A-, В- и Z-формы ДНК. Структура РНК

Третий семестр

Главная

ДНК - мобильная молекула. Возможно вращение вокруг некоторых связей сахарофосфатного скелета, и из-за теплового движения может происходить сгибание, растягивание и распаривание (плавление) цепей.

Известны три формы ДНК: А-, В- и Z-

Для построения трехмерных моделей этих структур используются программы пакета 3DNA.

Таким образом были построены с помощью программы "fiber" А-, В- и Z-формы ДНК, состоящие из пятикратных повторов последовательности GATС

Полученные структуры представлены на рисунках ниже.

A-форма. Образуется в средах с низким содержанием воды.
B-форма. Её образование наиболее вероятно для случайной последовательности молекулы ДНК при физиологических условиях.
Z-форма. Короткие фрагменты Z-ДНК могут быть и у прокариот, и у эукариот. Эти фрагменты Z-ДНК могут играть роль (пока неизвестно какую) в регуляции экспрессии некоторых генов или в генетической рекомбинации.
Рис. 1. А-, В, Z-структуры ДНК, полученные программой "fiber", вид сверху и вид сбоку.

Теперь с этими структурами можно работать в программме Jmol. Можно выделять отдельные нуклеотиды, атомы, сахарофосфатный остов и т. д.

Рис. 2. Пример выделения атомов и химических группировок А-формы ДНК в Jmol. Красцым цвктом выделен сахарофосфатный остов ДНК, голубым - все аденины, розовыми шариками - атом N7 во всех гуанинах, справа - самым большим шариком выделен атом N7 у первого гуанина.

Jmol также позволяет работать с трехмерными структурами ДНК- и РНК-белковых комплексов. Изучим комплексы 1LRR и 1QTQ на предмет разрыва цепей нуклеиновых кислот. Такие разрывы могут присутствовать в реальной структуре или являются результатом ошибки рентгеноструктурного анализа и выбора множества атомов.

Рис. 3. Структура ДНК-белкого комплекса 1LRR (слева), нуклеиновая кислота комплекса в стиле "cartoons" (справа).
Рис. 4. Структура РНК-белкого комплекса 1QTQ (слева), нуклеиновая кислота комплекса в стиле "cartoons" (справа).

При рассмотрении нуклеиновой кислоты отдельно от всего комплекса видно, что разрывов в цепях нет.

В спиралях ДНК различают так называемые малые и большие бороздки. Пуриновые и пиримидиновые обоих тяжей уложены очень близко друг к другу внутри двойной спирали, часть их атомов обращена на большую бороздку, а часть на малую. Рассмотрим ориентацию атомов тимина (7 остатка цепи A) в В-спирали ДНК.

В сторону малой бороздки обращены атомы C2, N1, O2. В сторону большой - C4, C5, C6, N3, O4.

Рис. 5. Расположение атомов тимина (7 остатка цепи А) B-формы ДНК. Синим цветом выделены атомы, обращенные к малой бороздке, красным - к большой. А также измерена ширина малой б. = 13.2Å и ширина большой б. = 20.58Å

Рис. 6. A-форма. Синим цветом выделены атомы, обращенные к малой бороздке (C4, C5, O4), красным - к большой (C2, N1, N3, O2, C6). А также измерена ширина малой б. = 7.98Å и ширина большой б. = 16.81Å Рис. 7. Z-форма.Синим цветом выделены атомы, обращенные к малой бороздке (C2, N1, O2), красным - к большой (N3, C6, C4, C5, O4). А также измерена ширина малой б. = 9.9Å и ширина большой б. = 16Å


Таблица 1. Свойства спиралей А- и В-форм ДНК.
А-форма В-форма Z-форма
Тип спирали (парвая или левая) правая правая левая
Диаметр (Å) ~26 ~20 ~18
Шаг спирали (Å) 28.03 33.75 43.5
Число оснований на виток 11 10 12
Наклон оснований к оси спирали 20° 6° 7°
Ширина большой бороздки (Å) 16.81 20.58 16
Ширина малой бороздки (Å) 7.98 13.2 9.9
Конформация сахара С-3'эндо- С-2'эндо- С-2'эндо- для пиримидинов
С-3'эндо- для пуринов
Конформация гликозидной связи анти- анти- анти- для пиримидинов
син- для пуринов


В Jmol можно измерить торсионные углы в выбранных нуклеотидах.

Рис. 8. Расположение торсионных углов в ДНК. Стрелками указано направление измерения углов. (Картинка взята из учебника В.Зенгера "Принципы структурной организации нуклеиновых кислот")


Рис. 9. Торсионные углы в нулкотие А5 А-формы ДНК Рис. 10.Торсионные углы в нулкотие А5 B-формы ДНК

Значения измеренных мною углов представлены в таблице 2

Форма α β γ δ ε ζ χ
A -51.7 174.8 41.7 79.1 -147.8 -75.1 -157.2
B -29.9 136.3 31.2 143.3 -140.8 -160.5 -98

Данные из презентации:

Видно, что они в той или иной степени различны.



Работа с пакетом программ 3DNA



Использованные в предудцщей части работы pdb-фалйы можно исследовать с помощбю программ пакета 3DNA. Так как пакет 3DNA работает только со старым форматом PDB, файлы нужно перевести в старый формат pdb с помощью программы remediator:

remediator --old ‘XXXX.pdb’ > ‘XXXX_old.pdb’

Теперь о структурах, записанных в pdb-файлах можно получить довольно много информации с помощью команд find_pair и analyze:

find_pair -t XXXX.pdb stdout | analyze

Проанализируем сначала файлы gatc-a.pdb и gatc-b.pdb

Команда analyze выдает довольно много файлов с разной информацией о оструктуре. Нам нужны файлы gatc-а.out и gatc-а.out

В этих файлах находится информация о торисонных углах нуклеотидов. Сравним эти данные с полученными измерением вручную.

Форма α β γ δ ε ζ χ
A -51.7 174.8 41.7 79.1 -147.8 -75.1 -157.2
B -29.9 136.3 31.2 143.3 -140.8 -160.5 -98

Если сравните эти данные с полученными вручную, видно, что углы совпадают полностью. Это значит, что я правильно определил торсионные углы.



Применим команды find_pair и analyze к файлу 1QRQ_old.pdb. В полученном файле 1QRQ_old.out найдем информацию о торсионных углах тРНК.

α β γ δ ε ζ χ
-23.79 10.68 68.39 90.33 -141.33 -72.76 -126.72

Из значений средних торсионных углов можно сделать вывод, что данная тРНК больше всего похожа на А-форму ДНК.



Теперь применим туже команду к файлу со структурой 1LRR_old_2.pdb
В таблице ниже представлены средние значения торсионных углов, полученные с помощью excel.

α β γ δ ε ζ χ
-50.21 83.85 37.76 140.25 -92 -84.48 -107.51

C20 и G21 - нуклеотиды с максимлаьными отклонениями от средних значений.



Теперь в файле 1QTQ_old.out найдем информацию о структуре тРНК, на рисунке 11 цветом выделены пары оснований, образующие стебли тРНК.

Рис. 11. Пары оснований тРНК из структуры 1QTQ, цветом выделены стебли.

Также в файле outs есть информация о неканонических парах оснований в заданной структуре. В структуре 1QTQ нашлись неканонические пары U-G, U-U, C-A, A-A.

Рис. 12. Неканонические пары оснований выделены небесно голубым.

В структурах РНК встречаются так называемые стекинг взаимодействия, возникающие между расположенными друг над другом основаниями. Сила взаимодействия определяется площадью перекрывания этих оснований. Информацию о стекинг-взаимодействиях в структуре тРНК можно найти в файле out.

Рис. 13. Красным выделены наиболее перекрывающиеся основания, желтым - наименее перекрывающиеся.

Графическое изображение минимального и максимального перекрываний можно получить с помощью команд:

ex_str -X stacking.pdb stepX.pdb

stack2img -cdolt stepX.pdb stepX.ps

Где Х - это номер пар с наибольшим(№20)/наименьшим(№13) перекрыванием, а следовательно и наибольшим/наименьшим стекинг взаимодействием (см.рис. 13).

Рис. 14. Максимальное перекрывание в данной тРНК (шаг 20).

Рис. 15. Минимальное (нулевое) перекрывание в данной тРНК (шаг 13).

© Рябых Григорий, 2014

Последнее обновление: 28.09.2014