A- и В- формы ДНК. Структура РНК
Семестры • Третий семестр • A- и В- формы ДНК. Структура РНК
Первым заданием было построить модели структур A-, B- и Z-формы ДНК с помощью инструментов пакета 3DNA (подробнее здесь). Используя команду fiber были построены А-, B- и Z- формы дуплексов ДНК, последовательность однй из нитей которой состояла из 5 раз повторенной последовательности "gatc" (для A- и B- форм) или 10 раз "gc" (для Z-формы). Структуры сохранены в соответствующих файлах PDB: А-форма, B-форма, Z-форма.
Работа со структурами нуклеиновых кислот
Взяв для работы структуру А-формы ДНК, я выделял разные атомы и химические группировки с помощью предопределенных множеств программы Jmol (см. рис.1): зеленым выделен сахарофосфатный остов, азотистые основания выделены светло-зеленым, и атомы в них дополнительно представлены в виде шариков, все аденины покрашены в голубой, и атом N7 первого гуанина в цепи А покрашен в черный, притом его размер увеличен.
Рисунок 1. Изображение структуры А-формы ДНК.
Работа со структурами комплексов нуклеиновых кислот и белков
Из базы данных PDB были получены две структуры комплексов нуклеиновых кислот и белков: 1l3j, комплекс ДНК и белка, и 1ml5, комплекс тРНК и рибосомы. Рассматривались только структуры нуклеиновых кислот. Они были проверены на наличие разрывов в цепочке; разрывы обнаружены не были. ДНК из структуры 1i3j представлена на рис.2, тРНК из структуры 1ml5 представлена на рис3.
Рисунок 2. ДНК из структуры 1I3J.
Рисунок 3. тРНК из структуры 1ML5.
Координаты атомов нуклеиновых кислот были сохранены для дальнейшей работы в текстовые файлы. Их можно скачать: 1i3j, 1ml5.
Сравнение структур 3 различных форм ДНК
Рисунок 4. B-форма ДНК. Показаны большая и малая бороздки.
На рис.4 показана B-форма ДНК и отмечены бороздки. Атомы каждого основания могут быть обращены как в одну, так и в другую бороздки в зависимости от формы ДНК. Я рассматривал атомы гуанина. На рис.5 показано, какие атомы обращены внутрь большой (красный цвет), а какие — внутрь малой (синий). Атомы обращены одинаково в B- и Z- формах, в А-форме в точности наоборот.
Рисунок 5. Гуанин в разных формах ДНК. Красным показаны атомы, обращенные в большую бороздку, синим — в малую.
Проект Chemsketch с изображениями, представленными на рис.5, можно скачать.
Сравнение основных спиральных параметров разных форм ДНК
В таблице 1 сравниваются параметры структур А-, В- и Z- форм ДНК, полученные в ходе работы в Jmol.
Таблица 1. Сравнение основных спиральных параметров разных форм ДНК. В двух последних строках в скобках указано, какие атомы фосфора использовались для измерения.
A-форма |
B-форма |
*Z-форма |
|
| Тип спирали (правая или левая) | Правая | Правая | Левая |
| Шаг спирали, Å | 28.03 | 33,75 | 43,5 |
| Число оснований на виток | 11 | 10 | 12 |
| Ширина большой бороздки, Å | 16,81 (A14:A-G29:B) | 17,21 (C8:A-A30:B) | 18,30 (C14:A-C24:B) |
| Ширина малой бороздки, Å | 7,98 (G5:A-A30:B) | 11.69 (C8:A-G37:B) | 8,68 (G19:A-G27:B) |
Торсионные углы
С помощью программы Jmol я измерил торсионные углы гуанинового нуклеотида в структурах А- и В- форм ДНК и сравнил с данными, приведенными в учебной презентации. Результаты показаны в таблице 2.
Таблица 2. Торсионные углы гуанинового нуклеотида в A- и B- формах ДНК.
угол |
α |
β |
γ |
δ |
ε |
ζ |
χ |
| A-форма из презентации | 62 | 173 | 52 | 88 или 3 | 178 | -50 | -160 |
| A-форма | 64,1 | 174,8 | 41,7 | 79,1 | -147,8 | -75,1 | -157,2 |
| B-форма из презентации | 63 | 171 | 54 | 123 или 131 | 155 | -90 | -117 |
| B-форма | 85,9 | 136,3 | 31,2 | 143,3 | -140,8 | -160,5 | -98,0 |
С помощью пакета программ 3DNA, установленного на сервере kodomo, можно определять различные параметры нуклеиновых кислот. В этом задании мне понадобились программы remediator, find_pair и analyze. Программа remediator переводит pdb-файл в старый формат, понятный 3DNA. Затем find_pair определяет спаренные основания и положения спиралей в структуре, a analyze обрабатывает полученные данные, предоставляя информацию о торсионных углах, водородных связях, стекинг-взаимодействиях и проч.
В таблице 3 приведена информация о торсионных (двугранных) углах для нуклеотидов различных форм ДНК. Для всех 4 нуклеотидов форм А и B углы одни и те же, в случае формы Z углы для цитозина и гуанина сильно различаются.
Таблица 3. Торсионные углы нуклеотидов различных форм ДНК.
α |
β |
γ |
δ |
ε |
ζ |
χ |
||
| A | -51,70 | 174,80 | 41,70 | 79,10 | -147,80 | -75,10 | -157,20 | |
| B | -29,90 | 136,40 | 31,14 | 143,34 | -140,80 | -160,50 | -98,00 | |
| Z | C | -139,50 | -136,70 | 50,90 | 137,60 | -96,50 | 81,90 | -154,30 |
| G | 52,00 | 179,00 | -173,80 | 94,90 | -103,60 | -64,80 | 58,70 |
С помощью программ пакета 3DNA я проанализировал структуру ДНК, взятую из комплекса ДНК-белок 1i3j. Информация о торсионных углах всех нуклеотидов ее последовательности (кроме первого и последнего) приведена в таблице 4. "Отклонение" условно позволяет оценить, какой нуклеотид в целом сильнее отличается от среднего, в данном случае это второй и девятый цитозины цепи А и двенадцатый гуанин цепи В.
Таблица 4. Торсионные углы в структуре ДНК из 1i3j. *Отклонение задано как сумма модулей разности значения угла нуклеотида и среднего значения для данного типа нуклеотидов.
№ |
Основание |
α |
β |
γ |
δ |
ε |
ζ |
χ |
Отклонение* |
| Цепь А | |||||||||
| 2 | C | -50,80 | -174,00 | 31,00 | 150,40 | 175,80 | -114,20 | -85,30 | 599,79 |
| 3 | T | -16,90 | -174,60 | 13,00 | 150,00 | -161,20 | -114,50 | -99,40 | 127,00 |
| 4 | T | 18,00 | -162,50 | -58,80 | 151,20 | -159,90 | -95,20 | -95,80 | 213,92 |
| 5 | G | -60,20 | 175,40 | 34,80 | 153,60 | -122,60 | -179,00 | -65,50 | 378,35 |
| 6 | G | -67,30 | 137,90 | 49,40 | 147,50 | -149,20 | -150,80 | -89,90 | 337,00 |
| 7 | G | -71,50 | 157,80 | 56,90 | 147,80 | -174,30 | -92,20 | -122,10 | 421,03 |
| 8 | T | -55,90 | -159,40 | 25,00 | 144,70 | 161,10 | -82,00 | -95,70 | 382,40 |
| 9 | C | 151,30 | 150,40 | -171,30 | 135,60 | -154,70 | -113,10 | -129,70 | 526,51 |
| 10 | T | -38,90 | -174,80 | 29,00 | 144,00 | -170,30 | -109,50 | -105,10 | 169,18 |
| 11 | A | -48,80 | -178,30 | 40,50 | 147,10 | -166,10 | -113,60 | -93,00 | 362,82 |
| 12 | C | 22,00 | -169,90 | -55,10 | 153,10 | -178,10 | -115,70 | -91,80 | 223,59 |
| 13 | C | 27,00 | -161,80 | -61,80 | 149,80 | -159,90 | -93,10 | -124,50 | 223,56 |
| 14 | G | -55,80 | -169,50 | 37,60 | 148,30 | 170,50 | -108,50 | -99,30 | 406,90 |
| 15 | T | -43,80 | -171,30 | 39,00 | 147,80 | -168,40 | -120,70 | -103,40 | 179,42 |
| 16 | T | 26,00 | -168,30 | -53,30 | 154,40 | 179,40 | -89,10 | -107,10 | 455,86 |
| 17 | T | -50,10 | -171,00 | 29,00 | 156,80 | -166,80 | -154,00 | -84,60 | 225,62 |
| 18 | A | -44,90 | 159,20 | 47,70 | 146,30 | 177,30 | -90,70 | -92,80 | 383,10 |
| 19 | A | -37,00 | -155,40 | 25,00 | 151,90 | -162,20 | -112,00 | -86,80 | 341,22 |
| Цепь Б | |||||||||
| 2 | G | -52,40 | 164,80 | 49,00 | 151,00 | -161,10 | -112,20 | -107,60 | 350,58 |
| 3 | A | -38,50 | 160,20 | 37,60 | 152,60 | -163,90 | -149,80 | -85,80 | 239,48 |
| 4 | A | -48,70 | 157,80 | 48,30 | 145,10 | -168,70 | -123,30 | -83,30 | 238,06 |
| 5 | C | -41,40 | 175,40 | 31,00 | 144,70 | -156,60 | -144,80 | -86,60 | 438,01 |
| 6 | C | -27,90 | -172,70 | 17,00 | 142,90 | -164,00 | -105,20 | -105,60 | 284,86 |
| 7 | C | 41,20 | 174,70 | -57,00 | 151,50 | -176,10 | -98,00 | -112,20 | 331,29 |
| 8 | A | -35,20 | 167,60 | 23,00 | 147,10 | -172,20 | -120,70 | -111,50 | 252,32 |
| 9 | G | -49,40 | -177,40 | 29,00 | 152,50 | -166,50 | -150,00 | -85,40 | 346,40 |
| 10 | A | -33,90 | 175,00 | 46,10 | 149,00 | -175,20 | -99,20 | -96,80 | 255,12 |
| 11 | T | -48,90 | -167,70 | 35,90 | 146,10 | -171,50 | -123,00 | -99,10 | 180,86 |
| 12 | G | 32,90 | -177,80 | -52,90 | 151,40 | 165,50 | -100,40 | -125,10 | 585,40 |
| 13 | G | -42,40 | -161,10 | 33,10 | 154,10 | 177,50 | -130,90 | -94,60 | 382,05 |
| 14 | C | 32,00 | -161,00 | -57,90 | 150,10 | -178,50 | -93,90 | -100,80 | 225,79 |
| 15 | A | -21,70 | 162,30 | 31,90 | 147,70 | -170,70 | -111,20 | -96,50 | 233,34 |
| 16 | A | -35,00 | -173,90 | 24,00 | 151,00 | 170,00 | -131,30 | -84,80 | 515,38 |
| 17 | A | -36,70 | 174,50 | 42,10 | 147,10 | 175,80 | -101,80 | -85,50 | 378,94 |
| 18 | T | -31,10 | 178,30 | 26,00 | 144,40 | -176,80 | -119,80 | -93,60 | 437,54 |
| 19 | T | 6,00 | -151,10 | -80,20 | 143,30 | -167,50 | -112,00 | -108,40 | 210,56 |
| Среднее | A | -38,04 | 64,90 | 36,62 | 148,49 | -65,59 | -115,36 | -91,68 | |
| T | -23,56 | -132,24 | 0,46 | 148,27 | -100,19 | -111,98 | -99,22 | ||
| G | -45,7625 | -6,2375 | 29,6125 | 150,775 | -32,525 | -128 | -98,6875 | ||
| C | 19,175 | -42,3625 | -40,5125 | 147,2625 | -124,013 | -109,75 | -104,563 | ||
| По всем | -22,05 | -28,99 | 6,55 | 148,70 | -80,58 | -116,27 | -98,54 |
В таблице 5 содержится аналогичная информация для структуры тРНК из файла 1ml5.pdb. По углу χ сильно отличаются 21 и 28 гуанины цепи А. В целом самый "выдающийся" нуклеотид - цитозин 24 цепи А.
Таблица 5. Торсионные углы в структуре тРНК из 1ml5. Отклонение определено так же, как в таблице 4.
основание |
α |
β |
γ |
δ |
ε |
ζ |
χ |
Отклонение* |
|
| Цепь А | |||||||||
| 2 | G | -99,80 | 173,40 | 83,00 | 78,40 | -144,40 | -83,70 | -169,00 | 265,40 |
| 3 | G | -69,90 | 161,60 | 66,40 | 81,00 | -153,80 | -64,70 | -175,50 | 201,40 |
| 4 | A | -73,50 | -175,00 | 51,00 | 84,00 | -151,00 | -66,30 | -160,80 | 329,98 |
| 5 | U | -69,10 | 165,00 | 64,20 | 79,60 | -151,40 | -75,90 | -172,00 | 196,92 |
| 6 | U | -53,60 | -180,00 | 58,00 | 138,40 | --- | --- | -127,70 | |
| 7 | C | --- | 172,60 | 40,70 | 84,70 | -152,70 | -77,30 | -172,40 | |
| 8 | U | -48,20 | 177,40 | 36,90 | 85,10 | -149,50 | -79,80 | -165,10 | 167,20 |
| 9 | G | -41,50 | 174,40 | 30,00 | 87,10 | -154,50 | -73,00 | -154,80 | 176,65 |
| 10 | U | -62,90 | 167,10 | 50,50 | 81,40 | -160,10 | -66,50 | -167,60 | 172,22 |
| 11 | G | -59,50 | 173,10 | 53,70 | 83,40 | -167,00 | -60,40 | -173,40 | 194,20 |
| 12 | U | -85,60 | -167,50 | 58,10 | 80,10 | -136,00 | -68,80 | -156,20 | 352,95 |
| 13 | P | -53,70 | 170,20 | 44,10 | 79,80 | --- | --- | -153,20 | |
| 14 | A | --- | -174,60 | 60,30 | 75,20 | -146,70 | -62,00 | -173,50 | |
| 15 | P | -83,00 | 179,90 | 69,40 | 84,50 | -151,50 | -69,30 | -172,90 | 154,75 |
| 16 | C | -90,90 | 168,70 | 74,20 | 81,40 | -141,80 | -96,20 | -176,20 | 246,38 |
| 17 | U | 41,10 | 162,30 | -47,40 | 99,20 | -152,40 | -68,50 | -155,80 | 322,72 |
| 18 | G | -57,40 | 162,10 | 58,10 | 83,20 | -156,60 | -80,80 | -170,10 | 192,40 |
| 19 | G | -53,10 | 168,40 | 51,50 | 83,90 | -151,20 | -77,90 | -159,80 | 170,55 |
| 20 | A | -71,70 | 156,30 | 70,00 | 84,20 | --- | --- | -158,40 | |
| 21 | G | --- | 148,30 | 57,10 | 91,20 | -134,50 | -76,40 | 173,40 | |
| 22 | C | -75,20 | 179,00 | 58,30 | 89,40 | -145,90 | -71,10 | -161,40 | 187,45 |
| 23 | U | -69,40 | 173,00 | 49,40 | 82,90 | -161,90 | -73,50 | -160,10 | 183,32 |
| 24 | C | 138,10 | -155,70 | -164,00 | 79,50 | -169,90 | -79,30 | -168,20 | 717,76 |
| 25 | A | 131,50 | 177,10 | -153,20 | 91,40 | -117,40 | -65,50 | -175,30 | 548,52 |
| 26 | G | -49,90 | 160,20 | 41,30 | 80,40 | --- | --- | -166,90 | |
| 27 | G | --- | 176,60 | 59,50 | 157,30 | --- | --- | -79,50 | |
| 28 | G | --- | 108,30 | 47,70 | 86,70 | -116,50 | -60,30 | 174,90 | |
| 29 | A | 15,00 | -113,20 | -116,60 | 101,10 | 116,20 | 41,20 | -169,70 | 657,82 |
| Цепь Б | |||||||||
| 2 | C | -70,10 | 168,30 | 54,90 | 77,30 | -156,10 | -69,30 | -159,60 | 185,32 |
| 3 | U | -59,30 | 171,40 | 47,30 | 82,20 | -154,90 | -78,80 | -162,30 | 170,72 |
| 4 | U | -60,40 | 173,30 | 46,40 | 82,40 | -155,30 | -64,50 | -161,90 | 158,32 |
| 5 | A | -62,70 | 171,80 | 48,60 | 89,20 | -158,20 | -77,10 | -156,20 | 288,18 |
| 6 | A | -65,70 | 175,40 | 58,80 | 80,30 | -148,30 | -74,30 | -166,10 | 307,74 |
| 7 | G | -41,40 | 157,70 | 48,30 | 79,70 | -154,70 | -74,50 | -172,70 | 168,55 |
| 8 | A | -56,70 | 176,10 | 38,00 | 77,10 | -146,20 | -75,80 | -160,70 | 275,84 |
| 9 | C | -81,60 | 175,50 | 62,80 | 82,30 | -150,60 | -75,50 | -157,30 | 209,92 |
| 10 | A | -73,10 | -173,00 | 51,50 | 83,00 | -157,40 | -67,80 | -161,90 | 338,08 |
| 11 | C | --- | 179,20 | 33,80 | 83,20 | -157,50 | -70,00 | -169,90 | |
| 12 | A | --- | -150,80 | 68,90 | 155,70 | --- | --- | -85,30 | |
| 13 | G | --- | 137,10 | -67,90 | 177,60 | --- | --- | -95,60 | |
| 14 | C | -71,30 | -179,50 | 48,30 | 85,60 | --- | --- | -144,80 | |
| 15 | A | -71,70 | -175,10 | 49,10 | 87,70 | -143,50 | -62,10 | -158,30 | 308,48 |
| 16 | G | -58,60 | -176,70 | 38,80 | 82,00 | -166,50 | -56,60 | -157,30 | 428,33 |
| 17 | A | -56,40 | 165,20 | 52,30 | 82,80 | -159,90 | -72,30 | -164,70 | 287,44 |
| 18 | C | -72,10 | 175,00 | 53,70 | 81,30 | -147,40 | -76,30 | -162,50 | 185,48 |
| 19 | C | -60,60 | 171,50 | 48,80 | 81,80 | -148,10 | -73,50 | -163,40 | 163,88 |
| 20 | G | -73,10 | -177,40 | 62,70 | 81,80 | -136,50 | -71,60 | -163,10 | 428,54 |
| 21 | C | -57,80 | 169,10 | 47,80 | 77,60 | -148,40 | -55,00 | -161,70 | 146,71 |
| 22 | G | -51,80 | 175,10 | 32,00 | 88,40 | -147,40 | -66,70 | -158,10 | 174,25 |
| 23 | A | -59,90 | 179,90 | 47,30 | 84,30 | -152,10 | -73,50 | -161,40 | 289,24 |
| 24 | G | --- | 161,30 | 178,20 | 87,40 | -148,70 | -78,50 | -176,70 | |
| 25 | U | --- | -140,80 | 50,30 | 81,20 | --- | --- | -159,50 | |
| 26 | C | --- | -175,30 | 153,20 | 138,30 | --- | --- | -142,90 | |
| 27 | C | --- | 175,20 | 47,20 | 85,80 | --- | --- | -164,00 | |
| 28 | U | -68,20 | 177,70 | 51,40 | 82,30 | --- | --- | -160,50 | |
| 29 | U | -68,20 | 177,70 | 51,20 | 82,50 | -157,50 | -68,90 | -160,70 | 180,62 |
| Среднее | A | -34,2231 | 18,46923 | 25,07692 | 90,46154 | -104,962 | -50,4231 | -157,869 | |
| U | -50,3167 | 88,05 | 43,025 | 88,10833 | -114,917 | -53,7667 | -159,117 | ||
| G | -41,00 | 117,72 | 52,53 | 94,34 | -120,77 | -57,82 | -114,01 | ||
| C | -33,9615 | 94,12308 | 43,05385 | 86,78462 | -116,8 | -57,1923 | -161,869 | ||
| P | -68,35 | 175,05 | 56,75 | 82,15 | -75,75 | -34,65 | -163,05 | ||
| По всем | -45,5703 | 98,68221 | 44,08615 | 88,36965 | -106,639 | -50,7702 | -151,184 |
Водородные связи
С помощью пакета 3DNA также можно определять структуру водородных связей. В таблице 6 представлена информация о всех водородных связях между нуклеотидами в структуре тРНК из файла 1ml5.pdb. Водородные связи образуют стебли, если связаны подряд идущие нуклеотиды одной цепи с подряд идущими нуклеотидами другой (это может быть та же цепь, но другой ее участок). В таблице пронумерованы 5 таких участков.
Таблица 6. Водородные связи между остатками в структуре тРНК.
№ |
Нуклеотиды первой цепи |
Нуклеотиды второй цепи |
Изменения в цепи |
Стебель |
||
| 1 | 2 | C | G | 71 | 1 | |
| 2 | 3 | G | C | 70 | ||
| 3 | 4 | G | U | 69 | ||
| 4 | 5 | A | U | 68 | ||
| 5 | 6 | U | A | 67 | ||
| 6 | 7 | U | A | 66 | ||
| 7 | 49 | 5MC | G | 65 | 2 | |
| 8 | 50 | U | A | 64 | ||
| 9 | 51 | G | C | 63 | ||
| 10 | 52 | U | A | 62 | ||
| 11 | 53 | G | C | 61 | ||
| 12 | 54 | 5MU | 1MA | 58 | ||
| 13 | 55 | PSU | G | 18 | Смена цепи | |
| 14 | 38 | A | OMC | 32 | 3 | |
| 15 | 39 | PSU | A | 31 | ||
| 16 | 40 | 5MC | G | 30 | ||
| 17 | 41 | U | A | 29 | ||
| 18 | 42 | G | C | 28 | ||
| 19 | 43 | G | C | 27 | ||
| 20 | 44 | A | M2G | 26 | ||
| 21 | 10 | 2MG | C | 25 | 4 | |
| 22 | 11 | C | G | 24 | ||
| 23 | 12 | U | A | 23 | ||
| 24 | 13 | C | G | 22 | ||
| 25 | 14 | A | U | 8 | ||
| 26 | 15 | G | C | 48 | Смена цепи | |
| 27 | 19 | G | C | 56 | Изолированная пара | |
| 28 | 34 | OMG | U | 13 | 5 | |
| 29 | 35 | A | U | 12 | ||
| 30 | 36 | A | U | 11 | ||
В структуре тРНК встречаются неканонические азотистые основания: 5MC, 5MU, PSU, 1MA, OMC, M2G, 2MG, OMG. Они формируют неканонические пары, которые в таблице выделены курсивом.
Кроме стеблевых водородных связей есть и другие. Они поддерживают третичную структуру тРНК.
Стекинг-взаимодействия
Также с помощью пакета 3DNA можно исследовать стекинг-взаимодействия. В структуре тРНК я нашел пару наиболее перекрывающихся оснований и с помощью программы stack2img сгенерировал изображение перекрывания (см.рис.6).
Рисунок 6. Схема перекрывания 12 пары.