Конформационная динамика нуклеиновых кислот при взаимодействии с лигандами, страница 8

Таким образом, исследования остова РНК часто включают окружающий контекст, для обеспечения реалистичной картины. Например, недавнееисследование небольшой модельной системы [60] указывает на то, что группы 2'-ОН в неканонических регионах РНК предпочтительно взаимодействуют с соседними О3'.

Тем не менее, релевантность этого утверждения труднопроверить, так как применённые расчёты не учитывают ни корреляцию между торсионными углами остова, [46; 48], ни образование водородных связеймежду основаниями [17]. В действительности, группы 2'-ОН в неканоническихрегионах часто выступают в качестве доноров в критических водородных связях. Этот пример иллюстрирует ограниченность небольших модельных систем.Стоит обратить внимание на то, что проблемы с возникающими в газовой фазе взаимодействиями и с наличием заряда у остова влияют также на качествоописания нуклеиновых кислот в молекулярной механике.2.2.5Точность различных методов КМ при исследовании Nгликозидной связиНа протяжении многих лет наиболее распространённым методом в расчетахКМ был метод Хартри-Фока (HF), это метод пренебрегает электронной корреляцией.

Даже в настоящее время он используется некоторыми исследователямидля оптимизации геометрии, за которой затем следует расчёт энергетическихпараметров с учётом корреляционной энергии. При разработке классических46силовых полей семейства ``Amber'': ff94, ff98, ff99 [61], КМ-расчёты проводились именно таким образом.Недавние исследования для улучшения параметризации силовых полейнуклеиновых кислот использовали уже более эффективные методы.

Последнее усовершенствование поля CHARMM основывается на уровне теорииMP2/6-31+G* для оптимизации геометрии, а расчёт энергии проводился науровне теории RI-MP2/cc-pVTZ [62]. Методы DFT (теория функционала плотности) и LMP2 (локальная теория возмущений Мюллера-Плессет) были применены для улучшения потенциала торсионных углов и для силового поляAMBER (версия parmbsc0) [31].В то время, как участилось применение современных методов квантовой химии, а именно, DFT, часто встречается его использование без оценки возможных ошибок.

Точность важна, в особенности для описания остова нуклеиновыхкислот, где небольшие ошибки могут накапливаться вдоль цепи биополимера.Ошибка в несколько десятых долей ккал/моль в потенциале торсионного угла может полностью деградировать структуру РНК [63; 64].Рисунок 2.6: Профиль энергий торсионного угла дезоксигуанозина (dG).Слева находятся профили, полученные со следующими уровнями теории:HF/6-31G * (синий), MP2/6-31G * (красный), а также высокоточныйCCSD(Т)/CBS (чёрный).

Справа - профили, полученные с уровнями теорииMP2/CBS (красный) и CCSD(T)/CBS (чёрный). [64].47Рисунок 2.7: Профиль энергий вращения угла для dG на основе различныхфункционалов DFT и базиса 6-311++G(3df, 3pd): PBE (красный), с коррекциейдисперсии PBE-D (PBE/D-1.06-23) (синий), М06 (зелёный), М06-2X(оранжевый), и профиль сравнения CCSD(Т)/CBS (чёрный).Рисунки 2.6 и 2.7 иллюстрируют результаты по исследованию энергии привращении вокруг угла для дезоксирибонуклеозидов [64]. Подход HF/6-31G*даёт ненадежные результаты как для энергий, так и для геометрии.

Значительные ошибки встречаются для относительных значений энергии в важных точках на ППЭ, в основном, в син-/анти- минимуме и в анти-области. Геометрияглобального минимума получилась довольно неточной, и наблюдалось существенное изменение оптимального значения угла в сторону анти-области.Большая часть информации о конформациях, использованная для построениятекущих силовых полей, была получена с помощью HF/6-31G*. Так как методHF сравним по требованиям к вычислительной мощности с GGA и другими48функционалами DFT, то нет никаких оснований для использования этого метода.Уровень теории MP2 с небольшим базисом 6-31G* значительно улучшаетданные, полученные методом HF/6-31G*. Однако в некоторых важных частяхграфика зависимости энергии от значения угла уровень ошибки все ещё неприемлемы (Рисунок 2.7).Современные методы DFT работают лучше, чем HF/6-31G*, однако ошибкиотносительных значений энергии для син/анти областей все ещё присутствуют.

Примечательно, что описана неточно именно нижняя высота барьера. Поданным Спонера и коллег, PBE87 принадлежит к числу самых точных функционалов GGA для анализа конформаций молекул, однако он по-прежнему даетвесьма значимые ошибки для рассматриваемой системы. Частичного улучшения можно достичь путём уточнения PBE с помощью эмпирической коррекциидисперсионной составляющей (PBE-D) [65]. Таким образом, ни один из методов DFT, протестированных в работе Спонера, не может быть рекомендован дляполучения точных профилей энергии торсионных углов нуклеозидов.Метод MP2/CBS предоставляет достаточную точность профиля угла , сошибкой не более 0,1 ккал/моль, близкую к точности данных, полученных высокоточным методом CCSD(T)/CBS (Рисунок 2.7).Итак, расчёты профиля угла показали, что уровни теории КМ ниже, чемMP2/CBS, и не могут быть рекомендованы для точных расчётов энергии, адля самых затратных CCSD(Т) коррекция не требуется.

Современные методыDFT позволяют нам изучать гораздо более крупные фрагменты НК, состоящиевплоть до нескольких нуклеотидов с учётом полярного растворителя. Тем неменее, перед их использованием важно учитывать коррекцию для дисперсионных взаимодействий и полезно проверять важные точки методом MP2/CBS49для репрезентативного набора геометрий. Следует отметить, что требования куровню теории в расчётах остова отличаются от таковых для азотистого основания, где уровень MP2/CBS не является достаточным, и вычисления MP2/CBSмогут корректироваться на уровне CCSD(T)-вычислений даже при использовании небольшого поляризованного базисного набора. Напротив, для расчётаобразования пар оснований уровень MP2/CBS широко признан достаточно точным, хотя поправки CCSD(Т) могут ещё улучшить результаты. Различные частинуклеотида имеют разные требования к уровню теории для достижения результатов разумного качества.Отметим также, что точность расчётов КМ является лишь одним из аспектов в вычислениях, связанных с остовом НК.

Одинаково важны как выбор адекватной модели, так и правильный учёт сольватационных эффектов. Показано,что учёт эффектов растворителей значительно облегчает использование данныхКМ при описании НК в классическом силовом поле [64; 66].2.2.6Остов ДНК, содержащий мышьяк (As-ДНК)Возможности использования вычислений КМ для изучения остова нуклеиновых кислот, были проиллюстрированы в недавней дискуссии о возможности жизни на основе мышьяка.

Было высказано предположение, что бактерияGFAJ-1 использует арсенаты в месте фосфатов в остове ДНК [67]. С самогоначала это предложение было окружено большим количеством противоречий,частично из-за отсутствия информации о структуре и стабильности сложныхэфиров соединений мышьяка.Для того что бы мышьяк заменил фосфор в ДНК, остов на основе мышьякадолжен иметь соответствующие структурные, термодинамические и кинетиче-50ские свойства.

Расчёты КМ показали, что мышьяк мог бы быть правдоподобнойзаменой фосфора, исходя из термодинамической и геометрической точек зрения. В расчётах использовали анализ Natural Bond Orbital (NBO) для оценкиглавных стереоэлектронных эффектов, действующих в регулярной ДНК-цепии в её As-варианте [68].

Оптимизированные геометрии и эффект сверхсопряжения вдоль C3'-O3'-X-О5-C5' ( где X = P, As) проявляют поразительное сходстводля арсенатов и фосфатов.Таким образом, арсенат был бы идеальной заменой для фосфата в основнойцепи ДНК как по структурным, так и по термодинамическим соображениям,что было показано и другими [69]. Однако, как было отмечено Младеком и коллегами, этого не достаточно, чтобы утверждать о возможности жизни на основемышьяка, поскольку эти данные не дают никакой информации о гидролитической стабильности остова As-ДНК.

Ранее исследования показали, что простыеарсенат-эфиры гидролизуются на много порядков быстрее, чем их фосфатныеаналоги [70—72].Более поздние результаты поддержали гидролитическую инертность AsДНК, спекулируя на том, что затрудненный доступ из-за полинуклеотидной цепи может привести к резкому снижению скорости гидролиза остова [67]. Такимобразом, были проведены эксперименты по оценке скорости гидролиза сериифосфорных и арсенатных эфиров с алкильными группами возрастающей сложности.Оказалось, что энергии активации незначительно зависят от сложности органической части сложных эфиров, а вот разность между энергиями активациифосфатов и арсенатов существенна: 15 ккал/моль как в газовой фазе, так и врастворителе [70].

Это предполагает, что сложные эфиры мышьяка могут гидролизоваться на 7-10 порядков быстрее, чем фосфатные эфиры, и эта разница51не зависит от размера окружающих их алкильных групп. Кроме того, сравнение уровней энергии в газовой фазе и в растворе показывает, что разница в скоростях гидролиза между фосфатными и арсенатными эфирами справедлива идля менее полярных условий. Неподходящие гидролитические свойства врядли позволят построить стабильную As-ДНК.