Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Изучение закономерностей гидратации оснований в ДНК методом Монте-Карло

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Изучение закономерностей гидратации оснований в ДНК методом Монте-Карло"

московский государственный университет им. М.В.Ломоносова Биологический факультет

на правах рукописи

ТЕПЛУХИН Александр Валентинович

УДК 577.323 : 532.74

изучение закономерностей гидратации оснований в днк методом монте-карло

03.00.02 - биофизика

автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

москва 1992

Работа выполнена в Институте биологической физики АН СССР и Научно-исследовательском вычислительном центре АН СССР

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, ст. науч. сотр. В.И.Полтев

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор В.И.Иванов; доктор физико-математических наук, профессор К.В.Шайтан.

Ведущая организация: Институт молекулярной биологии и генетики АН УССР

Защита состоится цл./ор^ 199Дг. в/Г часов на заседании Специализированного совета К 053.05.68 в МГУ им.М.В.Ломоносова по адресу: 119899, Москва, •

Ленинские горы, МГУ, Биологический факультет, аудитория

С диссертацией можно.ознакомиться в библиотеке биологического факультета МГУ.

Автореферат разослан '¿г.

Ученый секретарь Совета, доктор биологических наук Б.А.Гуляев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Акт^альность_теш. О влиянии воды на конформационные состоя-тя ДНК стало известно практически одновременно о-открытием ее щуспиральной структуры. В настоящее время совместными усилиями экспериментаторов и теоретиков собран обширный фактический мате-жал, демонстрирующий широкий спектр конформационных перестроек (войной спирали в ответ на изменения окружающей среда. Известно, 1то при этом молекулы ДНК с различающимися последовательностями >снований ведут себя неодинаково. Можно сказать, что водная обо-ючка* "проявляет" генетическую информацию, зашсаную на "ленте" ЩК в виде последовательности оснований. При этом формируется 'запрограммированая" конформация двойной спирали и соответствую-1ая ей структура (сетка Н-связей) водной оболочки.

В настоящее время в связи с развитием вычислительной техники I прогрессом в области численных экспериментов по моделированию юлекулярных систем в рамках классической статистической физики, цля изучения структурных и энергетических характеристик гидратации ДНК широко применяются методы молекулярной динамики и Монте-(арло. Такие расчеты могут дать детальную информацию о расположено! молекул и их взаимодействиях (большая часть которой недоступ-га для обычного эксперимента), несмотря на специфические недостатки, присущие этому подходу (ограничения на размер системы, аппроксимация взаимодействий набором потенциальных функций, гра-шчные условия и др.).В"диссертации изложены некоторые результаты изучения методом Монте-Карло структуры водной оболочки различных фрагментов ДНК. Из всей совокупности факторов, влиящих на гидратацию ДНК, мы выбрали для рассмотрения взаимодействия молекул воды с основаниями, поскольку именно их последовательностью и эпределяются многие свойства самой молекулы ДНК в живой клетке.

0ель_работы состояла в расчетно-теоретическом исследовании злияния конформацяи и нуклеотидной последовательности на структуру гидратной оболочки желобов двойной спирали ДНК. Главше_задачи_исследоващя :

1) разработка программного обеспечения для моделирования гидратации фрагмента ДНК (до 6 нуклеотидных пар);

2) анализ энергетических и структурных характеристик гидратных эболочек стопок комплементарных пар оснований, расположенных как в ДНК, с разной последовательностью и в разных конфигурациях;

3) анализ структуры водной оболочки нескольких В-конформаций двойной спирали с различной шириной глжозидного желоба.

На^чная_новизна. Впервые разработан алгоритм расчета энергш межмолекулярных взаимодействий при моделировании гидратации методом Монте-Карло, позволящий сократить время счета в 10 раз без уменьшения точности. Впервые в процессе расчета средних термодинамических характеристик гидратной оболочки вычисляются вероятности образования водных мостиков, состоящих из I, 2 или 3 молекул воды, мевд гидрофильными центрами. Выявлены характерные элементы структуры водных оболочек оснований и показана их зависимость от конформации и последовательности. Впервые получены и проанализированы зависимости некоторых характеристик молекул вод от расстояния до ближайшего атома стопки. Также впервые расчитан коэффициенты "экономии вода" (W.Saenger et al. 1986 Nature v324 p385), т.е. соотношения количеств Н-связей вода-основания к коли честву молекул воды в них участвующих, для всех рассмотренных стопочных систем. Впервые сравниваются структуры гидратных оболо чек гликозидных желобов дуплексов различных В-ДНК и выявлена сильная зависимость топологии Н-связей от ширины этих желобов.

Практическая_ценность. Разработанное программное обеспечени может применяться в исследованиях гидратации нуклеиновых кислот других молекул, а также для уточнения данных рентгеноструктурных исследований этих молекулярных систем. Выявленные закономерности гидратации оснований и фрагментов ДНК могут быть полезны при изу чении конформационных проявлений различных нуклеотидных последовательностей, для понимания механизмов взаимодействия ДНК с белками и другими биологически важными соединениями.

Апробация_еаботы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на Симпозиуме (СЭВ и СФРЮ) "Физико-химические свойстве биополимеров в растворе и клетках", Бущино, 1985, на VI Симпозщ ме "Конформационные изменения биополимеров в растворе", Тбилиси, 1985, на vu Симпозиуме по межмолекулярному взаимодействию и koi формацишл молекул, 1986, Пущино, на рабочих совещаниях "КонформЕ ции и функции биологических молекул. Теоретические аспекты" 1981 и 1989 гг., Рига, на vin семинаре по меямолекулярному взаимоде! ствию и конформациям молекул, 1987, Коломна, на VI Конференции i спектроскопии биополимеров, 1988, Харьков, на IV Международном симпозиуме по биологическим и искусственным разумным системам, 1988, Тренто, Италия, на 44-й Международной конференции отделеш физхимии Французского химического общества, 1989, Наяси, Франции

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в эсьми работах в советских и иностранных изданиях.

Структура и выходные данные диссертации.

Работа содержит введение, четыре главы, выводы и список ци-круемой литературы. Она изложена на 147 страницах и содержит 34 гсунка и 20 таблиц. Библиография содержит 227 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.

Во_ввезен?ш показан круг проблем и подходов к их решений на эвременном этапе, связанных с изучением конформационных свойств Ж в растворе. Обоснована актуальность темы диссертационной ра-эты и ее научная новизна, изложены цель и задачи исследования.

Ь._Особешост_структщы_вощой_оболочки^

В этой главе проанализированы экспериментальные и теорети-еские данные о структурных возможностях молекулы воды в различ-ых веществах и состояниях, обобщены некоторые известные законо-ерности взаимного расположения молекул воды и соседних атомов нородных веществ. Рассмотрены литературные сведения о детальной труктуре гидратных оболочек отдельных оснований, их дамеров и снований в ДНК. На основе этого сделан вывод о том, что водные ¡остики (I, 2 и более молекул воды, образующих Н-связи с атомами НК и друг с другом) являются основными структурными элементами 'идрагных оболочек. Для трех тшов мостиков (т.е. из I, 2 и трех юлекул воды) сделаны полуколичественные оценки зависимости веро-[тности возникновения мостика данного типа, соединяющего два гид-юфильных атома, от расстояния между этими атомами.

й_изщещя_ее_ структуры •

в расчетах методом Мон1е-Карло для генерирования представительной выборки молекулярных конфигураций, образующих каноничес-сий ют-ансамбль, использовалась реализация алгоритма Метрополиса ю классической схеме. В ходе моделирования случайным образом изменялось положение и ориентация одной из молекул воды (в порядке юмеров, циклически). Геометрия и конфигурация оснований (фраг-лента ДНК) были зафиксированы (геометрия молекулы воды тоже). Затем расчитывалось изменение потенциальной энергии системы ДЕ в этом пробном состоянии. Если энергия понижалась, пробная конфигурация принималась в качестве нового состояния. В противном случае, датчиком равномерно распределенных на интервале (0,1) псевдослучайных чисел генерировалось одно такое число а. Затем, если ехр(-ДЕ/ВД>8, в качестве новой принимается пробная, а иначе -

еще раз учитывается старая конфигурация. Величины максимальных смещений и поворотов молекул воды (соответственно 0",24А и 0,22рад при Т=ЗООК) подбирались предварительно таким образом, чтобы отвергалось не более 5CW пробных конфигураций- Для устранения влияния исходной конфигурации из усреднения исключался начальный неравновесный.участок траектории в конфигурационном пространстве системы. Кроме того, в качестве исходной бралась последняя конфигурация в какой-либо из ранее изученных систем. Усреднение производилось на участках', содержащих не менее 2500000 конф. (из расчета 12000 испытаний на каждую молекулу воды).

При моделировании гидратации расчитывались только вклады в полную энергию системы, обусловленные взаимодействиями молекул воды с фрагментом ДНК и между собой (собственная потенциальная энергия фрагмента ДНК не изменялась). Энергия межмолекулярных взаимодействий расчитывалась в рамках метода атом-атомных потенциальных функций вида 1-Ю-12 для взаимодействий атомов, способных образовывать Н-связь (водорода-с кислородом или азотом) или 1-6-12 для остальных пар атомов (Poltev, Grokhlina, Malenkov JBSD 1984 v2 р413). Заряды на атомах были расчитаны Полтевым и сотр. методами Хшкеля и Дель Ре с параметризацией Берто и Пюльман.

Моделируемая система содержит 6 пар оснований (нуклеотидов), окруженных 180 молекулами воды (30 молекул воды на уотсон-криков-скую пару). Выбранный размер системы вполне обеспечивает гашение пространственных корреляций, возникащих при периодических (винтовых) граничных условиях вдоль оси фрагмента, а количества молекул воды достаточно для образования 3-4 слоев гидратной оболочки оснований со стороны желобов.. Молекулам воды не разрешалось удаляться более, чем на 9,5А от геометрического центра ближайшего основания (дезоксирибозы или фосфата). Это достигалось предварительным отбором конфигураций до расчета энергии. Однако не было отмечено случаев удаления более, чем на 8,6А.

В результате пробных расчетов было найдено, что существует такое число испытаний, когда энергия взаимодействия двух молекул, первоначально разделенных расстояниями не менее, чем rk (5,8а дл; пар вода-вода и 7.5А- вода-основание), будет отличаться от первоначальной не более, чем на Ь%. Это позволило сократить количеств; операций для расчета изменения потенциальной энергии системы на одном шаге испытаний. Для каждой молекулы воды хранится список е( ближайших соседей (в пределах кк), и только с ними расчитываются взаимодействия nk (30-40) шагов. После чего списки обновляются

k

О

разом для всех молекул и снова идет счет по той же схеме.. При этом на одну молекулу воды приходится в среднем 15 (а на 180) расчетов взаимодействий вода-вода и 5-7 вода-основание.

Для поиска Н-связей использовался геометрический критерий: связь существует, если расстояние 0...0 (0...Щ не более 3.2А. а

О...К (N...H) - 2,4А. На основе этого критерия ооушоиталяпТая И

поиск водных мостиков в каждой новой конфигурации. Мостики из одной молекулы воды (далее будут обозначаться М1) возникают, когда она образует не менее двух Н-связей с гидрофильными атомами. Мостики из двух молекул воды (М2) - если они образуют Н-связи с ДНК и между собой одновременно. Мостики из трех (МЗ) - в случае, когда две из них, образующие Н-связи с ДНК, участвуют в Н-связях с третьей. Вероятность образования какого-либо из мостиков вычисляется .в конце счета как отношение количества конфигураций, в которых он был найден, к общему количеству испытаний. Для поиска мостиков в каждой конфигурации и обработки (идентификация и обновление) информации о них во;время испытаний был разработан эффективный алгоритм. Путем "охлавдения" каждой системы до 5К, были получены так называемые F-структуры, соответствующие одному из минимумов энергии. В Р-структурах однозначно локализуются Н-связи (за счет отсутствия тепловых флуктуации), что дает возможность визуально анализировать ее фрагменты, нарисованые компьютером.

В диссертации и автореферате приводятся данные, полученные дополнительным усреднением по шести независимым шагам двуспи-рального фрагмента ДНК или стопки пар оснований. Это позволило оценить верхние границы разбросов значений. Так, данные об энергиях и количестве Н-связей с основаниями имеют среднеквадратичное отклонение не более 15?, количества Н-связей с отдельным атомом и мостики с вероятностями образования свыше 4056 не более 3055, а мостики с вероятностями образования от 30 до 15? могут иметь разброс до 60?.

111^._М2й§ШШ1§Ше_гидЕаташш_стопок_кошл^ П8Е_осговащй^^ас!1оложенных_кж_в_дво

Проведено моделирование гидратации следующих систем: 1)(а:с)п и 2) (А:и)п, характеризующихся повторением в одной цепи только пуринов, а в другой - пиримидинов, 3) (G-c):(G-C)n и 4) (A-U):(A-U)n с чередованием в кавдой цепи пуринов и пиримидинов. Для всех стопок изучались две конфигурации, соответствующе расположению оснований как в А- и В-формах ДНК, а для повторяющейся стопки (А:и)п - еще одна, с расположением основайий как в В'-фэр-

ме ДНК с зауженным гликозидным желобом, в котором предполагается (Chuprina, MAR 1987 vl5 р293) существование регулярного "водного хребта" (Drew & Dickerson jmb 1981 vl51 p535). Общее представление о картине Н-связей и мостиках можно получить при рассмотрении рисунков Р-структур (рис.1, остальные в диссертации), где изображены только те молекулы воды, которые образуют с основаниями Н-связи или участвуют в водных мостиках.

111^1_Воаные_мост1жи_со_сторощ(_гдаозащог

Вероятность возникновения М1 мостиков в В-стопках довольно мала (Таблл). Мостики из двух молекул воды образуются с более высокими вероятностями во всех В-стопках, за исключением повторяющейся А:и-стопки. Из них наиболее вероятными являются М2 мостики с участием аминогруппы гуанина (до 60Я) и между карбонильными кислородами соседних пар оснований в стопках с чередованием (до 43/6 в А:и и 20/6 в g:c стопках). Средняя вероятность МЗ мостиков по своему уровню близка соответствующим значеням для М2. МЗ мостики с вероятностями 12-2456 могут соединять атомы расположенных через одну пар (например, N3(1)...02(3)). Среди общих характерных черт следует отметить преобладание мостиков М2 и МЗ над мостиками М1. Влияние последовательности: в повторяющихся A:U В-стопках мостики практически отсутствуют, тогда' как в стопках с чередованием А и и они возникают с высокими вероятностями. В g:c В-стопках оно выражено более сложным образом из-за Ш2-группы гуанина, расположенной вблизи оси симметрии второго порядка.

При переходе к системам, содержащим А-стопки, практически не возникает новых мостиков, но исчезают мостики М1 между атомами -акцепторами водородов оснований соседних пар одной цепи, и уменьшаются вероятности мостиков М2, а особенно МЗ. Во всех А-стопках, за исключением повторяющейся с:с, часто возникает мостик М1 между "левым" акцептором Н-связи "верхней" пары (см. со стороны глико-зидного желоба) и "правым" акцептором "нижаей", особенно если оба карбонильные кислорода. Но в А-стопке с повтором G:C этот мостик образуется довольно редко (вероятность Ь%), что вызвано образованием мостиков М2 между атомами одной пары - N3...H-N2 и N2-H... 02 с вероятностями 49 и 29Я. Влияние Ш2-группы гуанина есть и в А-стопке с чередованием G:c, где мостик М1 02(1)...02(2') образуется с высокой вероятностью (62?), а аналогичный по расположению гидрофильных атомов мостик N3(1)...ИЗ(2') на следующем шаге спирали очень редок' (6S6), хотя расстояния между атомами 02 и между N3 почти одинаковы (3,85 и 3.6А соответственно): Уменьшение

Табл.1 Вероятности образования водных мостиков в гликозидном желобе повторяющихся стопок (в %%).

стопка

(А:и)

(С: С)

тип гидрофильные мостиКа центры

N3(1 ). . .02(2) 39 ~ 0 20 5 0

М1 N3(1 )• . .Н2(2) 0 14

Н2(1 ). . .02(2) 4 16

N3(1 ). . .02(2) 10 5 7 14 13

N3(1). . ,Н2 (1) 49 34

М2 N3(1 ). . . Н2 (2) 14 21

Н2(1 ). . .02(1) 29 38

Н2С1 )- . .02(2) 14 41

N3(1 ). . .02(1) 5 1 1 20 15

N3(1 ). . .02(2) 9 15 4 26 40

N3(1 ). ..02(3) 4 13 5 1 18

02(1 ). ..02(2) 8 13 1 9 27

мз N3(1 ). . .N3(2) 4 1 2 9 23

N3(1 ). .,Н2(2) 12 25

Н2(1 ). . ,Н2(2) 11 37

Н2 (1 ). . .02(2) 23 12

Примечание: Цифры в скобках у в одной паре, (1)... (2)- между

атомов означают: (1)..(1 соседними параш и т.д.

иУ-Г У

дз .н^рг^

у.

У - Л^2'

г

^ НУ , ^>02

* Л'"' 1 ^

п 02

Рис.1 Н-связи и мостики в гликозидном желобе стопки ап:Сп в двух конфигурациях: А-слева, В-справа.

А

В

В

А

В

вероятности вызвано тем, что молекулы воды, образующие Н-связи с атомами N3 гуанина, участвуют в водных мостиках с HN2 того же основания. При атом М2 мостик N3...HH2 возникает с вероятностью 47g, а М2 мостик 02...HN2 - 16Í. Суммируя, заметим, что мостики М1 в A-стопках образуются с более высокой вероятностью, чем М2 и ИЗ (в G:C-CTom<ax это различие менее выражено из-за сгаошпгзации аминогруппой гуанина мостиков М2 и МЗ).

Из мостиков в гликозидном желобе В*-конфигурации можно отметить только М1 мостики из(1)...02(2)' (первый слой "водного хребта", см. Drew & Dickerson 1981) и М2 между теми же атомами, возникающие с вероятностями 20 и 7% соответственно.

111^2_Водные_мостики_со_стороны_нег

В негликозидном желобе повторяющихся В-стопок наиболее вероятны мостики М1 меаду пуринами соседних пар (N6H...N7 в А:и-стоп-ке с вероятностью 60Я и 06...N7 в о:с-стопке - 49Я). А в стопках с чередованием - мостики М1 между карбонильными кислородами оснований соседних пар, принадлежащих разным цепям (вероятности 5Б и 39Я, соответственно для А:и и G:c стопок. Мостики М2 и МЗ, в среднем, образуются реже, но зато они более разнообразны. При этом одна (иногда две) из молекул мостика М2 или МЗ сама является одним из перечисленных выше мостиков М1.

В системах, содержащих стопки повторяющихся пар в А-конфигу-рациях, М1 мостик А6(1).. .N7(2) образуется значительно реже, чем в водных оболочках В-стопок, т.к. расстояние между.этими атомами увеличивается с 4,1 А в В-стопке до 5А. В то же время возрастает вероятность М1 мостика между атомами N? пуринов соседних пар оснований, а также между карбонильными кислородами соседних ю цепи оснований. Вероятность мостиков М1, соединяющих карбонильные кислорода соседних пар, по разному изменяется при переходе из А- в В-конфигурацию для А:и- и а:с-содержатих стопок с чередованием. В А:и-стопках она резко падает (с 56 до 2%), а в о:с практически не изменяется. Расстояние 0...0 при этом возрастает с 4,ЗА до 5,ЗА для А:и и от 3,4А до 3.8А для G:c стопок. Мостики М2 и МЗ образуются в A-стопках значительно реже, чем мостики М1. Топология мостиков в негликозидном желобе (как и в гликозидном) зависит от состава, последовательности и конформации.стопки пар оснований.

Ш^2_0бще_зжономердасти_шшаташи_стото

В Табл.II приведены различные характеристики водных оболочек стопок при Т=ЗООК. с:СтСтопки во всех рассмотренных случаях имеют более низкую потенциальную энергию, чем А:и из-за более сильного

Табл.Ii Энергетические и структурные характеристики гидратации.

Послед-ность

(А: и)

(A:U,U:A) (G:C,C:G>

(0:0)

Конфигурация А

В В

В

В

Значения энергии (ккал/моль)

суммарная -906 -905 -901 -887 -аде -945 -95з -970 -двг вода-вода -7,16 -7,26 -7,26 -6,99 -7,20 -б,9Т -7,08 -7,03 -7,12

вода-пурин -23,0 -22,0 -22,5 -22,9 -22,0 -30,8 -30,2 -34,4 -33,6

ВОДа-ШфИМ.-20,7 -19.8 -18,8 -20,1.-19,4 -23,1 -22,4 -21,8 -23,1

вода-вода 1,75 1,76 вода-пурил 3,10 3,05 вода-пирим. 2,39 2,38

количества Н-связей 1,75 1.67 1,71 1,68 3,20 3,14 2,82 4,61 1,94 2,44 2,16 2,24

1,70 1,74 1,76 4,68 4,37 4,38 1,95 1,79 1,84

N7

04,06 N6-H.M4-H N3 02

N2-H

1 ,40 1 ,38 0,80 0,88 1 ,01

количества Н-связей с атомными группами

1,51 1,23 0,91 0,63 1,15

1,59 1,20 0,87 0,74 0,74

1,41 1,44 0,83 0,90 0,99

1 ,11

1 ,09 0,73 0,97 1 ,07

1,60 1,04 0,93 1,08 1,30 0,90

1.58 1,16 0,90 0,99 1,04 0,96

1 ,37 1 ,00 0,68 1,07 1,07 0,92

1,36

1 ,06" 0,81 0,98

1 ,02 0,98

Примечание: В суммарную энергию включены взаимодействия 180 молекул вода между собой и с шестью парами оснований. Значения энергии и количества Н-связей вода-вода и вода-основание отнесены к одной молекуле воды или одному основанию.

W-

Ml

ho-

Ir1

I

Ш)

—г

5

MZ

R(A)

ю

kO-

ifu

w

n

41

-t^-1-1—i—

s

^a)

МЗ

(V» ' Г Ч U ЗДчп,

V

Ю

Рис.2 Зависимость вероятности образования мостиков Ы1, М2 и МЗ от расстояния мевду двумя гидрофильными атомами в стопках. На четвертой гистограмме - частоты встречаемости этих расстояний.

в первом случае взаимодействия оснований с водой. Суммарные характеристики гидратации (энергия системы и ее компоненты, числа Н-связей вода-вода и вода-основание) слабо зависят от последовательности оснований и конфигурации стопки. Более заметны различия в числе Н-связей, образуемых отдельными гидрофильными центрами.

Изучено изменение свойств водной оболочки о удалением от поверхности контакта со стопкой (усредненные по ыут-ансамблю зависимости некоторых характеристик молекулы воды от расстояния до ближайшего атома стопки). Имеется два минимума на графиках для энергии взаимодействия молекулы воды со стопкой (ЕиЬ) на расстояниях 1,8 и 2,8А (вода - акцептор и донор протона Н-связи). Максимумы Еш (вклад в полную энергию молекулы воды взаимодействий типа вода-вода) довольно точно соответствуют минимумам'Еиъ и наоборот. Все графики Еш имеют область минимальных значений в интервале удалений 3,2-4,2А (далее сильно влияние поверхности), соответствующую второй гидратной оболочке стопки. Значения Еш здесь только на 0,1-0,8 ккал/моль выше средней величины для чистой жидкой воды. Узкая (0,2А) переходная зона характеризуется резким ослаблением взаимодействий молекул воды с основаниями.

На рис.2 приведены гистограммы, отражающие связь вероятности мостика и расстояния меад парой соответствующих ему гидрофильных . атомов (для мостиков М1, М2 и МЗ), и гистограмма частот встречаемости расстояний меаду двумя гидрофильными атомами в рассмотренных стопках. Эти данные получены усреднением по всем марковским цепям для всех моделированых систем. Видно, что вероятность мостиков М1 высока, когда гидрофильные атомы удалены друг от друга на расстояние 3,0-5,2А и максимальна цри 4,ЗА. Этот максимум отражает тенденцию молекул воды иметь тетраэдрическую координацию. Мостики М2 и МЗ могут образовываться с заметной вероятностью не только в1этом же диапазоне, но и при больших расстояниях мезду гидрофильными атомами, когда возникновение мостиков М1 невозможно геометрически. Расстояние около 2,2А, для которого вероятность образования всех трех типов мостиков (особенно М2) значительна, имеет место в гуанине мезду атомами N3 и И2. Пики в нуле на гистограммах М2 и МЗ отвечают водным мостикам, "соединяющим" один и тот же гидрофильный атом. Выводы, сделаные в первой главе о сложном характере картины мостиков в водных оболочках стопок, находят хорошее подтверждение в этих гистограммах.

11111_Ой_"жогоши2_вош_11ЕИ_В-4_пеЕехщет^

Концепция "экономной гидратации" была предложена (Баепёег et

al. 19B6 Nature v324 p385) для объяснения механизма B-A перехода при уменьшении содержания воды и связана с образованием мевду соседними фосфатами мостиков М1 в А-форме и мостиков М2 в В-форме. Нам удалось рассчитать среднее количество Н-связей вода-основание иве и среднее число молекул воды, образующих эти связи им, для каждой системы раздельно по желобам (Табл.in, Т=300К). Отношение им/NBC характеризует степень "экономии" вода в желобах стопки. По нашим данным, при В-А переходе взаимное положение оснований в ДНК изменяется таким образом, что возрастает количество молекул воды, образующих Н-связи одновременно с двумя или тремя .атомами (т.е. М1 мостиков), что отражается в уменьшении км/ивс (Табл.ш). Для Т=5К такая тенденция прослеживается для всех рассмотренных последовательностей, а при Т=300К только для трех из них, за исключением стопки повторяющихся пар g:c. Одной из причин этого является расположение гидрофильных атомов в гликозидном желобе G:c-cTonoK, способствующее образованию М2 мостиков мезду N3 и HN2 одного гуанина. Другой существенной причиной являются условия гидратации, оптимальные для В-формы (30 молекул воды на пару оснований). В'-стопка повторящихся А:и пар имеет промежуточную, по сравнению с А и В, степень "экономии" воды. Найденные закономерности указывают, что основания в двойной спирали А-ДНК располагаются при уменьшении содержания вода в системе так, чтобы меньшее число молекул воды могло гидратировать имеющиеся гидрофильные атомы. ■

Табл.ш Характеристики гидратных оболочек желобов стопок.

конфигурация A В

желоб 1' 2 1+2 1 2 1+2

NBC (A:U) (A:U,U:А) (G:C,C:G) (G: С) •11,36 11.35 19,65 18.36 21 ,11 22,13 21 ,43 18,55 32.47 33.48 41 ,08 36,91 10,69 12,21 17,93 17,89 21 ,86 17,66 21 ,88 19,41 32,55 29,87 39,81 37,30

NM (A:U) (A:U,U:A) (G:C,C:G) (G:C) 9,0 10,4 16,8 17,3 14,2 15,2 '16,4 15,1 23,2 25,6 33-, 2 32,4 10,2 11,6 16,6 15,5 17,4 13,6 16,1 15,1 27.6 25,2 32.7 30,6

(А:Ш 0,79 0,67 0,72 0,95 0,79 0,85

NM/NBC (A:U,U:A) 0,92 0,68 0,76 0,95 0,77 0,84

(G:C,С :G) 0,86 0,76 0,81 0,93 0,74 0,82

(0:С) 0,94 0,81 0,88 0,87 0,78 0,82.

Примечание: Все.величины отнесены к фрагментам, состоящим из 6 пар. Столбцы 1 для гликозидного желоба, 2 - негликозидного.

I УЛо де .щэование _ги®атацш_некот^ых_дщлексов_ВгйЖ..

Проведено моделирование гидратации четырех полинуклеотидов в фиксировано!! конформации, имеющих одинаковую последовательность гидрофильных атомов в гликозидном желобе: конформации I и II для

ПОЛИ ( &А)" ПОЛИ (сП?), III ДЛЯ ПОЛИ(с1А.)"П0ЛИ(с1и) И IV ДЛЯ ПОЛИ((1А-с11)

поли(сИ-с1С)-. Конформации 1,ш и IV построены по координатам Чан-драсекарана и Арнотта, а .п - Чуприны. Ширина гликозидного желоба конформации I 11,8А, а П-1У - 9,4А, 8,8А и 8,5А соответственно.

П^1_Сщуктща_вощой_оболочга_гшсозищых^^

Несмотря на сходство энергетических характеристик,структура водной оболочки гликозидного желоба обычной ширины (конформавдя I), существенно отличается от таковой в конфэрмациях с зауженным желобом (II-IV), см-, рис.3." Для систем П-1У характерна высокая (ок. 70Я вероятность М1 мостика Ю...02(2В) (молекулы типа 1 на рис.36, см. Табл.IV). В обычной В-форме (I) такие мостики тоже возникают, но с существенно более низкой вероятностью (13Я). В то же время мостик М2 между этими атомами образуется с более высокой (24%) вероятностью именно в этой (I) системе (см. рис.За, молекулы типа 2), а в гликозидных желобах дуплексов П-1У он практически отсутствует. Кроме того для конформации I характерны М1 мостики между 02 тимина (или ыз аденина) и 01• сахарного кольца соседнего в 5'-з' Направлении нуклеотида (молекулы типа 1 на рис.За), редкие в системах с зауженным гликозидным желобом.

Анализ сетки водных мостиков и расположения молекул воды в Р-структурах (рис.3) позволяет заключить, что первый слой гидрат-ной оболочки зауженного гликозидного желоба содержит одну молекулу воды на пару нуклеотидов. Она образует Н-связи между нуклеоти-дами обеих цепей, дополнительно стабилизируя дуплекс ДНК. Кроме уже упомянутого М1 мостика КЗ...02(20), эта же молекула участвует в Н-связях с атомами 01' сахарных колец следующих (5'-3') по цепи нуклеотидов. Наиболее сильно это выражено у дуплекса п (полученного при минимизации системы: ДНК+молекула воды), где мостиковая молекула воды часто образует бифуркатнне Н-связи 0-Н...(02,01') и (01',N3)...Н-0. Таким образом, эта молекула может образовывать до четырех Н-связей с ДНК одновременно.

Из анализа данных также следует, что первый слой водной оболочки конформации I образута,дее молекулы (на нуклеотидную пару). Эти молекулы чаще всего участвуют в М2 мостике N3...02(2Б), М1 мостиках 01 '...N3(20, 02...01'(20 и иногда в М1 между 02 (или КЗ) соседних оснований (тип 3 на рис.За)'. 42

Таблица IV. Межатомные расстояния (И,А) и средние вероятности М1 и М2 мостиков меэду атомами гликозидного желоба (в %%).

N3,02(20) №3.08(30) 03,02(30) - 03,н3(23) 02,03(23)

н Конформация I

4.65 7.23 7.18 4.16 3.87

И1 13 0 0 25 14

112 24 7 5 3 6

Конфэрмация II 3.12 3-14

й 3.37 5.29 5-11

М1 62 66 14 11 52

М2 8 0 1 1 1

Конформация III 3.44

И 3.51 5.82 5-55 3.61

М1 71 ■ 2 2 4 3

М2 0 0 0 0 0

Конформация IV 3.35

й 3.71 5.76 5-65 3.61

М1 66 6 1 2 9

М2 2 16 0 0 0

Примечание: цифры в скобках обозначают мостики между основаниями соседних (2) и расположенных через одну (3) пар, принадлежащих одной (б) или разным (Б) полинуклеотидным цепям.

Рис.3 Н-связи и мостики в гликозидных желобах поли(<1А). (ей) в двух (I и И) конфзрмациях.

Расчеты показали, что- соседние молекулы воды первого слоя (тип 1 на рис.36) в конфэрмациях п~1\г могут соединяться Н-связя- ' ми через третью (тип 2 на рис.36). О существовании такого второго гвдратного слоя (образующего "водный хребет", как в кристаллах (КсоссмгтсосО Югеи & В1скегзоп 1981) может дать информацию распределение МЗ мостиков мевду гидрофильными атомами узкого желоба. Было найдено, что в гликозидном желобе этих конформаций с вероятностями 16 - 4155 (при Т=300К) возникают четыре МЗ мостика: между атомами N3 и между 02 соседних пар, мевду атомами N3 и -)2 оснований, расположенных через одну пар; а также между N3 и 02 атомами одной и той же пары нуклеотидов. Все эти четыре мостика образуются вышеупомянутыми тремя молекулами (рис.36).

В кояформации I МЗ мостики между теш же атомами тоже возникают, хотя и с более низкой вероятностью (2-11%). Анализ Р-струк-туры водной оболочки этого дуплекса (рис.За) показывает, что в его гликозидном желобе существуют две "параллельные" цепочки из молекул воды первого гидратного слоя, образующих Н-связи с атомами нуклеотидов и расположенных регулярно вдоль каждой полинуклео-тидной цепи, причем соседние молекулы одной цепочки могут соединяться Н-связями с молекулой второго слоя (тип 5 на рис.За), почти как в "водном хребте". Между цепочками часто возникают Н-связи (мостики М2). Данные о расположении молекул воды в дуплексах- ДНК с иными последовательностями (но с шириной гликозидного желоба как у конформации I), полученные другими авторами (ЗиЬгатаШап & Веуег1с1ёе ЛВББ 1989; Е1веп11аЬег ët а1. В1ор'о1утегз 1989), Также свидетельствуют в пользу нашего предположения о структуре водной оболочки этого (I) типа конформаций В-ДНК.

Анализ структуры показал, что в этом желобе дуплексов ДНК образуются те же мостики (часто даже с равными вероятностями), как и в соответствующих стопках пар' оснований. Кроме того, имеются новые структурные элементы, присущие только фрагментам ДНК -М2 и МЗ мостики мевду атомами N7 пуринов (и 04 тимина) и фосфо--рильными кислородами. Имеются структурные различия в негликозид-ных желобах систем I и п-1У, а также особенности для IV.

1У^2_0-1озш®ом_вжящ_сщшофосфатшго^

гиДЕатацию_оснований. Гидратация СФО по разному влияет на структуру воды в желобах. Менее всего (по сравнению со стопками) она возмущена в негликозидном желобе, а сильнее всего в зауженных гликозидных желобах. Можно выделить два основных фактора этого ЛЧ

влияния: 1) ширина желоба ограничивает количество молекул воды, образующих Н-связи с основаниями, 2) 01' атом сахарного кольца активно участвует в образовании мостиков М1.

ОСНОВШЕ ВЫВОДЫ.

1. Комплекс программ для ЭВМ-и данные о методике численного эксперимента, разработаные наш, могут успешно применяться в исследованиях гидратации ДНК.

2. Суммарные характеристики гидратации спиральных стопок пар оснований (вклады взаимодействий вода-вода и вода-основание в энергию системы, числа Н-связей, отвечащих этим вкладам и др.) слабо' (<ЮЯ) зависят от последовательности оснований и конфигурации стопки. В то же время топология Н-связей (списки мостиков) в водной оболочке стопочных систем существенно зависит от этих факторов.

3. В водной оболочке А-конфигурации возрастает (по сравнению с В) доля молекул воды, образующих Н-связи одновременно с 2 или 3 атомами оснований. Эта особенность может служить одним из способов "экономии воды" при В-А переходе.

4. Топология водных мостиков и Н-связей в гликозидном желобе АТ-участков двойной спирали ДНК существенно зависит от его ширины. Для Вгдуплексов с зауженным гликозидным желобом характерна высокая (до 70Я) вероятность образования молекулой воды мостика N3...02(2D), а для обычной B-формы (с меньшими вероятностями) - М2 мостик между этими же атомами и MI мостики мезду 02 тимина (ИЗ аденина) и 01• сахарного кольца соседнего в 5'-3* направлении нуклеотида.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ.

1. Полтев В.И., Шулшина Н.В., Теплухин A.B., Маленков Г.Г. Изучение особенностей гидратации оснований нуклеиновых кислот и их комплементарных пар методом Монте-Карло. Молекуляр. биология 1987 Т.21, N6, С.1600-1609.

2. Теплухин A.B., Маленков Г.Г., Полтев В.И. Моделирование гидратации повторяющихся последовательностей пар оснований нуклеиновых кислот. В сб.: "Межмолекулярное взаимодействие и конформации молекул". ОНТИ НЦБИ, Пуцщно, 1987, с. 114-122.

3. Теплухин A.B., Полтев В.И. Сравнение результатов моделирования гидратации фрагментов двойной спирали ДНК с масс-спектромет-рическими и ИК-спектроскопическими данными'. В сб. тез. докл. vi

Конференции по спектроскопии биополимеров. Харьков 1988.

4. Poltev V.l., Teplukhin A.V., Chuprina V.P. Monte Carlo simulation of DHA duplex hydration. В and B' conformations of poly(dA).poly(dT) have different hydration shells. J.Biomol. Struct.Dyn. 1988 v.6, n.3, PP.575-586.

5. Teplukhin A.V.,Poltev V.I, Shulyupina N.V., Malenkov G.G. Monte Carlo simulation of hydration of the nucleic acid fragments. J.Biomol.Struct.Dyn. 1989 v.7, n.1, pp.75-99.

6. Маленков Г.Г., Теплухин A.B., Полтев В.И. I- и Р-структуры жидкой воды. Журн. структур, химии 1989 т.30, N.4, с.89-97.

7. Теплухин A.B., Полтев В.И., Маленков Г.Г. Моделирование гидратации фрагментов нуклеиновых кислот методом Монте-Карло. Молекуляр.биология 1990 т.24, N.4, с.832-846.

8. Teplukhin А.V., Poltev V.l., Chuprina V.P. Dependence of the hydration shell structure in the minor groove of the DHA double helix on the groove width as revealed by Monte Carlo simulation. Biopolymers 1992 (в печати).

20.12.91 г. Зак. 3763P Тир. 125 экз. Уч.-изд.л. 1.0

Отпечатано на ротапринте в ОНТИ ПНЦ