Nucleozide - Conformatia nucleozidelor

Nucleozide

Pentoza nucleozidelor

Natura si configuratie

In structura acizilor nucleici glucidele implicate sunt riboza (Rib) -in acizi ribonucleici si derivatul sau 2-deoxiriboza (dRib) - in acizii deoxiribonucleici. Acestea au urmatoarele caracteristici de configuratie (Figura 1.12

Serie sterica D

Ciclizare hemiacetalica furanoza

Anomerie b (beta)

Legatura cu baza azotata

Legatura cu baza este de tip N-glicozidica. Aceasta se stabileste intre carbonul 1' al pentozei si azotul N1 al pirimidinelor si N9 al purinelor (se realizeaza numerotarea bazei si apoi se reincepe prin numerotarea ribozei, dand numerelor apelativul "prim") (Figura 1.13). Astfel se obtin ribo- si deoxiribonucleotidele a caror nomenclatura o prezentam in tabelul 1.1 Ca regula generala trebuie sa retinem sufixul "-idina" pentru nucleozidele pirimidinice si "-ozina" pentru nucleozidele purinice.

Figura 1. Structurile furanozice ciclice cu anomerie β ale ribozei si deoxiribozei

Legatura N-glicozidica, asemenea legaturii O-glicozidice, rezista la tratament alcalin. Reactia sa cu acizii depinde de baza azotata: nucleozidele purinice se hidrolizeaza usor, in timp ce pentru a degrada nucleozidele pirimidinice este necesara actiunea prelungita a unui acid concentrat. Se estimeaza ca intr-o zi, intr-o celula de mamifere, numai unul din 10⁵ nucleotidele purinice isi pierde baza.

Tabel 1. Denumire si simbol cu trei litere si cu o litera pentru baze si nucleozidele lor

Figura 1.13. Legatura -N glicozidica intre o baza purinica si riboza

Conformatia nucleozidelor

Deoarece heterociclul plan al bazelor nu este deformabil, izomeria de conformatie este data de glucid si de legatura glicozidica.

Conformerii pentozei

Ciclul furanozic al pentozelor nu este plan ci prezinta o structura spatiala caracteristica. Aceasta structura este rezultatul flexibilitatii legaturilor prezente in heterocicluri. Sunt recunoscute doua tipuri de conformatii: E sau "anvelope" si T sau "twist" ale caror niveluri de energie sunt apropiate. Conformatia T reprezinta o forma intermediara putin stabila care apare prin deformarea conformatiei E. Conformatia T (twist), prezinta numai trei atomi coplanari: atomul de oxigen si cei doi atomi de carbon adiacenti. Ceilalti doi atomi de carbon se departeaza lejer de o parte si de alta.

In cazul conformatiei E ("anvelope"), sunt patru atomi adiacenti-oxigenul si trei atomi de carbon-care pot fi considerati impreuna ca formand un plan. Deviatiile dintre acestia sunt foarte mici, de ordinul picometrilor. In urma studiilor realizate pentru structura cristalina a peste 50 de nucleozide si nucleotide, s-a demonstrat ca cel de al cincilea atom se departeaza la cateva zecimi de nanometri (mai putin de 0,05 nm; distanta intre cele doua nuclee ale atomilor implicati intr-o legatura covalenta C-C fiind de ordinul 0,15 nm) (Figura 1.14

Aceste conformatii sunt desemnate ca endo daca C care deviaza din plan este de aceeasi parte a planului cu carbonul C5', si exo daca acesta se afla orientat in directie opusa. Nomenclatura adoptata este cea de E si T cu referire la atomii de carbon exoplanari.

La marea majoritate a nucleozidelor, atomii de C exteriori sunt C_2' si C_3'. Doua dintre cele mai probabile conformatii pentru D-riboza si pentru derivatul sau 2-deoxi-riboza din structura nucleotidelor, sunt prezentate in figura 1.15. Conformatia ribozelor impune polinucleotidelor structuri spatiale diferite

Izomerii de rotatie in jurul legaturii glicozidice

In cazul legaturii peptidice rigide si in cazul legaturilor C-C din structura acizilor grasi, este asigurata o anumita libertate de rotatie substituentilor caracteristici care stau la originea conformatiilor structurale multiple. In cazul nucleozidelor, nucleotidelor si acizilor nucleici legatura glicozidica C1'-N permite rotatia bazei azotate in jurul legaturii si situarea sa in doua pozitii diametral opuse in raport cu pentoza (Figura 1.16

Pentru conformatia syn (impreuna), planul bazelor este orientat de aceeasi parte cu riboza, in timp ce pentru conformatia anti (contrar), orientarea este contrara. In cazul nucleozidelor pirimidinice singura conformatie naturala admisa este anti deoarece carbonul din pozitia 2 purtator de grupare carbonilica determina aparitia unor forte de respingere cu oxigenul ciclului ribozic.

In figura 1.16 este prezentat modul conventional de definire a regiunilor syn si anti in functie de unghiul de torsiune c: i) consideram rotatia dreapta a lui N1 catre C1' in jurul legaturii considerate; ii) axa de referinta (0⁰) este reprezentata de legatura C1'-O4' din pentoza; iii) legaturile bazelor considerate pentru calcularea unghiului sunt N1-C2 pentru pirimidine si N9-C4 pentru purine.

Figura 1. Cele doua conformatii pe care le adopta pentoza in structura acizilor nucleici:a) E ("anvelope") si b) T ("twist") (dupa Biochemistry, Voet&Voet, 1995)

Figura 1.15. Cele mai probabile conformatii ale ciclului furanozic (riboza si deoxiriboza) din structura nucleotidelor. a) perspectiva; b) vedere din fata (planul atomilor coplanari perpendiculari pe planul paginii) (dupa Biochemistry, Voet&Voet,1995)

Figura 1.16. Izomerii de rotatie in jurul legaturii glicozidice si definirea unghiului de torsiune c (in raport cu legatura N9-C1' si N1-C1').

Constrangerile sterice si interactiunile limiteaza posibilitatile de rotatie: i) purinele pot sa adopte doua conformatii in timp ce pentru pirimidine, interferenta dintre gruparea hidroximetil a ozei (ribozei, deoxiribozei) si oxigenul gruparii carbonil, defavorizeaza puternic conformatia syn si avantajeaza conformatia anti; ii) probabilitatea existentei unuia sau a altuia dintre rotameri (izomeri de rotatie sau conformeri de rotatie) depinde si de conformatia adoptata de pentoza.

Mai tarziu se va discuta incidenta acestei rotatii asupra conformatiei finale a polinucleotidelor.

Nucleozide naturale si de sinteza

Nucleozidele: metaboliti si constituenti ai cofactorilor enzimatici

Ca si bazele lor, nucleozidele se regasesc ca intermediari in metabolismul nucleotidelor: inozitol fosfatul este precursorul comun al nucleotidelor care contin in structura adenozina si guanozina.

Alte nucleozide se regasesc sub forma de cofactori sau coenzime. De exemplu, adenozina este prezenta: i) legata de gruparea sulfhidril a metioninei (Figura 1.17) formand S-adenozilmetionina, cofactor care asigura transferul unei grupari metil; ii) in molecula coenzimei B12, sub forma 5'-deoxiadenozil cobalamina (Figura 1.18); iii) in fosfoadenozil fosfosulfatul (PAPS, Figura 1.17) care este implicat in reactiile de sulfatare a glicanilor si a lipidelor; adenozin 3', 5' -difosfat fixeaza o grupare sulfat printr-o legatura anhidridica, formata intre acid sulfuric si fosfatul din pozitia 5' (Tabel

Tabel 1. Coenzime si molecule intermediari metabolici in structura carora intra adenozina

Figura 1. Exemple de nucleozide care intra in structura unor metaboliti sau/si cofactori: a) S-adenozilmetionina (SAM); b) inozina (hipoxantin riboza); c) fosfoadenozilosfosulfat (PAPS)

Nucleozide atipice naturale

Sunt cunoscute si analizate o serie de nucleozide atipice natural:

a) prezente alaturi de alte baze minore in structura ARNt: pseudouridina, uracil legat de riboza prin intermediul carbonului C5 si nu prin intermediul azotului, formand o legatura C-glicozidica (ozidica) exceptionala Acest nucleozid si derivatul obtinut prin reducere, 5, 6 dihidrouridina, sunt prezente in majoritatea moleculelor de ARNt si reprezinta cele mai abundente nucleozide minore. Derivatii 2'-O-metilati ai ribozei constituie puncte de rezistenta la hidroliza enzimatica sau alcalina a ARNt.

b) microorganismele produc nucleozide libere in structura carora riboza este inlocuita cu arabinoza (Ara), cu aceeasi configuratie. Deoarece au fost pentru prima data izolate din spongieri, aceste substante au fost denumite spongiozide si spongionucleotide. Arabinozilcitozina si arabinoziladenozina sunt folosite in terapia antivirala (Ara-Ade contra virusului Herpex) si anticanceroasa (Ara-Cyt in tratamentul leucemiilor). Inactivarea lor enzimatica este intarziata prin transformarea in derivati carbociclici Figura 1.19);

c). Puromicina este un antibiotic, inhibitor al sintezei proteice, secretat de Streptomyces. In acest nucleozid, foarte substituit, baza este reprezentata de adenozina N-dimetilata iar pentoza este o ribozamina dimetilata atasata printr-o legatura amidica la O-metiltirozina (Figura 1.19 Antibioticul intervine la nivelul sintezei proteice atat la procariote cat si la eucariote, pe care o blocheaza.

Figura 1.18. Structura moleculei B₁₂ contine nucleozidul 5'deoxiadenozil

Figura 1.19. Nucleozide atipice naturale: pseudouridina, arabinozil-citozina, arabinozil-adenozina, puromicina

Nucleozide de sinteza

Nucleozidele de sinteza completeaza arsenalul de analogi antagonisti. Dintre structurile existente exemplificam: a) formele deoxi-, halogenate sau nu ale nucleozidelor purinice si pirimidinice cu proprietati bacteriostatice: 3'-deoxiadenozina foarte eficace impotriva Bacillus subtilis;

b) 6-azauridina este de un mare interes in tratamentul maladiilor proliferative ale epidermei, iar derivatul sau triacetat in psoriazis (Figura 1.20

Figura 1. Nucleozide de sinteza: 3'deoxiadenozina, 6-azauridina

Figura 1.21. Adenozin 5'-monofosfat (adenilat, AMP)