Задание 1. Построение модели структур A-, B- и Z-формы ДНК с помощью инструментов пакета 3DNA
С помощью инструментов пакета 3DNA построены модели структур A-, B- и Z-формы ДНК. Программой fiber созданы А-, B- и Z-формы дуплексов ДНК, последовательность одной из нитей которых представляет собой 5 раз повторенную последовательность "gatc" (за исключение Z-формы ДНК, нить которой состоит из повторенной 10 раз последовательности GC). Структурf дуплекса в А-форме сохранена в файле gatc-a.pdb, структура дуплекса в В-форме - в файле gatc-b.pdb, в Z-форме - в файле gatc-z.pdb.

Задание 2. Сравнение структур 3-х форм ДНК с помощью средств JMol
Упр. 1 Цель - научиться находить большие и малые бороздки.
С помощью JMol были получены изображения А- и В-форм ДНК. Рис. 1, 2 и 3 демонстрируют большую и малую бороздки в двухцепочечных моделях ДНК. Остов обозначен серым, основания - желтым, один из остатков тимина - оранжевым.
На рис. 4 представлено полученное в MarvinSketch основание, где выделины красным цветом атомы, смотрящие в сторону большой бороздки, синим - в сторону малой.
В таблице №1 преставлено, куда обращены атомы тимина в А- и В-формах ДНК. В Z-структуре тимина нет.

Рис. 1 А-форма

Рис. 2 B-форма

Рис. 3 Z-форма

Рис. 4 Тимин

Таблица №1 Расположение атомов тимина
	B-форма	A-форма
Малая бороздка, имена атомов	O2, C2, N3	O2, C2, N3
Большая бороздка, имена атомов	O4, C7, C4, C6, C5	O4, C7, C4, C6, C5
Остальные атомы	N1	N1

Упр. 2 Цель - сравнить основные спиральные параметры разных форм ДНК. На 3D модели JMol были изучены структуры A-, B- и Z-форм. Результаты представлены в таблице №2.

Таблица №2 Сравнение основных спиральных параметров
	A-форма	B-форма	Z-форма
Тип спирали	правая	правая	левая
Шаг спирали (Å)	28,3	33,75	43,5
Число оснований на виток	11	10	12
Ширина большой бороздки	18,5 ([DC]12:A - [DG]33:B)	20,58 ([DA]26:B - [DG]9:A)	23,51([DC]56:B - [DC]20:A)
Ширина малой бороздки	9,63 ([DT]27:B - [DT]7:A)	13,2 ([DT]27:B - [DT]19:A)	9,87 ([DC]32:A - [DG]53:B)

Задание 3. Определение параметров структур нуклеиновых кислот с помощью программ пакета 3DNA
Упр. 1 Цель - сравнить торсионные углы в структурах ДНК.
Были сравнены значения торсионных углов в структурах А-, В- и Z-форм ДНК. Для форм А- и В- результаты были получены с помощью JMol (рис. 5). При помощи команд find_pair и analyze были получены значения торсионных углов для Z-формы ДНК (файл gatc-z.out).
Видно, что торсионные углы в A- и B-форм ДНК не зависят от нуклеотида. Z-форма имеет два различных значения каждого угла, в зависимости от нуклеотида (таблица №3, диаг. №1). Торсионные углы одинаковы двя обеих цепей ДНК во всех трех структурах (в отличие от РНК).
Больше всего отличаются углы δ A- и B-форм (почти в 2 раза), что связано с конформациями дезоксирибозы: 3'-эндо у A-ДНК и 3'-экзо у В-ДНК (атом C3' "торчит" из плоскости сахара в сторону атома C5'- эндоконформация, в противоположную - экзо), и углы ζ (больше чем в 2 раза). Из таблицы и диаграммы №1 видно, что торсионные углы А- и В-форм совпадают по знаку.
Торсионные углы Z-формы ДНК отличаются сильно от двух других форм, в том числе по знаку (логично, учитывая, что Z-ДНК - левозакрученная).

Рис. 5 Торсионные углы

Таблица №3 Сравнение торсионных углов
	А-форма	В-форма	Z-форма (для G и C соответственно)
α (O3'-P-O5'-C5')	-51,7	-29,9	52,0 и -139,5
β (P-O5'-C5'-C4')	174,8	136,3	179,0 и -136,7
γ (O5'-C5'-C4'-C3')	41,7	31,1	-173,8 и 50.9
δ (C5'-C4'-C3'-O3')	79,1	143,3	94.9 и 137.6
ε (C4'-C3'-O3'-P)	-147,8	-140,8	-103.6 и -96.5
ζ (C3'-O3'-P-O5')	-75,1	-160,5	-64.8 и 81.9
χ (O4'-C1'-N1-C2)	-157,2	-97,9	58.7 и -154.3

Далее были определены значения торсионных углов в структуре тРНК (1gtr). С помощью команд find_pair и analyze эти данные были получены (файл rna.out). На их основе составлена таблица №5 и диаграмма №2, где представлены средние значения всех торсионных углов, характерных для данной тРНК, а также для 2-х форм ДНК.
Анализируя таблицу и диаграмму, можно сделать вывод, что торсионные углы тРНК в большей степени схожи с углами в А-ДНК.
Для всех нуклеотидов (и сравнивая с ДНК) достаточно консервативен только угол дельта.
Конформации рибозы различные: C3'-endo, C3'-exo, C4'-exo, C2'-exo, C2'-endo. Максимум - 72,74% - составляет C3'-endo. Такой же вывод можно сделать и анализирую диаграмму №2: по углу дельта больше всего совпадений с А-формой ДНК, где, как известно, сахар представлен 3'-эндоконформацией.
Средние значения торсионных углов были вычислены при помощи программы Excel, без учета крайних нуклеотидов.
Самый "деформированный" нуклеотид - 7-ой гуанин второй цепи, отклонение значений его торсионных углов от среднего оказалось наибольшим.

Таблица №4 Сравнение торсионных углов РНК и ДНК
	α	β	γ	δ	ε	ζ	χ
Среднее для тРНК	-33,63	78,75	54,76	86,78	-129,31	-70,15	-125,06
А-ДНК	-51,7	174,8	41,7	79,1	-147,8	-75,1	-157,2
B-ДНК	-29,9	136,3	31,1	143,3	-140,8	-160,5	-97,9

Программами find_pair и analyze были найдены углы в структуре ДНК 1rh6. С помощью Excel были определены средние значение каждого из торсионных углов, не учитывая краевые нуклеотиды (таблица №5). В заданной структуре ДНК самый "деформированный " - 12-й нуклеотид (T) первой цепи.

Упр. 2 Цель - научиться определять структуру водородных связей.
В файле rna.out найдена информация о водородных связях внутри молекулы тРНК (таблица №6). В таблице "-" обозначены каноничные водородные взаимодействия, "*" - неканоничные.
Чтобы определить номера нуклеотидов, образующих стебли во вторичной структуре тРНК, необходимо разобраться в принципах строения тРНК. Структура характеризуется наличием четырех стеблей и трех петель, которая получила название "клеверного листа".
Акцепторный стебель образован 7 парами нуклеотидов, причем 3' конец длиннее. К оставшемуся "хвосту" присоединяется транспортируемая аминокислота.
T-стебель содержит последовательность TΨC , где Ψ - псевдоуридин. T-пеля содержит нуклеозид тимидина (T).
D-стебель предшествует петле, содержащей дигидроуридин (D). Ближе к 5' концу.
Стебель с петлей формируют ветвь. Антикодоновая ветвь содержит антикодоновый триплет в составе своей петли. Слева и справа от нее расположены D- и T-ветви, соответственно названные так из-за присутствия в их петлях необычных консервативных нуклеозидов дигидроуридина (D) и тимидина (T). Антикодонный стебель оканчивается одноименный петлей, состоящей из 7 нуклеотидов, включая модифицированный пурин и варьирующее основание с одной стороны и два пиримидиновых – с другой стороны. В дополнение к трем петлям клеверного листа в структуре тРНК выделяют также дополнительную V-петлю - между T- и антикодоновыми стеблями. Ее размеры различаются у разных тРНК. На рис. 6 и в таблице №5 акцепторный стебель обозначен красным, Т-стебель - зеленым, антикодоновый - синим, D-стебель - желтым. Дополнительные  водородные связи в тРНК, стабилизирующие ее третичную структуру - водородные связи, не имеющие отношения к стеблям в таблице и на рисунке обозначены черным.

Таблица №5 Водородные связи
№ остатка	Остаток	Взаимодействие	Остаток	№ остатка	Структура
2	G	-	C	71	Акцепторный стебель
3	G	-	C	70
4	G	-	C	69
5	G	-	C	68
6	U	-	A	67
7	A	-	U	66
49	C	-	G	65	T-стебель
50	G	-	C	64
51	A	-	U	63
52	G	-	C	62
53	G	-	C	61
54	U	*	A	58
55	U	*	G	18
37	A	*	U	33	Антикодоновый стебель
38	U	*	U	32
39	U	-	A	31
40	C	-	G	30
41	C	-	G	29
42	G	-	C	28
43	G	-	C	27
44	C	*	A	26
10	G	-	C	25	D-стебель
11	C	-	G	24
12	C	-	G	23
13	A	*	A	45
14	A	*	A	21
15	G	*	C	48
19	G	-	C	56

Рис. 6 Структура тРНК

На рисунках 7-11 представлены неканонические взаимодействия, присутствующие в данной тРНК. Надо заметить, что присутствуют как некомплементарные пары, так и комплементарные, но с неканоническими водородными связями.

Рис. 7 Взаимодействие U-U	Рис. 8 Взаимодействие G-U

Рис. 9 Взаимодействие G-C	Рис. 10 Взаимодействие A-U

Рис. 11 Взаимодействие A-A

Упр. 3 Цель - Научиться находить возможные стекинг-взаимодействи.
В файле stacking.pdb, полученном после действия программы analyse, записаны преобразованные координаты динуклеотидных пар, между которыми осуществляется стэкинг-взаимодействие. В файле rna.out найдена информации о площади перекрытия между двямя последовательными парами оснований. Видно, что максимальная площадь перекрытия у 20-й пары (GC/AC), минимальная - у 5-й (UA/UA). Структуры вырезаны в отдельный файл с помощью команды ex_str. С помощью программы stack2img созданы стандартное изображение стекинг-взаимодействия этих двух пар (рис. 12 и 13).

Рис. 12 Наибольшая площадь перекрывания	Рис. 13 Наименьшая площадь перекрывания

С помощью программы JMol, чтобы проверить взаимную ориентацию оснований, были получены изображения этих пар (рис. 14). Пары GC/AC и UA/UA обозначены оранжевым и желтым сщщтветственно.

Рис. 14 Ориентация GC/AC и UA/UA пар в тРНК