Конформационная динамика нуклеиновых кислот при взаимодействии с лигандами (1098269), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Этот подход может быть расширен до специфичного описания взаимодействий азотистых оснований с фосфатной группой остова с помощью водородных связей [21]. Учёт этих взаимодействий приводит кпоявлению нескольких сотен разных парных взаимодействий, которые могутбыть разделены на 12 основных семейств [30]. Предполагается, что форма парнуклеотидов внутри двуспиральных элементов и основные ``третичные'' парные контакты сохраняют консервативность последовательности и структуры входе эволюции, в то время как мутации, меняющие форму НК, вероятнее всего,приводят к изменению функции [17—20].Особенность РНК состоит в возможности образования стабильных взаимодействий остова с азотистым основанием [18; 21].
Таким образом, существует определённое равновесие между влиянием азотистых оснований и сахарoфосфатного остова, на которые в свою очередь, могут влиять внешние факторы.Этими факторами являются: взаимодействие с белками и другими лигандами,гидратация, хелатирование катионов и т.д. Очевидно, что наше представлениео том, что азотистые основания играют решающую роль в образовании структуры НК и в её динамике, является упрощённым пониманием баланса энергетических вкладов в структуру нуклеиновых кислот. К сожалению, роль вкладаостова НК в этот баланс на сегодня изучена слабо. Тем не менее, уже сейчасможно считать, что влияние остова на структуру НК значимо[31]..29Описание роли остова затруднено как экспериментально, так и теоретически.
В то время, как методом РСА можно достаточно точно (с разрешением до 2.5Å) определить положение азотистых оснований и атомов фосфора,установить конформацию сахарных остатков достаточно сложно. Это, в основном, определяется тем, что атом фосфора гораздо лучше регистрируется.Определение конформации остова также затруднено в экспериментах по ЯМРспектроскопии [32].
Описание сахаро-фосфатного остова вычислительнымиметодами квантовой химии является сложной задачей. Описание остова в терминах молекулярной механики имеет ограниченную точность по причине того,что точечные заряды не зависят от конформации, и расчёт только парныхвзаимодействий в силовых полях не полностью описывает энергии гибкого изаряженного остова НК [31].2.2.1Структурная биоинформатика ДНККаждый нуклеотидный остаток ДНК состоит из трёх ковалентно связанных частей: остатки фосфорной кислоты и дезоксирибозы образуют сахарофосфатный остов, а азотистое основание присоединено к остатку сахара через N-гликозидную связь.
В случае ДНК азотистые основания представленычетырьмя плоскими ароматическими основаниями: G,A,T,C. В двуспиральноймолекуле ДНК два тяжа направлены антипараллельно по отношению друг кдругу. Самыми распространёнными являются три формы двуспиральной ДНК:А, В и Z. Два тяжа образуют две разные по размеру бороздки, которые называют большой и малой. Большинство ДНК в геноме находится в В-форме, котораячасто называется канонической формой ДНК. В этой структуре спираль делаетоборот каждые 3.4 нм, и расстояние между прилежащими азотистыми основа-30ниями составляет 0.34 нм.
Это расстояние определяется Ван-дер-Ваальсовымивзаимодействиями [33]. Таким образом, примерно 10 нуклеотидов образуютодин виток спирали. В растворе, содержащем высокую концентрацию спиртаили высокую ионную силу, В-форма ДНК переходит в А-форму. Связываниебелка также может изменить форму ДНК. А-форма ДНК делает виток каждые2.8-3.1 нм, и на один виток приходится примерно 11 нуклеотидов. По сравнению с В-формой ДНК, А-форма имеет более короткую и компактную структуру,в которой основания расположены под углом к центральной оси спирали. Расстояние между основаниями остаётся неизменным и составляет 0.34 нм.В то время, как А- и В-формы ДНК образуют правозакрученную спираль, ZДНК имеет левозакрученую спираль. Один её виток составляет 4.6 нм и содержит 12 нуклеотидных остатков.
В основном, ДНК, богатые GC-парами при высокой концентрации этанола или высокой ионной силе склонны образовыватьтакую форму. Биологическая роль Z-ДНК ещё недостаточно изучена. Наряду супомянутыми формами, ДНК может образовывать мультитяжевые структуры,шпильки и прочие элементы вторичной структуры [34].Конформация сахаро-фосфатного остова описывается шестью торсионными углами: , , , , , и (Рисунок 2.2).Так как все связи с остатке сахара являются насыщенными, то кольцо сахара не является плоской структурой. Конформация кольца определяется оптимальными значениями торсионных углов, и, естественно, зависит от того, какие заместители находятся рядом с каждой рассматриваемой связью.
В разныхвнешних условиях эти заместители могут располагаться как по одну сторонуот кольца, так и по разные. Ожидаемо, что все пять торсионных углов, которые описывают состояние сахара, не являются полностью независимыми другот друга. Таким образом, можно представить описание конформации сахара с31NH2NONNONOРисунок 2.2: Торсионные углы ДНК.помощью всего двух переменных: сдвиг фаз угла псевдовращенияи максимальное отклонение от плоскости кольца [35]. Угол псевдовращения Р определяетточное положение структуры на пути псевдовращения от выбранной стандартной конформации, для которой, по всеобщему соглашению Р=0∘ .Оптимальнаяконформация сахара для нуклеиновых кислот определяется максимально возможным положительным значением торсионного угла C(1′)–C(2′)–C(3′)–C(4′).В таком случае степень отклонения фуранозного кольца от плоского состояния описывается максимальным отклонением изгиба кольцаот плоскости кольца ( ), которое для дуплексов ДНК и РНК варьирует в диапазоне от 30∘ до 50∘ .При описании конформации сахарного кольца часто применяют термины``эндо'' и ``экзо''.
``Эндо''означает, что рассматриваемые атомы находятсяпо одну сторону кольца от С5', и наоборот, ``экзо'' означает, что интересующие атомы находятся по другую сторону от плоскости кольца относительноС5'. В А-форме РНК и А-форме ДНК каноническим состоянии сахара является С3'-эндо, которое соответствует углу Р=18∘ . Состояние сахара в С2'-эндоконформации типично для В-формы ДНК и характеризуется углом Р∼162∘ .32Идеальная структура (структура сравнения) с углом Р=0∘ , имеет смешаннуюC3′-эндо/C2′-экзо конформацию. Область значений углов от 90∘ до 270∘ , которая включает в себя С2'-эндо конформации, известна как южная (S) областьзначений, а для значений от 270∘ до 90∘ , которая включает C3′-экзо конформации, принято называть северной областью (N).Так как конформация сахара также зависит от значения угла , то существуетматематическая зависимость (при идеальной 3 гибридизации атомов углерода) между Р, и [36]: = 1.09 × × ( + 1440 ) + 1200 [35].N-гликозидная связь, которая связывает азотистое основание и остаток сахара, описывается углом .
Итак, ясно что, для полного описания состояниясахара необходимы все семь торсионных углов каждого нуклеотида.Локальное состояние структуры ДНК является результатом баланса силмежду оптимальным положением азотистого основания и оптимальным состоянием сахаро-фосфатного остова. Основной источник информации о его конформации - это данные РСА. Кроме исследований индивидуальных молекул,был также проведён биоинформатический анализ всех известных на тот моментданных о структуре ДНК. В результате были обнаружены общие черты вконформации остова для разных молекул.
Очевидно, если качество РСА слишком низко, то даже использование статистических методов не позволит избежать ошибочных значений. Поэтому надо учитывать в любом подобном анализе качество входных данных, при этом стараясь избежать потери редкой информации, которая недостаточно представлена в доступной выборке. Другойособенностью подобных данных является влияние кристаллической упаковкина структуру ДНК. Результаты такого исследования приведены на рисунке 2.3.33Рисунок 2.3: Гистограммы распределения торсионных углов в ДНК сВ-формой и А-формой для структур с разрешением ниже 1.9Å.Рисунок 2.4: Свободная структура В-формы ДНК отмечена красным, а вкомплексе с лигандами - чёрным.
Синим отмечена А-форма ДНК. Основныеконформации отмечены буквами [37].Видно, что отдельные торсионные углы имеют некие разрешённые зоны,в то время как некоторые области совершенно не ``заселены''. Здесь можнопровести аналогию с картами Рамачандрана для белков. Основное отличие, на34верное, состоит в том, что значения углов хорошо коррелируют друг с другом (Рисунок 2.5). Существует взаимосвязь между разными торсионными углами остова НК, которая характеризуется специфической комбинацией значений.Рассмотренные геометрические семейства конформаций остова ДНК отражают внутреннее предпочтение для некоторых значений углов и топологическиетребования, выдвигаемые разными формами ДНК.Широкое разнообразие конформаций ДНК было изучено методами статистического анализа значений торсионных углов в структурах на основе данных РСА [37; 38].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
