Полиморфизм водородного связывания нуклеотидов и структурная организация молекулы ДНК тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.02, доктор физико-математических наук Комаров, Владислав Михайлович

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Комаров, Владислав Михайлович

ГЛАВА I. СОВРЕМЕННЫЕ АСПЕКТЫ ПРОБЛЕМЫ ЗАВИСИМОСТИ ВТОРИЧНОЙ СТРУКТУРЫ МОЛЕКУЛЫ ДНК ОТ НУКЛЕОТИДНОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ.

1.1. Конформационный полиморфизм двойной спирали молекулы

1.2. «Пропеллеровая» структура укладки пар азотистых оснований.

1.3. Роль связанной воды в организации структурных форм молекул нуклеиновых кислот.

1.4. Некоторые особенности колебательной динамики равновесной структуры молекулы ДНК.

ГЛАВА П. МЕТОД И ПОДХОДЫ.

2.1. Возможности современных теоретических подходов в исследовании структуры и свойств биомолекулярных си стем.

2.2. Особенности применения полуэмпирического квантово-химического MNDO/PM3 метода.

ГЛАВА Ш. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОННОЙ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ОДИНОЧНЫХ ПАР ОСНОВАНИЙ, НУКЛЕОЗИДОВ И НУКЛЕОТИДОВ.

3.1. Неплоское строение аминозамещенных азотистых оснований и скрытый полиморфизм водородного связывания уотсон-криковских пар.

3.2. Общая классификация структурного полиморфизма во всех известных типах пар.

3.3. Структурные и термодинамические особенности пар нуклеозидов и нуклеотидов.

ГЛАВА IV. НЕПЛАНАРНОСТЬ ВОДОРОДНОГО СВЯЗЫВАНИ Я УОТСОН-КРИКОВСКИХ ПАР И СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ АНТИПАРАЛЛЕЛЬНЫХ КОРОТКИХ ДВОЙНЫХ ЦЕПОЧКЕК ОЛИГОНУКЛЕОТИДОВ.

4.1. Полиморфизм структуры канонических пар и формирование зависимости кривизны двойной спирали от нуклеотидной последовательности.

4.2. Влияние зарядового состояния комплементарных цепей на термодинамическую стабильность Н -связывания оснований в олигонуклеотидах.

ГЛАВА V. ОСОБЕННОСТИ РАВНОВЕСНОЙ КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ

ДИНАМИКИ ИЗОЛИРОВАННЫХ ДВОЙНЫХ СПИРАЛЕЙ ОЛИГОНУКЛЕОТИДОВ.

5.1. Неплоское строение аминозамещенных азотистых оснований и специфика колебательных мод нуклеотидов в водородно-связанных парах.

5.2. Формирование коллективной природы низкочастоного колебательного спектра двойных последовательностей олнгокуклеотидов.

ГЛАВА VI. ВЛИЯНИЕ СВЯЗАННОЙ ВОДЫ НА СТРУКТУРУ И

НИЗКОЧАСТОТНУЮ КОЛЕБАТЕЛЬНУЮ ДИНАМИКУ НУКЛЕОТИДНЫХ ДУПЛЕКСОВ.

6.1. Строение гидратного окружения нуклеотидного дуплекса и зависимость формы Н-спаривания оснований от распределения связанной воды.

6.2. Вклад гидратации в низкочастотную колебательную динамику олигонуклеотидного комплекса.

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Биофизика», 03.00.02 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Полиморфизм водородного связывания нуклеотидов и структурная организация молекулы ДНК»

Актуальность проблемы. Исследование механизма структурообразования молекул нуклеиновых кислот, установление физических факторов инициирующих зависимость вторичной структуры двойных спиралей от нуклеотидной последовательности, остается одной из важнейших проблем физико -химической биологии.

Собраны вполне убедительные свидетельства того, что генетические процессы регуляции транскрипции обуславливаются главным образом специфическими ДНК-белковыми взаимодействиями и контролируются конформацией молекулы ДНК. И процесс узнавания конкретным белком конкретных мест ДНК, и способность двойной спирали к изгибовым деформациям определяются локальной структурой последовательности нуклеотидов [33,69-70]. В то же время имеющиеся экспериментальные структурные данные указывают на весьма н етривиальную природу происхождения уникальной геометрической гетерогенности нуклеотидных шагов в структуре ДНК.

Прежде всего, это касается наблюдаемого необычного многообразия форм самой спирали ДНК, т.е. ее конформационного полиморфизма. Вообще го воря, согласно постулированному в 50-х годах прошлого века принципу строгого пространственного изоморфизма плоских канонических AT и GC пар, любые комплементарные нуклеотидные последовательности должны обладать, однотипной, регулярной, плоско -параллельной укладкой азотистых оснований в структуре двойной спирали. Однако, в реальных условиях обнаруживается большое разнообразие спиральных форм: А , В, С, D и Z [32,33,71]. Все они оказываются различающимися своими основными структурными параметрами: числом пар оснований на виток, межплоскостными расстояниями между основаниями в стопках, межфосфорными расстояниями и др. При этом, А- и В- формы, а также С-, D-, образуют семейство правовинтовых спиралей. Тогда как Z- форма - это левая двойная спираль.

Считается, что реализация конкретной структуры полимофной формы ДНК (В-ДНК, А-ДНК или Z-ДНК) - это довольно сложный результат соотношения многих взаимодействий: водородного связывания плоских нуклеооснований, стэкинга (межплоскостного взаимодействия) пар оснований, взаимодействия между заряженными фосфорнокислыми группами, эффектов окружающей среды типа гидратации и наличия противоионов. Вместе с тем, по мнению многих авторов, определяющими здесь все же являются параметры окружающей среды и стэкинг оснований.

Наблюдается, также, и не простое, внутреннее своеобразие зависимости вторичной структуры от нуклеопгидной последовательности для каждой отдельной формы двойной спирали. Исходно плоские, уотсон-криковские AT и GC пары оказывается могут реализовывать разные неплоские укладки пар, с доминированием деформаций типа «пропеллера», «ступеньки» или «излома» водородных связей оснований [ 32 -43,71]. Весьма распространено представление, что такая гетерогенность геометрии в упаковке пар также определяется в значительной мере стэкинговыми возмущениями, которые различны в структуре разных последовательностей нуклеотидов [33].

Однако, стэкинговая гипотеза о происхождении структурной неоднородности двойной спирали ДНК не позволяет, на наш взгляд, непротиворечивым образом согласовать накопленные экспериментальные данные. Во -первых, относительная малость энергии стэкинговых взаимодействий по сравнению с энергетикой водородного связывания пар не может удовлетворительно объяснить наблюдаемый довольно большой разброс угловых искажений водородных связей оснований, доходящий до

39°, как в "пропеллероподобных", так и в других видах деформаций пар в структуре двойных спиралей олигонуклеотидов [34-37, 42]. Во-вторых, становится непонятным существование очень больших деформаций в одиночных парах оснований, достигающих 49°, в структуре монокристаллов нуклеозидов и нуклеотидов [34]. В^ третьих, в рамках стэкинговой гипотезы весьма трудно понять появление симметрии в распределении углов пропеллерового разворота пл оскостей оснований во всем многообразии пар: водородное спаривание оснований реализуется не только с разными положительными, но и с разными отрицательными значениями угла пропеллера [34]. Указанные обстоятельства вынуждают некоторых экспериментаторов выдвигать предположение, что наблюдаемая некопланарность Н-спаривания оснований есть, вероятно, внутреннее свойство самих пар [36].

Все это дает основания заключить: для корректного описания структурно -функциональной организации молекул ДНК важно не только знание формального типа "буквенной" последовательности нуклеотидов, но и глубокое понимание лимитирующих физических факторов в определении устойчивости нуклеотидных цепочек и, прежде всего, в определении устойчивости простейших водородно -связанных нуклеотидных дуплексов.

Несколько лет тому назад нами, совместно с Полозовым Р.В. [1 -7] впервые была выдвинута идея о возможности реализации неплоского, пропеллероподобного варианта Н-спаривания уотсон-криковских пар, исходя из учета малой, но устойчивой исходной пирамидальности строения экзоциклических аминогрупп оснований, по которым происходит водородное связывание пар. Позднее, нами было также отмечено [8], что устойчивый зр3-гибридный характер орбиталей валентных N-H связей аминогрупп, определяющий инверсионную бистабильность неплоской геометрии этих групп, может инициировать еще более фундаментальную особенность строения комплементарных пар, а именно - их внутренний структурный полиморфизм Н-спаривания. Для уотсон криковских AT и GC пар оказывается возможным существование не единственной плоской геометрии водородного связывания оснований, как это многие считают, а шести неплоских, зеркально-симметричных пропеллерообразных и ступенькоподобных структур. Такой скрытый полиморфизм спаривания осн ований может играть важнейшую роль в определении формы двойных спиралей полинуклеотидов.

Последующие выполненные нами простейшие квантово -химические оценки конформационных особенностей Н-связывания различных типов пар оснований показали плодотворность этого предположения.

Из литературы известны многочисленные примеры теоретического исследования как на основе эмпирических подходов, так и с применением самых новейших методов компьютерной химии, проблемы структурной организации молекул нуклеиновых кислот. Практически все они направлены на обоснование доминирующей, стэкинговой модели появления и стабилизации деформации пар оснований в структуре модельных комплексов ДНК. Известно, правда, несколько попыток использования неэмпирических, ab initio квантово-химических схем расчета и для проверки идеи возможного влияния непланарности строения азотистых оснований на структурные особенности водородного связывания пар [44-48].

Однако, как показывает анализ имеющихся данных, драмати зм нынешнего общего состояния решения всей этой сложной и деликатной проблемы заключается в том, что очень часто анализируемые эффекты от вкладов тех или иных видов возмущений в энергетику нуклеотидных комплексов, оказываются весьма малыми по величине и взаимно противоположными по знаку. При этом, ошибки используемых теоретических методов нередко оказываются сравнимыми с величинами самих оцениваемых эффектов. Так, например, известно, что выигрыш в энергии при переходе от плоской структуры к неплоской в простейших ароматических аминопроизводных (в том числе и в азотистых основаниях) имеет величину порядка 1 ккал/моль. В то же время, погрешности, например, одного из самых популярных в последнее время неэмпирического, квантово-химического метода такого, как HF/6-31(d,p)//MP2/6-31(d,p), при оценке энергетики молекулярных структур и комплексов достигают величины порядка -2-4 ккал/моль [49-50]. По этим причинам, результаты и выводы многих работ оказываются сильно зависящими не только от вида модельного комплекса и от вида сделанных допущений, но также и от типа используемой методики расчета и потому весьма часто не согласуются друг с другом.

Прецизионных экспериментальных данных, типа данных газовой электронографии или микроволновой спектроскопии, по геометрии изолированных комплексов пар оснований, нуклеозидов или нуклеотидов, в силу слабой термостабильности исходных нуклеиновых компонент, в настоящее время нет.

Поэтому, дальнейшие теоретические всесторонние исследования механизма струюурообразования молекул дезоксирибонуклеиновых кислот, на базе учета особенностей электронного строения непланарных форм спаривания комплементарных AT и GC пар и с привлечением адекватных квантово -химических подходов, представляются крайне важными, носят приоритетный характер и тем самым определяют актуальность данной темы диссертации.

Дели исследования. Основная цель работы заключалась в обосновании ключевой роли скрытого полиморфизма водородного связывания уотсон-криковских пар оснований в определении физического механизма зависимости вторичной структуры двойной спирали ДНК от нуклеотидной последовательности.

Поскольку гидратация является важнейшим, неотрывным элементом структурно -динамической организации молекул ДНК, то в работе, в тесном единстве с главным вопросом, теоретически был проанализирован и вопрос о влиянии молекул связанной воды на стабилизацию уникальной геометрии и на формирование функциональной специфики равновесной колебательной динамики пар оснований в структуре олигонуклеотидных двойных цепочек.

Научная новизна работы. В процессе выполнения теоретических исследований был получен ряд новых научных результатов. Среди них:

• На основе использования современного полуэмпирического MNDO/PM3 квантово-химического подхода впервые показано, что неплоский характер водородного связывания азотистых оснований в большинстве известных пар с двумя или тремя водородными связями является изначальным, внутренним свойством самих пар. Это свойство определяет у 28 возможных типов пар не один, плоский вариант Н-связывания, а в общем случае 81 вариант геометрии спаривания оснований.

• Получено, что: а) для уотсон-криковских AT пар, как и для многих других пар, в водородном связывании которых принимает участие одна аминогруппа, характерно двукратное вырождение Н-спаривания, с реализацией двух зеркально-симметричных струюур типа "пропеллера"; б) для уотсон-криковских GC и других пар, с двумя аминогруппами в водородных связях, характерно четырехкратное вырождение спаривания, с образованием попарно симметричных структур «пропеллера» и «ступеньки»; в) диапазон углов пропеллера и излома в некопланарных конфигурациях пар -довольно широк и составляет +40 -s- -40 градусов.

• Продемонстрирована гетерогенность колебательно-вращательных и термодинамических характеристик полиморфизма спаривания оснований.

• Показано сохранение некопланарного полиморфизма уотсон-криковских пар в условиях структуры двойных спиралей олигонуклеотидов. Проиллюстрировано, как накопление геометрических отличий в укладке AT и GC пар может инициировать зависимость формы спирали от нуклеотидной последовательности.

• Установлена важная роль непланарности Н -связывания оснований в формировании коллективной природы низкочастотных мод колеба тельного спектра двойных цепочек олигонуклеотидов.

• Показано, что водное окружение не только стабилизирует структурную гетерогенность укладки во дородно-связанных оснований, но и активно участвует в определении функционально важных свойств равновесной колебательной динамики олигонуклеотидных дуплексов.

Научно-практическое значение работы. Полученные результаты имеют, прежде всего, важное методологическое значение. Они существенно расширяют и обобщают представления о физическом механизме структурно -динамической организации двойной спирали ДНК. Указывают на лимитирующие факторы формирования фундаментальной функциональной зависимости вторичной структуры молекул нуклеиновых кислот от нуклеотидной последовательности.

Результаты работы могут быть использованы в построении новых технологий ДНК -расчетов, в создании современных учебно -методических курсов с углубленным описанием особенностей электронного строения и свойств биологических макромолекул, а также могут найти активное применение в биотехнологических разработках, в проектировании новых эффективных лекарственных препаратов на основе интеркаляторов в ДНК -структуры.

Структура и объем работы. Диссертация представлена в стандартной форме и состоит из введения, обзора литературы (Глава I), описания используемого метода и подходов (Глава II), результатов исследования (Главы III -VI), выводов и списка литературы. Работа изложена на 181 страницах, содержит 20 рисунков, 35 таблиц, 250 литературных ссылок.