформации [278-280]. Если нуклеозиды фосфорилиро-ваны по атому 05., то, как указывалось в разд. 4.9, существенно возрастает взаимодействие этого атома с основанием и соответственно увеличивается доля нуклеозидов, у которых сахар находится в С3.-эндо-конформации, а углы X и Y лежат в областях анти и + ск соответственно. Очевидно, однако, что фосфорилирование по атомам 02. и 03. гидроксильных групп не должно сильно влиять на конформацию нуклеотида нз-за большого расстояния между этими атомами и основанием [281, 282].

Энергетические профили для син- и антм-конформеров рассчитывались как классическими, так и квантово-химическими методами [211-215, 283-286]. Согласно результатам большинства этих расчетов, основание вращается вокруг гликозиднои связи Cv—N, а сахарное кольцо сохраняет при этом одну из конформацни, представленных на рис. 4.4. Однако, как мы виделн в разд. 4.2, конформационная подвижность фураноз-ного кольца довольно велика; и кристаллографические, и спектрофото-метрические данные указывают на то, что между вращением основания и конформацией сахарного кольца существует внутренняя связь. Исследованию зависимости торсионного угла у от конформацни сахарного кольца посвящены две работы; в них обеих применялся принцип псевдовращения [211, 212].

В одной из этих работ, где применялись методы квантовой химии (КВВМО), были получены энергетические карты, представленные на рис. 4.15 [211]. Эти карты хорошо согласуются с экспериментом: из них следует, что в пуриновых нуклеозидах смн-конформация сочетается с С2.-эндо-конформацией сахара, а С3.-эндо-конформации соответствует большая (на 1-2 ккал) энергия. В антм-пуриновых нуклеозидах обе конформацни сахара равновероятны. Энергия для обеих конформацни сахара в смн-пиримидиновых нуклеозидах одинакова; именно такая ситуация наблюдается для 6-метилуридина (С2.-эндо [42]) н 4-тиоуридина (С3.-эндо, С4.-экзо [258]). Кристаллографические исследования нуклеозидов показывают, что в антм-пиримидиновых нуклеозидах конформацни С2.-эндо и С3-эндо встречаются одинаково часто, тогда как для дезоксирибонуклеозидов наблюдается в основном С2.-эндо-конформа-ция. В то же время энергетические минимумы, полученные расчетным путем, одинаковы для этих конформацни.

Интересно, что переход С2.-эндо +± С3.-эндо осуществляется через промежуточную конформацию 04.-эндо (рис. 4.15), причем энергетический барьер составляет примерно 6 ккал • моль ~ *. Эта величина замет-

Структура оснований, Сахаров и фосфатных групп

91

но выше, чем рассчитанная методом силового поля и с учетом геометрии релаксированного сахара (рис. 4.7). Энергетические карты для пиримидиновых нуклеозидов показывают, что в антн-области при С3.-эндо-конформации сахара угол % близок к 180°, а при С2.-эндо-конформации-к —120° ( — ак); об этом мы уже говорили выше.

4.6. ВЫСОКАЯ-АНТИ ( - СК)-конформация

Энергетические карты, приведенные на рис. 4.15, показывают, что диа-лазон допустимых значений угла % для пуриновых нуклеозидов в анти-конформации простирается от 180 до примерно — 60°, т.е. от анти (ап)-до высокой-анти (— ск)-области. Для пиримидиновых нуклеозидов этот диапазон ограничен «классической» антн-областью. Это различие обусловлено стерическими ограничениями, налагаемыми на углы вращения вблизи (или даже ниже) — 120° из-за взаимодействия между атомом водорода С6—Н-группы пиримидина или С8—Н-группы пурина с атомами водорода сахара. В синтетических аза-нуклеозидах и в формицине Сказанные группы заменены азотом, стерические ограничения снимаются и нуклеозиды могут находиться в еысокой-антм-конформации (рис. 4.16). Подобные конформации, по-видимому, стабилизируются силами электростатического отталкивания между атомом