A- и В- формы ДНК. Структура РНК

Задания 1,2

Сравнение структур 3-х форм ДНК с помощью средств JMol

Требовалось построить модели структур A-, B- и Z-формы ДНК с помощью инструментов пакета 3DNA.Пакет 3DNA - один из популярных пакетов программ для анализа и простейшего моделирования структур нуклеиновых кислот. С помощью программы fiber пакета 3DNA были построены A-, B- и Z-формы дуплекса ДНК, последовательность одной из нитей которого представляет собой 5 раз повтореную последовательность "gatc".


На рис.1 представлены изображения разных форм ДНК, полученные в JMol.

Рис. 1.A, B, Z формы ДНК (JMol)

В структуре двойной спирали ДНК можно визуально различить малую и большую бороздки. Для определенного азотистого основания можно определить, в сторону какой бороздки обращены его атомы. Я выбрала 28-й остаток цитозина цепи B. На рис.2 представлена структура цитозина. Графическое представление структуры тимина. Атомы, обозначенные красным цветом, направлены в сторону большой бороздки в стуктуре дуплекса ДНК, атомы синего цвета направлены в сторону малой бороздки. Рисунок получен с помощью программы MarvinSketch.

Рис. 2.Структура цитозина в B- и A-формах ДНК. Красным выделены атомы, смотрящие в сторону большой бороздки, синим - в сторону малой.

Для B-формы ДНК:

  • В сторону большой бороздки обращены атомы C:28:B.N4, C:28:B.C4, C:28:B.C5, C:28:B.C6
  • В сторону малой бороздки обращены атомы C:28:B.N1, C:28:B.C2, C:28:B.O2
  • Остальные атомы основания: C:28:B.N3

    • Для A-формы ДНК:

  • В сторону большой бороздки обращены атомы C:28:B.C4, C:28:B.N4, C:28:B.C5
  • В сторону малой бороздки обращены атомы C:28:B.N1, C:28:B.C2, C:28:B.O2, C:28:B.N3
  • Остальные атомы основания: C:28:B.C6

    • Для Z-формы ДНК:

  • В сторону большой бороздки обращены атомы C:28:B.N1, C:28:B.C6, C:28:B.C5, C:28:B.N4, C:28:B.C4
  • В сторону малой бороздки обращены атомы C:28:B.C2, C:28:B.O2
  • Остальные атомы основания: C:28:B.N3

    • Сравнение основных спиральных параметров разных форм ДНК.

    Основные спиральные характеристики форм ДНК A-форма B-форма Z-форма
    Тип спирали (правая или левая) Правая Правая Левая
    Шаг спирали, Å 28,03 33,8 43,5
    Число оснований на виток 11 10 12
    Ширина большой бороздки, Å 16,97 ([G]33:B.P) - ([T]11:A.P) 17,21 ([G]25:B.P) - ([G]13:A.P) 7,2 ([G]31:B.P) - ([G]13:A.P)
    Ширина малой бороздки, Å 7,98 ([C]24:B.P) - ([T]11:A.P) 11,69 ([G]33:B.P) - ([C]12:A.P) 15,17 ([C]24:B.P) - ([G]17:A.P)
    Таблица 1. Результаты измерения и сравнения основных спиральных параметров A-,B- и Z- форм ДНК.

    Сравнение торсионных углов в А- и В-формах ДНК.

    Конформация полинуклеотидной цепи определяется набором торсионных углов (или углов вращения группы атомов относительно связи) сахарофосфатного остова.Конформационные изменения в спиральных полинуклеотидах сопряжены с согласованными изменениями всех торсионных углов.

    С помощью программы JMol были измерены торсионные углы в цитидиловом нуклеотиде. Результаты представлены в табл.2 и на рис.3.

    Рис. 3.Торсионные углы в цитидиловом нуклеотиде в A-форме ДНК (JMol)

    угол α β γ δ ε ξ χ
    A-форма 64.1 174.8 41.7 79.1 -147.8 -75.1 -157,2
    B-форма 85.9 136.3 31.2 143.3 -140.8 -160.5 -98.0

    Таблица 2. Значения торсионных углов в цитидиловом нуклеотиде

    Задание 3

    Упражнение 1. Определение торсионных углов нуклеотидов

    С помощью программ пакета 3DNA были определены торсионные углы нуклеотидов в разных формах ДНК. Результаты преддставлены в табл.3.\ Анализируя эту таблицу, можно заметить, что в пределах одной формы торсионные углы нуклеотидов отличаются незначительно, за исключением Z-формы. Формы A- и B- отличаются друг от друга в основном по углам δ, ξ и χ. Z-форма ДНК наиболее сильно отличается от форм A- и B-.

    Форма ДНКНуклеотидαβγδεξχ
    AG-51.70174.8041.7079.09-147.79-75.10-157.20
    BG-29.90136.3431.14143.34-140.80-160.50-98.00
    ZG51.93179.00-173.8094.90-103.60-64.8058.70
    AA-51.70174.8041.7079.08-147.80-75.10-157.20
    BA-29.90136.3431.14143.34-140.80-160.50-98.00
    ZA-------
    AT-51.70174.8041.7079.10-147.80-75.10-157.20
    BT-29.90136.3431.14143.34-140.80-160.50-97.98
    ZT-------
    AC-51.70174.8041.7079.09-147.79-75.09-157.20
    BC-29.90136.3431.14143.34-140.80-160.50-97.98
    ZC-139.50-136.7750.87137.60-96.5081.97-154.30

    Таблица 3. Сравнение торсионных углов в различных нуклеотидах в A-,B- и Z-формах.

    Кроме того, торсионные углы были определены в тРНК с PDB ID: 1C0A. В табл.4 представлены средние арифметические значения по 4 нуклеотидам тРНК.

    Нуклеотид α β γ δ ε ξ χ
    A -63,6 75,7 55,5 92,6 91,2 -36,4 -150,9
    C -49,8 66,6 34,6 85,3 -149,2 -66,5 -158,8
    G -43,8 102,8 40,0 90,0 -139,1 -64,6 -158,2
    U -64,5 125,1 52,1 83,3 -146,6 -81,9 -160,0

    Таблица 4. Торсионные углы тРНК(PDB ID: 1C0A)

    Анализируя табл. 3 и 4 можно сказать что данная тРНК (PDB ID:1C0A) по торсионным углам больше похожа на A-форму ДНК.


    Для заданного фрагмента ДНК (PDB ID:1LQ1) также были определены торсионные углы и посчитаны средние арифметические значения. Результаты представлены в табл.5. Следует отметить, что не все исходные значения были одинакового знака, некоторые посчитанные средниезначения не имеют смысла. Однако можно выделить некоторые "деформированные" (наиболеее отклоняющиеся ао одному из углов) нуклеотиды. В частности, по углу α таким нуклеотидом является цитозин, а по углу ε - аденин.

    Нуклеотид α β γ δ ε ξ χ
    A -49,3 -72,0 39,2 148,7 1,1 -104,8 -97,8
    C 29,5 12,6 1,9 152,9 -94,7 -107,4 -91,2
    G -30,1 89,7 21,6 151,9 -54,1 -95,2 -96,9
    T -4,6 -128,3 -4,5 150,9 -35,4 -106,0 -102,0

    Таблица 5. Торсионные углы фрагмента ДНК (PDB ID:1LQ1)

    Упражнение 2. Определение структуры водородных связей

    Отдельные участки молекулы РНК могут соединяться и образовывать двойные спирали. Таким образом формируется вторичная структура РНК, состоящая из стеблей, выпетливаний, петель, мультипетель, псевдоузлов. Пакет программ 3DNA позволяет получить информацию о всех водородных связях в заданной структуре. Соответственно, можно определить номера нуклеотидов, образующих стебли(stems) во вторичной структуре заданной тРНК. На рис. 4 разным цветом обозначены участки, образующие стебли. Те пары нуклеотидов, которые не выделены цветом, являются изолированными. Они принимают участие в образовании третичной структуры тРНК.

    Рис. 4. Cтебли тРНК(PDB ID: 1C0A)

    В данной структуре тРНК встречаются неканонические взаимодействия. Они помечены * и происходят между парами нуклеотидов, изображенных на рис.5.

    Рис. 5. Неканонические взаимодействия тРНК(PDB ID: 1C0A)

    Упражнение 3. Поиск стэкинг-взаимодействий

    Дополнительным видом взаимодействи, придающим структуре РНК устройчивость, являются стэкинг-взаимодействия. Это взаимодействия перекрывающихся пи-облаков азотистых оснований, расположенных в параллельных плоскостях. В исходном файле PDB находится информация о перекрывании пар нуклеотидов. На рис. 6 голубым и оранжевым цветами отмечены пары с наибольшей и наименьшей площадью перекрывания соответственно.

    Рис. 6. Пары нуклеотидов с наибольшим и наименьшим перекрыванием в тРНК(PDB ID: 1C0A)

    С помощью программ convert ex_str и stack2img были получены изображения с максимальной и минимальной площадью перекрыванием(рис.7). пар нуклеотидов.

    Рис. 7. Изображение пар нуклеотидов с наибольшим(слева) и наименьшим(справа) перекрыванием

    Аналогичные изображения, полученные в JMol, представлены на рис.8.


    Рис. 8. Изображение пар нуклеотидов с наибольшим(слева) и наименьшим(справа) перекрыванием (JMol)


    © Васильева Елена, 2015