Пространственные структуры ДНК и РНК

Полугодовой курс естественно-научного содержания для студентов III-V курса и аспирантов

Курс читает д.ф.-м.н., профессор Е.И.Кугушев

Цель курса - дать слушателям представление о том, как аналитическая и вычислительная механика и математика применяются для изучения и объектов молекулярной биологии - макромолекул нуклеиновых кислот.

1. Функционирование клетки. Процессы репликации, транскрипции и трансляции. Химическое устройство молекул нуклеиновых кислот. Нуклеотиды. Формы молекул ДНК. Кольцевые ДНК. Типы молекул РНК. Генетический код. Исследование структурной организации молекул - фундаментальная проблема молекулярной биологии.
2. Иерархия структур молекул РНК и ДНК. Первичная, вторичная и третичная структуры. Элементы вторичной структуры: стебли и петли. Графические способы представления вторичной структуры, задача раскладки ее на плоскости. Проблема вычисления вторичной структуры РНК по известной первичной структуре. Методы решения этой проблемы, принципы построения вычислительных алгоритмов. Современное состояние. Примеры программ.
3. Ферментативная активность РНК и важность моделирования пространственной (третичной) структуры молекул РНК. Различные механические модели макромолекул. Уровни описания. Модель тонкого упругого стержня. Уравнения, описывающие равновесные конфигурации упругого стержня. Аналогия Кирхгофа с динамическими уравнениями, описывающими вращение тяжелого твердого тела или гиростата вокруг неподвижной точки. Эффективные упругие свойства ДНК по результатам экспериментов. Зависимость упругих коэффициентов от последовательности оснований. Возможность значительного изменения этих коэффициентов.
4. Математическое описание структуры двойной спирали ДНК. Гомотопические инварианты и степень отображения. Основные положения теории полос. Числа зацепления и вращения, райзинг. Методы их вычисления, связь с задачами вычислительной геометрии. Формула Уайта. Явление сверхспирализации. Молекулярный механизм регулирования топологических характеристик молекул ДНК. Топоизомеразы. Топоизомеры. Экспери-менты и интерпретация их результатов. Распространение понятия числа зацепления на петли РНК. Построение третичной структуры РНК. Пример дрожжевой фенилаланиновой транспортной РНК.