Структура глутаминовой тРНК из организма Escherichia coli

Структура глутаминовой тРНК из организма Escherichia coli

Автор:

Аннотация: были изучены вторичная структура глутаминовой тРНК (pdb код – 1exd) и ее внутримолекулярные контакты, поддерживающих третичную структуру.

Ключевые слова — глутаминовая тРНК, 1exd.

Введение

Рибонуклеиновые кислоты (РНК) представляют собой полимеры из нуклеофосфатных звеньев, соединенных фосфодиэфирной связью. В качестве азотистых оснований в РНК присутствуют урацил, цитозин, аденин и гуанин.

Транспортные РНК участвуют в процессе трансляции в качестве промежуточного связующего звена между нуклеиновыми кислотами и белками. Это небольшие молекулы из 70-90 нуклеотидов, которые с помощью своих антикодонов «узнают» за счет спаривания оснований определенные кодоны мРНК. На 3’-конце (CCA-конец) они несут тот активный остаток аминокислоты, который согласно генетическому коду соответствует очередному кодону мРНК [1].

Известно, что вторичная структура тРНК по своему внешнему виду похожа на «клеверный лист». Это изображение не передает особенностей строения молекулы в пространстве. Структура молекулы в пространстве называется L-формой. Заметим, что для молекул тРНК характерно присутствие большого числа разнообразных модифицированных нуклеозидов, часто называемых минорными [2].

Глутаминовая тРНК является одной из 45 тРНК кишечной палочки (Escherichia coli).

Цели работы

Структура глутаминовой тРНК была исследована биоинформатическими методами, на основании чего были сделаны выводы о вторичной и третичной структуре молекулы.

Материалы и методы

Модель пространственной структуры глутаминовой тРНК, полученная кристаллографическими методами, была получена из базы данных PDB (http://www. pdb. org). Структура молекулы изучалась с помощью программы RasMol. Для более подробного изучения комплементарных взаимодействий и особенностей глутаминовой тРНК использовались программы mfold, реализующая алгоритм Зукера, и find_pair пакета 3DNA.

Результаты

·  С помощью программы find_pair был получен список комплементарных пар нуклеотидов в структуре глутаминовой тРНК.

Из Таблицы 1 Приложения видно, что данная тРНК содержит четыре участка, образующие спираль.

Из записи PDB файла можно сделать вывод, что нестандартных оснований молекула не содержит. По результатам программы find_pair видно, что в структуре существует 9 неканонических взаимодействий: 6 из них не соответствуют парам A-U, C-G, еще 3, возможно, характеризуются необычнымb свойствами связи (хотя, казалось бы, являются каноническими). Помимо этого из записи PDB файла получаем таблицу с не-уотсон-криковскими взаимодействиями (см. Таблицу 2 Приложения). Заметим, что пара 914 (A) – 921 (A), выделенная программой find_pair как неканоническая, не отмечена в списке не-уотсон-криковских взаимодействий списка PDB файла. Придумать объяснение этому факту мы не смогли.

На основании информации о спиральных участках была составлена Схема 1 Приложения, иллюстрирующая вторичную структуру глутаминовой тРНК.

·  При работе с программой RasMol были выявлены следующие взаимодействия, поддерживающие стабильность пространственной структуры глутаминовой тРНК:

1.  Водородные связи.

Некомплементарные взаимодействия: 914 (AA);

915 (GG);

918 (GU).

Комплементарные взаимодествия: 919 (GC);

954 (UA);

913 (AG).

2.  Неспиральный стекинг:

976 (A), 975 (C), 973 (G) - взаимодействие внутри 3’ конца;

945 (G), 909 (C), 946 (G) – взаимодействие с дополнительной петлей;

957 (G), 919 (GC), 918 (GU) - взаимодействия между D - и T-петлями.

Схема 1 Приложения показывает приведенные выше взаимодействия.

·  С помощью программы mfold, по алгоритму Зукера было сделано предсказание о возможной вторичной структуре глутаминовой тРНК. Для получения всех возможных предсказаний варьировался параметр программы P=N (то значение свободной энергии, на которое энергия полученной структуры может превысить лучшее предсказание). Наиболее близкое изображение (Схема 2 Приложения) было получено уже при P=15.

Обсуждение

Пространственная структура тРНК поддерживается в основном некомплементарными водородными взаимодействиями, а также неспиральным стекингом между различными частями молекулы. За счет того, что D - и T-петли плотно взаимодействуют получается L-форма тРНК в пространстве.

Предсказание по алгоритму Зукера сильно отличается от пространственной структуры молекулы, восстановленной по кристаллографическим данным. Программа Зукера при построении предсказания по возможности минимизирует нестандартные взаимодействия, которые, как показано в исследовании, поддерживают L-форму. В нашем случае по алгоритму Зукера акцепторный стебель выходит на две пары нуклеотидов длиннее, а акцепторный стебель – на три пары нуклеотидов короче. D-петля предсказана верно, но строение Т-петли практически полностью не соответствует изображению, восстановленному по кристаллографическим данным. Структура, предсказанная по алгоритму Зукера, не может выполнять функций тРНК.

тРНК выполняет две основные функции: акцепторную - способность ковалентно связываться с аминоацильным остатком, превращаясь в аминоацил тРНК, и адаптерную - способность узнавать триплет генетического кода, соответствующий, транспортируемой аминокислоте (в нашем случае глутамин), и обеспечить поступление аминокислоты на нужное место в белковой цепи. Ключевыми для выполнения этих функций являются структуры антикодон (CUG для глутаминовой тРНК) и CCA-конец акцепторного стебля, которые не участвуют во взаимодействиях с другими частями молекулы.

Сопроводительные материалы

В файле 1exd. spt содержится скрипт для Rasmol, позволяющий визуализировать основные элементы структуры тРНК из PDB записи 1exd.

Приложение

Таблица 1. Список комплементарных взаимодействий в глутаминовой тРНК.

Желтым цветом выделены участки, образующие спираль. Синим шрифтом выделены неканонические пары.

1	902	G	—	C	971
2	903	G	—	C	970
3	904	G	—	C	969
4	905	G	—	C	968
5	906	U	—	A	967
6	907	A	—	U	966
7	949	C	—	G	965
8	950	G	—	C	964
9	951	A	—	U	963
10	952	G	—	C	962
11	953	G	—	C	961
12	954	U	—	A	958
13	955	U	—	G	918
14	937	A	—	U	933
15	938	U	—	U	932
16	939	U	—	A	931
17	940	C	—	G	930
18	941	C	—	G	929
19	942	G	—	C	928
20	943	G	—	C	927
21	944	A	—	A	926
22	910	G	—	C	925
23	911	C	—	G	924
24	912	C	—	G	923
25	913	A	—	G	946
26	914	A	—	A	921
27	915	G	—	U	948
28	919	G	—	C	956

Таблица 2. Таблица, отражающая не-уотсон-криковские взаимодействия, полученная из данных PDB записи глутаминовой тРНК. Синим цветом выделены пары, совпадающие с результатами счета программы find_pair.

903	G	-	C	970
904	G	-	C	969
908	U	-	A	914
910	G	-	G	945
913	A	-	G	946
915	G	-	U	948
918	G	-	U	955
919	G	-	C	956
926	A	-	A	944
928	C	-	G	942
930	G	-	C	940
932	U	-	U	938
933	U	-	A	937
954	U	-	A	958

Схема 1. Схема вторичной структуры глутаминовой тРНК, а также взаимодействий, поддерживающих ее третичную структуру.

Синим шрифтом выделены неканонические пары. Красным шрифтом обозначен антикодон. Желтой заливкой отмечены нуклеотиды, участвующие в неспиральном стекинге. Подчеркиванием выделены водородные связи, отвечающие за стабильность тРНК.

AGCCA

5’ G–C 3’

акцепторный стебель

G–C

G–C

G–C

GAA U–A UA

D-петля

Т-петля

C CCGCUA–UGCUCC A

G ||| ||||| G

G GGC CGAGG C

UAA U UU

G

G

дополнительная (V-) петля

A–A

C–G

антикодоновый стебель

C–G

G–C

G–C

A–U

U–U

U–A

антикодоновая петля

C G

U

Схема 2. Изображение втоичной структуры глутаминовой тРНК, построенной по алогоритму Зукера.

Благодарности

Благодарю Ришу-тян за хорошее настроение и моральную поддержку, старшее поколение за то, что они уже прошли эту пытку и за то, что иногда отвечал прямо на заданные вопросы.

Литература

1. -Г., 2004. Наглядная биохимия. Издательство «МИР».

2., 1998. Строение транспортных РНК и их функция на первом (предрибосомальном) этапе биосинтеза белков. Соросовский образовательный журнал, №11, 71-77 (http://www. *****/nauka/Soros/pdf/9811_071.pdf).