Стэкинг оснований
Взаимодействия между основаниями могут быть двух типов:
а) между основаниями, лежащими в одной плоскости, - горизонтальное взаимодействие, реализующееся путем образования водородных связей , и б) между основаниями, уложенными одно над другим, - стэкинг-взаимодействие, которое обусловлено в основном дисперсионными лондоновскими силами и гидрофобными эффектами.
"Горизонтальная" ассоциация оснований наблюдается в неводных растворах, а также в газообразном и кристаллическом состояниях. Помимо этого, в твердой фазе основания почти всегда располагаются параллельно одно над другим на расстоянии вандерваальсового радиуса, приблизительно 3.4 А. Такое расположение является результатом не горизонтальных, а вертикальных взаимодействий. Стопки образуются и в водных растворах, преобладают они и в кристаллических структурах ( Bugg C.E., 1972 , Bugg C.E. ea, 1971 ). При этом оказывается, что стэкинг-взаимодействие между основаниями довольно специфично: полярные заместители одного основания, -NH2, =N-, =O или галогены, нависают над ароматическим кольцом соседнего основания. Такого рода специфичность стэкинга даже более выражена, чем специфичность при образовании водородных связей. Например, в кристаллах дезоксиаденозинмоногидрата ( Watson D.G. ea, 1965 ), аденозин-5'-фосфата ( Kraut J. and Jensen L.H., 1963 ), аденозин- 5'-бромурацила ( Haschemeyer A.E.V. and Sobell H.M., 1965 ) пурины вступают в стэкинг-взаимодействие по одной и той же схеме, хотя пространственная группа кристаллов, размеры элементарной ячейки, молекулярная упаковка и система водородных связей различаются. Специфичность стэкинга проявляется также и в галогензамещенных основаниях. Атомы галогенов располагаются над примыкающими ароматическими гетероциклами на расстоянии, даже меньшем чем сумма вандерваальсовых радиусов для атомов галогена и атомов гетероцикла. Такая специфичность связана с электронной структурой оснований и определяется главным образом диполь-дипольными взаимодействиями и дисперсионными лондоновскими силами.
В кристаллах некоторых протонированных пиримидиновых оснований и нуклеотидов стэкинг не наблюдается вообще. Это позволяет думать, что заряженные пиримидины не вступают в стэкинг-взаимодействие. В случае протонированных пуринов стэкинг тем не менее имеет место, но носит другой характер, чем у незаряженных пуринов: атом N нависает над атомом N7 примыкающего основания.
Анализ типов стэкинга в кристаллах оснований, нуклеозидов и нуклеотидов показывает, что, по-видимому, главную роль в стабилизации стэкинга играет взаимодействие между постоянными и индуцированными диполями; в роли постоянного диполя, влияющего на пи-злектронную систему соседнего основания, выступают группы C=O и C-NH2 ( Bugg C.E. ea, 1971 ).
В водных растворах основания и нуклеозиды образуют ассоциаты с помощью вертикальных взаимодействий, причем помимо димеров образуются ассоциаты более высокого порядка. Процесс образования стопок обратим, причем увеличение свободной энергии на всех этапах одинаково, что означает, что присоединение одного основания к другому основанию или к стопке оснований носит аддитивный, некооперативный характер, так что процесс можно считать изодесмическим ( Nakano N.I. and Igarashi S.J., 1970 , Ts'o P.O.P. ea, 1963 ). Исследования методом ЯМР показывают, что в стэкинге принимает участие шестичленное пиримидиновое, а не пятичленное имидазольное кольцо и что ориентация гетероцикла в стопке зависит от типа основания ( Ts'o P.O.P., 1974 ). Процесс агрегации лимитируется только диффузией, в его основе лежат слабые взаимодействия ( Porschke D. and Eggers F., 1972 ). Интенсивность стэкинга между пуриновыми и пиримидиновыми основаниями уменьшается в следующем порядке:
Пурин - Пурин > Пиримидин - Пурин > Пиримидин - Пиримидин ( Gratzer W., 1969 , Solie T.N. and Schellman J.A., 1968 , Mitchell P.R. and Sigel H., 1978 , Davies D.B., 1978 , Topal M.D. and Warshaw M.M., 1976 ).
В олиго- и полинуклеотидах стэкинг между соседними основаниями приводит к формированию стабильной одноцепочечной спиральной структуры ( Haasnoot C.A.G. and Altona C., 1979 ). Стабильность таких структур также подчиняется указанным выше закономерностям: при комнатной температуре poly(A) представляет собой в основном спиральную структуру, а poly(U) находится преимущественно в состоянии разупорядоченного клубка.
Спаривание оснований путем образования водородных связей зависит от состава пары оснований, тогда как стэкинг зависит как от состава, так и от последовательности ( Ornstein R.L. ea, 1978 ).
