A- и В- формы ДНК. Структура РНК

Построение моделей структур A-, B- и Z-формы ДНК

С помощью инструментов пакета 3DNA построили модели структур A-, B- и Z-формы ДНК

Рис.1 Формы ДНК
Слева направо А-форма ДНК, В-форма, Z-форма.

Сравнение структур 3-х форм ДНК с помощью средств JMol

Рис.2 Атомы большой и малой бороздок
Красным – атомы большой бороздки; синим – атомы малой бороздки.

В сторону большой бороздки обращены атомы [DG]9.c8, n7, c5, c6, o6.
В сторону малой бороздки обращены атомы [DG]9.c4, n3, c2, n2.
Остальные атомы основания не обращны явно в сторону большой или малой бороздки. На самом деле, атомы с2, c5, c6 также не очень хорошо видны – их закрывают другие атомы. Но все же они относятся к малой (с2) и большой (с5, с6) бороздкам.
В А- и Z-формах все указанные атомы обращены туда же.

Сравнение основных спиральных параметров разных форм ДНК.

В спирали В-ДНК мы можем различить 2 бороздки визуально одинаковые по глубине, но разные по ширине. Более широкая – большая бороздка, узкая – малая.

B A-ДНК одна бороздка спирали узкая и глубокая, атомы гуанина c8, n7, c5, c6, o6 обращены в сторону этой бороздки. Другая бороздка широкая и менее глубокая. Атомы c4, n3, c2, n2 гуанина обращены в сторону этой бороздки. Узкая и глубокая бороздка – это большая бороздка, широкая – малая бороздка.

Зигзагообразная левая спираль Z-ДНК также имеет два углубления. Мелкая широкая бороздка, в сторону которой обращены атомы c8, n7, c5, c6, o6, и узкая глубая бороздка, куда направлены атомы c4, n3, c2, n2 гуанина. Первая – большая бороздка, вторая – малая.

A-форма В-форма Z-форма
Тип спирали (правая/левая) Правая Правая Левая
Шаг спирали, Å 28,03 33,75 43,5
Число основания на виток 11 10 12
Ширина малой бороздки, Å 18,5
[DC]32:B.P #638 - [DG]5:A.P #83		 13,2
[DC]28:B.P #556 - [DA]10:A.P #187		 20,07
[DC]32:B.P #638 - [DC]16:A.P #310
Ширина большой бороздки, Å 9,63
[DT]3:A.P #44 - [DT]23:B.P #454 		20,5
[DG]9:A.P #165 - [DT]19:B.P #372
 23,5
[DC]4:A.P #64 - [DC]32:B.P #638

Сравнение торсионных углов в структурах А- и В-форм.

* Здесь и далее приведены торсионные углы для гуанина

Сравнение торсионных углов в структурах А- и В-форм
угол α β γ δ ε ζ χ
O3'(i-1)-P-O5'-C5' P-O5'-C5'-C4' O5'-C5'-C4'-C3' C5'-C4'-C3'-O3' C4'-C3'-O3'-P(i+1) C3'-O3'-P(i+1)-O5'(i+1) O4'-C1'-N9-C4
(для пуринов)
А-форма
JMol		 -51,7° 174,8° 41,7° 79.1° -147,8° -75,1° -157,2°
В-форма
JMol		 -29,9° 136,4° 31,1° 143,4° -140,8° -160,5° -98,0°

Измеренные значения торсионных углов (по неизвестным причинам) не совпадают со значениями, приведенными в презентации. Зато совпадают со значениями, которые получили коллеги. Так что будем считать, что углы измерены правильно.
О торсионных углах в нуклетидах [1].

Определение параметров структур нуклеиновых кислот с помощью программ пакета 3DNA

Значения торсионных углов в А- и В-формах ДНК, полученные с помощью программ find-pair и analyze, полностью совпадают со значениями углов, полученными с помощью JMol.

Ниже приведены части выходных файлов программы analyze .

A-форма 

Strand I
  base    alpha    beta   gamma   delta  epsilon   zeta    chi
   1 G     –-    174.8    41.7    79.0  -147.8   -75.1  -157.2
   2 A    -51.7   174.8    41.7    79.1  -147.8   -75.1  -157.2
   3 T    -51.7   174.8    41.7    79.1  -147.8   -75.1  -157.2
   4 C    -51.7   174.8    41.7    79.1  -147.8   -75.1  -157.2
   5 G    -51.7   174.8    41.7    79.1  -147.8   -75.1  -157.2
   6 A    -51.7   174.8    41.7    79.0  -147.8   -75.1  -157.2
   7 T    -51.7   174.8    41.7    79.1  -147.8   -75.1  -157.2
   8 C    -51.7   174.8    41.7    79.0  -147.8   -75.0  -157.2
   9 G    -51.7   174.8    41.7    79.1  -147.8   -75.1  -157.2
  10 A    -51.7   174.8    41.7    79.1  -147.8   -75.1  -157.2
  11 T    -51.7   174.8    41.7    79.1  -147.8   -75.1  -157.2
  12 C    -51.7   174.8    41.7    79.1  -147.7   -75.1  -157.2
  13 G    -51.7   174.8    41.7    79.1  -147.8   -75.1  -157.2
  14 A    -51.7   174.8    41.7    79.1  -147.8   -75.1  -157.2
  15 T    -51.7   174.8    41.7    79.1  -147.8   -75.1  -157.2
  16 C    -51.7   174.8    41.7    79.1    –-     –-   -157.2

Файл gatc-a.out

В-форма 

 base    alpha    beta   gamma   delta  epsilon   zeta    chi
   1 G     –-    136.4    31.1   143.4  -140.8  -160.5   -98.0
   2 A    -29.9   136.3    31.2   143.3  -140.8  -160.5   -98.0
   3 T    -29.9   136.3    31.1   143.3  -140.8  -160.5   -97.9
   4 C    -29.9   136.4    31.1   143.4  -140.8  -160.5   -98.0
   5 G    -29.9   136.3    31.2   143.3  -140.8  -160.5   -98.0
   6 A    -29.9   136.4    31.1   143.4  -140.8  -160.5   -98.0
   7 T    -29.9   136.3    31.2   143.3  -140.8  -160.5   -98.0
   8 C    -29.9   136.3    31.1   143.3  -140.8  -160.5   -97.9
   9 G    -29.9   136.4    31.1   143.4  -140.8  -160.5   -98.0
  10 A    -29.9   136.3    31.2   143.3  -140.8  -160.5   -98.0
  11 T    -29.9   136.4    31.1   143.4  -140.8  -160.5   -98.0
  12 C    -29.9   136.3    31.2   143.3  -140.8  -160.5   -98.0
  13 G    -29.9   136.3    31.1   143.3  -140.8  -160.5   -98.0
  14 A    -29.9   136.4    31.1   143.4  -140.8  -160.5   -98.0
  15 T    -29.9   136.3    31.2   143.3  -140.8  -160.5   -98.0
  16 C    -29.9   136.4    31.1   143.4    –-     –-    -98.0

Файл gatc-b.out

Z-форма

Определим торсионные углы для Z-ДНК

Торсионные углы гуанина в Z-форме ДНК
угол α β γ δ ε ζ χ
O3'(i-1)-P-O5'-C5' P-O5'-C5'-C4' O5'-C5'-C4'-C3' C5'-C4'-C3'-O3' C4'-C3'-O3'-P(i+1) C3'-O3'-P(i+1)-O5'(i+1) O4'-C1'-N9-C4
(для пуринов)
Z-форма 52° 179° -173,8° 94,9° -103,6° -64,8° 58,7° 
Strand I
  base    alpha    beta   gamma   delta  epsilon   zeta    chi
   1 G     ---    179.0  -173.8    94.9  -103.6   -64.8    58.7
   2 C   -139.5  -136.7    50.9   137.6   -96.5    81.9  -154.3
   3 G     52.0   179.0  -173.8    94.9  -103.6   -64.8    58.7
   4 C   -139.5  -136.8    50.8   137.6   -96.5    82.0  -154.3
   5 G     51.9   179.0  -173.8    94.9  -103.6   -64.8    58.7
   6 C   -139.5  -136.8    50.9   137.6   -96.5    82.0  -154.3
   7 G     51.9   179.0  -173.8    94.9  -103.6   -64.8    58.7
   8 C   -139.5  -136.7    50.9   137.6   -96.5    81.9  -154.3
   9 G     52.0   179.0  -173.8    94.9  -103.6   -64.8    58.7
  10 C   -139.5  -136.8    50.8   137.6   -96.5    82.0  -154.3
  11 G     51.9   179.0  -173.8    94.9  -103.6   -64.8    58.7
  12 C   -139.5  -136.8    50.9   137.6   -96.5    82.0  -154.3
  13 G     51.9   179.0  -173.8    94.9  -103.6   -64.8    58.7
  14 C   -139.5  -136.7    50.9   137.6   -96.5    81.9  -154.3
  15 G     52.0   179.0  -173.8    94.9  -103.6   -64.8    58.7
  16 C   -139.5  -136.8    50.8   137.6   -96.5    82.0  -154.3
  17 G     51.9   179.0  -173.8    94.9  -103.6   -64.8    58.7
  18 C   -139.5  -136.8    50.9   137.6   -96.5    82.0  -154.3
  19 G     51.9   179.0  -173.8    94.9  -103.6   -64.8    58.7
  20 C   -139.5  -136.7    50.9   137.6    ---     ---   -154.3

Файл gatc-z.out

Структура т-РНК

Торсионные углы 

Strand I
  base    alpha    beta   gamma   delta  epsilon   zeta    chi
   1 G     ---    170.0    50.9    86.6  -146.4   -80.0  -172.7
   2 G    -79.4  -175.8    54.9    84.0  -147.5   -70.4  -161.8
   3 C    -66.9   169.8    54.4    82.7  -150.0   -72.7  -164.3
   4 C    -67.9   173.7    53.9    81.6  -152.4   -79.4  -161.7
   5 C    -61.6   169.7    54.8    81.2  -151.3   -72.3  -166.5
   6 C    -61.7   171.4    58.2    87.3  -156.2   -79.4  -164.9
   7 A    -51.5   174.8    59.9   137.6   -73.0  -113.4  -122.1
   8 G     58.7   142.7    40.0    81.9  -148.5   -73.1  -173.8
   9 G    -61.7  -179.6    48.0    81.3  -153.7   -69.3  -170.1
  10 G    -59.4  -178.8    44.5    81.1  -171.6   -78.4  -159.2
  11 G    160.5  -157.2   168.6    85.9  -107.1   -47.3   176.5
  12 G   -108.7    90.8   151.8    88.8  -117.5   -68.2   163.3
  13 U    -68.6  -180.0    45.5    82.5  -125.2   -77.6  -162.3
  14 U    -52.7   155.6    50.9    81.0  -137.8   -65.9  -153.5
  15 A    -58.7   167.5    48.8    85.3  -141.5   -63.3  -167.8
  16 G    -66.0   173.7    52.0    81.7  -152.2   -77.5  -164.9
  17 G    -59.7   174.8    48.9    82.0  -149.3   -71.5  -166.0
  18 C    -65.0   174.3    53.2    82.6  -155.0   -68.8  -159.4
  19 C    -70.3   174.5    57.1    78.3  -153.2   -69.3  -166.3
  20 G    -57.1   174.6    54.7    81.1  -155.7   -81.6  -164.7
  21 A    -63.2   173.9    50.5    82.4  -136.6   -63.0  -154.3
  22 G   -169.2   178.1    52.4    88.3  -148.4   -67.7  -178.6
  23 U    -70.4  -175.8    48.0    81.6  -154.2   -71.0  -164.7
  24 C    -65.9  -174.2    48.5    81.5  -152.9   -66.4  -159.7
  25 U    140.4  -155.7  -167.0    83.4  -153.3   -77.5  -171.5
  26 U    -37.9  -156.2    59.0    85.8  -137.3   -89.2  -152.1
  27 A    -57.7  -174.8    45.3    79.8  -139.4   -66.7  -170.7
  28 G    -43.4   161.1    58.8   129.6  -140.8   -75.9  -119.6
  29 G   -133.0  -131.3    48.7   114.2    78.9   128.6   -64.1

Strand II
  base    alpha    beta   gamma   delta  epsilon   zeta    chi
   1 C    157.9  -143.8   161.4    87.5  -102.9   112.6  -168.9
   2 U    -70.0   176.4    52.4    83.8  -168.0   -94.2  -160.5
   3 G    -47.2   160.9    54.1    82.8  -149.9   -65.8  -174.1
   4 G    -64.4  -178.5    51.0    84.1  -153.2   -79.1  -169.2
   5 G    -67.4   178.8    47.4    79.5  -163.2   -65.5  -166.9
   6 G    -64.8   178.2    47.2    83.1  -160.2   -67.8  -159.0
   7 U    -73.6   179.7    54.5    83.4  -157.5   -67.0  -158.2
   8 C    -65.0   177.1    55.6    84.4  -156.9   -60.6  -163.4
   9 C    -63.4   168.9    55.7    82.2  -154.5   -65.1  -162.6
  10 C    -73.5  -169.5    49.6    84.4  -160.3   -76.4  -155.6
  11 C    -70.7  -175.7    51.4    83.8  -159.3   -67.7  -163.7
  12 C   -111.3  -150.3    47.5    82.2  -158.3   -74.2  -165.5
  13 A    141.9   -96.6   179.1    81.6    75.9    88.7  -149.1
  14 G     73.6  -149.9   -64.9   108.9    72.2    64.1  -115.4
  15 C    -61.1   167.7    51.8    85.0  -115.0   -81.2  -162.5
  16 C    -63.2   173.9    53.7    82.8  -141.4   -70.0  -159.9
  17 C    -66.3   172.8    55.1    83.9  -154.5   -70.5  -164.9
  18 G    -64.4   178.8    53.5    83.2  -158.3   -72.1  -165.6
  19 G    -72.3  -179.5    52.5    79.0  -153.2   -71.9  -169.1
  20 C    -64.4   178.2    50.5    78.2  -146.9   -73.6  -159.7
  21 G    -67.1   169.9    50.2    81.8  -148.3   -65.8  -164.9
  22 C    -60.0   176.0    52.8    84.1  -144.6   -61.6  -163.0
  23 A    -63.5   176.3    50.3    81.0  -152.1   -76.5  -164.6
  24 G    -54.3   170.7    53.6    81.0  -153.0   -69.0  -166.0
  25 G    -60.4   142.1    45.6    80.2  -147.5   -81.7  -172.6
  26 A    -48.3   171.7    57.6    85.1  -138.0   -71.9  -129.3
  27 A     99.1   138.7    73.7    78.9  -141.8  -156.4  -167.3
  28 C    -85.9   108.0   172.3   133.5  -145.2    62.4  -123.6
  29 C    167.4   162.2    52.6    83.3  -138.9   -64.4  -160.1

Файл t-RNA.out

Среднее значение торсионных углов гуанина т-РНК (pdb id 1n78)
угол α β γ δ ε ζ χ
O3'(i-1)-P-O5'-C5' P-O5'-C5'-C4' O5'-C5'-C4'-C3' C5'-C4'-C3'-O3' C4'-C3'-O3'-P(i+1) C3'-O3'-P(i+1)-O5'(i+1) O4'-C1'-N9-C4
(для пуринов)
O4'-C1'-N1-C2
(для пиримидинов)
т-РНК -50,3° 42,9° 55,2° 87,4° -128,5° -55,8° -127,5°

Нуклеотиды (G) с наиболее отклоняющимся значением какого-либо из торсионных углов

Угол alpha beta gamma delta epsilon zeta chi
№ нуклеотида 11 5, 18 11 28 29 29 11

т-РНК по структуре (по значениям торсионных углов) больше всего похожа на A-форму ДНК

Таблица с расчетами

Cтруктурa водородных связей

Двутяжевые стебли т-РНК, имеющие постоянное число нуклеотидов, образованы комплементарными антипараллльными участками и представляют собой двойную спираль, по параметрам близкую к А-форме ДНК. На каждый виток этой спирали приходится 11 пар оснований. Структура т-РНК, которая характеризуется наличием четырех стеблей и трех петель, получила название "клеверный лист"[2]. Стебель с петлей формируют ветвь. На рис. 3 ниже оранжевым показана акцепторная ветвь, желтым – антикодоновая ветвь, содержащая антикодоновый триплет в составе своей петли. Слева и справа от нее расположены D- и T-ветви, соответственно названные так из-за присутствия в их петлях необычных консервативных нуклеозидов дигидроуридина (D) и тимидина (T). D-ветвь показана розовым, T-ветвь – зеленым.

В выходном файле конвейера find-pair | analyze описаны параметры структуры заданной т-РНК, в том числе структура водородных связей.
Файл t-RNA.out


Рис.3 Третичная структура т-РНК; Разными цветами показаны стебли (ярко) и петли (бледно)


Рис.4 Информация о нуклеотидах, образующих стебли.
Нажмите на изображение, чтобы увеличить его

На картинке (и в приложенном pdf-документе, если нажать на картинку) мы можем видеть номера нуклетидов, образующих пары. Четыре стебля выделены разными цветами. Детальная информация о водородных связях указана ниже. Основания, образующие Уотсон-Криковские пары и входящие в стебли, соединены пятью черточками. Обозначения других – неканонических – пар включают звездочки. Вообще, неканоническими являются пары G-U, A-G, A-A, A-C, G-C с 2-мя связями между основаниями, но программа также отмечает пары A-U, не входящие в стебли. 

Detailed H-bond information: atom-name pair and length [ O N]
   1 G-----C  [3]  O6 - N4  2.66  N1 - N3  2.78  N2 - O2  2.92
   2 G-*---U  [2]  O6 - N3  2.88  N1 - O2  2.77
   3 C-----G  [3]  O2 - N2  2.87  N3 - N1  2.90  N4 - O6  2.85
   4 C-----G  [3]  O2 - N2  2.67  N3 - N1  2.97  N4 - O6  3.17
   5 C-----G  [3]  O2 - N2  2.92  N3 - N1  2.89  N4 - O6  2.74
   6 C-----G  [3]  O2 - N2  2.62  N3 - N1  2.78  N4 - O6  2.84
   7 A-----U  [2]  N6 - O4  2.73  N1 - N3  2.89
   8 G-----C  [3]  O6 - N4  3.14  N1 - N3  3.02  N2 - O2  2.81
   9 G-----C  [3]  O6 - N4  2.71  N1 - N3  2.87  N2 - O2  2.90
  10 G-----C  [3]  O6 - N4  3.13  N1 - N3  2.87  N2 - O2  2.48
  11 G-----C  [3]  O6 - N4  2.84  N1 - N3  2.80  N2 - O2  2.61
  12 G-----C  [3]  O6 - N4  2.64  N1 - N3  2.84  N2 - O2  2.93
  13 U-**--A  [2]  O2 - N6  3.17  N3 - N7  3.19
  14 U-**+-G  [1]  O2 - N1  2.68
  15 A-**--C  [1]  N6 - O2  2.98
  16 G-----C  [3]  O6 - N4  3.11  N1 - N3  2.87  N2 - O2  2.63
  17 G-----C  [3]  O6 - N4  3.27  N1 - N3  2.99  N2 - O2  2.63
  18 C-----G  [3]  O2 - N2  2.43  N3 - N1  2.65  N4 - O6  2.79
  19 C-----G  [3]  O2 - N2  2.63  N3 - N1  2.78  N4 - O6  2.86
  20 G-----C  [3]  O6 - N4  3.03  N1 - N3  2.84  N2 - O2  2.71
  21 A-**--G  [2]  N6 - O6  3.04  N1 - N1  2.88
  22 G-----C  [3]  O6 - N4  2.77  N1 - N3  2.83  N2 - O2  2.77
  23 U-----A  [2]  N3 - N1  2.72  O4 - N6  3.10
  24 C-----G  [3]  O2 - N2  2.77  N3 - N1  2.86  N4 - O6  2.84
  25 U-*---G  [2]  O2 - N1  2.66  N3 - O6  3.02
  26 U-**--A  [2]  O2'- O2' 2.83  O2 * N1  3.50
  27 A-**--A  [2]  N6 - N3  2.96  N1 - O2' 2.72
  28 G-**+-C  [2]  N1 - O2  3.07  N2 - N3  2.91
  29 G-----C  [3]  O6 - N4  3.10  N1 - N3  2.86  N2 - O2  2.93

Водородные связи, не входящие в стебли, важны для стабилизации третичной структуры т-РНК. "Клеверный лист" – это только удобная схема-развертка на плоскости. Третичная структура т-РНК формируется за счет взаимодействия элементов вторичной структуры. Она получила название L-формы из-за сходства с латинской буквой L (см. рис. 3). За счет стэкинга оснований акцепторный стебель и T-стебель клеверного листа образуют одну непрерывную двойную спираль (одну из “палочек” – доменов буквы L), а два других стебля – антикодоновый и D – другую непрерывную двойную спираль (второй домен L). При этом D- и T-петли оказываются сближенными и скрепляются между собой путем образования дополнительных, часто необычных пар оснований. Аналогичные третичные взаимодействия скрепляют и некоторые другие участки L-структуры [2]. В документе-описании пар оснований (рис. 4) пары, не входящие в стебли отмечены черным шрифтом.

Стекинг взаимодействия

Для обнаружения стэкинг-взаимодействий требуются данные о величине площади "перекрывании" 2-х последовательных пар азотистых оснований. Мы также можем получить их из файла t-RNA.out. Для пар с наибольшими значениями площади перекрывания более характерно стэкинг-взаимодействие.


Рис. 5. Пары с наибольшей площадью перекрывания 13,8 Å^2



Рис. 6. Соседние пары с площадью перекрывания 6,8 Å^2



Рис. 7. Неперекрывающиеся пары оснований.

Ссылки

[1] W.Saenger. Principles of nucleic acid structure

[2] О.О.Фаворова. СТРОЕНИЕ ТРАНСПОРТНЫХ РНК И ИХ ФУНКЦИЯ НА ПЕРВОМ (ПРЕДРИБОСОМНОМ) ЭТАПЕ БИОСИНТЕЗА БЕЛКОВ. Текст статьи