Структура нуклеиновой кислоты
Биомолекулярная структура нуклеиновых кислот, таких как ДНК и РНК

Nucleic acid primary structureNucleic acid secondary structureNucleic acid tertiary structureNucleic acid quaternary structure
Изображение выше содержит кликабельные ссылки
Изображение выше содержит кликабельные ссылки
Интерактивное изображение структуры нуклеиновой кислоты (первичной, вторичной, третичной и четвертичной) с использованием спиралей ДНК и примеров из рибозима VS , теломеразы и нуклеосомы . ( PDB : ADNA, 1BNA, 4OCB, 4R4V, 1YMO, 1EQZ ​)

Структура нуклеиновой кислоты относится к структуре нуклеиновых кислот , таких как ДНК и РНК . С химической точки зрения ДНК и РНК очень похожи. Структура нуклеиновой кислоты часто делится на четыре различных уровня: первичный, вторичный, третичный и четвертичный.

Первичная структура

Химическая структура ДНК

Первичная структура состоит из линейной последовательности нуклеотидов , которые связаны между собой фосфодиэфирными связями . Именно эта линейная последовательность нуклеотидов составляет первичную структуру ДНК или РНК . Нуклеотиды состоят из 3 компонентов:

  1. Азотистое основание
    1. Аденин
    2. гуанин
    3. Цитозин
    4. Тимин (присутствует только в ДНК )
    5. Урацил (присутствует только в РНК )
  2. 5-углеродный сахар , который называется дезоксирибозой (встречается в ДНК) и рибозой (встречается в РНК).
  3. Одна или несколько фосфатных групп . [1]

Азотистые основания аденин и гуанин имеют пуриновую структуру и образуют гликозидную связь между их 9 азотом и 1'-ОН группой дезоксирибозы. Цитозин, тимин и урацил являются пиримидинами , поэтому гликозидные связи образуются между их 1 азотом и 1'-ОН дезоксирибозы. Как для пуриновых, так и для пиримидиновых оснований фосфатная группа образует связь с сахаром дезоксирибозы через эфирную связь между одной из ее отрицательно заряженных кислородных групп и 5'-ОН сахара. [2] Полярность в ДНК и РНК обусловлена ​​атомами кислорода и азота в остове. Нуклеиновые кислоты образуются, когда нуклеотиды соединяются через фосфодиэфирные связи между 5' и 3' атомами углерода. [3] Последовательность нуклеиновой кислоты — это порядок нуклеотидов в молекуле ДНК (GACT) или РНК (GACU), который определяется серией букв. Последовательности представлены от 5' до 3' конца и определяют ковалентную структуру всей молекулы. Последовательности могут быть комплементарны другой последовательности в том смысле, что основание в каждой позиции комплементарно, а также в обратном порядке. Примером комплементарной последовательности к AGCT является TCGA. ДНК является двухцепочечной, содержащей как смысловую, так и антисмысловую цепь . Следовательно, комплементарная последовательность будет к смысловой цепи. [4]

Нуклеиновая кислота может быть использована для создания комплексов нуклеиновых кислот со сложными вторичными структурами , такими как это четырехрукавное соединение. Эти четыре нити ассоциируются в эту структуру, поскольку она максимизирует количество правильных пар оснований , с As, совпадающими с Ts , и Cs, совпадающими с Gs . Изображение от Mao, 2004. [5]

Комплексы с ионами щелочных металлов

Существуют три потенциальные группы связывания металлов на нуклеиновых кислотах: фосфат, сахар и основные группы. Были рассмотрены твердотельные структуры комплексов с ионами щелочных металлов. [6]

Вторичная структура

ДНК

Вторичная структура — это набор взаимодействий между основаниями, т. е. какие части нитей связаны друг с другом. В двойной спирали ДНК две нити ДНК удерживаются вместе водородными связями . Нуклеотиды на одной нити образуют пары оснований с нуклеотидами на другой нити. Вторичная структура отвечает за форму, которую принимает нуклеиновая кислота. Основания в ДНК классифицируются как пурины и пиримидины . Пурины — это аденин и гуанин . Пурины состоят из двойной кольцевой структуры, шестичленного и пятичленного кольца, содержащего азот. Пиримидины — это цитозин и тимин . Он имеет одинарную кольцевую структуру, шестичленное кольцо, содержащее азот. Пуриновое основание всегда образует пару с пиримидиновым основанием (гуанин (G) образует пару с цитозином (C), а аденин (A) образует пару с тимином (T) или урацилом (U)). Вторичная структура ДНК в основном определяется спариванием оснований двух полинуклеотидных цепей, обернутых друг вокруг друга, образуя двойную спираль . Хотя две цепи выровнены водородными связями в парах оснований, более сильные силы, удерживающие две цепи вместе, представляют собой стэкинговые взаимодействия между основаниями. Эти стэкинговые взаимодействия стабилизируются силами Ван-дер-Ваальса и гидрофобными взаимодействиями и демонстрируют большую степень локальной структурной изменчивости. [7] В двойной спирали также есть две бороздки, которые называются большой бороздкой и малой бороздкой в ​​зависимости от их относительного размера.

РНК

Пример вторичной структуры РНК. Это изображение включает несколько структурных элементов, в том числе: одноцепочечные и двухцепочечные области, выпуклости, внутренние петли и шпильковые петли. Двухцепочечная РНК образует спиральную структуру типа А, в отличие от обычной конформации типа В, которую принимают двухцепочечные молекулы ДНК.

Вторичная структура РНК состоит из одного полинуклеотида. Спаривание оснований в РНК происходит, когда РНК сворачивается между областями комплементарности. В молекулах РНК часто встречаются как одноцепочечные, так и двухцепочечные области.

Четыре основных элемента вторичной структуры РНК:

  • Спирали
  • Выпуклости
  • Петли
  • Соединения

Антипараллельные нити образуют спиральную форму. [3] Выступы и внутренние петли образуются путем разделения двойной спиральной цепи либо на одной нити (выступ), либо на обеих нитях (внутренние петли) неспаренными нуклеотидами.

Стебель-петля или шпилька — наиболее распространенный элемент вторичной структуры РНК. [8] Стебель-петля образуется, когда цепи РНК складываются обратно, образуя двойной спиральный тракт, называемый «стеблем», неспаренные нуклеотиды образуют одноцепочечную область, называемую «петлей». Тетрапетля — это шпильковая структура РНК из четырех пар оснований. Существует три распространенных семейства тетрапетлей в рибосомальной РНК: UNCG , GNRA и CUUG ( N — один из четырех нуклеотидов, а R — пурин). UNCG — самая стабильная тетрапетля. [9]

Псевдоузел — это вторичная структура РНК, впервые идентифицированная в вирусе желтой мозаики репы . [10] Он минимально состоит из двух спиральных сегментов, соединенных одноцепочечными областями или петлями. Лучше всего охарактеризованы псевдоузлы складки H-типа. В складке H-типа нуклеотиды в шпильке-петле спариваются с основаниями снаружи стебля шпильки, образуя второй стебель и петлю. Это вызывает образование псевдоузлов с двумя стеблями и двумя петлями. [11] Псевдоузлы — это функциональные элементы в структуре РНК, имеющие разнообразную функцию и встречающиеся в большинстве классов РНК.

Вторичная структура РНК может быть предсказана экспериментальными данными по элементам вторичной структуры, спиралям, петлям и выпуклостям. Метод DotKnot-PW используется для сравнительного предсказания псевдоузлов. Главными моментами в методе DotKnot-PW является оценка сходств, обнаруженных в стеблях, вторичных элементах и ​​псевдоузлах H-типа. [12]

Третичная структура

Структура и основания ДНК
ABZ-ДНК вид сбоку

Третичная структура относится к расположению атомов в трехмерном пространстве с учетом геометрических и стерических ограничений. Это более высокий порядок, чем вторичная структура, в которой происходит крупномасштабное сворачивание в линейном полимере, и вся цепь сворачивается в определенную трехмерную форму. Существует 4 области, в которых структурные формы ДНК могут различаться.

  1. Руко- или руко-сть – правая или левая
  2. Длина витка спирали
  3. Количество пар оснований на виток
  4. Разница в размерах между большими и малыми бороздками [3]

Третичное расположение двойной спирали ДНК в пространстве включает B-ДНК , A-ДНК и Z-ДНК . Трехцепочечные структуры ДНК были продемонстрированы в повторяющихся полипуриновых:полипиримидиновых микросателлитных последовательностях и сателлитной ДНК .

B-ДНК является наиболее распространенной формой ДНК in vivo и представляет собой более узкую, вытянутую спираль, чем A-ДНК. Ее широкая большая бороздка делает ее более доступной для белков. С другой стороны, у нее узкая малая бороздка. Предпочтительные конформации B-ДНК возникают при высоких концентрациях воды; гидратация малой бороздки, по-видимому, благоприятствует B-ДНК. Пары оснований B-ДНК почти перпендикулярны оси спирали. Сахарная складка, которая определяет форму a-спирали, будет ли спираль существовать в A-форме или в B-форме, находится в C2'-эндо. [13]

A-ДНК — это форма дуплекса ДНК, наблюдаемая в условиях дегидратации. Она короче и шире, чем B-ДНК. РНК принимает эту двойную спиральную форму, а дуплексы РНК-ДНК в основном имеют A-форму, но наблюдались дуплексы РНК-ДНК B-формы. [14] В локализованных одноцепочечных динуклеотидных контекстах РНК также может принимать B-форму без спаривания с ДНК. [15] A-ДНК имеет глубокую узкую большую бороздку, которая не делает ее легкодоступной для белков. С другой стороны, ее широкая неглубокая малая бороздка делает ее доступной для белков, но с более низким информационным содержанием, чем большая бороздка. Ее предпочтительная конформация находится при низких концентрациях воды. Пары оснований A-ДНК наклонены относительно оси спирали и смещены от оси. Сахарная складка возникает в C3'-эндо, а в РНК 2'-OH ингибирует конформацию C2'-эндо. [13] Долгое время считавшаяся не более чем лабораторным изобретением, A-ДНК, как теперь известно, имеет несколько биологических функций .

Z-ДНК — относительно редкая левозакрученная двойная спираль. При правильной последовательности и суперспиральном натяжении она может быть сформирована in vivo, но ее функция неясна. Она имеет более узкую, более вытянутую спираль, чем A или B. Большая бороздка Z-ДНК на самом деле не является бороздкой, а имеет узкую малую бороздку. Наиболее предпочтительная конформация возникает при высоких концентрациях соли. Есть некоторые замены оснований, но они требуют чередующейся последовательности пурина и пиримидина. N2-аминогруппа G связывается с водородными связями 5' PO, что объясняет медленный обмен протонами и необходимость в пурине G. Пары оснований Z-ДНК почти перпендикулярны оси спирали. Z-ДНК не содержит одиночных пар оснований, а скорее повтор GpC с расстояниями PP, варьирующимися для GpC и CpG. В стопке GpC наблюдается хорошее перекрытие оснований, тогда как в стопке CpG перекрытие меньше. Зигзагообразный остов Z-ДНК обусловлен конформацией сахара C, компенсирующей конформацию гликозидной связи G. Конформация G — син, C2'-эндо; для C — анти, C3'-эндо. [13]

Линейная молекула ДНК, имеющая свободные концы, может вращаться, чтобы приспособиться к изменениям различных динамических процессов в клетке, изменяя, сколько раз две цепи ее двойной спирали скручиваются друг вокруг друга. Некоторые молекулы ДНК являются кольцевыми и топологически ограничены. Совсем недавно кольцевая РНК была также описана как естественный всепроникающий класс нуклеиновых кислот, экспрессируемых во многих организмах (см. CircRNA ).

Ковалентно замкнутая кольцевая ДНК (также известная как cccDNA) топологически ограничена, поскольку количество раз, которое цепи обвивают друг друга, не может измениться. Эта cccDNA может быть суперспирализована , что является третичной структурой ДНК. Суперспирализация характеризуется числом связей, скручиванием и извиванием. Число связей (Lk) для кольцевой ДНК определяется как число раз, которое одна нить должна пройти через другую нить, чтобы полностью разделить две нити. Число связей для кольцевой ДНК может быть изменено только путем разрыва ковалентной связи в одной из двух нитей. Всегда целое число, число связей cccDNA представляет собой сумму двух компонентов: скручиваний (Tw) и извилин (Wr). [16]

Л к = Т ж + Вт г {\displaystyle Lk=Tw+Wr}

Повороты — это количество раз, когда две нити ДНК скручиваются друг вокруг друга. Изгибы — это количество раз, когда спираль ДНК пересекает сама себя. ДНК в клетках отрицательно суперспирализована и имеет тенденцию раскручиваться. Поэтому разделение нитей легче в отрицательно суперспирализованной ДНК, чем в расслабленной ДНК. Два компонента суперспирализованной ДНК — соленоидный и плектонемический . Плектонемическая суперспираль встречается у прокариот, тогда как соленоидальная суперспирализация в основном наблюдается у эукариот.

Четвертичная структура

Четвертичная структура нуклеиновых кислот похожа на четвертичную структуру белков . Хотя некоторые концепции не совсем совпадают, четвертичная структура относится к более высокому уровню организации нуклеиновых кислот. Более того, она относится к взаимодействиям нуклеиновых кислот с другими молекулами. Наиболее часто встречающаяся форма более высокого уровня организации нуклеиновых кислот наблюдается в форме хроматина , что приводит к его взаимодействиям с небольшими белками гистонами . Кроме того, четвертичная структура относится к взаимодействиям между отдельными единицами РНК в рибосоме или сплайсосоме . [17]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Кригер М., Скотт М.П., ​​Мацудайра ПТ., Лодиш Х.Ф., Дарнелл Дж.Э., Лоуренс З., Кайзер К., Берк А. (2004). «Раздел 4.1: Структура нуклеиновых кислот». Молекулярная клеточная биология . Нью-Йорк: WH Freeman and CO. ISBN 978-0-7167-4366-8.
  2. ^ "Структура нуклеиновых кислот". SparkNotes .
  3. ^ abc Anthony-Cahill SJ, Mathews CK, van Holde KE, Appling DR (2012). Биохимия (4-е изд.). Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall. ISBN 978-0-13-800464-4.
  4. ^ Альбертс Б., Джонсон А., Льюис Дж., Рафф М., Робертс К., Влейтер П. (2002). Молекулярная биология клетки (4-е изд.) . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Garland Science. ISBN 978-0-8153-3218-3.
  5. ^ Mao C (декабрь 2004 г.). «Возникновение сложности: уроки ДНК». PLOS Biology . 2 (12): e431. doi : 10.1371 /journal.pbio.0020431 . PMC 535573. PMID  15597116. 
  6. ^ Кацуюки, Аоки; Казутака, Мураяма; Ху, Нин-Хай (2016). «Твердотельные структуры комплексов ионов щелочных металлов, образованных низкомолекулярными лигандами биологической значимости». В Astrid, Sigel; Helmut, Sigel; Roland KO, Sigel (ред.). Ионы щелочных металлов: их роль для жизни . Ионы металлов в науках о жизни. Т. 16. Springer. С.  43– 66. doi :10.1007/978-3-319-21756-7_3. ISBN 978-3-319-21755-0. PMID  26860299.
  7. ^ Седова А, Банавали НК (2017). «Геометрические узоры для соседних оснований вблизи состояния сложенных цепей нуклеиновых кислот». Биохимия . 56 (10): 1426– 1443. doi :10.1021/acs.biochem.6b01101. PMID  28187685.
  8. ^ Тиноко I, Бустаманте C (октябрь 1999). «Как сворачивается РНК». Журнал молекулярной биологии . 293 (2): 271– 81. doi :10.1006/jmbi.1999.3001. PMID  10550208.
  9. ^ Hollyfield JG, Besharse JC, Rayborn ME (декабрь 1976 г.). «Влияние света на количество фагосом в пигментном эпителии». Experimental Eye Research . 23 (6): 623–35 . doi :10.1016/0014-4835(76)90221-9. PMID  1087245.
  10. ^ Rietveld K, Van Poelgeest R, Pleij CW, Van Boom JH, Bosch L (март 1982). «Структура, подобная тРНК, на 3'-конце РНК вируса желтой мозаики репы. Различия и сходства с канонической тРНК». Nucleic Acids Research . 10 (6): 1929–46 . doi : 10.1093 /nar/10.6.1929. PMC 320581. PMID  7079175. 
  11. ^ Staple DW, Butcher SE (июнь 2005 г.). «Псевдоузлы: структуры РНК с разнообразными функциями». PLOS Biology . 3 (6): e213. doi : 10.1371/journal.pbio.0030213 . PMC 1149493. PMID  15941360 . 
  12. ^ Sperschneider J, Datta A, Wise MJ (декабрь 2012 г.). «Предсказание псевдоузловых структур в двух последовательностях РНК». Биоинформатика . 28 (23): 3058– 65. doi : 10.1093/bioinformatics/bts575. PMC 3516145. PMID  23044552. 
  13. ^ abc Dickerson RE, Drew HR, Conner BN, Wing RM, Fratini AV, Kopka ML (апрель 1982 г.). «Анатомия A-, B- и Z-ДНК». Science . 216 (4545): 475–85 . Bibcode :1982Sci...216..475D. doi :10.1126/science.7071593. PMID  7071593.
  14. ^ Чен X; Рамакришнан Б; Сундаралингам М (1995). «Кристаллические структуры химер ДНК-РНК B-формы, комплексированных с дистамицином». Nature Structural Biology . 2 (9): 733– 735. doi :10.1038/nsb0995-733. PMID  7552741. S2CID  6886088.
  15. ^ Седова А, Банавали НК (2016). «РНК приближается к B-форме в сложенных одноцепочечных динуклеотидных контекстах». Биополимеры . 105 (2): 65–82 . doi :10.1002/bip.22750. PMID  26443416. S2CID  35949700.
  16. ^ Миркин С.М. (2001). «Топология ДНК: основы». ЭЛС . doi : 10.1038/npg.els.0001038. ISBN 978-0470016176. {{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )
  17. ^ "Структурная биохимия/Нуклеиновая кислота/ДНК/Структура ДНК" . Получено 11 декабря 2012 г. .
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Структура_нуклеиновой_кислоты&oldid=1261343420"