В данном практикуме мы познакомились с пакетом данных 3DNA, который используется при работе с нуклеиновыми кислотами. Также при помощи программ Jmol и MarvinSketch были получены изображения, помогающие лучше передать информацию.
Построение моделей различных структур ДНК
Сейчас известно, что спираль ДНК имеет несколько различных форм. Она может быть как правозакрученной (A- и B- формы), так и левозакрученной (Z- форма).
Различные формы обладают своей функцией, например А- форма является более устойчивой к УФ излучению, но in vivo преобладает B- форма.
В данном задании нужно было построить 3 наиболее распространённые формы ДНК (A-,B- и Z-) при помощи пакета 3DNA.
В терминал были введены команды fiber -a, fiber -b и fiber -z для получения форм A-, B- и Z- соответственно.
Структура генерировалась с пятикратным повтором последовательности GATC.
Полученные файлы: A- форма; B- форма; Z- форма.
Также я сделал небольшой коллаж, чтобы виднее была разница между этими структурами.
Рис. 1. Различные формы двойной спирали ДНК.
Сравнение сгенерированной структуры с реальной. Большие и малые бороздки ДНК.
Интересно сопоставить полученную модель с реально существующей молекулой. Для сравнения я взял A- форму ДНК. PDB ID A- формы ДНК 3v9d. Как видно из полученного изображения, наша модель достаточно точна.
Рис. 2. Сравнение сгенерированной формы A- ДНК с реальной. 1 - сгенерированная (слева), 2 - реальная (справа).
Как нам известно, двойная спираль ДНК на своём протяжении образует два желобка, которые называются большая и малая бороздки. Но здесь есть небольшая проблема, при переводе на русский язык значение слов несколько искажается. В английском языке это будет "major and minor grooves", что не указывает на ширину. Русский же аналог создаёт некое противоречие, ведь в A- форме ДНК большая бороздка меньше по ширине чем маленькая (но глубже).
Далее мне необходимо было найти в моей экспериментальной структуре A- ДНК найти основание данное мне до этого (цитозин) и проанализировать, какие атомы обращены в сторону большой бороздки, а какие в сторону малой. При помощи Jmol были визуально найдены эти атомы, а при помощи MarvinSketch было построено изображение. Я выбрал цитозин с именем [DC]12, поэтому все атомы в своём названии должны содержать этот фрагмент, но для удобства я это опущу.
В сторону большой бороздки направлены атомы: С4, N4, C5, C6.
В сторону малой бороздки направлены атомы: N1, C2, O2, N3.
Рис. 4. Цитозин. Красным показаны атомы направлены в сторону большой бороздки, синим - в сторону малой.
| A- форма | B- форма | Z- форма | |
|---|---|---|---|
| Закрученность спирали | Правозакрученная | Правозакрученная | Левозакрученная |
| Шаг спирали (Å) | 28,03Å ([DG]21:B.P #411 - [DC]32:B.P #638) | 33,75Å ([DA]6:A.P #105 - [DA]30:B.P #597) | 43,5Å ([DC]28:B.P #556 - [DC]40:B.P #802) |
| Число оснований на виток | 11 пар | 10 пар | 12 пар |
| Ширина большой бороздки | 7,98Å ([DT]11:A.P #208 - [DG]33:B.P #657) | 20,58Å ([DA]6:A.P #105 - [DA]30:B.P #597) | 8,868Å ([DG]13:A.P #247 - [DG]33:B.P #657) |
| Ширина малой бороздки | 16,97Å ([DT]11:A.P #208 - [DC]24:B.P #474) | 13,2Å ([DA]30:B.P #597 - [DC]16:A.P #310) | 23,5Å ([DC]28:B.P #556 - [DC]8:A.P #146) |
Таблица 1. Сопоставление форм ДНК.
3. Анализ структуры РНК.
В данном задании необходимо было проанализировать данную молекулу РНК. Мне досталась молекула с pdb id 1ffy (ссылка). При помощи уже знакомого пакета 3DNA были получены значения торсионных углов и торсионных связей, а также множество других данных. Для начала, необходимо было изменить формат pdb файла, так как 3DNA принимает только старый формат.
remediator --old ''1ffy.pdb'' > ''1ffy_old.pdb''
Затем я определил торсионные углы нуклеотидов в структуре.
find_pair -t 1ffy_old.pdb stdout | analyze
Полученный файл (1ffy_old.out) теперь необходимо проанализировать. Я нашёл в нём значения торсионных углов и при помощи Excel посчитал средние значения.
Рис. 5. Торсионные углы.
Угол δ близок к таковому углу в А форме ДНК, углы ζ и χ занимает почти ровно промежуточное значение, остальные не похожи на углы ни в А ни в В форме ДНК. Чтобы ответить на вопрос, к какой форме ближе РНК, можно найти в полученном файле ещё одну таблицу: "Classification of each dinucleotide step in a right-handed nucleic acid structure: A-like; B-like; TA-like; intermediate of A and B, or other cases."
Рис. 6. Определение формы РНК.
Таким образом, исходя из полученных данных, можно сказать, что РНК близка к A- форме спирали ДНК.
Затем, необходимо было определить структуру водородных связей между основаниями. В файле была найдена таблица, а затем проанализирована.
Рис. 7. Водородные связи в РНК.
Данная мне структура содержит 9 неканонических пар:
1) 954U...958A
2) 955U...918G
3) 937A...933U
4) 938U...932U
5) 940C...930G
6) 944C...926A
7) 913A...945A
8) 914A...908U
9) 915G...948C
Далее необходимо было посчитать число стеблей и их координаты:
1) 902...953-971...961
2) 941...943-929...927
Остальные 11 пар (9 неканонических и 2 канонических) служат для укрепления третичной структуры.