Параметри конформацій основ та пар основ

Хоча індивідуальні молекули основ є плоскими, пари основ можуть показувати велику різноманітність у конфігураціях площини. Така різноманітність, в основному забезпечується за рахунок різного впливу оточуючого основи середовища.

Параметри конфігурації пар основ в ДНК були розраховані завдяки двом основним групам підходів. Перший з них полягав у визначенні параметрів відносно лише однієї головної (глобальної)вісі хеліксу, яка не обов’язково повинна була бути лінійною. Другий підхід використовує поєднання цілого набору глобальних та більш локальних вісей.

В ході розрахунків обов’язково бралось до уваги існування таких утворів в молекулі ДНК, як велика та мала борозенки, які утворюються у подвійному хеліксі завдяки несиметричності пар основ. Причому глікозидні зв’язки (С1’-N9 у пуринів та C1’-N1 у піримідинів) розташовуються на стороні малої борозенки, а атоми С6/N7 пуринів та С4 піримідинів та їх замісники знаходяться стороні великої борозенки.

Для індивідуальних пар основ були розраховані наступні параметри:

1. Пропелерний вигин між основами (ω) – являє собою кут між нормалями, проведеними до основ, якщо дивитись вздовж довгої осі пари (слайд 11). За нормальних умов такий кут має негативне значення зі зміщенням найближчої основи завдяки обертанню за часовою стрілкою, якщо дивитись вздовж довгої вісі пари. Сама довга вісь сь являє собою вектор між атомом С8 пурину та С6 піримідину пари. Аналогічно можна визначити даний параметр і для нетипових пар пурин-пурин та піримідин-піримідин.

2. Кут скоби (κ) – кут між основами вздовж їх короткої вісі, який визначається за умови приведення пропелерного вигину до 0⁰ (слайд 12). Значення кута скоби буде позитивним, якщо зміщення основ призводить до опуклості у напрямку 5’-3’ першого ланцюга. Послідовні зміни значень кута скоби, які називаються капом, можуть бути використані для виявлення конформаційних перебудов вздовж ввісі ланцюга. Сам кап являє собою різницю між попереднім та теперішнім значенням кута скоби.

3. Уклін (η) – кут між довгою віссю пари основ та площиною, перпендикулярною до основної вісі хеліксу. Даний кут визначається як позитивний для право закрученої спіралі, якщо дивитися з боку вектора великої борозенки.

4. Зсуви X та Y – являють собою переміщення пар основ в серединній площині і визначаються як зміни відстані від середньої вісі пари до вісі хеліксу. Причому зсув Х йде в сторону великої борозенки, якщо має позитивне значення. Зсув Y є перпендикулярним по відношенню до першого параметра, і позитивним за умови направлення в бік першого з ланцюгів дуплексу.

Для пар основ доступними є такі параметри:

1. Хеліксний вигин (Ω) – кут між сусідніми парами основ, виміряний як зміна орієнтації векторів у напрямку С1’-С1’, що йдуть від однієї пари до наступної вздовж вісі хеліксу (слайд 12). Для точно повторюваного подвійного хеліксу такий параметр становитиме 360⁰/n, де n – кількість повторюваних одиниць.

2. Обертання (ρ) – кут обертання однієї пари основ по відношенню до сусідньої, виміряний вздовж довгої вісі пар. Позитивне обертання повертає пару основ у бік малої борозенки (слайд 12, показані кут в 0⁰ та позитивний кут обертання).

3. Кут нахилу (τ) – відповідний двогранний кут вздовж короткої вісі (Х-вісі) пари основ.

4. Ковзання – відносне зміщення однієї пари основ по відношенню до іншої у напрямку одного з ланцюгів (тобто Y-зсув), яке вимірюється як відстань між середніми точками ділянки С6-С8 довгої вісі кожної з пар основ.

Взагалі, для ідеалізованого варіанту правозакрученої структури ДНК геометрія вісей пар основ виглядає так, як показано на слайді 13. На даному малюнку вісь Х зміщена в бік великої борозенки, так само, як і вісь, навколо якої закручується головна подвійна спіраль. Вісь Y направлена вздовж великої вісі у площині пари, і є паралельною до вектора С1’-С1’.

Вищерозглянуті конфірмаційні параметри були визначені за допомогою декількох спеціалізованих комп’ютерних програм, з яких відмітимо:

1. CURVES – програма, застосована Лейвері та Шкленаром в 1989 році, дозволяє розраховувати локальні параметри вздовж глобальної вісі хеліксу за умови його багаторазового вигину, звідси й походить її назва. Особливо придатна у випадку розрахунку нерегулярних послідовностей. У якості точки підрахунку береться індивідуальна основа, а не пара. Також можна розраховувати параметри нестандартних пар основ.

2. FREEHELIX – послідовник програми NEWHELIX, яка здатна розрахувати оптимальну лінійну хеліксну вісь, а також геометрію вигинів, використовуючи, в основному, глобальні параметри (Дікерсон та Гудсел, 1994 рік).

3. RNA – розроблена Бебкоком, Педно та Олсоном у 1994 році, використовується для розрахунків локальних параметрів хеліксу, а також параметрів нестандартних пар.

4. CEHS – програма Лу, Хасана та Хантера, 1997 року розробки, фокусується на локальних параметрах та використовує С6-С8 вектор у якості вісі Y. Параметри обертання та куту нахилу зведені у один параметр – обертання нахилу.