Конформационная динамика нуклеиновых кислот при взаимодействии с лигандами (1098269), страница 26
Текст из файла (страница 26)
В результате показано наличие трех сайтов связывания катиона в молекуле 15-ТВА. Два из них,верхний и нижний, не могут удерживать катион продолжительное время, такчто он ``засасывается'' в центральный сайт между G-квартетами. Петля TGTдействует как ворота, которые направляют движение катиона во внутреннююполость и после этого помогают заблокировать катион внутри полости в центральном сайте. Оказалось, что связывание катиона может происходить совершенно разными способами и зависит это от природы катиона. В исследованиипоказано, что для связывания катиона молекулой 15-ТВАструктура квадруплекса должна находиться либо в собранном, либо в близкой к собранной форме.Катион стабилизирует собранную структуру аптамера и направляет близкую ксобранной структуру к конечному состоянию.
Можно думать, что основные ре-163зультаты, полученные в ходе этого исследования, скорее всего рсправедливы идля других квадруплексных структур.3.5.1Системы и особенности моделирования взаимодействия катионов с 15-ТВАКлассическое моделирование МДПрежде всего следует сказать, что все вычислительные эксперименты были разделены на логические части. Первый блок экспериментов относился кЯМР-структуре 15-ТВА (PDB ID: 148d) [353]. Что бы увеличить область рассматриваемого фазового пространства, мы рассчитали 8 траекторий МД: 3 траектории с катионами натрия и 5 с катионами калия (Таблица 3.4). В этих траекториях исходно не было катионов в комплексе с аптамером 15-ТВА – толькокатионы в растворителе. Известно, что катионы натрия – слабые стабилизаторыквадруплексной структуры 15-ТВА.
Но мы решили проводить моделированиес катионами натрия и калия.Описание катионов на основе простых парных взаимодействий далеко отидеала [354]. По сравнению с данными квантово-химических расчётов простоеописание в силовом поле неверно оценивает энергию связывания и преувеличивает степень крутизны функции Леннарда-Джонса в той части, где описывает отталкивание [347]. Так, при моделировании взаимодействия с центральнойполостью квадруплекса эффективный размер катиона калия должен находитьсямежду известными сегодня параметрами для катионов натрия и калия. Используемое в силовых полях семейства parm описание катиона калия дает завышенный размер катиона.164Второй набор траекторий призван ответить на вопрос: как изменится взаимодействие с катионами при удалении ТGТ-петли из ЯМР-структуры аптамера.Проведено семь вычислительных экспериментов для увеличения покрытия фазового пространства системы.
Одна система рассчитывалась с катионом внутриквадруплекса и 10 – без катиона внутри аптамера, способного стабилизироватьструктуру (Таблица 3.4).Третий набор систем призван помочь установить роль ТТ-петель. ТТ-петлибыли удалены из ЯМР-структуры 15-ТВА и набор траекторий, аналогичныйвторому, был рассчитан. Как и ранее, пакет программ GROMACS [355] использовался для расчёта и анализа траекторий МД. Основные параметры моделирования были те же, что приведены ранее.
Необходимо отметить, что в ходемоделирования МД двух систем с катионами калия мы наблюдали образованиекристаллической структуры KCl. Это известный артефакт используемого силового поля, вызванный дисбалансом между описанием воды, катионов и анионов[134]. Несмотря на образование кристалла соли, избыток свободных катионовкалия был достаточен для нейтрализации общего заряда системы – так что этаконфигурация могла бы быть использована в моделировании.При исследовании связывания ионов натрия проблем, связанных с образованием кристаллов не возникало. Мы не ожидаем, что связывание катиона саптамером может значительно измениться из-за использования модифицированных параметров для KCl в рамках расчётов по классической схеме парныхвзаимодействий, т.е.
параметры катионов используемые в литературе приводятк идентичным результатам (рисунок 2 и обсуждение в статье Фадрны и коллег [347] ). Надо отметить, что эффективный размер катиона в силовом полетакже определяется глубиной потенциальной ямы в функции Ленорда-Джонса,165системы для моделирования и начальныеконфигурации+15-TBA без стабилизирующего Na (ионы:Na+ , Cl- )15-TBA без стабилизирующего Na+ (ионы:Na+ , Cl- )15-TBA без стабилизирующего Na+ (ионы:K+ , Cl- )15-TBA без стабилизирующего Na+ (ионы:K+ )без TGT 15-TBA со стабилизирующим Na+ вцентре (ионы:Na+ , Cl- )без TGT 15-TBA без стабилизирующего Na+(ионы:Na+ , Cl- )без ТТ 15-TBA со стабилизирующим Na+ вцентре (ионы:Na+ , Cl- )без TT 15-TBA без стабилизирующего Na+(ионы:Na+ , Cl- )длина траектории,нсколичествотраекторийколичество атомовВода22356K+–Na+25Cl113003ДНК488900148822356-251130024882235625–1130034882244414––300139026540–2919601039026536–291960135817068–168601035817068–168Таблица 3.4: Выбранные системы для моделирования.так как глубина и радиус частицы компенсируют друг друга в отталкивающейчасти функции.Гибридные молекулярно динамические/квантово-механические расчётыСтартовая структура для моделирования связывания 15-ТВА с катионом калия была взята из банка PDB (PDBID:1c35 [350]) – в этой структуре с аптамером связано 2 катиона калия.
Для моделирования структуры с катионом барияиспользована структура из записи PDBID:1rde [348] –эта структура полученадля комплекса аптамера с катионом стронция (нет структурных данных по комплексу 15-ТВА с барием). Согласно данным спектроскопии кругового дихроизма, комплексы аптамера с катионами бария и стронция имеют очень схожиепараметры. Так как исходно предполагалось, что результаты моделирования будут подтверждаться экспериментально, мы решили отказаться от исследованиястронция, так как этот элемент накапливается в тканях и таким образом токсичен для живых организмов.
Так что использование бария в этой части работыпродиктовано необходимостью провести корреляцию между теоретически по166лученными и экспериментальными данными. Построены пять систем для моделирования с учётом электронной плотности (Рисунок 3.31).Система 1Система 2,5Система 3Система 4Рисунок 3.31: Системы для моделирования комплекса 15-ТВА с катионамиметодом МД/КМ.Верхнее положение катиона (системы 1 и 4) было рассчитано как среднее арифметическое всех позиций катиона калия рядом с верхним квартетом(остатки G1, G6, G10 и G15) из опубликованной геометрии 1с35. Центральноеположение катиона (системы 2 и 5) – это геометрический центр фигуры, образуемой положениями карбонильных атомов кислорода азотистых основанийквадруплексных гуанинов.
Нижнее положение катиона (системы 3 и 4), как иверхнее, рассчитано, как среднеарифметическое для положений катионов калия, близких к нижнему квартету (остатки G2, G5, G11 и G14) в структуре 1с35.В системах 1–4 использован катион калия, а в системе 5 катион бария.Молекулярно-механистическая часть системы описывалась силовым полемparmbc0 [31], а квантово-механическая – плоско-волновым вариантом теориифункционала плотности с использованием псевдопотенциалов (PW-DFT) [356]со использованием формализма поляризованного спина [357] и функционалаPW91 [358].
Взаимодействие между валентными электронами и оставшейсячастью атома описывалось с помощью сверхмягких VDB-псевдопотенциалов(псевдопотенциалы Ван-дер-Билта) [359]. Квантовая часть системы состоялаиз атомов оснований всех нуклеиновых кислот кроме Т7, и рассматриваемого катиона. Разделение механической и квантовых частей проводилось по N167гликозидной связи с введением замыкающих водородов для насыщения оборванной связи. Общий размер квантовой системы составил 178 атомов (179 длясистемы 4 с двумя катионами калия). Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия, которые плохо описываются теорией функционала плотности, корректировали спомощью аналитического потенциала Гримми [360]. Ячейка каждой системыбыла наполнена водой, представленной моделью TIP4P.
Общий заряд системынейтрализовался, так же как и в случае обыкновенных систем, заменой молекул воды на соответствующие ионы. Вновь добавленные молекулы воды и ионыуравновешивались вокруг неподвижного комплекса 15-ТВА с катионами в течении 100 пс.Для подготовленных систем было запущенно моделирование МД/КМ с использованием программных пакетов GROMACS и CPMD и специального интерфейсного кода [361] для эффективного описания электростатических взаимодействий между квантовой и механическими системами. Длительность наблюдения за системами составляла 1.5 пс с шагом интегрирования 0.12 фс. Температура системы, 310 К, контролировалась с помощью алгоритма Нуза-Хувера[362]. Использование сверхмягких псевдопотенциалов позволило установитьрадиус обрезания плоских волн на значение 30 Ry.
Квантовая система представлена кубической формой с длиной ребра 40 Ry и волновая функция квантовойсистемы описывалась с помощью 90000 плоских волн.3.5.2Молекулярно механические аспекты связывания катионов с 15-ТВАВероятность проникновения и предполагаемая траектория движения катиона к месту связывания в 15-ТВА мы изучали методом моделирования МД с168описанием взаимодействий согласно силовому полю parmbc0. Мы моделировали полную ЯМР-структуру аптамера 15-ТВА в водном растворе, содержащемсоли NaCl, KCl или просто катионы калия (без ионов Сl- ) для нейтрализации заряда основной цепи аптамера.
Во всех случаях стартовое положение катионовбыло случайным и квадруплексная часть аптамера не была связан ни с катионом. Во всех восьми вычислительных экспериментах (Таблица 3.4) молекулааптамера 15-ТВА ``захватывала'' катион из раствора и связывабыла в центральном сайте.
Мы отметили, что первоначальное связывание катиона с аптамеромявляется Скорость-лимитирующей стадией процесса была первая стадия связывания. Рассмотрим детально механизм захвата каждого типа катионов.Захват катиона натрияТак как адиус катиона натрия меньше радиуса катиона калия, логично предположить, что на пути его продвижения в центральный сайт квадруплекса именьше препятствий. В двух из трёх случаев катион натрия сначала связывалсяс верхним связывающим сайтом. В одном случае первичное связывание происходило в районе ТТ–петель, после чего катион проникал через пору междуТТ-петлями в центральный сайт. В рассмотренных нами траекториях МД первичное связывание происходило на 1,112 и 61 нс.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
