A- и В- формы ДНК. Структура РНК

Задание 1

С помощью пакета 3DNA были созданы три файла PDB, которые отражают структуры А,В и Z-форм ДНК. Различия между этими формами будут освещены в Задании 3. Каждая молекула ДНК имеет длину 20 нуклеотидов и представляет собой 5 раз повторённый участок gatc (кроме Z-формы, которая представляет собой 10 раз повторённый участок gc, т.к. команда fiber пакета 3DNA не предполагает введения последовательности, а лишь варьирует количество gc-повторов).

Задание 2

Используя А-форму ДНК, полученную в задании 1, приведу пример выделения различных атомных группировок средствами Jmol. Ниже на Рис.1 показано выделение сахарофосфатного остова ДНК синим цветом и атома N7 во всех гуанинах зелёным цветом. На Рис.2 показано выделение нуклеотидов синим цветом (совокупность всех нуклеотидов и есть ДНК, т.к. нуклеотид - мономер молекулы ДНК, причём нуклеотиды, содержащие аденин, выделены белым цветом.

Рисунок 1. Сахарофосфатный остов выделен wireframe синего цвета. Атомы N7 выделены cpk зелёного цвета.

Рисунок 2. Выделение cartoons. Нуклеотиды, содержащие аденин, выделены белым цветом.

Теперь проверим структуры нуклеиновых кислот из ДНК-белкового и РНК-белкового комплексов на наличие разрывов. Для этого нужно получить изображения нуклеиновых кислот в проволочной модели (Рис.3 - ДНК-составляющая репрессора дифтерийного токсина Corynebacterium diphtheriae, Рис.4 - РНК-составляющая глутамил-тРНК синтазы Thermus thermophilus).

Рисунок 3. В участке молекулы ДНК отсутствуют разрывы.

Рисунок 4. В участке молекулы РНК отсутствуют разрывы.

Задание 3

В этом задании проводится сравнение структур А-, В- и Z-форм ДНК. Ниже представлено изображение тимидиловых нуклеотидов из А- и В-формы, получеенное с помощью ChemSketch (в Z-форме отсутствуют тимидиловые нуклеотиды). Красным цветом выделены атомы, смотрящие в сторону большой бороздки, синим - в сторону малой.
В А-форме в сторону большой бороздки обращены атомы T7.C6, T7.O4, T7.C5M, T7.C5, в сторону малой - T7.C2, T7.O2.
В В-форме в сторону малой бороздки обращены атомы T7.C6, T7.O4, T7.C5M, , T7.C5, T7.C4, в сторону большой - T7.C2, T7.O2.
Рисунок 5. Тимидиловые нуклеотиды.

Основные спиральные характеристики форм ДНК	A-форма	B-форма	Z-форма
Тип спирали (правая или левая)	Правая	Правая	Левая
Шаг спирали (A)	28,03	33,75	43,5
Число оснований на виток	11	10	12
Ширина большой бороздки (A)	16.83 ([G]25:B.P - [A]18:A.P)	17,21 ([C]4:A.P - [A]34:B.P)	16,08 ([C]14:B.P - [C]4:A.P)
Ширина малой бороздки (A)	7,98 ([T]3:A.P - [C]32:B.P)	11,69 ([A]26:B.P - [T]19:A.P)	7.2 ([G]5:A.P - [G]19:B.P)

Теперь необходимо сравнить торсионные углы тимидилового нуклеотида А- и В-форм ДНК. Торсионный угол измеряется по четырём атомам, "окружающим" исследуемую связь, и "путь" прокладывается между наиболее тяжёлыми атомами. Полученные при измерении данные представлены в Таблице 1.

Рисунок 6. Торсионные углы в тимидиловом нуклеотиде (А-форма).

Таблица 1. Результаты измерения торсионных углов в A- и В- формах ДНК.

Видно, что наибольшее различие между формами ДНК наблюдается по углам "дельта" и "хи", что связано с различной пространственной конформацией остатка пентозы (в А-форме это С3'-эндо, в В-форме С2'- эндо).

Задание 4. Определение параметров структур нуклеиновых кислот с помощью программ пакета 3DNA.

После подготовки файлов из Задания 2 и переведения их в старый формат программой remediator --old к ним были применены программы find_pair и analyze. Итог - Таблица 2, в которой приведены значения торсионных углов в ДНК и РНК. Значения углов были получены из файла 1G59_old.out. Представлена информация по каждому изнуклеотидов кроме крайних, для которых, очевидно, невозможно определить два угла из восьми.
Ссылка на таблицу, содержащую информацию о торсионных углах ДНК и РНК

Определение структуры водородных связей.

Исходя из информации, представленной в этой таблице, а также из Таблицы 1, я нашла нуклеотид РНК, значения чьих торсионных углов больше всего отличались от средних в РНК (это оказался двенадцатый нуклеотид на первой цепи). Также я сравнила значения торсионных углов в А- и В-форме ДНК и РНК:

Таблица 3. Сравнение торсионных углов А- и В-формы ДНК и РНК

Как видно из таблицы, большее сходство с РНК имеет А-форма ДНК. РНК имеет гораздо более сложное пространственное расположение благодаря водородным связям. С помощью программ find_pair и analyze был получен файл 1G59_old.out, из которого и была получена информация о водородных связях данной РНК:

1) акцепторный стебель состоит из 5'-концевого участка 1-7 и комплементарного ему 3'-концевого участка 66-72;
2) Т-стебель из 49-53 и 61-65 соответственно;
3) D-стебель из 10-12 и 23-25 соответственно
4) антикодоновый стебель из 38-44 и комплементарного ему 26-32 участка.

Рис.7. Глутамил-тРНК. Акцепторный стебель выделен красным, Т-стебель - жёлтым, D-стебель - синим, антикодоновый - белым. В шарнирной модели представлен антикодон к глутамату.

Также, согласно комментариям к таблице, содержащей информацию о водородных связях в файле 1G59_old.out, структура содержит 16 неканонических пар. Они также могут быть идентифицированы по наличию *звёздочек* в водородных связях.

В тРНК было найдено 4 дополнительные водородные связи:
9 (0.006) B:.550_:[..G]G-----C[..C]:.564_:B (0.011)
10 (0.007) B:.551_:[..G]G-----C[..C]:.563_:B (0.010)
11 (0.007) B:.552_:[..G]G-----C[..C]:.562_:B (0.010)
23 (0.015) B:.511_:[..U]U-----A[..A]:.524_:B (0.013)

В этом задании речь идёт о стэкинг-взаимодействиях, т.е перекрывании пи-систем азотистых оснований, находящихся параллельно друг другу в структуре участка нуклеиновой кислоты. Я рассмотрела пару нуклеотидов с наиболее сильным перекрыванием и, как следствие, с наиболее сильно проявляющимися стэкинг-взаимодействиями (информация получена из файла 1G59_old.out):

30 GC/GU 6.86( 4.14) 0.00( 0.00) 0.00( 0.00) 6.65( 4.06) 13.51( 8.20)

Рис.8. Пара G-C с наиболее сильными стэкинг-взаимодействиями, визуализация stack2img.

Анализируя представленную выше таблицу, считаю необходимым отметить, что наиболее деформированы (в плане наличия нестандартных торсионных углов) гуаниновый нуклеотид в позиции 10 и тимидиновый нуклеотид в позиции 18 цепи 1 (ДНК) и гуаниновый нуклеотид в 12 позиции 1 цепи и цитидиловый нуклеотид в позиции 55 цепи 2 (РНК).