Два препятствия являются главенствующими. Первое проистекает из присутствия ближайших соседних пар оснований по обе стороны от рас­ сматриваемой пары. Закручивание пропеллера, например, может приве­ сти к стерическим столкновениям с ближайшими парами оснований, так же как и изгиб, и качение, и изменение наклона, и т. д. Однако сте­ пени свободы каждой соседней пары, напротив, могут способствовать удалению этих стерических препятствий, и аналогичное утверждение справедливо для их следующих соседей. Таким образом, стеричеорм столкновением можно управлять и ослаблять с совместной помощью ря­ да пар оснований, причем каждая пара модифицирует свое положение в соответствии со своими степенями свободы, подчиняющимися пра­ вилам, предложенным Калладином [139]. Второе препятствие возника­ ет из-за гликозидной связи, соединяющей основание и сахар. Хотя эта связь ковалентная и, следовательно, очень сильная, гликозидное кольцо, к которому она присоединяется, имеет довольно гибкую структуру. Сле­ довательно, препятствие является довольно мягким и может изменяться в довольно широких пределах, но в основном за счет внутринуклеотидных перестроек.

2.4. Динамика сахарофосфатного остова

2.4.1. Состояние равновесия

Равновесная структура остова между двумя последовательными ато­ мами фосфора обычно описывается шестью торсионными углами: а, /3, 7, £> С» С (рис. 2.7). Конформация сахара характеризуется еще четырьмя углами: */о, 1/2, v3 (который идентичен S) и v±. Вдобавок, еще одним важным структурным параметром является торсионный угол гликозид­ ной связи, х-

2.4.2. Возможные движения сахарофосфатного остова

При рассмотрении молекулы ДНК как динамической системы мы полагаем, что все описанные выше параметры могут изменяться.

В общем случае изменения торсионных углов ограничены обще­ принятыми стерическими областям син (или цис) (~ 0° ), анти (или

в основном син- и антиобластями. Более того, большинство движений,

О

/

Рис. 2.7 Вращательные углы сахарофосфатного остова с присоединенным тими­ ном

связанных с изменением торсионных углов, коррелируют друг с другом (только изменения по параметрам являются независимыми).

Чтобы описать возможные изменения структурных параметров са­ харов, необходимо учесть, что пятичленное фуранозное кольцо обычно не является плоским, а имеет «складчатую» форму либо форму «конвер­ та», когда четыре атома кольца являются приблизительно планарными, а пятый выходит из плоскости на расстояние менее 0.5 А, либо «закру­ ченную» форму, когда любые два соседних атома смещены в противопо­ ложные стороны от плоскости, построенной при помощи трех остальных атомов. Те атомы, которые являются смещенными со стороны С5', назы­ вают «эндо», а те, которые являются смещенными с противоположной стороны, называют «экзо» (рис. 2.8).

Конформационная динамика сахаров обычно описывается фазовым

Случай Р = 0° отвечает максимально положительному значению и2, то есть является симметричной С2' экзоСЗ' эндоизогнутой конформа-

а

Ь

с

d

е

Рис. 2.8. Различные конформации сахара: (а) первоначальное состояние (тре­ угольник СГ-04'-С4' заштрихован); (b) СЗ' эндо; (с) С2' эндо; (d) симметрич­ ная твистовая конформация; (е) асимметричная твистовая конформация. В слу­ чаях (b), (с), (d) и (е) плоскость треугольника С1'-04'-С4' перпендикулярна плоскости рисунка

цией, а случай Р = 180° соответствует зеркальному отражению послед­ него. В ДНК две области являются предпочтительными: —1° < Р < 34° (СЗ' эндо) и 137° < Р < 194° (С2; эндо).

На рис. 2.9 показано изменение фуранозной энергии (в нуклеозидах) с изменением Р Предпочтительные СЗ' эндо и С2' эндо разделены здесь барьером, приблизительно равным 1.5 ккал, а самый высокий ба­ рьер во всей области изменения параметра Р приблизительно равен 5.5 ккал. Поэтому переход между различными конформациями осуществля­ ется довольно легко: кольцо сахара действительно обладает большой гибкостью. Эта гибкость может скомпенсировать до некоторой степени ограничения, наложенные основанием (или парой оснований) на гликозидную связь, и ограничения, наложенные остовом на С5'-С4'-С3' звено, с минимальным расходом энергии.