В этом практикуме мы познакомились с принципами работы в Marvin Sketch, программе для работы с изображениями химических веществ.
По ссылке можно скачать файл с обязательным заданием.
Упражнение 1
На листе были нарисованы четыре заданных молекулы, атомы остатков азотистых оснований и сахара были пронумерованы с помощью функции Map (поэтому
атомы сахара пронумерованы как 1,2, а не 1', 2' - эта функция не позволяет использовать номера со штрихами). Атомы, связанные N-гликозидной связью, выделены
красным цветом, остальные атомы чёрные. В псевдоуридине отсутствует N-гликозидная связь, на её месте C-гликозидная. Полученные изображения представлены на рисунках ниже.
2'-дезоксигуанозиндифосфат
2'-дезокситимидинмонофосфат
Урацил
Псевдоурацил
Упражнение 2
На следующей странице многостраничного файла в Marvin Sketch был изображён фрагмент двухцепочечной ДНК из презентации к первому занятию.
Он состоит из восьми нуклеотидов, по четыре в каждой цепи. Полученное изображение представлено на рисунке ниже. Остатки фосфорилированных сахаров выделены красным,
азотистые основания чёрные. Основания подписаны первой буквой названия, стрелки обозначают направление от 5'конца к 3'концу, водородне связи показаны пунктирными линиями.
Фрагмент цепи ДНК Тимин-Цитозин-Аденин-Гуанин
Задание 3 (дополнительное и отчасти исследовательское)
В этом задании нужно было рассмотреть водородные связи в канонических и гипотетических неканонических парах азотистых оснований с участием тимина.
Донорами водорода считаются группы -NH2 и -NH, акцепторами - атомы кислорода и азота, не связанные с водородом. На рисунках ниже изображены рассмотренные мной неканонические взаимодействия нуклеотидов ДНК, поскольку структура этой молекулы регулярна и для её поддержания необходимо образование стабильных пар оснований.
Неканонические взаимодействия в ДНК могут приводить к ошибкам репликации и транскрипции, а значит к мутациям, наследственным заболеваниям и новообразованиям. Некоторые из рассмотренных взаимодействий довольно стабильны, но большинство из них нарушают ход двойной спирали, а значит их образование в двухцепочечной молекуле ДНК крайне маловероятно, хотя они могут существовать вне молекулы или в молекуле РНК, структура которой допускает большую подвижность.
Таутомерия тимина. Для образования нуклеотида подходят только те два таутомера, которые способны к образованию N-гликозидной связи благодаря наличию атома водорода у азота, участвующего в её образовании. Значит, мы рассматриваем самую устойчивую диоксоформу(лактамную) и форму с одной OH-группой.
Таутомеры аденина
На первой картинке представлена обычная Уотсон-Криковская пара
А=Т, связанная двумя водородными связями, которая лежит в основе двухцепочечной структуры ДНК и является устойчивой. Следующая пара называется Хугстиновской, в ней участвует другой конформер аденина. Такие пары наблюдаются редко, они дестабилизируют двойную спираль, но стабильны в виде динуклеотидов.
Та же пара с противоположным конформером тимина (reverse Hoogstein) должна быть такой же стабильной, но угол между остатками сахара сильно отличается от
стандартного, что сильно повлияет на конформацию двойной спирали ДНК. Взаимодействие на четвёртой картинке (reverse Watson-Crick) тоже стабильно благодаря двум водородным связям и стабильности обоих участников.
Для всех этих взаимодействий можно повернуть аденин на примерно 90 градусов, чтобы водород, связанный с 3 атомом тимина, взаимодействовал с 1 атомом аденина,
а кислород, связанный со 2 атомом тимина, с NH2-группой, связанной с 6 атомом аденина, но такие пары будут менее стабильны из-за своей геометрии, так как
расстояние между атомами будет разным (в аденине эти атомы принадлежат разным циклам), а водородные связи должны иметь одинаковую длину и геометрию.
Здесь рассмотрены взаимодействия между менее стабильными таутомерами тимидина и аденозина. Пара на первой картинке должна быть неустойчивой из-за
нестабильности формы тимина и нарушения геометрии водородных связей (такого же, какое было описано выше), пара на второй картинке чуть более устойчива, потому что водородные связи имеют
ту же геометрию, что и в каноническом взаимодействии А=Т, но в ней участвует тот же нестабильный таутомер тимина. В двух следующих взаимодействиях участвует нестабильный таутомер аденина, что делает их неустойчивыми.
Неканонические взаимодействия могут происходить между несколькими нуклеотидами. Так, существует
трёхцепочечная ДНК, где одно взаимодействие А=Т каноническое Уотсон-Криковское, а другое Хугстиновское, с их помощью удерживаются вместе две политиминовые и одна полиадениновая цепочка.
Теперь рассмотрим взаимодействие тимидина с другим пурином - гуанозином. Такие взаимодействия имеют место при образовании тиминовой шпильки (thymine bulge) в результате облучения ультрафиолетом, которая играет важную роль в развитии некоторых наследственных заболеваний.
Пара на первом изображении должна быть довольно стабильной благодаря двум водородным связям, хотя в двойной спирали она участвовать не сможет из-за расположения остатков сахара.
В следующем взаимодействии участвует нестабильный таутомер тимина, зато в нём образуются сразу три водородных связи, что может скомпенсировать неустойчивость гидроксиформы тимина и обеспечить паре некоторую стабильность.
Если в образовании пары участвует нестабильный таутомер гуанина, тоже образуются три водородных связи, так что возможно эта пара может существовать.
Перейдём к рассмотрению взаимодействий тимина с пиримидинами (тимином и цитозином). Такие пары будут нарушать устойчивость двойной спирали, поскольку оба основания маленькие и состоят из одного цикла.
Первое и второе изображения - взаимодействие двух тиминов, поддерживаемое двумя водородными связями. Оба участника стабильны, существование такой пары представляется
возможным, но в двойной спирали она встретиться не может из-за слишком изменённого угла между остатками сахара. На следующих картинках один из тиминов находится в противоположной конформации, такая структура всё ещё кажется устойчивой.
Если один из тиминов участвует во взаимодействии в виде нестабильного таутомера, устойчивость всей пары резко падает, к тому же кето-группы оснований расположены слишком близко и должны отталкиваться как области повышенной электронной плотности, такая пара не будет устойчивой, то же самое при изменении тимина в оксо-форме на его конформер.
Когда оба тимина переходят в свои нестабильные таутомеры, отталкивания кето-групп удаётся избежать, но пара не может быть стабильной, потому что нестабильны оба образующих её основания.
Иногда тими и урацил встречаются в одной молекуле - так, у некоторых бактерий тимин входит в состав РНК. Поэтому стоило бы рассмотреть взаимодействие тимина с урацилом,
тем более что речь идёт о неканонических взаимодействиях, многие из которых невозможны, так что потенциальная возможность встретить тимин и урацил в одной молекуле не так важна.
Взаимодействия между тимином и урацилом будут выглядеть так же, как между двумя тиминами, с той лишь разницей, что в урациле отсутствует метильная группа, но она не влияет на стабильность пар, поэтому в любой рассмотренной паре тиминов один из участников может быть заменён на урацил без значимых изменений свойств пары.
Тимидиновый димер образуется при облучении ДНК ультрафиолетом и служат источником мутаций, происходящих в ходе репликации ДНК, могут приводить к образованию
опухолей, например меланомы. Это неканоническое взаимодействие носит ковалентный характер. Возможно аналогичное спаривание между тимином и цитозином соседних цепей, с теми же последствиями.
Первая и вторая пары не могут быть стабильными, так как помимо того, что она состоит из двух пиримидинов, кето-группы расположены слишком близко. В третьей паре
участвуют конформеры оснований и должно наблюдаться отталкивание между атомами азота соседних циклов, а значит она неустойчива, к тому же образована неустойчивым таутомером тимина.
Хотя четвёртая пара и скреплена тремя водородными связями, она состоит из двух нестабильных таутомеров и поэтому не может быть стабильной.
В каждой из этих пар один из участников - нестабильный таутомер, поэтому стабильными они не будут.
