Структура глутаминовой тРНК из организма Escherichia coli

Структура глутаминовой тРНК из организма Escherichia coli
Автор: Любецкая А.В.
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-уотсонкриковскими взаимодействиями (см. Таблицу 2 Приложения). Заметим, что пара 914 (A) –
921 (A), выделенная программой find_pair как неканоническая, не отмечена в списке неуотсон-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 (A) - 921 (A);
915 (G) - 948 (G);
918 (G) - 955 (U).
Комплементарные взаимодествия: 919 (G) - 956 (C);
954 (U) - 958 (A);
913 (A) - 946 (G).
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 (G) - 956 (C), 918 (G) - 955 (U) - 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 Lформа 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
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
902
903
904
905
906
907
949
950
951
952
953
954
955
937
938
939
940
941
942
943
944
910
911
912
913
914
915
919
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
G
G
G
G
U
A
C
G
A
G
G
U
U
A
U
U
C
C
G
G
A
G
C
C
A
A
G
G
C
C
C
C
A
U
G
C
U
C
C
A
G
U
U
A
G
G
C
C
A
C
G
G
G
A
U
C
971
970
969
968
967
966
965
964
963
962
961
958
918
933
932
931
930
929
928
927
926
925
924
923
946
921
948
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
904
908
910
913
915
918
919
926
928
G
G
U
G
A
G
G
G
A
C
-
C
C
A
G
G
U
U
C
A
G
970
969
914
945
946
948
955
956
944
942
930
932
933
954
G
U
U
U
-
C
U
A
A
940
938
937
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’
G–C
G–C
акцепторный стебель
G–C
GAA
U–A
UA
C
CCGCUA–UGCUCC
A
D-петля
Т-петля
G
|||
|||||
G
G
GGC
CGAGG
C
UAA
U
UU
G
G
A–A
дополнительная (V-) петля
C–G
C–G
антикодоновый стебель
G–C
G–C
A–U
U–U
U–A
C
G
антикодоновая петля
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 Головина А.В. за то, что иногда отвечал
прямо на заданные вопросы.
Литература
1. Кольман Я., Рём К.-Г., 2004. Наглядная биохимия. Издательство «МИР».
2.О.О.Фаворова, 1998. Строение транспортных РНК и их функция на первом
(предрибосомальном) этапе биосинтеза белков. Соросовский образовательный журнал, №11,
71-77 (http://www.pereplet.ru/nauka/Soros/pdf/9811_071.pdf).