Численное исследование процессов структуризации макромолекул РНК

Козлов Н.Н., ,Козырева Е.Е., Кугушев Е.И., Сабитов Д.И., Энеев Т.М.
Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН, Москва
Московский Государственный Университет им. М.В.Ломоносова

Определение пространственной структуры биологических макромолекул по известной первичной структуре - одна из важнейших фундаментальных проблем современной молекулярной биологии, поскольку пространственная структура больших молекул определяет в основном их биохимические свойства. Опираясь на опыт моделирования аккумуляционного процесса формирования планетных системm, Т.М. Энеев в 1987 году предложил использовать метод виртуальных контактов для построения эффективного алгоритма реконструкции сложных биологических макромолекул. В качестве объекта для реализации указанной идеи были выбраны макромолекулы РНК. Была предложена математическая модель процесса структуризации таких молекул. В настоящее время завершен этап исследований, проведенный на основе разработанного специального алгоритма. Этот алгоритм позволил достичь среднего времени расчета процесса образования вторичной структуры РНК на два порядка меньшего, чем при традиционном подходе, применявшемся за рубежом. Стало возможным проведение серии численных экспериментов для опубликованных международных каталогов генов РНК.

Пространственная структура молекулы строится в два этапа. Сначала определяется ее вторичная структура, а затем третичная. Нами был предложен принципиально новые подходы к решению указанных задач. Основная идея определения вторичной структуры заключается в моделировании последовательного процесса ее формирования в ходе постепенного роста молекулярной цепи. По мере роста молекулы строится цепочка межсруктурных переходов от состояния, когда вторичная структура еще отсутствует, к состоянию, когда молекула обладает полной локально устойчивой вторичной структурой. Во время каждого межструктурного перехода происходит локальная минимизация свободной энергии молекулы Последовательность этих переходов определяется тем, каким образом образуется молекулярная цепь РНК в ходе транскрипционного процесса. Подход этот был назван последовательным. Его применение дало заметное повышение качества предсказания вторичных структур РНК и позволило выдвинуть гипотезу о прерывистом характере транскрипции.

На рисунке показан результат расчета вторичной структуры 50-ти молекул РНК-ферментов. Качество предсказания в зависимости от скорости приращения молекулярной цепи. Плавный график (зеленый) - это средний процент прпавильно предсказанных связей вторичной структуры. Прерывистый график (синий) - это средняя доля молекул у которых вычисленная вторичная структура не менее чем на 50% совпадает с натуральной. В дапазоне скорости роста молекулярной цепи от 20 до 60 нуклеотидов за один такт процесса набдюдается заметный рост качества предсказания вторичной структуры.

При построении третичной структуры молекулярная цепь рассматривается как тонкий упругий стержень с поперечными стяжками, соответствующими вторичной структуре. При соответствующем выборе параметров стержня его пространственная форма приближенно описывает пространственную структуру макромолекулы РНК. Это - одна из наибоее простых моделей описания пространственных структур молекул РНК - непрерывная модель. Пространственная структура молекулы сбирается из базовых элементов, каждый из которых является замкнутым контуром, в состоящим из семейства упругих стержней, последовательно соединенных между собой жесткими перемычками. Определение статически устойчивой простраственной формы базовых элементов сводится к решению системы краевых задач, каждая из которых состоит в определении конфигурации тонкого упругого стержня, удоветворяющей геометрическим условиям на его концах. Пространственная форма стержня определятся на основе уравнений равновесия.

На рисунке показан пример посторенной третичной структуры транспортной РНК Аспарагиноваой кислоты Asterina Pectini. Заметно сближение боковых стеблей, характерное для L-формы таких молекул.

Литература:

1

Энеев Т.М., Козлов Н.Н., Кугушев Е.И. Процессы структуризации биомолекул. Результаты математического моделирования. Препринт ИПМ им. М.В. Келдыша РАН, N 69, 1995, с. 22.

2

Козлов Н.Н., Кугушев Е.И., Энеев Т.М. Структурообразующие характеристики транскрипционного процесса. Математическое моделирование т.10, N 6, с.3-19, 1998.

3

Козлов Н.Н., Кугушев Е.И., Энеев Т.М. Параллельные вычисления при решении некоторых задач астрофизики и молекулярной биологии. Математическое моделирование т.12, N 7, с.65-70, 2000.

4

Кугушев Е.И., Старостин Е.Л., Пирогова Е.Е. Математическая модель образования трехмерной структуры РНК. Препринт ИПМ им. М.В. Келдыша РАН, N 77, 1997, с. 24

Ваши комментарии

[Головная страница] [Конференции] [СО РАН]

© 2001, Сибирское отделение Российской академии наук, Новосибирск
© 2001, Объединенный институт информатики СО РАН, Новосибирск
© 2001, Институт вычислительных технологий СО РАН, Новосибирск
© 2001, Институт систем информатики СО РАН, Новосибирск
© 2001, Институт математики СО РАН, Новосибирск
© 2001, Институт цитологии и генетики СО РАН, Новосибирск
© 2001, Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, Новосибирск
© 2001, Новосибирский государственный университет
Дата последней модификации Friday, 28-Sep-2001 18:55:10 NOVST