Торсійні кути та гнучкість кістяку нк

Фосфодиефірний кістяк олігонуклеотидів, як зараз відомо, має шість варіабельних торсійних кутів, що представлені на слайді 22 та позначаються грецькими літерами від α до ζ. Тут не треба забувати, що п’ять торсійних кутів цукрів (τ₀…τ₄) та глікозидний кут (χ) також входять у конформаційні параметри кістяку. Таким чином, маємо загалом 12 кутів обертання, які описують стан конформації первинної структури НК.

Незважаючи на таку велику кількість кутів, усі вони у певному ступені корелюють один з одним і визначають рухливість кістяка у розчині. Стеричні особливості структури НК визначають значно обмежений діапазон кутів, іншими словами, далеко не всі значення від 0⁰ до 360⁰ доступні для даних кутів. На слайді 22 дозволені значення кутів на конформаційному колесі преставлені у вигляді затемнених областей. Той факт, що кожен з кутів α, β, γ та ζ має по три дозволені значення, разом з широким дозволеним діапазоном кута ε, що включає в себе два перехресних регіона зі значеннями кута ζ, говорить про достатньо великий діапазон низько енергетичних конформацій для кістяка НК, якщо додати сюди значення кутів складчастості та глікозидного кута.

Насправді, в теорії зовсім невелика кількість структурних класів оліго- та полінуклеотидів ДНК були помічені з конформаціями, що виходять за межі представлених значень. Основною причиною обмежень кутів є формування пар основ за Уотсон-Криківською моделлю у разі взаємодії двох ланцюгів у складі хеліксу.

На відміну від цього, кристалографічні та ЯМР дослідження великої кількості стандартних та модифікованих мононуклеозидів та нуклеотидів показали набагато більшу різноманітність структури, ніж та, яка випливає з конформаційного колеса. Для них конформації кістяка проведені на пробах у твердому стані та у розчині не завжди співпадають. Це пов’язано з тим, що формування кристалу може потребувати змін вільної енергії, які здатні у деяких випадках навіть переходити ті енергетичні бар’єри, що встановлені для заборонених значень торсійних кутів. Багато молекул РНК також характеризуються високою варіабельністю взаємодій між основами, що також може зачіпати заборонені кути.

Для певних значень кутів кістяка НК існують свої спеціальні конформаційні терміни:

1. Значення кутів близько +60⁰ дають конформацію гаучо⁺ (g⁺),

2. Значення кутів близько -60⁰ називають гаучо^- (g^-),

3. Кути, що отримують значення близько 180⁰ називають конформацією транс (t).

Таким чином, наприклад, кути α (навколо зв’язку Р-О5’) та γ (екзоциклічний кут навколо зв’язку С4’-С5’) можуть бути у всіх трьох можливих конформаціях: g⁺, g^- та t. Ті два кути, які розташовані навколо власне фосфатної групи, α та ζ, можуть приймати значення tg^-, g^-g^- та g⁺g⁺, як було виявлено експериментально Кімом зі співробітниками ще в 1973 році. Одначе відомо, що лише конформація g^-g^- цих кутів може забезпечити таке розміщення нуклеотидів, щоб між основами сусідніх ланцюгів створювалися водневі зв’язки за класичною схемою. Таким чином, саме така конформація вважається прийнятною для подвійних хеліксів ДНК та РНК.

Торсійний кут β, що розміщений навколо зв’язку О5’-С5’ майже завжди має транс-значення.

Всі три можливі діапазони значень кута γ були виявлені у кристалічних структурах нуклеотидів, хоча предомінуючою у правозакручених оліго- та полінуклеотидних подвійних хеліксах є конформація g⁺. Транс-конформація кута γ призводить до переміщення 5’-фосфатної групи у найбільш віддалене від площини дезоксирибози місце.

Торсійний кут δ навколо зв’язку С4’-С3’ набуває значень, які залежать від складчастості цукрового кільця, оскільки внутрішній торсійний кут τ₃, який вимірюється також навколо даного зв’язку, має значення 35⁰ для варіанта складчастості С2’-ендо та близько 40⁰ для С3’-ендо. За цих умов δ набуває значення у 75⁰ для С3’-ендо та 150⁰ для С2’-ендо конформацій.

Існує також альтернативна номенклатура для діапазонів торсійних кутів кістяка – так звана система Кляйна-Прелога, яка більше нагадує класичну систему, прийняту в органічній хімії. За нею значення кутів близько 0⁰ позначаються як син (s), а ті, що мають значення біля 180⁰ – анти (а). Проміжні кути визначаються як синклінальні () для 60⁰, та антиклінальні () для значень 120⁰.

Варто відмітити, що існує чітка кореляція між трьома параметрами конформацій - кутів пар основ, кутів кістяка, та глікозидного кута для мононуклеозидів, нуклеотидів (які є набагато більш гнучкими у розчині, тому приймають більше варіантів конформацій за пакування у кристал), а також олігонуклеотидів. Існування такої кореляції дуже важливе, оскільки показує, що атомні рухи у оліго- та полінуклеотидах відбуваються узгоджено та взаємозалежно. Серед таких важливих кореляцій у нуклеозидах та нуклеотидах можна виділити наступні:

1. Між складчастістю площини цукру та глікозидним кутом χ , особливо для піримідинових нуклеозидів. С3’-ендо складчастість, як правило, асоційована з середніми значеннями глікозидних кутів анти. В той же час складчастість С2’-ендо часто знаходиться поруч з високими значеннями глікозидного кута.

2. Глікозидні зв’язки у син-конформації майже завжди асоційовані з складчастістю С2’-ендо.

3. Кут γ (зв’язок С4’-С5’) також корелює з глікозидним кутом і, у певній мірі, з складчастістю та кутами кістяка НК. Глікозидні кути анти показують кореляцію з конформацією g⁺ даного кута.