Структуры РНК состоят из длинных последовательностей нуклеотидов, которые состоят из азотистого основания, e.грамм., аденин, урацил, цитозин или гуанин, отрицательно заряженная фосфатная группа и сахарная единица. Фосфатные группы вместе с сахарами образуют основу макромолекулы, которая существует как складчатая структура в клеточной среде, так называемая третичная структура. Третичная структура тРНК дрожжей была определена с помощью дифракции рентгеновских лучей.
Для поддержания этой структуры, являющейся основной предпосылкой для ее клеточной функции, электрическая сила отталкивания между отрицательно заряженными фосфатными группами должна компенсироваться положительно заряженными ионами и молекулами воды из окружающей среды. Как это работает на молекулярном уровне, до сих пор остается неясным, в научной литературе есть противоречивые картины расположения и взаимодействия ионов и воды.
Ученые из Института Макса Борна в Берлине определили контактные пары положительно заряженных ионов магния и отрицательно заряженных фосфатных групп как решающий структурный элемент для минимизации электростатической энергии тРНК и, таким образом, стабилизации ее третичной структуры. Их исследование, опубликованное в The Journal of Physical Chemistry B, сочетает в себе спектроскопические эксперименты и подробные теоретические расчеты молекулярных взаимодействий и динамики.
Молекулярные колебания фосфатных групп служат неинвазивным датчиком 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 различным содержанием магния вместе с двумерной инфракрасной спектроскопией во фемтосекундной временной области позволяет различать конкретные локальные конфигурации, в которых фосфатные группы соединяются с ионами и водной оболочкой. Присутствие иона магния в непосредственной близости от фосфатной группы сдвигает асимметричное валентное колебание фосфата на более высокую частоту и генерирует характеристическую полосу поглощения инфракрасного излучения, используемую для обнаружения молекулярных частиц.
Эксперименты с различными концентрациями ионов магния показывают, что одна структура тРНК образует до шести контактных ионных пар, предпочтительно в местах, где расстояние между соседними фосфатными группами невелико, а соответствующая отрицательная плотность заряда высока. Контактные ионные пары вносят решающий вклад в снижение электростатической энергии и, как следствие, стабилизацию структуры третичной тРНК.
Эта картина количественно подтверждается глубоким теоретическим анализом. Ионные пары накладывают электрическую силу на молекулы воды поблизости и ориентируют их в пространстве, снова уменьшая электростатическую энергию.
Напротив, подвижные ионы в первых пяти-шести слоях воды вокруг тРНК вносят меньший вклад в стабилизацию структуры тРНК.
Новые результаты дают подробное 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.