ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА
        НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

 Назад
Структуры ДНК (А-, В-, Z-формы) для дальнейшей работы были составлены с помощью программы fiber пакета 3DNA. Необходимо предварительно указать к нему путь:

export PATH=${PATH}:/home/preps/golovin/progs/X3DNA/bin
export X3DNA=/home/preps/golovin/progs/X3DNA

 Смоделированные структуры были сохранены в файлах:
gatc-a.pdb gatc-b.pdb gatc-z.pdb
Далее посредством программы Jmol я постарался как можно наглядней показать структуру А-ДНК (см.фиг.1).

фиг.1 - для отображения анимации, наведите курсор на изображение
В начале показана общая структура А-ДНК. Красным обозначена поверхность молекулы в соответствии с Ван-дер-Ваальсовыми радиусами её атомов.
После исчезновения поверхности: зелёным показан сахаро-фосфатный остов, оранжевым — все аденинах, белым — прочие азотистые основания, красными шариками — N7-атомы во всех гуанинах.
Для получения такого отображения применим следующий скрипт Jmol:
background [xFFFF99]; select backbone; color lavender;
zoom out;
select nucleic; isosurface dna1 solvent; color isosurface translucent red 0.7; delay 2
move 0 360 0 0 0 0 0 0 4; delay 1
move 90 0 0 0 0 0 0 0 2
move 0 360 0 0 0 0 0 0 4; delay 2
isosurface dna1 off;
select nucleic and not backbone; color lavender; select backbone; color green;
select all; cartoons off; wireframe 30;
select a and not backbone; color orange
select G.N7; cpk 180; color red
move 0 360 0 0 0 0 0 0 4


 Разные формы ДНК различаются по ряду параметров (см.таб.1, фиг.2-5, табл.3). Также в этих формах цитозин обращён разными атомами к большой и малым бороздкам (см.таб.2 и фиг.6-8)
A-форма B-форма Z-форма
Тип спирали Правая Правая Левая
Шаг спирали (A) 28,0 33,8 43,5
Число оснований на виток (A) 11 10,5 12
Ширина большой бороздки (A) 17,0 21,4 18,5
Ширина малой бороздки 8,0 13,2 9,9

таб.1 — сравнение параметров разных форм ДНК


фиг.2 — бороздки на В-ДНК фиг.3 — параметры А-ДНК


фиг.4 — параметры В-ДНК фиг.5 — параметры Z-ДНК
Для отображения анимации, наведите курсор на изображение
Ориентация цитозина по бороздкам
A-форма В-форма Z-форма

Таб.2 — красным отмечены атомы, смотрящие в сторону большой бороздки, синим — малой.



фиг.6 — A-ДНК фиг.7 — В-ДНК фиг.8 — Z-ДНК
На всех 3 изображениях выделен цитозин. О2 — кислород при втором углероде, N4 — азот при четвёртом.
фиг.9 — торсионные углы при цитозине
Форма ДНК Торсионный угол
α β γ δ ε ζ χ
A -52 175 42 79 -148 -75 -157
B -30 136 31 143 -141 -161 -98
Z -140 -137 51 138 -97 82 -154
таб.3 — значения торсионных углов при цитозине в разных формах ДНК
Для дальнейшей работы использовались структуры тРНК 2DXI и ДНК-белкового комплекса 1BY4 из базы данных PDB. Cравним значения их торсионных углов со значениями, характерными для А- и В-форм ДНК. По данным только из табл.4 нельзя сказать на какую форму похожа ДНК из комплекса. Но по прочим визуальным показателям можно утверждать, что перед нами нечто, больше всего похожее на В-форму.
Применялась полученная при помощи пакета 3DNA таблица значений углов. Сама таблица создана на основе файлов *.out (ДНК, РНК), созданных при использовании команд:

remediator --old *.pdb > *_old.pdb
find_pair -t *_old.pdb stdout | analyze
В ДНК имеется разрыв (см.фиг.10), а прилегающие к нему нуклеотиды при расчёте средних торсионных углов в расчёт не брались. В тРНК разрывов нет.
Говорить о самом деформированном нуклеотиде, полагаясь только на среднее значение торсионных углов нельзя из-за их большого размаха, который приводит к тому, что значения углов почти всех нуклеотидов значительно разнятся со средним арифметическим.
Торсионный угол
α β γ δ ε ζ χ
A-ДНК 62 173 52 88/3 178 -50 -160
B-ДНК 63 171 54 123/121 155 -90 -117
тРНК -63 121 53 82 -155 -70 -161
ДНК I 26 14 30 138 -121 -71 -112
ДНК II -19 29 -7 147 -79 -92 -105

табл.4 — сравнение средних углов в структурах 2DXI и 1BY4 с характерными для А- и В-форм ДНК
фиг.10 — разрыв в ДНК структуры 1BY4
В структуре данной тРНК (cм.фиг.11) можно выделить стебли:

1 (0.010) C:.501_:[..G]G-----C[..C]:.572_:C (0.006) |
2 (0.014) C:.502_:[..G]G-*---U[..U]:.571_:C (0.008) |
3 (0.008) C:.503_:[..C]C-----G[..G]:.570_:C (0.010) |
4 (0.004) C:.504_:[..C]C-----G[..G]:.569_:C (0.008) |
5 (0.010) C:.505_:[..C]C-----G[..G]:.568_:C (0.010) |
6 (0.006) C:.506_:[..C]C-----G[..G]:.567_:C (0.007) |
7 (0.008) C:.507_:[..A]Ax----U[..U]:.566_:C (0.006) |

8 (0.007) C:.549_:[..G]G-----C[..C]:.565_:C (0.004) |
9 (0.004) C:.550_:[..G]G-----C[..C]:.564_:C (0.007) |
10 (0.006) C:.551_:[..G]G-----C[..C]:.563_:C (0.003) |
11 (0.004) C:.552_:[..G]G-----C[..C]:.562_:C (0.005) |
12 (0.004) C:.553_:[..G]G----xC[..C]:.561_:C (0.004) |

16 (0.007) C:.538_:[..A]A-*---C[..C]:.532_:C (0.004) |
17 (0.005) C:.539_:[..G]G-----C[..C]:.531_:C (0.004) |
18 (0.010) C:.540_:[..G]G-----C[..C]:.530_:C (0.007) |
19 (0.005) C:.541_:[..C]C-----G[..G]:.529_:C (0.004) |
20 (0.003) C:.542_:[..C]C-----G[..G]:.528_:C (0.007) |
21 (0.009) C:.543_:[..G]G-----C[..C]:.527_:C (0.006) |
22 (0.006) C:.544_:[..A]Ax*---G[..G]:.526_:C (0.008) |

23 (0.009) C:.510_:[..G]G-----C[..C]:.525_:C (0.007) |
24 (0.007) C:.511_:[..U]U-----A[..A]:.524_:C (0.009) |
25 (0.008) C:.512_:[..C]C-----G[..G]:.523_:C (0.013) |
26 (0.004) C:.513_:[..U]U-*--xG[..G]:.522_:C (0.009) |

 Пары, не входящие в стебли, дополнительно стабилизируют структуру тРНК. Вот они:

13 (0.005) C:.554_:[..U]U-**-xA[..A]:.558_:C (0.003) |
14 (0.007) C:.555_:[..U]Ux**+xG[..G]:.518_:C (0.008) x
15 (0.006) C:.519_:[..G]Gx---xC[..C]:.556_:C (0.002) +

27 (0.007) C:.514_:[..A]Ax**-xU[..U]:.508_:C (0.007) |
28 (0.008) C:.520_:[..U]Ux**-xC[..C]:.548_:C (0.011) x

 Также в структуре есть 8 не-Вотсон-Криковских пар:

2 (0.014) C:.502_:[..G]G-*---U[..U]:.571_:C (0.008) |
13 (0.005) C:.554_:[..U]U-**-xA[..A]:.558_:C (0.003) |
14 (0.007) C:.555_:[..U]Ux**+xG[..G]:.518_:C (0.008) x
16 (0.007) C:.538_:[..A]A-*---C[..C]:.532_:C (0.004) |
22 (0.006) C:.544_:[..A]Ax*---G[..G]:.526_:C (0.008) |
26 (0.004) C:.513_:[..U]U-*--xG[..G]:.522_:C (0.009) |
27 (0.007) C:.514_:[..A]Ax**-xU[..U]:.508_:C (0.007) |
28 (0.008) C:.520_:[..U]Ux**-xC[..C]:.548_:C (0.011) x
фиг.12 — структура тРНК 2DXI, раскрашенная по схеме shapely
Дополнительно структура тРНК стабилизируется стекинг-взаимодействиями между двумя соседними нуклеотидами. В файле *.out находятся данные о площади перекрытия между нуклеотидами под заголовком "Overlap area in Angstrom^2..." Чем она больше, тем сильнее стекинг-взаимодействие. См.фиг.13-18.
Для начала выберем пары с большой, меньшей нулевой площадью перекрытия:
           step        i1-i2            i1-j2              j1-i2            j1-j2        sum
   1 GG/UC  1.05( 0.06)  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  1.37( 0.00)  2.42( 0.06)
   2 GC/GU  7.07( 4.32)  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  6.67( 4.16) 13.74( 8.48)
   15 GA/CC  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)
   18 GC/GC  6.88( 3.75)  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  6.56( 3.44) 13.44( 7.19)
   30 GC/GU  7.02( 4.36)  0.00( 0.00)  0.00( 0.00)  6.62( 4.11) 13.64( 8.47)

Последнее число показывает суммарное перекрытие двух пар в квадратных Ангстремах. Далее с помощью команд:

ex_str -1 stacking.pdb step1.pdb
stack2img -cdolt step1.pdb step1.ps

 получим изображение перекрытия, например, первых двух пар (см.фиг.13).
Таким же образом получим изображения всех остальных перекрытий. Как легко видеть из фиг.13, между парами GG/UC перекрытие действительно слабое.
Это изображения можно получить и посредством программы Jmol (см.фиг.14)

фиг.13 — изображение перекрытия между парой №1
фиг.18 — перекрытие между парами №15 равно нулю

фиг.14 — то же перекрытие, но отображённое через Jmol

фиг.15 — изображение перекрытия между парой №2

фиг.16 — изображение перекрытия между парой №18

фиг.17 — изображение перекрытия между парой №30
© Галкин Федор