A- и В- формы ДНК. Структура РНК
Построение структур
3DNA(3-Dimensional Nucleic Acid Structures)- один из популярных пакетов программ для анализа и простейшего моделирования структур нуклеиновых кислот. С его помощью были построены модели структур A-, B- и Z-формы ДНК. Программа fiber пакета 3DNA построила A-, B- и Z-форму дуплекса ДНК, последовательность одной из нитей которой является 5 раз повторенная последовательность "gatc". Полученные файлы структур: A-форма дулекса, B-форма дуплекса, Z-форма дуплекса - сохранены в формате PDB. Изображение структур ниже(рис. 1 скрипт к рис.1, рис. 2 скрипт к рис. 2, рис. 3 скрипт к рис. 3)
Работа со структурами
Рис 1. Дуплекс A-формы. Прозрачно-голубым окрашен сахарофосфатный остов ДНК; Нуклеотиды в цепи окрашены следующим образом: ярко-зеленый(аденин), светло-зеленый(тимин), золотой(цитозин), светло желный(гуанин).
Рис 2. Дуплекс B-формы. Прозрачно-голубым окрашен сахарофосфатный остов ДНК; Нуклеотиды в цепи окрашены следующим образом: ярко-зеленый(аденин), светло-зеленый(тимин), золотой(цитозин), светло желный(гуанин).
Рис 3. Дуплекс Z-формы. Прозрачно-голубым окрашен сахарофосфатный остов ДНК; Нуклеотиды в цепи окрашены следующим образом: ярко-зеленый(аденин), светло-зеленый(тимин), золотой(цитозин), светло желный(гуанин).
Выделение атома азота в струтуре. Для изображения N7 во всех гуанинах и/или только в первом по последовательности, использовался скрипт. Результат работы скрипта представлен на рис. 4
Рис 4. Атом азота N7 в гуанине.Красным цветом обозначен атом азота во всех гуанинах A-формы дуплекса ДНК(а). Большой атом, выделеный также красным - азот в первом по последовательности гуанине(б).
Работа со структурами комплексов нуклеиновых кислот и белков, полученных в PDB
Из банка данных PDB были полученны структруы комплекса тРНК-белок 1FFY и комплекса ДНК-белок 1R4O. Для проверки полученных файлов на наличие разрывов в цепи тРНК и ДНК, необходимо внимательно и пристально расмоотреть их в Jmol. Для лучшего расмотрения стоит обозначить одним цветом пару азотистых оснований, составляющих неканонический пары(например: красным цветом обозначим азотистые основания и остовы урацила/тимина и гуанина, а серым аденина и цитозина). Стоит изобразить тРНК или ДНК в проволочной моделе, это облегчет поиск. Можно использовать следующие команды: restrict RNA(DNA); wireframe 55; cartoons off.
В ходе расмотрения, разрывов в полученных структурах обнаружить не удалось. Структуры тРНК и ДНК имеют один фрагмент. Одиночные фрагменты представленны на рисунках ниже(рис. 5, рис. 6).
Рис 5. Изображение тРНК. Красным цветом обозначены азотистые основания и остовы урацила и гуанина, серым аденина и цитозина. Таким образом проще расмотреть структуру, для поиска разрывов.
Рис 6. Изображение ДНК. Красным цветом обозначены азотистые основания и остовы тимина и гуанина, серым аденина и цитозина. Таким образом проще расмотреть структуру, для поиска разрывов.
Сравнение структур 3-х форм ДНК с помощью средств JMol
В структуре дуплекса B-формы имеются витки и бороздки, большие и маленькие. Взглянув на структуру, их не так сложно определить. На Рис. 7 представлена B-форма с витком = 3.375 нм, большой бороздкой = 2.004 нм, и малой бороздкой = 1.32 нм.
Рис 7. B-форма дуплекса ДНК.Прозрачно-голубым окрашен сахарофосфатный остов ДНК; Нуклеотиды в цепи окрашены следующим образом: ярко-зеленый(аденин), светло-зеленый(тимин), золотой(цитозин), светло желный(гуанин).
Расмотрим на структуре дуплекса B-формы цитозин, а именно атомы входящие в его состав. Направление этих атом может быть двух типов: в сторону большей и в сторону меньшей бороздки. Конечно, есть и такие атомы, которые не имеют строго определенного направление - остальные атомы. Итак, в цитозине, атомы азатисого основания: N1, O2, С2 - напрвлены в сторону малой бороздки и на рис. 8 обозначены синим цветом. Другие атомы: N4, С4, С5, С6 - обращены в сторону большей борозды и обозначены на рис. красным цветом. Оставшийся атомы, а именно атомы N1 в цитозинах не имеют строго направления.
Рис 8. Направление атомов в цитозине B-формы дуплекса ДНК.Прозрачно-голубым окрашен сахарофосфатный остов ДНК; Нуклеотиды в цепи окрашены следующим образом: серым (аденин, тимин, гуанин), цитозин (атомы(направленые в сторону большей борозды) орашеные красным: N4, С4, С5, С6; атомы(направленые в сторону меньшей борозды) орашеные синим: N1 O2, С2; оставшийся атом окрашен черным атом: N3).
С помощью программы ChemSketch получено изображение (см рис.9) основания, выделите красным цветом атомы, смотрящие в сторону большой бороздки, синим в сторону малой.
Рис 9. Направление атомов в цитозине B-формы дуплекса ДНК. Атомы(направленые в сторону большей борозды) орашеные красным: N4, С4, С5, С6; атомы(направленые в сторону меньшей борозды) орашеные синим: N1 O2, С2; оставшийся атом окрашен черным атом: N3.
Расмотрим направление атомов в цитозине в структура A-формы и Z-формы дуплекса. На рис. 10 и рис. 11 показаны атомы, расмотренее ранее. Из рисунков можно сделать вывод , что A-форма имеет другие атомы направленные в сторону большей бороздки, а у Z-формы направление атом совпадает с B-формой.
Рис 10. Направление атомов в цитозине A-формы дуплекса ДНК.Прозрачно-голубым окрашен сахарофосфатный остов ДНК; Нуклеотиды в цепи окрашены следующим образом: серым (аденин, тимин, гуанин), цитозин (атомы(направленые в сторону большей борозды B-форме ДНК) орашеные красным: N4, С4, С5, С6; атомы(направленые в сторону меньшей борозды B-форме ДНК) орашеные синим: N1 O2, С2; оставшийся атом B-форме ДНК окрашен черным атом: N3).
Рис 11. Направление атомов в цитозине Z-формы дуплекса ДНК.Прозрачно-голубым окрашен сахарофосфатный остов ДНК; Нуклеотиды в цепи окрашены следующим образом: серым (аденин, тимин, гуанин), цитозин (атомы(направленые в сторону большей борозды в B-форме ДНК) орашеные красным: N4, С4, С5, С6; атомы(направленые в сторону меньшей борозды в B-форме ДНК)) орашеные синим: N1 O2, С2; оставшийся атом B-форме ДНК окрашен черным атом: N3).
Спирали
Рис 12. Расположение большой и малой борозди, а также витка B-формы дуплекса ДНК. Большая бороздка - 1.681nm, малая бороздка - 0.789nm, виток - 2.803nm.
Рис 13. Расположение большой и малой борозди, а также витка A-формы дуплекса ДНК. Большая бороздка - 1.791nm, малая бороздка - 1.169nm, виток - 3.091nm.
Рис 14. Расположение большой и малой борозди, а также витка Z-формы дуплекса ДНК. Большая бороздка - 0.72nm, малая бороздка - 1.157nm, виток - 4.35nm.
Таблица 1. Результаты измерения и сравнения основных спиральных параметров A-,B- и Z- форм ДНК.
Ниже представлена картинка из учебной презинтации посвещеная наименованию и указанию места располжения торсиионых углов
Рис 15. Расположения и значения торсионных углов на примере аденина в составе A- и B- формы ДНК.
Рис. 16. Структурная формула азотистого основания цитозина в A-форме ДНК.
Рис. 17. Структурная формула азотистого основания цитозина в B-форме ДНК.
Таблица 2. Сравдение значения торсионных углов в аденине для A- и B- формы ДНК, полученных путем измерения структуры pdb в Jmol'е и табличных данных.
Определение торсионных углов нуклеотидов.
Вначале определим торсионные углы для ДНК из A-,B- и Z- формы. Использовава программы пакета 3DNA и стандартные программы Linux, была получена информации о торсионных углах в pdb структурах A-, B- и Z- форм расмотренных ранее. Итог анализа данных для торсионных углов A-,B- и Z-форм ДНК представлен в Таблице 3.
Таблица 3. Сравнение торсионных углов в различных нуклеотидах в A-,B- и Z-формах. Значком дельта обозначено приращение градусной меры торсионного угла в одной форме относительно другой.
Ниже приведена информация о средних значениях торсионых углов в тРНК структуры 1FFY.
Таблица 4. Сравнение торсионных углов в различных нуклеотидах в тРНК из pdb 1FFY, полученное взятием среднего арифметического для каждого нуклеотида.
Определение значения торсионных углов в заданной структуре ДНК.
Таблица 5. Анализ торсионных углов в ДНК pdb структуры 1R4O. Получены торсионные углы для каждого нуклеотида, взято средние для каждого нуклеотида и торсионного угла, а также введена и посчитана величина суммы модулей разности между средним значением соответствующего торсионного угла и торсионного угла нуклеотида, синим цветом выделены нуклеотиды с максимальными отклонениями от среднего значения.
Определение структуры водородных связей
В таблице ниже приведены все пары оснований в структуре тРНК.
Таблица 6. Разными цветами выделены стебли, остальные (выделеным белом цветом) стурктцры служащие для стабилизации тРНК. Акцепторный стебель выделен голубым, D-стебель выдел зелены, T-стебель вделен - персиковым, антикодоновый стебель - темно-синим.
Неканонические пары оснований
Таблица 7. В таблице неканонические пары оснований в структуре тРНК 1FFY.
Поиск стекинг-взаимодействий в тРНК
Stacking-взаимодействие - межплоскостное нековолентное взаимодействие между основаниями нуклеиновых кислотами, находящимися друг над другом. Оно напрямую зависят от площади перекрывания основания другим основанием нуклеиновой кислоты, расположеным над ним.
Таблица 8. stacking-взаимодействия В таблице представлены stacking-взаимодействия оснований в структуре тРНК 1FFY.
Ниже привидена картика полученная с помощью следующих команд:
ex_str -8 stacking.pdb step8.pdb
stack2img -cdolt step8.pdb step8.ps
Рис 19. stacking-взаимодействия. Stacking-взаимодействия с максимальной площадью перекрывания.
Рис 20. stacking-взаимодействия. Stacking-взаимодействия с минимальной площадью перекрывания.
... to be continued.
© Medvedev Dima 2012; дата последнего обновления 29.09.2013