Визуализация молекул химических соединений

Для выполнения данной работы была выбрана программа ChemSketch в связи с тем, что программа MarvinSketch потребовала больших усилий при её установке. Обе эти программы подходят для изображения химических структур молекул. Ссылка на скаичвание оригинального файла представлена тут.

Упражнение 1.

В этом задании требовалось нарисовать структуры, изображённые ниже. Результат представлен на Рисунке 1. Красным цветом выделееы N-гликозидные связи. Что характерно, в молекуле псведоуридина нет и не может быть N-гликозидной связи, так как азотистое основание связывается в ней с сахаром через пятый атом - атом углерода.

Рисунок 1.

Упражнение 2.

В этом задании требовалось изобразить участок двухцепочечной ДНК, который ранее был представлен в презентации, максимально схоже. Результат представлен на Рисунке 2. Азотистые основания, водородные связи между ними, 3' и 5' концы обеих цепей указаны там же.Чтобы увидеть первоначальную картинкой, ознакомьтесь с презентацией.

Рисунок 2.

Дополнительное задание.

Данный этап работы состоял в том, чтобы изобразить в графическом редакторе каноническую и неканонические пары нуклеотидов, в каждой из которых будет представлено заранее выданное основание. В нашем случае это гуанин. Сразу бы хотелось отметить, что у гуанина существует несколько таутомерных форм, которые свободно могут переходить одна в другую. Не всегда таутомерные пары азотистых оснований возможно реализовать и для нуклеотидов, так как у некоторых таутомеров отсутствует возможность прикрепления сахара.

Рисунок 3.


Среди указанных на Рисунке 3 структур азотистого основания реализуемы для нуклеотида лишь исходный вариант гуанина(G) и первый таутомер(G'). Эти азотистые основания в составе нуклеотида представлены ниже, уже на Рисунке 4 и далее.

G-C

Cначала представим каноническую пару оснований G-C - первая на Рисунке 4. Существует ещё две неканонических пары, для одной из которых гуанин представлен в таутомерной форме (здесь и далее подобные нуклеотиды будут обозначаться апострофом, например G', G" или G"' - это три таутомера G).

Рисунок 4.

Очевидно, что каноничная пара должна образовываться чаще всего - как-минимум это единственная пара с тремя водородными связями. Эволюционно она признана более выгодной. Две остальные пары практически идентичны, за исключением того, что альтернативная пара, может быть, чуть лучше способна встраивается в цепочку НК, нежели таутомерная пара из-за выступающих кислородов 4-го атома последней и из-за нетипичного положения дезоксирибозы - та достаточно сильно приближена к дезоксирибозе второй молекулы.

Если перейти к азотистым основаниям, то, используя таутомерные формы, можно получить ещё несколько пар взаимодействий, для которых нельзя подобрать аналогичные нуклеотиды, так как сахар не может быть встроен в структуру (валентность азота не позволяет).

Рисунок 5.

Рассмотрим пары G-С' - обе они достаточно вероятны, разве что первая пара более прочная, а значит будет скорее образовываться, когда как вторая пара более массивная и в соседстве с другими парами оснований не будет столь компактной. То же самое касается пар G"-C, которые, по факту, попарно аналогичны парам G'-C. Так как связанный гуанин это таутомер, гипотетическое положение дезоксирибозы в данном случае так же не играет роли. В третьей колонке пар хотелось бы отметить "особенное" положение таутомера цитозина относительно таутомера гуанина, о котором бует ещё раз упомяуто ниже. Подводя итоги, стоит ещё раз подчеркнуть, что чем больше водородных связей образуется, тем более достоверна неканоничная пара.

Рисунок 6.

Сразу скажу, что самая первая пара приведена, скорее, в шутку: электронные облака при азотах делают такую связь очень маловероятной, нестабильной. Между второй и третьей парами G"'-C определённо выигрывает вторая, так как в третьей относительно близкое полоение кислородов с неподелёнными парами может мешать образованию верхней водороной связи.
Разумеется, пара G"'-C' радует нас намного больше, потому как пары с тремя связями более стабильны (а значит, более вероятны). В третьей колонке мы вновь можем наблюдать "особенное" положение цитозина, которое достаточно сильно отличается от канонического, связано с близостью кислородов с неподелёнными парами, а потому, что здесь, что выше, является наиболее маловероятным, если не считать самый первый случай..

G-T

Рисунок 7.


Среди двух нуклеотидов, наиболее вероятным нам представляется, естественно, первый, с участием оригинального гуанина, так как образование второй пары с G' сопряжено с большими трудностями из-за облака электронной плотности между двумя соседствующими кислородами.
Переходя к рассмотрению двух пар азотистых оснований, которые не могу соответсвовать нуклеотидной паре, следует отметить, что первая пара а.о. по полоению кислородов аналогична второй паре нуклеотидов и, наоборот, вторая пара а.о. достаточно сильно напоминает первую пару нуклеотидов. Т.е. первая пара а.о менее вероятна из-за всё того же соседства кислородов с неподелёнными, мешающими друг-другу электронными парами.

G-A

Это первая пара пурин-пуринового взаимодейтсвия. Такие пары нетипичны для молекулы ДНК, цепи её будут удалены друг от друга. Разумеется, это не настолько фатально, как сближение цепей, но всё равно вносит некоторую дестабилизацию в общую структуру молекулы.

Рисунок 8.

Изобраённые выше пары нуклеотидов представляются мне равновероятными к образованию. Небольшое отличие в положении гуанина относительно аденина может делать первое взаимодействие чуть более вероятным, так как больше напоминает связи с тимином, свободный кислород которого находится в том же положении, что и аминогруппа гуанина.

Рисунок 9.

Вновь переходим в рассмотрению пар азотистых оснований, которые не в состоянии войти в состав нуклеотидов.
На этот раз нигде не образуется трёх водородных связей, и связи выгодно не отличаются друг от друга. Например, обе пары второй и третьей колонки разнятся лишь положением двойной связи при азоте - девятом или седьмом. Как и две последние пары в первой колонке. Интерес для сравнения относительно всех остальных представляет лишь пара G-A'. Она очень напоминает первую нуклеотидную пару по положению аминной группы, поэтому, возможно, более устойчива, нежели другие.

G-G

Наконец, мы переходим к рассмотрению гуанин-гуанинового взаимодействия. На рисунках 10 и 11 приведены неканоничные пары нуклеотидов с участием таутомеров гуанина.

Рисунок 10.

Взаимодействие G-G представляется наиболее компактным, что приближает общую длину конструкции к длине всей пары пурин-пиримидинового основания. Однако, оно проигрывает прочности трёх водородных связей, что, к сожалению, делает его менее вероятным, чем первая пара G-G'.

Рисунок 11.

Что касается последней гипотетической пары нуклеотидов, похоже, что она наименее вероятная. Общий вид пары очень слабо напоминает каноническую. По большей части, первая и последняя пары отличаются лишь расстоянием между остатками, потому как ни в то, ни в другом случае не реализуются все три характерные для гуанина связи. Так что общая форма играет решающую роль, что и понижат шансы третьего взаимодйствия случиться.

Рисунок 12.

Финальным аккордом, обратим внимание на пары осиротевших безнуклеотидных азотистых оснований. Пары G-G'", G'-G", G"-G"' наиболее прочные, значит наболее часто реализуемые. Фаворита среди трёх кандидатов выбрать не представляется возможным, доноры и акцеторы водородной связи в каждом из вышеозначенных примеров идентичны.
То же можно сказать про оставшиеся три пары. Чисто теоретически Пара G'-G'"(первая во второй колонке) могла бы реализовываться чаще просто потому, что в процессе образования взаимодействия верхние кислороды не отталкивались бы друг от друга, эта пара более симметрична, чем две другие. Но, учитывая, что эти же самые основания будут скорее образовывать более устойчивые и более характерные для гуанина пары с тремя связями, между оставшимися позициями пар оснований нет большой конформационной разницы.

Вернуться назад

На главную страницу

©Solonovich Vera,2017