A- и В- формы ДНК. Структура РНК

ДНК может существовать в форме А-, В- или Z-спирали. Для построения трехмерных моделей этих структур используются программы пакета 3DNA. В данном случае были построены три структуры с помощью команды "fiber":

fiber -a gatc-a.pdb

fiber -b gatc-b.pdb

fiber -z gatc-z.pdb

Таким образом были построены А и В-формы ДНК, состоящие из пятикратных повторов последовательности GATС, и Z-форма, состоящая из 10 G-C пар (fiber не дает альтернативы). Полученные структуры представлены на рисунке 1.



А-форма	B-форма	Z-форма

Рис. 1. А-, В, Z-структуры ДНК, полученные программой fiber, вид сверху и вид сбоку.

Теперь с этими структурами можно работать в программме Jmol, в частности выделять стилем и цветом различные группировки атомов. Можно выделять отдельные нуклеотиды, атомы, сахарофосфатный остов и т. д. Примеры представлены на рисунках 2 и 3.

Рис. 2. Примеры выделения групп атомов А-формы ДНК в Jmol. Слева все типы нуклеотидов раскрашены разными цветами, справа - сахарофосфатный остов выделен стидем "cartoons"

Рис. 3. Примеры выделения атомов А-формы ДНК в Jmol. Слева фиолетовым выделены атомы N7 во всех гуанинах структуры , справа - зеленым выделен атом N7 у первого гуанина.

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

Рис. 4. Структура ДНК-белкого комплекса 1BDT (A), нуклеиновая кислота комплекса в стиле "cartoons" (B) и в стиле "wireframe" (C).

Рис. 5. Структура РНК-белкого комплекса 1UOB (A), нуклеиновая кислота комплекса в стиле "wireframe" (B).

При рассмотрении нуклеиновой кислоты отдельно от всего комплекса видно, что разрывов в цепях нет (см рис. 4С и рис. 5В).

В спиралях ДНК различают так называемые малые и большие бороздки. Азотистые сонования ориентированы так, что часть их атомов обращено на большую бороздку, а часть на малую. Рассмотрим в этом контексте ориентацию атомов аденина в А- и В-спиралях ДНК (модель Z-спирали аденин не содержит)


	Рис. 6. Слева зеленым цветом показано расположение выбранного аденина в положении 10 структуры B-спирали. Справа красным выделены атомы, обращенные к большой бороздке, синим - к малой.

Из трехмерной модели видно, что к большой бороздке B-спирали обращены атомы N7, N6 и C5, а в сторону малой - N3. Остальные атомы обращены скорее к цепям.


	Рис. 7. Слева зеленым цветом показано расположение выбранного аденина в положении 30 структуры A-спирали. Справа красным выделены атомы, обращенные к большой бороздке, синим - к малой.

Здесь наблюдается похожая ориентация атомов:N7, N6 и C5 обращены к большой бороздке, N3 и C2 - к малой.

А-, В- и Z-форма характеризуются несколькими основными параметрами: шагом спирали (длиной витка), количеством оснований на виток, шириной малой и большой бороздки. Программа Jmol позволяет провести измерения этих параметров.

Рис. 8. Слева одна из цепей А-формы, показана длина витка. Справа сахарофосфатный остов А-формы, показана ширина бороздок.

Рис. 9. Слева одна из цепей B-формы, показана длина витка. Справа сахарофосфатный остов B-формы, показана ширина бороздок.

Рис. 10. Слева одна из цепей Z-формы, показана длина витка. Справа сахарофосфатный остов Z-формы, показана ширина бороздок.

Параметры всех трех форм приведены в таблице.

Спиральный параметр	А-форма	В-форма	Z-форма
Тип спирали	Правая	Правая	Левая
Шаг спирали (A)	28.03	33.75	43.5
Число оснований на виток	11	10	12
Ширина большой бороздки	16.97	17.21	18.3
Ширина малой бороздки	7.98	11.69	9.87

В Jmol можно измерить торсионные углы в выбранных нуклеотидах.

Рисунок 11. Торсионные углы в нулкотидах А10 и А30 В-формы и А-формы ДНК соответсвенно.

В таблице ниже приведены величины торсионных углов аденина, полученные в Jmol, а под ними на картинке показаны данные из презентации. Видно, что они в той или иной степени различны.

Форма	α	β	γ	δ	ε	ζ	χ
А	64,1	174,8	41,7	79,1	100,4	-75,1	-157,2
В	85,9	136,3	31,2	23,1	105,8	-44,7	-98,3

3DNA

Использованные в предудцщей части работы pdb-фалйы можно подвергунть анализу программ пакета 3DNA. Для начала файлы нужно перевести в старый формат pdb с помощью команды remediator:

remediator --old "XXXX.pdb" > "XXXX_old.pdb"

Это необходимо, потому что 3DNA работает только сос старым форматом. 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-X_old.pdb.
Команда analyze выдает довольно много файлов с разной информацией о оструктуре. В частности, фалйле gatc-X_old.out находится информация о торисонных углах оснований. Сравним эти данные с полученными измерением вручную.

Форма	α	β	γ	δ	ε	ζ	χ
А	-57,7	174,8	41,7	79,1	-147,8	-75,1	-157,2
В	-29,9	136,3	31,2	143,3	-140,8	-160,5	-98,3

Если сравните эти данные с полученными вручную, видно, что некоторые углы совпадают полностью, а некотоорые совсем не совпадают. Это связано с тем, что при измерении торсионного угла нужно выбрать 4 атома и в некоторых местах они были выбраны мною неправильно.

Применим команды find_pair и analyze к файлу 1U0B_old.pdb. В полученном файле 1U0B_old.out найдем информацию о торсионных углах аденина в тРНК.

α	β	γ	δ	ε	ζ	χ
(-63,4)-(152,8)	(-176,4)-(179,4)	(51,4)-(178,9)	(81,5)-(88,5)	(-178,0)-(-147,2)	(-81,3)-(-64,7)	(-163,5)-(149,2)

Из значений торсионных углов можно сделать вывод, что данная тРНК больше всего похожа на А-форму ДНК.
Теперь применим туже команду к файлу со структурой 1BDT. В таблице ниже представлены средние значения торсионных углов аденина в структуре, полученные с помощью excel.

α	β	γ	δ	ε	ζ	χ
-32,28	156,88	35,82	137,32	-97,44	-107,14	-114,32

А17 и А20 - нуклеотиды с максимлаьными отклонениями от средних значений.
Теперь в файле 1U0B_old.out найдем информацию о структуре тРНК, на рисунке 12 цветом выделены пары оснований, образующие стебли тРНК.

Рис. 12. Пары оснований тРНК из структуры 1U0B, цветом выделены стебли.

Также в файле outs есть информация о неканонических парах оснований в заданной структуре. В структуре 1U0B нашлись неканонические пары U-G, C-A, A-A, G-G, C-C и A-C.

Рис. 13. Неканонические пары оснований выделены красным

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. 14. Зеленым 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

Рис. 15. Максимальное перекрывание в данной тРНК (шаг 20)

Рис. 15. Минимальное (нулевое) перекрывание в данной тРНК (шаг 14)