Формы ДНК. Структура тРНК.
В данном практикуме изучается строение разных форм ДНК, строение тРНК, их сравнение между собой по нескольким параметрам.
- Задание 1. Автоматическая генерация моделей ДНК.
Сгенерированы структуры трех форм дуплекса ДНК с помощью программы fiber пакета 3DNA. A-форма, B-форма, Z-форма. Структуры A и B содержат повторенный 5 раз мотив GATC, структура Z - 10 раз мотив GC.
- Задание 2. Сравнение структур различных форм ДНК.
Для выполнения этого задания я выбрал A-форму ДНК. Эта форма представляет собой правозакрученную спираль, кажется, что она затянута "туже", чем B-форма. Рассматривая А-форму с торца, можно заметить, что на оси спирали не показано атомов; с данной стороны молекула напоминает бублик. Пары оснований смещены от оси к краю спирали. Z-форма имеет схожую особенность, только закручена влево.
Отельно стоит отметить, как выглядят бороздки А-формы ДНК. Большая бороздка глубокая, но узкая. Малая бороздка шире, а атомы, обращенные в эту сторону, лежат почти на поверхности спирали. Я выбрал тимин №7 в эксперементальной структуре А-формы ДНК, показан на Рисунке 1 шариками, на Рисунке 2 помечены атомы основания, обращенные в сторону большой (красный цвет) и малой бороздок (синий цвет).
В сторону большой бороздки обращены атомы DT7:A.C4 .O4 .C5 .C7
В сторону малой бороздки обращены атомы DT7:A.N1 .C2 .O2
Атомы .N2 и .С6 я решил не относить к бороздкам, так как они оба представляются закрытыми для доступа с обеих сторон и лежат на воображаемой границе между бороздками. N2 учавствует в образовании водородной связи c аденином, с двух сторон закрыт атомами кислорода. C6 закрыт атомом углерода C7 и сахарофосфатным остовом.
Далее я сравнил некоторые параметры трех данных форм дуплексов ДНК (Таблица 1). Можно заметить, что А-форма является более плотно закрученной, так как шаг ее спирали меньше, чем у других форм. Z-форма, наооборот, более раскручена; другое ее отличие от А- и В- форм - сахарофосфатный остов напоминает спиральную лестницу, где два атома фосфора формируют ступеньку. Из-за этого ширина бороздки, измеряемая как минимальное расстояние между фосфорами в комплементарных цепях, для двух соседних Р будет различной (Рисунок 3). Также формы ДНК различаются по ширине бороздок. При этом у B-формы большая бороздка шире малой, а у A- и Z- форм - наоборот.
Рисунок 1. А-форма с помеченными бороздками и выбранным основанием.
Рисунок 2. Выбранное основание, атомы подписаны согласно PDB-файлу.
Рисунок 3. Z-форма ДНК с указанием расстояния между атомами.
A-форма
B-форма
Z-форма
Тип спирали (правая или левая)
Правая
Правая
Левая
Шаг спирали (Å)
28,03
33,75
43,50
Число оснований на виток
11
10
12
Ширина большой бороздки (Å)
7,98 (27:B.P - 8:A.P)
17,21 (15:A.P - 23:B.P)
7,20 (37:B.P - 7:A.P
Ширина малой бороздки (Å)
16,81 (8:A.P - 35:B.P)
11,69 (15:A.P - 30:B.P)
18,30 (30:B.P - 8:A.P)
Таблица 1. Сравнение параметров спиралей разных форм ДНК.
- Задание 3. Строение тРНК. Сравнение с формами ДНК.
В этом задании я пользовался программами find_pair и analyze пакета 3DNA, чтобы получить значения торсионных углов, данные о парах оснований и водородных связях в тРНК и ДНК. Я использовал структуру тРНК 1H3E (на самом деле комплекса тирозин-тРНК-синтетазы и тРНК). Результат работы программ - файл 1h3e.out , откуда были взяты все данные.
Упражнение 1
В данном упражнении было необходимо измерить торсионные углы нуклеотидов в тРНК и определеить, к параметрам какой формы ДНК они лижат ближе всего. Торсионные углы были определены для , трех форм ДНК, сгенерированных в упражнении 1. Взяты средние значения углов. Результаты представлены в Таблице 2.
При подробном анализе данных стало ясно, что среднее значение в данном случае может не отражать реальной картины, так как в тРНК для угла beta и в Z-форме ДНК показана периодичность значений. В связи с этим я посчитал среднее по модулю для угла beta тРНК - приблизительно 164 градуса, а значения углов в тяжах Z-формы взял отдельно для нуклеотидов C и G. Таким образом, торсионные углы в тРНК имеют большое сходство с аналогичными в A-форме ДНК.
Упражнение 2
Согласно данным по предсказанию пар (Рисунок 4), можно выделить следующие стебли:
1-7:72-66 акцепторный стебель
49-53:65-61
39-44 : 31-26
36-37 : 33-32 содержит только неканонические пары
10-14 : 25-21
45-47 : 47E 47H 47G антикодоновый стебель
В данной тРНК показаны 10 неканонических взаимодействий, отмечены на Рисунке 4 символами "*" и "+":
54_5MU:58_1MA
55_PSU^18_G
36_A:33_U
37_A:32_C
44_U:26_G
13_G:22_A
14_A:21_A
15_G:48_C
20B_A:47H_U
47A_G:47B_UДополнительные водородные связи обеспечиваются парами 13, 14, 28, 29, 30, 34 (Рисунок 5). Интересно, что программа предсказывает 4 водородные связи в паре 34 (оба нуклеотида входят в антикодон), при этом урацил и гуанин в этой паре лежат в параллельных плоскостях, почти перекрываясь (проверено визуализацией Jmol, данных о перекрывании из 3DNA нет). Две водородные связи в этой паре предсказаны между атомами остова, две другие - между атомами гетероцикла.
alpha beta gamma delta epsilon zeta chi А -51,70 174,80 41,70 79,09 -147,79 -75,10 -157,20 В -29,90 136,34 31,14 143,34 -140,80 -160,50 -97,99 Z-C -139,50 -136,76 50,87 137,60 -96,50 81,97 -154,30 Z-G 51,93 179,00 -173,80 94,90 -103,60 -64,80 58,70 tRNA-I, av -15,99 -9,06 63,30 89,75 -140,26 -56,85 -134,36 tRNA-II, av -47,24 39,21 64,08 89,75 -150,33 -55,89 -126,13 Таблица 2. Значения торсионных углов для разных форм ДНК и тРНК.
Рисунок 4. Данные по предсказанным парам оснований.
Рисунок 5. Предсказанные водородные связи.