Конформационная динамика нуклеиновых кислот при взаимодействии с лигандами (1098269), страница 39
Текст из файла (страница 39)
Преобразование интенсивности кросспиков в ограничение расстояний между протонами производилось в программном обеспечении NMRConstraints, входящий в пакет программ NMRTABLE.Начальная топология по последовательности 31-ТВА и развернутая структурабыла построена, используя пакет программ Crystallography and NMR Systems(CNS) [414]. Минимизация энергии была произведена с помощью GROMACS(с применением силового поля parmbc0).
Силовые константы 800 (кДж/мол)/Å2были использованы для экспериментально полученных дистанционных ограничений Уотсон-Криковских водородных связей. Радиус обрезания для нековалентных взаимодействий был установлен в 20Å. Растворитель задан в неявномвиде по методу GBSA.257Финальная модель была создана моделированием отжига в течении 2нс от1000К до 100К при заданных дистанционных ограничениях на основе ЯМР анализа. Все 247 ограничений расстояний, полученные из ЯМР спектров, были использованы при моделировании структуры аптамера.4.1.8Моделирование коньюгатов 15-ТВА и нанотрубокМоделирование углеродной нанотрубкиВ связи с наличием проводимости CNT и пи-электронной системы возникает вопрос об их поляризуемости. Квантово-механические расчёты показали анизотропность этого явления.
В направлении продольной оси поляризуемость в несколько раз превышает таковую в перпендикулярном направлении. Так как нанотрубки и ДНК вступают в стэкинг-взаимодействия приучастии πи-электронных облаков, при проведении молекулярно-динамическихрасчётов систем, включающих ДНК и CNT, важно знать, насколько точно используемые методы воспроизводят указанные взаимодействия. Силовые п олямолекулярно-механических методов можно разделить на две группы: с фиксированным зарядом и поляризуемые. Последние представляют больший простордля параметризации, однако первые менее ресурсоёмкие.
В работе [415] былопродемонстрировано, что различные силовые поля с фиксированным зарядомдостаточно точно воспроизводят расстояния между взаимодействующими частями молекул и силу взаимодействия, хотя положение и ориентация ароматической группы относительно поверхности CNT искажены.
Так как нас интересует сила взаимодействия азотистых оснований с нанотрубкой, а не конкретнаяориентация, то для неё подойдёт то же силовое поле с фиксированным зарядомparmbsc0. Пространственная структура CNT представляет из себя свёрнутую258в трубку поверхность гексагональной решётки с атомами углерода в узлах. Еёможно создать, например, с помощью такой программы, как buildCstruct. Таккак мы не учитываем электронные эффекты в наших расчётах, конформациянанотрубки не имеет значения и мы выбрали стандартную открытую amrchairнанотрубку с конфигурацией (10, 10) и длиной около 30Å.
Ввиду регулярностиструктуры описание топологии CNT легко поддаётся автоматизации средствами GROMACS. Частичные заряды на атомах нанотрубки выбраны нулевыми,так как нанотрубка имеет множество групп симметрии и практически все атомынеотличимы друг от друга.Подготовка систем к расчёту молекулярной динамикиМоделирования молекулярной динамики выполнены на суперкомпьютерахМГУ им. Ломоносова с помощью пакета программ GROMACS.
Для каждого изпяти модифицированных аптамеров созданы системы с ковалентной сшивкойаптамера и карбоксилированной нанотрубки, а также со сшивкой аптамера иTween 20 в расчёте на гидрофобное взаимодействие этой молекулы с нанотрубкой. Ковалентное взаимодействие накладывает более жёсткие ограничения навзаимной расположение аптамера и нанотрубки. В рамках подготовки систем кдинамике молекулы подвергнуты оптимизации.
После этого добавлен явно заданный растворитель вода по модели TIP4P/Ew [416]. Молекула ДНК содержитфосфаты и имеет отрицательный заряд, который нужно нейтрализовать. Стоитотметить, что в силовых полях parm ион K+ параметризован со слишком большим радиусом для канала в G-ДНК.
Это иногда приводит к его выталкиваниюиз структуры, что негативно сказывается на стабилизации квадруплекса. Крометого, в моделированиях K+ c Сl- присходит кристаллизация в соль KCl. Ион Na+имеет меньший радиус и подобных артефактов в моделировании не возникает,259поэтому в данной работе мы использовали катион Na+ . Было создано два типасистем: с противоионами в виде катионов Na+ , которые заменят K+ в качествеиона, стабилизирующего G-квадруплекс, в физиологической концентрации соли NaCl; а так же с заведомо крупным катионом тетраметиламмония, который,вероятно, не оказывает значительного влияния на структуру аптамера.260Глава 5Выводы1. Крупнозернистое моделирование длинных молекул РНК применимо длясупрамакромолекулярных комплексов при наличии структурных ограничений, не связанных с собственной структурой РНК.
РасположениетмРНК длиной 363 нуклеотида определяется позиционированием псевдоузла pK1 и белка SmpB.2. Локальное представление функциональных районов супрамакромолекулярных комплексов позволяет достоверно моделировать полноатомныемодели. Эффективность взаимодействия тилозина и его производных с23S рРНК в рибосоме определяется сетью водородных связей.3. Моделирование без ограничений для коротких молекул ДНК позволяет определить конформационное пространство всех топологических элементов структуры. Из трёх внутренних петель минимального 15-членногоG-квадруплекса (15-ТВА) только одна тринуклеотидная петля стабилизирует структуру.2614.
Точное моделирование с учётом электронной плотности указывает насложное поведение катионов металлов при взаимодействии с ДНК.Эффективное хелатирование катионов в центре минимального Gквадруплекса (15-ТВА) определяется уменьшением вероятности диссоциации комплекса за счёт динамики латеральных петель.5. РаскрытиеосновформированияструктурыидинамикиG-квадруплексных ДНК позволяет целенаправленно оптимизировать ихузнающие свойства. Изученый в работе структурно-функциональныйпрофиль аптамера 15-ТВА использован для разработки антитромботического препарата и наноаптасенсоров.262Список литературы1. Berendsen H. Simulating the Physical World: Hierarchical Modeling fromQuantum Mechanics to Fluid Dynamics.
— Cambridge University Press,2007. — (EngineeringPro collection).2. Glattli A., Daura X., Gunsteren W. F. van Derivation of an improved simple point charge model for liquid water: SPC/A and SPC/L // The Journal ofChemical Physics. — 2002. — Vol. 116, no. 22. — Pp. 9811–9828.3. Guillot B. A reappraisal of what we have learnt during three decades of computer simulations on water // Journal of Molecular Liquids.
— 2002. — Vol.101, no. 13. — Pp. 219–260.4. Gunsteren W. van, Berendsen H. Algorithms for macromolecular dynamicsand constraint dynamics // Molecular Physics. — 1977. — Vol. 34, no. 5. —Pp. 1311–1327. — eprint: http://www.tandfonline.com/doi/pdf/10.1080/00268977700102571.5.
Gunsteren W. F. van [et al.] Biomolecular Simulation: The GROMOS96 manual and userguide. — Zrich, Switzerland : Hochschuleverlag AG an der ETHZrich, 1996.2636. Ryckaert J.-P., Ciccotti G., Berendsen H. J. Numerical integration of the cartesian equations of motion of a system with constraints: molecular dynamics ofn-alkanes // Journal of Computational Physics. — 1977. — Vol. 23, no. 3. —Pp. 327–341.7. Hess B.
[et al.] LINCS: A linear constraint solver for molecular simulations //Journal of Computational Chemistry. — 1997. — Vol. 18, no. 12. — Pp. 1463–1472.8. Muller M., Katsov K., Schick M. Biological and synthetic membranes: Whatcan be learned from a coarse-grained description? // Physics Reports. —2006. — Vol. 434, no. 56.
— Pp. 113–176.9. Marrink S. [et al.] The MARTINI force field: coarse grained model forbiomolecular simulations. // J Phys Chem B. — 2007. — July. — Vol. 111,no. 27. — Pp. 7812–24.10. Marrink S. J. [et al.] The MARTINI Force Field: Coarse Grained Model forBiomolecular Simulations // The Journal of Physical Chemistry B. — 2007.
—Vol. 111, no. 27. — Pp. 7812–7824. — eprint: http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/jp071097f.11. Johnson M., Head-Gordon T., Louis A. Representability problems for coarsegrained water potentials. // J Chem Phys. — 2007. — Apr. — Vol. 126, no.14. — P. 144509.12. Riniker S., Gunsteren W.
van A simple, efficient polarizable coarse-grainedwater model for molecular dynamics simulations. // J Chem Phys. — 2011. —Feb. — Vol. 134, no. 8. — P. 084110.13. Olson W., Zhurkin V. Working the kinks out of nucleosomal DNA. // Curr OpinStruct Biol. — 2011. — June. — Vol. 21, no. 3. — Pp. 348–57.26414. Wing R. [et al.] Crystal structure analysis of a complete turn of B-DNA. //Nature.
— 1980. — Oct. — Vol. 287, no. 5784. — Pp. 755–8.15. Burge S. [et al.] Quadruplex DNA: sequence, topology and structure // NucleicAcids Res. — 2006. — Vol. 34, no. 19. — Pp. 5402–5415.16. Mathews D., Turner D. Prediction of RNA secondary structure by free energyminimization. // Curr Opin Struct Biol. — 2006. — June. — Vol. 16, no. 3. —Pp. 270–8.17. Jaeger L., Verzemnieks E., Geary C. The UA handle: a versatile submotif instable RNA architectures. // Nucleic Acids Res. — 2009.
— Jan. — Vol. 37,no. 1. — Pp. 215–30.18. Leontis N., Stombaugh J., Westhof E. The non-Watson-Crick base pairs andtheir associated isostericity matrices. // Nucleic Acids Res. — 2002. —Aug. — Vol. 30, no. 16. — Pp. 3497–531.19. Lescoute A. [et al.] Recurrent structural RNA motifs, Isostericity Matrices andsequence alignments. // Nucleic Acids Res. — 2005. — Oct. — Vol. 33, no.8. — Pp. 2395–409.20. Sponer J. [et al.] Quantum chemical studies of nucleic acids: can we constructa bridge to the RNA structural biology and bioinformatics communities? // JPhys Chem B.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
