RanHummer personal web-site

A- и В- формы ДНК. Структура РНК

Задание 1. Построить модели структур A-, B- и Z-формы ДНК с помощью инструментов пакета 3DNA.

Поскольку считается, что Z- форма характерна для GC- богатых областей, fiber строит модели только для повторов 'GC'. В приведенном файле содержится десять таких повторов. В остальных файлах содержатся повторы 'GATC' по пять на структуру. Все полученные структруры вы можете скачать в формате PDB по ссылкам ниже:

Задание 2. Средства JMol для работы со структурами нуклеиновых кислот.

С результатами выполнения упражнений можно ознакомиться на этой странице: Jmol Page.

Упражнение 2. Получить файлы PDB.

Для дальнейшего исследования были выбраны варианты биологических единиц белков 1gtr (тРНК) и 1rh6 (ДНК-белковый комплекс).

Упражнение 3. Проверить заданные структуры ДНК и РНК на наличие разрывов.

Как можно убедиться в Jmol-апплете, разрывов нет.

Были сохранены файлы координат атомов нуклеиновых кислот из обоих файлов: 1gtr (тРНК) и 1rh6 (ДНК)

Задание 3. Сравнение структур 3-х форм ДНК с помощью средств JMol.

Упражнение 1. Научиться находить большие и малые бороздки.

Для b-формы была определена большая и малая бороздка. Их ширина измерена и показана на Jmol Page.

Рисунок 1. Структурная формула тимина. Красным цветом выделены атомы и связи, обращенные в большую бороздку, синим: в малую. Черным цветом показан атом N3, не обращенный ни в одну из бороздок.

В сторону большой бороздки обращены атомы: C6, C5, C4, C5, O4
В сторону малой бороздки обращены атомы: C2, N1, O2
Остальные атомы основания: N3 (образует срединную водородную связь с аденином)

В А-форме распределение сохраняется. В Z-форме нет тимина, но я думаю, что если бы он был, то ситуация была бы аналогичной.

Упражнение 2. Сравнить основные спиральные параметры разных форм ДНК.

В таблице 1 приведен сравнительный анализ трех форм ДНК (a-, b- и z-).

Таблица 1. Основные спиральные параметры разных форм ДНК.
Форма ДНК	Тип спирали (правая или левая)	Шаг спирали (нм)	Число оснований на виток	Ширина большой бороздки (нм)	Ширина малой бороздки (нм)
A-форма	Правая	2.803	12	0.798	1.681
B-форма	Правая	3.375	11	2.058	1.32
Z-форма	Левая	4.35	13	0.72	1.83

Упражнение 3. Сравнить торсионные углы в структурах А- и В-форм.

Таблица 2. Сравнение торсионных углов в А- и В-формах ДНК с данными, приведенными в презентации.
Торсионный угол	α	β	γ	δ	ε	ζ	χ
A-форма из презентации	62	173	52	88/3	178	-50	-160
A-форма	64,1	174,8	41,7	79,1	-147,8	-75,1	-157,2
B-форма из презентации	63	171	54	123/131	155	-90	-117
B-форма	85,9	136,3	31,2	143,3	-140,8	-160,5	-98,0

Наибольшее различие между А- и В-формами наблюдается в мере углов δ, ζ, χ, что связано с различной пространственной конформацией сахара в А- и В-формах (в В-форме: C2’-endo, в А-форме: C2’-exo). Наибольшее расхождение с данными презентации наблюдается по углу ε: значения близки по модулю, но противоположны по знаку.

Задание 4. Определение параметров структур нуклеиновых кислот с помощью программ пакета 3DNA.

Упражнение 1. Научиться определять торсионные углы нуклеотидов.

С помощью команды "find_pair -t gatc-x.pdb stdout | analyze" были получены три файла с анализом структур A-, B- и Z- форм ДНК.В таблицах 3-5 приведены значения полученных торсионных углов.

Таблица 3. Торсионные углы в A-форме ДНК.

Таблица 4. Торсионные углы в B-форме ДНК.

Таблица 5. Торсионные углы в Z-форме ДНК.

Можно заметить, что значения всех торсионных углов в A- и Z-формах различаются в пределах 0.1 градуса. Видно, что сильнее всего варьирует размер углов в Z-форме ДНК: более 300 градусов разницы (сильно различаются между собой торсионные углы при цитозинах и гуанинах).

Далее был произведен анализ структур ДНК и РНК. Полученные файлы Вы можете скачать здесь и здесь. В таблице в формате Excel приведены значения торсионных углов для обоих цепей, которые, в отличие от цепей трех форм ДНК, довольно сильно отличаются друг от друга.

Упражнение 2. Научиться определять структуру водородных связей.

С помощью файла 1GTR-RNA_old.out можно определить, какие остатки образуют стебли. Для этого нужно найти несколько подряд идущих строчек, в которых бы номера нуклеотидов тоже шли бы подряд (рис. 2). В данном случае видно, что стебли образуют остатки с номерами:

2:7 - 71:66
49:53 - 65:61
37:44 - 33:26
10:12 - 25:23

Рисунок 2. Стебли в данной структуре тРНК. Черным выделены строчки, соответствующие парам, образующим стебли. Синим справа отмечены неканонические пары оснований.

Номера неканонических пар оснований (см. рис. 2):

55[U] - 18[G]
44[C] - 26[A]
13[A] - 45[A]
14[A] - 21[A]

В структуре есть и дополнительные (не относящиеся к стеблям) водородные связи, ее стабилизирующие, например: связь 19[G] - 56[C], или связь между 54[U] - 58[A] (см. рис. 2).

Упражнение 3. Научиться находить возможные стекинг-взаимодействия.

На рисунке 3 изображен фрагмент файла в формате .out, в котором показаны площади перекрывания соседних пар оснований.

Рисунок 3. Фрагмент файла в формате .out. Двумя коричневыми точками отмечены взаимодействия с самой большой площадью, а двумя синими - с самой маленькой.

На рисунках 4 и 5 показаны последовательные пары оснований с самым большим значением площади перекрывания.

Рисунок 4. Последовательные пары оснований (номер 4) с наибольшей площадью перекрывания (6.75).

Рисунок 5. Последовательные пары оснований (номер 20) с наибольшей площадью перекрывания (7.11).

Можно заметить, что в случае маленького перекрывания пары сильно повернуты и сдвинуты друг относительно друга, в то время, как в случае большой площади перекрывания, взаимное расположение пар близко к таковому в двойной спирали.