Multidisziplinäre Methoden zur Bestimmung der Kristallstruktur der D‐Ribose – Parallelen zur Ermittlung von Proteinstrukturen

Abstract

-H ist durch H ersetzt) die Bausteine der 2'-Desoxyribonucleinsäure (DNA).Ein wesentliches Merkmal der b-Furanose in Ribosen oder in 2'-Desoxyribosen der Nucleinsäuren ist, dass der fünfgliedrige Ring nicht planar sondern gewellt vorliegt, entweder in C2'-endo-oder in C3'-endo-Envelope-Konformation, und die Umwandlung zwischen den beiden Formen auf einer Pseudorotation beruht.[2] Die Energiebarriere für die Umwandlung ist so klein, dass die beiden Konformationen in Lösung in einem Gleichgewicht koexistieren, in dem eine der beiden Formen je nach Bedingungen bevorzugt ist. In DNA kann die 2'-Desoxyribose diese beiden Zustände annehmen; die C2'-endo-Konformation (B-DNA) entspricht dem nativen Zustand in Chromatin, während die C3'-endoKonformation (A-DNA) dann vorliegt, wenn DNA einen Komplex mit RNA während der Transkription bildet (die genetische Information, die in der Nucleotidsequenz der DNA verschlüsselt vorliegt, wird in die komplementäre Sequenz der Messenger-RNA übersetzt). Der Grund hierfür ist, dass d-Ribose-haltige RNA nur als doppelhelicale A-RNA mit ausschließlicher C3'-endo-Konformation vorliegen kann.Das Vorkommen von b-Furanose statt b-Pyranose in den Nucleinsäuren ist eng verbunden mit der strukturellen Flexibilität der b-Furanose. b-Pyranose ist hingegen starr, weil der sechsgliedrige Ring nur eine Sesselform einnehmen kann und nicht zur Pseudorotation in der Lage ist. Wenn b-Pyranose mit den vier Nucleobasen in b-glycosidischer Bindung substituiert wird und die gebildeten Hexose-Nucleoside durch Phosphodiester-Bindungen verknüpft werden, kann das entstandene polymere Molekül ebenfalls Doppelhelices wie die DNA bilden, [3] doch können diese (wegen ihrer Starrheit) die DNA nicht in biologischer Hinsicht ersetzen.Wegen des Vorkommens der d-Ribose in Nucleinsäuren war ihre Struktur von beträchtlichem Interesse und bereits 1956 das Ziel einer Röntgendiffraktionsstudie. Weil d-Ribose nur in mikrokristalliner Form erhalten werden konnte, gelang es zwar, die Raumgruppe und die Elementarzelle zu bestimmen, nicht aber die dreidimensionale Struktur.[4] Einige Jahre zuvor hatte Furberg die erste Struktur des Nucleosids Cytidin im Kristall bestimmt, [5] das b-Furanose und die Nucleobase Cytosin enthält (Cytidin ist analog zu Uridin in Abbildung 1 aufgebaut) und dessen Konfiguration von wesentlicher Bedeutung für den Aufbau der doppelhelicalen Struktur von DNA durch Watson und Crick war. [6] Kehren wir zur Struktur der d-Ribose im Kristall zurück. Seit den ersten Versuchen, dieses Molekül zu kristallisieren, [4] muss es viele erfolglose (und deshalb nicht publizierte) Versuche gegeben haben, Kristalle für die Röntgenstrukturana-lyse zu züchten. Es vergingen 50 Jahre, bis ein multidiszipli-

Microwave Spectroscopy of Biomolecular Building Blocks

“…NMR studies have shown that ribose in solution is a mixture of α-and β-pyranose and α-and β-furanose forms, the β-pyranose form being predominant. The recently settled crystal structures have shown that the α-and β-pyranose forms are present in the solid phase [239][240][241][242][243]. The structure in the gas phase has been experimentally investigated using a laser ablation molecular beam Fourier transform microwave spectroscopy (LA-MBFTMW) technique [62].…”