Возможный механизм биологического действия ДНК как доноров электронов Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 544.18/577.29:577.17

ВОЗМОЖНЫЙ МЕХАНИЗМ БИОЛОГИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ДНК КАК ДОНОРОВ ЭЛЕКТРОНОВ

© 2015 Н. Б. Кузнецова1, П. Е. Кузнецов2

1 доцент кафедры химии, канд. хим. наук e-mail: moscow [email protected]

2профессор кафедры химии, докт. хим. наук e-mail: kuznetsovpe@mail. ru

Курский государственный университет

На основе рентгеноструктурных данных из Protein Date Base и квантово-химических расчетов взаимодействия транскрипционных факторов (ТФ) с нуклеотидами ДНК предложен механизм действия ДНК как доноров электронов. Он заключается в том, что гормонрецепторные комплексы и ТФ могут активировать транскрипцию ДНК путем переноса электрона от ДНК на активаторы. Являясь донорами электронов, ДНК может взаимодействовать с гормон-рецепторными комплексами и ТФ, находящимися в триплетном состоянии. Потенциальная способность ДНК к переносу электронов объясняется на основе электронной структуры ДНК.

Ключевые слова: ТФ, ДНК, триплетное состояние, механизм действия, перенос электрона, квантово-химическая модель.

Авторами настоящей статьи разрабатывается теория биологического действия гормонов как доноров, акцепторов и переносчиков электронов [Кузнецова, Кузнецов 2013; Кузнецова, Кузнецов 2014; 2014а; 2014б]. Ранее [Кузнецова, Кузнецов 2014б] было рассмотрено взаимодействие гормон-рецепторных комплексов с ДНК и

гуанозиндифосфатом (ГДФ) G-белка на примере:

- трансмембранного холецистокининового ССК2 -рецептора с ГДФ G-белка;

- цитозольного NR3C4 рецептора с ДНК;

- ядерного тиреоидного рецептора с ДНК.

Квантово-химическими методами было показано, что ДНК и ГДФ являются донорами электронов, а протонированные гормоны - акцепторами электронов. Более того, в упомянутых статьях была рассмотрена активация транскрипции ДНК гормонрецепторными комплексами [Там же].

Целью настоящей работы является исследование с помощью методов квантовой химии активации транскрипции ДНК главными факторами транскрипции в рамках выдвигаемой теории.

Поиск экспериментальных данных базы Protein Data Base [Protein Data Base] показал наличие рентгеноструктурных данных трех комплексов главного фактора транскрипции CCAAT [Льюин 2012: 896], который классифицируется по регуляторной функции как конститутивный и присутствует всегда во всех клетках:

1. 4G92:

CCAAT-связанный комплекс из Aspergillus Nidulans с ДНК;

2. 1GTW:

ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ

Ядерный фактор NF-IL6, связанный с ДНК-фрагментом;

3. 2E42:

Ядерный фактор NF-IL6 V285A мутант, связанный с высокоафинным ДНК-фрагментом.

Данные комплексы главного фактора транскрипции CCAAT и ДНК были рассмотрены на предмет взаимодействия между ДНК и ССААТ и переноса электронной плотности между ними.

Расчеты проводились программами HyperChem 7e [Hyper Chem Release 7 for Windows] (MNDO/d), Discovery Studio Client v2.5.0.9164.

Упрощенная модель комплекса 2E42 (см. рис. 1) показана на рисунке 2. Модель представляет собой комплекс одного из активных центров главного фактора транскрипции ССААТ с двумя фрагментами ДНК, узнаваемыми ССААТ.

Рис. 1. Комплекс главного фактора транскрипции ССААТ и ДНК (PDB 2E42). Зеленым пунктиром показаны водородные связи в комплексе

Рис. 2. Распределение спиновой плотности в упрощенной модели комплекса, содержащего активный центр главного фактора транскрипции ССААТ из (PDB 2E42) и фрагменты ДНК, узнаваемые фактором транскрипции. Пунктиром показаны области, на которых расположены электроны ВЗМО с параллельными спинами

Auditorium: электронный научный журнал Курского государственного университета. 2015. № 1 (05)

Кузнецова Н. Б., Кузнецов П. Е. Возможный механизм биологического действия ДНК

как доноров электронов

Как видно из рисунка, молекулы ДНК представляют собой два фрагмента разных цепей ДНК, связанных с главным фактором транскрипции. Активный центр белка ССААТ представляет собой несколько аминокислот с зарядом плюс два на аргинине и лизине. Водородная связь длиной 1,73А связывает лизин транскрипционного фактора и одну цепь ДНК, а более слабые водородные связи длиной 1,95А и 1,94А связывают аспарагины транскрипционного фактора и обоих фрагментов ДНК. Фосфатные группы цепей ДНК ионизированы. Заряд фрагментов ДНК равен минус двум и минус трем, следовательно, эти фрагменты могут являться донорами электронов. Заряд активного центра белка ССААТ равен плюс двум, следовательно, ССААТ может являться акцептором электронов. С помощью расчетов было установлено, что основное состояние комплекса соответствует состоянию с мультиплетностью, равной пяти.

Распределение спиновой плотности комплекса, полученное в результате расчетов, показано на рисунке 2. В каждой из областей, отмеченных на рисунке пунктиром, находится на валентной оболочке по одному электрону с параллельными спинами. До образования комплекса электроны с параллельными спинами находились на фрагментах ДНК (два электрона) и рецепторе (два электрона), основное состояние каждой из молекул триплетное. Следовательно, произошло перераспределение электронов. Так, заряд на нуклеотидах ДНК1 был равен минус двум, а после взаимодействия стал равен минус единице. Заряд на активном центре транскрипционного фактора был равен плюс двум, а стал равен плюс единице. Следовательно, электрон перераспределился с ДНК1 на активный центр белка ССААТ. Расчеты показали, что перенос электрона

термодинамически выгоден, а конечное состояние комплекса намного устойчивее исходного состояния.

Таким образом, возможно, присоединение главного фактора транскрипции ССААТ к узнаваемому им фрагменту ДНК может инициировать перенос электрона с ДНК на белок.

Рассмотрим другой вариант взаимодействия главного фактора транскрипции CCAAT и ДНК на примере 4G92 из экспериментальных данных базы Protein Data Base (см. сайт: [Protein Data Base]).

Упрощенная модель комплекса 4G92 (см. рис. 3) показана на рисунке 4. Модель представляет собой комплекс одного из активных центров главного фактора транскрипции ССААТ с фрагментом ДНК, узнаваемым ССААТ.

Рис. 3. Комплекс главного фактора транскрипции ССААТ и ДНК (PDB 4G92). Зеленым пунктиром показаны водородные связи в комплексе

ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ

Рис. 4. Распределение спиновой плотности в упрощенной модели комплекса, содержащего активный центр главного фактора транскрипции ССААТ из (PDB 4G92) и фрагмент ДНК, узнаваемый фактором транскрипции. Пунктиром показаны области, на которых расположены электроны ВЗМО с параллельными спинами

Как видно из рисунка, фрагмент молекулы ДНК представляют собой три нуклеотида, соединенных водородными связями с активным центром главного фактора транскрипции. Активный центр белка ССААТ представляет собой несколько аминокислот с зарядом плюс три на аргинине и двух лизинах. Три водородные связи связывают активный центр транскрипционного фактора и фрагмент цепи ДНК. Фосфатные группы цепей ДНК ионизированы. Заряд фрагментов ДНК равен минус четырем, следовательно, он может являться донором электронов. Заряд активного центра белка ССААТ равен плюс трем, следовательно, ССААТ может являться акцептором электронов. С помощью расчетов было установлено, что основное состояние комплекса соответствует состоянию с мультиплетностью, равной пяти.

Распределение спиновой плотности комплекса, полученное в результате расчетов, показано на рисунке 4. В каждой из областей, отмеченных на рисунке пунктиром, находится на валентной оболочке по одному электрону с параллельными спинами. До образования комплекса электроны с параллельными спинами находились на фрагменте ДНК (два электрона) и рецепторе (два электрона), основное состояние каждой из молекул триплетное. Следовательно, произошло перераспределение электронов. Так, заряд на нуклеотидах ДНК был равен минус четырем, а после взаимодействия стал равен минус трем. Заряд на активном центре транскрипционного фактора был равен плюс трем, а стал равен плюс двум. Следовательно, электрон перераспределился с ДНК на активный центр белка ССААТ. Расчеты показали, что перенос электрона термодинамически выгоден, а конечное состояние комплекса намного устойчивее исходного состояния.

Таким образом, и в случае взаимодействия главного фактора транскрипции ССААТ из Aspergillus Nidulans и узнаваемого им фрагмента ДНК, возможно, может инициироваться перенос электрона с ДНК на белок.

Нами были рассмотрены еще четыре аналогичных упрощенных модели взаимодействия транскрипционного фактора ССААТ с ДНК. Все они показали такие же

Auditorium: электронный научный журнал Курского государственного университета. 2015. № 1 (05)

Кузнецова Н. Б., Кузнецов П. Е. Возможный механизм биологического действия ДНК

как доноров электронов

результаты, как и описанные выше. Следует отметить, что области взаимодействия транскрипционного фактора в основном содержат лизин в качестве аминокислоты, образующей водородные связи с ДНК. Кроме того, все области взаимодействия белка ССААТ заряжены положительно с зарядом плюс два или три. Таким образом, несколько активных центров транскрипционного фактора ССААТ, возможно, способны инициировать перенос нескольких электронов и активировать всю цепь ДНК, узнаваемую этим главным фактором транскрипции.

Показано, что в рамках выдвигаемой теории объясняются не только экспериментальные данные о механизме действия гормонов и гормон-рецепторных комплексов [Кузнецова, Кузнецов 2014б], но и другие экспериментальные данные. Так, становится понятным, почему транскрипция ДНК инициируется транскрипционными факторами. В этом случае повышается вероятность переноса электронов с молекулы ДНК на главный фактор транскрипции. Это вызывает расплетание цепи ДНК, что является стартовой точкой в последующей транскрипции РНК-полимеразой (см. [Кузнецова, Кузнецов 2014б]).

Рассмотрим особенности электронной структуры ДНК. На рисунке 5 представлены: структуры ДНК (фрагменты TGTT и TGAC) и расположение триплетных ВЗМО-электронов. Из рисунка видно, что ВЗМО-электроны группируются на 5'-фосфатной группе цепи ДНК и на концевых нуклеотидах фрагментов.

Во-первых, в структуре ДНК фиксируется много отрицательно заряженных атомов кислорода с неспаренными электронами, в результате чего молекула ДНК содержит избыток электронов. Во-вторых, основным является триплетное состояние фрагментов ДНК. В-третьих, расчеты показали, что активным является электрон, расположенный на концевом нуклеотиде. В-четвертых, по расчетам, первым будет перераспределяться на ТФ электрон, группирующийся на внутренней стороне цепи двухцепочечной ДНК. Это будет способствовать расплетанию цепи ДНК.

Таким образом, молекула ДНК обладает высокой готовностью к переносу электронов и является потенциальным донором электронов. При создании подходящих условий свойство ДНК как донора электронов будет реализовано. Следствием переноса электронов будет образование катион-радикала молекулы ДНК, изменение структуры, заряда и электростатического потенциала ДНК и расплетание двойной спирали ДНК. Это, в свою очередь, будет являться стартовой точкой в инициации транскрипции РНК-полимеразой.

Таким образом, в рамках выдвигаемой теории объясняются экспериментальные данные об инициации транскрипции ДНК транскрипционными факторами.

Можно подытожить, что в молекуле ДНК заключен потенциальный механизм, с помощью которого возможен запуск транскрипции ДНК. Этот запуск может быть осуществлен с помощью различных активаторов:

- гормон-рецепторных комплексов и комплексов на основе ионов металлов;

- транскрипционных факторов.

Во всех этих механизмах проявляется способность молекулы ДНК быть донором электронов и переносить их на различные акцепторы: гормоны и белки. Вследствие этого происходит: образование катион-радикала молекулы ДНК; изменение ее заряда, электростатического потенциала и структуры; последующее расплетание двойной цепи ДНК, что является стартовой точкой в инициации транскрипции РНК-полимеразой.

ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ

Рис. 5. Распределение спиновой плотности в структуре ДНК: А - фрагмент TGTT, Б - фрагмент TGAC. Пунктиром показаны области, на которых расположены электроны ВЗМО с параллельными спинами

Библиографический список

Кузнецова Н.Б., Кузнецов П.Е. Квантово-химическая модель гормонов щитовидной железы как доноров и переносчиков электронов // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий, 2013. № 4. С. 179 -184.

Кузнецова Н.Б., Кузнецов П.Е. Квантово-химическое моделирование механизма действия лигандов NR3C4 рецептора // Auditorium: электронный научный журнал Курского государственного университета. 2014. № 1. URL: auditorium.kursksu.ru/pdf/001-004.pdf (дата обращения: 11.11.2014).

Кузнецова Н.Б., Кузнецов П.Е. Прогнозирование биологической активности антагонистов холецистокининового рецептора // Auditorium: электронный научный журнал Курского государственного университета. 2014а. № 2. URL: auditorium.kursksu.ru/pdf/002-

003.pdf (дата обращения: 12.11.2014).

Кузнецова Н.Б., Кузнецов П.Е. Возможный механизм биологического действия гормонов как доноров, акцепторов и переносчиков электронов // Auditorium: электронный научный журнал Курского государственного университета. 2014б. № 4. URL:

auditorium.kursksu.ru/pdf/004-004.pdf (дата обращения: 27.12.2014).

Льюин Б. Гены. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. 896 с.

Discovery Studio Client v2.5.0.9164 [Сайт]. URL: http//www.accelrys.com/ (дата обращения: 2.08.2014).

Hyper Chem Release 7 for Windows. 2002. HyperCube, Inc. 860 p.

Protein Data Base [Сайт]. URL: www.rcsb.org/pdb/home/home.do (дата обращения:

12.08.2014).

Auditorium: электронный научный журнал Курского государственного университета.

2015. № 1 (05)

Кузнецова Н.

Б., Кузнецов П. Е. Возможный механизм биологического действия ДНК

как доноров электронов