Конформационная динамика нуклеиновых кислот при взаимодействии с лигандами, страница 7

Вращение вокруг N-гликозиднойсвязи имеет два основных пика негауссовской формы в значениях 200∘ (анти-)и 60∘ (син-).Внимательное исследование и анализ экспериментальных данных на наличие ошибок является критически важным этапом при построении выборки длябиоинформатического анализа конформаций остова РНК. Проблема большогоколичества степеней свободы в динуклиотидах РНК может быть решена упрощением анализа или уменьшением выборки, но при этом неизбежна потеря данных. Подход, использующий два псевдоторсионных угла на нуклеотид (подобенуглам в диаграмме Рамачандрана для белков), может быть удобен для работы снефильтрованными выборками экспериментальных данных.

Применение этого подхода к анализу расчётных данных приводит к потере информации, что40не позволяет эффективно сравнивать экспериментальные данные и расчётные[49].Ряд исследователей анализирует полноатомное конформационное пространство. Метод, основанный на анализе распределения данных каждого угла[50],был использован для построения т.н. структурного словаря. Этот анализне предполагает корреляций между значениями углов, что приводит к потереважной информации. Пространство множества углов также анализировалосьметодом кластеризации ``без внешних параметров'', но этот подход также непривёл к успешному решению проблемы [51].

Мюррей с коллегами [47] предложил полезный и физически взвешенный приём описания сопряжения сахарсахар одним параметром. Реализация подхода состоит в описании углов и +1 ,что является естественным представлением геометрии вокруг фосфатной группы (Рисунок 2.2). Они провели тщательный анализ данных для больших РНК,при этом данные фильтровали с помощью предлагаемого подхода. Также проводили фильтрацию по значениям В-фактора и пространственным пересечениям Ван-дер-Ваальсовых сфер. В результате были выделены 42 конформераостова РНК.В работе Шнейдера и коллег систематизация проводилась на основе 14 торсионных углов динуклеотида включая угол вокруг N-гликозидной связи.Прианализе были рассмотрены 2841 индивидуальных динуклеотида из большойсубъединицы рибосомы из Haloarcula marismortui.

2010 динуклеотидов былиотнесены к А-форме РНК, в то время, как оставшиеся 831 были определеныкак неканонические. Ожидаемо, что фокус кластерного анализа был направленна эти 831 динуклеотида. Оказалось, что 510 из них нельзя было осмысленноклассифицировать. Их геометрия могла быть как ошибочной, так и представлять редкие топологические явления. В ходе работы были классифицированы4118 конформаций, не относящихся к А-форме РНК.

Кластеры с малой заселённостью не имели значимого влияния.Результаты от разных исследователей [47; 48; 52] позже были объединеныв один номенклатурный список [46]. Была разработана программа по автоматическому анализу и отнесению структуры РНК. Из 46 семейств конформацийостова РНК наиболее представлена классическая А-форма РНК с 4637 индивидуальными представителями. Следующей по встречаемости является конформация А-формы РНК, подобная коленчатому валу, с 275 индивидуальнымипредставителями.В заключение хочется отметить, что описание остова РНК является крайнесложной проблемой. Анализ известной структуры РНК или результатов вычислительных экспериментов не должен проводиться без сравнения с известнымиданными.

Остов РНК представляет исследователям много интересных вопросов, которые могут быть исследованы с помощью трудоёмких, длительных, новысокоточных квантово-механических расчётов.2.2.3Электронная структура сахаро-фосфатного остоваСахаро-фосфатный остов имеет достаточно сложную электронную структуру, и делокализация электрона затрудняет его теоретическое описание. Благодаря эффектам гиперконъюгации, некоторая часть электронной плотности делокализована по всему остову, и степень делокализации зависит от конформации остова.Некоторые квантово-химические представления могут воспроизвести это явление с разными успехом. Методы с эффективным учётом корреляционных эффектов [53] недооценивают электронную плотность для ковалентныхсвязей, располагая излишек вдоль всего остова.

Высококачественные подходы42могут описывать эти эффекты аккуратно.Ожидаемо, что зависимость эффектагиперконъюгации от конформации остова сильно затрудняет описание остова вклассических силовых полях. Эффект гиперконъюгации возникает из донорноакцепторных взаимодействий локальных орбиталей в положении C1' и C3'.Этиэффекты зависят от конформации остова и могут быть описаны только точнымиквантово-химическими расчётами. Этот факт, к сожалению, делает практически невозможным аккуратное описание распределения электронной плотностис помощью классических силовых полей.2.2.4Квантово-механические расчёты больших и малых системИсследование остова нуклеиновой кислоты квантово-механическими методами требует внимательного выбора модельной системы и методов расчёта.Здравый смысл предлагает для изучения модельную систему с максимальнымразмером.

Тем не менее, выбор модели является сложным вопросом, и частонеобходимо изучать небольшие системы. Одной из очевидных причин являетсято, что, чем меньше система, тем качество применяемых расчётов может бытьвыше. С другой стороны, вычислительная стоимость высококачественных методов квантовой механики стремительно растёт с числом атомов в системе [53].Тем не менее, эта проблема постепенно отступает, в связи с быстрым развитиемаппаратного и программного обеспечения.

Истинная причина, которая затрудняет исследование крупных системы, - это сложность поверхности потенциальной энергии (ППЭ).Квантово-механические (КМ) подходы не позволяют накопить данные оконформационном ландшафте, доступные в моделировании молекулярной ме43ханики. В КМ-расчётах часто используется оптимизация геометрии, располагающая структуру в ближайшем минимуме ППЭ. На сегодняшний момент нетинструментов для эффективного исследования ППЭ. С ростом числа атомовтакже растет количество локальных минимумов энергии для двугранных углов. Исследования нуклеиновых кислот методами молекулярной механики показывают, какой удивительно богатой может быть конформационная динамикаостова НК практически во всех диапазонах времён наблюдения [54—56].В то время, как в расчётных экспериментах система становится всё больше,это ещё далеко до размера реального биополимера и, кроме того, в таких расчётах не учитывается влияние растворителя.

Без учёта растворителя в системеисследователь сталкивается с большим количеством как внутримолекулярныхвзаимодействий, так и других структурных явлений, которые не встречаются вреальной жизни. К примеру, часто в таких взаимодействиях участвуют концевые группы, 2'-гидроксил, анионный фосфат. Например, при исследовании системы сахар-фосфат-сахар было обнаружено, что учёт стекинг-взаимодействийв НК не является полезным, так как энергия этих взаимодействий была переоценена, что привело к неверным значениям энергии остова [57]. Спонер и коллеги попытались использовать иминометиленовую группу вместо азотистых оснований, которая имитировала ароматические азотистые основания.

К сожалению, даже такая модель была непригодна для изучения энергетического профиля остова. Вероятной причиной являлось то, что результат оптимизации геометрии зависел от начальной ориентации -NCH2 -групп. Существование различныхспособов взаимодействия метиленовых групп с остовом привело к невозможности выделения вкладов в энергию, характерных для остова [57]. Таким образом, ни азотистые основания, ни их простые аналоги не стоит использовать приизучении энергии конформации остова НК.

Тем не менее, если задача предпо44лагает взаимодействие оснований с остовом, то они должны учитываться явно,или объектом изучения должна являться N-гликозидная связь.Рисунок 2.5: Два варианта взаимодействия иминометиленовых групп междусобой: стекинг-взаимодействие (слева) и Т-образное взаимодействие (справа).Синим цветом обозначены атомы азота, серым - углерода, красным кислорода, оранжевым - фосфора.

[37].Заряд остова затрудняет перенос в реальные системы результатов, полученных в газовой фазе путём КМ-вычислений. Даже один анионный заряд фосфатной группы вызывает трудности, в то время, как между двух или более зарядов возникает электростатическое отталкивание. Кроме того, очевидно, чтосольватация меняет электронную структуру остова НК [58].

Самый лучшим вариантом подавления чрезмерного электростатического отталкивания являетсяиспользование моделей с введением неявного растворителя, хотя точность таких расчётов значительно ниже, по сравнению с вычислениями в газовой фазе. Протонирование анионных атомов кислорода является является химическибессмысленным.

Возможна нейтрализация заряда одновалентными катионамирядом с атомами кислорода, но это также неоптимально, так как большую частьвремени фосфаты не взаимодействуют с одновалентными катионами в растворе.Данные моделирования показывают, что примерно 10% времени катионынапрямую связаны с фосфатной группой [59].Использование слишком малых систем также приводит к неточной геометрии остова. Специфической проблемой РНК является 2'-гидроксил рибозы: его45наличие усложняет конформационное пространство цепи РНК, так как он может быть легко вовлечён во внутримолекулярные взаимодействия. Тем не менее, в неканонических сегментах РНК группа 2'-ОН очень часто участвует включевых молекулярных взаимодействиях в качестве донора в водородной связи [17—21].