Конформационная динамика нуклеиновых кислот при взаимодействии с лигандами (1098269), страница 29
Текст из файла (страница 29)
Если не учитывать затраты на дегидратацию, то получаемые значения могут быть сильно завышены ?или даже быть противоположныпо знаку эффекта. В литературе можно найти убедительные примеры того, каксовременное неявное описание растворителя (метод Пуассона-Больцмана) приводит к противоположному знаку значений изменения свободной энергии посравнению с расчётами, не учитывающими растворитель или использующимиустаревшие модели описания растворителя [364; 365].Тем не менее, мы провели расчёты, результаты которых позволили расширить понимание механизма взаимодействия катионов с квадруплексными ДНК.184Относительные энергии разных состояний находят из населённости этих состояний, которая, в свою очередь, может быть определена из очень длительныхтраекторий молекулярной динамики.
Таким образом, нам нужно было набратьдостаточное число конформаций для каждого состояния. чтобы понять, как катион связывается в центральном сайте и покидает квадруплекс много раз. К сожалению, нам не удалось достичь такого времени наблюдения, чтобы детальноизучить этот механизм, но интересные факты все-таки получили.Мы задали следующие состояния взаимодействия катиона с квадруплексом: [0] – квадруплекс, не содержащий катион в центральном сайте, [1] – квадруплекс содержащий один катион в центральном сайте, [0]+(1) – квадруплексс одним катионом в нижнем или верхнем сайтах связывания, [1]+(1) – квадруплекс с двумя катионами, один из которых в центральном сайте, и (1)+(1) –квадруплекс с двумя катионами в верхнем и нижнем сайтах.Мы наблюдали множество раз, как квадруплекс захватывая катион из состояния [0] переходит в стояние [1], но ни разу не наблюдали обратного перехода– из [1] в [0], – несмотря на относительно длительное наблюдение за состоянием [1].
Мы регистрировали быстрый обмен катионами, т.е. переход из [1] в[1] через состояние [1]+(1). Несмотря на то, что из этих данных нельзя получить точное значение свободной энергии, совершенно очевидно, что состояниес катионом в центральном сайте, [1], гораздо выгоднее безкатионного, [0]. Из-забыстрого перехода катиона вовнутрь квадруплекса из верхнего и нижнего сайтов связывания, т.е. для пути [0] → (1) ⇒ [1], мы не можем оценить разницу всвободных энергиях между [0] и (1).Очевидно, что состояние (1) гораздо менее выгодно, чем [1], так как конфигурация (1) не может конкурировать с состоянием [1].
Однако мы можемоценить вероятность существования случаев [1]+(1). Это может быть сдела185но подсчётом временных интервалов связывания второго катиона с верхнимили нижним сайтом аптамера, т.е. времени жизни состояния (1). В Таблице 3.5приведены периоды времени времени и вероятности ( ) для состояния [1]+(1)наблюдаемого в разных траекториях. Зададим как период времени в который наблюдалось состояние [1]+(1), а это общее время для состояний [1]и [1]+(1) в рассматриваемой траектории. Другими словами мы рассматриваемхимическую реакцию между аптамером и катионом.15 − ∙ [1] + (1) ↔ 15 − ∙ [1] ∙ (1)15 − ∙ [1] - это аптамер с катионом в центральном сайте связывания, а 15 − ∙ [1] ∙ (1) -это аптамер свзанный с двумя катионами, один в центральнойполости, а другой в верхнем или нижнем сайте связывания.В таблице 3.5 приведены значения времени пребывания второго катион ваптамере, имеющем катион в центральном сайте (состояние [1]+(1)).
Отметим,что не во всех траекториях в центральной полости исходно присутствовал катион, поэтому требовалось некоторое время для захвата первого катиона. Этовремя не учитывалось при подсчёте вероятностей. Следует напомнить, что всесистемы, где не было либо TT-, либо TGT–петель, строились без катиона внутрии не все из них сохранили квадруплексную структуру, а системы, ее потерявшие, не рассматривались. Общее время наблюдения таких траекторий соответствовало 420 и 540 нс, т.е. в сумме это 940 нс, что приводит к соотношению ≈0.2 состояний [1]+(1)/[1] или ≈ 0.15 для отношения [1] + (1)/[1] + [1] + (1).В системах, где удалены некоторые петли, доступный квартет более вероятно взаимодействует с катионом.
Для систем с нативной молекулой 15-ТВАмы не детектировали состояний типа [1]+(1) в течение времени наблюдения186более 300 нс, хотя состояние [1] сохранялось в течении 726 нс. Тем не менеенам удалось обнаружить состояние [1]+(1) с общим периодом порядка 60 нс втраекториях, по длине близких к микросекунде.Хотя все эти данные трудно назвать сходящимися, грубые прикидки показывают, что значение ([1]+(1)/[1]) для целой молекулы 15-ТВА лежит в диапазоне0.01–0.1.
Следует отметить, что концентрация аптамера при моделировании составляла около 0.007 M, а катиона около 0.18 M.Для катиону калия мы не детектировали состояние [1]+(1), хотя. надо сказать, размер выборки и время наблюдения были малы (см. описание захвата катиона калия выше) и мы не проводили моделирования беспетельных вариантов15-ТВА, где квартеты более доступны для связывания второго катиона.Итак, для проверки значений изменения свободной энергии, полученныхэкспериментально, нам бы понадобилось наблюдать за системой приблизительно в 100 раз дольше, т.е.
примерно 3 мкс. Рассчитанная нами вероятностьсостояния [1]+(1) достаточно хорошо согласуется с данными, полученнымиTrajkovski и др. [351] для катиона амония при исследовании методом ЯМР. Авторы обнаружили слабое связывание второго катиона в нижнем сайте связывания. К сожалению, из экспериментальных данных сложно точно отличить состояние [1]+(1) от (1). На основе полученным нами результатов мы все-такиполагаем, что рнчь шла о состояние [1]+(1), т.е. о комплексе со стехиометрией1 : 2.Таким образом, при моделировании МД выявлено, что, конфигурация [1] гораздо стабильнее всех проанализированных нами.
Однако связывание второгокатиона, когда первый находится в центральном сайте связывания (состояние[1]+(1)), энергетически возможно. Как отмечалось ранее, точность предсказан-187ной населённости состояния [1]+(1) может сильно зависеть от выбора параметров силового поля.3.5.3Гибридное молекулярно механическое / квантовомеханическое исследование взаимодействия катионовс 15-ТВАВ исследовании связывания катиона методами классической механики катион захватывался аптамером с образованием промежуточного комплекса, связываясь в нижнем или верхнем сайте.
Однако моделирование МД в классических силовых полях не позволяет учитывать поляризацию электронных облаков, которая однозначно описывает координационные взаимодействия катионаи его хелаторов. По этой причине мы решили прибегнуть к помощи гибридногоМД/ММ метода для оценки относительной стабильности разных позиций катиона калия в комплексе с аптмером 15-ТВА. Несмотря на непродолжительноевремя наблюдения за системой, доступное для используемых вычислительныхресурсов, гибридный метод МД/ММ может быть использован как дополнительным независимый тест, который дополнит данные классической молекулярноймеханики.Пять систем (Рисунок 3.31) были построены для моделирования МД/КМ:три из них, 1–3, содержали по одному катиону калия (соответственно в верхнем, среднем и нижнем сайте связывания);. система 4 включала два катионакалия в верхнем и нижнем сайтах с и система 5 – катион бария в центральномсайте связывания.
Катион бария был выбран как катион сравнения – он образует комплекс с аптамером, очень схожий с комплексом для стронциия. Для по-188следнего известно, что катион в нем связан в центральном сайте аптамера состехиометрией 1 : 1.В двухсистемах, где катион калия находился в верхнем сайте связывания(системы 1 и 4), в ходе моделирования он смещался в центральный сайт. В системе 4 это происходило параллельно с выталкиванием катиона калия из нижнего сайта связывания в сторону раствора. В системе 3 положение катиона калияв нижнем сайте связывания было также нестабильно–после некоторых флуктуаций катион смещался в сторону центрального сайта (Рисунок 3.43).0.60.5Расстояние, нм0.40.30.20.1000.20.40.60.811.21.41.6Время, псРисунок 3.43: Поведение катионов в различных комплексах с 15-ТВА примоделировании МД/КМ.
Слева: Расстояние между катионом игеометрическим центром квадруплекса. Граница центрального сайтасвязывания отмечена розовой пунктирной линией. Если расстояние близко к 0это значит, что катион находиться в центре центрального связывающего сайта.Справа: схематическое изображение движений катионов. Цвета катионовсоответствуют графику расстояний.189Только системы 2 и 5, в которых катионы калия и бария исходно находилисьв центральном сайте связывания, были устойчивы (Рисунок 3.43). Во времямоделирования катион калия совершал периодические колебания внутри центрального сайта связывания – от верхнего к нижнему квартету и обратно.
Вотличие от калия, катион бария оставался практически неподвижным в центреполости между квартетами. Положение первого пика парной функции радиального распределения (PRDF) карбонильных атомов кислорода О6 вокруг катиона калия составляет 2.7Å, что очень близко к соответствующему значению приисследовании abinitio динамики сольватации катиона калия в метаноле [366](Рисунок 3.44).Среднее число хелаторов, которые попадают в окружение катиона калия исоответствует первому пику PRDF, равно 5.2. Это же значение описывает среднее координационное число калия внутри квадруплекса.
Как упоминалось, катион бария практически не смещается от стартовой позиции. Параметры егокоординации схожи с экспериментальными данными [367], среднее координационное число ровно 8, а расстояние до хелаторов колеблется около 2.8Å.Движение катиона калия к центру квадруплекса сопровождается оптимизацией общей энергии квантовой подсистемы (Рисунок 3.45). Так как классическое силовое поле достаточно приближенно учитывает энергию доноракцепторных взаимодействий, то мы ожидали, что анализ значений энергии полученных для них МД/КМ расчётов может дать реалистичные значения энергиивзаимодействия катиона с квадруплексом. Для вычисления энергии индивидуальных компонентов мы использовали тот же теоретический уровень и рассчитали относительное изменение общей энергии квантовой системы как функциюот времени и представили на графике вместе с расстоянием до центральногосайта связывания.1909,00088,0007,00066,000, у.е.55,00044,00033,0002,00021,000100.10.150.20.250.30.350.40.45Совокупное число соседей, шт700.5Расстояние, нмРисунок 3.44: Динамика катионов калия и бария в центральном сайтесвязывания при моделировании МД/КМ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
