Конформационная динамика нуклеиновых кислот при взаимодействии с лигандами (1098269), страница 27
Текст из файла (страница 27)
Время, затраченное катионом натрия на связывание в верхнем сайте, составило 1 и 4 нс, в то время какв нижнем сайте катион провёл 7 нс. Для проникновения катиона в центральную полость через верхний сайт необходимо соблюдение нескольких условий(Рисунок 3.32): 1) азотистые основания G8 и Т9 должны изменить своё положение, чтобы дать доступ к карбонильным атомам кислорода гуаниновых оснований верхнего квартета; 2) азотистые основания верхнего квартета должныразойтись для того, чтобы сформировать пору достаточного размера для свя169зывания катиона в плоскости квартета.
Только при выполнении этих условийкатион натрия может переместиться в центральный сайт связывания внутриквадруплексного стебля и занять там стабильное положение.Рисунок 3.32: Схема движений азотистых оснований аптамера 15-ТВА припроникновении катиона в центральный сайт связывания через верхнюю частьструктуры.Динамика проникновения катиона натрия внутрь центральной полости через верхнюю часть структуры представлена на Рисунке 3.33. Площадь поры,которая образуется в центре верхнего квартета, зависит от положения катиона.Если катион находится в центральном сайте, то размер поры уменьшается относительно того состояния, когда катион находится вне центрального сайта.
Врассматриваемой системе проникновение катиона в центральную полость произошло на 112 нс . Это стало возможным благодаря смещению основания G8и появлению доступа к карбонильным атомам кислорода (Рисунок 3.33, нижний график). Катион преодолевает двое ворот: первые формируются остаткамиTGT–петли, а вторые G-основаниями верхнего квартета. После проникновениякатиона в центральный сайт связывания все ворота закрываются, ``запирая''тем самым катион внутри аптамера. Поверхность поры, образуемой остаткамигуанина, становится меньше и амплитуда колебаний снижается (Рисунок 3.33,верхний график после 112 наносекунды).
Подобным изменениям подвергается170и G8: центр масс азотистого основания приближается с центру масс азотистыхоснований верхнего квартета, т.е. G8 накрывает пору в верхнем квартете (Рисунок 3.33, нижний график после 112 наносекунды).А)Площадь, нм20.30.20.20.1020406080100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320Время, нс.Расстояние, нмБ)43210204060100120140160180200220240260Время, нсВ)Расстояние, нм800.80.60.4020406080100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320Время, нсРисунок 3.33: Динамика структуры аптамера 15-ТВА при проникновениикатиона натрия в центральную полость квадруплекса через верхнюю частьструктуры. (А) Площадь фигуры, образуемой атомами О6 верхнего квартета.Схема приведена в верхней правой части графика – серым отмечена фигура,для которой вычислялась площадь.
(Б) Расстояние между катионом натрия ицентром масс восьми атомов О6, принадлежащих квадруплексному стеблю,т.е. центральному сайту связывания. (В) Расстояние между центром массазотистого основания остатка G8 и центром масс атомов О6 верхнего квартетаквадруплекса.
Вертикальная прерывистая линия отмечают моментпроникновения катиона в центральный сайт связывания. Аналогичная хемадля Т9 не показана.171Очень похожий процесс происходит при проникновении катиона натрия ваптамер 15-ТВА через нижнюю часть структуры, то есть через ТТ петли (Рисунок 3.34).Площадь, нм2А)0.20.1020406080100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320Время, нс.Б)Расстояние, нм4321020406080Время, нсВ)Расстояние, нм100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 3201.210.80.60.4020406080100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320Время, нсРисунок 3.34: Динамика структуры аптамера 15-ТВА при проникновениикатиона натрия в центральную полость квадруплекса через нижнюю частьструктуры. Б) Расстояние между катионом натрия и центром масс восьмиатомов О6, принадлежащих квадруплексному стеблю (центральному сайтусвязывания).
А) Изменение площади фигуры, образуемой атомами О6верхнего квартета. В) изменение расстояния между центрами масс азотистыхоснований Т4 и Т13. Проникновение катиона внутрь квадруплексанаблюдалось на 62-й нс: прерывистая линия опускается до минимальныхзначений, в этот момент все ворота были открыты, после того, как катионзанял своё положение в центральном сайте, ворота захлопнулись.172Механизм дегидратация катионов при проникновении катионов в центральный сайт аптамераМоделирование молекулярной динамики позволяет следить шаг за шагом запроцессом десольватации катиона во время его движения к центральному сайту связывания аптамера.
Для визуализации этого процесса мы следили за значениями круговой функции распределения плотности (RDF) воды вокруг изучаемого катиона. Нормальное распределение воды вокруг катиона получено,но основе участка траектории длиной 1 нс, где катион не взаимодействовал саптамером. Функция RDF имеет чёткий пик на расстоянии 2.4Å, плечо пика заканчивается на расстоянии 3.2 Å от центра катиона. Суммарное число молекул,которое попадает в сферу указанного радиуса, можно считать числом молекулв первой сфере окружения катиона.
Мы выбрали этот параметр как показательстепени гидратированности катиона (Рисунок 3.35).Для расчёта изменения числа молекул воды вокруг катиона во время процесса связывания его с аптамером мы разбили траектории на фрагменты по 100пс. Для каждого фрагмента мы рассчитывали и значения функции RDF, и число молекул воды в окружении катиона. Для визуализации процесса дегидратации построены зависимости изменения числа молекул воды вокруг катиона отрасстояния до центрального сайта связывания. На Рисунках 3.36, 3.37 отображен процесс дегидратации катиона натрия при проникновении через ТТ-петлии TGT-петлю соответственно.Исходно в растворителе с катионом взаимодействует около 6 молекул воды,когда катион начинает приближаться к TGT–петле, он постепенно теряет тримолекулы.
Проходя TGT-петлю, катион теряет ещё одну молекулу воды. Послеэтого катион продолжительное время движется около поры, образуемой верх-173877665544332211000.10.20.30.40.50.60.70.80.91Совокупное число соседей, шт, у.е.80Расстояние, нмРисунок 3.35: Гидратация катиона натрия в водном растворе. Чёрнойсплошной линией отмечена функция кругового распределения плотностиводы вокруг катиона натрия в растворе. Серой сплошной линией отмеченоизменение суммарного количества молекул воды в сфере заданного радиуса сцентром в месте положение катиона. Пунктирная линия отображаетвыбранный нами радиус для подсчёта молекул воды вокруг катиона.ним квартетом, и во время этого движения постепенно теряет две оставшиесямолекулы воды – и только потеряв всю воду, катион проваливается внутрь квадруплекса.
В случае движения через ТТ-петли катион продолжительное времяфлуктуирует рядом с ТТ-петлями и нижним квартетом квадруплекса, во времяэтого движения он теряет 2-3 молекулы воды из своего окружения. Приближение к плоскости нижнего квартета приводит к потере ещё двух молекул, апоследняя теряется при прохождении плоскости нижнего квартета.174Рисунок 3.36: Проникновение катиона натрия в центральный сайт черезТТ-петли. Сплошной линией отмечено расстояние от катиона до центральногосайта связывания.
Пунктирной линией отмечено число молекул воды вокругкатиона.Моделирование взаимодействия катиона калия с аптамером 15-ТВАСистемы, в которых моделировалось взаимодействие катиона калия с аптамером 15-ТВА, содержали лишь то количество катионов калия, которое былонеобходимо для нейтрализации заряда системы, обусловленного отрицательным зарядом сахарофосфатного остова ДНК. В двух случаях из трёх катионсначала связывался с нижним сайтом.
Это наблюдалось на 10-й и 44-й нс наблюдения. Катион провёл в одном случае 4, а в другом 1 нс в нижнем связывающемсайте, после чего проник в центральный сайт связывания. В третьей траекторииаптамер не смог захватить катион из раствора до 149-й нс наблюдения. К этомувремени структура квадруплекса стала разрушаться, в результае чего основания G1 и G2 вышли из состава G-стебля (Рисунок 3.38).
В этот момент катион175Рисунок 3.37: Проникновение катиона натрия в центральный сайт черезТGТ-петлю. Сплошной линией отмечено расстояние от катиона доцентрального сайта связывания. Пунктирной линией отмечено число молекулводы вокруг катиона.калия попадает внутрь квадруплекса через образовавшуюся брешь, связываясьв верхнем сайте – в этот момент его структура отличается от всех обсужденныхранее. После короткого пребывания в верхнем сайте (≈1 нс) катион перемещается в центральный сайт.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
