Магниевые контактные ионы стабилизируют макромолекулярную структуру транспортной РНК

Транспортная РНК (тРНК) в клетках переводит генетическую информацию с матричной РНК (мРНК) для синтеза белка. Новые результаты ультрабыстрой спектроскопии и углубленных теоретических расчетов показывают, что сложная свернутая структура тРНК стабилизируется ионами магния, находящимися в прямом контакте с фосфатными группами на поверхности РНК.

Структуры РНК состоят из длинных последовательностей нуклеотидов, которые включают азотистое основание (например, аденин, урацил, цитозин или гуанин), отрицательно заряженную фосфатную группу и сахарный остаток. Фосфатные группы вместе с сахарами образуют остов макромолекулы, существующей в клеточной среде в виде свернутой структуры — так называемой третичной структуры. Для поддержания этой структуры, являющейся необходимым условием ее клеточной функции, отталкивающее электрическое взаимодействие между отрицательно заряженными фосфатными группами должно компенсироваться положительно заряженными ионами и молекулами воды окружающей среды. Как это работает на молекулярном уровне, до сих пор оставалось неясным; в научной литературе существуют противоречивые представления о расположении и взаимодействиях ионов и воды.

Ученые из Института Макса Борна в Берлине идентифицировали контактные пары положительно заряженных ионов магния и отрицательно заряженных фосфатных групп как ключевой структурный элемент для минимизации электростатической энергии тРНК и, следовательно, стабилизации ее третичной структуры. Их исследование, опубликованное в The Journal of Physical Chemistry B, сочетает спектроскопические эксперименты и детальные теоретические расчеты молекулярных взаимодействий и динамики.

Молекулярные колебания фосфатных групп служат неинвазивными зондами связи между тРНК и ее водным окружением. Частота и сила инфракрасного поглощения таких колебаний напрямую отражают взаимодействия с ионами и молекулами воды. Колебательная спектроскопия образцов тРНК с разным содержанием магния вместе с двумерной инфракрасной спектроскопией в фемтосекундном временном диапазоне позволяет различить специфические локальные геометрии, в которых фосфатные группы связаны с ионами и водной оболочкой. Присутствие иона магния в непосредственной близости от фосфатной группы сдвигает асимметричное колебание растяжения фосфатной связи в область более высоких частот и создает характерную полосу инфракрасного поглощения, используемую для детекции этого молекулярного вида.

Эксперименты при разных концентрациях ионов магния показывают, что одна молекула тРНК образует до шести контактных ионных пар, предпочтительно в местах, где расстояние между соседними фосфатными группами мало, а соответствующая плотность отрицательного заряда высока. Контактные ионные пары вносят решающий вклад в снижение электростатической энергии и, как следствие, в стабилизацию третичной структуры тРНК. Эта картина подтверждается количественно с помощью углубленного теоретического анализа. Ионные пары оказывают электрическое воздействие на близлежащие молекулы воды и ориентируют их в пространстве, что также снижает электростатическую энергию. В отличие от них, подвижные ионы в первых пяти-шести водных слоях вокруг тРНК вносят меньший вклад в стабилизацию структуры тРНК.

Новые результаты дают детальное количественное представление об электрических свойствах ключевой биомолекулы. Они подчеркивают высокую значимость молекулярных зондов для выяснения соответствующих молекулярных взаимодействий и необходимость теоретических описаний на молекулярном уровне.