Конформационная динамика нуклеиновых кислот при взаимодействии с лигандами (1098269), страница 9
Текст из файла (страница 9)
При решении подобных вопросовквантово-химические исследования с помощью скромных усилий могут обеспечить чёткое химическое представление об интересующем объекте [70]. В настоящее время доминирует мнение, что результаты в исходной экспериментальной работе были интерпретированы неверно, а именно: не существует ДНК сатомами мышьяка в остове [73].2.2.7Альтернативные варианты остова НКСоздание искусственной жизни является одной из самых далёких и желанных целей современной молекулярной биологии и химии. В связи с этим, значимые усилия были направлены на создание альтернативных генетических систем на основе химических модификаций остова НК. Модифицированные нуклеиновые кислоты также могут быть полезным для фармацевтических целей[74]. На сегодняшний день синтезирован ряд модификаций остова нуклеиновыхкислот, тем не менее, ни одна из них не была способна самовоспроизведению.В какой-то степени все эти модификации требуют помощи со стороны генетического аппарата на основе НК [75].
Возможно, самым большим прорывомв этой области была работа Пиньейру и коллег, которые впервые разработалигенетическую систему, способную к дарвиновской эволюции на основе синтетического полимера (1,5-дегидрохекситол нуклеиновая кислота, HNA), содержащего информацию [76].52Ранее обсуждалась As-ДНК, которую можно рассматривать в качестве простого альтернативного варианта остова, построенного по аналогу ДНК. Альтернативные переносчики генетической информации могут также включать химические модификации сахарной части остова.
Действительно, простые сахарамогут быть компонентами для ``информационных'' полимеров. Есть примерыпо построению остова на основе триозы (TNA) [77] и гликоля (GNA) [78]. Таккак TNA и GNA более просты, чем НК, предположили, что они играли роль``информационного'' полимера в мире до появления НК. Другом классе искусственных остовов представлен циклогексановыми производными для заменыостатков сахара, например, HNA [79] и ANA [80].
Несмотря на это, пептидныенуклеиновые кислоты (PNA) [81; 82] представляют собой наиболее известныйкласс альтернативных ``информационных'' полимеров с модифицированнымостовом.Несмотря на растущую популярность альтернативных вариантов остоваНК, вычислительные исследования этих систем ещё далеки от систематичности [83; 84]. Например, в исследовании, сочетающем кристаллографические иквантово-химическое подходы, показано, что ANA:РНК дуплексы стабилизируются образованием водородной связи внутри одной цепи с участием атомовO2' из альтрозной части одного остатка и атома кольца O4' следующего остатка[83]. Однако углубленное изучение альтернативных вариантов остова ДНК требует атомистического моделирования с подходящими силовыми полями, которые предназначены для каждого отдельного варианта остова. Очевидные сложности, возникающие в силовых полях для описания ДНК и РНК, которые подчеркиваются в многочисленных частях этого обзора, указывают на необходимость создания хорошо сбалансированного силового поля для альтернативныхвидов остова.
Несмотря на огромные усилия, которые были предприняты для53параметризации ДНК и РНК, а также на доступность однозначных экспериментальных данных, их всестороннее тестирование выявило тот факт, что силовыеполя всё ещё далеки от совершенства. В принципе, аналогичные усилия должны быть направлены на подготовку надёжных силовых полей для нуклеиновыхкислот с модифицированным остовом. Примечательно, что почти все расчётные исследования, опубликованные для вариантов остова, сосредоточились наPNA, как на объекте с относительно простой параметризацией [85—87].2.2.8Моделирование остова НК методами молекулярной механикиНаиболее распространённый вычислительный подход к изучению нуклеиновых кислот - это моделирование молекулярной динамики (МД) в явно заданном растворителе. НК описывается классическими эмпирическими потенциалами (силовые поля).
МД может раскрыть информацию обо всех аспектахэволюции структуры во времени, в том числе, можно наблюдать позиции всехмолекул воды и ионов. Так как тепловые колебания важны для функционирования биополимеров, то методы моделирования МД незаменимы.Даже самые точные вычисления, с точки зрения описания потенциальнойэнергии, могут привести к нереалистичным результатам при недостаточностивыборки. Кроме того, даже при достижении времени наблюдения в микросекундном диапазоне масштаб выборки остаётся недостаточным для многих приложений.
Нельзя ожидать, что простое уточнение расчётов (современные подходы DFT) является оптимальным решением для изучения биологических систем [53].54Тем не менее, самый важный вопрос для современного молекулярного моделирования нуклеиновых кислот - это качество силовых полей. Благодаряквантово-химическим расчётам, у нас есть возможность детально изучить ключевые аспекты работы силовых полей. Силовые поля - это аналитические функции, связывающие структуру с потенциальной энергией.
Они состоят из наборапериодических функций для двугранных углов и гармонических функций длядлин связей и валентных углов. Молекулярные взаимодействия в силовых полях аппроксимируются функцией Леннарда-Джонса. Электростатические эффекты основаны на постоянных точечных зарядах, локализованных на центрахатомов. Параметры силового поля не реагируют на изменения в геометрии молекулы и изменения окружающей среды.В силовых полях многие эффекты (все виды поляризации и переноса заряда)не учитываются, по определению.
Тем не менее, вклад таких взаимодействийможет быть учтён эффективно, но неточно. Для этого приходится оптимизировать параметры уравнений силовых полей во время процедуры подгонки, и,в основном, оптимизации подвергаются параметры для описания торсионныхуглов. Эти параметры не имеют прямого аналога в природе и используются дляокончательной настройки силового поля, оказывая большое влияние на результаты моделирования [64].Все последние уточнения силовых полей для нуклеиновых кислот были основаны на модификации параметров торсионных углов для сахаро-фосфатногоостова [31; 62; 64; 88]Любое изменение точечных зарядов в любом случае требует полномасштабной репараметризации для двугранных углов.
Точные данные из расчётов КМиграют двойную роль. С одной стороны, они обеспечивают как можно болееточными данными для описания остова. С другой стороны, физически правиль55ные данные затем используются для параметризации функции торсионных углов, не имеющих прямого физического смысла, минимизируя различия междуописаниями КМ и молекулярной механики (ММ). В то время, как потенциалторсионного угла формально является внутримолекулярным свойством, его оптимизация учитывает и основные межмолекулярные взаимодействия. Однаконекоторые специфические межмолекулярные взаимодействия либо неправильно учтены, либо полностью игнорируются в описании силовых полей. Такимобразом, любое силовое поле, в конечном счете требует тщательного тестирования в моделировании.Исходное силовое поле, предложенное Корнеллом и коллегами, ``AMBER'' (версии parm94 или ff94 ), широко используется для моделирования нуклеиновых кислот [89].
Описание торсионных углов в этом силовомполе было несколько раз пересмотрено. Модификации силовых полей ff98и ff99 содержат незначительные изменения описания торсионного угла вокруг N-гликозидной связи и вокруг связей типа О-С-С-О для увеличениястепени закрутки спиральной В-формы ДНК [90]. Важным изменением быламодификация солового поля parmbsc0 (Барселона), где было пересмотрено описание торсионного угла , который ранее необратимо переключалсяв транс-состояние, что приводило к необратимому разрушению структурыB-формы ДНК [31] (Рисунок 2.8).Недавно была предложена модификация силового поля parm3 , котораябыла специально разработана для РНК на основе поля parmbsc0 [64]. Parm3предотвращает необратимую деградацию РНК с образованием неспиральныхдвуцепочечных структур из-за патологического смещения угла в состояниеанти- (Рисунок 2.8).
Parm3 был параметризован с самым высоким уровнемтеории с учётом электронной корреляции и с использованием модели раствори56B-ДНКff99A-РНКcharm27A-РНКff9910-100 нс10-100 нс10-1000 нсРисунок 2.8: Деформации канонических молекул НК при использованиинеадекватной версии силового поля. А) Прогрессивная деградация B-формыДНК (CGCGAATTCGCG, дуплекс), в связи с медленным накоплениемнеобратимых транс-состояний в версии силового поля ff99. Б)Дестабилизациядуплекса РНК (UA)6 в поле CHARMM27.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
