Структура нуклеиновых кислот

Модели структур ДНК

Целью данного упражнения было построить модели стрктур A-, B- и Z-форм ДНК с помощью инструментов пакета 3DNA в формате pdb. На рис.1 приведены изображения полученных структур.

Рис.1. Модели структур различных форм ДНК. Слева направо - A-, B- и Z-формы соответственно. темнозеленым показан сахарофосфатный остов, светло-зеленым - азотистые основания.

Также для повторения навыков работы с графическим интерпретатором JMol было выполнено упражнение, результаты которого показаны на рис.2.

Рис.2. A-форма ДНК. Сахарофосфатный остов всех нуклеотидов (кроме аденина) показан темно-зеленым, азотистые основания (кроме аденина) - светло-зеленым, аденин выделен желтым цветом, атомы N7 всех гуанинов показаны оранжевыми шариками, атом N7 первого гуанина в цепи А показан красным шариком.

Сравнение структур A-, B- и Z-форм ДНК с помощью средств JMol и ChemSketch

Для исследования структур разных форм ДНК следует рассмотреть большую и малую бороздки в каждой из форм. На рис.3 приведены изображения A-, B- и Z-форм ДНК с отмеченными в них большой и малой бороздками.

Рис.3. Бороздки в A-, B- и Z-формах ДНК. Цифрой 1 на рисунке обозначены малые бороздки, цифрой 2 обозначенны большие бороздки. Голубым цветом выделены нуклеотиды цитозин C28:B, исследуемые далее. Сахарофосфатный остов всех нуклеотидов показан темно-зеленым, азотистые основания - светло-зеленым.

Далее, для цитозина С28:В каждой из рассмотренных форм ДНК были отмечены атомы, принадлежащие большой и малой бороздке каждой из форм ДНК. Для этого данные нуклотиды были рассмотрены в JMol, а затем изображены с помощью редактора ChemSketch.

На рис.4 показано положение цитозина С28:В в молекулах А-, В- и Z-ДНК соотвественно, а также отмечена принадлежность атомов цитозина С28:В к бороздкам данных форм.

Рис.4. Положение цитозина С28:В в молекулах А-, В- и Z-ДНК. Красным выделены атомы, приндлежащие большим бороздкам, синим - атомы малых бороздок, голубым выделены остальные атомы цитозина С28:В, оттенками зеленого показаны прочие атомы молекул ДНК.

На рис.5 приведены структурные формулы цитозина С28:В в молекулах А-, В- и Z-ДНК соотвественно с указанием атомов, принадлежащих большим и малым бороздкам разных форм ДНК. Проект ChemSketch можно скачать здесь.

Рис.5. Принадлежность атомов цитозинов С28:В к бороздкам в молекулах А-, В- и Z-ДНК. Синим отмечены атомы, принадлежащие малым бороздкам, красным - большим бороздкам различных форм ДНК.

Таким образом, для цитозинов С28:В верны данные, показанные в таблице 1:

Сравнение основных спиральных параметров разных форм ДНК

При помощи JMol было произведено измерение основных спиральных параметров A-, B- и Z-форм ДНК. В таблице 2 приведены полученные результаты.

Сравнение торсионных углов в структурах А- и В-форм ДНК

Задача заключалась в сравнении торсионных углов А- и В-форм ДНК в полученных моделях с общеизвестными данными. В результате измерений были полученны следующие значения, указанные в таблице 3.

Таким образом, для А-формы наибольшим является отклонение от общепринятых значений углов ε и ζ. Для В-формы наибольшим является отклонение углов α, β и ζ.

Строение реальных структур ДНК и РНК

В данном задании была проверена целостность структур РНК и ДНК, полученных из файлов 1o0c.pdb и 1dsz.pdb. Для этого были постороенны их изображения при поможи JMol, приведенные на рис.6 и рис.7.

Рис.6. Строение РНК. Зеленым показан сахарофосфатный остов молекулы, желтым - основания. Заметим, что один нуклеотид РНК распологается отдельно от всей цепи, не связан с ней. Вероятно, такое его положение вызвано его отрывом в результате кристаллизации при построении структуры молекулы.

Рис.7. Строение ДНК. Зеленым показан сахарофосфатный остов молекулы, желтым - основания. Разрывов нет.

Торсионные углы в реальных структурах РНК и ДНК

Торсионные углы нуклеотидов РНК и ДНК были определены при помощи программ find_pair и analyze пакета 3DNA. В таблицах 4 и 5 представленны данные о торсионных углах в данных структурах, а также отмеченны наиболее деформированные нуклеотиды для каждой из этих структур. Документ Exel с вычислениями средних значений углов можно скачать здесь.

Заметим, что обе структуры (ДНК и РНК) ближе по значению торсионных углов к А-форме ДНК.

Структура водородных связей в молекуле тРНК

Для получения информации о водородных связях в молекуле тРНК использовались программы find_pair и analyze пакета 3DNA.

В таблице 6 приведены данные об имеющихся в структуре тРНК стеблях.

В таблице 7 приведена ниформация о неканонических парах оснований в данной тРНК. Всего нашлось 4 таких пары.

Также были рассмотрены пары оснований, соединенных водородными связями, но не входящих в стебли в структуре тРНК. Информация о них приведена в таблице 8.

Для лучшего представления третичной структуры тРНК было построено изображение тРНК с помощью JMol.

Рис.8. Третичная структура РНК. Сахарофосфатный остов окрашен градиентом от розового к голубому, за направление 5'-3' принят переход от розового к голубому. Основани, не образующие водородных связей, важных в третичной структуре, окрашены в синий. Комплиментарные пары оснований стеблей или одиночных взаимодействий окрашены в одинаковые цвета.

Стекинг-взаимодействия

Информация о стекинг-взаимодействиях получена с помощью программ find_pair и analyze пакета 3DNA. Для пар с наибольшей площадью стекинг-взаимодействия были построены изображения с использованием программы pdb2img. Данные изображения приведены на рис.9 и рис.10.

Рис.9. Стекинг-пара №11. G953:B U954:B / A958:B C961:B. Общая площадь перекрывания 11.35( 5.81).

Рис.10. Стекинг-пара №4. G905:B U906:B / A967:B C968:B. Общая площадь перекрывания 10.89( 6.39).