Химическое строение нуклеиновых кислот
Целью данного практикума было научиться изображать нуклеотиды и фрагменты нуклеиновых кислот с помощью программы ChemSketch. С заданиями практикума, выполненными в данной программе, можно ознакомиться в файле ChemSketch.
Упражнение 1. Изображение структурных формул нуклеотидов и нуклеозидов.
В первом упражнении требовалось изобразить структурные формулы нуклеотидов: 2'-дезоксигуанозиндифосфата и 2'-дезокситимидинмонофосфата - и нуклеозидов: уридина и псевдоуридина.
В структурах пронумерованы атомы остатков фосфорной кислоты, азотистых оснований, сахаров. Красным цветов обозначены атомы, образующие N-гликозидную связь (в структуре моносахаридов атом "С"-1', участвующий в образовании N-гликозидной связи, выделяется красным при наведении курсора, что можно посмотреть в файле ChemSketch, на Рис. 1 для наглядности красным окрашен номер атома).
Обратите внимание на то, что в структуре псевдоуридина азотистое основание и рибоза связаны не N-гликозидной, а гликозидной связью, поэтому атомы, образующие ее, не выделены красным.
С результатом выполнения упражнения можно ознакомиться на Рис. 1 и на стр. 1 файла ChemSketch.
Рис. 1. Упражнение 1. Изображение структурных формул нуклеотидов и нуклеозидов.
Упражнение 2. Изображение фрагмента двухцепочечной ДНК.
Во втором упражнении требовалось изобразить фрагмент двухцепочечной ДНК, подписать азотистые основания, обозначить водородные связи между ними, выделить сахарофосфатный остов красным цветом, указать направление каждой из цепей, то есть подписать 5'- и 3'-концы.
С результатом выполнения упражнения можно ознакомиться на Рис. 2 и на стр. 2 файла ChemSketch.
Рис. 2. Упражнение 2. Изображение двухцепочечной ДНК.
Задание 3.
В данном задании предлагалось рассмотреть канонические и потенциально возможные неканонические взаимодействия тимина с другими основаниями.
Изображение канонической (или Уотсон-Криковской) комплементарной пары тимина с аденином (А=Т) можно увидеть на Рис. 3 и на стр. 1 файла Thymine.
Рис. 3. Каноническая пара А=Т.
При рассмотрении теоретически возможных неканонических взаимодействий тимина с другими основаниями будем следовать некоторым правилам:
- Для простоты будем рассматривать азотистые основания, а не нуклеотиды.
- Будем считать, что донорами водорода являются группы -NH2 и >NH, а акцепторами водорода атомы О и N, которые не связаны с водородом.
- Не будем рассматривать варианты, в которых имеется только одна водородная связь, так как эти пары будут крайне неустойчивы. Среди пар с двумя и тремя водородными связями более устойчивыми являются пары с тремя связями, поэтому этим парам будет отдаваться предпочтение, если таковые будут.
- Предполагается, что нужно рассматривать различные таутомеры тимина. Однако, несмотря на то, что для тимина известна лактим-лактамная (кето-енольная) таутомерия (Рис. 4), программа ChemSketch не предоставляет формулы таутомерных вариантов, а в природных нуклеиновых кислотах тимин встречается в лактамной форме.
Рис. 4. Возможные таутомерные формы тимина (А - кето- (лактамная), B, C, D - енольная (лактимная) формы.
На Рис. 5 и на стр. 2 файла Thymine можно увидеть возможные пары T-C.
Рис. 5. Возможные неканонические взаимодействия тимина с цитозином.
На Рис. 6 и на стр. 3 файла Thymine можно увидеть возможные пары T-G.
Рис. 6. Возможные неканонические взаимодействия тимина с гуанином.
На Рис. 7 и на стр. 4 файла Thymine можно увидеть возможные пары T-А.
Рис. 7. Возможные неканонические взаимодействия тимина с аденином.
На Рис. 8 и на стр. 5 файла Thymine можно увидеть возможные пары T-T.
Рис. 8. Возможные неканонические взаимодействия тимина с тимином.
На Рис. 9-11 и на стр. 6-8 файла Thymine можно пронаблюдать возможные неканонические пары нуклеотидов.
Рис. 9. Изображения структур нуклеотидов (две таутомерные формы у G).
Рис. 10. Возможные неканонические взаимодействия нуклеотидов T-T и T-C.
Рис. 11. Возможные неканонические взаимодействия нуклеотидов T-A и T-G.
Следует сказать, что в природе неканонические взаимодействия с большей вероятностью можно встретить в молекуле РНК, так как они позволяют сформировать уникальную вторичную структуру. Но так как мне нужно было анализировать взаимодействия тимина, то нельзя не упомянуть о том, что в природных ДНК неканонические пары встречаются крайне редко, так как они дестабилизируют пространственную конформацию молекулы и нарушают стекинг-взаимодействия.
Из представленных мной вариантов в науке изучена Хугстиновская пара А=Т. В нормальных условиях она бы также нарушала геометрию молекулы, однако она восстанавливает стекинг-взаимодействие при связывании некоторых белков и химических агентов с данным участком ДНК.
По поводу прочих вариантов можно сказать, что формы с первым таутомером цитозина (Рис. 5) вообще не способны существовать в природной молекуле ДНК, так как к цитозину в этих парах не может присоединиться сахар.
При составлении пар была получена всего одна структура с тремя водородными связями (хотя при рассмотрении лактимных форм тимина их было бы гораздо больше, и я уверена, что нашла не все возможные варианты). Несмотря на то, что таутомерные формы находятся в растворе в динамическом равновесии, лактимная форма встречается значительно реже и в несколько других условиях. Поэтому пары с тремя водородными связями довольно трудно встретить в природе, хотя мы бы и отдали им предпочтение вследствие их устойчивости.
Известно также, что образование неканонических пар (в особенности с нетипичными таутомерными формами) является одной из причин мутагенеза.